Gleichrichtung, Glättung oder Vervielfachung
Da für Lifter-Projekte eine Hochvolt-Gleichspannung benötigt wird, muss diese nach dem Transformator gleichgerichtet- und geglättet werden. Eine Vervielfacherschaltung erreicht sogar beides, wobei die Ausgangsspannung auch noch vergrößert wird. Nachfolgend sind die verschiedenen Konzepte der Gleichrichtung, Glättung oder Vervielfachung erläutert.
Inhaltsverzeichnis
Gleichrichtung der Hochspannung
Um eine Hochvolt-Gleichspannung zu erzeugen, muss die Ausgangsspannung der Transformatoren zusätzlich gleichgerichtet werden, sofern die Gleichrichtung nicht bereits in die Transformatoren eingebaut ist. Die Gleichrichtung findet stets zwischen Transformator und Glättung statt.
Einweggleichrichter
Der Einweggleichrichter ist die einfachste Form, um eine Spannung gleichzurichten. Dazu wird eine Diode zwischen dem Transformator und der Glättung geschaltet, wie Bild 1 veranschaulicht.
Bild 1 Verschaltung Einweggleichrichter
Dabei leitet die Diode nur, wenn das Potenzial an der Anode größer ist, als an der Kathode. Wenn ein Glättungsnetzwerk angeschlossen verwendet wird, ist das der Fall, wenn die Ausgangsspannung des Transformators höher ist, als die Spannung über dem Glättungsnetzwerk. Dieses wird dann über die Diode nachgeladen.
Für die Einweggleichrichtung sind alle Transformatoren prinzipiell geeignet, außer wenn diese über eine Sperrwandler-Ansteuerschaltung betrieben werden. Es wird allerdings stets nur eine Halbwelle der Ausgangsspannung des Transformators für die Gleichrichtung verwendet. Die Welligkeit ist, verglichen mit einem Brückengleichrichter, hoch. Ob eine Einweggleichrichtung oder ein Brückengleichrichter verwendet wird, hängt von der Strombelastbarkeit des Transformators ab und von dem Aufwand, den man betreiben möchte. Die Strombelastung des Transformators ist bei einer Einweggleichrichtung kleiner. Dennoch sollte nach Möglichkeit eine Zweiweggleichrichtung verwendet werden, da diese für weniger Verluste im Transformator sorgt. Dies gilt besonders für Transformatoren mit Eisenkernen, weniger für Transformatoren mit Ferritkern.
Wird ein Zeilentransformator verwendet, der mit einer Sperrwandler-Ansteuerschaltung betrieben wird, so verwendet man stets eine Einweggleichrichtung, da bei dem Prinzip eines Sperrwandlers die Energieübertragung nur während einer Teilphase stattfinden darf. Die Einweggleichrichtung ist bei Dioden-Splitt-Transformatoren bereits eingebaut, bei AC-Zeilentransformatoren hingegen muss die Gleichrichterdiode extern angeschlossen werden.
Brücken- oder Zweiweggleichrichter
Der Brückengleichrichter ist die Form der Gleichrichtung, die am häufigsten Verwendung findet. Dabei werden vier Dioden verwendet. Durch ihre Anordnung wird bei der Gleichrichtung sowohl die positive Ausgangsspannung des Transformators, als auch die negative Ausgangsspannung verwendet.
Die Verschaltung des Brückengleichrichters ist in Bild 2 dargestellt.
Bild 2 Verschaltung Brückengleichrichter
Diese Form der Gleichrichtung eignet sich für alle Transformatoren, außer wenn diese über eine Sperrwandler-Ansteuerschaltung betrieben werden. Geeignet sind also im Detail Netztransformatoren, Hochfrequenz-Röntgentransformatoren und AC-Zeilentransformatoren. Der Vorteil dabei ist die geringere Welligkeit der Ausgangsspannung, da das Glättungsnetzwerk im Vergleich zur Einweggleichrichtung doppelt so oft nachgeladen wird.
Ob eine Einweggleichrichtung oder ein Brückengleichrichter verwendet wird, hängt von der Strombelastbarkeit des Transformators ab und von dem Aufwand, den man betreiben möchte. Die Strombelastung des Transformators ist bei einer Brückengleichrichtung höher. Die Einweggleichrichtung hingegen hat, wie erwähnt, höhere Verluste im Transformator zur Folge.
Bei der positiven Halbwelle der Ausgangsspannung des Transformators leitet die rechte obere Diode D1 und die linke untere Diode D4, da die jeweiligen Potenziale an den Anoden größer sind, als Potenziale an den Kathoden. Im Falle der negativen Halbwelle leiten die Dioden D3, rechts unten und D2, links oben, aus dem gleichen Grund. Somit wird das Glättungsnetzwerk beim Nachladen mit einem Stromfluss versorgt, der für eine positive Spannung über dem Glättungsnetzwerk sorgt.
Beschaffung der Hochspannungs-Dioden
Die Dioden müssen so dimensioniert werden, dass ihre Sperrspannung mindestens der vollen Amplitude der Hochspannung entspricht. Reicht die Sperrspannung der beschafften Hochspannungs-Dioden nicht aus, so lassen sich mehrere gleiche Hochspannungs-Dioden in einem Zweig in Reihe schalten. Man sollte dennoch Reserven in der Sperrspannung einplanen, mindestens 1,5 ∙ die maximal auftretende Spannung.
Solche Hochspannungs-Dioden sind z.B. bei ebay.de zu erstehen. Auch bei dem Elektronikanbieter farnell.com lassen sich die gewünschten Dioden beschaffen, z.B. NTE517 (550 mA, 15 kV). Die Preise bewegen sich bei 1-10 € / Stück, je nach Sperrspannung. Außerdem lassen sich solche Hochspannungs-Dioden nach [35b] aus Mikrowellen ausbauen.
Andernfalls sind solche Dioden in Hochspannungskaskaden (siehe unten) und Dioden-Splitt-Transformatoren verbaut, sodass sie sich aus alten Fernsehern ausbauen lassen. Dabei gilt, dass Farbfernseher mit großer Bilddiagonale Hochspannungs-Dioden mit höherer Sperrspannung enthalten. Ein Besuch auf dem Schrottplatz kann also erfolgreich sein.
Glättung der Hochspannung
Es empfiehlt sich generell für Lifter-Projekte die Ausgangsspannung des Hochspannungs-Transformators nach dem Gleichrichten noch zu Glätten, da dies zu einem stabileren Flugverhalten führt.
Da die bei der Glättung verwendeten Bauelemente der vollen Hochspannung ausgesetzt sind, ist es häufig erforderlich, die entsprechenden Bauteile in Reihe zu schalten, um ihre Spannungsbelastung zu reduzieren.
Zur Glättung kann das unter [34b] beschriebene Glättungsnetzwerk verwendet werden, welche in dem nachfolgenden Bild dargestellt ist. Es enthält ebenfalls ein 100 kΩ Widerstand, welcher für eine Spannungsmessung in dem unter Ansteuerschaltungen beschriebenen geregelten Sperrwandler verwendet wird. Die drei 330 MΩ Widerstände bilden mit dem 100 kΩ Widerstand einen Spannungsteiler 100 kΩ / 300 MΩ. Es entsprechen also 4,04 V einer Hochspannung von 40 kV an den Hochspannungs-Ausgängen.
Bild 3 Glättungsnetzwerk aus [34b]
Aus den unter Allgemeine Praxishinweise beschriebenen Gründen muss die Schaltung auf eine Platine gebracht werden. Die erstelle Platine aus [34b] ist in folgendem Bild dargestellt.
Bild 4 Gelayoutete Platine mit Glättungsnetzwerk aus [34b]
Eignung
Eine Glättung der gleichgerichteten Hochspannung empfiehlt sich in jedem Fall, außer wenn eine Hochspannungs-Kaskade verwendet wird, wie sie unter Vervielfachung der Hochspannung beschrieben ist, da diese selbstständig für die Glättung der Spannung sorgt.
Beschaffung
In diesem Beispiel müssen die Widerstände und Kondensatoren nur auf 1/3 der angelegten Hochspannung (hier bis zu 40 kV) ausgelegt werden, da jeweils drei in Reihe geschaltet werden. Die Kondensatoren und Widerstände lassen sich z.B. bei ebay.de beschaffen.
