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www.kilovolt.chAuf der folgenden Seite sollen die Eigenschaften und Anwendungsbereiche spezieller, passiver Hochspannungs- und Leistungsbauteile beschrieben werden, die für unser Hochspannungshobby von grossem Nutzen sind. Leider sind solche Spezialbauteile, die man nicht mehr bei Standard-Elektronik-Versandhäusern erhält, oft sehr schwer zu finden. Gute Quellen hierfür sind Amateur-Funker-Flohmärkte und Online-Autkionshäuser wie ebay oder ricardo. Gute Hochspannungsbauteile können auch aus HF-Sendern, Radargeräten oder anderen HF-Instrumenten ausgebaut werden. Gewisse hochspannungsfeste Bauteile lassen sich auch selber herstellen aus Ketten mehrere Niederspannungsbauteile (dies gilt für Kondensatoren, Dioden und Widerstände). Allerdings haben solche Serieschaltungen oft auch Nachteile bezüglich ihren Hochfrequenz-Eigenschaften oder ihrem Impulsverhalten. Besonders kritisch sind Bauteile in Schwingkreisen von Teslaspulen und Induktionsheizern oder Kondensatoren für Marxgeneratoren und andere Impulsanwendungen. Oft können in solchen Fällen nur spezifische Spezialbauteile eingesetzt werden. Einige solcher passiver Komponenten sollen hier vorgestellt werden.
Keramische Kondensatoren sind meist für hohe Spannungen und hohe Frequenzen ausgelegt. Sie arbeiten meist auch unter Extrembedingungen sehr stabil und zuverlässig. Nachfolgend eine kleine Auswahl an keramischen Kondensatoren:
Doorknobs: Keramische Hochspannungskondensatoren. Aufgepasst: Die Bezeichnung "680n" auf dem zweiten Bild entspricht nicht etwa 680nF, sondern 680pF.Die Batterie rechts dient nur als Grössenvergleich. Auf dem letzten Bild ist ein HF-tauglicher Hochspannungs-Kondensator mit hoher Blindleistung zu sehen (20kVA). Seine Spannung beträgt 13kV, die Kapazität 1nF. Die Zündholzschachtel dient dem Grössenvergleich.
Bei den Kondensatoren in der oberen Bildreihe handelt es sich um keramische Hochspannungskondensatoren mit relativ kleinen Kapazitätswerten im Bereich einiger hundert pF bis einige nF, sogenannte "Doorknobs" (weil sie aufgrund ihrer Bauform an einen Türgriff erinnern). Sie sind extrem robust und lassen sich ideal einsetzen bei Höchstanforderungen an Impulsfestigkeit und für hohe Frequenzen. Die Anschlüsse sind meist als dicke, niederohmige Schraubverbindungen ausgeführt. Beispielsweise sind sie gut geeignet für Schwingkreisanwendungen bei Teslaspulen oder auch für den Bau von Marxgeneratoren. Bei meiner VTTC-2 habe ich ebenfalls auf solche Kondensatoren zurückgegriffen. Leider sind Doorknobs sehr teuer und schwer erhältlich, besonders hier in der Schweiz. Ab und zu findet man sie auf Elektronik- und Funkerflohmärkten oder auch auf ebay (oft stammen sie aus der Ukraine, China oder der USA).
Kostengünstigere Variante keramischer HV-Kondensatoren mit weniger Impulsfestigkeit, aber dennoch für Spannungen im kV-Bereich.
Kondensatoren wie die oben abgebildeten können zwar weniger grosse Impulsströme verkraften als die oben erwähnten Doorknobs, dafür sind sie sehr kompakt. Sie sind gut für kleine Marxgeneratoren oder es lassen sich damit praktische, kleine, hochspannungsfeste HF-Filter bauen, beispielsweis ezum Vermeiden von HF-Rückwirkungen aufs Netz bei SSTCs und VTTCs.
