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180kV-Hochspannungskaskade (Voltage-Multiplier)

Aufgrund des erfolgreichen 100kV-Kaskaden-Projekts (mehr dazu hier: 100kV-Kaskade) entschied ich mich, eine entsprechende Erweiterung im gleichen Stil zu bauen mit zusätzlichen 6 Stufen. Herausgekommen ist schlussendlich eine Kaskade mit gut 180kV Leerlaufspannung und lichtbogenartigen Entladungen über eine Strecke von rund 16cm.

Der Aufbau

Kompletter Aufbau auf einem separaten Tisch                                                                Lichtbogenentladung 16cm             

Wie man unschwer erkennen kann, nimmt das Setup mittlerweile einen ganzen Tisch in Anspruch. Da ich nicht alles nochmals neu aufbauen wollte und aber auf dem bestehenden Setup kein Platz für weitere Stufen oder Widerstände mehr war, musste der bestehende Aufbau etwas abgeändert werden. Zu diesem Zweck wurde die Plexiglasplatte mit der Widerstandskette entfernt und dort eine neue Plexiglasplatte mit weiteren Kaskadenstufen angebracht. Die neue Kaskade besteht ebenfalls aus 8kV-Kondensatoren, von welchen jeweils zwei in Serie geschalten wurden, um eine Spannungsfestigkeit von 16kV zu erreichen. Zusätzlich wurden auch die alten Kaskadenstufen mit Parallel-Kondensatoren erweitert. 

Auf dem Bild rechts ist das Herzstück der Kaskade zu sehen, die Kaskadenschaltung selber mit den HV-Dioden und HV-Keramik-Kondensatoren. Insgesamt sind 13 Stufen verbaut, dies ergibt bei 14kV Spitzen-Spitzen-Eingangsspannung eine rechnerische Leerlaufspannung von 13*14kV = 182kV. Die maximale Spannungsfestigkeit pro Stufe beträgt eigentlich 16kVss, wird aber aus Sicherheitsgründen nicht ganz ausgereizt.

Die Widerstandskette musste natürlich ebenfalls erweitert werden. Dazu wurde eine weitere Holzgrundplatte mit der bereits bestehenden Widerstandsplexiplatte versehen und zusätzlich eine weitere Platte für eine zweite Widerstandskette angebracht. Insgesamt sind nun 38 Leistungswiderstände à je 6.8kOhm verbaut, alle in Installationsröhrchen vergossen, jeweils Ketten von drei bzw. vier Stück pro Röhrchen und mit jeweils 17W bzw. 11W Leistung.

Der Aufbau der Funkenstrecke erfolgte diesmal etwas provisorisch mittels zweier 11cm-PP-Abwasserrohre, um einen genügenden Abstand zum Boden hin gewährleisten zu können. Längere Verbindungen, welche sehr hohe Spannungen führen, wurden  neu in Kunststoffschläuchen verlegt. Dies minimiert Sprühverluste ziemlich wirksam.

Die Speisung musste ebenfalls überarbeitet werden. Neu sind  zwei 500VA-Ringkerntrafos in Serie geschaltet, um eine höhere Eingangsspannung zu erzielen. Gleichzeitig wurde die Windungszahl der Trafoprimärwicklung erhöht, wodurch  der Ausgangsstrom entsprechend stärker wird bei gleichbleibender Ausgangsspannung. Aufgrund der Erhöhung der Windungszahl der Trafo-Primärwicklung musste die Kapazität des primärseitigen Kondensators verkleinert werden, um die Frequenz des Royerconverters konstant zu halten. 

Diese beiden Ringkerntransformatoren wurden in Serie geschaltet und dienen zur Speisung der Royerschaltung. Sie haben je 500VA und liefern je 28V Leerlaufspannung.

Als HV-Dioden kamen welche vom Typ 2CL2FM zum Einsatz, die gemäss Datenblatt 20kV Sperrspannung aufweisen und 100mA Durchlassstrom aushalten. Es handelt sich um schnelle Dioden mit 100ns Reverse Recovery Time. Dies senkt die Schaltverluste. Die Dioden kommen in einem relativ kleinen Plastikgehäuse daher, welches selber schon nur eine Länge von rund 15mm aufweist. Zuerst hatte ich Bedenken, dass es zu Überschlägen durch die Luft kommen könnte zwischen den Diodenanschlüssen, doch Messungen zeigten, dass 17kV Sperrspannung noch gut zu machen sind in trockener Luft. Zur weiteren Sicherheit wurden die Dioden mit Heisskleber in kleine Installationsröhrchen eingegossen. Die Dioden machen erfreulicherweise absolut keine Probleme in diesem Setup.

Günstige Keramik-Hochspannungskondensatoren 8kV/2nF von Ebay. Fünf Stück kosteten etwa 2 Euro. Die Kondensatoren funktionierten bis jetzt zuverlässig in meinem Aufbau. Allerdings bi ich auch nie an deren Limit der Spannungsfestigkeit gegangen. Bei den neu eingebauten Kondensatoren habe ich die Anschlussdrähte zur zusätzlichen Isolation mit Schrumpfschläuchen überzogen, damit Überschläge zwischen den Anschlüssen hundertprozentig ausgeschlossen werden können.

Es ist empfehlenswert, die eingespeiste Spannung an der Kaskade zu überwachen, insbesondere dann, wenn man relativ nahe an die Bauteilspezifikationen rangehen möchte. Da es sich hierbei jedoch um ein hochfrequentes Signal im kHz-Bereich handelt, braucht man eine HF-taugliche Sonde und ein Scope, um die Spannung zu kontrollieren. Diese hier abgebildete Sonde vom Typ HV15HF leistete mir dabei gute Dienste. Sie misst mindestens bis 50kHz und 15kV. Der Hersteller ist mir leider nicht bekannt. Habe sie mal bei einer Internetauktion ersteigert.

Betrieb

Die Entladungen sind mittlerweile ziemlich spektakulär. Bei mehr als etwa 22cm Elektrodenabstand erfolgt noch kein Überschlag, aber lautes Knistern und Rauschen sowie violette Koronaentladung und starker Ozongeruch lassen die extreme Spannung erahnen. Zwischen 19cm und 22cm Elektrodenabstand kommt es zu lauten, knatternden Funkenentladungen, während Abstände von 18cm oder kürzer zu flackernden Lichtbogenentladungen führen. Nachfolgend einige Bilder und kurze Filme zu Entladungen (für eine grössere Ansicht der Bilder bitte auf das jeweilige Bild klicken):

Bis zu 18cm lange, flackernde Lichtbögen bei eine Leerlaufspannung von rund 180kV

Die Limits eines solchen Aufbaus

Gibt es eigentlich Grenzen in der Ausgangsspannung, oder lässt sich diese beliebig weit erhöhen? Theoretisch könnte man alles bis ins Unendliche weitertreiben, praktisch natürlich nicht. Typischerweise steigt der Innenwiderstand der Schaltung mit grösser werdender Stufenanzahl schnell an, sodass die Spannung bei Belastung schnell einbricht. Man kann diesem Effekt ein Stück weit entgegenwirken durch Erhöhung der Kapazitäten in den einzelnen Stufen, insbesondere in den ersten Stufen, aber sowohl der materielle Aufwand als auch der Arbeitsaufwand steigt damit leider auch exponentiell. Eine weitere Problematik liegt in den Sprühverlusten durch die extremen Feldstärken an scharfkantigen, spannungsführenden Teilen. Um die Koronaverluste in Grenzen zu halten, könnte man mit einem grossflächigen, möglichst abgerundeten Topload über dem ganzen Setup eine bessere Feldverteilung bewirken. Dies habe ich jedoch bei meinem Setup nicht eingeplant. Eine weitere Herausforderung mit steigender Spannung liegt in den immer grösser werdenden Kriechstrecken. Diese fordern grosszügige Isolationsabstände, sowohl zwischen allen spannungsführenden Teilen, als auch zwischen dem eigentlichen Setup und Erde. Auch eine hölzerne Grundplatte kann wie eine Erdung wirken, da auch Holz schwach leitfähig wird bei sehr hohen Spannungen, insbesondere, wenn es etwas Feuchtigkeit aus der Luft gezogen hat. Aus diesem Grund habe ich den zweiten Kaskadenteil sowie alle Widerstandsketten in respektvollem Abstand zur Grundplatte angebracht. Diese Bauweise nimmt dafür natürlich auch wiederum wertvollen Platz weg. Man sieht, ein solcher Aufbau ist voller Kompromisse. Möchte man das ganze etwas kompakter haben, so müsste man wohl mit einem Öltank zur Isolierung arbeiten, was ich jedoch nicht wollte. Eine wichtige Grenze war bei meinem Aufbau allerdings auch die Speisung selber. Will man die Kapazitäten in vernünftigen Grenzen halten, so muss man mit hohen Frequenzen im kHz-Bereich arbeiten. Dies wiederum bedingt eine entsprechende hochfrequente Hochspannungsspeisung. Will man dann auch noch bei hoher Spannung einen vernünftigen Ausgangsstrom erreichen, so muss man entsprechende Eingangsleistungen bereitstellen können. Für Spannungen im Bereich zwischen 100 und 200kV müssen schon mindestens einige 100W bis mehrere kW zur Verfügung stehen, wenn man Lichtbögen anstrebt. Mein Royerconverter bringt zwar tatsächlich einige hundert Watt Leistung, aber wesentlich mehr ist nicht drin, weil selbst im ZVS-Modus (Zero Voltage Switching) die eingesetzten Power-FETs IRFP260 an ihr Limit kommen. Besonders bei schnellen Laständerungen durch flackernde Lichtbögen kann es zu einer Überlastung der FETs kommen. Die ersten FETs, welche eingesetzt wurden, waren IRFP250. Diese mussten im Laufe der Experimente dann ihr Leben lassen (bei einer Eingangsspannung von 58V zog der Royerconverter immerhin ca. 16A, was wohl wirklich etwas viel war für die armen IRFP250). Nun hoffe ich, dass die IRFP260 die Aufgabe packen, andernfalls müsste ich nach einer besseren Lösung suchen (evt. IGBT-Bricks).

Und hier noch ein Video: