100kV-Hochspannungskaskade (engl. Voltage-Multiplier)

In letzter Zeit habe ich mich etwas näher mit den Eigenschaften und der Dimensionierung von Kaskaden befasst. Kaskaden finden in der Technik überall dort Anwendung, wo hohe Spannungen bei eher geringen Strömen gefragt sind, wie beispielsweise in der Röntgentechnik, in Fernsehern oder für Rauchgasreinigungen auf elektrostatischer Basis.

Zu Testzwecken habe ich mir die im folgenden beschriebene, siebenstufige Kaskade mit ca. 100kV Leerlaufspannung gebaut.

Neuer Aufbau der Kaskade als "Turm" 100kV-Lichtbogen

Der Aufbau

Das Setup besteht im Wesentlichen aus kleinen Kondensatorarrays mit jeweils ca. 3nF / 16kV und Dioden aus Mikrowellenöfen mit je 16kV Spannungsfestigkeit. Um die Dioden vor den teils heftigen Kondensatorentladungen zu schützen, wurde zur Strombegrenzung eine Widerstandskette mit zehn Leistungswiderständen zu je 13kOhm in Serie implementiert (neu sind es 19 Leistungswiderstände à je 6.8kOhm im Keramikgehäuse). Gespeist wird die Schaltung (momentan noch) mit einem kleinen AC-Zeilentrafo, welcher wiederum von einem Royer-Converter im ZVS-Modus betrieben wird. Da der AC-Zeilentrafo etwas schwach für diese Anwendung ist, ist der Bau eines grösseren Ferrittrafos bereits in Planung. Dies wird jedoch noch etwas Zeit in Anspruch nehmen. Um die Eingangsspannung überwachen zu können, wurde eine hochfrequenztaugliche Hochspannungssonde in Verbindung mit einem Oszilloskop verwendet.

Ursprüngliches, provisorisches Experimentier-Setup

Neu erfolgte der Aufbau vertikal in die Höhe (siehe oberstes Bild). Die Dioden wurden fest auf die Plexiglasplatte geschraubt und dienen als tragendes Element. Die Plexiplatte selber ist mit Metallwinkeln an einer Holzgrundplattebefestigt. Als AC-Eingang dient eine Keramiklüsterklemme eines Neontrafos. Was noch fehlt ist die Widerstandskette zur Begrenzung des Stroms. Mit ein bisschen Glück findet diese oben an der Kaskade noch Platz.

Betrieb

Das aufdringliche Knistern während dem Betrieb erinnert an einen Schwarm aggressiver Insekten. An scharfen Kanten wie beispielsweise Lötstellen kommt es zu Koronaentladungen, welche man bei abgedunkeltem Raum gut sehen kann. Zudem entsteht nach kurzer Zeit entsprechend Ozongeruch. Durch die hohe Gleichspannung lädt sich fast alles in der Nähe statisch auf, auch der menschliche Körper bzw. die Kleider. Dies merkt man spätestens dann, wenn man überall kleinere Schläge kriegt bei Berührung beliebiger, metallischer oder geerdeter Objekte. Die Kaskade sollte unbedingt an ihrem Fusspunkt geerdet werden (Schutzleiter der Steckdose genügt), um eine Zerstörung der Speisung zu vermeiden. Zudem müssen die Kondensatoren unbedingt nach jedem Betrieb entladen werden.

Nachfolgend einige Bilder vom Betrieb:

Starke Koronaentladungen und Ionenwind, kurz vor dem Überschlag mit etwa 10 bis 12cm Elektrodenabstand

100kV-Überschlag auf geerdeten Arcstick

Lichtbogen-Überschlag mit höherem Strom aufgrund angepasster Frequenz

Das Setup wurde nun noch etwas verbessert (siehe Beschrieb des neuen Ferrit-Trafos weiter unten). Der Zeilentrafo wurde durch einen grossen Ferrittrafo ersetzt. Dies hat zu einer erheblichen Leistungssteigerung geführt. Die Funken prasseln nun richtig schnell aufeinander, es ergibt sich praktisch eine stehende Entladung. Ein Filmchen hierzu ist nachfolgend zu finden:

Low-Power mit viel Korona

Energiereiche Lichtbogenentladung

Speisung

Um am Ausgang der Kaskade noch einigermassen dauerhafte Entladungen erreichen zu können, ist eine erhebliche Eingangsleistung nötig. Der anfänglich verwendete AC-Zeilentrafo war leider nicht sehr leistungsstark und sein Kern wurde schnell heiss. Um die Kondensatoren schneller nachladen zu können, habe ich mich zum Selbstbau eines Ferrit-Trafos entschlossen. Einen relativ grossen Kern hatte ich glücklicherweise bereits hier (dies war mal ein grosszügiges Geschenk eines Mitgliedes des Mosfetkiller-Forums, an dieser Stelle nochmals ganz herzlichen Dank,plasmarist!).

Primärseitig wurde der Trafo mit insgesamt 6 Windungen und Mittelabgriff versehen, sekundärseitig wurden ca. 450 Windungen Kupferlackdraht mit 0.15mm Durchmesser auf ein Poly-Propylen-Rohr aufgebracht und mit etwas Plastikspray mechanisch befestigt (ähnlich einer Sekundärspule für eine TC). Die Isolation ist für 5kV offenbar noch keine grosse Herausforderung. Es war nicht einmal nötig, das eine Ende der HV-Wicklung auf den Kern zu legen und diesen zu erden. Um genau 5kVeff AC Eingangsspannung für die Kaskade zu erzielen, wurde die Ausgangsspannung des Trafos mittels einer hochfrequenztauglichen Hochspannungssonde und einem Scope unter Last gemessen und die Eingangsspannung des Royer-Converters solange erhöht, bis die Spannung des Trafos genau richtig war. Mit 5kVeff Eingangsspannung an der Kaskade ist theoretisch eine Ausgangsspannung von 2*1.414*5kV*7 = ~ 99kV zu erreichen im Leerlauf. Unter Last fällt diese jedoch aufgrund der relativ niedrigen Kapazitäten schnell zusammen.

Selbstbau-Ferrittrafo für die Speisung Ursprünglich verwendeter, kleiner AC-Zeilentrafo

Einige Erkenntnisse

Die Schaltung zieht mittlerweile ca. 500W Wirkleistung, solange ein Lichtbogen brennt. Bei 30V DC Eingangsspannung des Royerconverters ergibt sich ein Strom von etwas mehr als 16A (gemessen mit Fluke-337 Stromzange). Dies ist weniger, als ich vermutet hätte und wird vermutlich nur durch die hohe Effizienz der Trafoansteuerung im ZVS-Modus ermöglicht.

Richtige Lichtbögen ergaben sich übrigens erst bei der Wahl der richtigen Frequenz. Die Dioden haben bei Frequenzen von mehr als etwa 20kHz so hohe Schaltverluste, dass es nur noch für einzelne, knatternde Funken am Ausgang reichte, trotz erheblicher Eingangsleistung. Mit zu tiefer Frequenz (beispielsweise 50Hz) ergibt sich jedoch die Problematik, dass die Kondensatoren zu langsam geladen werden, was auch wieder zu einem schlechten Output führt. Die jetzige Frequenz, welche so bei 8 bis 10kHz liegen dürfte, scheint ideal zu sein. Ein idealer Energietransfer zwischen Trafo und Kaskade erfolgt dann, wenn der kapazitive Blindwiderstand der ersten Kaskadenstufe genau der Ausgangsimpedanz des Trafos entspricht. Dies habe ich jedoch nicht berücksichtigt bei meinem Aufbau, da ich einfach mit dem bereits vorhandenen Material auskommen musste.

Damit die Dioden keinen Schaden nehmen, sollte man den Strom mit genügend Widerständen begrenzen. Meine Dioden können 750mA Dauerstrom verkraften, in Form von kurzen Impulsspitzen vermutlich noch etwas höhere Ströme. Wenn man von einer Leerlaufspannung von 100kV ausgeht und berücksichtigt, dass die Kondensatoren für kurze Zeit praktisch beliebige Ströme liefern können, so müsste man die Widerstandskette eigentlich so dimensionieren, dass nie mehr als der maximal erlaubte Diodenstrom (in meinem Fall 750mA) fliessen kann. Dies ergibt theoretisch einen geforderten Widerstandswert von R=U/I = 100kV/0.75A ~= 133kOhm (ich habe bei meinem Aufbau eine Serieschaltung von 19*6.8kOhm, was knapp 130kOhm ergibt, also eher etwas knapp). Die Widerstände sollten natürlich genügend spannungsfest sein, in meinem Fall fällt theoretisch im schlimmsten Fall pro Widerstand eine Spannung von ca. 5.3kV ab. Dies habe ich mit relativ grossen Leistungswiderständen gelöst, welche jeweils in Dreiergruppen in Installationsröhrchen eingegossen wurden. Jeder dieser Widerstände ist etwa 7 bis 8cm lang, genug, damit keine ungewollte Gleitentladung über das Gehäuse des Widerstands erfolgen kann.

Grundsätzlich bin ich sehr zufrieden mit den Ergebnissen, die der Aufbau zum Schluss lieferte. Auf diese Weise lässt sich mit vertretbarem Aufwand eine sehr leistungsfähige Hochspannungsquelle für extreme Spannungen bauen, und dies sogar mit relativ geringem Budget. Ein 50Hz-Trafo mit gleichen Daten (beispielsweise aus einem grösseren Röntgengerät) würde ungleich mehr kosten und wäre sehr viel schwerer. Wenn man also hohe DC-Spannungen mittlerer Leistung benötigt, könnte dies eine interessante Möglichkeit der Erzeugung sein.

