Rudi's Homepage - Elektronik

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Hier finden sich alle Projekte wo es knallt, zischt und strahlt, sprich alles um sein Wohnumfeld schöner zu gestalten. Diese Hochspannungsschaltungen wurden für zahlreiche physikalische Experimente genutzt.

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Zuletzt aktualisiert: 21.09.2009 5:18

HV Kaskade

Beschreibung:

Kaskade 1

Es handelt sich um eine 15-stufige Kaskade aus 650 V WiMa FKP-Kondensatoren und 1N4007-Dioden. Die maximale Eingangswechselspannung liegt damit bei 353 V Sinus effektiv.

Angesteuert wurde die Kaskade zuerst von der im Folgenden abgebildeten Sperrschwingerschaltung - bis diese durch Überhitzung der Transistoren ausgefallen ist. Danach wurde einfach ein 6V-Trafo "umgedreht" und von einem 12V/1.5A Steckernetzteil "angetrieben". Die Ausgangsspannung des Transformators lag bei etwas über 300V. Diese Kaskade wurde oft genutzt um eine sog. "Leidener Flasche", einen historischen Hochspannungskondensator aufzuladen. Das hier verwendete Exemplar wurde aus einem Nutella-Glas, etwas Aluminiumfolie und einer langen Metallschraube plus Unterleg- scheibe und einiger Muttern konstruiert. Am Ende der Schraube ist ein Aluminiumfoliestreifen montiert, welcher die Schraube mit dem inneren Aluminiumfoliebelag elektrisch verbindet. Nun im Folgendem einige Kurzfilme: dieser zeigt die Kaskade in Zusammenarbeit mit dem Sperrschwinger (welcher auch von einer 9V-Blockbatterie betrieben werden kann). Wie dieser Kurzfilm zeigt geht das auch ganz gut mit dem umgekehrten 6V-Trafo (an 12V, nicht 220V!). Man sieht auch gut die Koronaentladungen ("Elmsfeuer") vor den eigentlichen Überschlägen bläulich an den Elekrodenspitzen leuchten.

Kaskade2

Mit den Erfahrungen mit der ersten Kaskade habe ich eine zweite Kaskade angefertigt. Diese sollte in einem Gehäuse eingebaut sein, mit einem Steckernetzteil 12V / 1A betrieben werden können und mit umgedrehten Transformatoren laufen. Zudem hat sie einen Strombegrenzungswiderstand von 10 kOhm und einen Endkondensator 150 pF / 15 kV. Die beiden umgedrehten Kondensatoren liefern zusammen etwa 580 V effektiv, die Spitze-zu-Spitze-Spannung von 1640 V wird dann über 10 Kaskadenstufen verzehnfacht. Die ersten 5 Stufen sind mit WIMA FKP-1 10 nF / 2000 V-Kondensatoren aufgebaut, die folgenden 5 Stufen mit 8,8 nF / 1500 V Kondensatoren. Für die Dioden wurden jeweils 2 1N4007 in Serie geschaltet.

Aufgebaut wurde die Schaltung auf einer Lochrasterplatine ohne (!) Kupferaugen (ansonsten gibt es wohl herrliche Überschläge!) und anschließend in einer Ferrero-Konfektschachtel montiert. Wie man anhand dieses Kurzfilms sieht kann diese Kaskade schon beeindruckende Funken ziehen. Auch einfache statische Experimente sind möglich.

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HV Generator

Beschreibung:

Bei der oben abgebildeten Schaltung handelt es sich um eine Ansteuerschaltung für KfZ-Zündspulen. Sie besteht im wesentlichen aus einem astabilen Multivibrator (Rechteckfolgengenerator) auf der Basis eines NE555, der einen Leistungstransistor ansteuert. Dieser Leistungstransistor schaltet den Strom durch die Primärwicklung der Zündspule ein und aus. Mit den beiden Potentiometern kann die Frequenz und das Puls-Pausenverhältnis des Rechteckgenerators variiert werden. Für die Zündspule wurde ein Exemplar für den Trabant verwendet. Der Kurzfilm hier zeigt einige Funkenentladungen. Allein am Geräusch erkennt man die typische Hochfrequenz-Entladung. Dieser Kurzfilm zeigt ein schönes "Gewitter in der Glühlampe". Wie man anhand dieses Kurzfilms sehen kann hat die Hochspannung noch genügend tieffrequente Anteile um ordentlich zu kribbeln.

