Eine einfache und kompakte Schaltung zur Hochspannungserzeugung zeigt Abb.1. Ein Power-MOSFET wird von drei parallelgeschalteten Treiber-Inverter des CMOS-Baustein 4049 (hex inverting buffers, Parallelschaltung ist erlaubt) angesteuert. Die übrigen Gatter bilden den Impulsgenerator. Dieser aus drei Inverter aufgebaute Oszillator ist bei veränderlicher Betriebsspannung relativ frequenzstabil und unanfälliger gegenüber Störungen. Bei manch anderen digitalen Oszillatoren kann es durchaus vorkommen, daß Störimpulse oder Netzeinbrüche einen Abbruch der Schwingungen herbeiführen und damit die Endstufe zerstören (siehe ebenfalls: Digitale RC-Oszillatoren ).

Hinweis: Allzu häufig wird das Fehlverhalten von Oszillatoren in Ausnahmefällen unterschätzt, übrigens auch in vielen kommerziellen Geräten. Vor allem der Verlauf der Betriebsspannung (Spannungseinbrüche, prellende Schalter, langsam steigende/fallende Speisespannung usw.) kann unvorhersehbare Zustände am Oszillatorausgang hervorrufen: Schwingungsabbruch, Veränderung der Pulsbreite/Frequenz/Amplitude. Besonders bei batteriebetriebenen Geräten (Weidezaunanlagen, Blitzgeräte, usw.) vermag die nachlassende Batteriespannung einen Schwingungsabbruch hervorzurufen, bei dem die Endstufe in einem voll oder teilweise durchgesteuerten Zustand verharrt oder zerstört wird.

Grundsätzlich sollte man Oszillatoren nie unterbrechen, und das gilt insbesondere bei Leistungsschaltungen. In Abb.1 verhindert die Diode D6 mit C2 das sofortige Zusammenbrechen der Betriebsspannung des Generators bei kurzzeitigen hohen Ausgangsströmen (z.B. sekundärseitigem Funkenüberschlag oder Kurzschluß). Mit dem Potentiometer P1 kann die Frequenz (ca. 20kHz) und mit P2 die Impulsbreite unabhängig voneinander eingestellt werden. Sie ermöglichen damit eine Anpassung der Schaltung an verschiedene Transformatoren. Ihr rechter Anschlag ist hier mit r gekennzeichnet. Bei steilen Flanken (höhere Frequenzen) macht sich die Eingangskapazität des MOSFET schnell bemerkbar (je nach Typ etwa 1n) und leistungsstarke Treiberstufen werden erforderlich (siehe unten).

Ausschlaggebend für die Amplitude -und damit die Aussteuerung des verwendeten Transformators- ist hier die Betriebsspannung +U. Die Schaltung eignet sich daher eher für einfache und einigermaßen konstante Belastungen wie sie etwa bei der Hochspannungserzeugung für Oszilloskopenröhren benötigt werden. In einigen Fällen kann der Varistor (VDR = Voltage Dependent Resistor) auch weggelassen werden, wenn die Drain-Spannungsspitzen deutlich unterhalb der kritischen Zerstörungswerte des MOSFET liegen. Dabei sollte man beachten, daß die am Oszilloskopen sichtbaren Spannungsspitzen meist in keinster Weise den realen Kurven entsprechen, da die Leitungskapazitäten und -induktivitäten der Messkabel, sowie die Grenzfrequenz des Oszilloskopen eine deutliche Dämpfung des Signals hervorrufen. Meist liegen die tatsächlichen Höchstwerte weit über den gemessenen. Eine wichtige Maßnahme zum Absenken der gefährlichen Impulse bildet vor allem der zu Source und Drain parallel liegende Kondensator (in diesem Beispiel 1n 1000V).

Auch ist ein Varistor nicht die beste Lösung, da er meist nicht in der Lage ist, die oft sehr hohen Frequenzanteile zu verarbeiten. Wird anstelle des VDR eine Freilaufdiode (vorzugsweise schnelle Schottky-Diode) antiparallel geschaltet, dann unterdrückt diese zwar die hohen Spannungsspitzen am MOSFET, bildet deswegen aber auch eine zusätzliche Belastung (Kurzschluß). Um den dadurch erhöhten Verlust gering zu halten, kann ihr ein entsprechender Leistungswiderstand vorgeschaltet werden.

Hinweis: Die Ausgangsspannung am Transformator entspricht in keinster Weise dem üblichen Wicklungsverhältnis von Primär- und Sekundärspule, sondern liegt meist weitaus höher. Vielmehr sind es Impulsbreite, Resonanz, Flankensteilheit und Frequenz die sie bestimmen. Je nach Einstellungen und unvorhersehbaren Resonanzen können die Spannungen am Übertrager extrem hoch sein und zu inneren Funkenüberschlägen führen oder eventuell angeschlossene Kaskaden sofort zerstören. Und je nach Polung eines ausgangsseitigen Einweg-Gleichrichters arbeitet die Schaltung entweder als Sperr- (höhere Spannungen) oder als Durchflußwandler (höhere Ströme). Daher ist es ratsam, die ersten Versuche mit niedrigster Amplitude, kleinster Impulsbreite und niedrigster Frequenz zu beginnen.

