Hochspannungskaskade

hochspannungskaskade_test_komMit einer Hochspannungskaskade ist es möglich, eine Wechselspannung in eine hohe Gleichspannung (im Bereich von Kilovolt bis Megavolt) umzuwandeln. Die Schaltung beruht nur auf wenigen Bauteilen (Kondensator + Diode). Eine Hochspannungskaskade ist unter verschiedenen Namen bekannt: „Villard-Schaltung“, „Greinacher-Schaltung“ und „Cockcroft-Walton-Generator/Multiplier“. Der letzte genannte Name beruht auf John Cockcroft und Ernest Walton, die in den 1930er Jahren auf der Basis einer solchen Hochspannungskaskade einen Teilchenbeschleuniger entwickelten. Dieser Generator basiert auf die Schaltung, die Villard entwickelt hat, und später durch Greinacher erweitert wurde. Cockcroft und Walton haben die Schaltung von Greinacher wiederentdeckt und für ihren Teilchenbeschleuniger verwendet. Dies war ein entscheidender Punkt in der Geschichte der Hochspannungsquellen, da man Hochspannungskaskaden heute in sehr vielen Geräten (HV-Netzteile) findet. Oft wird eine Hochspannungskaskade vor einem Marx-Generator geschaltet, um noch höhere Impulse zu erzeugen, oder um ein Hochspannungsnetzteil zu bauen. Das Prinzip einer Hochspannungskaskade basiert auf die Reihenschaltung von mehreren Kondensatoren. Somit wird die Spannung immer weiter hoch gesetzt bzw. multipliziert.

Villard-Schaltung

Die Villard-Schaltung wird oft auch als „Verdopplerschaltung nach Villard“ bezeichnet und besteht aus einer Diode „D“ und einem Kondensator „C“. Die Villard-Schaltung bildet die Grundschaltung einer Hochspannungkaskade:

villard1Abbildung 1 – Villard-Schaltung (Verdopplerschaltung)

verdoppler_schaltungAbbildung 2 – Villard-Schaltung (Verdopplerschaltung), negative Halbwelle (blau), positive Halbwelle (rot)

Als Eingangspannung wird eine normale Wechselspannung mit einem Effektivwert von Ue=7.071V verwendet (als Beispiel). Somit beträgt der Spitzenwert in etwa û=10V. Hauptbestandteil dieser Schaltung bildet der Kondensator. Der Kondensator lädt sich über die Diode bei der ersten negativen Halbwelle auf. Nach ein paar Perioden ist der Kondensator vollständig auf û aufgeladen und es entsteht die doppelte Spannung von etwa Ua=20V (Spitzenwert), weil Ue und der aufgeladene Kondensator eine Reihenschaltung bilden. Das Potential wird also durch den Kondensator auf 2û angehoben. Die Eingangsspannung wird also verdoppelt bzw. die Wechselspannung um einen Offset nach oben verschoben. Die Spannung schwingt nun zwischen 2û und 0V. Die Schaltung wird ideal und unbelastet betrachtet (normalerweise muss hier auch noch die Vorwärtsspannung der Diode von etwa 0,7V beachtet werden).

verdoppler_verlaufAbbildung 3 – Villard-Spannungsverlauf, rot=Ausgangsspannung (Ua), schwarz= Eingangspannung (Ue)

Greinacher-Schaltung

Die Greinacher-Schaltung erweitert die Villard-Schaltung um eine weitere Diode und einen weiteren Kondensator. Der Kondensator dient hier als Speicherkondensator und die Diode als eine Art Sperrventil. Somit kann aus der Villard-Schaltung eine Gleichspannung mit einer gewissen Restwelligkeit erzeugt werden. Die Welligkeit spielt hier allerdings erstmal keine große Rolle. Heinrich Greinacher hat diese Schaltung im Jahr 1913 entwickelt und 1914 veröffentlicht (Zürich). Der Sinn hinter der Erweiterung von der Villard-Schaltung war es, eine damals übliche 110V-Wechselspannung in eine 200-300V große Gleichspannung umzuwandeln.

greinacher1Abbildung 4 – Greinacher-Schaltung – Erzeugung einer Gleichspannung

greinacher_vorgang_01_copyAbbildung 5 – Greinacher-Schaltung – erste negative Halbdwelle

greinacher_vorgang_02_copyAbbildung 6 – Greinacher-Schaltung – zweite positive Halbwelle

 Oft wird vor der eigentlichen Schaltung noch ein Transformator vorgeschaltet, um die Wechselspannung auf eine höhere Spannung zu transformieren und eine galvanische Trennung herzustellen. In der Grundschaltung (siehe Abbildung 4) soll von einer 7,071V-Wechselspannung ausgegangen werden (Effektivwert). Der Kondensator C1 wird als „Schubsäule“ (=Verdoppler) bezeichnet, Kondensator „C2“ als Glättungssäule (=Speicherkondensator/Glättungskondensator). Der Spannungsverlauf der Greinacher-Schaltung ist in der nächsten Abbildung dargestellt:

greinacher1_oscAbbildung 7 – Greinacher-Schaltung (Spannungsverlauf), grün=Spannungsverlauf von Villard-Schaltung (Uv), rot=erzeugte Gleichspannung (Ua) aus der Villard-Schaltung von Greinacher

Abbildung 7 zeigt den Spannungsverlauf der Greinacher-Schaltung. Die Villard-Schaltung hebt die Spannung auf 2û an. Über D2 lädt sich die Speichersäule auch auf 2û auf. Der Aufladevorgang dauert ein paar Perioden länger als bei der normalen Villard-Schaltung (es werden nun zwei Kondensatoren aufgeladen -> „Ladungspumpe“). Weiterhin kommt es in der Schaltung durch die Dioden natürlich auch noch zu Spannungsverlusten (Vorwärtsspannung einer Siliziumdiode etwa 0,6-0,7V). Die Diode „D2“ dient hier als Sperrventil, damit der Kondensator „C2“ sich nicht über „C1“ entladen kann (wichtig). Ansonsten würde C2 die Diode aus der Villard-Schaltung einfach überbrücken. Die Ausgangsspannung Ua ergibt sich bei idealer Betrachtung und unbelastet aus:

Bei einer gebräuchlichen 230V-Wechselspannung ohne Transformator, ergibt sich:

Kaskadierung (Hochspannungkskaskade)

Es lässt sich ziemlich schnell und einfach aus einer Wechselspannung, eine um den Faktor 2, höhere Gleichspannung erzeugen. Die Greinacher-Schaltung lässt sich ganz einfach kaskadieren. Hier kommt es zu einer Serien-Schaltung von Kondensatoren, dessen Spannungen sich addieren. Allerdings wird hier noch kein Hochspannung-Impuls erzeugt, sondern eine Gleichspannungsquelle im Hochspannungsbereich. In dem nächsten Schaltbild ist eine Hochspannungskaskade zu sehen, die eine 230V-Wechselspannung in eine (theoretisch) 1,9kV große Gleichspannungsquelle umwandelt. Dazu wird die Greinacher-Schaltung insgesamt 3 mal hintereinander geschaltet, somit ergibt sich eine 3 stufige Hochspannungkaskade:

3stufehandout1Abbildung 8 – 3-stufige Hochspannungskaskade

3stufenAbbildung 9 – 3-stufige Hochspannungskaskade (Ausgangsspannung ~1,9kV theoretisch)

