Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2. Die Netzteile. Von Thomas Schmidt und Henry Westphal. Seite 10-1

Transkript

1 Die Von Thomas Schmidt und Henry Westphal Seite 10-1

2 Die Idee. Für die im Rahmen des Projekts High-Speed 1 und -2 durchgeführten Versuche wurden spezielle Versorgungsspannungen für die HF-Leistungsröhren benötigt. Im Sinne der Grundsätze dieses Projekts, alle Versuchseinrichtungen selbst zu entwickeln und aufzubauen wurden auch die benötigten Netzgeräte selbst entworfen und angefertigt. Hierbei wurde ein modulares Konzept umgesetzt. Es wurden 2 Netzgeräte aufgebaut, die dann jeweils für mehrere Versuche verwendet wurden. Die Versuche wurden an die Netzgeräte über verwechslungs- und verpolungssichere mehrpolige Steckverbinder angeschlossen. Auf diese Weise ist es möglich, die Versuche in kürzester Zeit ohne das Risiko einer Fehlverdrahtung mit den Netzgeräten zu verbinden. Das Kleinleistungs-Netzteil 700V diente mit den Ausgangsspannungen 700V, 250V und 6,3V zur Versorgung der folgenden Versuche: - Oszillator 140 MHz - Oszillator 270 MHz - Oszillator 1300 MHz - CW-Teslatrafo - Plasma-Hochtöner 50W Das Hochleistungs-Netzteil diente mit den Spannungen V, V und 2x 5V zur Versorgung der folgenden Versuche: - Plasma-Hochtöner 250W - Oszillator 144MHz/300W Ein weiteres Netzteil mit den Spannungen 350V und 6,3V wurde für die Versorgung des MHz- Oszillators aufgebaut. Das Netzteil für den Modulationsverstärker wird im Abschnitt Der Modulationsverstärker beschrieben. Seite 10-2

3 Das Hochleistungs-Netzteil. Die allgemeinen Anforderungen. Das Netzteil ist dafür ausgelegt, zwei identische Tesla-Generatoren mit je einer 4/400A-Röhre zu versorgen. Damit ist dann ein Stereo-Betrieb möglich. Der Detailentwurf, die Dimensionierung und die Modifikationen. Der Schaltplan, auf das sich dieser Text bezieht befindet sich in dem separaten Dokument Schaltpläne Projekt High-Speed Die Anodenversorgung. Durch Wahl zwischen den sekundärseitigen den Abgriffen von T101 kann zwischen den folgenden Anodenspannungen gewählt werden: 2500V eff => 3500VDC 1875V eff => 2600VDC 1250V eff => 1700V DC 625V eff => 880V DC Der entnehmbare Dauerstrom bei 3500V ist 0,5A. Der Transformator wurde von der Firma Bremer-Trafo speziell für dieses Projekt angefertigt. Zur Gleichrichtung wird ein Brückengleichrichter aus 4 Dioden 1N6517 (Sperrspannung 5kV, Dauerstrom 1A) vorgesehen. (D101 bis D104) Als Ladekondensator wird ein (vorhandener) Folienkondensator 54uF / 4kV vorgesehen. (C101) Mit R101 wird der Ladestrom in den, nach dem Einschalten des Gerätes zunächst einen Kurzschluß darstellenden, ungeladenen Kondensator begrenzt. Das Datenblatt der 1N6517 gibt einen maximalen nichtperiodischen, aber wiederholbaren, Stromimpuls durch die Diode von 40A für 8,3ms vor. R101 ist daher mindestens: 3500V / 40A = 87,5 Ohm. Ein Wert von 100 Ohm erscheint praxisgerecht. Die im Dauerbetrieb an R101 umgesetzte Leistung ist: 0,5A 2 * 100 Ohm = 25W. Da die Impulsleistung beim Einschalten des Gerätes wesentlich höher ist, wird ein kurzzeitüberlastbarer Widerstand vorgesehen. Bei er Auswahl des Widerstandes ist auch die Spannungsfestigkeit gegenüber der Montagefläche zu beachten. Geeignet ist der RPS R (Farnell Seite 812 Katalog 2005) mit 250W Nennleistung (gekühlt) und 5kV eff. Spannungsfestigkeit zur Montagefläche. Mit C101 = 54uF ergibt sich bei einem Ausgangsstrom von 0,5A die folgende Brummspannung: U = t * I / C U = 10ms * 0,5A / 54 uf = 100V (Spitze-Spitze) = 30V eff. 100V ist 3% von 3500V Die für diese Berechnung angewandte vereinfachende Modellierung ist im Abschnitt Modulationsverstärker bei der Beschreibung des dort vorgesehenen Netzteils ausführlich erläutert. Es ist zu beachten, daß in C101 eine sehr gefährliche, tödlich wirkende, Energiemenge gespeichert bleiben kann, und zwar über Stunden und Tage nach dem Ausschalten des Gerätes. Daher ist es unabdingbar, einen sicheren Entladepfad über einen parallel geschalteten Widerstand für C101 vorzusehen. Die Dimensionierung des Entladewiderstands stellt einen Kompromiß zwischen dem Leistungsverlust durch diesen und einer hinreichend schnellen Entladezeitkonstante dar. Seite 10-3

4 Eine Entladezeitkonstante von 20s erscheint praxisgerecht. Nach einer Minute ist dann, ei einer anfänglichen Aufladung mit 3500V, noch 3500V * 0,37 * 0,37 * 0,37 = 177V über dem Kondensator vorhanden. Der Entladewiderstand ist dann: 20s / 54uF = 370kOhm. Die in ihm umgesetzte Leistung ist: (3500V) 2 / 370 kohm = 33W. Da ein Widerstand mit den gewünschten Eigenschaften nicht erhältlich ist, wird dieser durch eine Serienschaltung von 8 Widerständen 47K / 12W mit jeweils 750V Nennspannung realisiert. Man erhält einen Widerstand mit 376 kohm / 96W / 6kV. Der Entladewiderstand muß aus Sicherheitsgründen direkt an den Kondensator angeschlossen werden. Wäre das nicht der Fall, dann würde bei einer, z. B. durch Durchbrennen infolge eines Kurzschlusses entstehenden Unterbrechung der Verbindungen zum Kondensator auch der Entladepfad unterbrochen. Es wurde diskutiert, inwieweit eine Anzeige der über dem Kondensator anliegenden Spannung zur Sicherheit beiträgt. Hierbei ist die Zuverlässigkeit dieser Anzeige entscheidend. Der Fall, daß eine noch vorhandene Spannung nicht angezeigt wird, darf nicht auftreten. Aufgrund des weiten auftretenden Spannungsbereiches ist eine Anzeige mit Lampen nicht realisierbar. Die bestmögliche Lösung ist die Verwendung eines Drehspulinstruments mit Vorwiderstand. Der empfindlichste, verfügbare Meßbereich ist 0,1mA. (Farnell Seite 1459 Katalog 2005) Es bietet sich dann eine Skalierung 10kV = 0,1mA an. Der Vorwiderstand (R105) ist dann 10kV / 0,1mA = 100 MOhm. Geeignet: M 5% 1W (RS ), die Spannungsfestigkeit dieses Widerstands ist ausreichend. Um den Anodenstrom schnell und einfach überwachen zu können (ohne Messungen mit Tastspitzen an dem gefährlichen Hochspannungskreis vornehmen zu müssen) wird ein weiteres Drehspulinstrument mit dem Meßbereich 1A (Farnell Seite 1459 Katalog 2005) vorgesehen. Dieses Meßinstrument soll nicht auf dem Hochspannungspotential sein, (Berührungsgefahr bei Bruch der Scheibe des Meßgeräts, Möglichkeit des Überschlags durch das Meßinstrumentengehäuse zur Frontplatte hin) aber eine Unterbrechung des Stromkreises durch einen Fehler innerhalb des Meßinstruments soll auch nicht dazu führen, daß ansonsten nahe des Massepotentials befindliche Teile des Anodenkreises das Hochspannungspotential annehmen. Daher wird dem (in die Minusleitung eingeschleiften) Meßinstrument eine Zenerdiode (D109) parallelgeschaltet, durch die im Fehlerfall dann der Stromfluß erfolgt. Die Durchbruchspannung der Zenerdiode ist mit 3,3V so gewählt, daß bei ordnungsgemäß funktionierendem Meßinstrument keine Meßabweichung durch den möglicherweise die Zenerdiode durchfließenden Strom auftritt. Die Schirmgitterversorgung Durch Wahl zwischen den sekundärseitigen den Abgriffen von T102 kann zwischen den folgenden Schirmgitterspannungen gewählt werden: 400V eff => 560VDC 300V eff => 420VDC 250V eff => 350V DC Der entnehmbare Dauerstrom bei 560V ist 0,1A. Zur Gleichrichtung wird ein Brückengleichrichter, bestehend aus 4 Dioden 1N4007 (100V / 1A) (D105 bis D108) verwendet. Mit R103 wird der Stromimpuls im Einschaltmoment auf ca. 400V / 33 Ohm = 12A begrenzt. Die an R103 umgesetzte Dauerverlustleistung ist (0,1A) 2 * 33R = 0,33W. Es wird ein Seite 10-4

