40kV Labornetzgerät

Bei Versuchen mit der Röntgenröhre oder dem elektrokinetischen Antrieb ist es oft wünschenswert, auf eine stabilisierte Hochspannung zurückgreifen zu können. Für einfache Anwendungen reicht sicher ein unstabilisierter Zeilentrafo aus, aber mit etwas größerem Schaltungsaufwand ist es auch möglich, mit einem Zeilentrafo ein stabilisiertes Labornetzgerät aufzubauen. Dies ist eine preisgünstige Alternative zu professionellen Hochspannungsnetzgeräten, wie sie etwa von der Fa. Heinzinger angeboten werden.

Schaltungsbeschreibung
Schaltung
= Schaltung
Neben der bereits vom Zeilentrafo bekannten Oszillatorschaltung mit dem NE555 muss zusätzlich noch ein Spannungsregler hinzugefügt werden. Der PI-Regler, im oberen Schaltungsteil wird durch U2A gebildet. Über R12 erhält er vom Poti an ST7-ST9 den Sollwert der Spannung. Der Istwert kann mit JP1 von der normalerweise externen Hochspannungsmessung auf eine interne Messung (R20 und R21) an der Niederspannung umgeschaltet werden und ist für Testzwecke vorgesehen. Die Messspannung gelangt vom externen Hochspannungsteiler auf ST5 und ST6 und wird mit einer RC-Kombination von Störungen durch Funkenüberschläge bereinigt. Über R14 wird diese Spannung U2B zugeführt, der das Messgerät für die Hochspannungsanzeige an ST12 und ST13 versorgt. Mit P2 wird diese Anzeige kalibriert.

Der Ausgang von U2B treibt über die Zenerdiode D7 den linearen Spannungsregler, der die 45V Betriebsspannung, von X2 kommend, regelt. Q2 dient als Trenntransistor für die hohe Spannung und Q3 als Treiber für den Längsregeltransistor Q5. Über R18 wird der primäre Strom in den Zeilentrafo an ST3 und ST4 gemessen und über Q4 erfolgt eine Strombegrenzung, die mit P1 eingestellt werden kann.
Über die durch D7 hervorgerufene, sprunghafte Änderung der Spannung am Ausgang von U2B wird mit Q6 ausgewertet, ob das Gerät eine konstante Spannung abgibt, oder ob es sich in der Strombegrenzung befindet. Das wird mit der LED an ST10 und ST11 angezeigt.
Der untere Schaltungsteil enthält die interne Spannungsversorgung mit dem +15V Regler IC1. U1 bildet den Oszillator zur Steuerung des Zeilentrafos. Er arbeitet etwa mit 18kHz. Durch Schließen von ST1 und ST2 kann der Oszillator deaktiviert werden. Über R4 wird direkt der MOSFET Q1 gesteuert, der die Primärseite des Zeilentrafos schaltet. R6 und C7 bedämpfen die Schaltspitzen.

Layout
Layout     Bestückungsplan
Das Layout der Steuerschaltung wird auf eine einseitige Platine mit 90x88mm geätzt. Das Layout zeigt die Sicht von der Bauteilseite aus, weiße Flächen werden weggeätzt.

Externe Hochspannungsmessung und Glättung
   
Das Layout der Glättung wird auf eine einseitige Platine mit 40x127mm geätzt. Sie wird mit den Hochspannungbauteilen 3x 330MOhm/15kV, 3x 1nF/15kV, sowie einem normalen 100kOhm Widerstand bestückt. Beim Löten ist 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. Der 40kV Anschluss wird zusätzlich noch mit einem 2,5mm² Kupferdraht eingefaßt, um Sprühentladungen an den Rändern zu vermeiden.

Gesamtaufbau
= Gesamtaufbau
Die Netzversorgung übernimmt ein 80VA Ringkerntrafo mit 2x18V Ausgangsspannung. Über den Brückengleichrichter und den Glättungskondensator wird die Steuerprint versorgt. Erfolgt die Versorgung wie hier über einen Netztrafo mit Mittelpunkt, dann können die Dioden D1 und D4 auf der Steuerprint durch Drahtbrücken ersetzt und D2 und D3 weggelassen werden. Der Anschluss des Mittelpunktes erfolgt dann auf X1-2, der Hauptgleichrichter übernimmt dann ebenfalls die Versorgung der Steuerung.

Das Netzgerät wird in ein Alu-Gehäuse mit 235x100x150mm eingebaut. Auf der Rückseite wird ein Kühlkörper mit 150x75x25mm montiert und die Transistoren Q1,Q5 und IC1 werden darauf mit Glimmerscheiben isoliert aufgesetzt.
Die gesamte Glättung mitsamt der Ausgangsbuchse und dem Anschlusskabel vom Zeilentrafo wird zum Schutz vor Überschlägen mit Epoxyharz und Glasfasermatten als Träger eingegossen. Die Ausgangsbuchse besteht aus einem 30mm dicken Kunststoff, indem die 4mm Buchse mindestens 40mm tief versenkt montiert werden sollte.
Am Zeilentrafo eventuell vorhandene Kabel für die Vorbeschleunigung werden abgeschnitten und ausreichend isoliert, um Überschläge zu vermeiden. Je nach Type des verwendeten Zeilentrafos kann es nötig sein, mehrere Wicklungen in Serie zu schalten, um ihn optimal an die Versorgungsspannung anzupassen. Zum Ausmessen der Wicklungen bei einem unbekannten Zeilentrafo siehe Beschreibung beim Zeilentrafo.

Sehr wichtig bei dieser Schaltung ist eine saubere Erdung, was durch den Einbau in ein Metallgehäuse unterstützt wird. Da die Hochspannung auf  Erde bezogen ist und man ja auch mit Funkenüberschlägen rechnen muss, kann es bei schlechter Erdung vorkommen, dass sich das Potential der Schaltung anhebt und dadurch Bauteile zerstört werden. Die beiden 2,2µF Kondensatoren, wovon einer direkt am Ampermeter und der andere direkt an der Schaltungsmasse auf Erde geschlossen werden soll, verhindern ein sprungartiges Ansteigen des Potentials bei Überschlägen. Hierfür sollten richtige Kondensatoren, keine Elkos, mit niedriger Induktivität verwendet werden. Der Ferritring verhindert zusätzlich noch hochfrequente Einkopplungen über die Messleitung in die Schaltung.

Abgleich

Eine wichtige Einstellung ist die Strombegrenzung zum Schutz des Zeilentrafos im Kurzschluss. Diese erfolgt mit P1 und sollte so eingestellt werden, dass je nach Größe des verwendeten Zeilentrafos etwa 1,5A im Kurzschluss fließen. Dazu schließt man z.B. eine 12V/50W Halogenlampe von ST3 direkt auf Masse an und misst den Strom in ihr. Der Zeilentrafo wird abgeklemmt und die Regelung muss mit JP1 auf interne Messung umgeschaltet werden. Wenn dann die Spannung langsam hochgeregelt wird, muss die Strombegrenzung spätestens bei 2,5A einsetzen. Das Einsetzen der Strombegrenzung muss durch Erlöschen der LED an ST10 und ST11 signalisiert werden.

Zur Eichung der Spannungsanzeige ist ein Hochspannungstastkopf sehr hilfreich. Die Spannung wird im Leerlauf hochgeregelt und mit P2 wird der Anzeigewert kalibriert. Wer keinen Hochspannungstastkopf zur Verfügung hat, kann auch über das etwas krumme Übersetzungsverhältnis 990MOhm zu 100kOhm der Messung auf die Spannung zurückrechnen. 40kV entsprechen 4,04V am 100kOhm Widerstand.

Je nach Type und Leistung des verwendeten Zeilentrafos muss eventuell der Einstellbereich der Spannung mit R13 angepasst werden. Bei zu geringer Leistungsabgabe kann auch noch das Tastverhältnis des Oszillators durch Vergrößern von R2 bzw. durch Verkleinern von R1, um die Frequenz konstant zu halten, erhöht werden. Zur Abschätzung der maximal möglichen Ausgangsspannung eines Zeilentrafos kann JP1 auf interne Messung gesteckt werden, dann fährt der Regler bis zur Sättigung von Q5 die Spannung hoch.

Ein solches Netzgerät bietet eine sehr gute Spannungsversorgung für viele Hochspannungsversuche, bei denen auch eine gewisse Leistung benötigt wird. Dieses Gerät kann immerhin 1mA bei 40kV bereitstellen, was einer Leistung von 40W entspricht. Ein weiterer Vorteil gegenüber professionellen Netzgeräten ist der variable Maximalstrom. Bei geringeren Spannungen können bis zu 5mA entnommen werden, was sich gut mit den Anforderungen der meisten Versuche deckt.

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