Regelbares HV Netzteil

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Achtung: Die Schaltung ist aufgrund ihrer extrem gefährlichen Spannung nichts für "Einsteiger". Es sind auf jeden Fall die einschlägigen Sicherheitsbestimmungen (in Deutschland die VDE 0100) zu befolgen.

Siehe auch: Stromversorgungen

Regelbares Hochspannungsnetzeil 0 - 1200 V

Wer Spannungen im 1 kV Bereich benötigt kennt das Problem, dass die Erzeugung Spannungen in diesem Bereich nicht trivial ist. Erst recht, wenn die Spannung regelbar und stabilisiert sein soll wächst der Schaltungsaufwand schnell.

Wenn jedoch 1.2 kV / 0.6 mA reichen, kann der Aufbau eines HV-Netzteils mit einem modernen HV DC-DC-Wandler Moduls erfolgen. Die DC-DC-Wandler C4900 von Hamamatsu sind sehr interessant, da sie eine regelbare positive oder negative Spannung, je nach Typ, mit einfachstem Aufbau ermöglichen. Ähnliche Module gibt es natürlich auch von anderen Herstellern, z.B. EMCO.

HV-Schaltung-C4900 Pins.png HV-Schaltung-C4900f.jpg

Das Modul noch nicht mal 5 cm groß, so dass es auf "jeder Platine Platz finden" kann.

Im Grunde ist die Beschaltung wie bei jedem gebräuchlichem Spannungsregler (vergleiche 78xx), man denke sich einfach mal Pin 3 bis 5 weg:

HV-Schaltung-C4900 SpgReglerA.png

Für Details bitte unbedingt das Hamamatsu Datenblatt lesen.

Einfacher geht es nicht. Im Gegensatz zu normalen regelbaren Spannungsreglern, wie dem LM 317 ist aber die Einstellung der Ausgangsspannung einfacher und flexibler. Es gibt hier die Optionen diese über einen Poti einzustellen (siehe Bild oben), oder über eine Spannung zu steueren (siehe Datenblatt). Die dann anzulegende Steuerspannung zwischen Pin 3 und 4 ist dann netterweise 0 bis +5 V, was einen eine einfache Ansteuerung mir einem Microcontroller oder sogar dem PC ermöglicht.

Ein Digital Voltmeter Modul (DVM) ergänzt die Schaltung zu einem im Labor brauchbaren regelbaren HV Netzteil, dies ist aber im Grunde optional.

Obwohl grade HV Bauelemente leicht das 10fache normaler Bauelemente für geringere Spannungen (TTL bis 50 V) kosten, ist der Aufbau der Schaltung vergleichsweise preiswert. Die Hamamatsu Module bekommt man auch preiswert gebraucht (z.B. bei eBay) oder man baut sie aus Altgeräten aus. Ein industrielles HV Labornetzteil ist meist selbst gebraucht noch nicht erschwinglich.

Wofür das Ganze? Solche Spannung sind notwendig für:

  • Photomultipleier (PMT), zur Verstärkung kleiner Lichtsignale
  • Erzeugung von Gleichspannung-Niederdruckplasmen, beispielsweise bei der echte Neonröhre oder Argonröhre, also nicht der Leuchtstoffröhre oder den Energiesparlampen.
  • Laser was aber, wenn man es genau nimmt, in den vorigen Punkt zu kategorisieren ist. Halbleiterlaser brauchen im Gegensatz zu Gaslasern die Hochspannung nicht.
    • Ja: Man kann diese Module am Besten aus Laserdruckern ausbauen ;-)
  • Ionen und Elektronenstrahlen (letzteres hat auch fast jeder noch als Fernseher und CRT Monitor)

Wichtig: Aufgrund der Hochspannung und natürlich auch der Netzspannung muss besondere Vorsicht gelten. Es wird keine Verantwortung für unsachgemäßen Umgang mit lebensgefährlichen Spannungen genommen. Noch mal: Die Schaltung ist aufgrund ihrer gefährlichen Spannung nichts für "Einsteiger". Wer erst die Durchschlagsspannung pro mm in Luft bei Wikipedia nachschlagen muss, der sollte sich (vorerst) mit Lesen begnügen.

Folgendes ist in jedem Fall einzuhalten (Details: VDE Vorschriften):

  1. Einbau nur in dafür vorgesehene geerdete Gehäuse.
  2. Alle verwendeten Bauteile müssen für die gegebene Spannung dimensionierte sein, insbesondere:
    • Schalter
    • Netzkabel und Netzstecker
    • HV Kabel (von Schaltung zu Stecker)
    • HV Buchsen (z.B. Hirschmann-Sicherheitseinbaubuchse 4mm, bis 1000V, dann aber Spannung durch Poti auf 1000 V begrenzen)
    • Kabel außerhalb des Gehäuses
  3. Überschläge und Kontakt vermeiden
    • Masse korrekt an DC DC Wandler anschließen (wichtig, da sonst evtl auf DVM Display schon HV anliegt)
    • Auf der Platine ausreichenden Abstand zwischen den Leiterbahnen herstellen. Bei Streifenrasterplatinen die Bahnen um die spannungsführende Leiterbahnen wegkratzen, wenn diese HV oder Netzspannung führen. Direkt nebeneinander liegende Bahnen sollte nur strombegrenzte Niedrigspannung führen.
  4. Schaltung aufbauen und durch messen, bevor das HV Modul eingesetzt wird. Nach Einsetzen des HV Moduls nur noch zulässige Messinstrumente und Messkabel verwenden.