5 kurzzeitüberlastungsfester Drahtwiderstand Welwyn W22 33R 7W (Farnell Seite 818 Katalog 2005) vorgesehen. Die Brummspannung soll nicht größer als 3% der Ausgangsspannung (entsprechend der Anodenversorgung) sein. Das ist 16,8V. Der Wert des Ladekondensators ist dann mindestens: C = t * I / U = 10ms * 0,1A / 16,8V = 59uF. Hierbei ist zu beachten, daß die Spannungsfestigkeit herkömmlicher Elkos 450V nicht übersteigt. Der Kondensator wird mit einer Serienschaltung von 2 x 150uF/400V = 75uF/800V realisiert. (C1021 und C1022) Die gleichmäßige Spannungsaufteilung über C1202 und C1202 wird mit R1041 und R1042 gewährleistet, die gleichzeitig als Entladewiderstände fungieren. Die Zeitkonstante der Entladung soll, wie bei der Anodenversorgung, bei 20s liegen. R1041 bzw. R1042 ist dann: 20s / 75uF = 267 kohm. Es wird der Normwert 220 kohm vorgesehen. Die Verlustleistung (pro Widerstand) ist: (560V/2) 2 / 220K = 1,4W. Es werden Widerstände PR02 220K (220K 2W 500V) (Farnell , Seite 810 Katalog 2005) vorgesehen. Wie bei der Anodenversorgung werden auch hier Zeigerinstrumente vorgesehen. Der Vorwiderstand für die Spannungsmessung ist: 1000V / 1uA = 1M. Geeignet: 1M 5% 1,6kV Farnell (Katalog 2005 Seite 809) Drehspulinstrumente: 100uA = Farnell , 500mA = Farnell (Katalog 2005 Seite 1459) Die Heizkreise Es stehen zwei Heizspannungen 5V / 15A zur Verfügung, die aus einer gemeinsamen Wicklung mit Mittelanzapfung entnommen werden. Jeweils eine der Heizspannungen wird an die Röhre eines Stereo-Kanals geführt. Es ist hierbei zu beachten, daß auf den Oszillatorbaugruppen die Mittelanzapfung der Heizwicklung mit der Masse verbunden wird, um ungewollte Kurzschlüsse zu vermeiden. Der Netzeingang Eine Warnlampe zeigt den eingeschalteten Zustand des Netzteils an. SW101 ist ein doppelpolig schaltender Sicherungsautomat (Nennstrom 10A), der auch zum manuellen Schalten benutzt wird. Es wird genügend Platz für ein eventuell notwendiges Netzfilter vorgesehen. Die Einschaltstrombegrenzung Beim Betrieb des Netzteils in Verbindung mit der Röhre 4/400A stellte sich heraus, daß der geringe Kaltwiderstand des Heizfadens in Verbindung mit dem Aufladen des Ladekondensators der Anodenversorgung regelmäßig zum Auslösen der Haussicherung (16A) führte. Daher wurde das Netzteil um eine Baugruppe erweitert, die den Einschaltstrom des Netzteils auf ca. 11,5A reduziert, indem für die erste Sekunde nach dem Einschalten ein Vorwiderstand von 20 Ohm in Serie mit dem netzseitigen Eingang des Netzteils geschaltet wird. Nach dem Ablauf von einer Sekunde wird der Widerstand von einem Zeitrelais überbrückt. Ausgangsseitige Sicherungen In den Anoden- und in den Schirmgitterkreis wurden Sicherungen eingefügt. Man kann zurecht einwenden, daß die hier verwendeten 5 x 20mm Schmelzsicherungen von ihrer Spannungsfestigkeit her (250V) insbesondere für den Anodenkreis (bis zu 3500V) weit unterdimensioniert sind. Geeignete Sicherungen sind jedoch nicht erhältlich. Wie bisherige Erfahrungen beim Einsatz von Seite 10-5

6 Schmelzsicherungen bei hohen Gleichspannungen zeigen, wird trotz aller Nachteile ein gewisser Schutz des Stromkreises gegen die Folgen von Katastrophen erreicht. Die Sicherung trennt den Stromkreis zwar nicht sofort, da ein Lichtbogen in dieser entsteht. Hierbei wird eine erhebliche Energie freigesetzt. Trotz aller Nachteile ist eine zu spät trennende Sicherung immer noch besser als gar keine. Diese Betrachtungsweise wurde durch die Erfahrungen beim Betrieb des Netzteils bestätigt. Es kam mehrmals zu Kurzschlüssen der Schirmgitter- und der Anodenspannung. Hierbei haben die Sicherungen stets den Stromkreis getrennt, bevor Schäden an anderen Bauteilen aufgetreten sind, sie haben also ihren Zweck erfüllt. Steckverbinder für die Spannungsausgänge Es werden spezielle Hochspannungs/Hochstrom-Steckverbinder des Herstellers GES-Electronic verwendet. Es handelt sich hier um ein spezielles Derivat der bekannten MS- bzw. MIL-C-5015 Serie aus der Militärtechnik. Die Kontakte sind 4mm tief in einem Teflon-Isolierkörper versenkt. Die Betriebsspannung (im gesteckten Zustand) ist 7 kv. Der Strom pro Kontakt ist 13A. Dies liegt zwar um 10% unter dem Heizstrom der 4/400A, da dieser Strom aber nur über zwei von 5 Kontakten fließt, während die anderen Kontakte nur mit Strömen weit unter 1A belastet werden kann man den Stecker laut eingeholter Herstellerauskunft auf diese Weise einsetzen. Es werden zwei Steckverbinder vorgesehen, um für den vorgesehenen Stereo-Betrieb zwei Teslageneratoren speisen zu können. Seite 10-6

7 Die Realisierung Die folgenden Bilder geben einen Eindruck vom Aufbau des Netzteils. Das Netzteil von vorne gesehen, man erkennt die Anzeigeinstrumente und die Hochspannungs- Steckverbinder, links neben dem Netzteil die Baugruppe zur Einschaltstrombegrenzung. Seite 10-7

