In diesem Abschnitt werden zunächst die verschiedenen Arten von Hochspannungs-Transformatoren vorgestellt und auf ihre Eignung für Lifter-Projekte hin bewertet. Außerdem werden Möglichkeiten der Beschaffung solcher Transformatoren dargestellt.

Inhaltsverzeichnis

• Netztransformatoren
  
• • Neontransformatoren
    
  • Ölbrenner-Transformatoren
    
  • Mikrowellen-Transformatoren
    
  • Spannungswandler für Mittelspannung
    
  • Netzfrequenz-Röntgentransformatoren
    
• Zeilentransformatoren aus Röhrenbildschirmen 
  
• • AC-Zeilentransformatoren
    
  • Dioden-Split-Zeilentransformatoren
    
• Hochfrequenz-Röntgentransformatoren
  
• Tesla-Tranformatoren

Netztransformatoren                                                                          

Netztransformatoren können direkt an das 50 Hz-Netz angeschlossen werden. Sie haben ein kleines Übersetzungsverhältnis N₁/N₂ welches die Netzspannung U_Netz direkt auf die Hochspannung U_HV sekundärseitig transformiert. Es gilt für die Hochspannung U_HV=U_Netz*(N₂/N₁)

Das bedeutet, dass der Transformator sehr viel mehr Wicklungen auf der Sekundärseite hat, als auf der Primärseite.

Die Ausgangsspannung von Netztransformatoren lässt sich mit einer Hochspannungskaskade vervielfachen. Durch die niedrige Betriebsfrequenz von 50 Hz wäre die mögliche Stromentnahme einer solchen Hochspannungskaskade allerdings zu gering für Lifter-Projekte. Mehr dazu finden Sie unter Gleichrichtung, Glättung oder Vervielfachung.

Ist die vom Transformator gelieferte Ausgangsspannung hoch genug für Lifter-Projekte, muss diese Spannung nur noch gleichgerichtet und optional geglättet werden.

Nachfolgend werden die verschiedenen Typen von Netztransformatoren vorgestellt und bezüglich ihrer Eignung für Lifter beurteilt.

Neontransformator                                                                                         

Beschreibung

Neontransformatoren werden als Vorschaltgeräte für Neonröhren verwendet, um die hohe Zündspannung zu liefern. Die Ausgangsspannung eines solchen Transformators liegt typischerweise zwischen 2-10 kV bei Ausgangsströmen von bis zu 50 mA [3b].

Bild 1   Neontransformator aus [4b]

Neontransformatoren verfügen über eine interne Strombegrenzung. Im Fall eines Kurzschlusses bricht die Ausgangsspannung auf 0 V zusammen und der Kurzschlussstrom fließt [9b].

Diese Transformatoren verfügen meist über zwei Ausgangswicklungen, deren gemeinsamer Mittelabgriff mit dem Kern verbunden ist. Dieser Kern ist mit dem Schutzleiter, also Erdpotenzial verbunden, liegt also fest auf 0 V. Das bedeutet, dass z.B. in einem Moment eine symmetrische Ausgangsspannung von +5 kV und –5 kV vorliegt. Das hat zur Folge, dass, nach der Gleichrichtung, sich Neontransformatoren nicht in Reihe schalten lassen um die Spannung zu erhöhen, da in diesem Fall ein Kurzschluss zwischen +5 kV des einen Transformators und -5 kV des anderen Transformators vorliegen würde.  Der Schutzleiter sollte angeschlossen werden, um Überschläge auf den Kern zu vermeiden.

Eine Parallelschaltung von gleichen Neontransformatoren, um die maximalen Ausgangsstrom zu erhöhen, ist nach [9b] möglich, aber gefährlich. Eine Parallelschaltung ist erst hinter der Gleichrichtung sinnvoll. Weitere Informationen und Praxishinweise finden Sie ebenfalls unter [9b].

Eignung

Aufgrund der relativ kleinen Ausgangsspannung und der Tatsache, dass sich diese Transformatoren nicht in Reihe schalten lassen, sind diese für Lifter-Projekte ungeeignet.

Beschaffung

Diese Transformatoren sind bei ebay.de sowohl neu, als auch gebraucht, zu kaufen. Die Preise dafür bewegen sich zwischen 50 – 100 Euro. Außerdem lassen sich alte Neontransformatoren, die sonst nicht mehr verbaut werden dürfen, von Fachhändlern günstig erwerben.

Mikrowellen-Transformatoren

Diese Transformatoren werden in Mikrowellen bei der Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung verwendet. Die Ausgangsspannung liegt lediglich bei 2 kV, allerdings bei ca. 500 mA – 1 A [8b].

Bild 3    Mikrowellen-Transformator aus [5b]

Sekundärseitig verfügen diese Transformatoren über eine Ausgangswicklung. Ein Pol der Sekundärwicklung ist mit dem Kern verbunden. Der Kern ist mit dem Schutzleiter verbunden, welcher angeschlossen werden sollte, um Überschläge auf den Kern zu vermeiden.

Das bedeutet, dass sich zwei Mikrowellen-Transformatoren in Reihe schalten lassen, indem die geerdeten Hochspannungspole verbunden werden um die Ausgangsspannung zu verdoppeln [8b]. Dabei liegt dann eine um 0 V symmetrische Ausgangsspannung vor, also ±2kV gegen 0 V Erdpotenzial; zwischen den Hochspannungspolen beträgt die Spannung 4 kV.  Dabei kommt es auf die Polung der Primärseiten an. Die Primärseiten müssen nach [8b] gegenphasig werden, sonst lässt sich keine Spannung zwischen den Hochspannungspolen messen. Allerdings führen die Hochspannungspole trotzdem die Hochspannung eines einzelnen Transformators gegen Erdpotenzial, die Hochspannung liegt nur nicht zwischen den Polen an. Es besteht also trotzdem Gefahr beim Berühren der Hochspannungspole.

Eignung

Aufgrund der relativ kleinen Ausgangsspannung sind diese Transformatoren für Lifter-Projekte ungeeignet.

Beschaffung

Diese Transformatoren sind bei ebay.de zu kaufen. Die Preise dafür bewegen sich zwischen 30 – 50 Euro. Auch ein Besuch auf dem Schrottplatz kann erfolgreich sein. Dabei sind die Hochspannungsleitungen aus alten Mikrowellen ebenfalls nützlich.  

Spannungsmesswandler für Mittelspannung

Diese Messwandler werden in der Energietechnik  zum Messen von Mittelspannung (bis 52 kV) verwendet. Sie transformieren die Hochspannungen primärseitig auf ein messbares Niederspannungsniveau herunter, typischerweise ca. um den Faktor 200 oder mehr. Hochspannungsseitig  hat der Transformator sehr viele Windungen, niederspannungsseitig nur wenige. Die Ausgangsspannung liegt ca. bei 100 V [16b]. Diese Transformatoren sind typischerweise mit Gießharz isoliert.

Bild 4   Zweipoliger Mittelspannungsmesswandler für Innenraum-Anwendungen aus [17b]

Sie können auch zur Hochspannungserzeugung verwendet werden, indem sie umgekehrt betrieben werden:
Die Sekundärseite, welche eigentlich die kleine Messspannung (ca. 100 V) liefert, wird zur Primärseite. Auf dieser wird die Spannung nun, z.B. über einen Stelltransformator, eingespeist. Auf der Hochspannungsseite, welche nun die Sekundärseite darstellt, liegt nun die Hochspannung an.

Die Mittelspannungswandler werden unterschieden in einpolige und zweipolige Ausführungen. Das obere Bild zeigt einen Mittelspannungsmesswandler in zweipoliger Ausführung.

Bild  5  Einpoliger Mittelspannungsmesswandler für Innenraum-Anwendungen aus [17b]

Bei der einpoligen Ausführung liegt ein Pol der Hochspannung fest auf Erdpotenzial und ist meistens gleich mit der Erdung der Niederspannungsseite verbunden [12b]. Dabei liegt also keine galvanische Trennung von Primär- und Sekundärseite vor.

