Strom satt

 

Ausgangssituation

In der Firma stellen wir Pulsstromquellen für die Oberflächenbeschichtung her. Die Dinger haben ganz beachtliche Leistungen, die über den Kram, den man so privat rumstehen hat, deutlich hinausgehen. Der Apparillo liefert geregelte Pulse von bis zu 3000 Ampere und die Leerlaufspannung liegt bei 400V. Da juckt es in den Fingern, den Kasten mal für ein paar elektrische Experimente zu missbrauchen.  

  Freundlicherweise bekam ich die Möglichkeit, die Maschine mal ausgiebig außerplanmäßig zu benutzen
( " Meinetwegen kannste jetzt damit rumspielen, wenn du 'se nich kaputt machst" ). Besonders die letzte Bedingung ließ bei den Experimenten die Finger leicht feucht werden. Wer weiß, wo so ein Monster seine empfindliche Stelle hat?
Da der Wert der Kiste dem einer (besseren) Eigentumswohnung entspricht, hatte ich vor, den Kasten auf keinen Fall abrauchen zu lassen!  

 

 

 

   

Erster Versuch - Lorentzkraft

Unter dem Begriff Lorentzkraft (nach Hendrik Antoon Lorentz) findet sich in der Wikipedia:
Ein elektrischer Strom in einem Leiter besteht aus bewegten elektrischen Ladungen. Befindet sich der Leiter in einem Magnetfeld, wird daher eine Kraft auf ihn ausgeübt. Aha. Und wenn Strom durch einen Leiter fließt, erzeugt er bekanntermaßen ein Magnetfeld. Hm...
Wickelt man ein Kabel zu einer Spule und schickt Strom durch, so wirkt also eine Kraft auf den Leiter, der die Spule bildet.  

  Alles graue Theorie. Ich will den Hendrik tanzen sehen!  

  Also hab ich mal 'ne schöne Spule gewickelt . In Erwartung von viel Strom ist der Leiter recht solide ausgefallen.  

Mit dem Kabel hab ich einen satten Kurzschluss am Ausgang der Quelle gemacht.
Keine Angst, das muss das Monster abkönnen! Stromquellen lieben den Kurzschluss - so wie Spannungsquellen den Leerlauf mögen.  

  Jetzt knall ich mal ganz kurz dreitausend Ampere durch das Kabel. So für zwei tausenstel Sekunden.
Hoppla - da kommt Bewegung in die Sache!  

Da man sich das so schlecht vorstellen kann, gibt's hier ein Video (Lorentzkraft sehen und hören) von dem Experiment. Leider wird das Kabel dabei ziemlich heiß, so dass man die Frequenz nicht beliebig hoch treiben kann und schon nach einem paar dutzend Pulsen aufhören sollte. Ein Versuch mit 6m normaler 1.5qmm Litze hat bei 70Hz unter hoher Geräuschentwicklung zu einem unansehnlichen Klumpen Altmetall geführt.
Leider ist das nicht in Bild und Ton festgehalten - und wird aufgrund des beißenden Gestanks auch nicht wiederholt.  

 

 

 

   

Zweiter Versuch - Wärmestrahler

 

  Der Kasten hat zusätzlich ein Leistungsteil, das immerhin 1000A Dauerstrom liefern kann. Was kann man damit machen?
Eine Lampe mit romantischem Licht zum Beispiel. Als Glühfaden eignet sich ein Bündel Schweißdrähte, die am Ende in einem Kabelschuh verpresst sind.  

Im Dutzend sind sie belastbarer. Als Zuleitung kommt daumendickes 75qmm Kabel zum Einsatz. Die Anschlüsse sind auf Kühlkörper montiert - das hält Abstand vom Boden und ist bei eventuellen Übergangswiderständen zwischen Zuleitung und Schweißdrähten gut gegen Überhitzung der Zuleitungsisolierung.  

  So, jetzt kommt Saft auf die Leitung.
Bei 800A wird der Eisendraht zur Photonenschleuder, um bei 1000A dann irgendwann aufzugeben.  

 

  Auch hierzu ein kleines Video (Ende einer Lampe)  

 

 

   

Dritter Versuch - Coilgun

 

  Eine Coilgun ist ein Gerät, bei dem mittels Magnetspule ein kleines Eisenteil auf hohe Geschwindigkeit gebracht wird (siehe Wikipedia - Gaußgewehr ). Das macht man normalerweise so, indem man einen Kondensator auf eine hohe Spannung auflädt. Über einen Schalter wird die Ladung dann in die Spule gehauen. Das entstehende Magnetfeld zieht z.B. einen kleinen Nagel in die Spule. Das Ziel ist es, dass der Nagel nicht in der Spule festgehalten wird, sondern schön weiterfliegt.
Wenn man die Apparatur geschickt auslegt, ist der Kondensator genau dann alle, wenn der Nagel mitten in der Spule ist.  

  Klar, das so was verboten ist - es ist ja eine gefährliche Waffe. Aber als Experiment werde ich es hier mal vorstellen.  

  Erstmal braucht man ordentliche Kondensatoren. Um alle Coilgun-Bastler mal ordentlich neidisch zu machen: Diese haben pro Stück 1500µF bei max. 500V. Und weil einer allein sich bestimmt langweilt, sind davon gleich ein ganzer Haufen verbaut.  

Da man die Größe auf dem Foto nicht recht abschätzen kann: Die Dinger sind etwas größer (länger) als eine Coladose. Auf 400V aufgeladen hat jeder einzelne eine Energie von 0.5*C*U*U = 120 Joule!
Hinter den Elkos sieht man die Verbindungskabel in Form von massiven Kupferschienen. Dahinter sind die Leistungshalbleiter auf wassergekühlten Aluminiumblöcken montiert. Wir haben halt größeres vor...  

  Elko und Schalter wären damit ausreichend dimensioniert. Fehlt eine Spule. Also auf der Drehmaschine fröhlich losgewickelt...  

Das Kabel ist 2.5qmm stark und ca. 6m lang. Damit die Wicklungen halten, hab ich beim Wickeln dauernd Sekundenkleber draufgeträufelt. Anschließend hat das Teil eine schöne Heißkleberbeschichtung bekommen.  

Das Kupferrohr muss natürlich wieder raus, da es als Wirbelstrombremse wirken würde. Statt dessen kommt ein Trinkhalm zum Einsatz. Als provisorisches Projektil musste ein 4.7mm Bohrer herhalten - je kleiner der Luftspalt, je größer die Kraft.  

  Erste Versuche:  

Und natürlich als Video (Bohrerflug). Der Bohrer schlägt unten in den Schlitz der Palette ein. Hier noch mal als Zeitlupe. Man beachte, wie die Zuleitung abhebt und der Rückstoß die Spule verschiebt Video (Bohrerflug in Zeitlupe).  

  Das mit dem Bohrer ist natürlich keine Dauerlösung. Klar, dass ich nach Feierabend erstmal ein prima Projektil gedreht habe.  

70mm Länge, 4.7mm Durchmesser  

  Der Vorteil so einer Monster-Stromquelle ist, dass man die Pulsdauer exakt einstellen kann. Ich muss die Elkos also nicht komplett leerlutschen. Aber wie soll ich wissen, wie lange der Puls sein muss?  

  Das muss gemessen werden!  

  Also habe ich eine Maus geschlachtet und eine Lichtschranke an die Austrittsöffnung der Spule geklebt. Das Weiße unten ist eine sehr helle rote LED, das rote Teil oben ein Fototransistor mit einer kleinen Linse dran.  

Über dem Fototransistor klebt ein Stück Tesa-Moll als Fremdlichtschutz.  

  Wenn der Bolzen aus dem Trinkhalm kommt, unterbricht er die Lichtschranke. Das sieht dann so aus:  

Auf dem 3. Bild wird es langsam schattig für den Fototransistor.  

  Mit Stromversorgung und Einschalter ruht das ganze Gebilde auf einer Spanplatte. Viel Heißkleber hält alles zusammen. Dabei hat die Spule noch ein paar Streben bekommen.  

Hinten kommt der Bolzen rein.  

Und vorne?  

  Vorne wartet ein Holzklotz auf den Eisenpfeil...  

 

  So, nun geht's aber zur Sache!  

  Die Lichtschranke kommt an das Oszilloskop. Zusätzlich wird auch der gemessene Strom und die Regelgröße des Stromreglers mit aufgezeichnet.
Eine simple Bedienoberfläche ist minutenschnell zusammengestrickt.  

