Neben einer Kaskade stellt ein sog. Marxgenerator eine zweite einfache Art der Erzeugung von Hochspannung dar. Man benötigt für diesen folgende Teile:
- DC-Hochspannungsquelle
- HV-Kondensatoren
- HV-Widerstände
- Funkenstrecken
Das Schaltbild eines Marxgenerators sieht folgendermaßen aus:
Zunächst werden die parallel geschalteten Kondensatoren mit der DC-Hochspannung Uin am Eingang aufgeladen. Bei einer bestimmten Ladespannung schlägt die erste und dann auch alle weiteren Funkenstrecken über. Dadurch werden sämtliche Kondensatoren in Serie geschalten und für die Ausgangsspannung Uout gilt dann bei n Stufen ca. Uout = n · Uin.
Variante 1: kleiner Marxgenerator
Dieser kleine Marxgenerator verwendet Kondensatoren der Type 2.2 nF/3 kV und jeweils 2 in Serie geschaltete 1 MOhm/0.25 W Widerstände. Die Eingangsspannung liegt bei ca. 2 kV.
Zum Speisen des kleinen Marxgenerators eignet sich mein kleines DC-HV-Modul, welches man auf ebay.com für kleines Geld erwerben kann. Zuerst habe ich einmal dessen Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Eingangsspannung mittels 1:1000 Spannungsteiler bestimmt:
Betreibt man das HV-Modul mit einer einzelnen Liion-Zelle, so beträgt die Speisespannung des Marx rund 3.2 kV. Das ist so ziemlich das obere Limit für die verwendeten Kondensatoren. Die so mit dem Minimarxgenerator erzielbaren Funkenlängen belaufen sich dann auf ca. 15-20 mm.
Variante 2: Großer Marxgenerator
Bei meinem großen Marxgenerator verwende ich als DC-Hochspannungsquelle eine sog. Zerhackerschaltung mit dem NE555.
Die Frequenz ist zwischen ca. 3 kHz und 48 kHz einstellbar. Der NE555 steuert einen IRFP460 an, wobei der Tastgrad durch den kleinen Widerstand R_a fast bei 50% liegt.
Wichtiger Hinweis: Am Ausgang des Diodensplittrafos (DST) sollte man nicht auf einen strombegrenzenden HV-Widerstand vergessen. Auch muss der Minuspol des DST geerdet werden!
Bei 7 Primärwicklungen am DST erhalte ich bei Eingangsspannungen um die 30V Ausgangsspannungen im Bereich von 20 kV DC. Daher sollten die im Marxgenerator Verwendung findenden HV-Kondensatoren zumindest 20 kV Spannungsfestigkeit besitzen.
HV-Kondensatoren verwende ich Folienkondensatoren des Typs 2 nF/30 kV. Als Widerstände kommen 1 MOhm/10 kV Typen zum Einsatz. Beide Bauteile kann man auf ebay oder aliexpress erwerben. Insgesamt verfügt mein großer Marxgenerator über 10 Stufen. Bei einer Eingangsspannung von rund 20 kV kann man also eine Ausgangsspannung im Bereich von 150 kV erwarten, wenn man berücksichtigt, dass die Kondensatoren der höheren Stufen nicht mehr ganz auf die volle Eingangsspannung geladen werden. Die Funkenstrecken bestehen einfach aus zurechtgebogenen Kupferdraht.
Der Minuspol des Marxgenerators muss wie schon erwähnt geerdet werden! Ich habe ihn daher direkt mit meinem Heizkörper verbunden.
Resultate:
Mit meinem großen Marxgenerator konnte ich Funkenlängen um die 20 cm erzielen. Daher beträgt die Ausgangsspannung rund 150 kV. Damit bin ich eigentlich zufrieden. Die Funkenüberschläge nahm ich auch mit meiner Casio-Hochgeschwindigkeitskamera (bis zu 1000 fps) auf. Da es beim ersten Setup mit Teepackungen als Sockel zu Überschlägen auf den Boden kam, habe ich mir 2 Stück ca. 25 cm lange Plexiglasrohre besorgt. Damit waren dann keine Überschläge mehr zu beobachten.
