Hochspannungsanwendungen, bei denen es auf hohe Kapazitätswerte ankommt, verlangen spezielle Kondensatortechnologien. Hochspannungs-Scheibenkondensatoren werden in Anwendungen eingesetzt, bei denen eine Betriebsspannung von bis zu 50 kV, eine Kapazität von über 5000 pF, eine geringe Induktivität und ein Verlustfaktor (DF) von deutlich unter 0,5 % erforderlich sind. Typische Anwendungen sind die Energiespeicherung und die Laserentladung. In vielen Anwendungen werden Halbwellen-Spannungsverdoppler eingesetzt, z. B. in Röntgensystemen, Hochspannungsnetzteilen, Teilchenbeschleunigern und Ionenpumpen. Diese Schaltungen zur Spannungsvervielfachung bestehen aus zwei Dioden, zwei Kondensatoren und einer Eingangswechselspannungsquelle.

Halbwellen-Spannungsverdoppler

Das Schaltbild eines Halbwellen-Spannungsverdopplers ist in Abbildung 1 dargestellt. Während der positiven Halbwelle ist die Diode D₁ in Durchlassrichtung vorgespannt, sodass Strom durch sie fließt. Dieser Strom fließt zum Kondensator C₁ und lädt ihn auf den Spitzenwert der Eingangsspannung V_M auf. Es fließt jedoch kein Strom zum Kondensator C₂, weil die Diode D₂ in Sperrrichtung vorgespannt ist. Die Diode D₂ blockiert also den Strom, der zum Kondensator C₂ fließt. Daher ist während der positiven Halbwelle der Kondensator C₁ geladen, während der Kondensator C₂ ungeladen ist.

Während der negativen Halbwelle ist die Diode D₁ in Sperrrichtung vorgespannt. Daher wird der Kondensator C1 während der negativen Halbwelle nicht aufgeladen. Allerdings wird die im Kondensator C₁ gespeicherte Ladung (Q_m) entladen.

Während der negativen Halbwelle ist D₂ in Durchlassrichtung vorgespannt, sodass sich der Kondensator C₂ auf einen Wert von 2 V_M auflädt, da die Eingangsspannung V_M und die Spannung V_M des Kondensators C₁ zum Kondensator C₂ addiert werden. Daher wird der Kondensator C₂ während der negativen Halbwelle sowohl durch die Eingangsversorgungsspannung V_M als auch durch die Spannung am Kondensator C₁ aufgeladen. Somit ist der Kondensator C₂ auf 2V_M aufgeladen. Wird eine Last an die Schaltung auf der Ausgangsseite angeschlossen, wird die im Kondensator C₂ gespeicherte Ladung (2V_M) entladen und fließt zum Ausgang.

Während der nächsten positiven Halbwelle ist die Diode D₁ in Durchlassrichtung und die Diode D₂ in Sperrrichtung vorgespannt. Dadurch lädt sich der Kondensator C₁ auf V_M auf, während der Kondensator C₂ nicht geladen wird. Die im Kondensator C₂ gespeicherte Ladung wird jedoch entladen und fließt zur Ausgangslast. Somit treibt der Halbwellen-Spannungsverdoppler eine Spannung von 2V_M an die Ausgangslast.

Excimer-Laser

Das Prinzip des Excimer-Lasers beruht auf der Laserwirkung in einem Excimer-Molekül. Dies ist darauf zurückzuführen, dass das Molekül einen gebundenen (assoziativen) angeregten Zustand, aber einen abstoßenden (dissoziativen) Grundzustand hat. Edelgase wie Xenon und Krypton sind sehr reaktionsträge und gehen normalerweise keine chemischen Verbindungen ein. Im angeregten Zustand (ausgelöst durch elektrische Entladungen oder hochenergetische Elektronenstrahlen) können sie jedoch vorübergehend gebundene Moleküle mit sich selbst (Excimer) oder mit Halogenen (Exciplex) wie Fluor und Chlor bilden. Die so erregte Verbindung kann ihre überschüssige Energie durch spontane oder stimulierte Emission freisetzen, was zu einem stark abstoßenden Molekül im Grundzustand führt, das sehr schnell (in der Größenordnung von einer Pikosekunde) wieder in zwei ungebundene Atome zerfällt. Dadurch entsteht eine Besetzungsinversion.

Wird der angeregte Zustand durch eine elektrische Entladung eingeleitet, so stellt sich die grundlegende Schaltungstopologie derart dar, dass der Speicherkondensator, typischerweise eine Kondensatorbank, in einer Blitzlampe verwendet wird.

Die oben genannte Kondensatorbank kann mit Keramik-Scheibenkondensatoren der Baureihe 715C (Klasse 2) von Vishay konfiguriert werden. Die am häufigsten verwendeten Methoden zum Aufladen von Kondensatoren in gepulsten Anwendungen sind die Vollentladung und die Teilentladung. Wie die Bezeichnung bereits andeutet, wird bei der Vollentladung der Kondensator bei jeder Entladung auf null entladen. Anschließend wird die Stromversorgung aktiviert, der Kondensator auf die eingestellte Spannung aufgeladen und der Entladezyklus wiederholt. Der Hochspannungsschalter ist in der Regel ein SCR oder ein Thyraton für Anwendungen mit höheren Spannungen.

Bei der Teilentladung werden Halbleiterschalter verwendet, um die Entladung vom Kondensator zur Last ein- und auszuschalten, sodass der Entwickler die Impulsbreite zusammen mit der gelieferten Energie variieren kann. Der spezifizierte Kondensator ist in der Regel so groß, dass bei jeder Entladung nur ein kleiner Prozentsatz der Energie entnommen wird. Daher auch die Bezeichnung „Teilentladung“.

In beiden Fällen können Standardformeln verwendet werden, um die Größe des Netzteils zu ermitteln und die Ladezeit zu berechnen. Der einfachste Weg, die für eine Anwendung benötigte Energiemenge abzuschätzen, ist die Verwendung dieser Formeln.

Fazit

Scheibenkondensatoren beruhen auf einem recht einfachen Prinzip, sind aber dank moderner Fertigungsmethoden in der Lage, auch sehr anspruchsvolle Anwendungen zu versorgen. Aufgrund ihrer Hochspannungseigenschaften und der kurzen Lade-/Entladezeiten können sie schnell hohe Leistungen liefern und eignen sich daher für moderne Produktionssysteme.