Erst steckt der Bolzen im Trinkhalm  

Ein Tastendruck - und er steckt im Holzklotz  

Das Oszilloskop zeigt nun genau, was abgegangen ist. Hier die Messung mit zweitausend Ampere für tausend Mikrosekunden:  

Die gelbe Linie zeigt den gemessenen Strom an. 1cm entsprechen 1500A.
Die rosa Linie zeigt die Regleransteuerung. Damit man die Linien auseinanderhalten kann, ist sie nach unten geklappt. Die angezeigten -12V bedeuten: Regler voll am Anschlag. So eine Spule wehrt sich halt aus Leibeskräften gegen Stromänderungen!
Die blaue Linie zeigt das Lichtschrankensignal. Das Projektil hat 70mm Länge, von denen 68mm die Lichtschranke unterbrechen (2mm der Spitze jucken den Fototransistor nicht) und brauchte ca. 3.5ms bis es die Lichtschranke durchflogen hat. Das ergibt mit 68/3.5 etwa 20m/s oder 70km/h.  

  Das Skope zeigt deutlich, dass nach Ende des Spulenstroms noch viel Zeit vergeht, bis der Nagel die Lichtschranke erreicht. Also mehr Strom! Und länger! Viel hilft viel!  

  Der nächste Schuss:  

Und die Auswertung:  

Hm, etwas zu lange Strom. Das ist nicht optimal! Da wird der Bolzen am Ende abgebremst!
Aber ich will ja möglichst lange beschleunigen. Statt die Zeit zu verkürzen, ziehe ich den Bolzen etwas weiter zurück.  

Schuss - Und die Auswertung gibt mir recht:  

Die Geschwindigkeit lag bei ca. 34m/s (120km/h) - Da möchte ich nicht mehr den Finger zwischen halten.  

  Weitere Experimente ergaben, dass weiteres zurückziehen und längere Pulse nix bringen. Das Problem ist, dass der Widerstand der Spule durch Erhitzung so stark ansteigt, dass die Stromquelle mit ihrer Leerlaufspannung den Strom nicht mehr reingeprügelt bekommt. Ein längerer Puls führt dann dazu, dass viel weniger Strom durch die Spule fließt, je weiter der Bolzen in der Spule ist. Dadurch sinkt die Endgeschwindigkeit.  

Nein, es liegt nicht daran, dass die Elkos leergelutscht sind. Die sind alle 3ms wieder aufgeladen! Daher flackert in der ganzen Firma das Licht, wenn man auf Freigabe klickt.  

   

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  Bei guter Einstellung geht das Projektil manchmal ganz schön schwer wieder raus...  

 

  Wie man unschwer erkennen kann, ist die Kanone nicht besonders zielgenau. Das liegt daran, dass der Bolzen keinen Drall hat.  

 

  Obwohl es nicht viel zu sehen gibt, da die Flugzeit weniger als 1/60s beträgt (die höchste Framerate meiner Kamera), hab ich ein paar Videos gedreht:
Video (Klick-bumm)
Auch in der Zeitlupe mit 60 Bildern/s erkennt man leider nicht mehr:
Video (Zeitlupe - ohne Ton)
(Außer, dass das Licht während des Schusses merklich dunkler wird!)  

  Hier das Video des letzten Schusses, den die Spule gemacht hat:
Video (Klick-klack-klong)
Das Projektil hat die kleine Kerbe oben im Klotz verursacht (siehe Bild oben) und ist bisher nicht wieder aufgetaucht.  

  Als Handfeuerwaffe ist das Teil nur mäßig zu gebrauchen. Nicht nur wegen der üblen Zielgenauigkeit!
Selbst wenn man immer einen Drehstromanschluss bei sich hätte, müsste man außer der recht handlichen Spule die tolle Stromquelle hinter sich herziehen (Das Ding wiegt rund 'ne halbe Tonne). Und als Spielzeug für zu Hause ist das gute Stück einfach zwei Nummern zu kostspielig...

 

  Da kommt mir aber noch ein verwegener Gedanke:  

  Wenn ich ein Magazin mit Projektilen hinter der Spule platzieren würde, wäre eine gigantische Schussfolge möglich. Die Stromquelle kann auch 10 oder 100 Schuss pro Sekunde rausballern. Mehr macht keinen Sinn - Der erste Bolzen wäre bei 100Hz noch keine 10cm aus der Spule, wenn der nächste startet.  

  Hach, leider ist die Quelle inzwischen auf dem LKW - da brauch ich mir gar nicht vorzunehmen, die ganze Woche Nacht für Nacht Projektile zu drehen...