Bauteile für Hochspannungs-Applikationen Richtig dimensionieren

Bild 1. Viele wissenschaftliche Experimente brauchen Spannungen von vielen tausend Volt bei geringen Strömen, um Teilchen zu stimulieren oder ihre Bewegung zu steuern und zu beschleunigen.
Bild 1. Viele wissenschaftliche Experimente brauchen Spannungen von vielen tausend Volt bei geringen Strömen, um Teilchen zu stimulieren oder ihre Bewegung zu steuern und zu beschleunigen.

Hochspannungs-Applikationen sind für Schaltungsentwickler eine echte Herausforderung, da sie dabei nicht nur die einschlägigen Normen einhalten müssen, sondern bei der Auswahl geeigneter Bauteile genau auf deren Spezifikationen zu achten haben. Ein einziger Fehler kann hier tödlich enden.

Für einen Entwicklungsingenieur, der seine Arbeitszeit mit einstelligen Spannungen verbringt, sind 24 oder 48 V Gleichspannung schon Hochspannung – erst recht die Netzspannung von 120 oder 240 V Wechselspannung. Und darüber hinaus gibt es einen großen und wichtigen Sektor an Entwicklungen für 1000 V, 1500 V oder sogar noch höhere Spannungen.

Wenn man Produkte für solche Spannungsbereiche entwickelt, muss man an viele Fragen völlig anders herangehen – bei der Bauteilauswahl und den Verbindungen beispielsweise. Oft muss man sich mit Fragen beschäftigen, die es bei Kleinspannungen schlichtweg nicht gibt. Solche Fragen beziehen sich auf passive Bauteile, Verbindungselemente, Drahtverbindungen, MOSFETs/IGBTs, Leiterplattenlayout und natürlich auf die einschlägigen Sicherheitsbestimmungen und Vorschriften. Kleine Flüchtigkeitsfehler können zu erheblichen Geräteschäden führen oder gar Menschenleben kosten.

Man darf nie vergessen:
- Regel 1 lautet: Innehalten und nachdenken, bevor man als Ingenieur irgendetwas tut.
- Regel 2 lautet: Zurück zu Regel 1, gegebenenfalls mehrfach.

Wozu braucht man Hochspannung?

Wenn Hochspannung so gefährlich ist, warum verwendet man sie überhaupt? Ganz einfach: Weil man als Ingenieur keine andere Wahl hat oder weil Hochspannung für den gedachten Einsatz schlichtweg günstig und somit eine gute Idee ist. Es gibt – grob gesehen – zwei Gruppen von Anwendungen:

Zur Kategorie „Ingenieur hat keine andere Wahl“ gehören wissenschaftliche, medizinische und physikalische Geräte (Bild 1), die funktionsbedingt Hochspannung brauchen – etwa Röntgengeräte oder Apparaturen, die starke Felder erzeugen, Atome ionisieren und Teilchen beschleunigen. Das gilt auch für Radioröhren, die immer noch in leistungsfähigen Sendeanlagen verbaut werden oder auch in Mikrowellensendern mittlerer Leistung und in Millimeterwellensendern. Eine häufige Anwendung sind Leuchtreklamen: Um die Edelgase im Inneren von Neonröhren zu ionisieren, sind einige 1000 V nötig. All diese Anwendungen brauchen Spannungen von einigen Kilovolt, dafür aber nur mäßige Ströme von etwa 100 mA.

Bei der Kategorie, für die Hochspannung „eine gute Idee ist“, geht es um hohe Leistungen und Wirkungsgrad. Muss zum Beispiel ein Motor hohe Leistung liefern, so muss auch dessen Energiequelle viele Watt bereitstellen. Watt aber ist nun einmal das Produkt aus Spannung und Strom. Ist die Spannung klein, muss für das gleiche Produkt der Strom entsprechend höher sein. Damit aber steigt auch der Spannnungsabfall in Leitern, Verbindern, Schaltern und aktiven Bauteilen, denn dieser errechnet sich aus I × R, also Strom mal Widerstand. Die entstehende Wärme hingegen ist I² × R.

Eine einfache Methode, diese Verluste klein zu halten, ist die Erhöhung der Spannung. Dadurch sinkt der Strom entsprechend, damit auch der Spannungsabfall und die unerwünschte Wärmeentwicklung. Aus genau diesem Grund arbeiten Elektrolokomotiven mit 15 kV (in Deutschland) und Überlandleitungen teilweise mit mehreren hundert Kilovolt (in Deutschland). Anders als die oben beschriebenen wissenschaftlichen oder medizinischen Geräte benötigen diese Leistungsanwendungen zusätzlich zur hohen Spannung auch hohe Ströme, das können zig oder gar mehrere hundert Ampere sein.