kilovolts neue Ultra-HV-Kaskade

Für HV-Trafos, Kaskaden, Coilguns, Induktionsheizer und Ähnliches.

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kilovolt
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kilovolts neue Ultra-HV-Kaskade

#1 Beitrag von kilovolt »

Hallo Leute

ich freue mich, mit Euch zusammen den Bau einer neuen, leistungsstarken HV-Kaskade anzugehen ;-) Vielleicht kann sich der eine oder andere von Euch noch erinnern, dass ich in den letzten Jahren etliche HV-Kaskaden gebaut habe. Nun möchte ich die in der Vergangenheit gewonnenen Erkenntnisse in ein neues Projekt einfliessen lassen und dabei noch ein bisschen was drauflegen. Durch einen guten Freund, welcher in der Röntgenindustrie arbeitet, bin ich erneut an eine grosse Menge qualitativ hochstehendes, professionelles HV-Material gekommen. An dieser Stelle ein ganz grosses Dankeschön! Nicht nur für das Material selber, sondern auch für die sehr aufwendige Ausschlacht- und Reinigungsarbeit!

Diesmal habe ich nebst unzähligen TDK-Keramikkondensatoren und HV-Dioden auch etwa 50 Stück perfekt verarbeitete Aluminium-Toroide geschenkt bekommen :shock: Eine absolute Steilvorlage für ein grosses Projekt wie dieses hier. Geplant ist eine Bipolar-HV-Kaskade im Stil des letzten 700kV-Setups mit jeweils 7 Stufen pro Turm (siehe hier: http://forum.mosfetkiller.de/viewtopic.php?f=1&t=63287), diesmal allerdings als komplettes Vollwellendesign und mit nahezu doppelter Leistung. Konkret möchte ich beim neuen Setup zwei separate Phasen mit je 5kW verwenden. Diese werden mit dem 20A-Zweiphasen-Variac, dessen Bau ich hier mal irgendwo vorgestellt hatte, kontrolliert. Die beiden Parallel-Variacs sollen zwei getrennte IGBT-Vollbrücken speisen, welche ihrerseits wiederum zwei einzelne, grosse Röntgentrafos ansteuern werden. Von den beiden Röntgentrafos geht es dann ab auf die beiden Kaskadentürme, einmal für positive Spannung gegenüber GND und einmal für negatives Potential. Insgesamt soll das Setup für eine satte Dauerleistung von ca. 10kW ausgelegt werden. Selbstverständlich ist das keine Sache von heute auf morgen. Das ganze wird je nach aktuellen Zeitressourcen step by step aufgebaut, zuerst natürlich nur eine Hälfte. Also bitte nicht zuviel auf einmal erwarten.

Auf dem folgenden Bild seht Ihr eine der beiden Kaskadenhälften. Die drei Türme ergeben zusammen das Vollwellendesign. Die Diodenketten müssen erst noch gelötet werden, aber man sieht doch schon recht gut, in welche Richtung es gehen soll. Eine Stufe besteht jeweils aus insgesamt neun TDK-UHV10A-Doorknobs mit je 560pF / 50kV, wobei jeweils drei Stück mit einem Toroid parallel geschaltet sind für eine höhere Kapazität. Somit benötigt also eine Kaskadenhälfte des Bipolarsetups bei 7 Stufen bereits 63 Kondensatoren und mindestens 24 Toroide. Insgesamt wären es dann also für das komplette Bipolarsetup 126 Kondensatoren und 224 HV-Dioden, sowie 48 Toroide, wenn ich richtig gerechnet habe ;)

20200803_191124.jpg
Die drei auf dem Bild abgebildeten Teilstücke des einen Kaskadenturms alleine wiegen bereits über 10kg. Diesmal muss ich definitiv eine stabilere Grundplatte nehmen als für die früheren Kaskadenversionen. Geplant sind Grundplatten aus 1cm dickem Acrylglas. Mal sehen, wie gut sich das bearbeiten lässt und ob es dem Gewicht standhält.

Leider kann ich noch nicht sagen, ob dieses Setup das alte Bipolarsetup toppen kann. Aufgrund der doppelten, verfügbaren Ansteuerleistung und dem Vollwellendesign könnte ich mir aber schon noch eine deutliche Steigerung des Stromes vorstellen.

