Planung und Aufbau eines 10-stufigen Miniatur-Marxgenerators

Fachhochschule Aachen, Campus Jülich
Fachbereich Energietechnik
Studiengang Elektrische Energietechnik
mit Praxissemester
Bachelorarbeit
Planung und Aufbau eines 10-stufigen
Vorgelegt von Tobias Frinken
Miniatur-Marxgenerators
Matr.Nr.: 827381
Referent: Prof. Dr.-Ing. A. Kern (Fachhochschule Aachen)
Koreferent: Dipl.-Ing. H. Schmitz (Fachhochschule Aachen)
Datum: Jülich, den 13.02.2012

Eidesstattliche Erklärung
Ich versichere, dass ich meine Bachelorarbeit ohne Hilfe Dritter und ohne Benutzung
anderer als der angegebenen Quellen und Hilfsmittel angefertigt und die den benutzten
Quellen wörtlich oder inhaltlich entnommenen Stellen als solche kenntlich gemacht habe.
Diese Arbeit hat in gleicher oder ähnlicher Form noch keiner Prüfungsbehörde vorgelegen.
Jülich, den 13.02.2012
Nachname: Frinken
Vorname: Tobias
Matrikelnummer: 827381
Unterschrift: ___________________

Inhaltsverzeichnis
Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen ...................................................................... III
1. Einleitung ........................................................................................................................... 1
2. Stoßspannungsgeneratoren ................................................................................................ 3
2.1. Simulierte Stoßspannungen ........................................................................................ 3
2.2. Einstufiger Stoßspannungsgenerator .......................................................................... 3
2.3. Der Marx-Generator ................................................................................................... 4
3. Dimensionierung und Beschaffung geeigneter Komponenten .......................................... 7
3.1. Berechnung einer genormten Blitzstoßspannung „1,2/50“ ......................................... 7
3.2. Funkenstrecke ........................................................................................................... 15
3.2.1. Gasableiter ......................................................................................................... 15
3.2.2. Kugelfunkenstrecke ........................................................................................... 16
3.2.3. Abschneidefunkenstrecke .................................................................................. 17
3.3.1. Hochspannungsgenerator ................................................................................... 18
3.3.2 Generatoreinspeisung .......................................................................................... 19
3.4. Kapazitäten ............................................................................................................... 21
3.4.1. Stoßkapazität CS ............................................................................................... 21
3.4.2. Belastungskapazität CB ................................................................................... 22
3.4.3. Messkapazität CM ........................................................................................... 23
3.5. Widerstände .............................................................................................................. 24
3.5.1. Ladewiderstand RL ........................................................................................... 24
3.5.2. Dämpfungswiderstand RD ................................................................................ 27
3.5.3. Entladewiderstand RE ....................................................................................... 29
3.6. Impulsgeber .............................................................................................................. 30
3.7. Zusätzliche Sicherheitselemente ............................................................................... 33
3.7.1. Parallelwiderstand RP ...................................................................................... 33
3.7.2. Sicherheitswiderstand ........................................................................................ 33
4. Aufbau des Turms ............................................................................................................ 35
4.1. Holzkonstruktion ...................................................................................................... 35
I

4.2. Metallkonstruktion mit Hart PVC Platten ................................................................ 36
4.2.1. Metallturm ......................................................................................................... 36
4.2.2. Isolierung des Metallturms ................................................................................ 37
4.3. Turmaufbau aus Hart PVC ....................................................................................... 38
5. Das Gehäuse .................................................................................................................... 39
5.1. Aufbau und Größe des Gehäuses .............................................................................. 39
6. Messungen ....................................................................................................................... 43
7. Betriebsanleitung ............................................................................................................. 45
8. Zusammenfassung ........................................................................................................... 46
Abbildungsverzeichnis ......................................................................................................... 48
Literaturverzeichnis ............................................................................................................. 50
Anhang ................................................................................................................................. 51
II

Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen
Symbol Einheit Beschreibung
C B F Belastungskapazität des Marx-Generators
C i F Glättungskapazität des Netzteils
CKreis F Gesamtkapazität des Stoßkreises
CM F Messkapazität des Marx-Generators
CS F Stoßkapazität des Marx-Generators
CS' F n.-te Teil der Stoßkapazität
C T F Teilerkapazität des Marx-Generators
K1 1 Konstante zur Bestimmung der Stirnzeit
K 2 1 Konstante zur Bestimmung der Rückenhalbwertszeit
L Kreis H Gesamtinduktivität des Stoßkreises
n 1 Anzahl der Stufen eines Marx-Generators
η % Ausnutzungsgrad
P max W Maximale dauerhafte Widerstandsbelastung
P Ri W Durch Innenwiderstand verbrauchte Leistung
R 270 Ω Teilwiderstand des Entladewiderstands
R 500 Ω Teilwiderstand des Entladewiderstands
R1000 Ω Teilwiderstand des Entladewiderstands
R D Ω Dämpfungswiderstand des Stoßspannungsgenerators
RD' Ω n.-te Teil des Dämpfungswiderstands
R E Ω Entladewiderstand des Stoßspannungsgenerators
RE' Ω n.-te Teil des Entladewiderstand
Ri Ω Innenwiderstand des Netzteils
R L Ω Ladewiderstand des Stoßspannungsgenerators
R L ' Ω n.-te Teil des Ladewiderstands
R P Ω Parallelwiderstand zum Marx-Generator
III

τ 1 s Zeitkonstante zur Berechnung eines
Stoßspannungsgenerators
τ 2 s Zeitkonstante zur Berechnung eines
Stoßspannungsgenerators
τL s Teilladezeit des Marx-Generators
τL5 s Gesamtladezeit des Marx-Generators
T c s Abschneidezeit der Stoßspannung
Tr s Rückenhalbwertszeit der Stoßspannung
Ts s Stirnzeit der Stoßspannung
Û V reale Stoßspannung des Marx-Generators
UΣ0 V ideale Stoßspannung des Marx-Generators
U 0 V Ladespannung eines Stoßspannungsgenerators
U 2 V Ausgangsspannung eines Stoßspannungsgenerators
U Cm V theoretische Spannung an der Messkapazität
Û Cm V ablesbare Amplitude der Spannung an der Messkapazität
UCs' V Spannung pro Kondensator der Stoßkapazität
Umax V Maximale Stoßspannungsfestigkeit der Belastungskapazität
U Re V Maximale Spannung am Entladewiderstand
U Re270 V Spannung über Teilwiderstand des Entladewiderstands
U Re500 V Spannung über Teilwiderstand des Entladewiderstands
U Re1000 V Spannung über Teilwiderstand des Entladewiderstands
URi V über Innenwiderstand des Netzteiles abfallende Spannung
U sek V Sekundärspannung des Netzteiles
IV

1. Einleitung
Erwin Otto Marx entwickelte 1923 einen mehrstufigen Stoßspannungsgenerator, welcher
anschließend nach ihm benannt wurde.
Der Marx-Generator ist, knapp 90 Jahre nach seiner Entwicklung, in seinem Aufbau
unverändert. Er bietet eine der besten Möglichkeiten Blitz- und Stoßspannungen zu
generieren.
In der vorliegenden Bachelorarbeit wird die Entwicklung eines Marx-Generators in
Miniaturform beschrieben. Ziel der Arbeit ist es einen Generator zu erstellen, der eine
Eingangsspannung zehnfach verstärkt, um eine Ausgangsspannung an 100 kV zu erhalten.
Der Spannungsverlauf soll dabei einer Blitzstoßspannung „1,2/50“ entsprechen.
Die Bachelorarbeit ist in 8. Kapitel gegliedert. Im Folgenden werden die Kapitel kurz
inhaltlich vorgestellt.
Das erste Kapitel, die vorliegende Einleitung, soll einen Überblick übder die
Bachelorarbeit geben.
Das zweite Kapitel beschäftigt sich mit simulierten Stoßspannungen und zwei
vorherrschenden Stoßspannungsgeneratoren. Hierzu werden die Entwicklungen dieser
Generatoren aufgezeigt und deren Grundschaltung erläutert.
Im 3. Kapitel wird erläutert wie der Marx-Generator berechnet wird. Weiterhin werden die
Funkenstrecke, Hochspannungsquelle, Kapazitäten und Widerstände näher betrachtet. Dies
ist nötig, damit eine Realisierung der berechneten Bauteile stattfinden und der Marx-
Generator erbaut werden kann. Ebenfalls wird auf den Impulsgeber und auf zusätzliche
Sicherheitselemente eingegangen, so dass der Generator später kontrolliert und sicher
bedient werden kann.
Im 4. Kapitel werden Vor- und Nachteile diskutiert, mit welchen Materialien sich die
Konstruktion realisieren lässt, die eine Halterung von Kugelfunkenstrecken stabil und
langfristig ermöglicht.
1

Im 5. Kapitel wird die Notwendigkeit eines Gehäuses erläutert. Weiterhin setzt es sich mit
dem Bau des Gehäuses für den Marx-Generator auseinander. Ebenfalls wird beschrieben,
welche zusätzlichen Elemente zum Anschluss und zur Bedienung des Generators benutzt
werden.
Nach vollständiger Beschreibung des Marx-Generators und seiner Verschaltung, werden in
Kapitel 6. die erfolgten Messungen vorgestellt und interpretiert.
Das siebte Kapitel stellt eine Betriebsanleitung zur Verfügung, die es auch außerfachlichen
Benutzern ermöglicht, den in diesem Projekt entwickelten Marx-Generator zu bedienen.
Abschließend wird in der Zusammenfassung, Kapitel 8, über den Erfolg des Projekts
berichtet.
2

2. Stoßspannungsgeneratoren
2.1. Simulierte Stoßspannungen
In der Elektrotechnik kann es durch verschiedene Umstände zu Stoßspannungen kommen.
Unter einer Stoßspannung versteht man eine nur sehr kurz anstehende Hochspannung, wie
sie in Netzen der elektrischen Energieversorgung entweder durch äußere atmosphärische
Einflüsse (äußere Überspannung, Blitzstoßspannung) oder durch Schaltvorgänge (innere
Überspannung, Schaltstoßspannung) gelegentlich auftritt[1]. Dadurch entstehen Über- oder
Durchschläge, welche einen kurzzeitigen Systemausfall oder sogar eine Zerstörung von
Komponenten zur Folge haben können. Zur Vermeidung solcher Auswirkungen werden
Stoßspannungen simuliert, um Anlagen oder Bauteile auf ihre Hochspannungsfestigkeit zu
testen.
Zur Simulation werden einfache Stoßspannungsgeneratoren und deren mehrstufige
Erweiterung, sogenannte Marx-Generatoren, eingesetzt. Die Vielzahl von
Überspannungserscheinungen wird für Prüfzwecke aus Gründen der internationalen
Vergleichbarkeit auf genormte Blitzstoßspannungen und Schaltstoßspannungen reduziert
[2].
2.2. Einstufiger Stoßspannungsgenerator
Der einfachste Aufbau zur Erzeugung einer Stoßspannung, ist ein einstufiger
Stoßspannungsgenerator. Dabei gibt es zwei unterschiedliche Schaltungsarten:
Abbildung 1: Stoßspannungsgeneratorschaltung Typ A [Eigene Abbildung]
3

Abbildung 2: Stoßspannungsgeneratorschaltung Typ B [Eigene Abbildung]
Die Stoßkapazität C S wird in beiden Schaltungen über den Ladewiderstand R L auf die
anliegende Gleichspannung U0 aufgeladen. Durch Zünden der Schaltfunkenstrecke entlädt
sich die Stoßkapazität entweder über die Reihenschaltung aus Dämpfungswiderstand R D
und Entladewiderstand R E , wie in Abbildung 1 zu sehen ist, oder nur über R E , wie in
Abbildung 2. dargestellt. Gleichzeitig wird die Belastungskapazität C B , sowohl in
Abbildung 1 als auch in Abbildung 2, über den Dämpfungswiderstand R D geladen. Am
Ausgang U 2 kann der Prüfling angeschlossen werden, der ebenfalls, bei Vorhandensein
einer Eigenkapazität, über RD aufgeladen wird.
Die beiden Schaltungstypen unterscheiden sich demnach nur durch eine unterschiedliche
Verschaltung der Widerstände RE und RD.
2.3. Der Marx-Generator
Die Erweiterung des Stoßspannungsgenerators ist der Marx-Generator. Er basiert auf dem
Stoßspannungsgenerator Typ A (Abb. 1). Die Stoßspannung des Stoßspannungsgenerators
ist auf die Größe seiner Quellspannung begrenzt. Der Marx-Generator hingegen ermöglicht
es, die Quellspannung zu vervielfachen.
4

Er funktioniert über so genannte Stufen, wobei eine Stufe aus jeweils:
- einem Ladewiderstand R L '
- einem Endladewiderstand RE'
- einem Dämpfungswiderstand RD'
- einer Stoßkapazität C S '
- einer Funkenstrecke FS
besteht. Die Anzahl der Stufen ist mit n benannt und ihnen sind theoretisch zunächst keine
Grenzen gesetzt. Jedoch muss beim praktischen Aufbau eines solchen Generators die
endliche Überschlagsfestigkeit der Isolatoren berücksichtigt werden.
Es wird lediglich ein Belastungskapazität C B benötigt, die am Ende der Schaltung
installiert wird. Sie besteht aus einer Parallelschaltung aus der Prüflingskapazität CP und
der Teilerkapazität C T . Für eine normgerechte Entladung der Stoßkapazitäten müssen
Beide genau aufeinander abgestimmt werden. Dieser Aspekt wird in der Berechnung im
Kapitel 2.1. genauer behandelt.
Die Stoßkapazitäten C S werden über die Ladewiderstände R L parallel auf die
Eingangsspannung U 0 aufgeladen (siehe Abb. 3) und durch Auslösen der Funkenstrecken
FS so in Reihe geschaltet, dass sich ihre Spannungen kurzzeitig addieren. Die
Ausgangsspannung besteht also aus der Eingangsspannung multipliziert mit der Anzahl der
Stufen. Sind beispielsweise vier Kapazitäten parallel geschaltet und werden diese über vier
Funkenstrecken in Reihe geschaltet, entwickelt sich am Ausgang die vierfache
Eingangsspannung.
5

Für die Verstärkung gilt allgemein (2.1)[2]:
Abbildung 3: Marx-Generator-Schaltung [1]
U0∑ = n · U0
Durch diesen Vorgang ist es möglich, große Spannungen und Ströme für einen kurzen
Zeitraum zu generieren, ohne das Stromnetz zu belasten.
Mit diesen simulierten Spannungen lassen sich nun Bauteile, Geräte oder
Schutzeinrichtungen testen.
(2.1)
Da es sich in diesem Projektaufbau um einen zehnstufigen Marx-Generator handelt, gilt im
Folgenden n = 10.
6

3. Dimensionierung und Beschaffung geeigneter Komponenten
3.1. Berechnung einer genormten Blitzstoßspannung „1,2/50“
Die Dimensionierung der zu verwendenden Bauteile im Marx-Generator ist von vielen
Faktoren abhängig. Als erstes gilt es, die Stoßspannungsform zu definieren.
Für Prüfungen in einem Labor oder Prüffeld werden aperiodische Spannungsverläufe
vorgeschrieben [2]. Dies ist durch die IEC 60060-1 festgelegt.
Bei Prüfungen außerhalb von Laboreinrichtungen, so genannten Vor-Ort-Prüfungen,
können die idealisierten Spannungsformen oft nicht eingehalten werden. Es werden
deshalb auch stark schwingende Impulsspannungen eingesetzt, die im Entwurf der neuen
IEC 60060-3 durch ihre Einhüllende mit erheblich erweiterten Zeitparametern definiert
werden sollen [2].
Da in diesem Bachelorprojekt ein Blitzstoß simuliert werden soll und es sich um einen
Laboraufbau handelt, werden die Bauteile für eine aperiodische Blitzstoßspannung
„1,2/50“ konfiguriert.
Mit Blitzstoßspannungen werden reale Blitzstromverläufe simuliert. Die Überspannung
wird durch den Scheitelwert Û, die Stirnzeit Ts und die Rückenhalbwertszeit Tr definiert.
Für die genormte Blitzstoßspannung „1,2/50“ ist eine Stirnzeit von 1,2 µs (zulässige
Abweichung ± 30 %) und eine Rückenhalbwertszeit von 50 µs (zulässige Abweichung ±
20 %) festgelegt [2].
Als CB wird die Parallelschaltung aus Prüflingskapazität und Spannungsteilerkapazität
angesehen. Da für den grundlegenden Aufbau kein Prüfling verwendet wird, besteht im
Folgenden die Belastungskapazität nur aus dem kapazitiven Spannungsteiler.
Zur Berechnung des Marx-Generators werden die Bauteile der einzelnen Stufen zu einer
resultierenden Größe verarbeitet. Für die Ausgangsspannung gilt (2.1).
7

Die Stoßspannungskapazität resultiert aus ihren Teilkapazitäten(3.1.)[2]:
CS = CS'
n
(3.1)
Der Dämpfungswiderstand setzt sich aus der Summe aller Teildämpfungswiderstände, dem
äußeren Dämpfungswiderstand sowie dem Dämpfungswiderstand des Teilers zusammen.
Beim Projektaufbau sind weder ein äußerer Dämpfungswiderstand noch
Dämpfungswiderstand im Teiler verbaut, daher gilt (3.2)[6]:
RD = n · RD'
(3.2)
Die Entladung der Stoßkapazitäten erfolgt bei durchgezündeten Schaltfunkenstrecken über
die Widerstände RE' und RL'. Falls RL' >> RE' gewählt wird, gilt für den resultierenden
Entladewiderstand (3.3)[2]
RE = n · RE'.
(3.3)
Dass diese Bedingung für die vorliegende Arbeit erfüllt ist, wird im Kapitel 3.5.1.
Lastwiderstand verdeutlicht. Das gesamte Netzwerk wird durch eine Differentialgleichung
bestimmt. Für die Dimensionierung von Stoßspannungsgeneratoren ist diese
Differentialgleichung allerdings zu unhandlich [1]. Unter der Voraussetzung
RECS >> RDCB wurden aus der exakten Lösung der Differentialgleichung
Näherungsgleichungen entwickelt, welche im Folgenden verwendet werden. Die daraus
entwickelten Gleichungen sind (3.4) bis (3.10).
8

Für die zwei unterschiedlichen Grundschaltungen Typ A (Abb. 1) und Typ B (Abb. 2)
gelten geringfügig voneinander abweichende Beziehungen. Obwohl dem Marx-Generator
Schaltungstyp A zu Grunde liegt, wird zur Orientierung die erste Berechnung auf der
Grundlage des Schaltungstyps B durchgeführt. In dieser Berechnung sind die
grundlegenden Zeitkonstanten τ 1 und τ 2 jeweils nur von einem Widerstand abhängig.
Nach Abschluss dieser Berechnung kann erstmals eine Einschätzung der Realisierbarkeit
stattfinden. Sollten die geeigneten Komponenten auf Grundlage dieser Rechnung verfügbar
sein, kann die exakte Berechnung erfolgen, da nur geringfügige Abweichungen zu
erwarten sind.
Die für Blitzstoßspannungen definierten Größen, Stirnzeit und Rückenhalbwertszeit, sind
den Zeitkonstanten τ1 und τ2 proportional (3.4) (3.5) [2]:
T s = K 1 · τ 1
Tr = K2 · τ2
Abbildung 4: Konstanten für die Bestimmung von Stirnzeit und Rückenhalbwertszeit [2]
(3.4)
(3.5)
Die Konstanten K 1 und K 2 sind von der Stoßspannungsform abhängig [2]. Für die
Blitzstoßspannung „1,2/50“ gelten die Werte aus Abbildung 4; K 1 = 2,96 und K 2 = 0,73 .
Daraus ergeben sich für τ 1 und τ 2 nach (3.4) und (3.5) folgende Werte:
τ1 = Ts 1,2 µs
K1
= = 405 ns
2,96
9

τ2 = Tr 50 µs
= = 68,5 µs
K2 0,73
Für CS wurde nach Absprache mit dem betreuenden Professor Kern ein Wert von 1 nF
angenommen. Es wird ein hoher Ausnutzungsgrad von η ≈ 90 % anvisiert. Somit ergibt
sich für CB (3.6) [2]:
η =
CS
CS + CB
CB = CS
η - CS
1 nF
= - 1 nF = 111 pF
0,9
(3.6)
Da 111 pF keine gängige Kapazitätsgröße ist, welche in dieser Ausführung praktisch nicht
erhältlich ist, wird C B = 100 pF angenommen. Dies hebt den Ausnutzungsgrad auf η ≈
90,9 % an. Wie bereits erwähnt, wird zur Orientierung R D und R E zuerst grob berechnet.
Aus den Grundformeln (3.7) und (3.8) [2]
τ1 = RD
C S C B
C S + C B
τ 2 = R E · (C S + C B )
(3.7)
(3.8)
10

lassen sich nun R D und R E wie folgt berechnen:
R D = τ 1 CS + CB
CS CB
R E =
τ 2
C S + C B =
1 nF + 100 pF
= 405 ns = 4455 Ω
1 nF · 100 pF
68,5 µs
= 62,3 kΩ
1 nF + 100 pF
Mit (3.2) und (3.3) ergeben sich demnach die Werte RD' = 445,5 Ω und RE' = 6,23 kΩ
erhalten. Bauteile in dieser Größenordnung sind gut verfügbar und somit einfach zu
beschaffen. Das Einhalten der angenommenen und errechneten Werte stellt somit kein
Problem dar.
Aufgrund der Abweichungen zwischen den Schaltungstypen werden im Folgenden die
genauen Werte berechnet (3.9) (3.10) [2]:
τ1 = R E R D
R E + R D C S C B
C S + C B
τ2 = (RE + RD) · (CS + CB)
(3.9)
(3.10)
11

Nach Umstellung der Gleichungen sowie dem Einsetzten der Werte für C S und C B
ergeben sich folgende Gleichungen:
R E =
τ2
CS + CB - R D =
68,5 µs
1 nF + 100 pF - R D = 62272 Ω - R D
RE RD
RE + RD = τ1 CS + CB nF + 100 pF
= 405 ns1 = 4455 Ω
CS CB 1 nF · 100 pF
Wird nun RE aus (3.9) mit dem Ergebnis aus (3.10) ersetzt, lassen sich zwei Werte für RD
errechnen:
RD · (62272 Ω - RD)
62272 Ω - RD + RD
= 4455 Ω
R D · 62272 Ω - R D 2 = 4455 Ω · 62272 Ω = 277421760 Ω
R D 2 - R D · 62272 Ω + 969450496 Ω = - 277421760 Ω + 969450496 Ω
(R D - 31136 Ω) 2 = 692028736 Ω
R D = ± 26306 Ω + 31136 Ω
RD1 = 4830 Ω & RD2 = 57442 Ω
Mit Hilfe der Gleichung (3.9) oder (3.10) sowie R D1 und R D2 , lassen sich auch
RE1 und RE2 bestimmen.
RE1 = 57817 Ω & RE2 = 4830 Ω
12

Aufgrund der Nähe zur Orientierungsrechnung gilt R D = R D1 = 4830 Ω und
RE = RE1 = 57817 Ω.
Der finale Ausnutzungsgrad beträgt bei der genauen Berechnung (3.11) [2]:
η = Û
U∑0 =
RE
RE + RD
CS
CS + CB =
57817 Ω
57817 Ω + 4830 Ω
1 nF
= 83,9 %
1 nF + 100 pF
(3.11)
In den nachfolgenden Unterkapiteln 3.4. und 3.5. wird erläutert, wie sich die einzelnen
Widerstände und Kapazitäten zusammensetzen.
Es müssen zehn Entladewiderstände von RE' ≈ 5781,7 Ω, Dämpfungswiderstände von
RD' ≈ 483 Ω und Stoßkapazitäten von CS' = 10 nF sowie eine Belastungskapazität von
C B ' = 100 pF installiert werden. Der Ladewiderstand R L wird in erster Linie von seinem
eigenen Leistungsvermögen und der Bedingung R L ' >> R E ' beeinflusst. Aus (2.1) und
einer Ladespannung von 10 kV ergibt sich eine ideale Ausgansspannung von U ∑0 = 100
kV. Eingesetzt in (3.11) liegt die zu erwartende Stoßspannung bei Û = 83,9 kV.
Bei mehrstufigen Stoßspannungsgeneratoren kann es zu Schwingungen und
Kreisinduktivitäten kommen. Um ein Schwingen im Anstiegsbereich der Stirnzeit zu
verhindern, muss mindestens eine kritische Kreisdämpfung vorliegen. Dies ergibt für einen
einfachen RLC-Reihenschwingkreises die Dämpfungsbedingung(3.12)[2]:
RD ≥ 2 ·
LKreis
CKreis
(3.12)
Die Kreisinduktivität kann grob aus der Stromkreislänge des schwingenden Kreises mit
1 µH/m abgeschätzt werden[2]. RD steht für den errechneten Dämpfungswiderstand.
13

Als Kreiskapazität wird die Reihenschaltung aus Belastungs-, Mess- und Stoßkapazität
verwendet:
1
CKreis =
1
C
+
B 1
C
+
M 1
= 90,9 pF
CS Nach groben Abmessungen der kleinen Schaltungen, wird die Stromkreislänge mit 5 m
angenommen, was eine Kreisinduktivität von L Kreis = 5 µH bedeutet. Eingesetzt in die
Gleichung (3.12) entsteht die nachstehende Bedingung
4830 Ω ≥ 2 ·
5 µF
90,9 pF ≥ 2 · 55005 Ω2 ≥ 469 Ω
Es wird deutlich, dass die Bedingung erfüllt ist. Somit sollte es nicht zu Schwingungen im
Anstieg kommen.
14

3.2. Funkenstrecke
3.2.1. Gasableiter
Abbildung 5: Moderner Gasableiter [3]
Abbildung 6: älterer Gasableiter [4]
Um sensible Kugelfunkenstrecken zu vermeiden wurde zu Beginn überlegt, den Marx-
Generator mit Gasableitern auszustatten. Diese haben den Vorteil, eine vorgegebene
Zündspannung auf kleinem Raum zu ermöglichen. Zudem ist der Zündpunkt nicht durch
äußere Einwirkungen beeinflussbar.
Die größte Zündspannung für einen Gasableiter liegt bei 4500 V, was für eine
Ausgangsspannung von 100 kV etwa 22 Funkenstrecken bedeutet.
Neben dem größeren schaltungstechnischen Aufwand war vor allem der fehlende visuelle
Effekt negativ in Bezug auf die Gasableiter zu betrachten. Wie in Abbildung 5 zu sehen,
haben moderne Gasableiter eine Keramikhülle, die verhindert, dass der entstehende
Lichtbogen sichtbar wird. Ältere Gasableiter, wie in Abbildung 6, hatten eine Glashülle.
Jene sind aber nicht mehr auf dem Markt erhältlich.
Daraus ergab sich, dass Gasableiter mit Keramikhülle für Vorführungszwecke ungeeignet
sind.
15

3.2.2. Kugelfunkenstrecke
Abbildung 7: Eine im Aufbau verwendete Kugelfunkenstrecke [Eigene Abbildung]
Die Kugelfunkenstrecken aus zwei Edelstahlkugeln (Abb. 7) haben gegenüber den
Gasableitern einige große Nachteile. Sie haben ein viel höheres Eigengewicht und müssen
über Schrauben und nicht leitendes Material gehalten werden.
Die Schaltung muss zwingend in ein Gehäuse verbaut werden, um eine lebensgefährliche
Berührung zu unterbinden. Hierfür muss ein Schutzgehäuse konstruiert werden. Da die
Kugeln sehr raumfüllend sind, wird somit ein Gehäuse für einen Aufbau mit Kugeln viel
größer, als ein Aufbau für die Schaltung mit Gasableitern. Trennungsabstände müssen
besonders beachtet werden, um ungewollte Überschläge auf externe Bauteile zu vermeiden.
Vor allem bei einem Metallturm kann dies zu einen Problem führen.
Weiterhin sind die Funkenstrecken durch äußere Gegebenheiten wie z.B. Temperatur oder
Luftfeuchtigkeit beeinflussbar. Aus diesem Grund müssen sie sehr genau justiert werden,
damit Überschläge kontrolliert stattfinden können.
Trotz all dieser Nachteile, ist die konventionelle Kugelfunkenstrecke für diesen Miniatur-
Marx-Generator besser geeignet, da die Kugelfunkenstrecken, durch einen individuell
einstellbaren Abstand zwischen den Kugeln, eine frei wählbare Zündspannung bieten. Das
ermöglicht den Aufbau einer 10-stufigen Schaltung bei einer Eingangsspannung von 10 kV.
Zusätzlich entstehen im Zündaugenblick Lichtbögen zwischen den Kugeln. Dieser visuelle
Effekt verdeutlicht das Funktionsprinzip der Marx-Schaltung.
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Funkenstrecken werden in der Regel über Kugeln betrieben und nicht über beispielsweise
Schrauben oder einfache Drahtspitzen. Dies ist der Fall, da Kugeln ein homogenes Feld -
bzw. ein nur sehr schwach inhomogenes Feld – haben, und somit auch einen sicheren
Zündzeitpunkt gewährleisten.
Die Schlagweite zwischen den Kugeln sollte den halben Kugeldurchmesser nicht
überschreiten. Diese Forderung ist im Allgemeinen immer dann erfüllt, wenn der
Kugeldurchmesser mindestens so groß in mm gewählt wird, wie die zu messende
Spannung in kV beträgt (z.B. U = 100 kV, D ≥ 100 mm) [1].
3.2.3. Abschneidefunkenstrecke
Abbildung 8:
Abschneidefunkenstrecke des
Projekts [Eigene Abbildung]
Bei Prüfungen von Hochspannungsgeräten
(Transformatoren, Durchführungen, etc.) muss oft mit
„abgeschnittener Stoßspannung“ geprüft werden, um
die Wirkung sehr schneller Spannungsänderungen zu
simulieren [2]. Da der Projektaufbau besonders zu
Vorführungszwecken gebraucht werden soll, hat die
Abschneidefunkenstrecke (Abb. 8) zusätzlich die
Funktion, die große Schlagweite der Stoßspannung
deutlich zu machen. Wird der Abstand der Kugeln so
eingestellt, dass die Funkenstrecke bei anliegender
Stoßspannung zündet, ist neben dem wesentlich
größeren Lichtbogen als bei den Kugelfunkenstrecken
auch ein „lauter Knall“ zu hören. Um eine genormte
Stoßspannungskurve zu erhalten, werden die Kugeln
so weit von einander eingestellt, dass sie nicht zünden.
Soll die Stoßspannung zu Test- oder
Vorführungszwecken abgeschnitten werden, wird der
Kugelabstand gerade so eng justiert, dass sie zünden. Im Schaltplan ist die
Abscheineidefunkenstrecke mit AFS bezeichnet.
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3.3. Hochspannungsquelle
3.3.1. Hochspannungsgenerator
Abbildung 9: Der verwendete Hochspannungsgenerator [Eigene Abbildung]
Der Hochspannungsgenerator (Abb. 9) bildet das Herzstück des Marx-Generators. Als
Hauptkriterium muss er in der Lage sein, eine Hochspannung in Form einer
Gleichspannung auszugeben. Gleichzeitig muss sich der Generator leicht speisen lassen.
Dies geschieht entweder direkt über die in Deutschland üblichen 230 V Wechselspannung
oder durch ein zusätzliches Netzteil. Die Nennleistung spielt eine untergeordnete Rolle, da
der Ladestrom und die damit verbundene Leistungsaufnahme des Marx-Generators gering
sind.
Die Ausgangsspannung am Marx-Generator ist auf 100 kV festgelegt. Bei einer
zehnstufigen Verstärkung muss somit die Eingangsspannung 10 kV betragen. Der im
Projekt verwendete Hochspannungsgenerator erfüllt diese Kriterien. Als Einspeisung
benötigt er 12 V DC bei einem Maximalstrom von 5 A. Zudem hat eine 12 V - Einspeisung
den Vorteil, leicht über Batterien verfügbar zu sein, so dass der Generator auch unabhängig
von einer stationären Spannungsquelle betrieben werden kann.
18

3.3.2 Generatoreinspeisung
Wie bereits im vorherigen Kapitel erwähnt, ist eine 12 V DC Spannungsversorgung nötig,
um den Hochspannungsgenerator zu speisen. Hierfür wurde zunächst ein elektronisches
Netzteil installiert, welches in der Lage ist, den geforderten Strom von 5 A zu
gewährleisten.
In der Erprobungsphase wurde das Netzteil durch eine Fehlentladung zerstört. Aufgrund
dessen wurde zusätzlich ein Sicherheitswiderstand eingebaut, um zukünftige Netzteile zu
schützen. Allerdings gab es weitere Fehlentladungen, die dem elektronischen Netzteil
weiterhin schadeten, sodass auf eine solidere Spannungswandlung gewechselt wurde. Der
Grund für die Fehlentladung wird in Kapitel 4.2.1. näher erläutert. In Kapitel 3.7.2. wird
auf den Sicherheitswiderstand näher eingegangen.
Abbildung 10: 12 V Netzteil
[Eigene Abbildung]
Das neue Netzteil besteht aus einer klassischen
Ringkernspule, einer Gleichrichterschaltung
und zwei Kondensatoren zur
Spannungsglättung (Abb. 10). Es hat ein
Leistungsvermögen von 105 VA bei einem
Maximalstrom von 8,75 A. Neue
Fehlentladungen fließen jetzt, über die mit
einem großen Querschnitt ausgestatteten
Kupferwicklungen der Ringkernspule, ab. Die
Sekundärspannung des Netzteils beträgt
U sek = 12 V AC . Daraus folgt, dass nach
Gleichrichtung und Glättung die
Sekundärspannung im unbelasteten Fall
U sek = 16,9 V DC und im belasteten Fall
U sek ≈ 12 V DC entspricht. Nach
abgeschlossenem Ladevorgang der Kapazitäten
C S ' sinkt die Belastung ab, was einen Anstieg
der Spannung bewirkt.
19

Wird der Hochspannungsgenerator mit einer höheren Spannung als 12 V gespeist, so
transformiert dieser die Spannung auf ein höheres Potential als 10 kV. Dies hat zur Folge,
dass die Funkenstrecken selbständig überschlagen.
Damit auf elektronische Stabilisierungsbauteile verzichtet werden kann, muss ein
Innenwiderstand installiert werden. Um diesen zu ermitteln, wird ein Schiebewiderstand
verwendet. Diese Art Widerstand ermöglicht einen stufenlos verstellbaren
Widerstandswert. Der Schiebewiderstand wird zwischen der Schaltung und dem Netzteil
angeschlossen.
Die an der Schaltung anliegende Spannung wird gemessen, während der Widerstand
langsam verringert wird. Stellt sich eine Spannung von 12 V ein, kann der Widerstand
abgeklemmt werden, um mit Hilfe eines Messgerätes seinen Widerstandswert zu ermitteln.
Abbildung 11 zeigt den Schaltplan des Netzteils.
Abbildung 11: Schaltplan des Netzteils [Eigene Abbildung]
Das erläuterte Verfahren ergibt einen Innenwiderstand von Ri = 6,08 Ω. Dieser muss durch
eine feste Widerstandsverschaltung an Stelle des Schiebewiderstandes installiert werden.
Um einen Widerstand in etwa dieser Größe zu erstellen, sind sieben 47 Ω-Widerstände
mit einem Leistungsvermögen von jeweils 2 W parallel geschaltet. Daraus ergibt sich:
Ri = 1
7
= 6,71 Ω
47Ω
20

Im stationären Zustand fallen über den Innenwiderstand laut Messung U Ri = 4,2 V ab.
Daraus resultiert eine Leistung von:
PRi = U2
Ri = (4,2 V) 2
= 2,63 W
6,71 Ω
Das Gesamtleistungsvermögen der Widerstandsverschaltung von 14 W wird somit weit
unterschritten.
3.4. Kapazitäten
3.4.1. Stoßkapazität CS
Abbildung 12: Schaltungsbild der Kondensatorbatterie
[Eigene Abbildung]
Abbildung 13: Verlötete Stoßkapazität
[Eigene Abbildung]
Die Stoßkapazität CS setzt sich aus allen Stoßkapazitäten CS' zusammen. Da CS = 1 nF
definiert wurde, lässt sich C S ' = 10 nF mit Hilfe der Gleichung (3.1) errechnen. Für hohe
Spannungen eignen sich Keramikkondensatoren besonders gut; diese sind somit im System
verbaut. Dieser Kondensator ist laut Artikelbeschreibung des Verkäufers in der Lage, auf
eine Spannung von bis zu 10 kV aufgeladen zu werden. Bei ersten Tests hat sich dies
allerdings nicht bestätigt und es sind Kondensatoren durchgeschlagen. Um die einzelnen
Kondensatoren zu entlasten wurden sie jeweils parallel und in Reihe geschaltet. Abbildung
12 zeigt das Schaltungsbild und Abbildung 13 die entsprechend verlöteten Kondensatoren
dieser Verschaltung.
21

Kondensatorbatterie C S ' =
1
1
10 nF + 10 nF +
Spannung pro Kondensator: UCs' =
= 10 nF
1
10 nF + 10 nF
10 kV
2
= 5 kV
Die Berechnung zeigt, dass die Kondensatorbatterie ihre Kapazität von 10 nF behält und
die Ladespannung pro Kondensator gleichzeitig von 10 kV auf 5 kV verringert wird. Im
Zündaugenblick werden die einzelnen Kondensatoren ebenfalls entlastet, da sich der
entstehende Stoßstrom aufteilt.
3.4.2. Belastungskapazität CB
Die an die Belastungskapazität gestellten Anforderungen sind enorm groß, da diese einer
kurzzeitigen überschlagsfreien Aufladung auf 100 kV standhalten muss. Eine geringe
Gesamtkapazität von 100 pF zu erreichen ist kein Problem. Im gewöhnlichen Fachhandel
gibt es jedoch keine so speziellen Kondensatoren zu kaufen. Deshalb wurde in einem
ersten Versuch die Belastungskapazität im Labor selbst hergestellt. Hierzu wurden zehn 1
nF Kapazitäten konstruiert und in Reihe geschaltet, um die gewünschten 100 pF zu
erreichen. Für jede Kapazität wurde eine Spannungsfestigkeit von mindestens 10 kV
vorausgesetzt. Diese sollten in der Summe stark genug sein, der Gesamtspannung von
100 kV standzuhalten. In der Praxis wurde dies nicht bestätigt.
Abbildung 14: Belastungskapazität aus 22 Kondensatoren [Eigene Abbildung]
Die neu installierte Kondensatorbatterie besteht aus 22 Keramikkondensatoren (Abb. 14),
welche laut Hersteller eine Spannungsfestigkeit von 6,5 kV pro Kapazität bieten.
22

Ein Kondensator besitzt eine Kapazität von 2,2 nF. Bei einer Reihenschaltung dieser 22
Kondensatoren wird die gewünschte Kapazität von
und eine Spannungsfestigkeit von
erzielt.
3.4.3. Messkapazität CM
CB =
1
22
= 100 pF
2,2 nF
UCBmax = 22 · 6,5 kV = 141 kV
Abbildung 15: Schaltbild der Messvorrichtung [Eigene Abbildung]
Um den Spannungsverlauf im Zündmoment sichtbar zu machen, muss eine Teilspannung
gemessen werden. Hierzu wird zwischen der Belastungskapazität C B und dem
Erdpotential eine Messkapazität eingefügt, siehe Abbildung 15.
23

Die nun über die Messkapazität abfallende Impulsspannung ist zu einem koaxialen
Messausgang parallel geschaltet und kann mit einem digitalen Oszilloskop gemessen
werden. Um den Betriebsbereich des Oszilloskops nicht zu verlassen, muss ein großes
Teilerverhältnis bestimmt werden. Die Kapazität der Messkapazität ist mit CM = 500 nF
angenommen, was zu folgender maximaler Teilspannung führt:
UCm =
83,9 kV · 0,1 nF
500 nF + 0,1 nF
≈ 16,78 V
Die zu erwartende maximale Spannung von U Cm = 16,78 V wird durch ein Oszilloskop
problemlos messbar sein.
3.5. Widerstände
3.5.1. Ladewiderstand RL
Der Ladewiderstand R L begrenzt die Stromzufuhr der Stoßkapazität. Aufgrund dessen
muss er in der Lage sein, im Einschaltaugenblick die Spannung von 10 kV sowie die damit
verbundene Leistung zu vertragen. Für den Widerstand gilt:
Pmax ≥ U 0 2
R .
Um dieses Kriterium für, die im Handel verfügbaren, 10 MΩ 1W Widerstände zu
realisieren, wird eine Reihenschaltung aus vier Widerständen benötigt.
Anzahl der Widerstände ·
1 W
pro Widerstand ≥
U0 2
Anzahl der Widerstände · 10 MΩ
4 · 1 W = 4 W ≥ 2,5 W =
(10 kV)2
4 · 10 MΩ
24