8 Das Netzteil von der Seite gesehen. Seite 10-8

9 Das Netzteil von der Seite gesehen. Seite 10-9

10 Dle Baugruppe zur Einschaltstrombegrenzung von der Seite gesehen. Seite 10-10

11 Das Kleinleistungs-Netzteil 700V. Die allgemeinen Anforderungen. Das Netzteil soll den Betrieb der Röhre QQE 06/40 und vergleichbarer Röhren erlauben. Es gibt daher die folgenden Spannungen ab: Anodenspannung +700V / ca. 250mA Schirmgitterspannung +250V / ca. 25mA, stabilisiert Heizspannung 6,3V / 4A Die Realisierung. Der Schaltplan, auf das sich dieser Text bezieht befindet sich in dem separaten Dokument Schaltpläne Projekt High-Speed Die Schaltung hat keinerlei Besonderheiten. Sie wurde daher auch nicht im Vorfeld berechnet sondern auf der Basis bekannter Erfahrungswerte direkt realisiert. Es wird ein Standard-Netztransformator NTRN220/2 (Bürklin 12C160 ) verwendet. Mit der Serienschaltung der beiden 250V-Sekundärwicklungen erhält man hinter dem mit 4 Hochleistungsdioden 20ETS10 aufgebauten Brückengleichrichter eine Gleichspannung von 250V * 1,41 = 707V. Mit einem Serienwiderstand von 10 Ohm wird der Ladestrom in die Einschaltmoment noch vollständig entladenen Ladekondensatoren begrenzt. Da Elektrolytkondensatoren mit einer Spannungsfestigkeit von 700V nicht erhältlich sind, werden zwei Kondensatoren mit 560uF/450V Nennspannung in Serie geschaltet. Die Parallelwiderstände von 47kOhm zu diesen Kondensatoren erzwingen eine gleichmäßige Aufteilung der Spannung zwischen beiden Kondensatoren und sorgen zudem für eine Entladung der Kondensatoren bei fehlender ausgangsseitiger Last. Die Anodenversorgungsspannung +700V kann mit ca. 300mA belastet werden, obwohl auf dem Trafo-Aufdruck nur 220mA angegeben ist, da die Heizwicklungen des Trafos nur unvollständig ausgenutzt werden. Mit einer Glimmlampe wird das Vorhandensein der Anodenversorgungsspannung angezeigt. Mit 5 in Reihe geschalteten Zenerdioden mit jeweils 51V Durchbruchsspannung wird eine stabilisierte Spannung von +250V für die Schirmgitterversorgung bereitgestellt. Diese Spannung kann, bedingt durch die Dimensionierung des Vorwiderstands mit 16kOhm, mit bis zu 28mA belastet werden. Bei fehlender Last an der Schirmgitterversorgung entsteht eine hohe Verlustleistung in den Zenerdioden, daher wurden diese an Stücke aus Kupferfolie gelötet, die als Kühlelemente dienen. Ein Schalter in der +700V-Leitung ermöglicht es, die Anoden- und die Schirmgitterversorgung abzuschalten, während aber die Röhre weiterhin geheizt bleibt. Dies erleichtert das Austesten der mit dem Netzgerät versorgten Schaltungen erheblich. Die Heizspannung 6,3V kann mit 4A belastet werden. Seite 10-11

12 Das folgende Bild zeigt die aufgebaute Netzteilbaugruppe. Die Netzteilbaugruppe 700V / 250V Seite 10-12

13 Das Kleinleistungs-Netzteil 350V. Die allgemeinen Anforderungen. Das Netzteil soll den Betrieb von 2 Röhren EL504 erlauben. Es gibt daher die folgenden Spannungen ab: Anoden- und Schirmgitterspannung +350V / ca. 250mA Heizspannung 6,3V / 4A Die Realisierung. Der Schaltplan, auf das sich dieser Text bezieht befindet sich in dem separaten Dokument Schaltpläne Projekt High-Speed Auch diese Schaltung hat keinerlei Besonderheiten. Sie entspricht im Wesentlichen der bereits beschriebenen Schaltung für das 700V-Netzteil, so daß an dieser Stelle auf eine Beschreibung verzichtet wird. Um Bauteile einzusparen wurde eine Zweiweggleichrichtung mit geteilter Sekundärwicklung anstelle einer Brückengleichrichtung verwendet. Die Serienschaltung von zwei Elektrolytkondensatoren mit 200V Betriebsspannung wurde vorgenommen, um im Lager vorhandene Kondensatoren verwenden zu können. Die Heizspannung ist bereits am Transformator mit Masse und Schutzleiter verbunden. Seite 10-13

14 Das folgende Bild zeigt die aufgebaute Netzteilbaugruppe. Die Netzteilbaugruppe 350V Seite 10-14