Kompakter Marx Generator

Für HV-Trafos, Kaskaden, Coilguns, Induktionsheizer und Ähnliches.

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Marxi
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Kompakter Marx Generator

Beitrag von Marxi »

Hallo zusammen,

hiermit möchte ich meinen kleinen (aber feinen) Marx Generator vorstellen:
IMG_0228_a.JPG
IMG_0230_a.JPG
IMG_0235_a.JPG
Ein paar Details dazu:

* Der Generator ist bipolar, er wird in der Mitte gespeist und hat eine + und eine - Seite (2*4 Stufen). Dadurch ist die maximale Spannung ggü. Masse nur halb so groß wie die Marx Spannung (es hat Vorteile).
* Kondensatoren sind TDK UHV4A (940pF 30kV), ergibt sich 940/8 = 117,5 pF Marx Kapazität. Die Teile sind teuer, aber ich hatte mal mit billigeren probiert (Impulsfest!), diese sind immer wieder ausgefallen.
* Widerstände sind Ohmite MOX930 1 MOhm. Auch da: teuer aber alternative sind meistens kaputt gegangen...
* Die Spannungsversorgung basiert auf einem Zeilentrafo mit ca. 30~35 kV Ausgang. Das ganze ist batteriebetrieben. Wiederholfrequenz ist 2 Hz. Die Spannungsversorgung wird mit zwei 1 MOhm / 45 kV Widerständen geschützt. Dazu noch einen 1 GOhm Entlade-Widerstand (Safety first).
* Elektroden: ich hatte mal (wie viele andere) mit Hutmuttern angefangen: bei 30 kV war der Generator aber sehr instabil. Dann habe ich mit Messing Kugeln mit Sackloch probiert (diese werden beim Lampenbau genutzt), die Stabilität war dann deutlich besser. Die Verteilung des E-Feldes ist bei Kugeln homogener.
* Der Generator ist selbst-getriggert. Die 2 mittleren Spark Gaps sind etwas kürzer, damit kann man die Trigger-Spannung einstellen.
* Die "Wände" sind aus PA6, sehr stabil.

Zum Schluss das Ergebnis (zugegeben, die Joghurtbecher sind nicht sehr ästhetisch):
6a.jpg
Zwischen den zwei 5 cm Kugelelektroden sind ca. 25 cm.

Den Generator möchte ich für weitere Experimente nutzen, vielleicht schreibe ich später was dazu.

Und noch einen Punkt: ich habe auch probiert, statt Lade-Widerstände Spulen zu verwenden, das hat gar nicht funktioniert (trotz Spice Simulation...). Hat jemand schon damit Erfahrung?

Marxi
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Death
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Re: Kompakter Marx Generator

Beitrag von Death »

Hi Marxi,

willkommen im Forum und danke für die Vorstellung deines Projektes :hehe:

axonf
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Re: Kompakter Marx Generator

Beitrag von axonf »

Hallo und einen schönen guten Morgen, hallo Marxi ein sehr schönes Projekt und so perfekt verarbeitet :awesome: . Ich finde die Schrauben und Platten aus PA machen was her, mit den Spark Gap s aus Messing sieht es doch sehr professionell aus. Ich persönlich würde das ganze noch etwas Berührung s Sicher machen, vielleicht Plexiglaskasten mit Lüfter. Zu den HV Bauteilen kann ich eben nichts sagen, bin da noch beginner, aber die Leistungs kann sich schon sehen lassen, 25 cm sind da schon eine Augenweide! Viele Grüße von axonf.

Zitzewitz

Re: Kompakter Marx Generator

Beitrag von Zitzewitz »

Hallo Marxi, schöne Entladung, die du da erzeugt hast. Du hast wahrscheinlich Spulen auf einem Ferritkern genommen. Man müsste prüfen, ob sie zum einen wegen der Isolation für die Spannung einer Marx-Stufe geeignet sind, und zum anderen darf der Kern v.a. nach dem Zünden nicht in Sättigung geraten, d.h. man braucht ausreichend Windungen - je kleiner der Kern (und je höher die Spannnung), desto mehr Windungen. Man könnte überlegen, statt dessen Luftspulen zu verwenden - da gibt es keine Probleme mit Kernsättigung.
Wenn die Widerstände zu teuer sind und Spulen nicht in Frage kommen, könnte man eventuell HV-Dioden verwenden (ob das allerdings billiger ist, wäre zu prüfen). Diese müssen allerings nicht nur die Spannung aushalten, sondern müssen auch einigermaßen schnell sein, damit sie nach dem Zünden nicht zu viel Energie verbraten (und ggf. kaputt gehen). Und beim Laden auf den zulässigen Strom der Dioden achten.
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Paul
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Re: Kompakter Marx Generator

