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Dieser Artkel ist deshalb so interessant, weil man die Grundlagen für das Bereithalten von hohen Impulsströmen durchaus kannte, die man später in den ganz dicken Endstufen benötigte. - Wir sind im Jahr 1966 !!
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aus der Roederstein Broschüre von 1966 - ein Artikel von Roland Stögbauer

Zur Erzeugung von hohen Temperaturen, starken Magnetfeldern, Stoßwellen, energiereichen Lichtblitzen und anderen physikalischen Erscheinungen werden kurzzeitig extrem hohe elektrische Leistungen benötigt.

Zur Speicherung von elektrischer Energie, die für die kurzzeitige Erzeugung sehr hoher Ströme unter verschiedenen Bedingungen benötigt wird, eignen sich in besonderem Maße statische Kondensatoren. Dafür mußten Spezialausführungen entwickelt werden, die den verschiedenen Anwendungszwecken angepaßt sind.

Nachfolgend sind einige für die Projektierung wichtige Gesichtspunkte beschrieben.

Im Gegensatz zu den üblichen Leistungskondensatoren, bei denen das Produkt Strom x Spannung ausschlaggebend ist, verwendet man hier die Energie, welche für die Entladung gespeichert wird, als Maßeinheit für die einzelnen Kondensatoren.

Die Energie errechnet sich aus der Formel:

A = (C • U2)/ 2

Hierin bedeutet:
A = Energie in Joule (Watt-Sekunden)
C = Kapazität (Mikrofarad uF)
U = Ladespannung in kV (Nennspannung)

Die Nennspannung (Stoßentladespannung) jeder Einheit ist diejenige max. Gleichspannung, auf welche die Kondensatoren im Betrieb aufgeladen werden.

• Anmerkung : Hier möchte ich nochmal den Unterschied zwischen denbeiden Berechnungsformen darstellen. Ein Gleichspannungs-Netzteil, das zum Beispiel 50 Volt und 10 Ampere Dauerlast abgeben können soll, muß ich anders dimensionieren als das Netzteil eines Endverstärkers, das zwar auch eine Dauerlast von 500 Watt verträgt, aber darüber hinaus erhebliche Impuls zu verarbeiten hat.

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Durch die Höhe des Leistungsverlustes im Kondensator ergibt sich die Impulsfrequenz.

Die Formel lautet: N = Nv / (A x Q x (tan Alpha)

Hierin bedeutet:
N = Impulsfrequenz pro Sekunde
Nv = max. zul. Wattverluste
A = gespeicherte Energie
Q = Stromkreisverstärkung
tan Alpha = Verlustfaktor bei der Schwingfrequenz
r = gesamter Stromkreiswiderstand

Die max. Wattverluste, die zugelassen werden können, richten sich nach der Bauart der einzelnen Kondensatoren. Die Formel läßt erkennen, daß ein Kondensator für eine höhere Impulsfrequenz zugelassen werden kann, wenn der Entladestromkreis geringe Verluste aufweist.

Es gibt drei Arten von Stoßkondensatoren, welche sich durch ihre Entladekonditionen unterscheiden. Es sind dies Kondensatoren für eine

a) ungedämpfte Schwingung
b) gedämpfte Schwingung
c) aperiodische Schwingung.

Betrachtet man den nebenstehend im Prinzip dargestellten Schwingungskreis, so ersieht man, daß durch die Aufladung des Kondensators mit der Elektrizitätsmenge Q = Integral idt der Kondensator eine innere Spannung ec = - Integral 1/C x idt besitzt, welche beim Einschalten des Schwingkreises als Generatorspannung wirkt und einen Strom erzeugt.

Und jetzt lassen wir den ganz Quatsch mit den Gleichungen mal weg und konzentrieren uns auf den Kern des Probelms.

Der Momentanwert des Stromes in einem Schwingungskreis aus R, L, C läßt sich auch durch solch eine ähnlich komplexe Formel ausdrücken.

Am Ende bedeutet das, daß der max. (Entlade-) Strom im ersten Viertel der Periode der Entladefrequenz auftritt.

Über die Zusammenhänge zwischen der zulässigen Spannung und der Lebensdauer seien einige Angaben aus der Literatur zitiert.

Amerikanische Berichte geben an, daß bei Papierkondensatoren die Lebensdauererwartung eine Funktion der Spitzengleichspannung ist. Es wird für gleiche Betriebszeit angeführt, daß bei einem Betrieb von 120% Nennspannung die Lebensdauererwartung auf 4% vermindert wird. Arbeitet man jedoch nur mit 75% Nennspannung, steigt die Lebensdauererwartung auf 850% an.

Außerdem wird gezeigt, daß die Lebensdauer um 50% sinkt, wenn die Schwingfrequenz statt 30 kHz 100 kHz beträgt, und daß sie auf 180% steigt, wenn die Schwingfrequenz statt 30 kHz nur 10 kHz beträgt.

Die Lebensdauer ist auch eine Funktion der prozentualen Amplitudendämpfung. Die Lebensdauer geht z. B. auf 74% zurück, wenn statt einer Amplitudendämpfung von 80% eine solche von 90% zugrunde liegt.