Eignung

Die Mittelspannungsmesswandler sind leistungsstark. Wenn ihre Ausgangsspannung hoch genug ist (min. 20 kV) können damit Lifter betrieben werden.  Beide Ausführungsformen (ein- und zweipolig) sind für große Lifter-Projekte geeignet.

Beschaffung

Diese Transformatoren sind relativ schwierig zu beschaffen. Man könnte bei entsprechenden Herstellern nach Restbeständen fragen. Man kann auch Glück haben und einen solchen Transformator bei ebay.de ersteigern. In diesem Fall bewegen sich die Preise bei ca. 100 - 200 Euro.

Netzfrequenz-Röntgentransformatoren

Diese Transformatoren stammen aus Röntgengeräten, wo sie zur Hochspannungserzeugung für die Beschleunigungsspannung in der Röntgenröhre verwendet werden.

Bild  6  Zwei verschiedene Netzfrequenz – Röntgentransformatoren aus [6b]

Röntgentransformatoren liefern sehr hohe Hochspannungen von 50 bis 100 kV. Dabei sind sie noch sehr leistungsstark bei Strömen von bis zu 10 mA. Das macht sie sehr begehrt für Hochspannungsanwendungen.

Röntgentransformatoren werden üblicherweise mit einem Ölbad isoliert. Der Transformator wird also bei der Herstellung vollständig von Öl eingeschlossen – unter Vakuum. Erwirbt man einen solchen Transformator, ist dieser meist von seinem Ölbad befreit. Das bedeutet, dass sich, einmal vom Ölbad befreit, nicht mehr die Nennspannung erreichen lässt. Zwar lässt sich der Transformator erneut von Hand in Öl einschließen, aber dabei existiert das Risiko von Lufteinschlüssen. In den Lufteinschlüssen ist die elektrische Feldstärke aufgrund der  kleineren relativen Permittivität von Luft (ε_r,Luft ≈ 1 , ε_r,Öl ≈ 2,3 [15b]) höher. An diesen Stellen besteht eine erhöhte Gefahr von Überschlägen. 

Eignung

Werden Röntgentransformatoren  im ursprünglichen Ölbad erworben, sind sie aufgrund der hohen Ausgangsspannung und Leistung äußerst geeignet. Die Eigenschaften dieser Transformatoren reichen für große Lifter-Projekte.

Beschaffung

Diese Transformatoren sind relativ schwierig zu beschaffen. Mit etwas Glück lässt sich ein solcher Transformator bei ebay.de ersteigern, leider meist ohne das ursprüngliche Ölbad.
In diesem Fall bewegen sich die Preise bei ca. 100 - 200 Euro.

Eine andere Anlaufstelle bilden Zahnarzt- oder Röntgenpraxen. Mit viel Glück haben diese alten Röntgen- bzw. Durchleuchtungsgeräte  übrig, die nicht mehr gebraucht werden. Meist werden die Geräte allerdings gleich von entsprechenden Fachfirmen abgebaut und entsorgt.

Daher kann es sich lohnen, bei diesen entsprechenden Fachfirmen nachzufragen.

AC-Zeilentransformatoren

AC-Zeilentransformatoren wirken als „normaler“ Transformator, d.h. sie besitzen eine Primär- und eine Sekundärwicklung mit sehr viel mehr Windungen. Die Eingangswechselspannung  UEin wird direkt über das Übersetzungsverhältnis ü = N₁/N₂ in die Hochspannung U_HV transformiert. Es gilt für die Hochspannung

U_HV=U_ein*N₂/N₁

Bild  7  AC-Zeilentransformator aus [7b]

Zeilentransformatoren liefern weniger Spannung als Dioden-Split-Zeilentransformatoren (ca. 8 kV ), können aber höhere Ströme liefern [12b]. Aus diesem Grund werden sie in Geräten mit Bildröhren zusammen mit einer Vervielfacherschaltung betrieben, welche die Ausgangswechselspannung des Transformators in eine sehr viel höhere Hochvolt-Spannung (eine pulsierende Gleichspannung unter Belastung) wandelt.

Eignung

AC-Zeilentransformatoren sind für die Hochspannungserzeugung sehr gut geeignet. Angesteuert mit einem Royer-Converter erzielen diese Transformatoren hohe Leistungen bei hoher Spannung. Mehr dazu finden Sie unter Ansteuerschaltungen.

Aufgrund der hohen Betriebsfrequenz und dem relativ hohen, möglichen Sekundärstrom von AC-Zeilentransformatoren, lassen sich sehr gut Vervielfachungsschaltungen nachschalten, um die Ausgangsspannung zu erhöhen. Ein imposantes Beispiel liefert die unter [7b] gebaute 100 kV Kaskade.

Beschaffung

AC-Zeilentransformatoren sind vor allem in älteren Geräten mit Bildröhren verbaut. Hier lohnt sich ein Besuch auf dem Schrottplatz. Auch die mit dem Transformator verbunden Hochspannungsleitungen sind interessant. Farbfernseher mit einer großen Bilddiagonale haben größere Zeilentransformatoren, welche mehr Spannung und mehr Strom liefern können.

Außerdem sind AC-Zeilentransformatoren bei gängigen Internetportalen zu kaufen. Die Preise sind ziemlich günstig bei 10-20 Euro. Aufgrund dieses sehr guten Preis/Leistungsverhältnisses finden diese Transformatoren häufig Anwendung bei der Hochspannungserzeugung.

Für kleinere Lifter-Projekte reichen die Eigenschaften dieser Transformatoren aus.

Dioden-Split-Zeilentransformatoren

Dioden-Split-Zeilentransformatoren liefern sekundärseitig eine hohe, pulsierende Hochvolt-Gleichspannung, typischerweise ca. 30 kV, liefern aber weniger Strom als AC-Zeilentransformatoren.

Bild 8   Dioden-Split-Zeilentransformator aus [13b]

Die Besonderheit liegt hierbei in der internen Einweg-Gleichrichtung. Die Ausgangswicklung besteht aus mehreren Teilwicklungen, zwischen welche Hochspannungs-Dioden geschaltet sind [21b], siehe folgendes Bild. Die Ausgangsspannung ist also eine pulsierende Gleichspannung. Diese Transformatroren sind meistens vollständig vergossen.

Bild 9   Innenbeschaltung Dioden-Split-Transformator aus [21b]

Das Erzeugen der Hochspannung funktioniert, anders als bei AC-Zeilentransformatoren, nicht nur über das Übersetzungsverhältnis N₁/N₂ , also der deutlich höheren Sekundärwindungszahl N₂, sondern durch das Funktionsprinzip des Sperrwandlers. Mehr dazu finden Sie in Ansteuerschaltungen.

Eignung

Dioden-Split-Zeilentransformatoren sind für die Hochspannungserzeugung sehr gut geeignet. Es lassen sich Netzteile mit bis zu 40 kV damit bauen. Mehr dazu finden Sie in Ansteuerschaltungen.
Da diese Transformatoren bereits eine pulsierende Gleichspannung liefern, kann diese nicht mehr vervielfacht, sondern nur noch geglättet werden.

Beschaffung

Dioden-Split-Zeilentransformatoren sind vor allem in neuern Geräten mit Bildröhren verbaut. Hier lohnt sich ein Besuch auf dem Schrottplatz. Farbfernseher mit einer großen Bilddiagonale haben größere Zeilentransformatoren, welche mehr Spannung und mehr Strom liefern können.

Außerdem sind Dioden-Split-Transformatoren bei ebay.de zu kaufen. Die Preise sind ziemlich günstig bei 10-20 Euro. Aufgrund dieses sehr guten Preis/Leistungsverhältnisses finden diese Transformatoren häufig Anwendung bei der Hochspannungserzeugung.
Für kleinere Lifter-Projekte reichen die Eigenschaften dieser Transformatoren aus.