Beitrag von Paul »

Hey Marxi,

willkommen im Forum! Danke für's Vorstellen deines Projektes – der Generator sieht echt professionell aus! Und der Output spricht für sich! :headbang:

Viele Grüße!
- Paul
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paulwilhelm.de -- mosfetkiller.de

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Marxi
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Re: Kompakter Marx Generator

Beitrag von Marxi »

Hallo zusammen,

danke für eure Antworten.
Ich habe noch ein kleines Experiment gemacht: ich wollte die Serien-Induktivität des Generators ermitteln. Dafür habe ich den Generator kurzgeschlossen und mit einer Magnetfeldsonde den Strom gemessen:
yx.JPG
yx.JPG (38.67 KiB) 181 mal betrachtet
Das Ergebnis ist hier:
yx2.JPG
yx2.JPG (42.88 KiB) 181 mal betrachtet
Wir sehen eine schöne gedämpfte Oszillation bei ca. 8.5 MHz. Wir haben acht 940 pF Kondensatoren in Serie geschaltet, d.h. die Marx Kapazität ist 940/8 = 117.5 pF.
Die Schaltung schwingt mit der Frequenz F = 1/(2*pi*sqrt(L*C)), so dass wir L rechnen können >>> L=2.98 uH. Wir können dann die Impedanz rechnen:
Z= sqrt(L/C) = 159 Ohm.
Verglichen mit einem "Profi" Marx Generator ist die Induktivität relativ groß.
https://apelc.com/marx-generators/marx- ... parameters
Der Generator hier verlinkt hat 745 nH, ist aber ganz anders konstruiert (Metall-Gehäuse, kurze Anbindungen, Isolierung mit Druckluft...).

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Marxi
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Re: Kompakter Marx Generator

Beitrag von Marxi »

Zitzewitz hat geschrieben: Sa 25. Jun 2022, 17:09 Hallo Marxi, schöne Entladung, die du da erzeugt hast. Du hast wahrscheinlich Spulen auf einem Ferritkern genommen. Man müsste prüfen, ob sie zum einen wegen der Isolation für die Spannung einer Marx-Stufe geeignet sind, und zum anderen darf der Kern v.a. nach dem Zünden nicht in Sättigung geraten, d.h. man braucht ausreichend Windungen - je kleiner der Kern (und je höher die Spannnung), desto mehr Windungen. Man könnte überlegen, statt dessen Luftspulen zu verwenden - da gibt es keine Probleme mit Kernsättigung.
Wenn die Widerstände zu teuer sind und Spulen nicht in Frage kommen, könnte man eventuell HV-Dioden verwenden (ob das allerdings billiger ist, wäre zu prüfen). Diese müssen allerings nicht nur die Spannung aushalten, sondern müssen auch einigermaßen schnell sein, damit sie nach dem Zünden nicht zu viel Energie verbraten (und ggf. kaputt gehen). Und beim Laden auf den zulässigen Strom der Dioden achten.
Danke für die Tipps. Ich hatte mal mit Luftspulen probiert (selber gewickelt auf PVC Rohr) im Bereich 100 uH, das Ergebnis war gar nicht so gut.
Ich habe das hier gefunden, mit richtig großen Spulen scheint es zu klappen:
https://www.youtube.com/watch?v=wgS6BdY7M7o
Das passt aber bei meinen kompakten Aufbau nicht so richtig...
Mit Dioden hatte ich noch nicht probiert.
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Zitzewitz
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Re: Kompakter Marx Generator

Beitrag von Zitzewitz »

Hallo Marxi, schön, wieder was von dir zu hören. Der Unterschied von professionellen Marx-Generatoren zu unseren liegt nicht nur im Aufbau, sondern auch im Verwendungszweck: Für professionelle Marx sollen oft bestimmte Impulsformen erzielt werden. Oftmals soll die Pulsdauer weniger ein 1 µs sein, und der Impulsstrom wird auf irgendeine "Probe" gegeben. Wir aber sollen schöne und meist möglichst lange Lichtbögen haben.

