Die Vorversuche - emsp.tu

Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2
Vorversuche
Die Vorversuche
Von Deyan Bogdanov und Henry Westphal
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Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2
Vorversuche
Die Idee.
Das Projekt „High-Speed“ beschäftigt sich mit hochfrequenten Feldern und Wellen. Um hierfür die
Grundlagen zu schaffen, soll zunächst der Begriff des elektrischen und magnetischen Feldes anhand
von statischen und später auch zeitveränderlichen elektrischen und magnetischen Feldern erfahrbar
gemacht werden.
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Bogenentladungen in Luft.
An die sekundärseitigen Klemmen eines Hochspannungstransformators mit der Sekundärspannung
6,3kV werden zwei Kupferelektroden angeschlossen. Wenn der Abstand der Elektroden ein
bestimmtes Maß unterschreitet, dann findet eine Lichtbogenentladung zwischen beiden Elektroden
statt.
Bogenentladung bei 6,3 kV.
Der Mindestabstand, ab dem sich eine Entladung ausbildete betrug ca. 4mm. Das bedeutet, daß
sich, bei glatten und runden Oberflächen der Elektroden, ab einer Feldstärke von ungefähr
1,5kV/mm in Luft ein Durchbruch und damit ein leitfähiger Entladungskanal aus ionisierter Luft ergibt.
Bei angespitzten Elektroden ergeben sich lokal höhere Feldstärken, so daß sich bereits ab einer
Feldstärke von 1kV /mm eine Entladung ausbildet.
Bei sich ausbildender Bogenentladung entsteht eine sehr große Hitze. Die erwärmte Luft steigt nach
oben und nimmt den aus ionisierter Luft (Plasma) bestehenden Entladungskanal mit. Daher wandert
der Lichtbogen, bei senkrecht stehenden Elektroden, an diesen nach oben.
Wenn man den Abstand zwischen den Elektroden nach oben hin vergrößert, dann wird der nach
oben wandernde Lichtbogen immer länger, bis er dann, bei einer Länge von etwa 2cm, also dem
fünffachen des zur Zündung notwendigen Mindestabstands, abreißt.
Da die ionisierte Luft leitfähig ist, können diese wesentlich größeren Entfernungen überbrückt werden.
Bei immer weiterer Ausdehnung der Länge des Lichtbogens hat der Entladungskanal jedoch auch
eine immer größere Oberfläche, so daß der Energieaustrag durch Wärmeableitung zunimmt.
Bei zu großem Energieaustrag kann die zur Fortsetzung der Entladung notwendige Menge an
ionisierter Luft nicht mehr aus der Entladung heraus bereitgestellt werden. Das führt dann zum
Abreißen der Entladung.
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Das elektrische Feld am Plattenkondensator.
Der selbstgebaute Plattenkondensator besteht aus einer 40 x 50 cm großen, geerdeten,
Aluminiumplatte, die mit zwei Lagen Kaptonband als Dielektrikum beklebt wurde. Die zweite
Kondensatorplatte besteht aus einem Stück haushaltsüblicher Aluminiumfolie.
Der Kondensator wird mit einer 10kV-Hochspannungsquelle geladen und mit einem geerdeten Kabel
entladen. Die folgende Skizze stellt das Prinzip des Versuchsaubaus dar.
Hochspannungsquelle
Ladekabel
Entladekabel
+10 kV
Aluminiumfolie
Kaptonband
Aluminiumplatte
Prinzipdarstellung des Versuchsaufbaus.
Die verwendete Hochspannungsquelle wurde im Sommersemester 2005 im Rahmen dieser
Lehrveranstaltung entwickelt und aufgebaut.
Die 10kV-Hochspannungsquelle.
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Der noch ungeladene Kondensator wird aufgeladen, indem das mit dem Ausgang der
Hochspannungsquelle verbundene Ladekabel in die Nähe der Alufolie gebracht wird. Es springt ein
Funke vom Ende des Kabels zur Alufolie über. Die Folie wird mit einer deutlich erkennbaren Kraft von
der gegenüberliegenden geerdeten Platte angezogen. Die zwischen Folie und Dielektrikum
eingeschlossene Luft entweicht. Es ist ein Knistern zu hören. Nach Abschluß des Ladevorgangs liegt
die Folie an den meisten Stellen glatt auf dem Dielektrikum auf. Es fließt kein Strom mehr von der
Hochspannungsquelle in den Kondensator, was sich daran erkennen läßt, daß keine
Funkenüberschläge zwischen Ladekabel und Alufolie mehr erfolgen.
Das Aufladen.
Der mit 10kV geladene Kondensator mit nahezu glatt aufliegender Folie.
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Wenn man nun den Kondensator durch Annäherung des geerdeten Kabels an die Alufolie entlädt,
dann kommt es zu einem überaus kräftigen, aber kurzen Funkenüberschlag.
Die währen des einige Sekunden dauernden Ladevorgangs im Kondensator gespeicherte Energie
wird in einem Augenblick frei. Im Moment der Entladung entspannt sich die Alufolie und löst sich an
einigen Stellen wieder vom Dielektrikum.
Durch Vergleich der Entladungsstärke mit bekannten Kondensatoren konnte die Kapazität des
selbstgebauten Kondensators auf 5 bis 10nF abgeschätzt werden.
Wenn man den entladenen Kondensator etwa eine Minute sich selbst überläßt, dann baut sich an
ihm wieder eine Spannung von ca. 10% der ursprünglich an ihm anliegenden Spannung auf.
Diese wird dadurch erzeugt, daß sich die Moleküle des Dielektrikums mit dem Wegfall des an ihnen
anliegenden Feldes in Folge der Entladung des Kondensators wieder in ihre ursprüngliche Position
zurückbewegen. Dieser Vorgang benötigt jedoch eine gewisse Zeit. Die sich zurückbewegenden
Moleküle influenzieren eine Spannung in die Kondensatorplatten, die dem Vorgang der
Rückbewegung entgegengerichtet ist. Nach einer gewissen Zeit stellt sich ein Gleichgewicht bei etwa
10% der vor der Entladung anliegenden Spannung ein.
Wenn man, nach Entladung des Kondensators, (!) die Alufolie vom Dielektrikum abzieht, dann ist
deutlich zu spüren, wie die Folie nach wie vor zu der ihr gegenüberliegenden Platte hin angezogen
wird. Diese Kraft geht von der Feldwirkung der teilweise immer noch, durch das ursprünglich im
geladenen Kondensator wirksame Feld, umgerichteten Molekülen aus.
Die Folie wird auch nach Entladung des Kondensators noch von der gegenüberliegenden Platte
angezogen.
Dieser Vorgang heißt dielektrische Absorption und ist im Zusammenhang mit Hochfrequenz von
erheblicher Bedeutung. Wenn die Lage der Moleküle in einem hochfrequenten Feld viele Millionen
Male innerhalb einer Sekunde umgerichtet werden, dann entsteht eine erhebliche Reibungswärme
im Inneren des Dielelektrikums, die dieses unter Umständen innerhalb kürzester Zeit zum Schmelzen
bringt. Das bedeutet in der Praxis, daß die Beaufschlagung üblicher isolierter Kabel mit
hochfrequenter Hochspannung dazu führt, daß ihre Isolierung in kürzester Zeit schmilzt!
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Der Vorgang der dielektrischen Absorption tritt auch in handelsüblichen Kondensatoren auf.
Kondensatoren, die in hochfrequenten Stromkreisen eingesetzt werden sollen, müssen daher
sorgfältig dahingehend ausgewählt werden, daß die in ihrem Dielektrikum entstehenden Verluste
hinreichend klein sind.
An größeren Hochspannungskondensatoren baut sich, wenn man sie im entladenen Zustand nicht
kurzschließt, nach einiger Zeit wieder eine lebensgefährliche Spannung auf.
Die Polarisation von dielektrischem Material bleibt über viele Jahre erhalten. Zufällig wiedergefundene
Prospekthüllen, die im Jahr 1994 als Dielektrikum in einem mit 10kV geladenen Plattenkondensator
verwendet wurden, klebten im Jahr 2006 immer noch aneinander und zogen Staub an.
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Die Kraftwirkung eines statischen Magnetfelds.
Eine Luftspule wird von einem Gleichstrom von 40A durchflossen. Eisenfeilspäne werden von ihr
angezogen und in Richtung der Feldlinien ausgerichtet.
Vom Magnetfeld einer Luftspule angezogene und ausgerichtete Eisenfeilspäne
Nach dem Abschalten des Stroms ist noch ein gewisser Restmagnetismus in den Eisenfeilspänen
vorhanden. Dieser Vorgang ist analog zur bereits beschriebenen dielelektrischen Absorption. Die
Elementarmagnete des Eisens werden durch das Magnetfeld der Spule ausgerichtet und kehren
nicht mehr vollständig in ihre ursprüngliche Position zurück.
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Die Kraftwirkung eines impulsförmigen Magnetfelds.
Ein sehr großer Kondensator, 8200uF, wird mit der verdoppelten Netzspannung aufgeladen. Der
Kondensator wird anschließend über eine Luftspule entladen. Auf der Luftspule befindet sich ein
Kurzschlußring. Die Luftspule hat eine Induktivität von ungefähr 7uH. Über der Luftspule liegt zu Beginn
der Entladung eine Spannung von etwa 600V an. Der Stromfluß durch die Luftspule liegt in der
Größenordnung 4kA. Damit ergibt sich ein Strom von ungefähr 16kA im Kurzschlußring.
Der Kurzschlußring wird mit großer Kraft an die Decke geschleudert.
Kurzschlußring
220R
Netz
230V
+
7uH
+
8200 uF
8200 uF
650V
8200 uF
8200 uF
+
+
Das Schaltbild.
Der Versuchsaufbau.
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Der in den Kurzschlußring induzierte Strom ist, gemäß der Lenz’schen Regel, der ihn verursachenden
Flußänderung entgegengerichtet.
Zwischen entgegengesetzten Strömen wird eine abstoßende, durch die zu ihnen gehörenden
Magnetfelder verursachte, Kraft wirksam.
Prinzip der Abstoßung
Der Strom durch die Luftspule wird praktisch nur durch die Serienwiderstände im Stromkreis begrenzt.
Diese wurden mit 150 mOhm abgeschätzt, womit sich ein Strom von 600V / 0,15 Ohm = 4kA ergibt.
Die Begrenzung des Stromanstiegs durch die Induktivität der Luftspule ist vernachlässigbar, da der
Anstieg auf den angenommenen maximalen Strom von 4kA bereits in
erfolgt.
Zudem ist die tatsächlich wirksame Induktivität durch den zu Beginn der Entladung noch
aufliegenden Kurzschlußring deutlich geringer.
Aus dem Windungsverhältnis von 4 zu 1 zwischen Spule und Kurzschlußring folgt dann eine
Größenordnung des durch den Kurzschlußring fließenden Stroms von 16 kA.
Trotz des sofortigen „Abhebens“ des Rings ist eine leichte Erwärmung an diesem zu spüren.
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