HV-TRAFOS
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Neontrafos (engl. Neon Sign Transformer NST)    

   

Neontrafos von Leuchtreklamen sind nicht umsonst beliebt bei sogenannten "Coilern" (Teslaspulenbetreiber). Diese Trafos sind intern strombegrenzt durch einen künstlichen, mganetischen Nebenfluss (magnetischer Shunt, Streujoch). Dies hat den Vorteil, dass sie kurzschlussfest sind. Im  Falle eines Kurzschlusses bricht die Sekundärspannung zusammen auf 0V und es fliesst der maximale Strom, den der Trafo liefern kann. Neontrafos gibt es in allen möglichen Formen und Grössen. 

Hier in der Schweiz sind NSTs relativ einfach und preiswert zu beschaffen (siehe gelbe Seiten Stichwort "Leuchtreklamen"). Die meisten Fachhändler sind sehr kooperativ und geben oft alte Trafos umsonst oder sehr günstig ab. Dies auch deshalb, weil neue Installationen mit Trafos ohne Erdschlussschalter nicht mehr erlaubt sind. Da es sich meist nicht lohnt, ältere Neontrafos noch nachzurüsten, können diese nur noch entsorgt oder verschenkt werden :-). Neontrafos sind leider fast immer vergossen, was eine Reparatur aufwendig oder sogar unmöglich macht. Es gibt hierfür zwar Anleitungen im Internet, meiner bescheidenen Meinung nach lohnt sich der Aufwand jedoch nicht. Daher empfiehlt es sich nicht unbedingt, defekte Trafos zu nehmen, auch nicht kostenlos.

 

Ausgangsspannungen und -Ströme

Gängige Ausgangsspannungen bewegen sich hier in der Schweiz zwischen etwa 1kV bis max. 10kV. Spannungen unter 4kV sind jedoch für unsere Zwecke in der Regel nicht sehr brauchbar. 10kV ist die maximal zulässige Spannung, daher wird man hierzulande nur mit extrem viel Glück einen Neontrafo mit mehr als 10kV finden. In asiatischen Ländern oder der USA sind aber auch Spannungen von 12kV und 15kV gängig. Mögliche Ströme sind: 18mA, 25mA, 37mA, 50mA, 75mA, 80mA, 100mA. Alles über 50mA ist jedoch eher selten zu finden. Bei den F.A.R.T.-Neontransformatoren sieht man auf einen Blick anhand der Farbcodierung des Typenschilds, welchen Nennstrom der Trafo liefern kann. So bedeutet beispielsweise ein oranges Label 18mA, ein rotes 25mA, ein grünes 37mA, ein blaues 50mA, ein gelbes 75mA und ein weisses 100mA Nennstrom. Der Kurzschlussstrom beträgt bei den F.A.R.T. Trafos jeweils das 1.3fache des Nennstroms. Diese Angabe steht dann etwas kleiner hinter der Angabe des Nennstroms. Eine Standardbezeichnung zu den Eckdaten eines Neontrafos liegt üblicherweise in einer vierstelligen Zahl vor, welche sowohl die Spannung als auch den Strom des Trafos angibt. So bedeutet beispielsweise 9050, dass der Trafo 9kV Nennspannung liefert und einen Nennstrom von 50mA. Bei dieser vierstelligen Zahl handelt es sich auch oft um die offizielle Typenbezeichnung. Man findet diese Angabe praktisch bei allen Herstellern in dieser Form.

 

 

Parallel- / Serieschaltung und Mittelpunkterdung

Eine phasenrichtige Parallelschaltung zur Erhöhung der Stromstärke ist bei Trafos mit identischen Ausgangsspannungen immer möglich, wobei es allenfalls im Leerlauf zu geringen Ausgleichströmen kommen kann, weil die Spannungen nie ganz hundertprozentig übereinstimmen, was aber nicht gross ins Gewicht fallen dürfte und den Trafos auch nicht schadet. 

Die meisten Neontrafos (zumindest alle neueren Typen) sind in der Mitte der Sekundärwicklung geerdet, das bedeutet, dass sich die Hochspannung auf zwei Wicklungen aufteilt  und somit gegen Erde immer nur die halbe Sekundärspannung auftritt (auf diese Weise kann der Hersteller Isolationsmaterial sparen). Aus diesem Grund lassen sich diese Trafos NICHT seriell zusammen kombinieren (ansonsten würde jeweils eine der Sekundärwicklungshälften von jedem Trafo kurzgeschlossen über die gemeinsame Erde). Der Schutzleiter als Erde muss jedoch zwingend angeschlossen werden, da es andernfalls zu internen Überschlägen auf den Kern kommen kann. Die Angabe der Ausgangsspannung erfolgt meist mit den beiden Wicklungshälften, also beispielsweise "4kV-0-4kV" bedeutet insgesamt 8kV Ausgangsspannung zwischen den beiden Hochspannungsanschlüssen bzw. je 4kV von jeweils einem Hochspannungsanschluss nach Erde. Ganz alte Neontrafos (siehe Bilder weiter unten) haben noch keine Mittelpunkterdung, diese sind deshalb vorzuziehen, da jeweils zwei von ihnen in Serie geschaltet werden dürfen, wenn der gemeinsame Anschluss der beiden Hochspannungswicklungen geerdet wird. Falls vier identische Trafos ohne Mittelpunkterdung verfügbar sind, können natürlich auch zwei von den obengenannten Zweier-Serieschaltungen parallel betrieben werden, was dann selbst für grössere Teslaspulen genügen sollte. Wichtitg: Bei der Serieschaltung zweier NSTs ohne Mittelpunkt müssen jeweils die inneren Sekundärspulenenden zusammengeschaltet und auf Erde gelegt werden, nicht die äusseren, da es sonst zu Überschlägen von den innersten Windungen auf den Kern kommen kann. Damit das ganze Konstrukt dann wieder phasenrichtig arbeitet, muss primärseitig eine Antiparallelschaltung erfolgen, also N des einen Trafos mit L des anderen verbinden und umgekehrt.

Erdschlussschalter

Ich werde des öfteren gefragt, welchen Zweck ein Erdschlussschalter erfüllt und wie man ihn für Experimentierzwecke am besten ausbaut und überbrückt. Der Erdschlussschalter ist eine Sicherheitseinrichtung, ähnlich dem FI-Schutzschalter im Haus. Fliesst ein Leckstrom vom Trafo-Hochspannungsausgang gegen Erde (beispielsweise über eine Hausmauer), so löst der Erdschlussschalter aus und unterbricht die Speisung des Neontrafos. Dies dient sowohl dem Personenschutz, als auch dem Schutz vor Bränden etc. In der Schweiz ist diese Schutzeinrichtung (zumindest für neuere Installationen) zwingend.

Beispiele von Erdschlussschaltern:

               

Siet und F.A.R.T Erdschlussschalter

 

Für unsere Experimentierzwecke ist ein solcher Erdschussschalter eher hinderlich. Zwar lassen sich dennoch Lichtbögen ziehen, wodurch beispielsweise eine Jakobsleiter durchaus funktioniert, aber wenn der Neontrafo als Speisung für eine Teslaspule eingesetzt wird, kommt es immer wieder zu Abschaltungen oder der Trafo schaltet gar nicht erst ein. Es gibt Trafos, bei denen der Erdschlussschalter bereits fest im Gehäuse eingebaut bzw. vergossen ist. Da lässt sich dann leider nicht viel machen. Oft ist der Erdschlussschalter jedoch leicht zugänglich und man kann diesen entfernen und überbrücken. Besonders einfach geht das bei den F.A.R.T. und Siet Transformatoren. Nachfolgend ein Beispiel eines F.A.R.T.-Neontrafos (für eine grössere Ansicht bitte auf das jeweilige Bild klicken):

       

Eingebauter Erdschlussschalter     Überbrückter Erdschlussschalter

Wie man auf den obigen beiden Bildern unschwer erkennen kann, ist die Sache hier sehr simpel. Der Erdschlussschalter wird an seinen fünf resp. sechs Schrauben gelöst und ausgebaut. Danach werden einfach die beiden blauen Brücken (auf dem zweiten Foto ersichtlich), eingebaut. Es empfiehlt sich, mit Kabelschuhen zu arbeiten, damit sich die Brücken nicht lösen und keine Kurzschlüsse verursachen können.

Ähnlich ist das Vorgehen bei einem Siet-Transformator, nur habe ich hier leider keinen Trafo mehr zur Hand, von dem ich entsprechende Bilder anfertigen könnte.

Und hier noch ein Link zu einer kleinen pdf-Dokumentation des Herstellers F.A.R.T.

Testen eines Neontrafos

Hat man mit ein bisschen Glück einen oder mehrere Neontrafos beschafft, so kann's an die ersten Tests gehen. Als erstes sollte eine visuelle Kontrolle des äusserlichen Zustands vorgenommen werden. Schmutzige Transformatoren sollten vor den ersten elektrischen Tests grob gereinigt werden, damit es nirgends zu ungewollten Überschlägen kommt. Ausserdem sollte der Trafo auf allfällige Gehäuseschäden oder Spuren von Überschlägen untersucht werden.

Ermitteln der Ausgangsspannung über das Übersetzungsverhältnis

Das Übersetzungsverhältnis (Verhältnis Ausgangsspannung zu Eingangsspannung) ist eine der wichtigsten Kenngrössen, um beurteilen zu können, ob der Trafo grundsätzlich noch funktionsfähig ist. Es kann am einfachsten ermittelt werden, indem man primärseitig eine niedrige Spannung (etwa 1 bis 12V) einspeist und schaut, was sekundärseitig rauskommt. Man sollte aber bedenken, dass bei einem 10kV Trafo beim einspeisen von 12V schon über 500V sekundärseitig anliegen können. Bei mittelpunktgeerdeten Trafos (Standardfall) sollte man immer beide HV-Spulenhälften einzeln gegen Erde durchmessen, wobei natürlich beide Seiten etwa gleich viel Spannung liefern müssen. Sollten die Spannungen der beiden Wicklungshälften mehr als etwa 5% bis 10% voneinander abweichen, so liegt leider der Schluss nahe, dass eine Seite der HV-Wicklung intern kurzgeschlossen ist oder zumindest einen Nebenschluss aufweist aufgrund eines Isolationsfehlers, was leider in der Praxis eine häufige Fehlerursache ist. Ein solcher Trafo ist praktisch unbrauchbar, vorallem darum, weil man nie genau weiss, wieviel Leistung evt. intern mit einem Lichtbogen verbraten wird und ob der Trafo bei diesem Betrieb nicht etwa abbrennt. Wenn soweit alles in Ordnung ist und man das Übersetzungsverhältnis kennt, so kann man in etwa ausrechnen, wie die Ausgangsspannung bei 230V Eingangsspannung aussehen würde, in dem man das Übersetzungsverhältnis mit 230V multipliziert. Bei gewissen Trafos habe ich allerdings schon bemerkt, dass die mit einer HV-Sonde gemessene Ausgangsspannung dann doch nicht immer genau dem entspricht, was man aufgrund des Übersetzungsverhältnisses erwartet hätte. Es kann also durchaus Sinn machen, den Output noch mit einer handelsüblichen Hochspannungsmesssonde zu überprüfen.

Ermitteln des Ausgangsstroms

Der Kurzschlussstrom des Trafos kann ebenfalls sehr einfach bestimmt werden. Hierfür schliesst man ein Multimeter im mA-Bereich direkt an den Ausgang des Trafos an. Aufgrund des niedrigen Innenwiderstandes des Multimeters wird das Instrument dabei nicht zerstört, denn die Spannung des Trafos bricht dabei fast auf Null ein. Wichtig ist dabei nur, dass man sicher ist, dass die Sicherung des Multimeters noch intakt ist und der mA-Bereich tatsächlich niederohmig ist. Ebenso muss natürlich vor der Messung der korrekte Bereich eingestellt sein. Sollte etwas davon nicht zutreffen, so bildet sich ein Lichtbogen im Instrument und zerstört dieses mehr oder weniger spektakulär.

Eine Anmerkung: Aus der Leerlaufspannung und dem Kurzschlussstrom lässt sich nicht einfach so ohne weiteres die Leistung des Transformators bestimmen. Näherungsweise kann man jedoch etwa 70% des  Kurzschlusstroms mit 70% der Leerlaufspannung multiplizieren, um eine ungefähre Vorstellung der verfügbaren Leistung zu bekommen.

Ein erster Test mit Hochspannung

Hat der Prüfling bisher alle Tests erfolgreich bestanden, so kann man zum Test mit Hochspannung beispielsweise eine kleine Jakobsleiter aufbauen. Da der Trafo kurzschlussfest ist, kann er beliebig lange so betrieben werden, ohne dass etwas passiert. Dennoch sollte das Setup natürlich aus Sicherheitsgründen nie unbeaufsichtigt laufen! Achtung: Leerlaufbetrieb über längere Zeit kann einem Neontrafo schaden, da er in seiner Originalanwendung immer nur im ersten Zündmoment die volle Leerlaufspannung liefern muss.

 

Bauformen von Neontransformatoren und spezielle Neon-HV-Trafos

FART Neontransformator    Schaffner Neontransformator    Ricci Neontransformator    Siet Neontransformator

Neontrafos unterschiedlicher Hersteller

Neontrafos sind in den unterschiedlichsten Bauformen und Ausführungen zu haben. Hier in der Schweiz sind sie leider meist vergossen und das strombegrenzende Streujoch lässt sich auch nicht so ohne weiteres entfernen. Die ganz alten Trafos sind die besten. Sie sind qualitativ noch hochwertiger gebaut als neuere Ausführungen und verfügen noch nicht über Erdschlussschalter, was für Experimente vorteilhaft ist. Die ganz alten Versionen haben überdies die Besonderheit, dass sie nicht mittelpunktgeerdet sind. Somit lassen sich mindestens zwei mit identischem Ausgangsstrom in Serie schalten. Auf den folgenden Bildern sind solche Uralt-Neontrafos zu sehen, welche noch ohne Mittelpunkterdung ausgeführt wurden. Leider sind solche Trafos mittlerweile fast nirgends mehr zu finden. Über die Jahre haben sich bei mir jedoch einige dieser Transformatoren angesammelt.

       

Ganz alte Neontrafos ohne Mittelpunkterdung

Links im zweiten Bild die Hochspannungs-Schraubanschlüsse, rechts die Niederspannungseingänge. Hier sind für eine genaue Anpassung der Ausgangsspannung mehrere Wicklungsanzapfungen vorgesehen. Die Wicklung ist noch mit "220V" bezeichnet. In der Mitte sieht man das Streujoch, das übrigens bei dieser Art von Trafos relativ gut entfernt werden kann, indem man es vorsichtig mit einem Schraubendreher und Hammer rausschlägt. Allerdings stieg der Ausgangsstrom damit nicht wesentlich (von ursprünglich ca. 80mA Kurzschlusstrom auf ca. 95mA). Man kann den Neontrafo also genauso gut unverändert lassen und ist sich dann sicher, dass dieser auch dauerhaft so betrieben werden kann.

       

Test eines alten Neontrafos: Jakobsleiter und kleiner Lichtbogen

Elektronische Neontrafos

Der heutige Trend der integrierten Elektronik führt leider dazu, dass mittlerweile immer mehr elektronische Neontrafos eingesetzt werden und die guten alten 50Hz-Eisentrafos verdrängt werden. Ein elektronischer Neontrafo arbeitet mit einer hohen Schaltfrequenz im zweistelligen kHz-Bereich und einem internen Ferrittrafo. Das Grundprinzip ist das gleiche wie bei einem Schaltnetzteil mit dem einzigen Unterschied, dass die Spannung heraufgesetzt wird. Solche elektronischen Neontrafos sind für Experimente fast nicht zu gebrauchen. Durch die hohe Schaltfrequenz sind sie nicht in der Lage, den Primärkondensator in einer Teslaspule in vernünftiger zeit zu laden. Zudem sind sie anfällig und haben diverse Schutzschaltungen integriert. Theoretisch könnte man einen solchen elektronischen NST zwar gleichrichten und dann die TC mit Gleichspannung betreiben, aber dies ist umständlich und die restlichen Nachteile des elektronischen Trafos bleiben bestehen.

Elektronische Neontrafos erkennt man in erster Linie an ihrem geringen Gewicht und ihrer Bauform. Sie sind deutlich kleiner und sauber vergossen, zeigen also nach aussen hin keinen Spulenaufbau oder Eisenkern, bzw. keine unregelmässigen Formen.

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