Kaskaden

Eine einfache Art Hochspannung zu erzeugen ist der Bau einer sog. Hochspannungskaskade, welche auch als Cockcroft-Walton-Kaskade bezeichnet wird. Es werden für sie nur folgende Dinge benötigt:

  • eine AC-Hochspannungsquelle
  • HV-Dioden
  • HV-Kondensatoren

Besteht die Cockcroft-Walton-Kaskade aus n Stufen (zu je 2 Dioden und 2 Kondensatoren), so erhöht sich die Eingangsspannung um den Faktor 2 · n. Wenn man den Effektivwert als Eingangsspannung heranzieht, sogar um den Faktor √2 · 2 · n.

Variante 1: Kleine Kaskaden

Bei meinen kleinen Kaskaden, wie sie etwa bei meinen Nebelkammern oder der Funkenkammer (siehe Abbildung unten) zum Einsatz kommen, greife ich auf 10nF/3kV Kondensatoren und jeweils 3–4 in Serie verlöteten UF4007 Dioden zurück. Beides bekommt man für kleines Geld auf ebay oder aliexpress.

Die notwendige AC-Hochspannung im Bereich um die 1-2 kV stellt ein CCFL-Inverter zur Verfügung. Möchte ich die Hochspannung auch noch variieren, so speise ich den CCFL-Inverter mit einer mittels LM317 variablen Eingangsspannung von 1-12 V.


Variante 2: mittelgroße Kaskade

Bei meinen größeren Kaskaden verwende ich für die AC-Hochspannung zur Speisung der Kaskade die bekannte ZVS Mazzilli-Schaltung (ein sog. Royer-Wandler/engl. royer-converter) in Kombination mit einem alten AC-Zeilentrafo.

Diese Kombination liefert etwa bei einer Eingangsspannung von 24V bei Verwendung von 4×4 Windungen auf der Primärseite des Zeilentrafos eine Ausgangsspannung von rund 27 kV peak to peak.

Bei der mittelgroßen Kaskade mit insgesamt 11 Stufen verwende ich 20 mA/20 kV HV-Dioden und 680 pF/20 kV HV-Kondensatoren.

Den Royer-Converter speise ich mit einem 0-24V/480W Schaltnetzteil, welches man sehr günstig etwa auf ebay erhält. In meinem Fall lag die maximale Ausgangsspannung sogar bei fast 28V.

Wichtiger Hinweis: Die Mazzilli-Schaltung schwingt nicht an, wenn man die Eingangsspannung langsam erhöht. Viel besser ist es, diese abrupt anzulegen. Deshalb empfehle ich für den Betrieb der Mazzilli-Schaltung ein ferngesteuertes Relais. Meines habe ich auf Amazon bestellt. Es handelt sich dabei um die 230V Variante. Dieses kann ich dann parallel zum Schaltnetzteil bequem ans Hausnetz anschließen.

Das ferngesteuerte Relais kommt zwischen 0-28V Ausgang des Schaltnetzteils und positiven Eingang der Mazzilli-Schaltung!

Die gesamte Kaskade befindet sich aus Isolationsgründen in einem Ölbad. Verwendet habe ich gewöhnliches Motoröl.

Damit ich die Spannungsfestigkeit der HV-Kondensatoren und HV-Dioden mit jeweils 20 kV nicht überschreite, wähle ich als Eingangsspannung des Royer-Converters lediglich 12V. Damit lassen sich dann Funkenlängen von bis zu 9 cm erzielen. Am Ausgang der Kaskade habe ich noch zur Strombegrenzung und damit zum Schutz der Dioden einen 2 MOhm/10W HV-Widerstand verbaut. Nicht vergessen, den Fußpunkt der Kaskade zu erden!


Variante 3: große Kaskade

Bei meiner größten Kaskade verwende ich so wie schon bei der mittelgroßen Variante für die HV-Versorgung die Mazzilli-Schaltung, gespeist vom 0-24V/480W Schaltnetzteil.

Als HV-Kondensatoren kommen nun aber 1 nF/30 kV Typen zum Einsatz und bei den HV-Dioden greife ich auch zum stärkeren Modell 2CL2FM (20 kV/100 mA), wobei hier immer jeweils 2 Stück seriell verlötet wurden. Damit haben die Dioden eine Spannungsfestigkeit von 40 kV, was bei meinem Setup ohne Probleme ausreichen müsste.

Insgesamt sind es 12 Stufen geworden. Diese finden wieder Platz in einem Plastikbehälter, der zur besseren Isolation mit Sonnenblumenöl geflutet wird.

Wichtige Hinweise:

Zum Schutz der Dioden befindet sich dieses Mal im Minuspol der Kaskade ein Widerstand. Dieser besteht aus 10 Stück 20 kOhm-Lastwiderständen in Serie (Gesamtwiderstand also 200 kOhm).

Der Fußpunkt der Kaskade muss wieder unbedingt geerdet werden! Die Erdung kommt also noch vor dem HV-Widerstand R an den “unteren” Eingang der Kaskade (siehe Schaltplan unten).

Die maximal erzielte Funkenlänge betrug 27 cm. Damit schätze ich die Ausgangsspannung meiner großen Kaskade auf rund 200 kV.