Schaltungsaufbau

Der Aufbau ist auf wenige Bauteile reduziert, so dass optionale Erweiterungen recht einfach auf einer Lochrasterplatine Platz finden können.

Die Grundschaltung besteht aus:

  1. Netztrafo mit Gleichrichtung und +15 V Festspannungsregler 78L15 (oder 7815)
  2. DC-DC-Wandler Modul (hier von Hamamatsu) mit Poti

Die Schaltung lässt sich recht einfach auf einer 10x10 Streifenrasterplatine aufbauen. Auf der Platine ergeben sich sinnvollerweise folgende Blöcke:

HV-Schaltung.jpg HV-Schaltung-C4900 Platine.jpg

Anmerkungen:

  • Die Schaltung kann man verkleinern, so passt die gleiche Schaltung auch auf eine 5 cm x 10 cm Platine, allerdings schon recht gedrängt. Noch kleiner geht es, wenn die Stromversorgung nicht auf der Platine ist. Die 10x10 Platine bietet jedoch oben rechts noch Platz für Erweiterungen (s.u.).
  • Der unter dem Kühlkörper verborgene 7815 im TO220 Gehäuse ist völlig überdimensionierte und wurde nur verwendet, weil er halt grade da war. Es reicht auch ein 78L15 für die obige Schaltung.
  • Der HV Kondensator am Wandler Ausgang ist nicht auf der Platine, sondern zwischen die Stecker am Frontpanel eingelötet, da er recht groß ist.
  • Ich verwende mittlerweile gerne die kleine weißen Krimpstecker mit den dazugehörenden Pfostensteckern für die Platine, siehe Stecker an den grünen Kabeln. Die sind preiswert und praktisch. Sie sind verpolungssicher und gesteckt rasten sie leicht ein. Alle Kabel können so zum Einlöten weiter Bauteile mal eben entfernt werden. Man kann sie schnell umpolen, da man die Kontakte recht einfach wieder aus dem Gehäuse raus bekommt und das Anlöten der kabel ist das trotz der recht kleinen Dimensionen sehr einfach, wenn man die Kontakt aufgekettet lässt. Zudem kann man in einen 2er Stecker prima eine 3mm LED reinstecken.
  • Für dickere Kabel (230 V und HV) haben sich "Anreihklemmen" als Standard bei mir etabliert, die gibt es für hohe Ströme, wie auch für hohe Spannungen.
  • In ein 19 " Gehäuse (3 HE) können übrigens gut 3 HV Netzteile parallel eingebaut werden. Bei eine 3HE Panel können können alle notwendigen Elemente übersichtlich eingebaut werden, 2HE geht auch, aber bei der Verkabelung am Panel wird sehr eng und unübersichtlich. So kann man drei regelbare 1200 V bereitstellen, oder z.B. ein -1200 V -- 0 V -- +1200 V Netzteil aufbauen, in dem beide Hochspannungen separat geregelt werden können

HV-Schaltung 19 Zoll.jpg

Notwendige Bauteile:

  1. Streifenrasterplatine (optimal 10x10 cm)
  2. Trafo 18V, 0.6 VA
  3. Gleichrichter (z.B. 4 x Gleichrichterdioden 1N4148 oder 1N4001 reichen)
  4. 2 Elko (z.B, 470 µF und 220 µF, 35V)
  5. Spannungsregler 78L15 (oder 7815)
  6. DC DC Wandler (Hamamatsu C4900 für -1200V)
  7. HV Kondensator (0.2 µF, 2 kV)
  8. 10 Gang Poti 50 k

plus Kleinkram:

  • Anreihstecker (3er für 230 V, 2er für HV)
  • Sicherungshalter + Sicherung 0.5 A
  • Drahtbrücken
  • Kippschalter 3x Ein/EIN
  • LED + Vorwiderstand für 18 V~ (LED 2 mA rot=1.6V dann 8,2 k Vorwiderstand)
  • Widerstände als Spannungsteiler für DVM ( 10 M + Kombination aus 1 k Trimmer und 500 Ohm um auf 120 mV für DVM zu kommen)
  • Trimmerpoti
  • Kupplungs-Leergehäuse, Crimptechnik, 2-polig + Crimpkontakte
  • 9 V Batterie + Batteriehalter
  • Sicherheitseinbaubuchsen

Sinnvolle Erweiterungen der Schaltung

  • Spannungsteiler für DVM (Digital Voltmeter Modul):
    • Die DVM benötigen 9V, was am einfachsten eine separate (!!) Batterie bereitgestellt wird.
    • Der Spannungsteiler benötigt einen 10 M Widerstand und eine Kombination aus Widerstand und Trimmerpoti, je nach gewünschter Messgenauigkeit.
  • Spannungssteuerung und Abfrage über einen Microcontroller. Damit ergeben sich folgende interessante Möglichkeiten:
    • Serielle Schnittstelle zu einem PC
    • Programmierung von zeitlich gesteuerten Spannungsverläufen
    • Ein-/Abschaltbedingungen über (TTL) I/O Ports, PC Schnittstelle oder nach Stromstärke