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Hochspannung



Hochspannende Experimente

 

Vorsicht Lebensgefahr!

 

Lange Funken und elektrische Lichtbögen sind faszinierend und wunderschön, aber auch lebensgefährlich. Trotz der Gefahren wird Hochspannung nützlich eingesetzt, z.B. bei Überlandleitungen, Fernseher und LCD´s, Plasmalautsprecher, und sogar der Piezo-Kristall im elektrischen Feuerzeug erzeugt mehrere tausend Volt Hochspannung.

Hochspannung bezeichnet eine elektrische Spannung über 1000 Volt. Wird eine Hochspannung zwischen zwei Elektroden angelegt, kann die Spannung die Luft zwischen den Elektroden ionisieren (elektrisch leitfähig machen) und der Strom kann durch den entstehenden Lichtbogen zwischen den Elektroden fließen. Die ionisierte Luft hat so wenig elektrischen Widerstand, dass richtig viel Strom fließen kann, siehe Schweißen.








Plasma wie in Star Trek

 

Wer einen alten Röhrenfernseher Zuhause hat, findet in dessen Innerem einen sogenannten Zeilentrafo. Dieses Ding wandelt wenige Volt bis ca 50KV (50 Kilovolt = 50.000 Volt!) und ist absolut tödlich wenn falsch gehandhabt, aber gerade das macht Hochspannungsexperimente so spannend, Leben am Limit :D

Eine IRF450 befeuerte, selbstgewickelte Erregerwicklung an 12V Betriebsspannung reichen aus, um einen 2-4cm langen Lichtbogen zu erzeugen. Dieser Lichtbogen ist ionisierte Luft, auch Plasma genannt. Pro mm Lichtbogenlänge an der Luft kann man ca 1KV rechnen, somit entsprechen z.B. 30mm Lichtbogenlänge grob 30KV Spannung.

Wird die PWM-Breite des IRF noch geringfügig mit einem Audiosignal moduliert, hat man einen beeindruckenden Plasmalautsprecher:












Pilotlichtbogen

 

Da mich Schweißgeräte sehr faszinieren, wollte ich mal eins nachbauen, was in der Theorie relativ einfach ist. Ein starkes Netzteil oder Trafo mit wenig Volt aber viel Ampere liefert den Schweißstrom, der beim Durchfließen der Elektrode und des Werkstücks die nötige Hitze zum Schmelzen erzeugt. Ein eingekoppelter Hochspannungsimpuls zündet den Lichtbogen wenige mm bevor die Elektrode das Werkstück berührt (Pilotlichtbogen), damit das Werkstück kurz Zeit hat aufzuschmelzen und die Elektrode nicht festklebt, was bei billigeren E-Handschweißgeräten oft der Fall ist. Das Einkoppeln der Hochspannung ist aber nicht so einfach, mir sind 2 Möglichkeiten bekannt:

Induktiv: Der Schweißstrom fließt durch einen niederohmigen Trafo, dessen Gegenseite mit einem Hochspannungsimpuls gespeist wird. Die Hochspannung überlagert die Schweißspannung und jagt entweder die Kondensatorbank in die Luft, frittiert das Netzteil, oder fließt, bei ausreichender Entkopplung der Kondensatorbank, über die Elektrode und das Werkstück so wie´s sein soll.

Kapazitiv: Der Schweißstrom fließt durch eine niederohmige Spule, an deren Enden ein aufgeladener Hochspannungskondensator kurzgeschlossen wird. Der induktive Widerstand der Spule zwingt die Hochspannung über die Elektrode/Werkstück zu fließen. Auch hier müssen Kondensatorbank und Netzteil gut ausgekoppelt sein.

Ausgekoppelt heißt, der Hochspannungsimpuls wird gefiltert und umgeleitet, das macht man mit schnellen Folienkondensatoren, niederohmigen Hochlastwiderständen und Induktivitäten, siehe RC-Filter.



Pilotlichtbogen Plasma Schweißgerät







Ich hab mir dann aber doch im Baumarkt ein günstiges (~100€) Elektrodenschweißgerät geholt, da ich mangels Fachkenntnis in Sachen Hochspannung weder sterben, noch das Netz stören will.







Plasma-Klavier

 

Auch mit alten Autozündspulen kann man hochspannende Experimente durchführen, zB laute Töne und lange Blitze erzeugen. Zur Einfachheit habe ich diesmal einen Arduino Uno zum Steuern benutzt. An diesem sind 4 Tasten angeschlossen, sowie ein MosFet zum Schalten der Zündspule. Ein paar Zeilen Code, Netzteil, Stützkondensatoren, Holzrahmen, 3D-gedruckte Abdeckungen, und fertig ist das Plasmaklavier:







Es stellte sich aber heraus, dass der Arduino die starken Magnetfelder, die entstehen, nicht verträgt, und immer wieder mal abstürzt. Verschiedene Maßnahmen zur Abschirmung mit Blechen, und Schutzdioden/Filterschaltungen am MosFet Gate-Pin schlugen fehl. Eine Optimierung des Codes (schwächere Pulse) und ein gut erreichbarer Ein/Aus Schalter (zum Neustarten, falls der Arduino doch mal abstürzt) haben das Problem derzeit gelöst. Dennoch finde ich Analogschaltungen besser, da diese meist viel unempfindlicher sind, wenn auch aufwändiger zu bauen.




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