Durch die Kaskadierung der Greinacher-Schaltung, laden sich alle anderen Kondensatoren auch auf 2û. Die erste Stufe erzeugt die doppelte Spannung (Spitzenspannung), alle anderen Stufen laden sich mit dem selben Spannungswert auf. Somit ergibt sich eine Reihenschaltung der Kondensatoren (jeder Kondensator kann als Spannungsquelle betrachtet werden). Hinter jeder Stufe wird das Potential also um 2û angehoben. Ein großer Vorteil einer solchen Kaskade ergibt sich durch die abgreifbaren Teilspannungen an jeder Stufe (Gleichspannung und Wechselspannung). Die Spannungsfestigkeit aller Bauteile muss mindestens 2û betragen. Der erste Schubkondensator der ersten Stufe wird nur auf û geladen, deswegen werden hier manchmal auch 2-mal die selben Kondensatoren parallel geschaltet, um in allen Kondensatoren die gleiche Ladungsmenge zu erhalten: Q=2ûC. Durch eine Funkenstrecke oder einem Marx-Generator, die an die letzte Stufe angeschlossen wird, können HV-Impulse erzeugt werden. Die Ausgangsspannung ergibt sich aus:

Wobei “n” die Anzahl der Stufen angibt.

Aus der Hochspannungskaskade wie in Abbildung 9 dargestellt, ergibt sich eine Ausgangsspannung von etwa:

In der Simulation ergibt sich eine Ausgangsspannung von 1,9kV, da die Spannungen von den Dioden natürlich noch berücksichtigt werden müssen. Umso höher die Anzahl der Kondensatoren, desto länger brauchen alle Kondensatoren bis sie vollständig aufgeladen sind. Die nächste Abbildung zeigt den Spannungsverlauf der Hochspannungskaskade (gemessen am Punkt „HV“) aus Abbildung 9:

3stufen_oscAbbildung 10 – Spannungsverlauf einer 3-stufigen Hochspannungkaskade (U=230V, C=100nF)

Der Spannungsverlauf (Aufladevorgang) verläuft nach einer typischen e-Funktion (Aufladekurve Kondensator). Bei Belastung der Hochspannungsskaskade kommt es weiterhin zu an einem Spannungsabfall (es fließt ein Wechselstrom) über die Kondensatoren, somit sinkt die Ausgangsspannung. Umso höher der Strom, desto kleiner wird die Ausgangsspannung. Deswegen ist die Anzahl der Stufen praktisch begrenzt (die Gesamtkapazität sinkt durch die Reihenschaltung der Kondensatoren auch immer weiter). Weiterhin wird durch jede Stufe der Innenwiderstand der Kaskade erhöht. Es ist also nicht sinnvoll eine 100-stufige Kaskade zu bauen. Somit werden meistens Hochspannungskaskaden mit wenigen Stufen aber einer hohen Eingangsspannung betrieben. Um den Aufladevorgang zu beschleunigen, wird meistens eine Frequenz im kHz-Bereich gewählt.

Quick’n’Dirty Hochspannungskaskade

Natürlich konnte ich es nicht nur bei der Theorie belassen, das wäre ja langweilig. Also habe ich auf Ebay ein paar Dioden, Kondensatoren und Widerstände bestellt und eine kleine 12-stufige Kaskade aufgebaut. Bevor ich die Kaskade aufgebaut habe, habe ich erstmal eine 10-stufige Kaskade simuliert. DIe theoretische Ausgangsspannung der Kaskade beträgt etwa 6,5kV:

hochkaskade1Abbildung 11 – Simulation einer 10-stufgen Hochspannungskaskade

hochkaskde_oscAbbildung 12 – Spannungsverlauf einer 10-stufgen Hochspannungskaskade (~6,5kV)

hochkaskde_osc_zoomAbbildung 13 – Spannungsverlauf (Detail) einer 10-stufgen Hochspannungskaskade (~6,5kV)

Für den realen Aufbau wurden folgende Bauteile verwendet:

  • 24x 47nF/1kV Folienkondensator
  • 24x 2kV/1A Diode (EM518)
  • 3x 2,7MΩ/3,5kV Widerstand (SCHUTZBESCHALTUNG! 3x 2,7MΩ in Reihe am HV-AUsgang geschaltet)

Somit ergibt sich eine theoretische Ausgangsspannung von:

hochspannungskaskade_test_kom

hochspannungskaskade_test

funke1

funke2

 

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

Time limit is exhausted. Please reload CAPTCHA.