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Hochspannungsgeneratoren

copyright 2003: Claude Jacobs

VORSICHT beim Umgang mit Hochspannungsgeneratoren:
Der für den Menschen lebensgefähliche Strom kann bereits bei etwa 20mA liegen, und das ist durchaus schon bei 50V der Fall! Daher sind Arbeiten an Spannungskonvertoren immer mit besonderen Vorsichsmaßnahmen durchzuführen. Insbesondere können gleichgerichtete Spannungen mit anschließender Glättungskapazität sogar bei leistungsschwachen Übertrager tödliche Kondensatorladungen erzeugen! Außerdem sind bei Hochspannungen ab etwa 1000V mögliche Funkenüberschläge zu berücksichtigen.


INDEX


Höchste Spannungsspitzen entstehen nur beim Abschalten einer stromdurchflossenen Spule. Das Magnetfeld bricht dann schlagartig zusammen, und diese schnelle Feldänderung induziert eine entsprechend hohe Spannung in den Windungen. Da jede reale Induktivität unweigerlich auch parasitäre Kapazitäten aufweist und somit einen Schwingkreis darstellt, entstehen bei jedem Abschalten jedoch gleich mehrere (abschwellende) Schwingungen. Während bei einem Magnetrelais meist eine Freilaufdiode ausreicht, um die empfindlichen Halbleiter gegenüber diesen Spannungsspitzen zu schützen, erfordern Hochspannungsgeneratoren (die meist mit mehreren Kilohertz im Dauerbetrieb arbeiten) einen weitaus höheren Aufwand. Eine Freilaufdiode würde einerseits die erwünschten Spannungsspitzen unterdrücken und andererseits einen zusätzliche Leistungsverlust bewirken.


Generator mit gemeinsamem Netzteil:

Eine einfache und kompakte Schaltung zur Hochspannungserzeugung zeigt Abb.1. Ein Power-MOSFET wird von drei parallelgeschalteten Treiber-Inverter des CMOS-Bausteins 4049 (hex inverting buffers, Parallelschaltung ist erlaubt) angesteuert. Die restlichen 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 verursachen und möglicherweise dabei 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 kann ein unkontrollierter Verlauf der Betriebsspannung (Spannungseinbrüche, prellende Schalter, langsam steigende/fallende Speisespannung usw.) unvorhersehbare Zustände am Oszillatorausgang hervorrufen: Schwingungsabbruch, Veränderung der Pulsbreite/Frequenz/Amplitude. Besonders bei batteriebetriebenen Geräten (Weidezaunanlagen, Blitzgeräte, usw.) vermag die nachlassende Batteriespannung einen Schwingungsabbruch einzuleiten, bei dem die Endstufe in einem voll oder teilweise durchgesteuerten Zustand verharrt.


Grundsätzlich sollte man Oszillatoren nie unterbrechen, und das gilt insbesondere für Leistungsschaltungen. In Abb.1 verhindert die Diode D6 mit C2 das sofortige Zusammenbrechen der Betriebsspannung des Generators bei kurzzeitigen hohen Ausgangsströmen (z.B. Funkenüberschlag oder sekundärseitigem Kurzschluß). 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).

Mit dem Potentiometer P1 kann die Frequenz (ca. 20kHz) und mit P2 die Impulsbreite unabhängig voneinander eingestellt werden. Sie ermöglichen eine Anpassung der Schaltung an verschiedene Transformatoren. In der Abbildung ist ihr rechter Anschlag mit r gekennzeichnet. Bei steilen Flanken (höheren Frequenzen) macht sich die Gatekapazität des MOSFET schnell bemerkbar (je nach Typ etwa 1n) und leistungsstarke Treiberstufen werden erforderlich (siehe unten). Auch bildet ein Varistor nicht den besten Schutz, 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 geeigneter Leistungswiderstand vorgeschaltet werden.

Hinweis: Die Ausgangsspannung am Transformator entspricht in keinster Weise dem üblichen Windungsverhältnis 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 einem handelsüblichen Zeilentransformator und angefügter 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 von zwei getrennten Spannungsquellen versorgt. Auch hier verhindert die Diode D6 wieder die Entladung des Kondensators C2 bei eventueller Überlastung der Endstufe, so daß der Oszillator ungestört 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.

Leistungssteigerung mit Parallelschaltung:
Im Gegensatz zu bipolaren Transistoren haben MOSFET die Eigenschaft, bei höheren Temperaturen hochohmiger zu werden. Dadurch können bei höherem Leistungsbedarf einfach mehrere Transistoren nach Abb.3 parallelgeschaltet werden. Steigt die Temperatur in einem der vorhandenen Transistoren, dann reduziert sich automatisch die auf ihn anfallende Leistung und verteilt sich auf die restlichen. Gegenüber Bipolar-Transistoren benötigen die als Schalter betriebenen Power-MOSFET einerseits weitaus höhere Steuerspannungsunterschiede (je nach Typ etwa 0V bis 10V), und bei den notwendigen hohen Schaltgeschwindigkeiten sind auch die relativ großen Gatekapazitäten nicht mehr vernachlässigbar.

So können die schnellen Steuerströme durchaus beachtliche 1A übersteigen und eine leistungsstarke Treiberstufe erfordern. Da sowohl steigende (Gate-Ladung) wie auch fallende Flanken (Gate-Entladung) diese hohen Ströme aufbringen müssen, wird oft eine Gegentaktstufe nach Abb.4 verwendet. Desweiteren sind MOSFETs auch sehr empfindlich gegenüber zu hohe oder zu niedrige Gate-Spannungen, und es sollte in jedem Fall eine Zenerdiode vorgeschaltet werden, auch wenn die Treiberspannungen deutlich innerhalb der kritischen Gategrenzen liegen. Die bei Funkenüberschlägen oder Kurzschlüssen zeitweise auftretenden chaotischen Zustände der Schaltung können durchaus zerstörerische Über- oder Unterspannungen hervorrufen. Auch wenn kleinere innere Schäden nicht unbedingt das sofortige Aus der MOSFETs bedeuten, so führen sie jedoch meist längerfristig zu Veränderungen, die schließlich doch die Endstufe zerstören.

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.

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