Hochspannungskaskade

Der Bau einer Hochspannungskaskade, auch als Cockcroft-Walton-Generator oder Villardschaltung bekannt.

Geräte:

Lötkolben

Bauteile:

Kondensatoren (z.B.: WIMA FKP1 Impulskondensatoren 2kVDC / 700VAC)
Dioden (z.B. 1N4007 o.ä.)

Hinweis:

Vorsicht! Hochspannung ist kein Spielzeug! Die Spannung dieser Schaltung ist lebensgefährlich! Der Nachbau geschieht auf eigene Gefahr! Der Autor und Illumina-Chemie übernehmen keine Haftung für Sach- und Personenschäden durch Unfälle beim Nachbau und eventuellem unsachgemäßen Umgang mit dieser Schaltung!


Beschreibung:

Mit dieser Schaltung wird aus einer Wechselspannung eine um den Faktor 2*n höhere Gleichspannung erzeugt, wobei n dabei die Anzahl der "Stufen" der Kaskade ist. Eine Stufe besteht immer aus zwei Kondensatoren und zwei Dioden; das ist sozusagen die kleinstmögliche Kaskade. Die maximale Anzahl der Stufen ist theoretisch nicht begrenzt, in der Praxis jedoch wird die Zahl der Stufen durch die Kapazität der Kondensatoren begrenzt. Bei einer Reihenschaltung von Kondensatoren sinkt die Kapazität nach der Formel 1 / (1/C1 + 1/C2 ...). Sind zu viele Kondensatoren verbaut, sinkt der entnehmbare Strom auf Grund der geringen Gesamtkapazität so weit, das die Ausgangsspannung schon durch kleinste Kriechströme oder Sprühentladungen zusammenbricht.

Funktion der Schaltung:
Beim Anlegen einer Wechselspannung wird bei der ersten negativen Halbwelle der erste Kondensator C1 über D1 auf U_In geladen. Bei der ersten positiven Halbwelle liegt der geladene C1 in Reihe mit der Eingangsspannung, so wird seine Spannung auf die Eingangsspannung aufaddiert. C2 wird über D2 mit der Spannung von U_In+U_C1 aufgeladen. Bei der zweiten negativen Halbwelle wird C1 erneut geladen, während C3 über D3 vom C2 auf dessen Spannung geladen wird. Die nun folgende zweite positive Halbwelle lädt erneut C2, während gleichzeitig die Spannung von C3 auf C4 "geschoben" wird. Bei jedem Schwingungszyklus wird nun diese Spannung, die nie mehr als das doppelte von U_In beträgt, eine Stufe weiter geschoben. Am Ausgang der Schaltung liegen die Kondensatoren mit der geraden Kennzahl (C2, C4, C6 usw.) in Reihe, ihre Spannungen addieren sich zu der Gesamtspannung der Kaskade.
Es muss keine Sinuswechselspannung zur Ansteuerung verwendet werden, eine "zerhackte" Gleichspannung funktioniert auch. Auf keinen Fall darf man eine solche Schaltung direkt an das Stromnetz anschließen, da man den einen Anschluß (bei C2) erden muss. Erwischt man beim Einstecken des Steckers in die Steckdose die Phase auf diesem Anschluß, gibt es einen Kurzschluss! Man benutzt, will man die Kaskade mit 230V betreiben, natürlich einen Trenntrafo!

Schaltbild:



Zusammenbau:

Man benötigt nicht unbedingt eine Platine. Hat man Kondensatoren in Quaderform (wie z.B. die WIMA FKP1) legt man immer zwei mit der großen Fläche nebeneinander und verbindet sie quasi mit der ersten Diode, die quer über die Kondensatoren gelötet wird (auf richtige Polung achten!!). Man sollte sich zuerst immer diese "Blöcke" aus zwei Kondensatoren zusammenlöten. Dann werden diese Blöcke hintereinander gelegt und mit einer Diode von links nach rechts (oder umgekehrt) verlötet. Wie genau das ausschaut, wird aus dem Foto deutlich. An den Ausgang der Kaskade sollte man noch einen Widerstand löten, dessen Wert von der Ausgangsspannung abhängt (zwischen 10 und 50 MOhm). Will man die Kaskade mit mehr als 500V ansteuern, sollte man mehrere 1N4007-Dioden in Reihe schalten, um die Spannungsfestigkeit zu erhöhen. Die 1N4007 kann 1000 Volt aushalten, höhere Spannungen zerstören die Diode.

Entsorgung:

Defekte Elektronikbauteile gehören in den Sondermüll. Nicht über den Hausmüll entsorgen!

Bild: