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Hochspan­nungs­gene­rator 45KV

Lassen Sie sich einfach und sicher in die Welt der Hochspannung entführen, dank dieses modularen Generators, der für viele interessante Experimente entwickelt wurde.

Das Experimentieren mit Hochspannung ist wirklich faszinierend, da die sehr hohen Potentialunterschiede (wir sprechen von mehreren tausend Volt) verschiedene Phänomene in der Umgebungsluft auslösen, die von der Entladung elektrischer Lichtbögen bis zur Entstehung reichen helle Lichthöfe (sichtbar in der Dunkelheit aufgrund des Ionisationseffekts der Umgebungsluft) in der Nähe der Leiter und noch mehr auf der Höhe der Spitzen, bis die scheinbar unerklärliche Beleuchtung bei platzierten Neonröhren in der Nähe des Generator.

Leider ist das Arbeiten mit Tausenden von Volt nicht dasselbe wie das Arbeiten mit Niederspannungs­stromkreisen (5 V bis 12 V). Dies erfordert daher besondere Vorsichts­maßnahmen, um Verbrennungen und / oder einen Stromschlag zu vermeiden.

Koronaentladung
Koronaentladung

Diese Projekt richtet sich an alle, die von Hochspannung und allen damit verbundenen Phänomenen wie Stromschlägen, Koronaeffekt, Ionenwind oder die Ionisierung der Luft fasziniert sind.

In unserem täglichen Leben sind hohe Spannungen tatsächlich sehr präsent und in unserer Nähe. Es ist genug, ein Paar Schuhe mit Gummisohlen zu tragen und auf dem Teppich des Hauses zu gehen, oder wenn wir uns dem Schlüssel der Autotür anfassen sehen wir ein kleines Lichtbogen oder eine Entladung fühlen.

In diesem Fall können die Spannungen über 20.000 V und mehr erreichen, jedoch empfinden wir nur Unbehagen oder leichte Schmerzen, wenn wir mit einem Lichtbogen in Kontakt kommen. Trotz der hohen Spannung der Entladestrom ist minimal, ab die Größenordnung einiger Mikroampere.

Der Fall eines Blitzes ist ganz anders, denn zusätzlich zu den sehr hohen Spannungen, die leicht eine Million Volt erreichen können, ist die elektrische Entladung (der Strom) sehr hoch und erreicht zerstörerische und tödliche Werte für den Menschen (einige hundert Ampere) ).

Das Projekt, das ich Ihnen vorstellen erzeugt hohe Spannungen, aber mit einem geringen Strom.

In jedem Fall bitte ich Sie, die Anweisungen zu lesen, bevor Sie die Schaltung verwenden, um nicht in direkten Kontakt mit Hochspannung zu kommen und keinen Stromschlag zu erleiden. Auf der anderen Seite empfehle ich die Verwendung dieses Geräts nicht für Menschen mit Herzschwäche oder Herzschrittmacher.

Die vorgeschlagene Schaltung erzeugt es eine hohe Gleichspannung an Ausgang Elektroden und man kan der folgenden physikalischen Phänomene zu entdecken:

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Funktionsprinzip Hochspannungsgenerator

Ab einer Niederspannung von nur 12 V können Sie mit dieser Generator 50.000 V nach den folgenden drei Prinzipien überschreiten:

  • Erzeugung einer Impuls-Überspannung an der Primärwicklung des Transformators
  • Erhöhung der Spannung durch ein hohes Übersetzungsverhältnis (Verhältnis zwischen Windungszahl der Sekundärwicklung und der Primärwicklung) des Transformators
  • Gleichrichtung und Anstieg der Gleichspannung dank eines Multiplikators von Typ Cockcroft-Walton.

Zur Erzeugung der hohen Impulsstartspannung wird eine Oszillatorschaltung verwendet, die auf einem IGBT-Transistor basiert, dessen Gate durch den Spannungsteiler polarisiert ist, der aus den Widerständen R1 und R2 und der Wicklung W2 des Transformators besteht.

IGBT-Transistor
Technische Daten
Versorgungsspannung:12VDC
Stromaufnahme:3,4A
Max. Ausgangsspannung: 45kV
Oszillations­frequenz: 10kHz - 30kHz
Leistungsaufnahme:40W 

Diese Schaltung erfüllt zwei Funktionen: Sie startet die Oszillation, erhöht die Spannung und leitet sie dann zum Multiplikator, der sich hinter der Sekundärwicklung W1 des Transformators befindet. Die letztere hat daher eine Primärwicklung, die W3 ist, eine Sekundärer­höhungswicklung W1 und eine Rückkopplungswicklung, die W2 ist. Der verwendete IGBT ist ein FGH60N60SMD mit einer VCE von 600 V und einem Kollektorstrom von 60 A.

Der Schaltplan

Wenn wir den elektrischen Schaltplan des Hochspannungsgenerators untersuchen, sehen wir, dass in zwei Teile unterteilt ist. Den Niederspannungsteil und den Hochspannungsteil. Diese beiden Teile sind durch den Transformator T1 gekoppelt. Der CN4-Stecker dient zur Versorgung der Baugruppe mit einer Gleichspannung von 12 V.

Der Schraubklemmenblock CN1 verteilt die 12-V-Strom´­ver­sorgung auf ein anderes Modul, um die Ausgangsspannung zu erhöhen, wobei die Ausgangsspannungen jeder Modul in Reihe geschaltet werden.

Um zu verstehen, wie die Schaltung funktioniert, muss die Taste SW1 auf der Karte gedrückt werden. Dies hat den Effekt, dass das Minus des Oszillators mit der Masse der Stromversorgung verbunden wird.

Die 12 V-Spannung speist dann den Spannungsteiler, der durch R1 und R2 gebildet wird, so dass die Spannung über R2 die Sekundärwicklung W2 kreuzt, die anfänglich gegenüber dem Gate des IGBT inert ist.

Letzterer geht in den leitenden Zustand (Sättigung oder geschlossener Zustand), weil zwischen seinem Gate und seinem Emiter eine positive Spannung auftritt, die die Schwellenspannung VGE (Th) des IGBT überschreitet.

Dies führt zum Auftreten eines großen Stroms, der durch die Wicklung W3 des Transformators fließt, da sein Kollektor praktisch auf dem Potential seines Emiter liegt (nahe 0 V).

Sobald in der Wicklung W3 ein Strom fließt, werden in den beiden Sekundärwicklungen zwei induzierte Spannungen erzeugt. An den Enden von W3 tritt eine sehr hohe induzierte Spannung auf, die an den Spannungsvervielfacher geht. Eine andere induzierte Spannung erscheint an den Enden von W2, wobei die Richtung der Wicklung im Vergleich zu der von W3 berücksichtigt wird, ein negatives Potential erscheint auf dem Gitter von T1 und sperrt den IGBT.

Wenn der Strom plötzlich unterbrochen wird, erzeugt die Wicklung W3 eine Impulsumkehr-Überspannung, die durch die interne Diode des IGBT aufgehoben wird. Dies führt zu einem kurzen Impuls hoher Energie, der eine Spannungsspitze von mehr als 2000 V über der Wicklung W1 verursacht.

Das Blockieren von T1 dauert nicht lange, da dieser Impuls eine weitere positive Spannung im Netz induziert, die den IGBT erneut veranlasst, einen weiteren Zyklus zu starten.

Dies erzeugt ein zyklisches Phänomen mit einer mehr oder weniger konstanten Frequenz, die durch thermische Drift leicht modifiziert wird und von der Versorgungsspannung abhängt. Die Frequenz kann je nach Aufbau der Schaltung zwischen 10 kHz und 30 kHz variieren.

Die Impulskomponente an den Enden der Hochspannungs-Sekundärwicklung ist bidirektional (Abbildung zeigt die Form der Spannungswelle an den Enden der Wicklung W1) und wird gleichgerichtet und mit den Multiplikatorzellen vom Typ Cockcroft-Walton multipliziert.

Die Anordnung umfasst 8 Zellen (oder Stufen). In jeder Zelle wird der Kondensator während des Wechselstroms (Halbperiode) mit der maximalen Amplitude der Wechselspannung (Vpk) negativ geladen.

Die Ausgangsspannung ist gleich der Eingangswechselspannung, zu der die konstante Spannung des Kondensators addiert wird, die maximale Ausgangsspannung wird daher 2 Vpk.

Die Ausgangsspannung ist zwar Gleichspannung, schwingt aber stark im Rhythmus der Eingangswechselspannung.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass durch die Dioden und die Kondensatoren die Ladung eingefangen und zur nächsten Zelle übertragen wird, indem die an jedem vorherigen Kondensator anliegende Spannung addiert wird.

Jede Zelle besteht aus zwei Kondensatoren und vier Dioden (in Wirklichkeit würden zwei Dioden ausreichen, aber in unserem Fall ist es manchmal schwierig, die geeigneten Komponenten zu erhalten, die hohen Sperrspannungen standhalten.

Sind verwenden zwei Dioden in Reihe in jeder Zelle, die eine ziemlich hohe Spannung unterstützen müssen, daher müssen Diodenmodelle und Hochspannungs­kondensatoren verwendet werden. Die CN2- und CN3-Anschlüsse sind mit den Hochspannungsausgangsanschlüssen verbunden.

Sie können verschiedene Elektrodentypen anschließen, je nachdem, welches Phänomen Sie beobachten möchten. Beachten Sie dabei die Polarität “HV +” für den Pluspol und “HV-” für den Minuspol.

Die Dioden D1 bis D32 und die Kondensatoren C1 bis C16 bilden die 8 Multipliziererzellen des Cockcroft-Walton-Generators.

Die Dioden wurden im Vergleich zu einem herkömmlichen Generator verdoppelt (2 in Reihe in jeder Zelle), um die Verwendung von Dioden mit einer Sperrspannung von 4 kV zu ermöglichen. Sie sind im Handel leichter zu finden und haben einen geringeren Gleichspannungsabfall.

Der Kondensator C17 gibt einen Bezug zur Masse für den Hochspannungsteil. Wenn der Jumper P1 gesteckt ist, wird die Taste SW1 nicht mehr benötigt. Der Generator wird eingeschaltet, sobald die 12-V-Versorgungsspannung anliegt, ohne dass die Taste SW1 gedrückt werden muss.

Die Zenerdiode DZ1 schützt das Gate des IGBT-Transistors vor Überspannungen. Die Widerstände R1 und R2 polarisieren den Transistor bei ungefähr 9 V.

Experimente mit Hochspannung: Ionenwind, Koronaentladung, Spitzenentladung
Zusammenfassung
Hochspannungsgenerator 45KV - Gleichstrom Lichtbogen - Koronaeffekt
Artikelname
Hochspannungsgenerator 45KV - Gleichstrom Lichtbogen - Koronaeffekt
Beschreibung
Das Experimentieren mit Hochspannung ist wirklich faszinierend, da die sehr hohen Potentialunterschiede verschiedene Phänomene in der Umgebungsluft auslösen: Gleichstrom Lichtbogen, Koronaeffekt und Ozonproduktion, Spitzenentladung, Elektrischer Wind, Luftionisation
Autor
Name des Herausgebers
Elektronik Klub
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