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 un suministro 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 equipos de líneas eléctricas y equipos 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 varios condensadores en paralelo y luego, de repente, conectándolos en serie. Vea el diagrama del circuito a la derecha. Al principio, se cargan n condensadores ( C ) en paralelo a un voltaje V C mediante una fuente de alimentación de CC a través de las resistencias ( R C ). Los explosores utilizados como interruptores tienen el voltaje V C a través de ellos, pero los entrehierros 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 espacio aísla la salida del generador de la carga; sin ese espacio, la carga impediría que los condensadores se cargaran. Para crear el pulso de salida, se hace que el primer explosor se rompa (se active); la ruptura efectivamente acorta la distancia, colocando los dos primeros capacitores en serie, aplicando un voltaje de aproximadamente 2 V C a través de la segunda distancia de chispa. [2] En consecuencia, el segundo espacio se rompe para agregar el tercer condensador a la "pila", y el proceso continúa rompiendo secuencialmente todos los espacios. Este proceso en el que los explosores conectan los condensadores en serie para crear alto voltaje se llama montaje . El último espacio conecta la salida de la "pila" de condensadores en serie con la carga. Idealmente, el voltaje de salida será nV C , el número de capacitores multiplicado por el voltaje de carga, pero en la práctica el valor es menor. Tenga en cuenta que ninguna de las resistencias de carga R c está sujeta a más que el voltaje de carga, incluso cuando los capacitores han sido instalados. La carga disponible se limita 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, las vías de chispas dejan de conducir y el suministro de bajo voltaje comienza a cargar los condensadores nuevamente.
El principio de multiplicar el voltaje cargando condensadores en paralelo y descargándolos en serie también se utiliza en el circuito multiplicador de voltaje , utilizado para producir altos voltajes para impresoras láser y televisores de tubos 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 de cesio 137 o níquel 63, y orientando las descargas de chispas de manera que la luz ultravioleta de un interruptor de descarga de chispas ilumine las descargas de chispas abiertas restantes. [3] El aislamiento de los altos voltajes producidos a menudo se logra sumergiendo el generador Marx en aceite de transformador o en un gas dieléctrico de alta presión como el hexafluoruro de azufre (SF 6 ).
Tenga en cuenta que cuanto menos resistencia haya entre el condensador y la fuente de alimentación de carga, más rápido se cargará. Así, en este diseño, los que estén más cerca de la fuente de alimentación cargarán más rápido que los que estén más lejos. Si se permite que el generador se cargue 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 luego se cerrará, aplicando un voltaje de 3 V al tercer interruptor. Este interruptor luego se cerrará, lo que dará como resultado una cascada por el 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 autodesconexión ) durante la carga si la sincronización absoluta del pulso de salida no es importante. Sin embargo, normalmente se activa intencionadamente una vez que todos los condensadores del banco Marx han alcanzado la carga completa, ya sea reduciendo la distancia del espacio, pulsando un electrodo de disparo adicional (como un Trigatron ), ionizando el aire en el espacio mediante un pulsador. láser , o reduciendo la presión del aire dentro del espacio.
Las resistencias de carga, Rc, deben tener el tamaño adecuado tanto para la carga como para la descarga. A veces se reemplazan con inductores para mejorar la eficiencia y una carga más rápida. En muchos generadores, las resistencias están hechas de tubos de plástico o vidrio llenos de una solución diluida de sulfato de cobre . 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 Pockels , accionar un láser TEA , ignición del explosivo convencional de un arma nuclear y 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 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 la respalda en la medida en que utiliza cables cortos y gruesos entre sus componentes, pero, no obstante, el diseño es esencialmente electrostático. Cuando se rompe la primera brecha, la teoría electrostática pura predice que el voltaje 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 cuanto más alejada está la etapa de la de conmutación; Por lo tanto, la etapa adyacente a la de conmutación experimenta el mayor aumento de tensión y, por tanto, conmuta a su vez. A medida que cambian más etapas, aumenta el aumento de voltaje en el resto, lo que acelera su funcionamiento. Por lo tanto, un aumento de voltaje alimentado a la primera etapa se amplifica y aumenta al mismo tiempo.
En términos electrodinámicos, cuando la primera etapa se descompone se crea una onda electromagnética esférica cuyo vector de campo eléctrico se opone al alto voltaje estático. Este campo electromagnético en movimiento tiene la orientación incorrecta para activar la siguiente etapa, e incluso puede alcanzar la carga; Este tipo de ruido delante del borde no es deseable en muchas aplicaciones de conmutación. Si el generador está dentro de un tubo de (digamos) 1 m de diámetro, se requieren alrededor de 10 reflexiones de onda para que el campo se establezca en condiciones estáticas, lo que restringe el ancho del borde anterior 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 capacitancia parásita. En los dispositivos de avalancha de estado sólido, un alto voltaje conduce automáticamente a una alta corriente. Debido a que el alto voltaje se aplica sólo por un corto tiempo, los interruptores de estado sólido no se calentarán excesivamente. Como compensación por los voltajes más altos encontrados, las últimas etapas también deben transportar una carga más baja. La refrigeración por etapas y la recarga de condensadores también van bien juntas.
Los diodos de avalancha pueden reemplazar un explosor para voltajes de etapa inferiores 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 explosores. [ cita necesaria ]
Un dispositivo de conmutación rápida es un transistor de avalancha NPN equipado con una bobina entre la base y el emisor. Inicialmente, el transistor se apaga 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 mediante ionización por impacto, pero la probabilidad es demasiado baja para formar una avalancha adecuada; en lugar de ello fluye una corriente de fuga algo ruidosa. Cuando la etapa anterior cambia, la unión emisor-base se empuja hacia la 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 disparado por completo, los voltajes caen en todas partes, cada avalancha de interruptores se detiene, su bobina acoplada pone su unión base-emisor en polarización inversa y el bajo campo estático permite que los portadores de carga restantes se drene de su unión colector-base.
Una aplicación es la llamada conmutación de furgones de una célula de Pockels . Se utilizan cuatro generadores Marx, estando conectado cada uno de los dos electrodos de la celda de Pockels a un generador de impulsos positivo y a un generador de impulsos negativo. Primero se encienden dos generadores de polaridad opuesta, uno en cada electrodo, para cargar la celda de Pockels en una polaridad. Esto también cargará parcialmente los otros dos generadores, pero no los activará, ya que antes solo estaban cargados parcialmente. La fuga a través de las resistencias Marx debe compensarse con una pequeña corriente de polarización a través del generador. En el borde de salida del vagón, los otros dos generadores se activan para "invertir" la celda.
Los generadores Marx se utilizan para proporcionar pulsos de alto voltaje para probar el aislamiento de aparatos eléctricos, como grandes transformadores de potencia , o aisladores utilizados para soportar líneas de transmisión de energía. Los voltajes aplicados pueden exceder 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 una mejora del corte o la aceleración del secado de patatas y otras frutas y verduras. [4]