20kV Netzteil

 

 

Beschreibung

Jeder Bastler weiß, dass ein Fernseher so einiges an nützlichen Sachen zum Ausschlachten enthält. Besonders der Zeilentrafo ist ein sehr interessantes Objekt. Ohne Ansteuerung ist er aber wertlos. Es empfiehlt sich daher beim Ausbau etwas gezielter vorzugehen, um die dazugehörigen Bauteile und deren Beschaltung zu erhalten.

Funktion
Im Fernseher wird der Zeilentrafo hauptsächlich zur Erzeugung der Horizontalablenkung benötigt. Da diese mit einer Frequenz von 15,625 kHz betrieben wird, ist er meistens als Trafo mit Ferritkern und kleinem Luftspalt ausgeführt. Durch die hohe Arbeitsfrequenz bietet sich aber noch eine andere Anwendung an. Die Bildröhre benötigt für die Nachbeschleunigung eine hohe Gleichspannung von 5...24 kV je nach Größe der Bildröhre. Die hohe Frequenz ermöglicht mit geringen Windungszahlen diese Spannung zu erzeugen. Zur Nachbeschleunigung wird eine positive Gleichspannung benötigt. Deshalb wird meistens eine Gleichrichterdiode in den Trafo mit eingegossen. Nur bei älteren Modellen kann diese noch diskret ausgeführt sein. Mit solchen Dioden kann man eine Spannungsverdopplerschaltung aufbauen.
Weiters kann der Zeilentrafo noch Potentiometer für die Helligkeit und den Fokus der Bildröhre enthalten. Mit diesen lässt sich eine kleine Spannung (einige kV) einstellen, die an den zusätzlichen Leitungen herausgeführt wird. Der Anschluss für die Nachbeschleunigung ist dagegen meist viel stärker isoliert, und somit leicht zu erkennen.

Viele ältere Fernsehgeräte haben nach dem Zeilentrafo oft eine so genannte Kaskade (=Villard-Schaltung) nachgeschaltet. Diese wird mit einer relativ geringen Wechselspannung (z.B.500V) vom Zeilentrafo versorgt, gleichgerichtet und vervielfacht. Wenn man die Zusammenschaltung mit dem Trafo beibehält, kann man auch diese verwenden.
EineVillard-Schaltung ist eine Spannungsvervielfacherschaltung, die ähnlich arbeitet, wie die Einpuls-Verdopplerschaltung in einem Mikrowellenherd. Die hier dargestellte Schaltung besteht im Prinzip aus 4 Einweg-Verdopplerschaltungen. Die negative Halbwelle der Wechselspannung U1 (=220V) lädt den Kondensator C1 auf den Spitzenwert von etwa 311V auf. Die folgende positive Halbwelle der Spannung U1 ist nun mit C1 in Serie geschaltet, so dass C2 jetzt über D2 auf etwa 622V aufgeladen wird. Für die zweite Stufe der Schaltung gilt ähnliches, nur liegt für diese der Nullpunkt bereits an +622V. Das hat den Vorteil, dass alle Bauteile in der 2.Stufe nur mit der gleichen Spannung (622V) wie in der 1.Stufe belastet werden. C3 wird in der negativen Halbwelle auf 622V (=UC2-UC1+U1) aufgeladen, C4 in der positiven auf ebenfalls 622V. Der Ausgang der Schaltung liegt an D1, C4. Dort kann gegenüber dem Nullpunkt eine Leerlaufspannung von etwa +1244V (= 4 * 311V = 4 stufige Schaltung) als Summe der beiden Stufen abgenommen werden. Solche Schaltungen werden oft zur Erzeugung hoher Spannungen in Luftionisatoren oder Fliegenfängern verwendet. Unter Belastung sinkt die Spannung mitunter sehr stark ab, da die Kondensatoren über die vielen Stufen nicht so schnell nachgeladen werden können.

Schaltungsbeschreibung
Die Schaltung zeigt einen Oszillator mit einem NE555. Das ist völlig ausreichend, da wir hier keine präzisen Ablenkspannungen erzeugen wollen. Über die beiden 22kOhm Potis kann die Frequenz bzw. das Tastverhältnis eingestellt werden. Mit diesen Einstellungen wird der Trafo auf max. Ausgangsspannung abgeglichen. Der Ausgang des Oszillators steuert einen BD242, der wiederum als Treiber für den Endtransistor (2SC3883) dient. Dieser Typ besitzt eine eingebaute Freilaufdiode.
Der Trafo wird hier als Sperrschwinger betrieben. D.h. der Freilaufkreis bildet sich auf der Sekundärseite des Trafos über die Gleichrichterschaltung. Ist diese Last zu gering (das ist sie ohne Bildröhre meistens), können Überschläge an den anderen freien Wicklungen entstehen. Diese könne durch geeignete Belastung (z.B. RC-Glied) verhindert werden.
Soll die Hochspannung einstellbar sein, so ist es zu empfehlen, zwei getrennte Stromkreise aufzubauen. Die Steuerspannung (hier 12V) bleibt immer konstant. Über die Versorgungsspannung des Trafos lässt sich dann die Hochspannung von Null weg einstellen. Dieses Prinzip wurde auch beim 40kV Labornetzgerät eingesetzt. Eine Änderung im kleineren Bereich ist auch über das Tastverhältnis der Primärspannung möglich.

Zum Nachbau
Wenn man den Zeilentrafo aus dem Fernseher ausbaut, sollte man sich die Anschlüsse für die Primärwicklung merken. Das ist dort, wo der Hochspannungs-Leistungstransistor angeschlossen ist. Den sollte man am besten mit seinem Kühlblech auch gleich ausbauen, sofern er nicht defekt ist (ein häufiger Fehler in Fernsehgeräten). Meistens wird der Pluspol der Versorgung direkt an den Trafo geführt und der NPN-Transistor schaltet dann gegen Masse. Viele neue Geräte verwenden eine relativ niedrige Spannung im Primärkreis (z.B.38V). Ein solcher Trafo ist bevorzugt zu verwenden, da dann die Spannungsversorgung leichter und ungefährlicher zu realisieren ist. Wenn man auch einen Treibertransistor auf der Platine entdeckt, so kann man diesen natürlich anstelle des BD242 verwenden. Es empfiehlt sich überhaupt die gesamte Beschaltung um den Leistungstransistor herum direkt zu übernehmen, da diese auf den Trafo abgestimmt ist.

Steht hingegen nur ein bereits ausgebauter Zeilentrafo zur Verfügung, so muss man die Anschlüsse des Zeilentrafos nachträglich ausmessen. Wir gehen davon aus, dass ein moderner Zeiletrafo mit eingebauter Diode und über 30kV Ausgangsspannung verwendet wird. Meist haben diese Trafos zwei Hochspannungsausgänge für die Vor- und Nachbeschleunigung, manchmal auch noch zusätzliche für die Fokussierung, verwendet wird nur der spannungsstärkere für die Nachbeschleunigung. Dazu geht man wie folgt vor:

Mit einem Durchgangsprüfer misst man zuerst alle Pins gegeneinander und markiert jene mit Durchgang als eine Wicklung.
Dann misst man die Induktivität jeder Wicklung (oder falls kein L-Meter zur Verfügung steht, nur den Widerstand), damit bekommt man eine Aussage über die Windungszahlen der Spulen. Je höher die Induktivität (und meist auch der Widerstand), umso mehr Windungen.
Als nächstes muss der Erdungspin der sekundären Hochspannungswicklung herausgefunden werden, er muss später unbedingt auf Masse gelegt werden. Dazu eignet sich am besten ein Isolationstester, der den Widerstand mit hoher Spannung von z.B. 500V misst. Die hohe Spannung ist notwendig, um die Durchlassspannung der Hochspannungsdiode zu überbrücken. Den negativen Pol schließt man am Hochspannungskabel des Zeilentrafos an und mit dem positiven Pol sucht man alle Pins nach einem Durchgang ab. Steht kein Isolationstester zur Verfügung, so kann auch eine hohe Gleichspannung von z.B. 300V mit einem entsprechend hohen Widerstand z.B. 100kOhm in Zusammenhang mit einer Strommessung verwendet werden. Höchste Vorsicht ist geboten, wenn man diese Spannung aus dem Netz gewinnt.
Hat man alle Anschlüsse ausgemessen, so geht es um den Anschluss an die Schaltung. Da diese nur mit 40V Betriebsspannug arbeitet und manche Zeilentrafos mit über 100V arbeiten, muss mit den Wicklungen etwas experimentiert werden. Die mit der höchsten Induktivität ist meist die Original-Primärwicklung und wegen der zu hohen Spannung oft nicht zu gebrauchen. Man beginnt also zunächst mit einer kleinen Wicklung und versorgt sie von der Steuerschaltung. Wichtig beim Anschluss an den Zeilentrafo ist auch die Polarität. Da die interne Diode nur eine Einweggleichrichtung ausführt und die hohe Spannung nur beim Abschalten der Wicklung entsteht, muss der Abschaltimpuls in positiver Richtung an die Diode gelangen. Es ist dann natürlich auch möglich, mehrere Primärspulen polrichtig in Serie zu schalten, um sie optimal an die Betriebsspannung anzupassen.

Die Funken, die damit erzeugt werden können, sind ca. 2cm lang. Diese Länge erreichen sie nur zwischen zwei Spitzen. Ein Vergleich mit der Kugelfunkenstrecke zeigt, dass dort 20kV nur einen 6mm langen Funken erzeugen würden. Das knatternde Geräusch bei der Entladung, ist charakteristisch für Gleichspannungsentladungen. Wechselspannungen wie z.B. aus dem Miniteslatrafo erzeugen ein zischendes Geräusch.
Soll mehr Energie bei der Entladung frei werden, so muss ein Kondensator mit einigen pF parallel zur Hochspannung geschaltet werden. Im Fernseher erledigt das die Bildröhre meist selbst. Da sie außen mit Graphit leitend beschichtet ist, bildet sich ein Kondensator mit der Innenbeschichtung der Nachbeschleunigungselektrode.

Schaltplan:

 

Die Schaltung in Aktion: