http://www.vka.rwth-aachen.de/sfb_224/K ... kap3_2.pdf
Der Abbau des Magnetfelds geht umso schneller, je höher die Induktionsspannung ist. Schließt man bei einer geladenen Spule die Klemmen kurz, so entlädt sier sich nur langsam. Öffnet man den Stromkreis mit einem halbleiter hoher Sperrspannung, so entlädt sie sich wegen der hohen Spannung schnell. Sofort nach Abschalten des Halbleiters liegen z.B. primär 500V an der Spule an. Ein parallelgeschalteter Kondensator reduziert die Spannung vorübergehend, so daß das Magnetfeld langsamer abgebaut wird. Beim Unterbrecherkontalt beschleunigt der Kondensator den Abbau aber. Das klingt zuerst unsinnig, ist aber wie folgt zu erklären:
-ohne Kondensator bildet sich wegen der extrem hohen Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung direkt beim Beginn des Öffnens am Unterbrecher schon ein Lichtbogen. Der ist niederohmig und wirkt als Kurzschluß. Und er bleibt noch lange bestehen, da die Spule ja den Strom beinehalten will. Bei bestehendem Lichtbogen ist die Spannung aber
gering, so daß die Spule sich nur langsam entladen kann. Und da die Stromänderung damit gering ist, gibt es am Ausgang nur eine ganz geringe Zündspannung.
-Mit Kondensator geht direkt beim Ausschalten des Kontakts der Strom erstmal in den Kondensator, so daß der Lichtbogen sehr schnell gelöscht ist. Bis dann der Kondensator auf eine hohe Spannung aufgeladen ist, haben sich die Kontakte am Unterbrecher weit genug entfernt, so daß hier nichts mehr funkt. Durch geeignete Kapazität des Kondensators wird die Abstiegszeit also gerade so begrenzt, daß der Unterbrecher löschen kann. Und hiermit gibt es aber insgesamt ein schnellerer Anstieg als ohne Kondensator.
Betrieb mit schnellem Ansteigen ohne Kondensator ist mit Schaltkontakten nur dann möglich, wenn man den Lichtbogen löscht. Das geht nur durch Betrieb unter Öl oder Ausblasen des Bogens mit Druckgas. Für KFZ zu teuer!
Exkurs zur Energietechnik:
1. Warum steht auf Bügeleisen etc. immer "nur für Wecjselstrom"? Der Heizwicklung ist es doch egal, ob 230V Wechselstrom oder Gleichstrom. Antwort: Der Heizung ist es egal - dem Bimetallschalter aber nicht. Bei
Wechselstrom kann der Lichtbogen beim Stromnulldurchgang löschen. Bei Gleichstrom gibt es keinen Nulldurchgang.
2. Hochspannungsschalter für extreme Leistungen (bis 220kV, 1000A) löschen wegen der hohen Energie des Lichtbogens auch im Nulldurchgang nicht. Das Plasma läßt einen leitfähiogen Kanal lange bestehen. Man muß den Lichtbogen aktiv mit einem der folgenden Verfahren löschen:
-Druckluft
-Öl
-Hartgas: Lichtbogenkammer ist umgeben von Material, daß bei Hitze Löschhgas abgibt
-Entionisierungskammer die Lichtbogen kühlt
Nachdem der Stromkreis mit diesen teuren Schaltern unter Last getrennt wurde, wird zum Personenschutz bei arbeiten ein nachgeschaklteter Trennschalter betätigt. Es gibt eine sichtbare Trennstrecke. Diese Schalter haben keine Einrichtung zum Löschen der Lichtbögen. Schaltet man sie aus Versehen unter Last, brennt die Einrichtung ab. Es gibt keine Chance, den Lichtbogen zu löschen.
Die Zündkondensatoren beim Unterbrecher haben Werte um 220nF, sind also doch recht groß in ihrer Kapazität. Bei 5A Spulenstrom vor Öffnen des Unterbrechers ergibt sich ein Spannungsanstieg von 22V/µs auf der Primärseite. Zum Vergleich: ein guter HiFi Verstärker ist Faktor 5 schneller... Bei einer Übersetzung 1:100 sind das dann etwa 22kV/µs sekundär. Die Anstiegszeit wird nur deshalb absichtlich verzögert, damit der Unterbrecher den Lichtbogen löschen kann. Der Zündkondensator ist also notwendig, hat aber auch die unerwpünschte Eigenschaft der Anstiegsbegrenzung.
