200 kV Hochspannungskaskade

Als Ansteuerung für mein nächstes Projekt, ein Röntgengerät, habe ich diese Hochspannungskaskade gebaut

Da sich mein aktuelles Projekt, ein Röntgengerät zu bauen etwas zieht, möchte ich in diesem Artikel meine Hochspannungs-Stromversorgung vorstellen, welche ich in den letzten Monaten gebaut habe.
Ursprünglich wollte ich diese aus fertigen Teilkomponenten zusammenbauen. Ich hatte bereits folgende Komponenten besorgt:
Ich bemerkte jedoch schnell, dass die Leistung bei weitem nicht ausreicht.
Deshalb habe ich beschlossen, eine eigene Kaskade zu löten und einen besseren Trafo zu wickeln.
Bauteile
Eine Hochsppannungskaskade nutzt Kondensatoren und DIoden, um aus einer hochfrequenten hohen EIngangsspannung eine noch viel Höhere DC Ausgangsspannung zu erzeugen. Für eine detailierte Erklärung möchte ich hier auf den Wikipediaartikel verweisen.
Für den ZVS-Treiber möchte ich auf diesen Artikel auf civilpedia.org verweisen.

Meine Zielspannung beträgt 200 kV, deshalb habe ich folgewndes Design gewählt:
Der Zeilentrafo erzeugt 10 kV Ausgangsspannung, somit müssen die Kondensatoren der Kaskade je 20 kV aushalten.
Nach 12 Stufen müsste die theoretische Gesamtspannung maximal 240 kV betragen, da jedoch Wandlungsverluste entstehen und der Trafo von Hand gewickelt ist, gehe ich von realistischen 200 KV aus.
Kaskade Loeten
12 Stufen ist laut vielen Internet-Berichten die Grenze, wie lang man so eine Kaskade bauen kann, ohne dass die Verluste zu groß werden und die Spannung zu schnell zusammenbricht. Ich habe 10 NF Kondensatoren und als Dioden 2CL77-Hochspannungsdioden gewählt. Insgesamt habe ich für die Kaskade 24 Kondensatoren und 24 Dioden benötigt. Am einen Ende wird der Zeilentrafo angeschlossen. Es ist sehr wichtig, die Kaskade zu erden, da es sonst zu unberechenbaren Überschlägen kommen kann. Am anderen Ende habe ich ein 150 KV Kabel angeschlossen, welches ich zusätzlich mit einem Silikonschlauch umhüllt habe.
Fertige Kaskade
Für den Trafo habe ich einen verschraubbaren Ferritkern genommen und mit dem SLA-3D-Drucker eine Spulenhalterung mit 13 Kammern gedruckt. In jede Kammer habe ich 128 Windungen 0,4mm Kupferdraht gewickkelt. Bei der Rückführung in die jeweils nächste Kammer habe ich den Draht zusätzlich mit Isolierband eingewickelt, um Überschläge zu vermeiden. Dieses Design ist nicht optimal und auch nicht besonders langlebig, wie sich später herausstellen wird. Für alle, die den Trafo nachbauen wollen, empfehle ich, darauf zu achten, dass die Sekundärspule genug Abstand zum Kern haben sollte und die Drahtisolierung nur mit Isolierband auf Dauer nicht ausreichend ist.
Trafo Wickeln
Den fertigen Trafo habe ich am ZVS Treiberboard angeschlossen und in eine Box gelegt, um diese später mal mit Transformatorenöl füllen zu können. Hierbei ist es wichtig, dass das ZVS-Treiberboard nicht direkt an das Schaltnetzteil angeschlossen, sondern über ein zwischengeschaltetes Hochstromrelais geschalten wird. Nur wenn es schnell eingeschalten wird, baut sich auch sicher der Schwingkreis auf, ein Schaltnetzteil baut immer erst langsam die Spannung auf, was dazu führen kann, das das ZVS Board durchbrennt. Allein mit diesem Setup konnte ich bereits Blitze mit knapp über 1cm Länge erzeugen.
Treiber Und Zeilentrafo
Die Kaskade habe ich am Zeilentrafo angeschlossen. Hierbei habe ich (wie bei Wikipedia beschrieben) das eine Ende (Blauer Draht) geerdet. Die Elektroden habe ich zur besseren Isolation auf zwei Keramiktassen montiert. Ich bitte alle, die dieses Setup nachbauen wollen, extrem vorsichtig zu sein, jede kleine Unachtmerksamkeit kann tötlich oder zumindest mit schweren Verletzungen enden.
Versuchsaufbau
Die Kaskade hat auf Anhieb 21 cm lange Blitze erzeugen können. Ab und zu gab es jedoch auch ein paar Überschläge zwischen den Kondensatoren der Kaskade. Nach etwa 20 Versuchen hat die Kaskade plötzlich aufgehört zu funktionieren, was vermutlich an zu hohen Spannugsspitzen lag und ein paar kondensatoren durchgebrannt hat.


Insgesamt bin ich mit dem Projekt zufrieden, ich werde demnächst eine neue verbesserte Kaskade und einen leistungstärkeren Trafo wickeln. Ich bin schon gespannt auf die ersten Experimente mit der Röntgenröhre, für die dieses Projekt eigentlich gedacht war und werde hier in meinem Blog davon berichten.
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