Bauplan Schaltplan 1kV Hochspannungskaskade für Experimente

Kompakte 1kV Spannungsversorgung
Der Trend in der Elektronik geht ja eindeutig zu immer niedrigeren Spannungen, so ist die gängige Spannung für moderne Controller ja meist bei 3.3V oder noch niedriger, tendenz fallend.

Manche Schaltungen hingegen benötigen prinzipbedingt jedoch weitaus höhere Spannungen. Ein häufig genutztes Prinzip zur Erzeugung höherer Spannungen ist die Kaskadenschaltung. Durch Hintereinanderschaltung von Dioden und Kondensatoren lässt sich eine Wechselspannung ohne Transformator theoretisch beliebig erhöhen. Die Anzahl der Kaskadenstufen bestimmt dabei den Multiplikationsfaktor.

Die hier gezeigte Schaltung erzeugt eine stabilisierte Gleichspannung von etwa 1kV. Damit lassen sich zum Beispiel Zählrohre oder Photomultiplier Röhren versorgen. Auch lassen sich damit einfache Experimente zur Eelektrostatik durchführen.

Die Schaltung funktioniert wie folgt: Ein CMOS 555 Oszillator erzeugt ein Rechtecksignal von etwa 10 kHz, welches einen Transistor MPSA42 ansteuert. Dieser Transistor setzt periodisch eine Spule unter Strom.


Der Schaltplan.

Die Selbstinduktionsspannung im Abschaltmoment wird dann über eine 4-Stufige Kaskade vervielfacht. Durch zwei Z-Dioden mit zusammen 250 Volt wird dabei die Spannung nach der ersten Stufe auf einen Mosfet Transistor zurückgeführt, welcher den Oszillator abschaltet, sobald die Spannung an diesem Punkt etwa 250 Volt erreicht.


Das Layout.

Durch den sparsamen CMOS Baustein beträgt die Stromnaufnahme im Leerlauf nur etwa 200 Mikroampere bei 5 Volt Eingangsspannung. Bei Belastung der Hochspannung mit einem 100MOhm Widerstand (also etwa 10uA Ausgangsstrom) zieht die Schaltung etwa 11mA. Bei 55mW aufgenommener Leistung zu 10mW abgegebener Leistung ergibt das einen Wirkungsgrad von immerhin von knapp 20 Prozent.

Um die Schaltung kompakt aufbauen zu können, wurden relativ kleine MKS Kondensatoren verwendet, welche aber trotzdem 630 Volt Spannungsfestigkeit aufweisen. Die Kaskade übersteht Funkenüberschläge am Ausgang ohne Probleme. Bei einem Dauerversuch, der zwischen zwei Drähten ständig kleine Funken erzeugte, zeigten jedoch die Kaskaden-Kondensatoren nach einigen Stunden deutliche Kapazitätsverluste.

Die Energiemenge in den Kondensatoren ist dabei noch nicht wirklich gefährlich, aber ein Kontakt mit der Ausgangsspannung ist schon sehr unangenehm! Mit dieser Kaskade kann man auch grössere Kondensatoren aufladen, dann besteht aufgrund der darin gespeicherten Ladungsmenge Lebensgefahr. Bei allen Experimenten ist also auf 100% sicheren Schutz vor Berührung zu achten. Die Kondensatoren sind vor dem Anfassen unbedingt zu entladen!

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