Kondensatorbank 1500J / 900VDC

Das Herzstück einer Kondensatorbank sind natürlich die Kondensatoren. Je höher dessen Kapazität und maximale Ladespannung desto grösser ist auch die gespeicherte Energie. Als hochkapazitive Hochvoltkondensatoren eignen sich grosse Aluminium-Elektrolytkondensatoren. Ein Aluminium-Elektrolytkondensator, auch „Elko“ genannt, ist ein Kondensator, dessen Anodenelektrode aus Aluminium besteht, auf dem durch anodische Oxidation eine gleichmäßige, elektrisch isolierende Schicht Aluminium-Oxidschicht als Dielektrikum erzeugt wird. Die Dicke des Dielektrikums des Elektrolytkondensators bestimmt seine Spannungsfestigkeit. Ein flüssiger oder fester Elektrolyt bildet die Kathode des Kondensators. Aluminium-Elektrolytkondensatoren sind gepolte Kondensatoren, die nur mit Gleichspannung betrieben werden dürfen. Falschpolung, zu hohe anliegende Spannung oder Rippelstrom-Überlastung führt zur Zerstörung der Kondensatoren. Sie können sogar explodieren. Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten können normalerweise ohne Strombegrenzung niederohmig geladen und entladen werden. Aluminium-Elkos mit flüssigem Elektrolyten enthalten immer eine zweite Aluminiumfolie im Elko-Wickel, die sog. Kathodenfolie, die die Stromzuführung zum Elektrolyten bildet.




Waren Elkos einmal geladen und werden sie dann vollständig entladen können sie anschließend ohne äußeren Einfluss eine Spannung aufbauen. Dieser Nachladeeffekt ist als dielektrische Absorption bekannt. Ein geladener Kondensator hat elektrische Raumladungen (elektrische Dipole) im Dielektrikum. Bei seiner Entladung werden nicht alle Raumladungen gelöscht, einige Dipole verbleiben aufgrund ihrer Trägheit im geladenen Zustand. Diese entladen sich nach einiger Zeit spontan. Dadurch bildet sich an nicht kurzgeschlossenen Anschlüssen des Kondensators dann im Verlauf des Raumladungsausgleiches eine steigende Spannung. Bei Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit flüssigem Elektrolyten können solche Nachladungen 10 % bis 15 % der vorher angelegten Spannung erreichen. Das kann unter Umständen zu relativ hohen Spannungen führen, die im Umgang mit solchen Kondensatoren eine Gefahr darstellt.


Der Schaltplan
Für diese Kondensatorbank wurden 6 grosse 1mF und 18 0,22mF Kondensatoren verwendet, die alle auf eine Spannung von 450V aufgeladen werden können. Die in einem Kondensator gespeicherte Energie steigt quadratisch mit der Ladespannung. Deshalb sind immer jeweils zwei Kondensatoren in Serie geschaltet, sodass die Ladespannung auf 900V verdoppelt werden kann. Die Sekundärspule des Transformators habe ich so gewickelt, so das er eine Sekundärspannung von etwas mehr als 650V AC liefert. Gleichgerichtet ergibt das eine positive Ladespannung von etwa 920V DC. Der Gleichrichter besteht aus 24 1N7004 Standargdioden. Der Gleichrichter hat in dieser Schaltung eine Sperrspannung von 2kV und ist für einen Maximalstrom von 3A ausgelegt.




Das Relais mit dem vorgeschalteten Kondensator dient als Einschaltstrombegrenzung für den Transformator. Das Netzteil liefert die Speisespannung von 5V und 12V für das Voltmeter und Relais. Ganz wichtig ist der grosse Ladewiderstand vor den Kondensatoren. Durch die hohe Kapazität der Kondensatoren läuft der Transformator am Anfang des Aufladevortgangs Sekundärseitig im Kurzschluss. Dann fliesst sehr viel Strom durch die Gleichrichterdioden, welcher diese zerstören könnte. Der Ladewiderstand begrenzt diesen Ladestrom auf den Maximalstrom von 3A. Während des Ladevorgangs sinkt dieser Ladestrom exponentiell. Der Ladewiderstand sollte für eine hohe Verlustleitung ausgelegt sein. Der Widerstand hier besteht aus zwei 1,5kΩ in Parallelschaltung. Zusammen sind sie für eine maximale Verlustleistung von 200W ausgelegt. Beim Ladevorgang erwärmen sich die Widerstände aber trotzdem ein bisschen.


Bilder:














Das Digital-Voltmeter:

Bei einer Kondensatorbank ist es wichtig die Spannung, welche über den Kondensatoren anliegt genau zu kennen. Denn weiss man die Spannung über den Kondensatoren, so weiss man auch automatisch die gespeicherte Energie. Die gespeicherte Energie ist durch eine einfache Formel gegeben:



Die Schaltung des Voltmeters ist um das IC ICL7107 aufgebaut. Bei diesem IC handelt es sich um ein 'digital panel meter ic', welches die gesamte aufwendige Elektronik für ein digitales Voltmeter schon enthält. Als Display eignen sich 7-Segment Anzeigen. Diese müssen vom Typ 'Common Anode' sein. Möchte man lieber ein LCD-Disply ansteuern, so empfiehlt es sich das ICL7106 zu verwenden. Das ICL7107 benötigt eine symmetrische Versorgungsspannung von +/- 5V DC. Die -5V können einfach mit dem IC 7660 aus einer +5V Speisung generiert werden. Das ICL7107 unterstützt eine Anzeige von 3,5 Digit. So lassen sich Spannungen von 1 bis 1999 Volt messen. Der Messbereich ist natürlich vom Spannungsteiler am Signaleingang (PIN 30,31) des IC's ab.




Das Eagle-Layout:

Beim Layout habe ich vor allem auf eine Kompakte Bauweise geachtet. Da das IC doch über 40 Anschlüsse verfügt, die alle belegt werden müssen, empfiehlt es sich die 7-Segment Displays auf der Lötseite der Platine zu platzieren. So kann das Voltmeter so klein wie möglich gehalten werden.




Bilder:










PSpice Simulation:

Die Simulation zeigt eine Entldung der Kondensatorbank durch eine Spule mit 100uH Induktivität. Dies entspricht in etwa der Spule, welche für das Stossmagnetisierungsexperiment verwendet wurde. Man sieht, dass die fliessenden Ströme beträchtliche Werte erreichen können. Ein unerwünschter Effekt ist die Schwingung, die bei der Entladung der Kondensatoren durch die Spule auftritt. Dieser Reverse-Current könnte mit einem grossen SCR unterbunden werden.





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