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Röntgentrafos (engl. x-ray transformer)
Transformatoren aus Röntgenanlagen sind meistens sowohl für sehr hohe Spannungen ausgelegt als auch für relativ hohe Leistungen. Ein Trafo aus einem kleinen Zahn-Röntgengerät liefert beispielsweise etwa 50 kV bis 90 kV, Trafos aus grösseren Anlagen stellen sogar noch bedeutend höhere Spannungen zur Verfügung, insbesondere solche aus Werkstoffprüfanlagen. Diese können durchaus Spannungen bis 300 kV und mehr abgeben, allerdings handelt es sich hier definitiv um superschwere Riesenteile. Vorsicht bei den Spannungsangaben: In der Röntgenindustrie ist es offensichtlich üblich, sämtliche Spannungen als Spitzenwert anzugeben, welcher um den Faktor Wurzel 2 höher liegt als der normalerweise übliche Effektivwert. Ein Trafo, der auf ebay als 50 kV-Trafo angepriesen wird, ist daher in Wirklichkeit nur ein 38.4 kV-Trafo. Ein Nachteil von Röntgentrafos ist, dass sie in den meisten Fällen in einem Ölbad betrieben werden müssen, um eine genügende Isolierung zu gewährleisten (wie auch in der Originalanwendung). Aus eigener Erfahrung kann ich sagen, dass dies schnell mal mit einer grossen Schweinerei verbunden ist ;-). Mein Versuch, den grösseren der beiden abgebildeten 50Hz-Trafos in Kerzenwachs einzugiessen, war nicht wirklich super, denn bei höheren Spannungen (ab ca. 20 kV) hörte man bereits Knistern. Bei 30 kV schliesslich knisterte es so laut, dass ich aus Angst vor einem internen Überschlag schnell wieder ausschaltete (obwohl der Trafo theoretisch 38 kVeff bringen könnte). Ausserdem konnte er nur kurzzeitig mit grossen Leistungen belastet werden, da bei längerem Betrieb der Wachs innen zu kochen begann und einmal eine kleine Wachsfontäne rausspritzte ;-) . Dies war dann auch der Grund, weshalb der Trafo schlussendlich doch wieder aus dem Wachs befreit wurde.
Beim Umgang mit solchen HV-Trafos ist immer äusserste Vorsicht angesagt. Nie vergessen: Der erste Fehler könnte der Letzte sein.
HF-Röntgentrafo mit Ferritkern
Kürzlich habe ich von einem befreundeten HV-Bastler den oben abgebildeten Röntgentrafo geschenkt bekommen, nochmals ganz herzlichen Dank für dieses grosszügige Geschenk! Es handelt sich um einen modernen HF-Röntgentrafo mit Ferritkern, welcher im Bereich um 20kHz angesteuert wird. Aufgrund seines Ferritkerns und der daraus resultierenden hohen Frequenz ist der Kern nur schwer zu sättigen, daher werden nur verhältnismässige wenige Windungen für die Hochspannungswicklung benötigt. Der DC-Widerstand der Hochspannungswicklung beträgt dementsprechend nur gerade 117 Ohm, ein sehr tiefer Wert, wenn man mit einem 50Hz-Röntgentrafo vergleicht, dessen DC-Widerstand der Hochspannungswicklung durchaus im zwei- bis dreistelligen kOhm-Bereich liegen kann. Dies bedeutet jedoch eine entsprechend hohe Spannung pro Windung, wodurch eine gute Isolation nötig wird. Der Trafo muss in Oel betrieben werden und verfügt über ein Mehrkammersystem bei seiner HV-Wicklung (zu sehen auf dem unteren Bild). Die HV-Wicklung besteht aus zwei Wicklungshäften, auf jedem Schenkel eine, beide sind in Serie geschalten. Die Primärwicklung ist genau gleich aufgebaut und die vier Primäranschlüsse sind alle einzeln herausgeführt. Zusätzlich stehen noch zwei Erdanschlüsse zur Verfügung, welche gemäss Vorbesitzer auf Abschirmungen zwischen Primär- und Sekundärseite geführt sind.
Röntgentrafo mit Ferritkern für HF-Betrieb bei ca. 20 bis 25kHz
Leider gestaltete sich die Suche nach geeignetem Isolieröl nicht gerade einfach. Zuerst wollte ich das original verwendete Shell Diala Trafoöl verwenden. Allerdings kann dieses nicht in Kleinmengen bezogen werden und kostet damit zuviel für ein solches Projekt. Das in diversen Foren vorgeschlagene Rapsöl überzeugt mich auch nicht so ganz, weil es auf organischen Bestandteilen basiert. Nun habe ich ein ebenfalls sehr teures Silikonöl bestellt, welches jedoch in Kleinstmengen geliefert werden kann und damit preislich gerade noch vertrebar ist. Das Isolieröl hat sich zwischenzeitlich als sehr gut erwiesen. Es hält den Anforderungen bis jetzt stand. Dieser Trafo soll später in meinem zukünftigen Kaskadenprojekt eingesetzt werden, welches zu gegbener Zeit separat in der Kaskaden-Rubrik vorgestellt wird. Als Ansteuerung wurde eine Vollbrücke mit zwei leistungsfähigen Semikron-IGBT-Brücken vom Typ SKM200GB128D gebaut. Dazu ein Oszillator mit einem Teil einer DRSSTC-Ansteuerung. Die Frequenz wurde auf 25kHz eingestellt, könnte aber nach Belieben verändert werden.
Hochspannungswicklung in Mehrkammerausführung Grössenvergleich mit AC-Zeilentrafo Jakobsleiter, Test-Betrieb an Vollbrücke
Hier noch ein Video der Jakobsleiter:
50Hz-Röntgentrafos
Den folgenden kleinen Röntgentrafo aus einem Dentalröntgengerät habe ich von einem Mitglied aus dem Mosfetkillerforum gekauft und der Trafo ist aktuell noch in meinem Besitz, im Gegensatz zu den anderen hier gezeigten 50Hz- Röntgentrafos. Es ist ein neueres Modell mit 65kVp resp. etwa 46kVeff, direkt betrieben mit 230V / 50Hz. Der Lichtbogen überspringt ca. 4.5 bis 5cm selbstständig bei der Initialzündung. Dieser Trafo sollte strombegrenzt werden, denn er liefert ohne Strombegrenzung über 100mA im Kurzschluss, ist aber wohl eher für etwa 10mA ausgelegt und selbst dies wohl nur für eher kurze Runs, wie es halt bei Zahnröntgenaufnahmen üblich ist. Ohne Strombegrenzung zieht der Trafo satte 22A vom Netz, wenn ein Lichtbogen brennt. Dieses Exemplar hier hat zwei am Kern mittelpunktgeerdete, vergossene HV-Spulen, muss aber dennoch in einem Ölbad betrieben werden, da die Anschlüsse teilweise schon recht nah beieinander sind und auch keine grossen Abstände zwischen Eisenkern und HV-Spulen liegen. Der Trafo ist recht kompakt für seine hohe Ausgangsspannung und wiegt geschätzt nur etwa 4 bis 5kg. Nachfolgend einige Bilder vom Trafo trocken und im Ölbad. Ich habe billiges Rapsöl verwendet.
Röntgentrafo aus Dentalröntgengerät mit 65kVp Röntgentransformator im Ölbad HV-Anschlüsse, Ansicht von oben
Die nachfolgend abgebildeten 50Hz-Röntgentrafos sind mittlerweile nicht mehr in meinem Besitz. Den grossen Giessharztrafo habe ich zwischenzeitlich vor einem Umzug verkauft, die anderen beiden entsorgt (Gründe siehe weiter unten). Der grössere der beiden runden stammte gemäss Vorbesitzer aus einer alten Siemens Röntgenkugel, der kleine aus einem Zahnröntgengerät. Beide lieferten ca. 50kVp, also rund 38kVeff.
Verschiedene Röntgentrafos
Achtung! Röntgentrafos sind in ihrer Originalanwendung meist in einem Ölbad gelagert (aus Isolationsgründen). Alte Röntgentrafos können daher durchaus mit PCB's kontaminiert sein!! Aus diesen Gründen entschied ich mich schweren Herzens dazu, meine beiden 50Hz-Röntgentrafos fachgerecht entsorgen zu lassen. Ich rate deshalb auch nicht zum Kauf solcher Trafos, obwohl diese teilweise ausgezeichnete elektrische Eigenschaften aufweisen.
Umbau eines kleinen Röntgentrafos
Röntgentrafos werden, wie bereits oben erwähnt, in ihrer Originalanwendung in einem Ölbad betrieben. Dieses gewährt trotz kleiner Bauweise eine ausreichende Isolierung gegen Korona und Hochspannungsüberschläge. Da die Handhabung durch das Ölbad etwas mühsam wird, wollte ich den Trafo so umbauen, dass er "trocken", also in Luft, betrieben werden kann. Das Hauptproblem bei kleinen Röntgentrafos liegt darin, dass die Hochspannungsanschlüsse sehr nahe beieinander liegen und auch wenig Platz zwischen dem geerdeten Metallgehäuse und den HV-Ausgängen zur Verfügung steht. Dadurch kommt es im Betrieb in Luft immer wieder zu Überschlägen, welche die Isolation des Trafos beschädigen können. Ist erst mal eine Kriechstrecke eingebrannt, kommt es dort immer häufiger zu Überschlägen, was schliesslich zur Zerstörung des Transformators führen kann.
Röntgentrafo: Vor und nach dem Umbau
Um eine ausreichende Isolation für den Betrieb ohne Ölbad zu gewährleisten, wurde der Trafo wie folgt modifiziert. Die Anschlüsse der Heizwicklung, die ebenfalls auf hohem Potenzial gegen Erde sind, wurden relativ kurz abgeschnitten und die Enden mit Schrumpfschläuchen abgeschlossen. Diese Drahtenden wurden möglichst in die Mitte des Trafos gebogen, damit sie nicht in die Nähe des geerdeten Metallgehäuses gelangen können (um Überschläge aufs Metallgehäuse zu verhindern). Anschliessend sprayte ich das ganze grosszügig mit "Plastik-70"-Spray ein, um eine erste, hauchdünne Isolierschicht aufzubringen. Nach dem Trocknen des Plastiksprays nahm ich Porzellanisolatoren, die ich mal aus einem defekten Neontrafo ausgebaut hatte, und lötete diese möglichst eng an die Hochspannungsanschlussdrähte. Nun füllte ich die Innenräume der Keramikisolatoren mit Heisskleber und goss im gleichen Zug genug Heisskleber rund um den Isolator, sodass dieser mechanisch hält. Genau gleich kann mit dem anderen Isolator verfahren werden. Sämtliche Ritzen zwischen Metallgehäuse und Hochspannungs-/Heiz-Anschlüssen müssen so gut wie irgendwie möglich mit Heisskleber vollgepumpt werden, wenn möglich ohne Lufteinschlüsse! Sollte es trotzdem Lufteinschlüsse geben oder sollte der Heisskleber zu wenig verlaufen beziehungsweise Schichten bilden, so kann man das Ganze später zum Glück noch ziemlich gut nachbearbeiten mit einem Haartrockner oder besser mit einem leistungsstarken Industriefön. Heizt man die Klebmasse nämlich grossflächig nochmals auf, so verläuft diese zu einer relativ kompakten Isoliermasse ohne Einschlüsse.
Tipp: Sollten keine Keramikisolatoren zur Verfügung stehen, so können auch defekte (oder intakte) Haussicherungen eingesetzt werden. Dazu entfernt man die seitlichen Metallkappen, schüttet den Quarzsand weg und erhält ein äusserst robustes, hochisolierendes Keramikröhrchen mit hervorragenden Eigenschaften hinsichtlich Temperaturbeständigkeit, Isolierfähigkeit und mechanischer Stabilität. Die kleinen Haussicherungen eignen sich dafür am besten.
Und so sieht der fertig umgebaute Trafo schlussendlich aus:
Nach dem Umbau des Trafos konnte die Ausgangsspannung problemlos auf 20kV eingestellt werden, ohne einen Überschlag auf das Gehäuse oder einen internen Durchschlag der Isolation befürchten zu müssen. Habe die Spannung sogar kurzzeitig noch weiter erhöht auf 27kV und der Trafo hat auch dies verkraftet. Allerdings bin ich in solchen Dingen immer etwas vorsichtig, denn man merkt meistens erst zu spät, dass es offenbar zuviel des Guten war ;-)
Röntgentrafo mit Giessharz-Isolierung
Der nachfolgend abgebildete Giessharz-Röntgentrafo ist eine Besonderheit. Er muss nicht in Öl betrieben werden. Die Isolierung besteht aus einem Giessharz, ähnlich wie bei einem Messwandler. Der Trafo kann maximal etwa 35kV liefern, zudem kann ein hoher Strom entnommen werden. Der Trafo muss unbedingt strombegrenzt werden. Das Gewicht dieses Monsters beträgt fast 40kg. Dieser Trafo ist mittlerweile nicht mehr in meinem Besitz.
Röntgentrafo mit Giessharz-Isolation Test: Kräftiger, brummender Lichtbogen