Es sei noch erwähnt, daß die Verhältnisse nicht linear verlaufen. Ein englischer Bericht behauptet, daß sich die Lebensdauer zwischen 20 und 200 kHz Schwingfrequenz geringfügig ändert.

Wie aus den Formeln zu ersehen ist, muß bei der Konstruktion von Impuls-Kondensatoren besonders darauf geachtet werden, daß die Induktivität und der ohmsche Widerstand klein zu halten sind.

Dies ist u. a. möglich durch eine hohe spezifische Raumkapazität, durch einen gedrängten koaxialen Aufbau.

Bislang werden Kondensatoren unter 30 kV mit rechteckigem Gehäuse und Flachwickeln gebaut (Bild 1). Über 30 kV kann man die Rohrform mit Rundwickeln wählen, weil bei hohen Spannungen und geringen Kapazitätswerten hohe Anforderungen an die Eigenschwingfrequenz gestellt werden.

Die rechteckigen Gehäuse werden bei niedrigen Eigenschwingfrequenzen ausschließlich vom wirtschaftlichen Standpunkt her gebaut, da sich hohe Kapazitätswerte bei niedrigen Spannungen und somit große Energiedichte bezogen auf den Rauminhalt erreichen lassen.

Bei der Entwicklung von Stoß-Kondensatoren sollten Gehäuse mit kreisförmiger Geometrie Verwendung finden, weil der Aufbau u. a. konstruktiv und elektrisch einfacher wird. (Siehe Bild 2)

Das Gehäuse dient hier als Rückleitung für den Entladestrom, d. h. der Stromfluß wird koaxial geführt und es ergeben sich von selbst niedrige Induktivitäten und damit hohe Eigenschwingfrequenzen. Die Durchführung kann je nach Verwendungszweck für Bandleiter oder Sammelschienen sowie Koaxialkabel eingebaut werden.

Für die einzelnen Kondensatorelemente müssen je nach der verlangten Induktivität bestimmte Abmessungsverhältnisse eingehalten werden. Beispielsweise sollen Kondensatorelemente für extrem schnelle Entladung im Durchmesser der einzelnen Rundwickel größer sein als deren axiale Länge. Durch einen Abgleich der Verhältnisse von Außendurchmesser zu Innendurchmesser des Kondensatorwickels auf einen Wert von höchstens 2,5 läßt sich die Induktivität der Einzelwickel denkbar klein halten.

Bei niedrigen Spannungswerten und hohen Kapazitäten empfiehlt es sich,
die Kondensatoren in ein rechteckiges Gehäuse einzubauen und Flachwickel zu verwenden. Es genügt hier vollauf, die Kondensatorwickel stirnflächenkontaktiert einzubauen und als Stromrückleitung ebenfalls das Gehäuse zu benutzen.

Die mit Tränkmittel gefüllten Kondensatoren müssen auch bei reduzierter Temperatur einwandfrei arbeiten. Es sind also Vakuum-Konditionen an ihrer äußeren Oberfläche zu vermeiden. Bei rechteckigen Kondensatoren reduziert das Durchbiegen der Gehäuseseiten die Höhe der infragekommenden Druckbereiche. Bei zylindrischen Einheiten ist das Gehäuse fest, weshalb ein Druckkompensationssystem anzuwenden ist.

Um zu vermeiden, daß ein Kondensator bei zu hoher Temperatur
oder bei elektrischen Glimmererscheinungen betrieben wird, wurde für die Kondensatoren mit kreisförmiger Geometrie ein Druckwarnsystem eingebaut, damit schon vor dem Durchschlag eines Kondensatorwickels der Kondensator erkannt und abgeschaltet werden kann. Damit sind die Schwierigkeiten für den Anwender, der eine größere Kondensator-Batterie in Betrieb nimmt, auf ein Minimum begrenzt. Die Warnvorrichtung spricht auf das Gas an, welches beim Glimmen entsteht. Das Gas hat eine Erhöhung des inneren Druckes zur Folge, der wiederum die Warnvorrichtungen betätigt. Das Prinzip ist in Bild 3 näher beschrieben.
(Soetwas kommt bei unseren Audio-Anwendungen nicht vor.)
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Ist bei unseren Audioverstärkern beliebig.
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Die Projektierung von Stoßkondensatoren wird aufgezeigt. Der Stand der Entwicklung von 1966 wird dargelegt.

Impulskondensatoren bilden die Grundlage bei der Verwirklichung von Aufgaben, die mit der Freimachung hoher Leistungsspitzen verbunden sind. Die von den technischen Instituten und Forschungszentren entwickelten Verfahren werden bald eine industrielle Ausnutzung finden, weshalb frühzeitig den zugehörigen Energiespeichern besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden muß.

Induktions-Schmelzöfen, kompensiert mit luftgekühlten 50 Hz-Kondensatoren, aufgestellt bei Firma Daimler-Benz, Mannheim (Werkfoto BBC).
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