Inverter für Kaltkathodenlampen

Bei vielen Arbeiten und Aufbauten benötigt man etwas höhere Spannungen bei nur kleinen Strömen. Geigerzähler, Funkenzähler, Fotomultiplier, Elektronenröhren, Triggerschaltungen und kleine Laser benötigen Spannungen von einigen Hundert bis einigen Zehntausend Volt. Üblicherweise werden dazu Spannungswandler verwendet. Solche Module werden mit verschiedensten Daten kommerziell angeboten, sind aber meist recht teuer und schwierig zu erhalten.
Der Selbstbau ist natürlich möglich, aber dazu muß ein Transformator gewickelt werden. Eine Arbeit, die die meisten Bastler ungern machen zudem auch die notwendige Isolation der Wicklungen nicht ganz einfach ist.

Einen Ausweg bietet die Verwendung von Invertern für den Betrieb von Kaltkathoden-Floureszenzlampen wie sie beim Computer-Modding verwendet werden. Diese Module sind ziemlich billig zu bekommen.
Die Schaltung besteht aus einen Royer-Konverter der den Trafo mit einer Frequenz von etwa 40 kHz ansteuert. Die Sekundärwicklung ist galvanisch vom Eingangsteil getrennt was für eine Beschaltung oft günstig ist.

Das rechts gezeigte Modul N5167 ist bei >>Neuhold Elektronik << für
nur 2,95€ (Feb. 2016) erhältlich. Das Modul ist nominell für eine Eingangsspannung von 12 V konzipiert kann aber nach eigenen Experimenten auch mit über 15 V betrieben werden. Der aufgenommene Strom hängt natürlich von der ausgangsseitigen Belastung ab, mit einer hochohmigen Last (~ 100µA) beträgt er etwa 100 mA.
Die beiden blauen Kondensatoren die den Strom durch die Lampen begrenzen können für die meisten Anwendungen entfernt werden.

Ohne weitere Beschaltung können mit dem Inverter Gasentladungslampen betrieben werden. Wie unten mit einer antiken Wasserstoff- und einer Helium-Spektralröhre

Will man eine Gleichspannung als Ausgang muss natürlich eine passende Schaltung hinzu gefügt werden. Zum Test wurden zwei Schaltungen aufgebaut, eine mit Einweggleichrichtung und eine Verdopplerschaltung. Man sieht das die Ausgangsspannung in einem weiten Bereich der Eingangsspannung folgt.

Einstellbare, stabilisierte Hochspannungsquelle

Will man eine konstante Hochspannung erzeugen kann man die Schaltung um eine Regelung erweitern. Zu diesem Zweck eignen sich die einstellbaren Spannungsregler vom Typ LM317, b.z.w. LM 337, je nachdem ob man eine positive oder negative Ausgangsspannung benötigt.
Die linke Schaltung erzeugt eine einstellbare Spannung im Bereich von -400 bis -3000 Volt. Wichtig ist der 20 kOhm Trimmer der die minimale Spannung festlegt. Ist der Wert zu klein wird die Regelung instabil.
Zur Erzeugung positiver Ausgangsspannungen wird der Regler LM 337 verwendet.

Ein Nachteil der einfachen Schaltungen sei nicht verschwiegen. Die hochfrequenten Schwingungen des Konverters können benachbarte Schaltungszüge stören. Wird die Schaltung zur Versorgung empfindlicher Sensoren (z.B. Fotomultiplier) verwendet sollte man sie in einer eigenen Abschirmbox unterbringen und die Ausgangsspannung gut sieben.

Noch höhere Spannungen werden mit einer Kaskade erreicht. Mit einem freien Aufbau wie im rechten Bild kann die Ausgangsspannung über 25 kV zu erreichen. Darüber hinaus werden die Sprüherscheinungen zu dominant. Ohne Last, nur mit demVorwiderstand von 1000 MOhm für das Messgerät wird die Ausgangsspannung von 25 kV mit einer Eingangsspannung von 6,5 Volt erreicht. Bei einer Spannung von 25 kV und einem Lastwiderstand von 100 MOhm (Strom 250µA) werden bei einer Eingangsspannung von 11 Volt 800 mA aufgenommen. Immerhin noch ein Wirkungsgrad von 71%.

Eingang ( 1000 MOhm Last)	Eingang (100 OHM Last)	Ausgangsspannung
1,2 V	1,6 V	5 kV
2,4 V	2,9 V	10 kV
3,7 V	6,2 V	15 kV
5,0 V	8,6 V	20 kV
6,6 V	10,9 V	25 kV

Die Ausgangsspannungreicht z.B. für eine kleine >Röntgenröhre<. Auch zum Ladungen von Kondensatoren ist die Schaltung gut geeignet. Ein Marxgenerator (insgesamt 10,8nF) kann ca. zweimal pro Sekunde geladen und ein kleiner N2 Laser ( ingesamt 5 nF) mit ca. 10 Hertz betrieben werden.

Noch deutlich höhere Spannungen können erreicht werden wenn die Kaskade isoliert wird sodass Sprüherscheinungen unterbunden werden.
Auf dem rechten Bild ist eine Kaskade zu sehen die in ein mit Paraffinöl gefülltes Plexiglasrohr eingebaut wurde. Paraffinöl wird vom Verfasser dem üblichem Trafoöl vorgezogen. Paraffinöl ist geruchsneutral, gesundheitlich unbedenklich ( wird sogar für kosmetische Produkte verwenden) und verschmutzte Gegenstände können relativ einfach mit Seifenwasser gereinigt werden. Kurzum, die Sauerrei die beim versehentlichem Auslaufen entsteht hält sich in Grenzen.
Bei einer Eingangsspannung von 15V am Inverter wird eine Ausgangsspannung von 100 Kilovolt ( 50µA über 2 Gigaohm) erreicht. Obwohl der Innenwiderstand mit 200 Megaohm aufgrund der vielen Stufen der Kaskade (28) ziemlich hoch ist, kann das Gerät für viele Experimente verwendet werden. Wird die Schaltung zusätzlich zum eingebautem Spannungsteiler mit 100µA belastet hat man immer noch eine Spannung von über 80kV, mehr als genug z.B. für eine Röntgenröhre oder einen >Neutronengenerator<.