Noch was zum Aufbau: Das, was man bisher sieht auf dem Bild, ist nicht unbedingt so in Stein gemeisselt. Es kann gut sein, dass ich noch gewisse Änderungen am Design vornehmen werde. Beispielsweise gefallen mir die vorstehenden Schraubenköpfe an den obersten Toroiden gar nicht. Vermutlich werde ich dort entweder noch Kugeln anbringen, oder Senkkopfschrauben verwenden und diese dann ins Toroid einlassen. Bin mir noch nicht ganz sicher, wie es schlussendlich gelöst wird. Es sind auch sonst noch viele Fragen offen, aber ich denke, im Zuge des Baus werden sich da schon noch Lösungen finden.

Sobald ich mehr habe, geht es hier weiter. Vielen Dank für Euer Interesse.

Beste Grüsse
kilovolt
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MaxZ
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Re: kilovolts neue Ultra-HV-Kaskade

#2 Beitrag von MaxZ »

Mehr Leistung mehr besser! :headbang: Wird sicherlich wieder spannend (badumm tzz) das Projekt zu verfolgen.

Ich persönlich bin kein Freund von Acryl. Das Zeug ist einfach zu spröde um was schweres dran festzuschrauben. Du bräuchstest Kunststoff Unterlegscheiben auf beiden Seiten, sonst riskierst du, dass das Metall beim Anziehen der Schrauben einen Riss verursacht. Auch dürften die Türme beim Transport für beträchtliche Biegemomente sorgen. Vielleicht hab ich mich bisher auch einfach nur blöd angelegt bei Acryl...
Nylon ist zwar nicht transparent, aber nicht viel teurer, und deutlich zäher. PVC ist ebenfalls nicht spröde und deutlich billiger. Wenns transparent sein soll, und etwas teurer sein darf, kann ich Polycarbonat wärmstens empfehlen. Ohne massive Gewalteinwirkung ist es eigentlich nicht möglich, das Zeug zu zerbrechen. Du kannst die Schrauben so fest ziehen wie du willst, du quetschst das Material höchstens zusammen. Ich schätze, 8mm wären als Grundplatte ausreichend.
Preis pro m²: 10mm Acryl: ab 138€, 8mm Polycarbonat: 130€, 10mm Polycarbonat: 163€, 10mm PVC weiss: 36€
Quelle: https://www.plattenzuschnitt24.de/polyc ... uv-aussen/ Hab dort bereits mehrfach bestellt, war bisher zufrieden und die Preise gehören zu den billigsten die ich online finden konnte.


Liebe Grüße,
Max

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Re: kilovolts neue Ultra-HV-Kaskade

#3 Beitrag von kilovolt »

Hallo Max

Danke vielmals für Deine Ausführungen und wertvollen Tipps. Dass ich die beiden Acrylglasplatten schon bestellt habe, war vielleicht bereits der erste Fehler dieses Projekts :facepalm: Ich hoffe, dass ich die Befestigung dennoch einigermassen schonend hinkriegen kann, indem ich unten am Boden der Acrylplatte bei jedem Turm nochmals ein Toroid anbringe (hoffentlich reicht die Anzahl Toroide dafür noch knapp, aber ich glaube, es waren tatsächlich einige mehr als 50, dann sollte es passen). Auf diese Weise wäre die Grundplatte dann zwischen zwei Toroiden eingeklemmt und somit würde der Druck viel grossflächiger ausfallen. Dennoch muss ich zugeben, dass ich auch nicht ganz sicher bin, wie stabil eine solche Konstruktion wird. Wiederum müsste eine 1cm dicke Plexiglasplatte eigentlich schon auch was aushalten können, nicht? Von PVC hört man leider immer wieder, dass es umwelttechnisch ziemlich bedenklich sei, deshalb wollte ich PVC vermeiden. Mit den anderen Kunststoffen, die Du erwähnt hast, habe ich (noch) keine Erfahrungen.