Schaltet allerdings Kondensatoren in Reihe, so verkleinert sich die Kapazität. In diesem Fall werden drei gleiche Kondensatoren in Serie geschaltet, sodass die Kapazität auf 1/3 nF sinkt.
Auch bei dem Elektronikanbieter farnell.com lassen sich die gewünschten Kondensatoren, z.B. DHR4E4C102K2FB (1 nF, 15 kV) oder Widerstände, z.B. HB3330MFZRE (330 MΩ, 4 W, 15 kV) bestellen. Die Preise bewegen sich zwischen 2 – 10 €, jenach Anbieter, Bauteil und Auslegung.Vervielfachung der Hochspannung
Eine Spannungsvervielfachung lässt sich mit einer sogenannten Hochspannungskaskade erreichen. Diese wird auch Villard-Vervielfacherschaltung, Siemens-Schaltung oder Cockcroft-Walton-Generator genannt [39b].
Bild 5 Hochspannungskaskade mit einer Stufe aus [37b]
Eine Hochspannungskaskade hat die Eigenschaft, die eingangsseitige Wechselspannung Ue in eine doppelt so hohe Gleichspannung ausgangsseitig umzuformen, eine zusätzliche Glättung ist dabei nicht mehr nötig. Dabei lassen sich prinzipiell beliebig viele Stufen hintereinander schalten. Dabei ergibt sich die Ausgangsspannung zu
ûa = 2*n*ûe
Das heißt z.B. bei n = 3 Stufen, dass die Eingangsspannung versechsfacht wird. Allerdings nimmt auch der entnehmbare Ausgangsstrom, ohne dass die Ausgangsspannung zu stark abfällt, pro Stufe ab [37b].
Ia = Ie/n
Bild 6 Hochspannungskaskade mit drei Stufen aus [37b]
Die Schaltung selbst besteht stets aus einer sog. Schubsäule, gebildet durch C1, C3, C5 und einer Glättungssäule, gebildet durch C2, C4, C6. Zwischen den Säulen befinden sich Dioden.
Funktionsweise
Im Folgenden wird die zweite Schaltung mit drei Stufen erläutert. Für die Betrachtung wird angenommen, dass die Eingangsspannung eine Amplitude von ûe = 100 V aufweist und die untere Klemme geerdet ist, also ein Potenzial von 0 V führt.
Während der ersten, negativen Halbwelle von der Eingangsspannung ue(t) lädt sich der Kondensator C1 positiv auf die Amplitude der Eingangsspannung von 100 V auf.
Wird die Spannung ue(t) wieder positiv in der zweiten Halbwelle, kann sich der Kondensator C1 nicht entladen, da die Diode D1 sperrt. So addieren sich die Eingangsspannung und die Spannung über dem Kondensator. Der Kondensator C2 wird nun über die Diode D2 mit 200 V (während der Amplitude von ue(t) )geladen.
Die dritte, jetzt wieder negative Halbwelle, lädt erneut den Kondensator C1 auf 100 V auf. Außerdem wird auch die Diode D3 leitend, da das Potenzial an ihrer Anode 200 V beträgt, C3 aber noch nicht geladen ist. Über diese Diode wird C3 ebenfalls auf 200 V aufgeladen.
Die vierte, positive, Halbwelle führt dazu, dass sich die Eingangsspannung, die Spannung über C1 und die Spannung über C3 zu insgesamt 400 V addieren, welche über die Diode D4 den Kondensator C4 laden.
Zwei Stufen führen also bereits zu einer Vervierfachung der Spannung. Eine sehr anschauliche Illustration der Vorgänge ist unter [39b] zu sehen.
In der Praxis brauchen die Ladevorgänge wesentlich mehr Zyklen, da die Kondensatoren durch z.B. ihre Innenwiderstände nicht vollständig in einem Zyklus geladen werden.
Um die Nachladung der Kondensatoren unter Belastung zu unterstützen, lässt sich die Frequenz der speisenden Spannung erhöhen. Damit sinkt die Welligkeit der Ausgangsspannung und der entnehmbare Strom, ohne dass die Spannung zu stark abfällt, steigt an.
Es ist auch möglich, dass eine Hochspannungskaskade eine Zweiweggleichrichtung realisiert, wie Bild 7 zeigt. Eine solche Kaskade besteht aus zwei parallel geschalteten Kaskaden. Diese müssen mit zwei Hochspannungstransformatoren gespeist werden, wobei die Ausgangsspannungen um 180° Phasenverschoben sein müssen, um eine Zweiweggleichrichtung zu realisieren.
Das lässt sich z.B. erreichen, indem beide Transformatoren gleichen Wicklungssinn aufweisen und je ein Wicklungsende und ein Wicklungsanfang auf GND bezogen werden. So ist die Hochspannungskaskade auch unter [38b] ausgeführt. Der Vorteil besteht dabei darin, dass die Hochspannungskaskade mit der doppelten Frequenz nachgeladen wird, also somit die Welligkeit der Ausgangsspannung sinkt und der entnehmbare Strom steigt.
Bild 7 Hochspannungskaskade Zweiweg-Gleichrichtung aus [39b]
Eignung von Hochspannungskaskaden für die Hochspannungserzeugung
Da eine Hochspannungskaskade auf eine speisende Wechselspannung angewiesen ist, sind prinzipiell alle Netztransformatoren, Hochfrequenz-Röntgentransformatoren und AC- Zeilentransformatoren für eine Vervielfachung mit einer Hochspannungskaskade geeignet.
Dabei gilt, dass eine höhere Betriebsfrequenz für einen höheren entnehmbaren Strom sorgt und die Welligkeit der Ausgangsspannung sinkt. Deshalb sollte bei der Verwendung eines Netztransformators die Anzahl von vier Stufen nicht überschritten werden, da die Ausgangsspannung sonst bei bereits kleiner Stromentnahme oder durch Leckströme zusammenbricht.
In [38b] wird eine 160 kV-Kaskade mit vier Stufen und Zweiweggleichrichtung realisiert, bei der ein Messwandler für Mittelspannung die Einspeisung vornimmt. Diese Kaskade ist sehr leistungsstark und kann relativ hohe Ströme (2,5 mA und mehr) liefern, wobei der Spannungsverlust gering bleibt (8 kV bei 2,5 mA). Eine solche Variante ist für große Lifter-Projekte geeignet.
Bei der Verwendung von Hochfrequenz-Röntgentransformatoren oder AC-Zeilentransformatoren kann die Ausgangsspannung sehr viel öfter nachgeladen werden, weshalb mehr Stufen verwendet werden können. In [35b] wird eine 100 kV-Kaskade mit sieben Stufen und einem AC-Zeilentransformator aufgebaut.
Hochspannungs-Kaskaden mit einer hochfrequenten Einspeisung sind in der Lage, hohe Ströme zu liefern, so wie die unter [36b] beschriebene Kaskade (9 Stufen, 36 kV bei 36 mA). Dabei muss die Speisung der Kaskade allerdings einen sehr hohen Strom liefern können, also entsprechend leistungsstark sein. Die in [36b] gebaute Kaskade wird über einen Resonanzwandler (max. 1400 V, max. 900 mA) gespeist. Auch diese Variante ist für große Lifter-Projekte geeignet. AC-Zeilentransformatoren reichen durch ihre kleine Strombelastbarkeit dafür nicht aus.
Hochspannungskaskaden funktionieren auch bei einer Versorgung mit einer unsymmetrischen Rechteckspannnung [39b]. Damit lässt sich auch die Einweggleichrichtung nach einem AC-Zeilentransformator, der mit einer Zerhackerschaltung angesteuert wird, durch eine Hochspannungskaskade ersetzen. Dioden-Split-Transformatoren haben eine Einweggleichrichtung eingebaut, weshalb diese keine Hochspannungskaskaden einspeisen können. Es eignen sich ansonsten alle Arten von Hochspannungstransformatoren zur Speisung einer Kaskade.
Die Spannung ist mittels einer Kaskade fast beliebig zu erhöhen. Begrenzt wird diese nur durch die Baugröße, Spannungsverluste durch Leckströme und die zunehmende Gefahr eines unerwünschten Lichtbogens, bei dem der hohe, ggf. nur leicht begrenzte, Strom zur Zerstörung der Komponenten führen kann.
Tabelle 1 Vor- und Nachteile einer Hochspannungskaskade bei der Hochspannungserzeugung
| Vorteile einer Hochspannungskaskade | Nachteile einer Hochspannungskaskade |
| Spannungsfestigkeit der Komponenten muss nur auf 2 ∙ûe ausgelegt werden (2,5 mit Reserve) | Hohe Frequenz der Eingangsspannung notwendig für höhere Ausgangsströme |
| Prinzipiell beliebig hohe Spannungen erreichbar |
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| Einfache Struktur |
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Beschaffung
Hochspannungskaskaden wurden früher in Fernsehgeräten mit AC-Zeilentransformatoren verwendet, um deren Ausgangsspannung zu vervielfachen. Daher lassen sich diese vollständig oder auch nur die entsprechenden Komponenten aus alten Fernsehgeräten ausbauen. Ein Besuch beim Schrottplatz kann also erfolgreich sein. Auch aus Mikrowellen lassen sich entsprechende Kondensatoren und Dioden ausbauen.
Andernfalls lassen sich die nötigen Kondensatoren und Dioden bei ebay.de erstehen. Die Preise bewegen sich ca. bei 3 - 10 € / Stück, je nach Bauteil. Auch bei dem bekannten Elektronikanbieter farnell.com lassen sich die gewünschten Dioden, z.B. NTE517 (550 mA, 15 kV) oder die gewünschten Kondensatoren, z.B. DHR4E4C102K2FB (1 nF, 15 kV), beschaffen. Solche Arten von Hochspannungs-Dioden lassen sich nach [35b] aus Mikrowellen ausbauen. In [38b] werden 2CLG80KV Hochspannungs-Dioden verwendet, welche sogar 80 kV Sperrspannung aufweisen, aber eine entsprechend große Bauform haben.
Reicht die Sperrspannung der beschafften Hochspannungs-Dioden nicht aus, so lassen sich diese in Reihe schalten, wobei sich die Sperrspannungen addieren. Gleiches gilt für die Spannungsbelastbarkeit von Kondensatoren, allerdings halbiert sich, bei zwei gleichen Kondensatoren, die Kapazität, wenn diese in Reihe geschaltet werden.
Der Vorteil bei Hochspannungskaskaden besteht darin, dass alle Komponenten nur auf die doppelte Amplitudenspannung der Eingangsspannung ausgelegt werden müssen und nicht auf die volle Hochspannung nach der Vervielfachung. Das macht die Beschaffung einfacher und günstiger.
Man sollte dennoch Reserven in der Sperrspannung einplanen, mindestens 2,5 ∙ die maximale Eingangsspannung.
Allgemeine Praxishinweise für die Verarbeitung der Komponenten
Da die Komponenten sich auf der Hochspannungsseite befinden, ergeben sich besondere Umstände, welche die Verarbeitung betreffen.
Es kommt an Spitzen und Kanten zum sogenannten „Spitzeneffekt“, bei denen die elektrische Feldstärke stark zunimmt. In diesen Bereichen konzentrieren sich die Feldlinien des elektrischen Feldes und die Äquipotentiallinien liegen sehr dicht beieinander. Die hohe Feldstärke kann dazu führen, dass Elektronen von den Spitzen und Kanten absprühen und es zur sog. Koronaentladung oder sogar zu Lichtbögen kommt.
Daher ist nach [34b] darauf zu achten, dass „alle Anschlüsse umgebogen werden und die Schnittkanten an den Drahtenden ebenfalls verlötet werden, damit es zu keinen Sprühentladungen an den Spitzen kommt“.
Reichen diese Maßnahmen, lässt sich der betroffene Schaltungsteil mit Epoxidharz oder besser mit Öl oder Silikon isolieren. Bei der Verwendung von Öl können sich dabei Lufteinschlüsse bilden, an welchen durch die höhere elektrische Feldstärke Überschläge sattfinden. Der Grund hierfür liegt in der kleineren relativen Permittivität von Luft (εr,Luft ≈ 1, εr,Öl ≈ 2,3 [15b]).