Pelletron

Das Pelletron ist eine Weiterentwicklung des >Bandgenerators<. Beim Pelletron wird die Ladung nicht mit einem Isolierband sondern mit einer Kette transportier. Die Glieder der Kette bestehen aus Metallzylindern (Pellets) die mit isolierenden Kupplungen verbunden sind. Während Bandgeneratoren fast nur noch in Schulsammlungen zu finden sind werden die stabileren Pelletrons noch als Hochspannungserzeuger in der Industrie und Forschung eingesetzt.

Erfunden wurde das Pelletron vom Physiker R.Herb der dann die >Firma NEC< gründete um seine Ideen kommerziell zu vermarkten.

Links das Antriebsrad mit Kette eines Pelletrons der Firma NEC. Die Abmessungen sind gewaltig. Die Kettenglieder haben einen Durchmesser von etwa 4 cm und sind 6 cm lang. Das rechte Bild zeigt das System. Die Kette wird berührungslos durch Influenz geladen. In der Hochspannungselektrode wird ebenfalls durch Influenz eine Umladung erreicht wodurch sich der Ladestrom verdoppelt. Das ganze System wird, meist zusammen mit der Beschleunigerröhre in einen Drucktank eingebaut. So können Spannungen über 20 MV erreicht werden.

Das hier gebaute Gerät ist viel bescheidener aufgebaut und arbeitet unter normaler Atmosphäre. Es ist auf einem Plexiglastischen aufgebaut. Vier 150 cm lange Plexiglasröhren tragen die Hochspannungselektrode, eine Edelstahl-Hohlkugel mit 60 cm Durchmesser und damit etwa 60pF Kapazität.



Die Kette besteht einem Seil auf das durchbohrten Stahlkugeln mit einem Zentimeter Durchmesser gefädelt werdden. Auf zwei Kugeln folgt ein isolierender Abstandshalter aus Nylon. Ein anfangs verwendetes Nylonwäscheseil wurde schnell verworfen weil es sich im Betrieb zu stark dehnte. Das nun verwendete Aramidseil verhält sich viel besser. Ein Problem war der Kettenverschluss. Eine Lösung wurde mit einem Verschluss für Schnürschenkel gefunden.Das Teil ist rechts in der Kette zu sehen.

Die Ladevorrichtung für die Kette besteht aus einer Sprühspitze am Ende des blauen Kabels und einer geerdeten Gegenelektrode. Die einstellbare Ladespannung beträgt 60kV, eine Spannung bei es nur selten zu Überschlägen an der Kette oder zur Erdelektrode kommt. Im Gegensatz zum originalen Pelletron wird hier die Ladung direkt auf die Kette gesprüht und nicht durch Influenz erzeugt. Für eine effektive Influenzladung wären kleinere Abstände notwendig was aber nur unter Druckgas möglich ist.

Der Antriebsmotor sitzt auf einer Wippe die sowohl durch eine Feder und auch durch die Schwerkraft vorgespannt ist und die Ladekette straff hält.Der Durchmesser der beiden Räder, oben und unten, beträgt 20 cm. Die Drehzahl bei der die Kette noch einigermaßen ruhig läuft beträgt 1500 U/min entsprechend einer Kettengeschwindigkeit von etwa 15 m/s Darüber gerät sie in Schwingungen die sich aufschaukeln sodass die Kette immer wieder anstößt. Rechts neben dem Antriebsrad sieht man den Hochspannungsgenerator für die Ladespannung. Der Generator besteht aus einer Vervielfacher-Kaskade mit 28 Stufen die durch einen >CCFL-Converter< gespeist wird.

Der Rest der Schaltung besteht aus einem 15V Netzteil, einem Motorregler und einem Step-Down-Converter zum Betrieb des Hochspannungsgenerators. Ein Instrument dient zur Anzeige der Ladespannung so können sofort Fehlfunktionen erkannt werden.

>> Schaltung im PDF-Format <<

Zur Messung der erreichten Spannung wurde eine >Feldmühle verwendet< . Zur Kalibierung der Feldmühle wurde eine einstellbare Hochspannung (aus dem Erregernetzteil) an die Kugel des Generators gelegt. Die Messungen ergeben eine schöne Gerade.

Als nächster Test wurde eine Kugelfunkenstrecke gebildet, aus der Hochspannungselektrode (60cm Durchmesser) und einer Kugel mit 20cm Durchmesser. Der Abstand der Kugeln wurde verändert und die der Verlauf der Spannung bis zum Durchschlag mit der Feldmühle gemessen. Aus den Diagrammen kann man die Durchschlagspannung und Ladezeit bis zum Durchschlag entnehmen. Die Ladespannung betrug durchweg 60kV und die Bandgeschwindigkeit 15m/s.


Die mit der Feldmühle und der Kugelfunkenstrecke gemessenen Werte stimmen recht gut mit den Werten aus Tabellen überein. Die größte Schlagweite bei den Versuchen betrug über 140mm (rechtes Bild). Das ist eine Spannung deutlich über 300kV! In seltenen Fällen gab es auch Entladungen über die ablaufende Kette zum unteren, geerdeten Antriebsrad.


Aus den bekannten Zusammenhängen von Spannung, Kapazität, Ladung und Strom läßt sich der erreichte Strom berechnen. Die vier Werte aus den obigen Messungen ergeben einen Strom zwischen 1,4 und 1,6 µA. Eine Messung des Kurzschlußstromes mit einem empfindlichem Drehspulmesswerk bestätigt in etwa diesen Wert.

So weit so gut. Die erreichbare Spannung ist schon mal ganz gut. Aber ein höherer Strom wäre wünschenswert. Dafür kämen mehrere Lösungen in Frage.

1.	höhere Kettengeschwindigkeit
2.	Umladevorrichtung in der Hochspannugselektrode
3.	Höhere Ladung auf den Kugel der Kette durch höhere Ladespannung.
4.	Höhere Ladung auf den Kugel der Kette durch höhere Kapazität gegen Erde.

1. eine höhere Geschwindigkeit könnte möglicherweise durch Stützrollen, die ein Aufschwingen der Kette verhindern, erreicht werden.

2. der Versuch einer Umladung durch eine mit der HV-Kugel verbundene Bürste an der ablaufenden Kette brachte nicht erhoffte Erfolg.

3. Eine deutlich höhere Ladespannung, jetzt 60kV, wird durch Überschläge verhindert.

4. Der Abstand zwischen Erdelektrode und der Kette müßte verkleinert werden. Aber um Überschläge zu verhindern müßte die Elekrode allseitig isoliert werden.

Als erste Maßnahme wurde der Abstand der Ladeelektrode von 50mm auf 25mm reduziert. Das erbrachte eine Erhöhung des Stroms auf etwas über 2µA. Eine weitere Erhöhung brachte die Umstellung auf Influenzbetrieb. D.h. die Kette wird über eine Bürste geerdet und die Hochspannung an die Ladeelektrode gelegt. Dadurch konnte der Strom auf bis zu 4µA erhöht werden.
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Beim neuen Aufbau wird die Kette unten durch die Influenz einer negativen Hochspannungselektrode positiv aufgeladen. In der Hochspannungskugel wird die positive Ladung durch einen Schleifkontakt abgenommen. und über eine Funkenstrecke auf die Hohlkugel übertragen. Eine weitere Influenzanordnung erlaubt den Abtransport negativer Ladungen über die ablaufende Kette. Die Funkenstrecke sorgt hier für ´die notwendige Potetialdifferenz.


Ein seltsamer Effekt zeigt sich wenn die Erregerspannung abgeschaltet wird. Solange sich die Kette bewegt wird dann ein Strom umgekehrter Polarität erzeugt. Dieser Strom und ebenso Die Hochspannung erreichen fast die gleichen absoluten Werte wie der mit Erregerspannung erzeugte. Wird nun die Polarität der Erregerspannung gewechselt kehrt sich auch der Effekt um. Eine Erklärung dafür konnte noch nicht gefunden werden. Ein Einfluss einer eventuell erzeugten Reibungselektrizität kann wohl ausgeschlossen werden. Die hätte, je nach Materialkombination immer die gleiche Polarität. Der Effekt bietet aber immerhin eine einfache Möglichkeit die Ausgangspolarität umzuschalten.

Leider reichen die maximal 4µA des Ladestroms nicht aus einen isoliert aufgestellten Menschen mit aufzuladen. Es werden nur 50kV erreicht. Das reicht nicht aus die Haare schön abstehen zu lassen. Aber mit einer Kunsthaarperücke geht das recht gut.