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Bau eines Hochspannungsgenerators auf Basis eines NE556 ICs und einer KFZ-Zündspule
Ein überaus faszinierender Bereich der Elektronik ist das Experimentieren mit Hochspannung. Mit sehr geringem Aufwand können leicht Spannungen von mehreren 10kV erzeugt werden,
mit denen sich eine Reihe interessanter Effekte erzeugen lassen.

Interessant ist es eine normale Glühbirne an die Hochspannung anzuschließen. Berührt man diese, schlagen die Funken vom Glühdraht auf die Finger über.

Berührt man die Elektrode mit einer Neonröhre oder Glimmlampe, die man in der Hand hält, so leuchten beide je nach Abstand mehr oder weniger hell auf. Das gilt als Nachweis des elektrischen Feldes und dem Übergang eines hochfrequenten Stromes nach Erde.

Ein weiteres interessantes Experiment ist die Hochfrequente Hochspannungsfotografie. Hierbei wird leitfähiger Gegenstand auf zwei Glasplatten gelegt, deren Zwischenraum mit Salzwasser gefüllt ist.
Dann wird der Gegenstand mit dem Hochspannungskabel verbunden. Von unten seht man im dunkeln  die Entladungen.


Der elektrische Funken verwandelt Sauerstoff (O2) in Ozon (O3), was nach kurzer Betriebszeit durch den markanten Geruch des Ozons festgestellt wird.
 
Die hier dargestellten Experimente verwenden hohe Spannungen, hohe Frequenzen und hohe Leistungen. Die Spannungen erreichen Werte von einigen 10er kV.
Selbst die Isolation von vermeintlich "hochspannungsgeeigneten" Kabeln werden einfach durchschlagen. Die Ströme können schnell auf eine durchaus gefährliche Höhe ansteigen.
Also vorher überlegen was man tut und wo man hinfaßt!
1) Hier zuerst einige Bilder:

-> Hier sind alle diesbezüglichen Bilder aus der Datenbank


 Der fertige Aufbau des Hochspannungsgenerators
 


Überschlag von einer Lampe auf meine Finger


Überschlag von einer Lampe auf meine Finger


Die Leuchtstoffröhre fängt beim Überschlag des
Funkens zu leuchten an


Koronaentladungs- oder Kirlianfotografie
(auch Hochfrequente Hochspannungsfotografie)
 

Alle Leuchterscheinungen beruhen auf der Tatsache, daß Gase nur dann Strom leiten können, wenn sie Ionen oder Elektronen enthalten. Diese können durch Hitze, Röntgenstrahlen oder Radioaktivität erzeugt werden. Hier werden die Ladungsträger im Gas durch eine hohe Spannung erzeugt. Die mit hoher Geschwindigkeit fliegenden Elektronen regen dann Gasmoleküle zum Leuchten an. In einem reinem Vakuum würden keine Leuchterscheinungen auftreten.
 
2) Schaltplan:
Hier zuerst der Schaltplan für einen einfachen Hochspannungsgenerator. Er eignet sich je nach Dimensionierung z.B. als Weidezaungerät mit oder als kräftiger Hochspannungsgenerator.
Gezeichnet habe ich den Schaltplan mit den Freeware Programm "Eagle Light 5.8 von Cadsoft"  Download Schaltpan
 



















Materialliste:

ICs                               1x NE556N
MOS-FET                     1x IRF840
Diode                            1x N4148
Varistor [R9]                  1x S20K (=220 Volt)
LED                              1x
Kondensator [C4]           1x 470 µF
Kondensator [C1,C2,C8] 3x 100 nF
Kondensator [C3]           1x 22 nF
Kondensator [C5, C9]     1x 10 nF
Kondensator [C10]          1x 1000 µF
Poti [R3, R4]                  2x 47 KOhm
Widerstand [R1, R2]        2x 4,7 KOhm
Widerstand [R7]              1x 10 KOhm
Widerstand [R6]              1x 1 KOhm
Widerstand [R8]              1x 330 Ohm
Zündspule                       1x
Zündkabel                       1x

4) Das Prinzip:

Die Primässeite einer Spule wird von einem Strom durchflossen. Wird dieser Strom schnell abgeschaltet, bricht das Magnetfeld, das sich um die Spule gebildet hat zusammen, und induziert in der Primär und Sekundärseite der Spule eine Spannung. Da die Windungszahl der Sekundärseite höher ist als die auf der Primärseite, wird die Spannung im jeweiligen Windungsverhältnis hochtransformiert.
Die Höhe der Ausgangsspannung wird durch die Höhe der Versorgungsspannung, die Geschwindigkeit des Flankenanstiegs sowie durch das Puls-Pausen-Verhältnis der Ansteuerung bestimmt

Das An / Abschalten der Spule wird durch einen Mosfet Transistor erledigt, welcher durch einen NE556 Timer angesteuert wird.

Die Schaltung wird mit 12 Volt betrieben, wobei die Diode D1 und Kondensator C4 dafür sorgen, daß Spannungsspitzen der Versorgungsspannung nicht auf den Taktgeber einwirken.

Als Anhaltspunkt für die Frequenz leuchtet die LED im Takt der erzeugten Hochspannung kurz auf - was natürlich nur bei niedrigen Frequenzen sichtbar ist.

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Der erste Timer (IC2a) ist als astabiler Multivibrator (AMV) geschaltet und erzeugt dabei durch Selbst-Triggerung einen Takt in Abhängigkeit von R1, R2 und R3 und dem Kondensator C3.
Eine astabile Kippstufe (auch Multivibrator genannt) ist eine elektronische Schaltung, die zwischen zwei Zuständen selbstständig hin und her schaltet.

Wird die Schaltung erstmals mit Spannung versorgt, ist der Kondensator C3 entladen. Die Spannung an ihm ist also 0V und damit wird der Eingang am Trigger (Pin6) gesetzt. Der Entladungsanschluß (Pin1) ist gesperrt.
Der Kondensator C3 kann sich nun über die Widerstände R1, R2 und R3 aufladen. Wird die Schaltschwelle von 2/3 der Versorgungsspannung am Schaltschwellenanschluß (Pin2) erreicht, so kippt unsere Kippstufe.
Der Entladungsanschluß (Pin1) wird auf Masse durchgeschaltet und der Kondensator C3 kann sich nun über den Widerstand R2 und dem Entladungsanschluß (Pin1) entladen.
Sobald die Spannung am Kondensator C3 beim Entladevorgang unter die Schaltschwelle am Triggereingang (Pin6) von 1/3 der Versorgungsspannung fällt, wird die Kippstufe gesetzt, der Entladungsanschluß (Pin1)
sperrt und der Kondensator beginnt sich jetzt wieder zu laden.

Am Schaltschwellenanschluß (Pin 2) entsteht durch die Ladung und Entladung des Kondensators C3 ein Dreieck-Signal.


Dreiecks Signal am Kondensator C3

Dieser Vorgang wiederholt sich nun ständig und es wird ein Rechtecksignal am Ausgang (Pin5) erzeugt.


Rechtecks Signal am Ausgang vom NE556 Pin5

Um etwaige Störungen der Schaltung zu vermeiden, sollte man den Pin 3 (Control Voltage) mit einem Kondensator (ca. 100nF) auf Masse legen.

Die Pulsdauer (Zeitdauer der Aufladung von C3) am Ausgang beträgt:
t1 = 0,69 x ((R1 + R2 + R3) x C3)

Die Pausendauer (Zeitdauer der Entladung von C3 über Pin 1) beträgt:
t2 = 0,69 x R2 x C3

In dieser Grundschaltung ist also t1 immer größer als t2.

Die Frequenz des AMV ist:
f = 1/(t1 + t2)  =  1,44/(((R1+R3) + 2R2) x C3).

In der oben gezeigten Schaltung lieferten 2,2 KHz die besten Ergebnisse.

---

Der zweite Timer (IC2b) ist als monostabiler Multivibrator (MMV) geschaltet. Dieser erzeugt Rechtecksignale mit einer einstellbaren Länge.
Der Triggergenerator (=der erste Timer)  wird über C5 und R7 an den Triggereingang (Pin 8) gekoppelt.


Rechtecks Signal am Ausgang vom NE556 Pin9

Kommt am Trigger-Eingang (Pin 8) ein LOW-Impuls, schaltet der Ausgang (Pin 9) für die Zeit (T=R*C) auf HIGH.
Bestimmend für die Zeitdauer ist die Kombination des Kondensators C1 mit den Widerständen R4 und R6.

Die Impulsdauer am Ausgang (Pin9) des Timers ist gegeben durch:
td = 1,1 x (R4+R6) x C1.

Für die Funktionsweise der Schaltung ist die Eingangsbeschaltung ( R7, C5) wichtig!
Da der Triggereingang sehr empfindlich auf "Störungen" reagiert, wird durch die Kombination des 100 KOhm-Widerstandes R7 und dem 10 nF Kondensator C5 eine unerwünschte Signalstörung weitgehend vermieden.

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Die Energie sowie die Frequenz des Funkens kann so in einem breiten Bereich, an die jeweilige Aufgabenstellung angepaßt werden.