Daraus resultierte die Ladezeit τ für die Gesamtschaltung nach (3.13) [4]:
τ L ≈ n · R L 2 · C S 2 ≈ 10 · (400 MΩ)2 · (1 nF)2 ≈ 1,265 s
(3.13)
Ein Kondensator gilt nach ca. 5 τ als vollständig geladen. Um die Schaltung vollständig zu
laden wird die Ladezeit τL5 ≈ 6,325 s gebraucht. RE kann für die Ladezeitberechnung
vernachlässigt werden, da R L = 400 MΩ jenen um über ein 60.000-faches übersteigt.
Die verwendeten Keramikkondensatoren haben ein schlechtes Selbstentladungsverhalten,
womit das System der Gefahr ausgesetzt wird, dass die Kapazitäten nicht die volle
Spannung von 10 kV erreichen. Zusätzlich beinhaltet diese Reihenschaltung auch ein
erhebliches Platzproblem. Der Abstand zwischen den einzelnen Anschlüssen der
Kugelfunkenstrecken beträgt jeweils 54 mm. Ein Widerstand hat jedoch ohne seine
Drahtanschlüsse eine Länge von 19 mm (siehe Abb. 16). Eine Reihenschaltung aus vier
Wiederständen ist demnach schwer zu realisieren.
Abbildung 16: Widerstandslayout und Größentabelle des Lastwiderstands [7]
Die Spannung von 10 kV und die damit verbundene Leistung belastet den Widerstand
insgesamt nur relativ kurz. Nach Datenblatt beträgt die maximale Leistungsfähigkeit für
impulsförmig auftretende Spannungen am Widerstand 1nF als Belastungskapazität. Dieser
Wert beschreibt aber nur eine Mindestverträglichkeit, die der Hersteller garantiert.
25

Dass ein Widerstand auch die Ladung einer 10 nF Kapazität übernehmen kann, ist nicht
ausgeschlossen. Theoretisch verändert sich das Ladeverhalten des Marx-Generators wie
folgt:
τ L ≈ n · R L 2 · C S 2 ≈ 10 · (100 MΩ)2 · (1 nF)2 ≈ 316 ms
Daraus resultiert eine Gesamtladezeit von τL5 ≈ 1,58 s.
Abbildung 17: Verwendeter
Lastwiderstand
[Eigene Abbildung]
Um die Belastung noch einmal zu senken und gleichzeitig die
Ladezeit zu verkürzen, wurden im Aufbau zwei Widerstände
parallel geschaltet (Abb. 17). Zwei Widerstände lassen sich
von der Größe her gut in das System integrieren. Eine
Verschaltung von mehr als zwei Widerständen würde zwar
die Belastung der Widerstände sowie die Ladezeit weiter
senken, erhöht aber simultan den Anspruch an den Hochspannungsgenerator und führt zu
Platzproblemen. Aus der Parallelschaltung resultiert ein neuer Widerstand von:
R L ' =
Die Ladezeit verkürzt sich dadurch auf:
1
= 5 MΩ
2
10 MΩ
τ L ≈ 10 · (50 MΩ)2 · (1 nF)2 ≈ 158 ms
Die sich daraus ergebende Gesamtladezeit beträgt τ L5 ≈ 790 s , was eine schnelle
Aufladung bedeutet.
Alle Tests haben bis zum jetzigen Zeitpunkt keine Überlastung der Widerstände gezeigt.
Sogar bei schnell ausgeführten Wiederholungen konnten keine nennenswerten
thermischen Reaktionen festgestellt werden.
26

Wie in Kapitel 3.1. bereits erwähnt, ist die Bedingung R L ' >> R E ' bestätigt. Der
Widerstand RL' = 5 MΩ ist nahezu 1000 mal so groß, wie der zu erwartende
Entladewiderstand von RE' ≈ 5781,7 Ω.
3.5.2. Dämpfungswiderstand RD
Abbildung 18: 470 Ω Leistungswiderstand [Eigene Abbildung]
Als Dämpfungswiderstand muss ein Widerstand von R D ' ≈ 483 Ω installiert werden.
Hochspannungsresistente Widerstände mit einem exakten Widerstandswert von 483 Ω sind
nicht erhältlich. Der nächstliegende zur Verfügung stehende Widerstandswert von 470 Ω
weicht 2,8 % vom Errechneten ab. Dabei handelt es sich um einen Leistungswiderstand
(Abb. 18) aus Metalloxid. Die Maximalleistung von 5 W wird zwar weit überschritten,
aber nur für sehr kurze Zeit, so dass angenommen werden kann, dass der Widerstand
davon keinen Schaden nimmt.
Die kompakte Bauweise von 25,5 mm x 13 mm x 9 mm ermöglicht eine gute Integration in
die Schaltung. Damit es zwischen den einzelnen Anschlüssen nicht zu Überschlägen
kommen kann, ist im Versuchsaufbau zwischen den Kontakten Heißkleber als Isolator
eingefüllt.
Nach zahlreichen Tests war jedoch zu erkennen, dass es im Gehäuse des Widerstands,
direkt hinter den Kontakten, zu Überschlägen kam. Der Widerstand wird an dieser Stelle
überbrückt und unbrauchbar. Dadurch wurde deutlich, dass der Isolierstoff im Gehäuse
nicht für Spannungen dieser Größenordnung ausgelegt ist.
27

Abbildung 19: Reihenschaltung aus zehn 47 Ω Widerständen [Eigene Abbildung]
Als neuer Dämpfungswiderstand (Abb. 19) ist eine Widerstandskette aus zehn 47 Ω
Widerständen à 2 W installiert worden. Der resultierende Gesamtwiderstand hat somit 470
Ω und ein Gesamtleistungsvermögen von 20 W.
Während des Stoßes fallen über jeden Dämpfungswiderstand bis zu 10 kV ab, also 1 kV
über jede 47 Ω-Einheit. Wie im nachfolgenden Diagramm (Abb. 20) zu sehen ist, hält der
Widerstand eine Belastung von 1 kV ca. 20 ms aus. Für den Dämpfungswiderstand gilt die
Kurve 593-0. Im Stoßfall liegt die Spannung einige Mikrosekunden an; sie beschädigt den
Widerstand somit nicht.
Abbildung 20: Pulse voltage Diagramm [8]
28

3.5.3. Entladewiderstand RE
Abbildung 21: Verlötete Entladewiderstandskette [Eigene Abbildung]
Laut Berechnung muss der Entladewiderstand einen Gesamtwiderstand von
RE ≈ 57817 Ω haben, das heißt, in jeder Stufe ein Widerstand RE' ≈ 5781,7 Ω . Die
nächstliegende Widerstandskombination, die eine geringe Induktivität aufweisen und in
der Lage ist, die Stoßspannung zu verkraften, liegt bei RE' = 5770 Ω. Sie besteht aus fünf
1000 Ω Widerständen in Reihe zu einem 500 Ω und einem 270 Ω Widerstand (Abb. 19).
Der 500 Ω Widerstand wird aus Gründen der Einfachheit aus zwei parallel verschalteten
1000 Ω Widerständen erstellt. Die maximale Spannung, die über die
Widerstandkombination R E abfallen kann, beträgt:
U Re =
U0 RD' + RE' · R 10 kV
E' =
· 5770 Ω = 9,25 kV
470 Ω + 5770 Ω
Abbildung 22: Schaltbild des erbauten Entladewiderstands [Eigene Abbildung]
Die verwendeten Widerstände sind vom selben Hersteller, wie die im
Dämpfungswiderstand verwendeten. Ihre Spannungsfestigkeit ist ebenfalls in Abbildung
20 aufgezeigt. Für die 1000 Ω-Widerstände sowie für den 270 Ω-Widerstand gilt der
Kurvenverlauf 590 - 0.
29

Die entstehende Impulsspannung verteilt sich dann wie folgt auf die Widerstände(Abb. 22):
URe270 = URe · Widerstandswert
Gesamtwiderstand
URe500
U Re1000
= 9,25 kV · 500 Ω
5770 Ω
= 9,25 kV · 1000 Ω
5770 Ω
= 9,25 kV · 270 Ω
5770 Ω
= 802 V
= 1603 V
= 433 V
Wie aus dem Spannungsverlauf 590-0 zu entnehmen ist, ist jeder Widerstand fähig,
2000 V über 300 µs standzuhalten. Die zu erwartenden Stoßspannungen befinden sich
unterhalb dieser Maximalspannung und haben ein kürzeres Zeitintervall.
3.6. Impulsgeber
Das Auslösen aller Funkenstrecken und die damit verbundene Kettenreaktion benötigen
einen Startimpuls. Dieser kann dadurch erreicht werden, dass eine Funkenstrecke so
eingestellt wird, dass sie von alleine zündet; also der Abstand leicht unter die maximale
Schlagweite justiert wird. Das hat den Vorteil, dass keine zusätzlichen Komponenten
installieren werden müssen. Ein großer Nachteil dieser Zündmethode ist allerdings, dass
die Auslösung der Stoßspannung nicht kontrolliert werden kann.
Eine kontrollierte Zündung ist für Tests an Prüflingen jedoch sehr wichtig. Zum Beispiel
wenn in einem festen Intervall die Stoßspannung an den Prüfling angelegt werden muss.
Hierzu wird in der Regel eine triggerbare Schaltfunkenstrecke benutzt. Diese provoziert
einen kleinen Überschlag an der ersten Funkenstrecke. Durch den Überschlag wird die
Luft ionisiert, worauf die erste Strecke zündet und alle weiteren folgen. Eine solche
Schaltfunkenstrecke ist jedoch im Fachhandel nur schwer erhältlich und passt von ihrer
Größe nicht in ein Miniatursystem, wie das im Projekt erstellt.
Um trotzdem eine kontrollierbare Zündung zu erreichen, die in das Miniatursystem
integriert werden kann, musste ein alternativer Impulsgeber verwendet werden.
30