Die nächsten drei Bilder zeigen eine ganz spezielle und teure Kondensatorenart: Ein Vakuum-HV-Kondensator. Solche Kondensatoren werden aufgrund ihrer extremen Spannungsfestigkeit und HF-Tauglichkeit in Hochfrequenz-Sendern eingesetzt. Der abgebildete Vakuum-Kondensator ist der einzige, den ich besitze. Er hat zwar nur gerade 100pF Kapazität, dafür aber 35kV RMS und 60kV Peak-Spannungsfestigkeit. Der Verlustfaktor dieses Kondensators ist so gering, dass selbst eine teure Labor-RLC-Messbrücke (Fluke PM6304) diesen nicht messen konnte. Die tatsächlich gemessene Kapazität liegt nahe am Nennwert (99.6pF).
Vakuum-Hochspannungskondensator 100pF / 35kV RMS
Der Durchmesser dieses Monsters beträgt an der dicksten Stelle rund 7cm. Die Anschlüsse messen 2cm im Durchmesser. Aufgrund seiner niedrigen Kapazität ist dieser Kondensator natürlich für hochfrequente Anwendungen prädestiniert, wie beispielsweise meine HF-VTTC-2. Allerdings habe ich den Einsatz bisher noch nicht ausprobiert. Solche Teile kaufe ich meist auch nicht unbedingt mit direkter Absicht für ein spezifisches Projekt, sondern dann, wenn sie mir günstig oder fast kostenlos über den Weg laufen. Dieser Kondensator wurde zu einem Schnäppchenpreis auf ricardo.ch ersteigert.
Das Anwendungsgebiet von impulsfeste Folienkondensatoren umfasst eine breite Palette an Möglichkeiten, angefangen bei konventionellen Spark-Gap-Teslaspulen und DRSSTCs über Projekte wie kleine Marxgeneratoren oder Induktionsheizer etc. Die Möglichkeiten sind fast unbeschränkt. Da diese Folienkondensatoren jedoch meist in grosser Zahl in Serie geschalten werden und damit eine grosse Stückzahl erforderlich wird, sind solche MMCs (Multi-Mini-Cap) meist relativ teuer. Dennoch lassen sich oft ziemlich kompakte Hochspannungskondenstaoren herstellen im Bereich einiger nF mit bis zu einigen Dutzdend kV Spannungsfestigkeit. Besonders robust und beliebt sind WIMA Caps vom Typ FKP-1.
Ein MMC besteht aus einer Serie- und/oder Parallelschaltung mehrere kleinerer Folienkondensatoren, wie auf dem dritten Bild zu sehen. Zu jedem Kondensator sollte parallel ein hochohmiger Entladewiderstand parallel geschalten werden, um eine sichere Entladung nach Gebrauch sicherzustellen und auch um die Spannung gleichmässig auf die einzelnen Kondensatoren zu verteilen. Die Entladewiderstände sind beim abgebildeten MMC auf der Unterseite des Prints angebracht.
Spezielle Hochspannungskondensatoren im µF-Bereich können aus Mikrowellengeräten ausgebaut werden. Solche Kondensatoren haben typischerweise um die 1µF Kapazität bei einer Spannungsfestigkeit von ca. 2.1kV (es gibt auch leicht abweichende Werte). Solche Kondensatoren sind gut für Spannungsverdoppler im Zusammenhang mit Mikrowellentrafos oder als HV-Glättung. Sie sind jedoch nicht impulsfest!
=> Für weiterführende Informationen zu dieser Kondensatorart oder zu anderen brauchbaren Hochspannungsbauteilen aus Mikrowellenöfen klicken sie bitte hier.
Nachfolgend ist eine kleine Auswahl von Hochlast- und Hochspannungswiderständen abgebildet. Ganz links sind zwei grosse Keramik-Rohr-Widerstände zu sehen, jeder hat 220 Ohm und 250W Leistung. Die vier kleineren im oberen Bildteil sind 4 Stück 1500 Ohm mit je 50W. In der Praxis besonders häufig anzutreffen sind die goldenen und weissen Leistungswiderstände. Sie bewegen sich im Bereich einiger 10W und können oft aus Alltags-Geräten ausgebaut werden. Sie sind jedoch auch im normalen Elektronik-Fachhandel erhältlich.
Leistungswiderstände sind für viele Anwendungen im Hobby-HV-Bereich interessant. Sie dienen vorallem der Strombegrenzung bei hohen Einschaltströmen grosser Induktivitäten. Grössere Leistungswiderstände wie diejenigen im oberen Bild rechts sind auch praktisch für VTTC-Feedbackzweige und anderes.
Grössere Keramikwiderstände
Hochspannungs-Widerstand aus einer defekten HV-Sonde. Er ist ca. 20cm lang, sein Wert beträgt 999 MOhm. Dieser bildete zusammen mit einem 1.11MOhm-Widerstand und dem 10MOhm-Innenwiderstand eines Standard-Digital-Multimeters einen genauen 1000:1 Spannungsteiler, um eine Hochspannung in kV als Spannung in V messen (darstellen) zu können. Ein solcher Widerstand muss nicht nur hochspannungsfest sein, sondern auch eine gute Präzision haben und genügend Leistung ertragen können.
Auch sehr praktisch im Experimentieralltag sind solche Leistungs-Schiebewiderstände, wie sie oft für Laboranwendungen eingesetzt werden. Diese zwei erhielt ich fast kostenlos auf einem Funkerflohmarkt. Der eine deckt einen Bereich von 0 bis 1000 Ohm ab (Imax = 0.9A, bei 1000 Ohm sind das über 800W!), der andere von 0 bis 240 Ohm (bei Imax = 1.7A!). Solche Schiebewiderstände können kurzzeitig durchaus etwas überlastet werden, wenn man den Abgriff nicht verstellt während der Belastung.
Hochspannungsdioden können fertig gekauft werden, oder man kann sich seine HV-Dioden selber zusammenbauen aus einer Reihe "normalen" Niederspannungsdioden. Dies ist für die meisten Fälle zu empfehlen, denn HV-Dioden sind oftmals teuer und ertragen dann doch nicht wirklich hohe Ströme, was beispielsweise bei einem Levelshifter in einer VTTC ein wichtiges Kriterium ist.
Eine HV-Diode kann leicht selber gebaut werden, indem man eine Reihe Niederspannungsdioden in Serie verlötet und dann in einem kleinen Kunststoffrohr vergiesst, beispielsweise mit Heisskleber, Wachs oder einem geeigneten Harz. Auf dem folgenden Bild ist eine solche Diode zu sehen, welche aus einer Kette von 20 Stück 1N4007 besteht, vergossen in einem Kunststoffrohr. Eine 1N4007 hat eine Sperrspannung von 1000V und einen Durchlassstrom von bis zu 1A. Für noch höhere Ströme ist beispielsweise die BY255 zu empfehlen oder die BY1600 (beide sind für 3A Durchlasstrom spezifiziert). Die 1N4007 und die BY255 sind oft in grösseren Restposten-Mengen günstig auf ebay oder ricardo zu finden.
Aufgrund der Spannungsverteilung eignet sich nur eine Serieschaltung vieler kleinerer Dioden zu einer grossen HV-Diode, Parallelschaltungen funktionieren nicht, da die Dioden nie genau die gleiche Sperrspannung aufweisen und somit immer eine früher leitet als die andere(n). Dies führt wiederum dazu, dass der gesamte Strom nur über die zuerst leitende Diode fliesst und diese zerstört. Auch bei einer Serieschaltung von mehreren Dioden empfiehlt es sich, parallel zu jeder Diode einen hochohmigen Ausgleichswiderstand zu schalten, um eine gleichmässige Spannungsaufteilung auf die einzelnen Dioden zu erzielen. Bei einer grosszügigen Überdimensionierung ist dies jedoch gemäss meinen Erfahrungen nicht zwingend notwendig.
Kommerzielle HV-Dioden, wie sie auf den nächsten zwei Bildern zu sehen sind, können aus verschiedenen Geräten ausgebaut werden. Die Diode auf dem ersten Bild stammen aus alten schwarz-weiss TV-Geräten. Die Diode auf dem zweiten Bild ist eine Hochspannungsdiode aus einem Mikrowellengerät. Solche Dioden sind relativ leistungsfähig, sie haben meist eine Sperrspannung von rund 12kV und einen Durchlassstrom um die 500mA. Weitere kommerzielle Hochspannungsdioden können aus Röntgengeräten (meist hohe Sperrspannung, dafür niedriger Strom), aus Insektenvernichtern (relativ schwach!), aus Radargeräten und diversen anderen Instrumenten ausgebaut werden. Oft werden auch HV-Dioden auf Auktionsplattformen wie ebay oder ricardo angeboten.
Hochspannungsdioden aus alten s/w-Fernsehgeräten Hochspannungsdiode aus Mikrowelle
Porzellanisolatoren zählen natürlich im weitesten Sinne ebenfalls zu den "passiven Hochspannungsbauelementen". Der Vollständigkeit halber seien sie deshalb hier auch noch erwähnt. Auf dem folgenden Bild sieht man eine kleine Auswahl:
Verschiedene Porzellan-Hochspannungs-Isolatoren
Woher können Isolatoren beschafft werden? Kleinere Porzellanisolatoren findet man ab und zu bei Neontrafos, speziell bei denen mit Metallgehäuse von Neoncomp. Daher kann es sich auch lohnen, defekte Neontrafos zu sammeln, wenn sie solche Isolatoren enthalten. Es handelt sich dabei um sogenannte Durchführungsisolatoren, mit deren Hilfe die Hochspannungsanschlüsse isoliert durch das geerdete Metallgehäuse durchgezogen werden können.. Diese sind jedoch manchmal schwierig zu entfernen, weil sie oft mit einer zähen Klebmasse am Gehäuse befestigt werden.
Porzellanisolatoren sind auch im Zusammenhang mit Funkermaterial zu finden, weil an grösseren Antennen meist Hochspannungen auftreten, welche gegen Erde isoliert werden müssen. Amateur-Funker-Flohmärkte sind daher ein guter Ort, um solches Material günstig zu bekommen.
Die klassische Quelle für Porzellanisolatoren sind natürlich die Elektrizitätswerke und die Bahnbetriebe. Beim Wechsel auf höhere Spannungsebenen oder bei Neuinstallationen fallen eine Menge ältere Isolatoren an, welche aufgrund von höheren Betriebsspannungen oder aufgrund ihres Alters nicht mehr weiter verwendet werden können/dürfen. Dieses Material muss deshalb absolut nicht schlecht oder zweitklassig sein, sondern es entspricht einfach nicht mehr den neuesten Normen und Sicherheitsanforderungen. Für unser Hobby sind solche Isolatoren Gold wert. Besonders Stützisolatoren sind praktisch für Versuchsaufbauten wie Jakobsleitern und ähnliches.
Zur Not können auch andere keramische Bauteile zu Isolatoren umfunktioniert werden. Relativ gut geht das beispielsweise mit defekten Haussicherungen (wenn der Haushalt noch über Schmelzeinsätze verfügt, ansonsten kann man sich auch eine Packung neuer Sicherungen günstig kaufen). Solche Schmelzsicherungseinsätze sind aus Keramik und haben inwendig eine Art Quarzsand, um einen allfälligen Lichtbogen im Fehlerfall sauber löschen zu können. Öffnet man eine solche Sicherung und giesst den Sand aus, so hat man einen guten Grundkörper aus Keramik für den Bau eines kleinen Durchführungsisolators.
Besonders für hochfrequente VTTCs eignen sich grössere Spulen aus HF-Sendern. Sie können entweder als Sekundärspule dienen, oder aber als Drossel im Speisungszweig. Die nachfolgend gezeigte Spule ist mit Silberdraht (gute Leitfähigkeit) auf einen Porzellankörper gewickelt. Selbst eine sehr heisse Plasmaflamme einer HF-VTTC kann diesem Spulenkörper nichts anhaben. Plastikrohre verformen sich leider recht schnell bei Leistungen von einigen hundert Watt.
Spulen dieser Art oder zumindest leere Keramikkörper können typischerweise auf Amateurfunkerflohmärkten erstanden werden. Diese Spule habe ich freundlicherweise von Andreas Kilchenmann geschenkt bekommen. Ganz herzlichen Dank, Andy!
HF-Spule mit Silberdraht auf Keramikkörper