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 alta energía, así como para simular los efectos de los rayos en los equipos de líneas eléctricas y de aviación. Sandia National Laboratories utiliza un banco de 36 generadores Marx para generar rayos X en su máquina Z.
El circuito genera un pulso de alto voltaje cargando una cantidad de capacitores en paralelo y luego conectándolos repentinamente en serie. Vea el diagrama del circuito a la derecha. Al principio, n capacitores ( C ) se cargan en paralelo a un voltaje V C mediante una fuente de alimentación de CC a través de las resistencias ( R C ). Los descargadores de chispas utilizados como interruptores tienen el voltaje V C a través de ellos, pero los descargadores tienen un voltaje de ruptura mayor que V C , por lo que todos se comportan como circuitos abiertos mientras los capacitores se cargan. El último descargador aísla la salida del generador de la carga; sin ese descargador, la carga evitaría que los capacitores se carguen. Para crear el pulso de salida, se hace que el primer descargador de chispas se rompa (se dispara); la ruptura efectivamente cortocircuita el descargador, colocando los primeros dos capacitores en serie, aplicando un voltaje de aproximadamente 2 V C a través del segundo descargador de chispas. [2] En consecuencia, el segundo descargador se rompe para agregar el tercer capacitor a la "pila", y el proceso continúa rompiendo secuencialmente todos los descargadores. Este proceso de conexión de los descargadores de chispas en serie para crear el alto voltaje se denomina erección . El último descargador de chispas conecta la salida de la "pila" de condensadores en serie a la carga. Idealmente, el voltaje de salida será nV C , el número de condensadores multiplicado por el voltaje de carga, pero en la práctica el valor es menor. Nótese que ninguna de las resistencias de carga R c está sujeta a más que el voltaje de carga incluso cuando los condensadores se han erigido. La carga disponible está limitada a la carga de los condensadores, por lo que la salida es un pulso breve a medida que los condensadores se descargan a través de la carga. En algún momento, los descargadores de chispas dejan de conducir y la fuente de alimentación de bajo voltaje comienza a cargar los condensadores nuevamente.
El principio de multiplicar el voltaje mediante la carga de condensadores en paralelo y su descarga en serie también se utiliza en el circuito multiplicador de voltaje , que se utiliza para producir altos voltajes para impresoras láser y televisores de tubo de rayos catódicos , que tiene similitudes con este circuito. Una diferencia es 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.
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 cesio 137 o níquel 63, y orientando los bujías de chispa de forma que la luz ultravioleta de un interruptor de bujía de chispa que se activa ilumine las bujías de chispa abiertas restantes. [3] El aislamiento de los altos voltajes producidos se logra a menudo sumergiendo el generador Marx en aceite de transformador o un gas dieléctrico de alta presión como el hexafluoruro de azufre (SF 6 ).
Tenga en cuenta que cuanto menor sea la resistencia entre el condensador y la fuente de alimentación de carga, más rápido se cargará. Por lo tanto, en este diseño, los que estén más cerca de la fuente de alimentación se cargarán más rápido que los que estén más lejos. Si se permite que el generador se 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 un voltaje de 2 V al segundo interruptor. Este interruptor se cerrará, aplicando un voltaje de 3 V al tercer interruptor. Este interruptor se cerrará, lo que dará como resultado una cascada hacia abajo del generador que produce nV en la salida del generador (nuevamente, solo en el caso ideal).
Se puede permitir que el primer interruptor se rompa espontáneamente (a veces llamado " auto-rotura ") durante la carga si el tiempo absoluto del pulso de salida no es importante. Sin embargo, generalmente se activa intencionalmente una vez que todos los capacitores en el banco Marx han alcanzado la carga completa, ya sea reduciendo la distancia de separación, pulsando un electrodo de activación adicional (como un Trigatron ), ionizando el aire en la separación con un láser pulsado o reduciendo la presión de aire dentro de la separación.
Las resistencias de carga, Rc, deben tener el tamaño adecuado tanto para la carga como para la descarga. A veces se las reemplaza con inductores para mejorar la eficiencia y acelerar la carga. En muchos generadores, las resistencias están hechas de tubos de plástico o vidrio llenos de una solución de sulfato de cobre diluido . Estas resistencias líquidas superan muchos de los problemas que experimentan los materiales resistivos sólidos más convencionales, que tienden a reducir su resistencia con el tiempo en condiciones de alto voltaje.
El generador Marx también se utiliza para generar pulsos cortos de alta potencia para células de Pockels , impulsar un láser TEA , el encendido del explosivo convencional de un arma nuclear y pulsos de radar.
