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Das Hochspannungsgerät

Dieses Hochspannungsgerät dient zur Erzeugung hoher Gleichspannungen bis 18 Kilovolt mit einer ordentlichen Leistung. Man kann damit Funken bis zu 2 cm Länge erzeugen; Funken mit 1 cm Länge schafft es ca. 5 Stück pro Sekunde. Ein Vorschaltgerät erzeugt eine Wechselspannung von ca. 450 Volt, die dann über eine nachgeschaltete Kaskade (die lange Kette mit den vielen Kondensatoren) hochtransformiert wird. Über eine Zusatz-Kondensatorkette (ganz hinten) kann die Leistung der einzelnen Funken noch verstärkt werden.

Hochspannungsgerät

Eigentlich ist das Gerät schon ein paar Jahre alt. Damals war es jedoch mit einem Vorschaltgerät ausgestattet, welches ich aus "Sperrmüll"-Teilen zusammengebaut hatte. Nach einiger Zeit ging dann der Trafo kaputt, und mangels Ersatz konnte ich es nicht reparieren. Neu ist jetzt das Steuergerät (der kupferumrandete Teil rechts unten), das vollständig aus Serienteilen besteht, die nach Bedarf ausgetauscht werden können.

Das neue Steuergerät

Dieses Bild zeigt das neue Steuergerät, welches auf dem AT90S2313 Application Board basiert. Daran sind ein 16-stelliges, hintergrundbeleuchtetes Display (oben) sowie drei Bedientasten (links) angeschlossen. Die gelbe Taste (Mitte) ist eine Reset-Taste für den Microcontroller. Mit dem Poti neben dem Display kann der Kontrast des Displays eingestellt werden. Über den 10-poligen Wannenstecker kann jederzeit neue Software in das Gerät eingespielt werden, dazu wird der AVRISP 1.1 In-System-Programmer verwendet.

Links oben sieht man den Trafo, an welchem auch die beiden Leistungstransistoren angebracht sind. Der Trafo hat zwei Primärspulen und eine Sekundärspule. Dies ermöglicht es, mit simpler Technik (ohne H-Brücke) eine echte Wechselspannung zu erzeugen. Dazu werden abwechselnd die beiden Spulen mit jeweils gegengepolten Stromimpulsen versorgt. Die beiden Leistungstransistoren zum Schalten der Spulen sind direkt an der Vorderseite des Trafos angebracht. Zwei Dioden (oben auf dem Trafo) fangen die Öffnungsimpulse der Spulen ab, welche die Transistoren beschädigen könnten.

Über die beiden grauen Bedientasten kann die Taktfrequenz des Trafos sowie die Gesamtleistung des Geräts eingestellt werden, mit der roten Taste kann man zwischen den beiden Einstellmöglichkeiten hin- und her wechseln. Die Gesamtleistung des Geräts wird durch das Tastverhältnis des Trafos geregelt und kann von 0-100% eingestellt werden.

Bewährtes Bauteil: Das AT90S2313 Application Board

Microcontroller und Hochspannung? Das passt doch irgendwie nicht zusammen? Grundsätzlich schon, aber es mussten eine Reihe von Maßnahmen getroffen werden, damit diese Kombination funktioniert. Zunächst sorgt der massive Kupferrahmen dafür, dass die (elektrischen und beim Entladen magnetischen) Felder der Kaskade abgeschirmt werden. Ohne den Kupferrahmen würde das Gerät bei jedem Funken abstürzen. Die Masse der Schaltung ist dabei an mehreren Punkten mit dem Rahmen verbunden, am Display und Trafo sind Pufferelkos angebracht.

Das Gerät startet automatisch neu, falls es abgestürzt ist. Die Einstellungen der Frequenz und Gesamtleistung bleiben dabei erhalten, sie werden jeweils mit 30 Backups im nichtflüchtigen EEprom des Microcontrollers abgespeichert und nach dem Neustart wieder geladen, so dass der Anwender nichts davon merkt.

Ein Ausschnitt der Kaskade

Dieses Bild zeigt einen Ausschnitt der Kaskade. Sie besteht aus 41 Styroflex-Folienkondensatoren mit je 22nF (die gabs mal bei Pollin-Elektronik sehr preisgünstig in den Restposten) und der gleichen Anzahl von Dioden. Obwohl die Bauteile sehr robust sind und nur selten kaputt gehen, können sie leicht ausgetauscht werden. Die folgende Abbildung zeigt die Funktionsweise einer Kaskade: Kondensatoren werden parallel aufgeladen und sind gleichzeitig in Reihe geschaltet, so dass die Hochspannung entnommen werden kann.

Funktionsweise einer Kaskade

Wen es interessiert: Hier gibts den Quelltext des Hochspannungsgeräts.