Und nachfolgend noch eine kleine Doku zu den neusten Erkenntnissen, die ich schon so im Mosfetkiller-Forum niedergeschrieben habe und aus Faulheit hier fast wortwörtlich wiederhole:

Ganz besonders möchte ich auf die Kondensatoren der ersten Stufe eingehen, welche meiner Ansicht nach eine Schlüsselposition für die Leistung des gesamten Setups einnehmen. Wie ich schon mal irgendwo erwähnte, sollte der kapazitive Blindwiderstand der ersten Stufe zusammen mit der Impedanz des Trafos genau die Resonanzfrequenz haben, welche der Betriebsfrequenz entspricht, oder anders ausgedrückt, der kapazitive Blindwiderstand der ersten Stufe und die Impedanz des Trafos sollten bei der gegebenen Betriebsfrequenz gleich gross sein. In diesem Fall herrscht Leistungsanpassung, sodass die Leistung des Trafos optimal in die Kaskade übertragen wird. Dies konnte ich nun experimentell nachweisen und noch einige andere interessante Einzelheiten.

Irgendwann musste ich feststellen, dass nach längerer Laufzeit immer der gleiche Kondensator der ersten Stufe kaputt ging. Zuerst dachte ich, dass dies nur unter gewissen Bedingungen passierte, beispielsweise wenn die Funkenstrecke am Ausgang zu weit eingestellt war. Mit der Zeit wurde mir jedoch klar, dass der besagte Kondensator offenbar viel stärker belastet wurde als die anderen in den oberen Stufen. Ich ersetzte also diesen Kondensator durch einen Doorknob mit einer geringfügig höheren Kapazität und vor allem auch einer höheren Spannungsfestigkeit. Zwar ging dieser Kondensator dann nicht mehr kaputt, jedoch wurde der Output der Kaskade massiv schlechter. Von den anfänglichen Lichtbögen war nur noch lila Gefritzel übrig, obwohl ich sonst nichts verändert hatte und ich der Ansicht war, dass eine höhere Kapazität in jedem Fall besser sein müsste. Als ich dann den anderen Kondensator der ersten Stufe ebenfalls durch einen gleichen Kondensator ersetzte, war der Output wieder besser, aber noch nicht ganz hundertprozentig. Schliesslich passte ich die Frequenz leicht nach unten an, da der Kapazitätswert der ersten Stufe nun ja doch einiges höher lag, was dann tatsächlich wieder zum gewünschten Erfolg führte bzw. sogar noch eine leicht bessere Leistung ergab als bisher. Insgesamt sind nun in der ZVS 9 Stück 0.33µF/1600V parallel verbaut, was also knapp 3µF ergibt. Es können zwei Schlüsse gezogen werden:

- Eine möglichst hohe Kapazität ist erwünscht in der ersten Stufe, damit dort schonmal möglichst viel Energie pro Schwingung übertragen werden kann, gleichzeitig muss aber die Betriebsfrequenz so angepasst werden, dass sie genau der Resonanzfrequenz aus der Kapazität der ersten Stufe (Serieschaltung beider Kondensatoren) und der Induktivität des Trafos entspricht. Vermutlich hatte ich genau diesen Punkt mehr oder weniger durch Zufall gefunden, indem ich die Frequenz solange veränderte, bis die Übereinstimmung gegeben war. Durch den Schwingkreis in Resonanz waren aber die Kondensatoren in der ersten Stufe stärker belastet (Stromüberhöhung durch Parallelschwingkreis).

- Die beiden Kondensatorwerte der ersten Stufe müssen zwingend genau gleich sein! Ist dies nicht der Fall, so verschlechtert sich der Output dramatisch, selbst wenn die Serieschaltung beider Kondenstaoren den richtigen Wert für den Schwingkreis ergeben würde.

Möchte man also eine Kaskade mit möglichst hoher Effizienz bauen, so sollte man diese drei Regeln beachten:
- Möglichst hohe Kapazität bei der ersten Stufe
- Resonanzbedingung einhalten
- Beide Kondensatoren der ersten Stufe gleiche Werte

Wichtig: Kein Leerlaufbetrieb im Resonanzmodus ohne zusätzliche Schutzmassnahmen!

Ein kleines Detail ist mir nachträglich noch eingefallen. Will man den Aufbau in Resonanz betreiben, so darf die Kaskade nicht mehr im Leerlauf betrieben werden ohne weitere Schutzmassnahmen. Das hat den simplen Grund, dass sich die Energie im Schwingkreis ohne Last immer weiter aufschaukelt, bis die beteiligten Kondensatoren der ersten Stufe intern durchschlagen. Als Sicherheitsmassnahme dazu werde ich über den Kondensatoren Sicherheitsfunkenstrecken anbringen, die im Notfall zünden sollen.