20kV aus einem Zeilentrafo

Zeilentrafo Jeder Bastler weiß, dass ein Fernseher so einiges an nützlichen Sachen zum Ausschlachten enthält. Besonders der Zeilentrafo ist ein sehr interessantes Objekt. Ohne Ansteuerung ist er aber wertlos. Es empfiehlt sich daher beim Ausbau etwas gezielter vorzugehen, um die dazugehörigen Bauteile und deren Beschaltung zu erhalten.

Funktion
Im Fernseher wird der Zeilentrafo hauptsächlich zur Erzeugung der Horizontalablenkung benötigt. Da diese mit einer Frequenz von 15,625 kHz betrieben wird,  ist er meistens als Trafo mit Ferritkern und kleinem Luftspalt ausgeführt. Durch die hohe Arbeitsfrequenz bietet sich aber noch eine andere Anwendung an. Die Bildröhre benötigt für die Nachbeschleunigung eine hohe Gleichspannung von 5...24  kV je nach Größe der Bildröhre. Die hohe Frequenz ermöglicht mit geringen Windungszahlen diese Spannung zu erzeugen. Zur Nachbeschleunigung wird eine positive Gleichspannung benötigt. Deshalb wird meistens eine Gleichrichterdiode in den Trafo mit eingegossen. Nur bei älteren Modellen kann diese noch diskret ausgeführt sein. Mit solchen Dioden kann man eine Spannungsverdopplerschaltung aufbauen.
Weiters kann der Zeilentrafo noch Potentiometer für die Helligkeit und den Fokus der Bildröhre enthalten. Mit diesen lässt sich eine kleine Spannung (einige kV) einstellen, die an den zusätzlichen Leitungen herausgeführt wird. Der Anschluss für die Nachbeschleunigung ist dagegen meist viel stärker isoliert, und somit leicht zu erkennen.

Villard-Schaltung Viele ältere Fernsehgeräte haben nach dem Zeilentrafo oft eine so genannte Kaskade (=Villard-Schaltung) nachgeschaltet. Diese wird mit einer relativ geringen Wechselspannung  (z.B.500V) vom Zeilentrafo versorgt, gleichgerichtet und vervielfacht. Wenn man die Zusammenschaltung mit dem Trafo beibehält, kann man auch diese verwenden.
EineVillard-Schaltung ist eine Spannungsvervielfacherschaltung, die ähnlich arbeitet, wie die Einpuls-Verdopplerschaltung in einem Mikrowellenherd. Die hier dargestellte Schaltung besteht im Prinzip aus 4 Einweg-Verdopplerschaltungen. Die negative Halbwelle der Wechselspannung U1 (=220V) lädt den Kondensator C1 auf den Spitzenwert von etwa 311V auf. Die folgende positive Halbwelle der Spannung U1 ist nun mit C1 in Serie geschaltet, so dass C2 jetzt über D2 auf etwa 622V aufgeladen wird. Für die zweite Stufe der Schaltung gilt ähnliches, nur liegt für diese der Nullpunkt bereits an +622V. Das hat den Vorteil, dass alle Bauteile in der 2.Stufe nur mit der gleichen Spannung (622V) wie in der 1.Stufe belastet werden. C3 wird in der negativen Halbwelle auf 622V (=UC2-UC1+U1) aufgeladen, C4 in der positiven auf ebenfalls 622V. Der Ausgang der Schaltung liegt an D1, C4. Dort kann gegenüber dem Nullpunkt eine Leerlaufspannung von etwa +1244V (= 4 * 311V = 4 stufige Schaltung) als Summe der beiden Stufen abgenommen werden. Solche Schaltungen werden oft zur Erzeugung hoher Spannungen in Luftionisatoren oder Fliegenfängern verwendet. Unter Belastung sinkt die Spannung mitunter sehr stark ab, da die Kondensatoren über die vielen Stufen nicht so schnell nachgeladen werden können.

Schaltungsbeschreibung
Schaltung Die Schaltung zeigt einen Oszillator mit einem NE555. Das ist völlig ausreichend, da wir hier keine präzisen Ablenkspannungen erzeugen wollen. Über die beiden 22kOhm Potis kann die Frequenz bzw. das Tastverhältnis eingestellt werden. Mit diesen Einstellungen wird der Trafo auf max. Ausgangsspannung abgeglichen. Der Ausgang des Oszillators steuert einen BD242, der wiederum als Treiber für den Endtransistor (2SC3883) dient. Dieser Typ besitzt eine eingebaute Freilaufdiode.
Der Trafo wird hier als Sperrschwinger betrieben. D.h. der Freilaufkreis bildet sich auf der Sekundärseite des Trafos über die Gleichrichterschaltung. Ist diese Last zu gering (das ist sie ohne Bildröhre meistens), können Überschläge an den anderen freien Wicklungen entstehen. Diese könne durch geeignete Belastung (z.B. RC-Glied) verhindert werden.
Soll die Hochspannung einstellbar sein, so ist es zu empfehlen, zwei getrennte Stromkreise aufzubauen. Die Steuerspannung (hier 12V) bleibt immer konstant. Über die Versorgungsspannung des Trafos lässt sich dann die Hochspannung von Null weg einstellen. Dieses Prinzip wurde auch beim 40kV Labornetzgerät eingesetzt.  Eine Änderung im kleineren Bereich ist auch über das Tastverhältnis der Primärspannung möglich.

Zum Nachbau
Wenn man den Zeilentrafo aus dem Fernseher ausbaut, sollte man sich die Anschlüsse für die Primärwicklung merken. Das ist dort, wo der Hochspannungs-Leistungstransistor angeschlossen ist. Den sollte man am besten mit seinem Kühlblech auch gleich ausbauen, sofern er nicht defekt ist (ein häufiger Fehler in Fernsehgeräten). Meistens wird der Pluspol der Versorgung direkt an den Trafo geführt und der NPN-Transistor schaltet dann gegen Masse. Viele neue Geräte verwenden eine relativ niedrige Spannung im Primärkreis (z.B.38V). Ein solcher Trafo ist bevorzugt zu verwenden, da dann die Spannungsversorgung leichter und ungefährlicher zu realisieren ist. Wenn man auch einen Treibertransistor auf der Platine entdeckt, so kann man diesen natürlich anstelle des BD242 verwenden. Es empfiehlt sich überhaupt die gesamte Beschaltung um den Leistungstransistor herum direkt zu übernehmen, da diese auf den Trafo abgestimmt ist. 

Steht hingegen nur ein bereits ausgebauter Zeilentrafo zur Verfügung, so muss man die Anschlüsse des Zeilentrafos nachträglich ausmessen. Wir gehen davon aus, dass ein moderner Zeiletrafo mit eingebauter Diode und über 30kV Ausgangsspannung verwendet wird. Meist haben diese Trafos zwei Hochspannungsausgänge für die Vor- und Nachbeschleunigung, manchmal auch noch zusätzliche für die Fokussierung, verwendet wird nur der spannungsstärkere für die Nachbeschleunigung. Dazu geht man wie folgt vor:

  1. Mit einem Durchgangsprüfer misst man zuerst alle Pins gegeneinander und markiert jene mit Durchgang als eine Wicklung.
  2. Dann misst man die Induktivität jeder Wicklung (oder falls kein L-Meter zur Verfügung steht, nur den Widerstand), damit bekommt man eine Aussage über die Windungszahlen der Spulen. Je höher die Induktivität (und meist auch der Widerstand), umso mehr Windungen.
  3. Als nächstes muss der Erdungspin der sekundären Hochspannungswicklung herausgefunden werden, er muss später unbedingt auf Masse gelegt werden. Dazu eignet sich am besten ein Isolationstester, der den Widerstand mit hoher Spannung von z.B. 500V misst. Die hohe Spannung ist notwendig, um die Durchlassspannung der Hochspannungsdiode zu überbrücken. Den negativen Pol schließt man am Hochspannungskabel des Zeilentrafos an und mit dem positiven Pol sucht man alle Pins nach einem Durchgang ab. Steht kein Isolationstester zur Verfügung, so kann auch eine hohe Gleichspannung von z.B. 300V mit einem entsprechend hohen Widerstand z.B. 100kOhm in Zusammenhang mit einer Strommessung verwendet werden. Höchste Vorsicht ist geboten, wenn man diese Spannung aus dem Netz gewinnt.
  4. Hat man alle Anschlüsse ausgemessen, so geht es um den Anschluss an die Schaltung. Da diese nur mit 40V Betriebsspannug arbeitet und manche Zeilentrafos mit über 100V arbeiten, muss mit den Wicklungen etwas experimentiert werden. Die mit der höchsten Induktivität ist meist die Original-Primärwicklung und wegen der zu hohen Spannung oft nicht zu gebrauchen. Man beginnt also zunächst mit einer kleinen Wicklung und versorgt sie von der Steuerschaltung. Wichtig beim Anschluss an den Zeilentrafo ist auch die Polarität. Da die interne Diode nur eine Einweggleichrichtung ausführt und die hohe Spannung nur beim Abschalten der Wicklung entsteht, muss der Abschaltimpuls in positiver Richtung an die Diode gelangen. Es ist dann natürlich auch möglich, mehrere Primärspulen polrichtig in Serie zu schalten, um sie optimal an die Betriebsspannung anzupassen.

Funke Die Funken, die damit erzeugt werden können, sind ca. 2cm lang. Diese Länge erreichen sie nur zwischen zwei Spitzen. Ein Vergleich mit der Kugelfunkenstrecke zeigt, dass dort 20kV nur einen 6mm langen Funken erzeugen würden. Das knatternde Geräusch bei der Entladung, ist charakteristisch für Gleichspannungsentladungen. Wechselspannungen wie z.B. aus dem Miniteslatrafo erzeugen ein zischendes Geräusch.
Soll mehr Energie bei der Entladung frei werden, so muss ein Kondensator mit einigen pF parallel zur Hochspannung geschaltet werden. Im Fernseher erledigt das die Bildröhre meist selbst. Da sie außen mit Graphit leitend beschichtet ist, bildet sich ein Kondensator mit der Innenbeschichtung der Nachbeschleunigungselektrode.