Beste Grüsse
kilovolt
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Norbi
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Re: kilovolts neue Ultra-HV-Kaskade

#4 Beitrag von Norbi »

Schau an KaskadenKönigKilovolt mal wieder bei der Arbeit :p Man darf gespannt sein.

Ich nehme gerne Resopal oder wenn es mehr Spannung "aushalten" soll direkt FR4 GFK von Ebay. Ist dummerweise etwas teuer. Finde aber Plexiglas wird schon gehen. 1cm ist zwar schon was massiv aber warum nicht wenn man beim Schrauben etwas aufpasst.

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Re: kilovolts neue Ultra-HV-Kaskade

#5 Beitrag von kilovolt »

KaskadenKönigKilovolt
Ab sofort möchte ich gefälligst nur noch mit "Eure Kaskaden-Hoheit" angesprochen werden, wenn ich bitten darf :mrgreen:

Danke auch Dir, Norbi, für die Tipps. Naja, werde mal schauen, ob es mit dne bestellten Platten irgendwie hinhaut, falls nicht, hab ich halt Lehrgeld bezahlt :moep:

Ein herzlicher Gruss @All
kilovolt
Zuletzt geändert von kilovolt am Mi 5. Aug 2020, 07:40, insgesamt 1-mal geändert.
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Bastl_r
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Re: kilovolts neue Ultra-HV-Kaskade

#6 Beitrag von Bastl_r »

Eure Hoheit,
erlaubt mir bitte folgende neugierige Fragen stellen zu dürfen:
Wie gedenkt Ihr die Fußpunkte der bipolaren Kaskadentürme zu isolieren? Diese dürfen doch nicht durch die am Boden liegende Acrylplatte an selbiger festgeschraubt werden.

bastl_r

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Re: kilovolts neue Ultra-HV-Kaskade

#7 Beitrag von kilovolt »

Eure Hoheit
Noch besser wäre gewesen "Ihre königliche Kaskaden-Hoheit" :trollface:
Wie gedenkt Ihr die Fußpunkte der bipolaren Kaskadentürme zu isolieren? Diese dürfen doch nicht durch die am Boden liegende Acrylplatte an selbiger festgeschraubt werden.
Die Fusspunkte müssen nicht speziell gut isoliert werden. Einer liegt auf GND, die anderen beiden je auf halber Trafospannung (+/- 20kVp). Dafür liegen die locker genug weit auseinander (so 30cm oder so) und sind zudem noch schön abgerundet durch die Toroide. Mit einer Holzbodenplatte würde ich es allerdings nicht so lösen.

Oder hab ich die Frage falsch verstanden? Die drei abgebildeten Türme oben ergeben nur eine Kaskadenhälfte (hier für positive Polarität). Diese werden auf eine gemeinsame Grundplatte montiert. Die zweite Kaskadenhälfte für die negative Spannung wird ebenfalls aus drei solchen Türmen bestehen und steht dann auf einer anderen Grundplatte. Schlussendlich wird also zweimal das hier gebaut, jedoch mit je sieben Stufen, inkl. zwei einzelnen Transformatoren als Speisung:
Bild

Man sieht in diesem Bild schön, dass die Fusspunkte (Einspeisepunkte) nur auf halber Trafospannung liegen. Die grösste Spannungsdifferenz ergibt sich zwischen den beiden Einspeisepunkten. Bei mir sind das maximal 40kVp, also maximal 28kVeff.


Beste Grüsse
kilovolt
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Re: kilovolts neue Ultra-HV-Kaskade

#8 Beitrag von MaxZ »

Wahrscheinlich werd ich jetzt wegen Blasphemie zu einer Runde mit Paul‘s Elektroschocker (natürlich die Version mit Kaskade) verdonnert, aber naja.
Hast du nie darüber nachgedacht ne Drehstrom Kaskade zu bauen...? :gruebel:

Was die Lösung mit den Toroiden an der Bodenplatte anbelangt, das wird sehr wahrscheinlich ausreichen um punktuelle Belastungen zu vermeiden. Wenn du noch ne Gummimatte oder so hättest, die du zwischen Toroid umd Acrylglas legen könntest, wärst du wohl 100% sicher und müsstest dir auch beim Anziehen der Schrauben keine Sorgen machen.

Liebe Grüße,
Max

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Re: kilovolts neue Ultra-HV-Kaskade

#9 Beitrag von kilovolt »

Hallo Max

Der Gedanke an eine dreiphasige HV-Kaskade ist mir auch schon gekommen. Ich hätte auch drei Röntgentrafos zur Verfügung gehabt ;-) Allerdings hätte ich dann bei gleicher Anzahl Bauelemente weniger Stufen und damit dann halt auch eine tiefere Ausgangsspannung gehabt und die Materialverteilung wäre nicht optimal gewesen. Ausserdem wäre die Ansteuerung komplizierter geworden und ich hätte drei (!) Ölbäder gebraucht für die Trafos (oder dann ein einziges, riesiges). Ehrlich gesagt, ich bin noch nicht einmal sicher, ob die Vollwellenversion gegenüber der Halbwellenversion schlussendlich tatsächlich das bringt, was ich mir erhoffe. Da die Röntgentrafos und die Bauteilwerte aber ursprünglich für Vollwellenkaskaden konzipiert wurden, bietet sich diese Lösung nunmal an, wenigstens zum Ausprobieren.

Bei einer dreiphasigen Version bin ich auch nicht ganz sicher, wie ich es mit der Erdung gelöst hätte. Die Röntgentrafos haben eine mittelpunktgeerdete HV-Wicklung. Diese Erdung hätte ich dann ignorieren müssen und stattdessen einen Sternpunkt vorsehen müssen, wobei dann immer jeweils eine Seite der HV-Wicklung am Sternpunkt liegen würde. Dies wäre vermutlich isolationstechnisch nicht so gut, da sich dann ein Potential von der Mitte der Trafowicklungen zum internen Shield bilden würde. Naja, alles in allem etwas schwierig, aber ein durchaus interessanter Gedanke ;-)

Weiche Matten zwischen den Toroiden und der Plexiglasscheibe könnte ich evt. noch vorsehen, das wäre keine schlechte Idee.

Gruss kilovolt
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Mofi
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Re: kilovolts neue Ultra-HV-Kaskade

#10 Beitrag von Mofi »

Hallo kilovolt.
Würd ich dich nicht besser kennen, würd ich sagen, dich hat der Größenwahn geschnappt :twisted:
Sehr geiles Teil, hammer Material :headbang:

Grüße, Mofi.
Oh ja. So fängt es an. Aber der Weg von einem legitimen Verdacht zu blindem Verfolgungswahn ist weitaus kürzer als wir denken.
Ich bin zutiefst besorgt über das, was hier geschieht.
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Re: kilovolts neue Ultra-HV-Kaskade

#11 Beitrag von kilovolt »

Guten Abend Mofi

Cool, bist du auch wiedermal im MFK unterwegs ;-)
Ja, bisschen grössenwahnsinnig könnte man das allenfalls schon nennen und es ist ja nicht einmal sicher, dass der neue Aufbau überhaupt bessere Resultate liefert als die alte Bipolarkaskade. Hätte ich das Material nicht einfach so geschenkt bekommen, hätte ich auch nichts in dieser Grössenordnung gebaut, das ist klar. Aufgrund der Kombination der Komponenten drängte sich ein solches Projekt aber regelrecht auf. Weiterverschenken sollte ich das Material nicht, das wäre undankbar gegenüber dem Spender, welcher sich sehr viel Mühe gemacht hatte, die Boards, Kondensatoren, Trafos und Toroide für mich auszuschlachten. Verkaufen wäre erst recht keine Option bei einem Geschenk, also bleibt halt nur, etwas grösseres daraus zu bauen ;-)

Nun habe ich die ersten 112 Dioden von den alten Boards ausgelötet und die Zinnreste entfernt und die Anschlüsse gerade gebogen. Nun folgt das Löten der Vierer-Ketten. Das sind alles recht zeitaufwendige Arbeiten. Die Dioden sind diesmal aber wirklich cool. Es sind UX-F2CL15 (nicht zu verwechseln mit normalen 2CL15), und sie haben erstaunliche Specs. Surgecurrent von 20A, Reverse Recovery Time von 50ns, