Generador Marx

Un generador Marx es un circuito eléctrico descrito por primera vez por Erwin Otto Marx en 1924. ^{[ 1 ]} Su propósito es generar un pulso de alto voltaje a partir de una fuente de CC de bajo voltaje. Los generadores Marx se utilizan en experimentos de física de altas energías, así como para simular los efectos de los rayos en equipos de líneas eléctricas y equipos de aviación. Un banco de 36 generadores Marx es utilizado por los Laboratorios Nacionales Sandia para generar rayos X en su Máquina Z.

El circuito genera un pulso de alto voltaje cargando varios condensadores en paralelo y conectándolos repentinamente en serie. Véase el diagrama del circuito a la derecha. Inicialmente, n condensadores ( C ) se cargan en paralelo a un voltaje V _C mediante una fuente de alimentación de CC a través de las resistencias ( RC ₎ . Los descargadores de chispa utilizados como interruptores tienen el voltaje V _C entre sus terminales, pero su voltaje de ruptura es mayor que V _C , por lo que se comportan como circuitos abiertos mientras se cargan los condensadores. El último descargador aísla la salida del generador de la carga; sin él, la carga impediría la carga de los condensadores. Para generar el pulso de salida, se provoca la ruptura (disparo) del primer descargador de chispa; esta ruptura cortocircuita el descargador, conectando los dos primeros condensadores en serie y aplicando un voltaje de aproximadamente 2 V _C al segundo descargador de chispa. ^{[ 2 ]} En consecuencia, el segundo descargador se rompe para añadir el tercer condensador a la "pila", y el proceso continúa rompiendo secuencialmente todos los descargadores. Este proceso de descarga eléctrica que conecta los condensadores en serie para generar la alta tensión se denomina " erección ". La última descarga conecta la salida del conjunto de condensadores en serie a la carga. Idealmente, la tensión de salida será nV _C , el número de condensadores multiplicado por la tensión de carga, pero en la práctica el valor es menor. Cabe destacar que ninguna de las resistencias de carga R _c está sometida a una tensión superior a la de carga, incluso cuando los condensadores se han conectado en serie. La carga disponible se limita a la carga de los condensadores, por lo que la salida es un breve pulso a medida que los condensadores se descargan a través de la carga. En algún momento, las descargas eléctricas dejan de conducir y la fuente de baja tensión comienza a cargar los condensadores de nuevo.

El principio de multiplicar el voltaje cargando condensadores en paralelo y descargándolos en serie también se utiliza en el circuito multiplicador de voltaje , empleado para generar altos voltajes en impresoras láser y televisores de tubo de rayos catódicos , el cual presenta similitudes con este circuito. Una diferencia radica en que el multiplicador de voltaje se alimenta con corriente alterna y produce un voltaje de salida de CC constante, mientras que el generador Marx produce un pulso.

Generador Marx utilizado para probar componentes de transmisión de energía de alto voltaje en la Universidad Técnica de Dresde, Alemania.

Generador Marx en una feria comercial de servicios públicos, Leipzig, Alemania Oriental, 1954.

Generador Marx de 600 kV y 10 etapas en funcionamiento.

Generador Marx de 800 kV en el laboratorio del Instituto Nacional de Tecnología de Durgapur, India.

El rendimiento adecuado depende de la selección del condensador y del momento de la descarga. Los tiempos de conmutación se pueden mejorar dopando los electrodos con isótopos radiactivos de cesio 137 o níquel 63, y orientando los espacios de chispa de manera que la luz ultravioleta de un interruptor de chispa de disparo ilumine los espacios de chispa abiertos restantes. ^{[ 3 ]} El aislamiento de los altos voltajes producidos se suele lograr sumergiendo el generador Marx en aceite de transformador o en un gas dieléctrico a alta presión como el hexafluoruro de azufre (SF ₆ ).

El tiempo que tarda un circuito de carga en cargar completamente un condensador descargado depende de la corriente de la fuente de alimentación. Cuanto menor sea la resistencia entre el condensador y la fuente de alimentación, más rápido se cargará. Por lo tanto, en este diseño, los condensadores más cercanos a la fuente de alimentación se cargarán antes que los más alejados. Si se permite que el generador cargue durante el tiempo suficiente, todos los condensadores alcanzarán el mismo voltaje.

En el caso ideal, el cierre del interruptor más cercano a la fuente de alimentación de carga aplica una tensión de 2 V al segundo interruptor. Este interruptor se cerrará, aplicando una tensión de 3 V al tercer interruptor. Este último también se cerrará, lo que provocará una reacción en cascada a través del generador que produce nV en la salida del mismo (nuevamente, solo en el caso ideal).

El primer interruptor puede dejarse desconectar espontáneamente (a veces llamado autodesconexión ) durante la carga si la sincronización absoluta del pulso de salida no es importante. Sin embargo, normalmente se activa intencionalmente una vez que todos los condensadores del banco Marx han alcanzado la carga completa, ya sea reduciendo la distancia entre ellos, pulsando un electrodo de activación adicional (como un Trigatron ), ionizando el aire en el espacio mediante un láser pulsado o reduciendo la presión del aire dentro del espacio.

Las resistencias de carga, R _c , deben dimensionarse adecuadamente tanto para la carga como para la descarga. En ocasiones, se reemplazan por inductores para mejorar la eficiencia y acelerar la carga. En muchos generadores, las resistencias están hechas de tubos de plástico o vidrio rellenos con una solución diluida de sulfato de cobre . Estas resistencias líquidas superan muchos de los problemas que presentan los materiales resistivos sólidos más convencionales, cuya resistencia tiende a disminuir con el tiempo bajo condiciones de alto voltaje.

El generador Marx también se utiliza para generar pulsos cortos de alta potencia para las celdas Pockels , para accionar un láser TEA , para la ignición del explosivo convencional de un arma nuclear y para generar pulsos de radar.

La brevedad es relativa, ya que el tiempo de conmutación incluso de las versiones de alta velocidad no es inferior a 1 ns, y por lo tanto, muchos dispositivos electrónicos de baja potencia son más rápidos. En el diseño de circuitos de alta velocidad, la electrodinámica es importante, y el generador Marx lo respalda en la medida en que utiliza conductores cortos y gruesos entre sus componentes, pero el diseño es, no obstante, esencialmente electrostático. Cuando se produce la ruptura del primer espacio, la teoría electrostática pura predice que la tensión en todas las etapas aumenta. Sin embargo, las etapas están acopladas capacitivamente a tierra y en serie entre sí, por lo que cada etapa encuentra un aumento de tensión que es cada vez más débil a medida que se aleja de la etapa de conmutación; la etapa adyacente a la de conmutación encuentra, por lo tanto, el mayor aumento de tensión y, en consecuencia, conmuta a su vez. A medida que más etapas conmutan, el aumento de tensión en las restantes aumenta, lo que acelera su funcionamiento. De este modo, un aumento de tensión alimentado a la primera etapa se amplifica y se hace más pronunciado al mismo tiempo.

En términos electrodinámicos, cuando la primera etapa falla, crea una onda electromagnética esférica cuyo vector de campo eléctrico se opone a la alta tensión estática. Este campo electromagnético en movimiento tiene la orientación incorrecta para activar la siguiente etapa e incluso puede alcanzar la carga; este ruido en el flanco de ataque es indeseable en muchas aplicaciones de conmutación. Si el generador se encuentra dentro de un tubo de (por ejemplo) 1 m de diámetro, se requieren aproximadamente 10 reflexiones de onda para que el campo se estabilice en condiciones estáticas, lo que limita el ancho del flanco de ataque del pulso a 30 ns o más. Los dispositivos más pequeños son más rápidos.

La velocidad de un interruptor está determinada por la velocidad de los portadores de carga, que aumenta con el voltaje, y por la corriente disponible para cargar la capacitancia parásita inevitable. En los dispositivos de avalancha de estado sólido, un voltaje alto conlleva automáticamente una corriente alta. Dado que el voltaje alto se aplica solo durante un breve período, los interruptores de estado sólido no se calientan excesivamente. Para compensar los voltajes más altos, las etapas posteriores también deben transportar una carga menor. La refrigeración de las etapas y la recarga del condensador también se complementan bien.

Los diodos de avalancha pueden reemplazar a los descargadores de chispa para voltajes de etapa inferiores a 500 voltios. Los portadores de carga abandonan fácilmente los electrodos, por lo que no se requiere ionización adicional y la fluctuación de fase es baja. Además, los diodos tienen una vida útil más larga que los descargadores de chispa.

Un dispositivo de conmutación rápida es un transistor de avalancha NPN equipado con una bobina entre la base y el emisor. El transistor está inicialmente apagado y existen aproximadamente 300 voltios entre su unión colector-base. Este voltaje es lo suficientemente alto como para que un portador de carga en esta región pueda crear más portadores por ionización por impacto, pero la probabilidad es demasiado baja para formar una avalancha propiamente dicha; en su lugar, fluye una corriente de fuga algo ruidosa. Cuando la etapa anterior conmuta, la unión emisor-base se polariza directamente y la unión colector-base entra en modo de avalancha completa, por lo que los portadores de carga inyectados en la región colector-base se multiplican en una reacción en cadena. Una vez que el generador Marx se ha disparado por completo, los voltajes en todas partes caen, cada avalancha de conmutación se detiene, su bobina acoplada polariza inversamente su unión base-emisor y el bajo campo estático permite que los portadores de carga restantes se drenen de su unión colector-base.

Una aplicación es la denominada conmutación en caja de una celda de Pockels . Se utilizan cuatro generadores Marx, cada uno de los dos electrodos de la celda de Pockels conectado a un generador de impulsos positivos y a un generador de impulsos negativos. Dos generadores de polaridad opuesta, uno en cada electrodo, se activan inicialmente para cargar la celda de Pockels en una polaridad. Esto también cargará parcialmente los otros dos generadores, pero no los activará, ya que solo se han cargado parcialmente con anterioridad. La fuga a través de las resistencias Marx debe compensarse mediante una pequeña corriente de polarización a través del generador. En el flanco descendente de la conmutación en caja, los otros dos generadores se activan para "invertir" la celda.

Los generadores Marx se utilizan para proporcionar pulsos de alto voltaje para la prueba del aislamiento de aparatos eléctricos, como grandes transformadores de potencia o aisladores utilizados para soportar líneas de transmisión eléctrica. Los voltajes aplicados pueden superar los dos millones de voltios en aparatos de alto voltaje.

En la industria alimentaria, los generadores Marx se utilizan para el procesamiento mediante campos eléctricos pulsados ​​con el fin de mejorar el corte o acelerar el secado de la patata y otras frutas y verduras. ^{[ 4 ]}

• ATLAS-I
• Generador Cockcroft-Walton : un circuito similar con la misma estructura en "escalera"; el generador CW produce corriente continua rectificada a partir de una entrada de corriente alterna.
• Generador de compresión de flujo con bombeo explosivo : una solución al doble problema de crear pulsos de alta corriente.
• Bobina de encendido
• Bobina de inducción
• Centro de Investigación de Alta Tensión de Istra
• Controlador de transformador lineal : un moderno generador de pulsos de alta corriente y alto voltaje con tiempo de subida y ancho de banda personalizables.
• Bobina de Tesla
• Generador de inversión vectorial : un dispositivo de línea de transmisión que utiliza un enfoque de carga en paralelo y descarga en serie.

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