Zur Hochspannungserzeugung wird eine Zündspule verwendet. Die Verwendung eines "normalen" Trafos ist nur eingeschränkt zu empfehlen, da die hohe Spannung die Isolierung der Kupferlackdrähte durchschlägt.
Um eine Zerstörung des MosFETs durch Spannungsspitzen, die durch Rückinduktion in der Primässpule hervorgerufen werden zu vermeiden, wurde ein 220 Volt Varistor
zur Spule parallel geschaltet.

Bei manchen Frequenzen kommt es zu Resonanzen, welche auf die Ansteuerschaltung zurückwirken, so daß die Funkenbildung nicht mehr sauber auftritt.
Diesen Effekt unterdrückt der Kondensator C9 und der ebenfalls parallel zur Zündspule geschaltet ist.
Der Kondensator C10 wird zur Stromquelle parallel geschaltet und unterdrückt wie der Kondensator C9 Störfrequenzen.


Mit einer alten KFZ-Zündspule erzeugt die Schaltung Funken von etwa 15 -30 mm.
Am besten eignen sich hier die "Bosch-Blau", die für Transistorzündanlagen entwickelt wurden und erheblich höhere Spannungen erzeugen können als herkömmliche Modelle.

Durch den MosFET laufen etwa 1,5 Ampere bei 12 Volt. Um die thermische Zerstörung der Transistors zu verhindern, muß dieser auf einen großvolumigen Kühler montiert werden.
Der Kühler der für den hier vorgestellten Aufbau verwendet wurde, hat etwa die Größe von 2/3 einer Europlatine. Damit kann man die Schaltung etwa 20 Min laufen lassen.
Erst mit Kühlern im "Ziegelsteinformat" erreicht man Temperaturen, die einen ununterbrochenen Betrieb ermöglichen.

Als Zuleitung zur Lampe hat sich ein Zündkerzenkabel bewährt. Der 15 KOhm Widerstand der typischer in dem Kabel integriert ist, hatte keine merklichen Auswirkungen.
Die Seite die für das Aufstecken auf die Zündkerze vorgesehen ist, paßt auf den Stift der in Klemme 4, dem Ausgang der Zündspule steckt.
Die Seite die für das Aufstecken auf den Verteilerkopf bestimmt ist, schneitet man ab und schraubt den Leiter in eine Lampenfassung aus Keramik. 
 
5) Datenblätter:
Pinbelegung vom MosFET IRF840: NE556 Pinbelegung vom Timer NE555 / NE556:
500V / 8A Single, Max. Leistung 125W, N-Channel HEXFET Power MOSFET mit TO-220AB Gehäuse. Bedeutung 555 5561 5562 555 (DIL8) 556 (DIL14)



Schaltbild mit Anschlussbezeichnungen -   Pinbelegung  in dem TO-220 Gehäuse
Masse / GND 1 7

NE555 im DIL8-Gehäuse


NE556 im DIL14-Gehäuse
Trigger 2 6 8
Ausgang (OUT) 3 5 9
Reset 4 4 10
Kontrollspannung (CV) 5 3 11
Schaltschwelle (Treshold) 6 2 12
Entladung (Discharge) 7 1 13
Betriebsspannung / +VCC 8 14
6) Schema und Funktionsweise einer älteren Zündspule:

Die Zündspule soll eine Primärspannung von 12 Volt bei einer Stromstärke von mehreren Ampere in eine Hochspannung von 15000 - 30000 Volt bei entsprechend geringerer Stromstärke wandeln.

Durch das Zündschloß ist die Klemme 15 mit dem Pluspol der Batterie verbunden. Beim Schließen der Unterbrecherkontakte wird zusätzlich die Klemme 1 auf Masse gelegt. Damit ist Primärkreis ist geschlossen und es kann sich ein Magnetfeld um die Spulen aufbauen.

Wird nun der Primärstrom durch die Unterbrecherkontakte geöffnet, versucht das Magnetfeld sich rasch abzubauen und induziert dabei in der Primärwicklung eine Selbstinduktionsspannung ~ 300 V mit der gleichen Flußrichtung wie die zuvor angelegte Primärbatteriespannung von 12 V. Das Gleiche geschieht in jeder einzelnen Wicklung der Sekundärspule. Da die Sekundärspule ~ 100x mehr Windungen besitzt, wird in der Sekundärwicklung auch das 100- fache an Spannung erreicht ( 100 x ~300V = 30.000 V ). So entsteht die Hochspannung die für einen Zündfunken benötig wird.

Die Hochspannung fließt über das Kabel 4  und die Hochspannungsverteilung zur Zündkerze.
 


 


 
(c) Jürgen Schilling 30.12.2013