Elektronische Schaltgeräte benötigen zum Betrieb keinen Zündkondensator mehr zu. Hauptunterschied ist, daß es im Halbleiter im Normalfall keinen Lichtbogen gibt (wenn doch, dann ist der danach hin!). Der halbleiter wird sehr schnell hochohmig, auch wenn er bei laufendem Strom abschaltet. Im Übergang zwischen leitend und gesperrt hat er
dann bei noch fließedem Strom schon eine hohe Spannung. Die entstehende, hohe Verlustleietung liegt nur ganz kurz an, da er schnell sperrt. Die meisten Schaltgeräte haben keinen Kondensator eingebaut. Ein kleiner Kondensator von wenigen nF kann jedoch hinzugefügt werden, um Störungen im Bordnetz zu verhindern. Andererseits wirkt auch die Zündspule durch die aufeinandeliegende Wicklung als Kondensator, so daß auch bei ungeschirmten Primärkabeln die Anlage betrieben werden kann. Die Primäre Zündspannung muß begrenzt sein, da die magnetische Kopplung der Primärspule zur Sekundärspule nicht perfekt ist. Ein Teil der Zündenergie (5%) geht deshalb immer zurück zum Steuergerät. Und wenn da ein Transistor voll gesperrt ist, dann steigt die Spannung an, bis der Transistor nachgibt! Das kann bei 300V der fall sein, aber auch bei 1500V. Aber er gibt nach! Zur Lösung des Spannungsproblems gibt es viele Ansätze:
-man könnte einen großen Kondensator zur Aufnahme der Energie parallelschalten (ergibt dann einen Schwingkreis wie im Fernsehapparat), aber damit wird die Ansteigszeit viel zu langsam. Wird nicht gemacht.
-man schaltet eine Z-Diode zwischen Zündausgang und Ansteuerung dse Transistors. Übersteigt die Zündspannung kritische Werte, so wird der Transistor definiert leitend und begrenzt die Spannung. Begrenzt man bei einem 400V Transistor auf 300V, läuft die Anlage sicher.
-man nimmt einen Transistor, dem das Durchschlagen nichts ausmacht. Die arbeiten dann selbst als Begrenzung und brechen bei z.B. 400V durch, ohne Schaden zu nehmen.
-man schaltet eine extra Bauteil zur Spannungsbegrenzung (Varistor etc.) parallel zum Zündausgang.
Stand der Technik sind aus Kostengründen heute IGBTs wie der EcoSPARK ISL9V2540S3S von Fairchild. Die Spannungen liegen bei 360-445V. Diese Teile schützen sich selbst und sind einfach anzusteuern. Datenblatt gibtb es auf
www.fairchildsemi.com
Kondensatoren gibt es auf Leiterplatten. Diese haben aber nur einige wenige Pikofarad und sind z.B. im LNB der Satnlage zu finden. Kondensatoren höherer Kapazität brauchen sehr geringe Abstände (lassen sich schwer auf Paltinen herstellen) und große gegenüberliegende Flächen (brauchen Platz und sich teuer). Auch sind diese Kondensatoren fertigungstechnisch sehr ungenau, temperaturabhängig usw. Deshalb baut man billiger und besser separate Kondensatoren ein, wenn hohe Kapazitäten benötigt werden.
Die geschlängelten Leiterzüge sind Spulen. Man findet sie auch auf PC Mainboards. Bei hohen Taktfrequenzen müssen mehrer Datensignale gleichzeitig am Empfänger ankommen. ICs haben aber selten alle Datenleitungen auf einer Seite und liegen aber selten parallel auf der Leiterplatte. Deshalb werden die Leiterbahnen verschieden lang. Damit die Signale trotzdem gleichzeitig ankommen, verzögert man sie bei den kurzen Leiterbahnen durch zusätzliche Wege. Kleine Spulen mit einigen Nanohenry kann man auch so Herstellen. Diese Spulen braucht man aber nur in der Hochfrequenztechnik mit mehreren 100 Mhz.
Kondensatoren zur Glättung der Bordnetzspannung sind dringend nötig. Zusamman mit Dioden und Varistoren schützen sie das Steuergerät und versorgen es bei kurzen Spannungseinbrüchen mit Strom. Die Steuergeräte sind robust, aber es gibt Grenzen. Es gibt ein Zustand, der bei fachgerechter Ausführung garantiert tödlich ist. Anleitung (nicht ausprobieren!!!):
1. Batterie aus dem PKW ausbauen und Lima abklemmen.
2. alle ohmsche Verbraucher wie Glühlampen ausschalten.
3. Mit externer Batterie den PKW mit Strom versorgen.
4. Anlasser betätigen und gleichzeitig (!) bei laufendem Anlasser das Starthilfekabel schnell und ruckartig entfernen, um den Stromkreis zu unterbrechen.
Der Anlasser hat wegen der großen Induktivität und des sehr hohen Stromes eine saftige Energie gespeichert. Und die geht dann direkt ins Bordnetz. Normalerweise nimmt die Batterie dem Stromstoß auf. Und in der Lima sind kräftige Dioden, die bei 20...30V auch leitend werden. Aber ohne diese Komponenten gibt es nichts, was diesen Energiestoß auch nur ansatzweise aushalten kann. So große Kondensatoren passen nicht ins Steuergerät und andere Schutzbauteile dieser Energie sind viel zu teuer.