La brevedad es relativa, ya que el tiempo de conmutación de las versiones de alta velocidad no es inferior a 1 ns, por lo que muchos dispositivos electrónicos de bajo consumo son más rápidos. En el diseño de circuitos de alta velocidad, la electrodinámica es importante, y el generador Marx la respalda en la medida en que utiliza cables cortos y gruesos entre sus componentes, pero el diseño es, no obstante, esencialmente electrostático. Cuando se rompe el primer espacio, la teoría electrostática pura predice que aumenta la tensión en todas las etapas. Sin embargo, las etapas están acopladas capacitivamente a tierra y en serie entre sí, y por lo tanto, cada etapa encuentra un aumento de tensión que es cada vez más débil cuanto más se aleja de la etapa de conmutación; por lo tanto, la etapa adyacente a la de conmutación encuentra el aumento de tensión más grande y, por lo tanto, conmuta a su vez. Cuantos más pasos conmutan, aumenta la subida de tensión en el resto, lo que acelera su funcionamiento. Por lo tanto, una subida de tensión alimentada a la primera etapa se amplifica y se hace más pronunciada al mismo tiempo.
En términos electrodinámicos, cuando la primera etapa se avería, se crea una onda electromagnética esférica cuyo vector de campo eléctrico se opone al alto voltaje estático. Este campo electromagnético móvil tiene la orientación incorrecta para activar la siguiente etapa, e incluso puede alcanzar la carga; este ruido delante del borde es indeseable en muchas aplicaciones de conmutación. Si el generador está dentro de un tubo de (por ejemplo) 1 m de diámetro, se requieren alrededor de 10 reflexiones de onda para que el campo se estabilice en condiciones estáticas, lo que restringe el ancho del borde de entrada del pulso a 30 ns o más. Por supuesto, 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 un voltaje más alto, y por la corriente disponible para cargar la inevitable capacidad parásita. En los dispositivos de avalancha de estado sólido, un voltaje alto conduce automáticamente a una corriente alta. Debido a que el alto voltaje se aplica solo por un corto tiempo, los interruptores de estado sólido no se calientan excesivamente. Como compensación por los voltajes más altos encontrados, las etapas posteriores también tienen que transportar una carga menor. La refrigeración de la etapa y la recarga del condensador también funcionan bien juntas.
Los diodos de avalancha pueden reemplazar un descargador de chispas para voltajes de etapa menores a 500 voltios. Los portadores de carga abandonan fácilmente los electrodos, por lo que no se necesita ionización adicional y la fluctuación es baja. Los diodos también tienen una vida útil más larga que los descargadores de chispas. [ cita requerida ]
Un dispositivo de conmutación rápida es un transistor de avalancha NPN equipado con una bobina entre la base y el emisor. El transistor se apaga inicialmente y existen alrededor de 300 voltios a través de 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 adecuada; en su lugar fluye una corriente de fuga algo ruidosa. Cuando la etapa anterior conmuta, la unión emisor-base se empuja hacia polarización directa 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 encendido por completo, los voltajes en todas partes caen, cada avalancha de conmutación se detiene, su bobina adaptada pone su unión base-emisor en polarización inversa y el campo estático bajo permite que los portadores de carga restantes se drenen fuera de su unión colector-base.
Una de las aplicaciones es la llamada conmutación en vagón de una celda Pockels . Se utilizan cuatro generadores Marx, cada uno de los dos electrodos de la celda Pockels está conectado a un generador de pulsos positivos y a un generador de pulsos negativos. Primero se encienden dos generadores de polaridad opuesta, uno en cada electrodo, para cargar la celda Pockels en una polaridad. Esto también cargará parcialmente los otros dos generadores, pero no los activará, porque solo se han cargado parcialmente de antemano. La fuga a través de las resistencias Marx debe compensarse con una pequeña corriente de polarización a través del generador. En el borde posterior del vagón, se encienden los otros dos generadores para "invertir" la celda.
Los generadores Marx se utilizan para generar pulsos de alto voltaje para probar el aislamiento de aparatos eléctricos, como transformadores de potencia de gran tamaño o aisladores utilizados para soportar líneas de transmisión de energía. Los voltajes aplicados pueden superar los dos millones de voltios para aparatos de alto voltaje.
En la industria alimentaria, los generadores Marx se utilizan para el procesamiento de campos eléctricos pulsados para inducir la mejora del corte o la aceleración del secado de patatas y otras frutas y verduras. [4]