Ich bin ja gerade auch dabei, einen Marx zu entwerfen. Am Anfang war ich mir auch gar nicht bewusst, dass es beim Output-Lichtbogen eine nicht unerheblich lange Zeit braucht, bis er sich überhaupt aufbauen kann, nachdem die "kleinen" Funkenstrecken im Marx gezündet haben. Ich habe im Internet recherchiert. Die genaue Zeitdauer bis zum richtigen Lichtbogen konnte ich zwar nicht herausfinden (sie ist zumindest von der Länge der "großen" Output-Funkenstrecke abhängig). Aber ich gehe davon aus, dass es mehrere 100 µ dauern kann, bis der Lichtbogen kommt - aber wohl nicht länger als 1 ms (bitte korrigiert mich, wenn ihr andere Zahlen habt).

Um zu beurteilen, ob die Serieninduktivität gut oder schlecht ist, müsste man schauen, ob die Energie in der Zeitdauer von einigen 100 µs deutlich abgenommen hat. Allerdings ist der Marx dann nicht kurzgeschlossen, sondern es gibt zwischen den beiden Output-Kugeln eine Kapazität, welche eine Serienschaltung mit der Marx-Kapazität bildet.

Prinzipiell könnte man die Kapazität zwischen den beiden Kugeln berechnen oder messen und die Serien-Kapazität (zusammen mit der Marx-Kapazität) errechnen. Dann könnte man die Schwingkreisgüte ausrechnen (zusammen mit dem Kabelwiderstand). Ich gehe davon aus, dass der Schwingkreis eine sehr hohe Güte hat.

Aber vielleicht geht es wie folgt einfacher: Du schließt die "kleinen" Funkenstrecken im Marx mit Kabeln kurz und lädst die in Reihe geschalteten Kondensatoren mit einer Niederspannung auf. Die Output-Kugeln müssen den Abstand haben, den du auch für den Betrieb mit Hochspannung hast. Beim Entfernen der Ladespannung müsste es auch schwingen. Und man könnte messen, wie viel Spannung nach einigen 100 µs noch übrig ist. Wenn die Spannung dann nicht stark abgefallen ist, sollte der Marx unter diesem Aspekt gut sein.

Bei solchen Messungen mit Niederspannung werden allerdings Verluste durch Corona-Entladungen usw. nicht berücksichtigt.

Edit: Für die Abnahme der Spannung nach dem Zünden der kleinen Funkenstrecken können auch die Widerstände maßgeblich sein, über die der Marx geladen wird. Je größer sie sind, desto langsamer entladen sich die Marx-Kondensatoren nach dem Zünden der kleinen und vor dem Zünden der großen Output-Funkenstrecke.
Zuletzt geändert von Zitzewitz am Mo 25. Jul 2022, 19:47, insgesamt 1-mal geändert.
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Zitzewitz
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Re: Kompakter Marx Generator

Beitrag von Zitzewitz »

Marxi hat geschrieben: Mo 25. Jul 2022, 19:23 Danke für die Tipps. Ich hatte mal mit Luftspulen probiert (selber gewickelt auf PVC Rohr) im Bereich 100 uH, das Ergebnis war gar nicht so gut.
Ich habe das hier gefunden, mit richtig großen Spulen scheint es zu klappen:
https://www.youtube.com/watch?v=wgS6BdY7M7o
Das passt aber bei meinen kompakten Aufbau nicht so richtig...
Mit Dioden hatte ich noch nicht probiert.
Ja, vor einiger Zeit glaubte ich noch, dass 10 mH ausreichen sollten. Aber damals habe ich geglaubt, dass der Lichtbogen nahezu ohne Verzögerung nach dem Zünden der kleinen Funkenstrechen im Marx entstehen würde.
Da ich jetzt weiß, dass es mehrere 100 µs dauern kann, verstehe ich auch, dass die Induktivitäten größer sein müssen: Der Strom durch die Induktivitäten sollte während dieser Zeit nicht stark ansteigen. (Vielleicht würden 10 mH gehen, wenn der Drahtwiderstand der Spule sehr klein wäre ==> hohe Schwingkreisgüte, aber dann würde eine Luftspule auch sehr groß).
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