Versuch zum Faradaybecher
Wer sich noch kein Elektroskop gebaut hat, der kann auch nur mit Hilfe des Zeilentrafos den Faradaybecher Effekt nachweisen. Mit einem Elektroskop geht es aber viel eleganter und einfacher.
Faraday-Becher Ein Faradaybecher ist ein isoliert aufgestellter Metallbecher. Hier wurde ein 1/2l Küchenmaß vom Kelvin-Generator auf einen Keramikisolator gestellt. Mit der graphitbeschichteten (Graphitspray) Styroporkugel an einem isolierenden Faden ist, es möglich, diesen Becher immer weiter aufzuladen, wenn man ihn im Inneren berührt. Der Becher kann so auf eine höhere Spannung aufgeladen werden, als der Zeilentrafo erzeugt, mit dem man die Styroporkugel immer wieder neu lädt.
Die Styroporkugel wird durch kurzes berühren der Kugel am Ausgang des Zeilentrafos geladen. Eine Kugel ist hier wichtig, da sonst die Spitze des Kabels vom Zeilentrafo die Ladungen in den Raum sprüht, und alles rundherum auflädt. Dann sieht man gar nichts mehr und erhält obendrein einen elektrischen Schlag, wenn man Metallteile berührt.
Ob die Styroporkugel geladen ist, sieht man sofort, wenn sie sich von der Generatorkugel abstößt (gleichnamige Ladungen). Ist sie ungeladen, kann man sie ohne Ablenkung der Generatorkugel nähern, ist sie geladen, versucht sie ihr hingegen auszuweichen.
Nähert man die so geladene Kugel jetzt dem vorher ebenfalls auf Generatorspannung aufgeladenen Becher, so spürt man die gleiche Abstoßung. Bringt man jetzt die Kugel von oben in den Becher, ohne diesen am Rand zu berühren, so kann man die Ladung der Kugel an den Becher abgeben, indem man ihn weit im Inneren mit der Kugel berührt. Sobald die Ladung abgegeben ist, ist die Kugel völlig ungeladen und es tritt auch keine weitere Ablenkung mehr auf. Beim Herausziehen der Kugel muss man wieder darauf achten, den Becher nicht am Rand zu berühren, da sonst die Kugel wieder geladen ist. Wenn man das richtig macht, ist die Kugel nachher genau so wenig geladen, wie am Beginn des Versuches. Man kann also die Kugel nie im Inneren des Bechers aufladen. An der Außenseite hingegen, funktioniert das genauso, wie bei der Generatorkugel.
Wenn man so den Becher oft genug "nachlädt", wird man feststellen, dass der Becher auf eine höhere Spannung aufgeladen ist, als sie der Zeilentrafo erzeugen kann. Ohne Elektroskop kann man das nur durch die Intensität und Länge der Funkenentladung des Bechers feststellen. Dazu sollte man sich vorher einmal einprägen, wie die Entladung mit Nennspannung des Zeilentrafos aussieht. Denn der Becher speichert nur sehr wenig Energie, so dass die Entladung viel leiser und mitunter auch kürzer ist, als die des Zeilentrafos.
Die zusätzliche Energie stammt natürlich aus den mechanischen Bewegungen (Ladungstrennung) der Kugel. Beim Eintauchen in den Becher muss mitunter eine relativ große Kraft überwunden werden, die eine leichte Styroporkugel schon zurückwerfen kann. Dieses Prinzip der Ladung eines Bechers durch viele kleine Ladungen wird beim Kelvin-Generator ausgenutzt, um hohe elektrostatische Spannungen zu erzeugen.

Theoretischer Hintergrund
Schaltung Der Grund für dieses merkwürdige Verhalten liegt darin, dass das Innere eines leitenden Körpers immer frei von elektrischen Feldern und somit auch frei von Ladungen ist. Die gesamte Ladung eines Körpers sitzt demnach nur an seiner Oberfläche ! Das soll nicht heißen, dass man den Becher innen mit der Erde kurzschließen kann, ohne dass er sich entlädt. Metalle sind immer noch leitend ! Er kann innen nur keine Ladungen abgeben, da sich eben alle Ladungen an seiner Außenfläche befinden. Das soll heißen, mit einer Kugel auf einem isolierten Stab kann man aus dem Inneren  keine Ladungen abziehen. Die Kugel ist ungeladen, sobald man sie aus dem Becher zieht ! Nur durch eine Berührung an der Außenfläche kann die Kugel geladen werden.

Vorschläge für weitere Versuche:
Mit diesem Hochspannungsgenerator habe ich versucht einen Elektret herzustellen. Das ist ein Isolationsmaterial, das immer ein elektrisches Feld erzeugt. Es ist sozusagen das elektrostatische Gegenstück zum Magneten. Dazu habe ich Wachs geschmolzen, und danach zwei Elektroden eingegossen. Während der Abkühlphase wird die Hochspannung angelegt. Leider war nach Ausschalten der Hochspannung kein Wiederaufladen der Elektroden festzustellen. Vermutlich ist das Wachs nicht genug isolierend, um die Dipole in der ausgerichteten Lage festhalten zu können. Es müssen wahrscheinlich Kunststoffe verwendet werden, die hochisolierend sind. Epoxidharz wäre da ein guter Tipp.
Elektrete sind sehr interessant, da sie immer wieder Ladungen "abgeben" können, ohne die Eigenladung zu verlieren. Das darf nicht unbedingt gleich als unmöglich angesehen werden. Der Elektret erzeugt ja nur ein elektrisches Feld. Wenn in dieses z.B. ein Platten-Kondensator eingebracht wird, so wird durch die Bewegung in das Feld die Ladung influenziert. Es wird also nur die mechanische Energie, nach einem unüblichen Verfahren, in Elektrische umgewandelt.

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