HV-Netzteile

Für etliche meiner Experimente benötigt man eine Hochspannungsquelle. Diese lässt sich aber relativ einfach selbst bauen. Herzstück meiner HV-Netzteile sind CCFL-Inverter, Zeilentrafos oder Zündspulen. Hier nun eine Auflistung meiner Netzteile inklusive Schaltpläne.


HV-Netzteile mit CCFL-Inverter:

CCFL-Inverter (CCFL steht für cold cathode fluorescent lamp) wandeln wie es ihr Name schon verrät eine niedrige Gleichspannung (z.B. 12VDC) in eine hohe Welchselspannung (z.B. 1200 VAC) um. Sie werden häufig als Hintergrundbeleuchtung für TFT-Flachbildschirme verwendet. Man kann sie günstig auf diversen Verkaufsportalen oder in Elektronikläden erwerben.

Benötigt man eine relativ niedrige Wechselspannung < 1.5 kV, so versorgt man den CCFL-Inverter lediglich mit einer variablen Gleichspannung im Bereich ≤ 12V. Dazu eignet sich etwa der Linearregler LM317 sehr gut. Um die Spannung an dessen Ausgang zu verändern, benötigt man lediglich ein Potentiometer und einen Festwiderstand (im Bereich um die 500 Ohm). Die beiden HV-Kondensatoren und Buchsen am Ausgang des CCFL-Inverters werden einfach entlötet.

Möchte man hingegen eine Gleichspannung haben, so gibt es mehrere Möglichkeiten diese zu erzielen. Die einfachste ist die Verwendung eines Vollwellengleichrichters bestehend aus 4 HV-Dioden in Kombination mit HV-Kondensatoren zur Glättung der Ausgangsspannung. Als Dioden verwende ich häufig die Type UF4007. Diese sind für 1 A und 1000 V konzipiert. Um auf Nummer sicher zu gehen, verlöte ich meistens jeweils 3-4 Dioden in Serie. Damit steigt die Spannungsfestigkeit auf 3-4 kV, was für CCFL-Inverter mehr als ausreichend sein sollte. Ein solches Netzteil kommt etwa bei meinem Millikan-Versuch zur Bestimmung der Elementarladung e zum Einsatz.

Für eine negative Hochspannung muss man lediglich den Ausgang des CCFL-Inverters anders beschalten:

Benötigt man eine sehr stabile postive oder negative Hochspannung wie z.B. zum Betrieb eines Photomultipliers, so empfiehlt es sich ein stabilisiertes Netzteil zu verwenden. Auch dieses lässt sich mit einem CCFL-Inverter umsetzen.

Reicht die Ausgangsspannung von ca. maximal 1.5 kV nicht aus, so braucht man lediglich eine sog. Kaskade an den Ausgang schalten. Diese besteht lediglich aus HV-Kondensatoren und HV-Dioden. Die HV-Kondensatoren (z.B. 10 nF/3 kV) bekommt man sehr günstig auf aliexpress oder ebay. Die HV-Dioden löte ich mir immer aus jeweils 3-4 Dioden in Serie vom Typ UF4007 zusammen. Damit lassen sich je nach Anzahl der Kaskadenstufen Spannungen bis zu 20 kV ohne Probleme erzielen. Man muss aber beachten, dass die Kaskade eine Wechselspannung in eine Gleichspannung umwandelt! Zum Einsatz kommt die Kombination CCFL-Inverter + Kaskade etwa bei meinen Nebelkammern, meiner Funkenkammer, dem Flammenwerfer und dem Funken-getriggerten Starkstromschalter.


Mikrowellentrafo:

Dieses Netzteil besteht lediglich aus einem Mikrowellentrafo, welcher eventuell an einem sog. Variac betrieben wird. Ein Variac liefert bei einer Eingangsspannung von 230 VAC eine variable Ausgangsspannung von 0-250 VAC. Die Ausgangsspannung des Mikrowellentrafos beträgt rund 2100 V. Dies in Kombination mit möglichen Ausgangsströmen um die 1 A macht ihn zu einem sehr gefährlichen bzw. sogar potentiell tötlichen Gerät. Ich habe sehr großen Respekt vor Mikrowellentrafos (sog. MOTs für microwave oven transformer) und verwende sie daher eigentlich nicht bei meinen Aufbauten/Experimenten.


Netzteil mit Zeilentrafo:

Zeilentrafos wurden in alten Röhrenfernsehern zur Erzeugung der notwendigen Hochspannung verbaut. Es gibt sie in zwei unterschiedlichen Formen: Erstens jene, welche eine Wechselspannung am Ausgang liefern und zweitens die sog. Diodensplittrafos (kurz DST) mit einer Gleichspannung am Ausgang.

Hier alte Zeilentrafos mit AC-Ausgang:

Und hier “neuere” Diodensplittrafos mit DC-Ausgang:

Eine sehr beliebte Schaltung in Kombination mit Zeilentrafos ist die sog. ZVS-Schaltung (engl. zero-voltage-switching). Diese ist im Grunde ein Royer-Converter. Er besteht auch aus nur wenigen Bauteilen, etwa 2 Leistungsmosfets z.B. vom Typ IRFP250.

Die ZVS-Schaltung, welche auch unter dem Namen Mazzilli bekannt ist, hat aber trotz ihrer Einfachheit so ihre Tücken. So muss die Versorgungsspannung möglichst abrupt anliegen und nicht etwa langsam hochgefahren werden. Denn dann besteht die Gefahr, dass die Schaltung nicht anschwingt und dadurch die Mosfets zerstört werden.

Hier eine Messreihe mit dieser Schaltung für verschiedene Eingangsspannungen:

Eine weitere beliebte Ansteuerung von Zeilentrafos ist die sog. “Zerhackerschaltung”. Dabei wird der Strom durch die Primärspule des Zeilentrafos periodisch mit Frequenzen um die 20-40 kHz ein- und ausgeschaltet. Als Timer kommt in der Regel der Veteran unter den ICs, der NE555 zum Einsatz. Hier ein Aufbau mit einem Diodensplittrafo, da ich zur Speisung meines Marxgenerators eine Gleichspannung benötigt habe:


Netzteil mit Zündspule:

Zündspulen werden in Autos zur Erzeugung der Hochspannung für die Zündkerzen verbaut. Sie sind wie ein gewöhnlicher Transformator verbaut, wobei eine Seite der Sekundärwicklung mit einer Seite der Primärwicklung verbunden ist. Daher besitzen Zündspulen 2 Eingänge und nur einen HV-Ausgang.

Hier eine einfache Schaltung zur Ansteuerung der Zündspule:


Neontrafo:

Neontrafos (engl. NST für  neon sign transformer) dien(t)en zur Versorgung von Neonreklame mit Hochspannung. Sie liefern so um die 4-8 kV bei Strömen bis zu 100 mA. Dies macht sie ähnlich wie die Mikrowellentrafos zu sehr gefährlichen Transformatoren!

Zum Einsatz kommen Neontrafos bei Bastlern vorwiegend bei Teslatrafos, konkret bei sog. SGTC (engl. für spark gap tesla coil). Gute NST etwa von der Firma Klinger bekommt man ab und zu auf ebay. Die Preise dafür sind aber in den letzten Jahren nach oben gegangen. Vielleicht gibt es aber in deiner Stadt noch einen Elektrofachmann, welcher mit Neonreklame zu tun hat. Bei einem solchen habe ich zum Beispiel meinen Neontrafo gratis bekommen. Natürlich muss man auch die jeweilige Fachkenntnis ausstrahlen.