Projekt Stabilisierte Hochspannungsquelle 7..12 kV in Vollröhrentechnik
von der TU Berlin und Henry Westphal
Diese Hochspannungsquelle wurde im Sommersemester 2005 als Quelle für die Beschleunigungsspannung unseres Monitors
realisiert.
Die Hochspannungsquelle im Gesamtprojekt:
Die Hochspannungsquelle im Einsatz:
Das Blockschaltbild:
Hier der vollständige Schaltplan als pdf-File:
schaltplanHVR.PDF
Die Gesamtansicht:
Die Vorgehensweise.
Vollständiger Eigenentwurf aller Schaltungsteile, kein Bezug zu historischem Originalgerät.
Berechnung des Transformators.
Der Transformator wurde nach unseren Angaben bei BHR-Elektronik gefertigt, BHR-Elektronik hat den Trafo freundlicherweise
gesponsort.
Der Multivibrator.
Klassischer astabiler Multivibrator.
Schwingfrequenz 16 kHz.
Komplementäre rechteckförmige Ausgangssignale mit ca. 100Vss
Totzeit durch Anstiegs- / Abfallzeiten
Verwendung einer Doppeltriode ECC82
Das Schaltbild des Multivibrators:
Die Ansicht des Multivibrators:
Die Gegentakt-Endstufe.
Gegentaktschaltung mit Rechteckansteuerung
Verwendung von Zeilenendröhren EL504.
Betriebsspannung 320V.
Spannungsspitzen an den Anoden +/- 2,6 kV.
Anodenstrom bis zu 240mA.
Die Röhren haben sich auch bei erheblicher überlastung als praktisch unzerstörbar erwiesen.
Das Schaltbild der Endstufe:
Die Ansicht der Endstufe:
Der Transformator und der Spannungsverdoppler.
Ferritkernübertrager mit vergossenen und vakuumgetränkten Wicklungen.
Spannungsverdoppler erlaubt Halbierung der Windungszahl der Sekundärwicklung und damit Reduktion der
Streuinduktivität auf 1/4
Erzeugung der Heizspannung für die Dioden ( 3,15V eff.) mit jeweils einer einzelnen Windung.
Das Schaltbild:
Die Ansicht:
Die Heizschleifen im Detail:
Der Spannungsregler.
Das Prinzip.
Diskret aufgebauter Leistungs-Operationsverstärker als Shuntregler
Innenwiderstand der Quelle ist Arbeitswiderstand der Regelschaltung.
Diese Schaltung kann für Spannungen bis 27,5 kV (!) verwendet werden.
Das Schaltbild:
Deutlich kann man auf dem folgenden Bild die glühende Anode der ED500 sehen, es wird von 15kV Rohspannung auf 7,5kV
abgeregelt. Die Wärme entsteht durch den Aufprall der beschleunigten Elektronen auf die Anode. Man kann das Glühen
der Anode (oben) deutlich vom Glühen des Heizfadens (unten) unterscheiden, der zudem eine niedrigere Farbtemperatur hat.
Die Röhre ED500.
Verwendung der Leistungstriode ED500 als Endröhre des Regelverstärkers.
Anodenspannung bis zu 27,5 kV, Anodenstrom bis zu 2mA.
Vergleichbare Spannungsfestigkeit auch heute mit Halbleitern nicht realisierbar.
Markteinführung 1967 für den Einsatz als Hochspannungsstabilisator in der ersten Farbfernsehergeneration.
Wird auch heute noch in leicht weiterentwickelter Form in Russland serienmäßig hergestellt.
Wird auch heute noch in Deutschland von Industriekunden eingesetzt.
Die Röhre ED500 (oder auch PD500):
Die Abschirmung.
Bei Anodenspannungen größer 10kV wird Röntgenstrahlung abgegeben.
Der innere Aufbau der Röhre schirmt die Strahlung bereits weitgehend ab.
Vorsichtshalber wurde eine Abschirmung aus Stahlblech konstruiert.
Röhre ED500 mit Abschirmung:
Die Ergebnisse.
Schaltung arbeitet zur Zufriedenheit.
Gute Stabilisierung und Einstellbarkeit der Hochspannung.
Erstaunliche Robustheit gegen überlastungszustände, praktisch unzerstörbar.
Vakuumtränkung der Primärwicklung erwies sich als notwendig, ungetränkte Wicklungen wurden durch interne
Überschläge zerstört.
Aber: Wirkungsgrad unbefriedigend.
Grund: Fehlannahme bei der Auslegung des Trafos. Resonanzfrequenz der Sekundärwicklung bereits 11 kHz. Daher bei
16kHz ausgeprägtes Tiefpaßverhalten durch Streuinduktivität und Streukapazität, nur noch 50% der
nominellen Spannung verfügbar.
Die Verbesserungsmöglichkeiten.
Reduzierung der sekundären Windungzahl auf 67% würde Streuinduktivität auf 45% und Streukapazität
auf 67% reduzieren, Resonanzfrequenz würde auf 20kHz ansteigen.
Auch Modifikation der Primärwickung notwendig.
Weiteres Optimierungspotential durch Abstimmung von Streuinduktivität zu Streukapazität der Primärwicklung
vorhanden.
Der Transformator hat sich als ein komplexes elektromagnetisches System erwiesen, dessen vollständige Durchdringung
weit ausserhalb des Rahmens dieses Projekts liegt.
Höchster Respekt vor den Entwicklern von Zeilentrafos!
Gruss, Henry Westphal
