erstellt  24.09.2012
Hochspannung mit Timer 555 als Taktgeber
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.

Funktion
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.

Bild 1


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.
Bild 2
Bild 3


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.


Bild 4


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.

Bild 5


Tabelle 1
Betriebsspannung
P1 (obere Trimmer)
P2 (unterer Trimmer
Kondensator
Frequenz
10 Volt
100k
100k
1 uf
74 Hz






In Tabelle 1 einige Daten bei bestimmte Bauteile-Dimensionierungen


Und so sieht nun die fertige Schaltung aus !

Alternativ kann für den MOSFET IRF510 auch ein NPN Unipolar Transistor beispielsweise vom Typ 2 N 3055 eingesetzt werde.
Bild 6

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
C2
C3
C4
untere Frequenz in Hz
obere Frequenz in Hz
Jumper gesetzt
-
-
-
69000
274000
-
Jumper gesetzt
-
-
210
8000
-
-
Jumper gesetzt
-
50
2260
-
-
-
Jumper gesetzt


 
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)


Bild 7

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.


Bild 8

Erweiterung durch Kaskadenschaltung
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


Ein zweiter Versuch mit zusätzlicher Diode und Kondensator erhöht die Spannung um das dreifache, also von 18Volt AC auf 71 V DC

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.

liegen

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. 


Datenblatt IRF 640


Hier nun die Komplette Schaltung mit 5 facher Kaskadenschaltung zur Spannungsverfünfachung

aktualisiert 13.11.2021
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