erstellt 24.09.2012 |
Hochspannung mit Timer 555 als Taktgeber
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Mit
dem Baustein NE 555 wird ein Taktgenerator aufgebaut der einen Trafo
mit einer bestimmten Frequenz ansteuert.
Die gewählte Frequenz sollte
dem Trafo angepasst werden und kann nicht willkürlich hoch gewählt
werden .
Die meisten Trafos sind für eine Frequenz von etwa 50 Hz ausgelegt
weil das Magnetfeld eine mindest Zeit benötigt um auf
und wieder
abgebaut zu werden.
Bei Zeilentrafos von Fernseher kann beispielsweise
die Frequenz bis über 16 KHz betragen weil dort ein sogenannter Ferrit
Kern
benutzt wird dessen Magnetfeld schneller auf und abgebaut
werden kann.
Im Bild 1 erkennen wir "in der Mitte gestrichelt und umrandet"
den
Baustein NE 555 mit seinen 8 Anschlüsse die aber in unserem Fall nicht
alle benutzt werden.
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Funktion
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Der
Strom fließt über den Trimmer ( oben rechts ) anschließend über den
Trimmer (unten rechts) und lädt den Kondensator C auf,
ist der
Kondensator auf ca 1/3 der Betriebsspannung aufgeladen schaltet das IC
den Ausgang am Pin 3 ,
steigt die Spannung weiter bis auf ca. 2/3 der
Betriebsspannung wird der Ausgang am IC Pin 3 ausgeschaltet und
gleichzeitig wird Pin 7
durch den intern durchgeschalteten
Transistor mit Masse verbunden und entlädt den Kondensator wieder über
den Trimmer ( rechts unten)
bis wiederum 1/3 der Betriebsspannung
unterschritten werden.
Dann beginnt der Vorgang von neuen.
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Bild 1
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im Bild 2
sehen wir zwei übereinander gelegte Signale , um besser die
Abhängigkeit der am Kondensator
anliegende Spannung zum
Ausgangssignal an Pin 3 bei einer Betriebsspannung von 10 Volt zu
erkennen.
Dabei ist das Dreieckig aussehende Signal die am Kondensator
anliegende Spannung und das Rechteckige
Signal dass am Ausgang 3
anstehende Signal.
Jedes Rasterkästchen bedeutet im vorliegenden Fall 2 Volt (Vertikal).
Mann sieht also deutlich das erst bei einer Positiven Spannung von ca.
3,6 Volt am Kondensator,
der Ausgang Pin 3 auf Plus schaltet und bei
einer Spannung von ca. 6,5 Volt der Ausgang Pin 3 auf Null Volt abfällt.
Ladevorgang:
An
den roten Pfeilen (Bild 3) erkennen wir den Stromfluss der genommen wird um als
erstes den Kondensator
der als Zeit bestimmendes Glied fungiert
aufzuladen.
Gleichzeitig wird die Höhe der am Kondensator anliegende Spannung am
Pin 2 des Baustein gemessen
und an den Komparator 2 weitergegeben.
Wenn
die Kondensatorspannung 1/3 der Betriebsspannung erreicht hat, wechselt
der Ausgang des Komparator 2
und schaltet ein RS Flip Flop durch der wiederum unseren Mosfet durchschaltet.
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Bild 2
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Bild 3
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Entladevorgang:
(Bild 4) Wenn der Kondensator 2/3 der Betriebsspannung erreicht
wird der Ausgang an Pin 3 ausgeschaltet und der interne
Transistor
wird durchgeschaltet so das dieser leitend wird und Ausgang
Pin 7 mit Masse verbindet,
dadurch wird der Kondensator über die mit
blauen Pfeile markierten Weg entladen.
Wenn die Kondensatorspannung etwas
unter 1/3 der Betriebsspannung abgefallen ist , sperrt der interne
Transistor wieder
und der Vorgang beginnt von neuen.
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Bild 4
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Wenn
wir uns noch einmal den Lade und Entladevorgang ansehen werden wir
feststellen das beim laden die beiden Trimmer vom Strom
durchflossen
wurden und beim entladen wird nur einer dieser Trimmer vom
Entladestrom durchflossen wird .
Somit ist die Ladezeit länger als die
Entladezeit und mein Ausgangssignal ist damit nicht Symmetrisch,
also
die Zeit für das durchschalten des Transistor ist nicht identisch mit
der Zeit in der der Transistor gesperrt ist.
Das Verhältnis der Zeit
zwischen Ein und Ausschalten nennt man auch Tastverhältnis.
Ein
Tastverhältnis von 1 : 1 würde somit bedeuten das die Zeit für "An" und
"Aus" gleich ist.
Wenn
wir also ein Signal mit einem Tastverhältnis von 1:1
benötigen muss man versuchen Lade und Entladestrom anzugleichen.
Das geht
ganz gut mit einer Diode ( Bild 5) .
So wird beim laden des
Kondensator nur der Obere Trimmer durchflossen und beim Entladen nur
der untere Trimmer.
Das setzt natürlich voraus das beide Trimmer auch
auf gleiche Werte eingestellt sind, oder man verwendet ein
Doppel-Poti.
Nicht
immer ist aber ein Symmetrisches Signal erwünscht, z.B. dann nicht
wenn ich wie hier einen Trafo ansteuern möchte .
Ist nämlich meine
Positive Zeit zu lang würde der Transistor möglicherweise länger als
nötig durchgeschaltet,
das wiederum würde die Verlustleistung am
Transistor unnötig erhöhen er würde also warm werden und
unnötigerweise
meine Batteriekapazität in Wärmeverluste umwandeln.
Ist
diese Zeit aber zu kurz, hat mein Trafo evtl. nicht genug Zeit um sein
Magnetfeld aufzubauen.
Es muss also ein ausgewogenes Verhältnis
geschaffen werden.
Auch wird zu viel Verlustwärme im Transistor erzeugt
wenn der Schaltvorgang nicht schnell genug verläuft also das
Einschalten zu lange dauert,
deshalb ist man bestrebt die Einschaltzeit
möglichst kurz zu halten.
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Bild 5
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Tabelle 1
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Betriebsspannung
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P1 (obere Trimmer)
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P2 (unterer Trimmer
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Kondensator
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Frequenz
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10 Volt
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100k
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100k
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1 uf
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74 Hz
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In Tabelle 1 einige Daten bei bestimmte Bauteile-Dimensionierungen
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Und so sieht nun die fertige Schaltung aus !
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Alternativ kann für den MOSFET IRF510 auch ein NPN Unipolar Transistor beispielsweise vom Typ 2 N 3055 eingesetzt werde.
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Bild 6
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Durch
das einsetzten von Jumper können je nach benötigtem Frequenzband
verschiedene Kondensatoren aktiviert werden , möglich ist es auch
mehrere Jumper zu setzen um mehrere Kondensatoren parallel einzusetzen.
Folgende Frequenzbereiche können bei nachfolgenden Konfigurationen aktiviert werden:
C1
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C2
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C3
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C4
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untere Frequenz in Hz
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obere Frequenz in Hz
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Jumper gesetzt
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-
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-
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-
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69000
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274000
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-
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Jumper gesetzt
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-
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-
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210
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8000
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-
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-
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Jumper gesetzt
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-
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50
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2260
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-
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-
|
-
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Jumper gesetzt
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Als
Trafo hab ich den ersten Versuch mit einer Auto Zündspule gestartet , die hatte
eine besonders Kräftigen Funken und bei 5 Volt
Betriebsspannung bekam
ich eine Ausgangsspannung von etwa 2000 Volt, dieser Versuch wurde bei
verschieden Frequenzen getestet
allerdings war über die Frequenz von
3500 Hz hinaus keine Spannungserhöhung mehr zu erkennen.
Der nächste Versuch
wurde dann mit einen alten Zeilentrafo aus
dem Fernseher gestartet ,damit konnte die Frequenz auf
bis über 123 Khz
erhöht werden mit einer Ausgangsspannung von etwa 40
KV wobei es da sehr auf das
Tastverhältnis ankam,
und somit kam mir zugute das der Timer mit zwei
Potis ausgestattet ist und somit das Tastverhältnis stufenlos geändert
werden kann.
Bei dieser Spannung und bei der Höhe der Frequenz
leuchtet eine kleine kompakt Leuchtstoffröhre auf sobald sie näher als 1
cm an die
Sekundärwicklung ran gebracht wird. Sie muss also nur in die
Nähe gehalten werden.
Die Stromaufnahme betrug dann allerdings ca 250 mA und der MOSFET wurde
deutlich heiß, was mich dazu veranlasste zum dem vorhanden
Mosfet noch
einen parallel zu schalten um die Verlustleistung auf zwei Transistoren
zu verteilen. (Bild 7)
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Bild 7
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Anschließend wurden die Transistoren nur noch lauwarm.
Um die
Transistoren vor Überspannungen der Primärspule zu schützen wurde eine
Glimmlampe parallel zu Primärwicklung angeschlossen .
Falls man keine Glimmlampe zur Hand hat kann man einen solchen aus einen alten Starter für Leuchtstoffröhren entnehmen.
Glimmlampen
zünden bei etwa 80 Volt und verhalten sich ähnlich wie Zenerdioden sie
werden also schlagartig leitend und schließen damit
die Spannungen über
ca 80 Volt kurz.
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Bild 8
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Erweiterung durch Kaskadenschaltung
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Bevor
ich die Kaskadenschaltung an meiner Hochspannung anschließe, starte ich
einen Versuch mit einer kleinen Wechselspannung
um das Ergebnis auf dem
Oszilloskop darzustellen und dieses nicht mit der Hochspannung zu
zerstören.
Durch
eine Kaskadenschaltung oder auch Spannungsverdoppler genannt bestehend
aus zwei Dioden und zwei Kondensatoren wird
die Ausgangswechselspannung
nicht nur gleichgerichtet sondern auch noch verdoppelt.
Als Test
folgende Schaltung die mit einer ca 18 Volt Wechselspannung gespeist wurde,
so erreichen wir am Ausgang eine
Gleichspannung von annähernd 49 Volt
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Ein zweiter Versuch mit zusätzlicher Diode und Kondensator erhöht die Spannung um das dreifache, also von 18Volt AC auf 71 V DC
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Ein
weiterer Versuch mit noch zwei Kondensatoren und zwei zusätzlichen
Dioden erhöht die Eingangsspannung von ca 18 Volt AC
auf ca . 100
Volt DC .
Somit ergibt sich eine fünfache Spannungserhöhung.
Folgende Spannungen müssen die Kondensatoren verkraften, der erste
Kondensator = Eingangsspannung also ca 18 Volt * 1,414 = ca. 26 Volt Dc
An allen weiteren Kondensatoren liegt jeweils eine Spannung von (18*1,414)*2 = 54 Volt Dc.
Anders ausgedrückt liegt am ersten Kondensator die Spitzenspannung der
Eingangsspannung an,
an allen anderen Kondensatoren liegen jeweils die
doppelte Spitzenspannung an.
Da die von mir gewählten Kondensatoren eine Spannungsfestigkeit von 1250 Volt kennzeichnen,
bin ich somit in der Lage eine
Eingangsspannung von ca 425 Volt Ac auf eine Spannung von 3000 Volt
hoch zu jagen.
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liegen
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Bei einen am Ausgang erzeugten Kurzschluss , also Funkenüberschlag ist einer der Transistoren hops gegangen.
Der musste dann erst einmal erneuert werden .
Hab dann gleich den Strom
durch die Transistoren in der Source - Drain Strecke durch
eingesetzte Widerstände (R5 und R6)
auf ein Maximum des zulässigen
Strom begrenzt.
In der Folge konnte dann ein Funkenüberschlag statt
finden ohne das die Transistoren noch einmal Schaden litten.
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Datenblatt IRF 640
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Hier nun die Komplette Schaltung mit 5 facher Kaskadenschaltung zur Spannungsverfünfachung
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aktualisiert 13.11.2021
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