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HV-Trafo

Beschreibung: Über eBay habe ich diesen netten Hochspannungstransformator erworben:

Laut Typenschild liefert er sekundärseitig stolze 16 kV. Der Weg zur 30 kV-Gleichspannungsquelle? Natürlich nur wenn er funktioniert. Der erste Funktionstest läßt schon mal viel erwarten. Auch die improvisierte Jacobs-Leiter sah schön aus.

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Röntgen/X-Ray

Beschreibung: Bei der Erzeugung von Röntgenstrahlung mit einer Röntgenröhre sind zwei Prozesse maßgeblich. Zum einen haben wir die kontinuierliche Röntgenstrahlung, welche ihre Ursache in dem Umstand hat das beschleunigte elektrische Ladungen Energie in Form elektromagnetischer Wellen abzustrahlen. Das hatte schon Maxwell anhand seiner berühmten 4 Gleichung vorhersagen können. Die beschleunigten Ladungen sind dabei die im elektrischem Feld zwischen Kathode und Anode erst auf Geschwindigkeit gebrachten und dann beim Aufprall auf die Anode stark abgebremsten Elektronen. Diese kontinuierliche Strahlung hängt nur von der Geschwindigkeit der Elektronen beim Aufprall ab und da diese über einen bestimmten Bereich verteilt ist ist es das Leistungsdichtespektrum der kontinuierlichen Röntgenstrahlung auch. Die andere Komponente ist die charakteristische Röntgenstrahlung. Sie entsteht, wenn die Elektroden beim Aufprall auf die Atome des Anodenmaterials dort Elektronen auf ein höheres Energieniveau heben. Fallen diese dann wieder auf das Grundniveau herunter, geben sie die Energiedifferenz in Form von elektromagnetischer Strahlung ab. Da diese Energiedifferenz sich aus dem Aufbau der Elektronenhülle des Anodenmaterials ergibt bestimmt dieses die Frequenz der Röntgenstrahlung. Deshalb charakteristische Röntgenstrahlung. Den langen Vortrag zusammengefaßt: wir brauchen Hochvakuum (sonst kommen die Elektronen wg. der Stöße mit den Luftmolekülen nicht auf Touren) und Hochspannung. Diese haben wir ja auf der Seite ziemlich reichlich. Was das Hochvakuum angeht so hilft eine klassische Elektronenröhre aus dem Dilemma:

Wie immer sind aller guten Dinge drei, und die dritte hier gebrauchte Komponente ist Abstand. Bekanntermaßen ist Röntgenstrahlung alles andere als gesund, deshalb habe ich in dem Raum nur die Kamera als Zeugen dagelassen und mit reichlich Verlängerungskabel aus einigen Räumen Entfernung den Strom zugeschaltet. Funktioniert hat es jedenfalls. Dieser Kurzfilm zeigt die Elektronenröhre an der Zündspule. Die rote Lampe am Geigerzähler zeigt an das der Meßbereich von 500 µS/h überschritten worden ist (keine Angst, es kommt nicht mal durch eine Tür durch). Auch mit dem Hochspannungstransformator gelingt dieses Experiment.

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HeNe-Laser

Beschreibung: Für meine Helium-Neon-Laser habe ich ein etwas professionelleres Netzteil gebaut:

Soweit ich mich zurückerinnern kann besteht das Innenleben aus einem VA-kräftigen 12V-Ringkerntransformator, einem 555-Rechteckgenerator, einem Leistungstransistor und einem damit angesteuerten umgekehrten 6V-Transformator. Auf diesem Wege wurde - nach einer üblichen Brückengleichrichterschaltung - die 2000V-Brennspannung für die Laser erzeugt. Mit einer "parasitären" Kaskade wurde der 10 kV-Zündimpuls erzeugt. Da die Kaskade einen hohen Innenwiderstand hat bricht ihre Ausgangsspannung nach dem Zünden komplett ein und übrig bleibt die 2000V-Brennspannung. Hier sieht man einen Laser im Betrieb Davon gibt es auch zwei Kurzfilme: 1 und 2.

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