Da die Schaltung bereits für höhere Leistungen ausgelegt ist, sollte man vorsichtshalber alle Einstellungen zunächst am Oszilloskop überprüfen, bevor man einen Übertrager erstmals anschließt. Die Schaltfrequenz liegt etwa zwischen 15kHz und 30kHz, und je nach benötigten Spannungen eignen sich als Übertrager sowohl Ferritkerntransformatoren aus Computer-, Bildschirm- oder Fernsehnetzteilen, wie auch Zeilentransformatoren mit integrierter Kaskade. Sollte keine geeignete Primärwicklung vorhanden sein, so kann man meist eine solche nachträglich am Ferritkern anbringen, da sie bei den recht hohen Frequenzen nur wenige Windungen benötigt (etwa 4 bis 10, mit starkem Kupferdraht). Mit handelsüblichen Zeilentransformatoren und integrierter Kaskade erzeugt man bei etwa 500mA Stromaufnahme bereits 20kV bis 30kV. Wählt man C1 größer (tiefere Frequenzen und breitere Impulse), dann können mit dieser Anordnung auch KFZ-Zündspulen angesteuert werden.

Generator mit getrennten Netzteilen:
In Abb.2 werden Vorstufe und Endstufe mit zwei getrennten Spannungsquellen betrieben. Auch hier verhindert die Diode D6 wieder die Entladung des Kondensators C2 bei eventueller Überlastung der Endstufe, so daß der Oszillator weiterarbeiten kann. Die Amplitude der Ausgangsimpulse läßt sich gesondert mit dem Spannungsregler (LM350) einstellen und hat daher keinen Einfluß auf den Oszillatorteil. Je nach Übertrager und Ausgangsschaltung vermag P3 auf diese Weise die Ausgangsspannung zwischen etwa 0V und 30kV zu verändern.

Hohe Spannungsspitzen entstehen beim Sperren des Transistors. Je nach Polung der Ausgangsdiode -bzw. der Polung einer Transformatorwicklung- werden diese gleichgerichtet (Sperrwandler). Hingegen sind die beim Durchsteuern (Durchfluß) des Transistors erzeugte Spannungsspitzen niedriger, erlaubt jedoch höhere Ströme (Durchflußwandler). Will man also höchste Spannungen erzeugen, dann macht eine aufwendige Gegentaktstufe wenig Sinn, da sie ständig als Durchflußwandler arbeitet und somit keine Sperrspitzen liefert.

Oszillatoren mit dem 555
Als Oszillator wird auch häufig der Timer-Baustein NE555 verwendet. Bei der üblichen Beschaltung sind dessen Impulse jedoch invertiert und müssen daher zunächst einem invertierenden Treiber zugeführt, bzw. die Endstufe mit einem Komplementär-MOSFET realisiert werden. Übrigens findet man die 555-Schaltung gelegentlich ohne zusätzliche Invertierstufe, was allerdings zu einer überhöhten Leistungsaufnahme führt, da die Impulse den Transistoren kurzzeitig sperren, anstatt ihn kurzzeitig durchzusteuern.

Mit zwei eingefügten Dioden ist aber auch der 555 in der Lage, positive Impulse zu erzeugen. In der nebenstehenden Abbildung kann mit R1 die Impulsdauer, mit R2 die Pause nahezu unabhängig voneinander bestimmt werden. Die beiden vorangestellten Widerstände (jeweils min. 1k) begrenzen die minimale Impedanz der Potentiometer. Mit der bereits integierten Treiberstufe vermag der Timer meist die Endstufentransistoren, besonders aber die recht hohen Gatekapazitäten von MOSFETs, direkt anzusteuern (200mA bei den TTL-, jedoch nur etwa 20mA bei den Low-Power Versionen des 555). Seine Betriebsspannung reicht von 4,5V bis 18V. Diese sollte allerdings -wie im obigen Beispiel- von einem Spannungsregler stammen und genügend Reserven für den Ausgang zur Verfügung stellen.

Etwas leichter verständlich ist wohl die Schaltungsvariante nach Abb.6. Ihr Aufbau entspricht eher der gewohnten Aufteilung der Lade- und Entladezeiten eines Kondensators mittels zwei Dioden. (Vergleiche hierzu die ähnliche Schaltung: PWM - Pulse Width Modulation Abb.4, bei der beide Timings gegensätzlich mit nur einem Potentiometer verändert werden.) Auch hier sollte -dem Datenblatt entsprechend- der Vorwiderstand R nicht kleiner als 1k gewählt werden. Je höher er in Bezug auf die Potentiometerimpedanzen ausfällt, desto eingeschränkter lassen sich die Timings verändern.