Abbildung 23: Schaltbild des Impulsgebers [Eigene Abbildung]
Um das Problem zu beheben ist die Idee entwickelt worden, dass alle Schlagweiten so
eingestellt werden, dass sie kurz vor dem Durchbruch stehen, außer bei der ersten
Funkenstrecke. Die erste Funkenstrecke wird leicht unterhalb dieser Schlagweite kalibriert.
Damit ein unkontrollierter Überschlag verhindert wird, ist vor der ersten Funkenstrecke ein
Taster installiert, welcher erst im gewünschten Moment die Spannung auf die
Funkenstrecke schaltet und somit den Zündimpuls gibt. Als Taster wird in dem
Projektaufbau ein Reedrelais verwendet. Das Relais ist in der Lage 10 kV zu schalten,
indem es von einem 12 V -Impuls gesteuert wird. In Abbildung 24 ist der innere Aufbau
des Reedrelais zu erkennen. Damit zwischen den Kontakten kein Lichtbogen im Inneren
des Relais entsteht, ist das Relais mit einem speziellen Gas gefüllt.
Um das Relais zu aktivieren sind die Taster T 1 und T 2 installiert, siehe Abbildung 34 und
35 in Kapitel 5.2.. T1 ist direkt außen am Gehäuse angebracht. T2 ist über eine Kupplung
an einem 1,5 m langen Kabel angeschlossen. Der Auslöser der beiden Taster ist komplett
aus Plastik, um, bei einem möglichen Überschlag auf die 12 V-Ebene, den Benutzer nicht
zu gefährden. Abbildung 23 zeigt, wie das Schaltbild des Impulsgebers aufgebaut ist.
31

Abbildung 24: Layout des Reedrelais [9]
Die Überlegung, die erste Funkenstrecke komplett durch das Relais zu ersetzten, musste
verworfen werden, da bei leichten Spannungsspitzen das Relais automatisch kurzschließt.
Dieses Verhalten wird durch die angeschlossene Funkenstrecke unterbunden. Außerdem
beeinflusst die bei einem Lichtbogen entstehende UV-Strahlung die folgenden
Funkenstrecken positiv. Die Anordnung der Entladungsstrecken übereinander in einer
Funkenstreckensäule soll sicherstellen, dass die von der ersten Entladung ausgehende UV-
Strahlung an den Elektrodenoberflächen der höher liegenden Funkenstrecken
Startelektroden erzeugt und damit die Zündverzugszeit und Streuung minimiert [2].
32

3.7. Zusätzliche Sicherheitselemente
3.7.1. Parallelwiderstand RP
Der Parallelwiderstand ist eine Reihenschaltung aus zehn 10 MΩ Widerständen. Nach
Abschaltung der Energiezufuhr am Schalter S2 (Abb. 32 und 34) haben die Kondensatoren
eine lebensgefährliche Restspannung. Ohne Entladung können sie diese über einen
längeren Zeitraum speichern, was bei Wartungsarbeiten vergessen werden könnte und
somit zu Unfällen führen kann. Um dies zu vermeiden, ist dem Marx-Generator ein 100
MΩ Widerstand parallel geschaltet. Nach der Abschaltung der Energiezufuhr, entladen
sich so alle zehn Kondensatoren in 120 Sekunden vollständig. Bereits nach wenigen
Sekunden ist die Restladung für Menschen nicht mehr lebensgefährlich. Aufgrund seines
hohen Widerstands verbraucht der Entladewiderstand nur 1 W während des Betriebs, was
für den Hochspannungsgenerator keine große Belastung bedeutet.
3.7.2. Sicherheitswiderstand
Der Sicherheitswiderstand besteht aus einem 620 kΩ-Widerstand, Projektorfolie und
Heißkleber. Die Zusammensetzung dieser einfachen Komponenten schützt das Netzteil vor
ungewollten Überschlägen. Der Widerstand fungiert als Drossel und begrenzt den Strom
bei einer direkten Entladung ins Stromnetz.
Die Folie, in Verbindung mit dem Heißkleber, verhindert, dass ein Überschlag über das
Gehäuse des Widerstandes auftritt. So wird der Strom bei anliegender Stoßspannung von
100 kV auf maximal 150 mA begrenzt.
Der Widerstand ist im normalen Betrieb mit den Ladewiderständen in Reihe geschaltet und
erhöht diese leicht. Sein Einfluss auf die Ladezeit des Generators ist jedoch minimal.
In der Erprobungsphase war der Widerstand während der Nutzung des Metallturms sehr
wichtig, da es dabei häufig zu ungewollten Überschlägen kam. Nachdem auf den PVC
Turm gewechselt und alle Teile final montiert wurden, wurde er jedoch überflüssig und
deshalb ausgebaut.
33

3.8. Schaltbild Marx-Generator
Abbildung 25: Schaltbild des erstellten Marx-Generators [Eigene Abbildung]
Die Abbildung 25 zeigt das vereinfachte Schaltbild des Marx-Generators. Wie die
einzelnen Komponenten zusammengesetzt und realisiert sind, ist im jeweiligen Kapitel von
3.2. bis 3.7. dargelegt. Die Verschaltung aller Komponenten in einem Schaltbild befindet
sich im Anhang auf der Seite 52.
34

4. Aufbau des Turms
4.1. Holzkonstruktion
Der erste Turm zur Halterung der Funkenstrecken wurde
aus Holz gefertigt. Holz ist günstig, einfach zu
bearbeiten und schnell verfügbar. Deshalb war es für den
Prototyp sehr geeignet. Als feste Endlösung kam ein
Holzturm hingegen nicht in Frage, da sich Holz schnell
dehnt und somit die Funktionalität der Funkenstrecken
gefährdet ist.
Erste Tests mit der Holzkonstruktion, konnten aber
bereits Aufschlüsse zur Funktionalität der verwendeten
Komponenten geben. Während die Tests durchgeführt
wurden, war der Metallturm und die dazu verwendeten
Hart PVC Platten bereits in Produktion.
Abbildung 26 zeigt den ersten Aufbau aus Holz. Die
Abbildung entstand zu Beginn der Erprobungsphase. Zur
Zündung ist noch ausschließlich das Relais installiert.
Abbildung 26: Turm aufbau
Holzkonstruktion
[Eigene Abbildung]
35

4.2. Metallkonstruktion mit Hart PVC Platten
4.2.1. Metallturm
Abbildung 27: Lackierter
Metallturm [Eigene Abbildung]
Der Metallturm besteht aus einer festen Bodenplatte,
worauf das Turmblech geschweißt ist, siehe Abbildung 27.
Der Blechrahmen besteht aus 2 mm starkem Eisen. In
dieses ist jeweils eine Aussparung gestanzt, an welcher
die PVC-Platten montiert sind. Auf der Rückwand ist eine
5 mm PVC Platte geschraubt, auf der die Schaltung
geklemmt ist. An den seitlichen Aussparungen sind die
5 mm PVC Platten befestigt, die abschließend die
Kugelfunkenstrecken halten. In Kapitel 4.2.2. zeigt
Abbildung 29 den Turm mit montierten Platten und
Funkenstrecken. Diese Konstruktion hat den Vorteil einer
sehr langen Lebensdauer und ist weitestgehend
unempfindlich gegenüber äußerer Einflüsse. Durch Tests
wurde aber auch die größte Schwachstelle des
Metallaufbaus deutlich. Das verwendete Eisenblech ist,
aufgrund seiner guten Leitfähigkeit, sehr anfällig für
ungewollte Überschläge. Wenn die Schaltung an der
letzten Kapazität ihr maximales Potential erreicht hat,
entlädt sich der Stoß
über den Turm auf die
Erdung (Abb. 28). Dabei wurde erneut deutlich, dass der
Sicherheitswiderstand von großer Bedeutung ist, da er
den Strom so stark gedrosselt hat, dass das Netzteil
keinen Schaden nahm.
Damit die Überschläge verhindert werden, muss der
Turm zusätzlich isoliert werden.
Abbildung 28: Schaltung im
Kurzschlussfall [Eigene Abbildung]
36

4.2.2. Isolierung des Metallturms
Abbildung 29: Isolierter
Metallturm [Eigene Abbildung]
Zur Isolierung des Turms wurde eine Lackierung in
Verbindung mit Schutzfolien und Heißkleber verwendet.
Die Lackierung hatte zusätzlich noch die Aufgabe, das
Metall vor Rost zu schützen. Um alle Metallteile vor
Überschlägen zu sichern, wurde in mehreren Schichten die
Folie um den Turm gespannt. Die Schnittstellen zwischen
den Folien sind mit Heißkleber verbunden. Während
dieses Prozesses wurde die Isolierung immer wieder auf
Durchschlagsfestigkeit getestet. Dabei stellte sich heraus,
dass die verwendeten Metallschrauben einen großen
Schwachpunkt darstellen. Anschließend wurden sie durch
Nylonschrauben ersetzt.
Nachdem der gesamte Metallturm, wie in Abbildung 29 zu
sehen, isoliert war, wurde erneut getestet, ob die Isolierung
die Schaltung vollständig vom Turm abschirmt. Erneut
kam es zu Überschlägen. Diesmal jedoch über die
Gewinde der Nylonschrauben. Das macht deutlich, dass
nur vollständig lückenlose Isolierungen nötig sind, um
Überschläge zu vermeiden. Sogar das Bearbeiten der Gewinde mit Heißkleber konnte die
Überschläge nicht verhindern.
Ein solcher Aufbau kann nur dann funktionieren, wenn genügend Trennungsabstand zur
Verfügung steht. Die Hauptursache für die Überschläge ist, dass sich der Turmboden zu
nah am Nullpotential befindet.
Da es in diesem Projektaufbau nicht möglich ist, mit einem derartigen Metallturm zu
arbeiten, wurde erneut das Turmmaterial gewechselt.
37

4.3. Turmaufbau aus Hart PVC
Abbildung 30: Im Projekt
verwendeter Turm aus
Hart PVC
[Eigene Abbildung]
Nachdem sich ein Turm aus Holz sowie die Metall – Hart PVC
Variante als ungeeignet herausgestellt hatten, musste nach einem
anderen Material gesucht werden. Dieses darf nicht elektrisch
leitend sowie empfindlich gegenüber äußerer Bedingungen sein
und muss eine lange Lebensdauer haben. Zusätzlich muss es
stabil und leicht zu bearbeiten sein.
Ein Turm, gefertigt aus 20 mm starkem Hart PVC, erfüllt all
diese Kriterien. Mit Hilfe der mechanischen Werkstatt der FH
Aachen Campus Jülich konnte der Aufbau dann realisiert werden.
Der Turm wurde ähnlich wie der Holzturm aufgebaut.
Die technische Zeichnung zur Anfertigung der seitlichen Wände,
welche die Kugeln halten, befindet sich im Anhang auf Seite 51.
Auf Abbildung 30 ist der Turm mit installierten Funkenstrecken
zu sehen. Um die Schaltung auf dem Rücken des Turms zu
befestigen, sind Löcher in das PVC gebohrt, in die ein Gewinde
geschnitten ist. Dies ermöglicht es, Nylonschrauben am Turm zu
befestigen, die die Schaltung halten.
38

5. Das Gehäuse
5.1. Aufbau und Größe des Gehäuses
Um den Benutzer vor der lebensgefährlichen Hochspannung zu schützen, muss das
Abbildung 31: Gesamtbild des Miniatur Marx-Generators
[Eigene Abbildung]
komplette System des Projekts
in ein Gehäuse sicher
eingeschlossen werden. Das
Gehäuse muss stabil sein und
die Möglichkeit bieten, eine
Sicht auf die Schaltung sowie
die Funkenstrecken zu haben.
Weiterhin sollte es sich öffnen
lassen, um gegebenenfalls
Wartungen durchführen zu
können. Aus diesen Gründen
wurde ein tragbarer Holzkasten
gebaut. Einsicht auf die
Schaltung bieten große
Kunststoffscheiben vorne und
hinten. Die Frontscheibe ist in
drei Teile unterteilt. Zum einen
als Tür, die durch ein
Vorhängeschloss gesichert ist.
Zum anderen über und unter der
Tür mit jeweils 8 cm großen
Kunststoffglasstreifen, die Platz für Schalter, Messausgänge und Kontrollleuchten bieten.
Als Tragevorrichtung sind links und rechts jeweils ein Tragegurt angeschraubt. Das
Gehäuse ist 42 cm breit, 68,5 cm hoch und 31 cm tief. Es wurde versucht es so klein wie
möglich zu erstellen, um es gut transportieren zu können. Gleichzeitig mussten das Netzteil,
der Hochspannungsgenerator sowie die installierten Taster und Schalter genügend
Trennungsabstand vom Turm haben, damit keine Überschläge entstehen können.
39

5.2. Benutzersteuerung
Abbildung 32: Schaltbild der Benutzersteuerung [Eigene Abbildung]
40

Abbildung 33: Kaltgeräte-
Einbaustecker
[Eigene Abildung]
Der Hauptanschluss des erbauten Marx-Generators ist ein
Kaltgeräte-Einbaustecker (Abb.33). Über diesen läuft die
Spannungsversorgung der gesamten Schaltung.
Zur Bedienung des Systems wurden mehrere Schalter, Taster
und Anschlüsse installiert. Zusätzlich wurden drei
Funktionsleuchten eingebaut, die über die Schalterstellungen informieren. Jeder LED ist
ein Widerstand in Reihe geschaltet, welcher den Strom der jeweiligen LED auf ihren
Betriebsbereich begrenzt.
Abbildung 32 zeigt den Schaltplan und die Abbildungen 34 und 35 ein Foto dieser
Komponenten.
Abbildung 34: Obere Reihe: Verbaute Leuchtdioden. Untere Reihe (von links nach rechts): Taster T1,
Anschluss für Taster T2, Schalter S2 sowie Schalter S1 [Eigene Abbildung]
Die rote Leuchtdiode ist über einen Gleichrichter direkt mit dem Stromanschluss des
Gehäuses verbunden. Ihr Leuchten zeigt an, ob das System mit dem Netz verbunden ist.
Der Schalter S1 schaltet die Netzspannung von 230 V AC auf das 12 V DC Netzteil. Er ist
als Schlüsselschalter ausgelegt, um ein Einschalten von Unbefugten zu verhindern.
Die Schalterstellung von S1 kann an einer gelben LED abgelesen werden. Wenn diese
leuchtet, ist der Schalter S1 eingeschaltet.
Da die im Netzteil verbauten Kapazitäten eine Restladung speichern können, die den
Hochspannungsgenerator noch kurze Zeit weiter speisen kann, wurde ein zusätzlicher
Schalter S2 installiert. Er trennt den Impulsgeber und den Hochspannungsgenerator vom
Netzteil.
41

Ebenfalls ist der Schalter S2 mit einer Funktionsleuchte verbunden. Diese grüne LED zeigt
Abbildung 35: Angeschlossener Taster T2
[Eigene Abbildung]
an, ob der Hochspannungsgenerator mit Energie
versorgt wird. Leuchtet sie, muss das Gehäuse
zwingend geschlossen sein, da der Marx-
Generator betriebsbereit ist.
Der Kaltgeräte-Einbaustecker bietet einen
Erdungsanschluss. Dieser kann allerdings nicht
als Massepol benutzt werden, da ein kleiner über
ihn abfließender Strom an den meisten
Anschlüssen das Auslösen des FI
Schutzschalters bewirken würde. Deshalb wurde
an der Seite des Gehäuses ein Erdungsanschluss
montiert, siehe Abbildung 36. Dieser kann per Steckerverbindung
mit einem verfügbaren Erdanschluss verbunden werden. Für den
Betrieb ist eine Erdung nicht zwingend erforderlich. Für
Messungen ist ein klar definiertes Nullpotential jedoch von Vorteil.
Abbildung 36:
Erdungsbuchse am
Gehäuse
[Eigene Abbildung]
42

6. Messungen
Wie bereits erwähnt, soll eine Blitzstoßspannung dem realen Blitzstromverlauf so gut wie
möglich entsprechen. Deshalb wurde der Marx-Generator auf eine Blitzstoßspannung mit
einer Stirnzeit von Ts = 1,2 µs und einer Rückenhalbwertszeit von Tr = 50 µs
dimensioniert (siehe Kapitel 3.). Für die genormte Blitzstoßspannung „1,2/50“ ist eine
Stirnzeit von 1,2 µs (zulässige Abweichung ± 30 %) und eine Rückenhalbwertszeit von
50 µs (zulässige Abweichung ± 30 %) festgelegt [2].
Abbildung 37 zeigt den idealen Spannungsverlauf für einen „1,2/50“-Stoß.
Abbildung 37: Definition von Kenngrößen einer aperiodischen Blitzstoßspannung 1,2/50 µs [2]
Abbildung 38: Messung der Blitzstoßspannung
10 µs [Eigene Abbildung]
Die aus Abbildung 38 ablesbare Amplitude
liegt am Spannungsteiler bei Û Cm ≈ 16,5 V.
Dies entspricht ungefähr dem theoretisch
ermittelten Wert von UCm = 16,78 aus
Kapitel 3.4.3.. Die Rückenhalbwertzeit liegt
mit ca. 35 µs außerhalb des genormten
Toleranzbereiches. Dies kann unter
anderem an Messtoleranzen und an
Toleranzen der verwendeten Widerstände
liegen, sowie an den leichten
43

Abweichungen zwischen errechnetem und verwendetem Widerstandswert. Zur
Optimierung muss eine Feinjustierung des Entladewiderstands vorgenommen werden, die
nicht Teil dieser Arbeit ist.
Abbildung 39: Messung der Blitzstoßspannung
500 ns [Eigene Abbildung]
Die in Abbildung 39 zu sehende Stirnzeit
ist, aufgrund starker Schwingungen von
der Anstiegszeit bis zum Maximum, nur
schwer ablesbar. Obwohl die Bedingung
(3.12) erfüllt ist, treten dennoch
Schwingungen auf. Das bedeutet, dass die
Kreisinduktivität größer ist als
ursprünglich angenommen. Der genormte
Toleranzbereich hat einen Spielraum von
0,84 µs bis 1,56 µs. Die in diesem Versuch
vorliegende Stirnzeit liegt zwischen 1,2 µs und 2 µs und befindet sich somit in der Nähe
des Toleranzbereichs.
Um den Schwingkreis stärker zu dämpfen, muss der Widerstandswert für RD erhöht
werden, was eine neue Berechnung der Gesamtschaltung zur Folge hat. Damit eine bessere
Stirnzeit erzielt wird, muss der Dämpfungswiderstand ebenfalls feinjustiert werden. Das
genauw Verhalten eines Stromkreises kann nur durch Netzwerkanalyse ermittelt werden[2].
Abbildung 40: Messung einer abgeschnittenen
Blitzstoßspannung [Eigene Abbildung]
Bei abgeschnittenen
Blitzstoßspannungen, die die
Wirkung sehr schneller
Spannungsänderungen simulieren
sollen, kommt als weitere
Kenngröße die Abschneidezeit T c
(chopping time) hinzu (siehe
Abbildung 37) [2].
Abschneidezeiten liegen
üblicherweise im Bereich von 2 µs
44

is 5 µs [2]. Abbildung 40 zeigt die Abschneidezeit der Messung des erstellten Marx-
Generators. Diese liegt mit 4 µs im Toleranzbereich. Nach dem Ansprechen der
Abschneidefunkenstrecke ergibt sich zunächst eine hochfrequente Schwingung im Kreis
aus Prüfling und Abschneidefunkenstrecke, die nur sehr schwach bedämpft wird[2].
7. Betriebsanleitung
Grundvoraussetzung für einen sicheren Betrieb des Marx-Generators in Miniaturform ist
ein fester Stand.
Wenn dies gewährleistet ist, muss sichergestellt werden, dass die Vordertür und das
Vorhängeschloss geschlossen sind.
Sind diese Aspekte erfüllt, kann der Marx-Generator angeschlossen werden. Sofern ein
Erdungsanschluss zur Verfügung steht, sollte dieser zu Beginn verbunden werden. Hierzu
wird der Erdungsanschluss links am Gehäuse (Abb. 36) mit der, im Raum oder Labor zur
Verfügung stehenden, Erde über einen Laborstecker verbunden. Anschließend kann die
Stromverbindung per Kaltgeräte-Stecker, auf der rechten Seite, hergestellt werden (Abb.
33). Nachdem anschließen sollte die rote LED dauerhaft leuchten.
Das Netzteil wird nun über den Schlüsselschalter S1 (siehe Abb. 34) aktiviert, wonach die
gelbe LED permanent brennt. Über den Schalter S2 kann der Marx-Generator eingeschaltet
werden, woraufhin die grüne LED scheint.
Nach einer kurzen Ladezeit der Kapazitäten kann der Generator ausgelöst werden. Dies
geschieht über den am Gehäuse angebrachten Taster T1. Soll mit etwas Abstand zum
Gehäuse eine Auslösung hervorrufen werden, muss der Taster T2, dieser verfügt über ein
1,5 m langes Kabel, angeschlossen werden. Der Anschluss befindet sich zwischen T1 und
S2 (Abb. 34). Daraufhin können T1 und T2 zur Auslösung des Marx-Generators benutzt
werden.
Wenn Messungen vorgenommen werden sollen, kann ein Messinstrument mit dem
koaxialen Messausgang verbunden werden. Der Messbereich des Messinstruments muss
mindestens 20 V betragen.
45

8. Zusammenfassung
Das Ziel der Bachelorarbeit lässt sich in drei verschiedene Teilziele unterteilen. Zum einen
der Aufbau eines Marx-Generators aus zehn Stufen und zum Anderen den Erhalt einer
Impulsspannung von ca. 100 kV. Weiterhin sollte angestrebt werden, dass die ausgehende
Stoßspannung einer genormten Blitzstoßspannung „1,2/50“ entspricht. Der zehnstufige
Bau des Generators ist erfolgt und somit das Teilziel vollständig erreicht. Die im Projekt
vorhandene Impulsspannung beträgt ca. 84 kV. Diese liegt sehr nah am Bereich des
geforderten Wertes, sodass gesagt werden kann, dass dieses Teilziel ebenfalls erfüllt wurde.
Das Ziel, die genormte Blitzstoßspannung zu erhalten, kann als teilweise erreicht
angesehen werden, da die im Projekt entstehende Stoßspannung der geforderten sehr
ähnlich ist. Sie befindet sich jedoch knapp außerhalb des genormten Toleranzbereichs. Den
Spannungsverlauf so zu optimieren, dass er der geforderten Normkurve entspricht, konnte
in dieser Arbeit nicht realisiert werden. Die Optimierung erfordert einen sehr großen
zeitlichen Aufwand, sodass dies ein Eigenständiges Projekt darstellen würde. Es wird
empfohlen, ein solches Projekt an die vorliegende Arbeit anzuschließen.
Das Gehäuse ist mit einem Außenmaß von 42 x 68,5 x 31 cm im Allgemeinen nicht als
klein anzusehen. Es wird aber den Kriterien einer Miniaturbauweise gerecht, da
gewöhnliche Marx-Generatoren, wie sie in Hochspannungslaboren zu finden sind, ein
Vielfaches größer sind. Der entstandene Miniatur-Marx-Generator ist, im Gegensatz zu
den fest installierten Laborgeneratoren, leicht zu transportieren. Das hat zur Folge, dass er
nahezu überall benutzt werden kann und für Vorführungszwecke gut geeignet ist.
Die größte Herausforderung in diesem Projekt war die Installation und Beschaffung
hochspannungsgeeigneter Bauteile sowie den Aufbau so kleine wie möglich zu halten. Es
muss permanent darauf geachtet werden, dass ausreichende Trennungsabstände zwischen
den Nieder- und Hochspannungsbereichen eingehalten werden. Gleichzeitig musste jedoch
immer die Größe des Systems im Auge behalten werden, damit es den Kriterien einer
Miniaturbauweise entspricht.
Beim Kauf der Bauteile war eine intensive Recherche erforderlich. So wurde
beispielsweise der Hochspannungsgenerator in Österreich bestellt. Weiterhin musste die
46

erste Version der Belastungskapazität im Labor selbst hergestellt werden, ehe sie einer
Reihenschaltung aus 22 Kapazitäten weichen musste.
Weniger Schwierigkeiten gab es bei der Beschaffung von geeignet Literatur. Zwar gibt es
für den Bereich Hochspannungstechnik, unter welche der Marx-Generator fällt, nur wenig
Literatur. Die Ausführungen in den zur Verfügung stehenden Werken sind jedoch sehr
detailliert. Somit stellte es kein Problem dar, die zur Berechnung benötigten Gleichungen
zu finden.
Aufgrund des Erreichens fast aller Ziele, kann das Projekt als erfolgreich abgeschlossen
angesehen werden.
47

Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Stoßspannungsgeneratorschaltung Typ A [Eigene Abbildung] ...................... 3
Abbildung 2: Stoßspannungsgeneratorschaltung Typ B [Eigene Abbildung] ....................... 4
Abbildung 3: Marx-Generator-Schaltung [1] ........................................................................ 6
Abbildung 4: Konstanten für die Bestimmung von Stirnzeit und Rückenhalbwertszeit [2] . 9
Abbildung 5: Moderner Gasableiter [3] ............................................................................... 15
Abbildung 6: älterer Gasableiter [4] .................................................................................... 15
Abbildung 7: Eine im Aufbau verwendete Kugelfunkenstrecke [Eigene Abbildung] ....... 16
Abbildung 8: Abschneidefunkenstrecke des Projekts [Eigene Abbildung] ......................... 17
Abbildung 9: Der verwendete Hochspannungsgenerator [Eigene Abbildung] ................... 18
Abbildung 10: 12 V Netzteil [Eigene Abbildung] ............................................................... 19
Abbildung 11: Schaltplan des Netzteils [Eigene Abbildung] .............................................. 20
Abbildung 12: Schaltungsbild der Kondensatorbatterie [Eigene Abbildung] ..................... 21
Abbildung 13: Verlötete Stoßkapazität [Eigene Abbildung] ............................................... 21
Abbildung 14: Belastungskapazität aus 22 Kondensatoren [Eigene Abbildung] ................ 22
Abbildung 15: Schaltbild der Messvorrichtung [Eigene Abbildung] .................................. 23
Abbildung 16: Widerstandslayout und Größentabelle des Lastwiderstands [7] .................. 25
Abbildung 17: Verwendeter Lastwiderstand [Eigene Abbildung] ..................................... 26
Abbildung 18: 470 Ω Leistungswiderstand [Eigene Abbildung] ........................................ 27
Abbildung 19: Reihenschaltung aus zehn 47 Ω Widerständen [Eigene Abbildung]........... 28
Abbildung 20: Pulse voltage Diagramm [8] ........................................................................ 28
Abbildung 21: Verlötete Entladewiderstandskette [Eigene Abbildung] ............................. 29
Abbildung 22: Schaltbild des erbauten Entladewiderstands [Eigene Abbildung] ............... 29
Abbildung 23: Schaltbild des Impulsgebers [Eigene Abbildung] ....................................... 31
Abbildung 24: Layout des Reedrelais [9] ............................................................................ 32
Abbildung 25: Schaltbild des erstellten Marx-Generators [Eigene Abbildung] .................. 34
Abbildung 26: Turm aufbau Holzkonstruktion [Eigene Abbildung] ................................... 35
Abbildung 27: Lackierter Metallturm [Eigene Abbildung] ................................................. 36
Abbildung 28: Schaltung im Kurzschlussfall [Eigene Abbildung] ..................................... 36
Abbildung 29: Isolierter Metallturm [Eigene Abbildung] ................................................... 37
Abbildung 30: Im Projekt verwendeter Turm aus Hart PVC [Eigene Abbildung] ............. 38
Abbildung 31: Gesamtbild des Miniatur Marx-Generators [Eigene Abbildung] ................ 39
48

Abbildung 32: Schaltbild der Benutzersteuerung [Eigene Abbildung] ............................... 40
Abbildung 33: Kaltgeräte-Einbaustecker [Eigene Abildung] .............................................. 41
Abbildung 34: Obere Reihe: Verbaute Leuchtdioden. Untere Reihe (von links nach rechts):
Taster T1, Anschluss für Taster T2, Schalter S2 sowie Schalter S1 [Eigene Abbildung]
..................................................................................................................................... 41
Abbildung 35: Angeschlossener Taster T2 [Eigene Abbildung] ......................................... 42
Abbildung 36: Erdungsbuchse am Gehäuse [Eigene Abbildung] ....................................... 42
Abbildung 37: Definition von Kenngrößen einer aperiodischen Blitzstoßspannung 1,2/50
µs [2] ............................................................................................................................ 43
Abbildung 38: Messung der Blitzstoßspannung 10 µs [Eigene Abbildung] ...................... 43
Abbildung 39: Messung der Blitzstoßspannung 500 ns [Eigene Abbildung] .................... 44
Abbildung 40: Messung einer abgeschnittenen Blitzstoßspannung [Eigene Abbildung] ... 44
49

Literaturverzeichnis
[1] Hilgarth, G.: Hochspannungstechnik; Leitfaden der Elektrotechnik 3. durchgesehene
Auflage. Teubner Verlag, Stuttgart 1997
[2] Küchler, A.: Hochspannungstechnik; Grundlagen – Technologie – Anwendungen, 3.,
neu bearbeitete Auflage, Springer Verlag, Berlin Heidelberg 2009
[3] o.V.: Leutron GmbH (Hrsg.): Überspannungsschutz; Gasentladungsableiter
Serie 2EU. Online: http://www.leutron.de/uploads/tx_leutronpdb/
2EU_Teil__2_04__2_5_kA_.pdf [Stand 24.01.2012].
[4] Kern, A.: Vorlesungsskript; Hochspannungstechnik, Aachen Jülich 2009
[5] o.V.: Wikipedia Foundation Inc.(Hrsg.): Gasableiter. Online:
http://de.wikipedia.org/wiki/Gasableiter [Stand 31.01.2012]
[6] Beyer M., Boeck W., Möller K., Zaengl W.: Hochspannungstechnik; Theoretische
und praktische Grundlagen für die Anwendung, Springer Verlag, Berlin Heidelberg
1986
[7] o.V.: Vishay BCcomponents (Hrsg.): Datenblatt VR68. Online:
https://www.buerklin.com/datenblaetter/E073030_TD.pdf [Stand 24.01.2012].
[8] o.V.: Vitrohm (Hrsg.): Datenblatt Power Metaloxide film resistor. Online:
https://www.distrelec.de/ishop/Datasheets/kcPO59x_data_en.pdf [Stand 31.01.2012]
[9] o.V.: Meder electronic (Hrsg.): Datenblatt H Reedrelais. Online:
http://www.meder.com/fileadmin/products/de_datasheets/1912169114d.pdf
[Stand 31.01.2012]
50

Anhang
Technische Zeichnung der Seitenwand des Hart-PVC Turms
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Gesamtverschaltung aller verbauten Komponenten
52