Bandgenerator 1

Allgemeines: Der bekannte Bandgenerator (im Anglosächsische Sprachgebrauch: Van de Graaff Generator) wurde 1931 von Dr. Robert J. Van de Graaff realisiert. Mit seiner Erfindung schuf Van de Graaff einen vergleichsweise einfachen und doch sehr leistungsfähigen Hochspannungserzeuger. Verwendet wurden Bandgeneratoren bis in die 60er Jahre hauptsächlich in der Kernphysik um mit den erreichbaren höchsten Spannungen von bis zu 10 Megavolt Elementarteilchen zu beschleunigen und Kernreaktionen auszulösen. Mit einem Selbstbaugerät sind derartige Spannungen leider nicht erreichbar, erforderten diese Megamaschine doch Aufbauten die gerade Mal in einer großen Halle Platz haben. Aber einige Hundert Kilovolt bei einigen Zehn Mikroampere Stromstärke sind durchaus machbar.

Aufbau: Das Prinzip des Bandgenerators ist der einer Ladungspumpe. Ladungen werden in "kleinen Häppchen" auf einen Kondensator transportiert und erhöhen des Spannung nach der bekannten Formel 1. Beim Bandgenerator wird als Transportmittel ein isolierendes Band verwendet auf das Ladungen aufgebracht werden und
durch Bewegen des Bandes auf eine Kapazität, meist eine Metallkugel, übertragen. So wird die Spannung des Kondensators immer weiter erhöht bis schließlich die Durchbruchsfeldstärke erreicht wird oder die aufgebrachten Ladungen durch die unvermeidlichen Kriech- und Sprühströme ausgeglichen werden.

Die Bandladung kann durch ein zusätzliches Hochspannungsnetzgerät (einige Zehn Kilovolt)bereitgestellt oder auch durch Selbsterregung über die Reibungselektrizität des Bandes auf den Transportwalzen erzeugt werden. Beide Grundschaltungen sind in dem rechten Bild skizziert.
Die Fremderregung ermöglicht eine einfache Ausgangsspannungs- regelung über die Größe der externen Hochspannung und wird meist bei kommerziellen Geräten angewandt. Die selbsterregte Ausführung ist gut für den Eigenbau geeignet, da kein zusätzliches HV-Netzgerät notwendig ist, allerdings ist dann die Polarität der Ausgangsspannung durch die Isolierwalze und das Band festgelegt , die aus Materialien mit unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante bestehen müssen.
Zusätzliche Einrichtungen erlauben eine Erhöhung des Ausgangsstromes. So kann durch eine weitere obere Sprühspitze erreicht werden, daß nicht nur Ladungen einer Polarität dem Kondensator zugeführt, sondern auch Ladungen entgegengesetzter Polarität vom Kondensator abgeführt werden, was einer Verdoppelung des Ladesstroms entspricht

Konstruktion: für die Grundstruktur wurden zwei Plexiglasplatten verwendet, die zur Erhöhung der Stabilität wird Plexiglasstreben versteift wurden. Auch für die obere Isolierrolle wurde Plexiglas verwendet, während das 14 cm breite Band aus Latex ( Gymnastikband aus dem Sportgeschäft) ist. In einem Vorversuch wurden verschiedene Bänder über die Plexiglasrolle gezogen und das Latexband machte sowohl elektrisch wie mechanisch den besten Eindruck. Für die untere Rolle wurde ein Messingrohr verwendet, beide Rollen sind kugelgelagert. Für die Sprüheinrichtungen wurden die, schon bei den Influenzmaschinen bewährten, mit der Zickzackschere bearbeiteten Messingfolien verwendet. Die meisten Schwierigkeiten bereitet die Beschaffung der Kondensatorkugel, die zum Einlauf des Bandes eine große Öffnung aufweisen muß, die noch dazu keine scharfen Kanten und Ecken aufweisen darf. Fündig wurden wir wiedermal in der Kramecke von Ikea. Ein, auf dem Kopf gestellter, Hundenapf aus Edelstahl eignet für den unterenTeil der Kondensatorkugel.

Durch die sehr tiefe Einbuchtung des Napfes ist kein wirkliches Loch in der Kugel notwendig. Für den oberen Teil wurde ein passendes Nudelsieb ausgesucht da vermutet wird das die vielen kleinen Löcher sich nicht störend auswirken. Angetrieben wird das Band über einen Zahnriemen von einem Nähmaschinen Motor mit einer maximalen Leistung von 75W. Die Drehzahlregelung des Motors erfolgt mittels einer Phasen- anschnittsteuerung

Betrieb:

Zuerst wurde der erreichbare Kurzschlußstrom in Abhängigkeit von der Bandgeschwindigkeit gemessen. Da dieser Bandgenerator eine Nebenfeldmaschine ist, d.h. die Erregung findet an der oberen Rolle im feldfreien Raum der Hochspannungselektrode statt,hat das Hauptfeld keinen Einfluß auf die Erregung. Somit kann der Kurzschlußstrom ohne Beeinflussung der Erregung gemessen werden. In der rechten Messkurve ist die stetige Zunahme des Stromes mit der Bandgeschwindigkeit deutlich zu sehen. Bei den erreichten Bandgeschwindigkeiten ist noch keine Sättigung des Stromes (Rutschen des Bandes auf der Antriebsrolle) erkennbar, was bedeutet, daß noch eine höhere Übersetzung des Antriebes und somit eine höhere Bandgeschwindigkeit möglich ist

Wesentlich schwieriger ist die Messung der erzeugten Spannung. Selbst ziemlich hochohmige Spannungsteiler belasten die Quelle zu stark (z.B. wurden mit 1000 MOhm nur noch 20 µA entsprechend 5 kV, erreicht). Da ein elektrostatisches Voltmeter noch nicht zur Verfügung steht bleibt nur der Weg der Messfunkenstrecke. Mit zwei 20 cm Halbkugeln werden Funkenlängen von 41 mm erzielt. Diese Funkenlänge entspricht, laut Tabelle ( Hochspannungstechnik, L.I. Sirotinski VEB Verlag ), einer Spannung von 110 kV. Wie erwartet ist die Funkenlänge weitgehend unabhängig von der Bandgeschwindigkeit, nur die Wiederholrate der Überschläge steigt mit steigender Bandgeschwindigkeit


Die Triac geregelte Motorsteuerung erlaubt eine Einstellung der Bandgeschwindigkeit von 0 bis 10 m/s