ESL / Elektrostat: Notwendige Durchschlagsfestigkeit der Stator-Isolation?

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McAthlon
Neuling

#1 erstellt: 31. Mrz 2011, 08:09

Hallo,
ich stehe kurz vor Baubeginn meines ersten ESLs. 4 Stück Ringkerntrafos 230V/3V (BSAB) sind schon bestellt, die Hochstrom-Kaskaden (Tubeland) als Bausatz liegen vor, ebenso Mylarfolie, Elvamid, TESAfix 4970 und ABS-Platten 3mm (als Abstandshalter bzw. "Spacer"). Die Bestellung für Kupferband und Vorwiderstände (induktionsfrei á 10 W, THEL) steht noch an.
Kopfzerbrechen bereitet mir aber Auswahl und Bezugsquelle geeigneter Hochvoltwiderstände für die Tiefpass-Segmentierung und eben die Bestimmung eines geeigneten Drahts (mit bedarfsgerechter Isolationsstärke) für die Drahtstatoren.

Für die Bestimmung der Durchschlagfestigkeit der Drahtisolierung bin ich von folgenden Annahmen ausgegangen:

- an der Membran liegt ein max. Bias von +5 kV an.

- die max. Ausgangsspannung des Verstärkers liegt bei +-30V.

- pro ESL werden 2 RKT eingangsseitig parallel und ausgangsseitig seriell verschaltet, so dass insgesamt ein effektives Übertragungsverhältnis von 1:136 zur Verfügung steht (Wirkungsgrad Trafo ca. 0,89):
ergibt pro Stator ein maximale Spannung von 68 x 30V = 2,04 kV, da der ESL jedoch wie ein Kondensator wirkt, muss das "Gleichstromäquivalent" mit Upeak = U * Wurzel(2) berechnet werden, was dann letztendlich runde 2,9 kV für die maximale Spannung an einem Stator ergibt.

- bei größter Membranauslenkung, also dann wenn die (positiv geladene) Membran dem (negativ geladenen) Stator am Nächsten kommt, liegt demnach eine Spannungsdifferenz von +5 kV -(-2,9 kV) = 7,9 kV an.

Falls bis hierhin meine Betrachtung richtig war, müsste die DFS der Isolierung an 8 kV heranreichen. Das verwundert mich jedoch, da verschiedene DIYer ja zum Teil nur mit PU sprühlackierten Lochblechen oder PVC-isoliertem Schaltdraht als Statoren arbeiten.

Nun habe ich in einem Forum folgende Ansicht aufgeschnappt:

"Wenn die Ladung konstant ist, und man verändert d, dann verändert man damit auch C und somit die Spannung."

Wenn man z.B auf beiden Seiten einen Abstand von 2mm hat und die Folie sich 1mm in eine Richtung bewegt, dann hat sich in diese Richtung die Kapazität verdoppelt und damit die Spannung halbiert. Auf der anderen Seite ist der Abstand aber von 2 auf 3mm gestiegen, die Kapazität darum auf 2/3 gesunken und die Spannung auf das 1,5 fache gestiegen.

Diese Herleitung dürfte auf diesem Formelzusammenhang für einen Kondensator basieren: U = Q/C = E*d = (Q*d)/(ε0*εr*A)
Bei konstanter Ladung und konstanter Fläche hängt also die Spannung U zwischen den "Platten" Stator und Membran linear vom Abstand d zwischen den Platten ab.

Das würde nun bedeuten, dass bei einem d/s von 3,5 mm (Abstand zwischen Membran und leitendem Material des Stators) kurz vor Anschlagen der Membran an die Isolierschicht (also bei ca. 3 mm Auslenkung) von der Bias-Spannung von 5 kV nur noch 14,3 % entsprechend 0,71 kV "übrig" bleiben.
Die DSF der Isolierschicht des Stators müsste also nur auf 2,9 kV + 0,71 kV = 3,61 kV ausgelegt sein.

Ist diese Annahme und Rechnung richtig? Oder sind doch 8 kV zur Auslegung anzunehmen? Mein elektrotechnisches Verständnis ist leider nicht besonders ausgeprägt, deshalb hoffe ich auf die Kommentare der Spezialisten

hier.
Vielen Dank schon mal…

Gruß,
McAthlon

richi44
Hat sich gelöscht

#2 erstellt: 21. Apr 2011, 06:39

Ich möchte Dir nicht eine verbindliche Antwort geben, sondern einfach meine Überlegungen dazu los werden:
Wenn Du einen Kondensator mit verschiebbaren Platten hast und eine Ladung zwischen den Platten, so ändert sich tatsächlich die Spannung, der Kapazität entsprechend. Dies allerdings sehr hochohmig.

Wenn Du z.B. einen Folien-Kondensator hast, so ändert sich der Plattenabstand nicht, auch wenn Du eine Spannungsänderung vornimmst. Dies ganz einfach, weil der ganze Kondensator ja vergossen ist und sich die Platten nicht bewegen können.

Hast Du nun den Lautsprecher, so übt die Spannung eine Kraft auf die Membran aus. Wäre die Membran nicht irgendwie eingespannt (Federwirkung) und würde sie nicht durch die Umgebungsluft "behindert", könnte man davon ausgehen, dass sich der Abstand entsprechend ändert, damit die Kapazität und damit die Spannungsdifferenz. Die Auslenkung könnte also bis zu dem Punkt führen, an welchem die Sache im "Gleichgewicht" ist.

Nun ist da aber eine mechanische Federsteife vorhanden und zusätzlich die Masse der Membran und der zu bewegenden Luft. Damit ist davon auszugehen, dass sich die Membran zwar bewegt, aber nicht in dem Masse, wie es Deine Rechnung ergeben würde. Wenn nämlich die Bewegung die "Spannung" ausgleichen würde, wäre keine Abweichung und damit keine Kraft mehr vorhanden. In der Praxis (so stelle ich mir vor) wird die Auslenkung geringer sein, damit die Reststpannung höher, aber der Abstand wird auch weniger stark verringert. Die "Wahrheit" liegt damit irgendwo dazwischen, nur wo, kann ich Dir auch nicht sagen.