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 muss man den CCFL-Inverter mit einer sog. Kaskade am Ausgang erweitern. Diese besteht 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 ohne Probleme Spannungen bis zu 20 kV 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. Um die Dioden der Kaskade vor zu hohen Strömen zu schützen ist es ratsam, am Hochspannungsausgang immer einen strombegrenzenden HV-Widerstand zu verwenden. Dieser kann notfalls auch aus mehreren (!) gewöhnlichen 1/4W-Widerständen in Serie bestehen.


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.


Billige China-Module:

Auf ebay oder aliexpress bekommt man schon für wenige Euro verschiedenste Hochspannungsquellen. Diese werden oft mit Ausgangsspannungen im Bereich von 1 000 000 V angepriesen. Dies ist natürlich kompletter Blödsinn. Aber die Leistung gerade der vergossenen Kaskadenmodule ist durchaus respekteinflößend. Absichtlich möchte ich hier nicht Bekanntschaft mit der Hochspannungsseite machen. Ein solches Modul betreibe ich zum Beispiel mit einer einzelnen 18650-Liion-Zelle.

Auf den einschlägigen Plattformen werden aber auch noch kleine AC-HV-Module angeboten. Davon habe ich mir auch zwei unterschiedliche Exemplare bestellt. Verwenden kann man sie zum Beispiel zum Betrieb von Spektralröhren.

Beim erstgenannten Exemplar soll die Eingangsspannung ca. 5V nicht überschreiten! Der Schaltplan ist sehr simpel und besteht nur aus Trafo, Widerstand, Diode und einem Transistor. Zuviel sollte man diesem Winzling aber nicht zutrauen. Die Sekundärwicklung ist zum Beispiel nicht vergossen und bei kam es nach relativ kurzer Zeit zu Überschlägen zwischen den Wicklungskammern.

Hier betreibe ich meine Wasserstoff-Entladungsröhre mit diesem Modul:

Das zweite Modul sieht um einiges komplexer bzw. leistungsstärker aus, kostet aber auch gut das 7-fache. Laut Hersteller kann es mit einer Gleichspannung zwischen 7 und 28 V betrieben werden. Ich würde aber nur bis maximal 18V gehen. Die Sekundärwicklung ist aber schön vergossen. Von daher traue ich dieser Variante eine etwas längere Lebenszeit zu.

Hier einmal ein erster Test bei einer Eingangsspannung von nur ca. 8V. Man sieht aber, dass der Lichtbogen auch einiges an UV-Licht emittiert, da das darunter befindliche Blatt Papier fluoresziert.

Hier nun die Messreihe für das zweite China-Modul. Die Ausgangsspannungen bzw. der Spannungsverlauf variieren bei gleichbleibender Eingangsspannung sehr stark. Für einen kurzen Moment erhält man einen sinusförmigen Verlauf mit sehr hoher Amplitude, dann wieder eher ein Rechtecksignal mit niedriger Amplitude. Von daher lässt sich keine eindeutige Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Eingangsspannung angeben. Letztere lag bei der Messreihe zwischen 6V und 18V. Bei 18V wurden die Transistoren und der Spannungsregler schon ziemlich warm. Deshalb werde ich dem Modul Kühlkörper verpassen. Die Ausgangsspannung wurde mittels 1:1000 Spannungsteiler (320 MΩ/320 kΩ) am Oszilloskop aufgezeichnet!

Hier nun zwei unterschiedliche Spannungsverläufe am Ausgang bei gleicher Eingangsspannung:

Hier noch der aktuelle Messaufbau für Eingangsspannungen von 5 V bis 25 V. Mehr wollte ich dem Modul dann nicht abverlangen.

Fazit: Kontrollierte, stabile Ausgangsspannungen lassen sich mit dem China-Modul nicht erzielen. Bei einer Eingangsspannung von 18V lag die Ausgangsspannung U_peak-peak teilweise bei über 25 kV (siehe Bild oben). Die Funkenlänge bei einer Eingangsspannung von 25 V betrug immerhin 16 mm. Wenn der Lichtbogen einmal brennt, konnte man die Funkenlänge aber noch weiter steigern. Die angegebenen Werte waren jene Distanzen, bei denen der Funke bei Annäherung der Elektroden erstmalig überschlug.

Insgesamt macht aber das Modul keinen schlechten Eindruck und ich traue diesem auch tatsächlich einen längeren Betrieb zu, ohne dass es Schaden dabei nimmt. Bei Eingangsspannungen > 20 V werden die Komponenten (Transistoren, Spule) zwar schon wärmer, aber alles noch im grünen Bereich…

Ich habe mir nun mit dem obigen HV-Modul ein Netzteil gebaut. Den 5A step down converter speist nun mein altes Laptopnetzteil, welches 24V/2A liefert. Das passt ideal zum HV-Modul. Gekühlt wird dieses über einen 24V-Lüfter, den ich auch an den Ausgang des Buckconverters geschlossen habe und somit nur bei höheren Spannungen/Leistungen in Fahrt kommt.

Verwenden möchte ich dieses Netzteil für meine Spektralröhren, wobei ich dann natürlich einen Vorwiderstand (ca. 1 MΩ) verwenden werde. Gekostet hat es mich nur rund 30 Euro. Das sehr günstige Plastikgehäuse misst 205 x 180 x 70 mm und passt ideal für dieses Projekt.