Metallverformung durch Kurzpulsmagnetfelder

Erweiterungskondensatorbank (KB2)

Aufbau und Funktion

	Zusätzlich zur bereits konstruierten Kondensatorbank 1 (KB1= Hauptkondensatorbank) wurde eine weitere Kondensatorbank konzipiert um eine aus zwei Modulen bestehende „Kombinierte Kondensatorbank“ zu erhalten. Somit steht ein erheblich größeres Energiepotential zur Verfügung. Die Zusatzkondensatorbank besteht aus insgesamt 24 impulsfesten MP-Kondensatoren der Firma Bosch. Diese Kondensatortypen werden hauptsächlich in Hochspannungsnetzteilen und für Pulslaser (z.B. Rubinlaser) benutzt. Laut Datenaufdruck sind die für den Kurzzeitbetrieb vorgesehenen Kondensatoren für eine maximale Ladespannung von 2,5 kV (DC) konzipiert.
	Reinigung	Montage	Verschaltung	Frontansicht

Aus den Abbildumngen wird erkenntlich, dass 8 Kondensatorreihen, welche wiederum aus 3 in Serie geschalteten Kondensatoren bestehen, parallel verschaltet wurden. Da die Spitzenspannung pro Kondensator 2,5 kV beträgt, ergibt sich (unter Annahme von gleichen Kapazitäten) eine max. Ladespannung von 7,5 kV. Es ist ratsam die Kondensatoren nicht auf USpitze aufzuladen. Die Lebenserwartung kann durch diese Maßnahme stark erhöht werden. Wie auch die Hauptkondensatorbank (KB2) wird durch Parallelschaltungdie die Erweiterungskondensatorbank ebenfalls auf lediglich 6 kV aufgeladen. Somit beträgt die Ladespannung der Kondensatoren also rund 2 kV. Dies entspricht 80% von USpitze. Die Speichernergie beträgt somit im Standartbetrieb rund 64% der max. möglichen Energie. Die Kondensatorbank ist in einem massiven Kasten aus Tischlerplatten untergebracht und oben mit einer 2,5 cm starken Acrylplatte verschlossen. Auch die Vorderseite besteht aus starkem Acryl, sodass jede Art von Überschlägen oder Kurzschlüssen sofort sichtbar erkannt würden.

	Messung der Kapazität mit einem LCR-Messgerät
Schaltplan der Kondensatorbank
Da sich die Gesamtkapazität von in Serie geschalteten Kondensatoren nach folgender Formel berechnen lässt kann man leicht die Kapazität im rot gekennzeichneten Bereich berechnen:
Wenn man davon ausgeht, dass jeder Kondensator gleiche Kapazität besitzt so gilt :
Die Gesamtkapazität der Zusatzkondensatorbank lässt sich nun berechnen indem man die Kondensatorreihe im rot gekennzeichneten Bereich als einen Kondensator auffasst, so dass sich folglich analog 8 parallel geschaltete Ersatzkondensatoren ergeben. Für die Parallelschaltung gilt:

Da die meisten Kondensatoren in der Praxis jedoch nicht ganz 40 µF besitzen ergeben sich bei Messungen mit einem LCR -Meter Werte von ca. 100 µF, die jedoch etwas variieren (siehe auch KB1). Die Kondensatoren wurden in einem dafür angefertigtem Holzkasten untergebracht und mit Plexiglasplatten von einander isoliert.

Strombelastung der Kondensatoren

Die Strombelastung der einzelnen Kondensatoren kann leicht abgeschätzt werden: Geht man z.B. von einem max. Pulsstrom von 12kA aus, so ergibt sich wegen der Kapazitäten der beiden Kondensatorbanken von 100uF und 50uF eine Aufteilung der Strombelastung zu 2/3 und 1/3. Daher würde die Erweiterungskondensatorbank (KB2) bei solch einer Entladung mit 8kA belastet werden. D.h. jeder Kondensatorstrang und somit auch jeder einzelne Kondensator wird mit ca. 1000 Ampère belastet. Wie lange die Kondensatoren einer solchen Belastung Standhalten hängt stark von dem "Reversal Voltage" der Entladung ab. Der negative Peak einer Entladung sollte nur geringe Werte annehmen um die Lebensdauer der Kondensatoren zu erhöhen.

Entladewiderstände

Entladewiderstände

Um ein sicheren Umgang mit der Kondensatorbank zu gewährleisten wurde parallel zu jedem Kondensator ein Entladewiderstand installiert. Es musste nun ein geeigneter Widerstandswert gefunden werden, der eventuelle Restladungen nach den Schüssen in kurzer Zeit entlädt sowie die Kondensatoren beim Lagern kurzschließt, so dass sie sich nicht elektrostatisch aufladen können. Die Widerstände sollten so kalkuliert sein, dass 1.) die Kondensatorbank Restladungen in kurzer Zeit selbstständig abbaut. 2.) Ladeverluste gering gehalten werden. 3.) genügend Zeit für den Experimentator bleibt sich nach dem Aufladen die entsprechenden Schalter bzw. Meßsysteme etc. zu justieren, ohne dass die Ladespannung zu stark abfällt.

Nach verschiedenen Berechnungen wurde schließlich ein geeigneter Widerstandswert gefunden, der alle 3 aufgeführten Bedingungen erfüllt. Hierzu wurde nun zu jedem MP-Kondensator ein Widerstand von 12 MOhm und einer Leistung von 1 Watt parallel angelötet. Das entspricht einer Zeitkonstante von t = RC = 12 MOhm *40 µF = 480 s. Die Verlustleistung durch die Kondensatoren beträgt folglich bei einer Spannung von 6kV für alle 24 Widerstände zusammen ca. 8 Watt. Um Eine Pulsentladung direkt bei 6 kV auszulösen kann man die Kondensatorbank zunächst auf 6,2 kV aufladen und dann entsprechend innerhalb von einigen Sekunden alles freizuschalten, so dass die Entladung exakt bei 6,0 kV stattfindet. Energieverlust eines MP-Kondensators bei Ladespannung von U(ges)= 6500V Entaldung der Kondensatorbank bei U(0s)= 6,2kV bei R=5, 12, 27MOhm

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weitere Verwendung im Projekt Hochenergieplasmen bzw. Drahtexplosionen > http://www.bigel-labs.de/3.Physik/3.HEPlasmen.htm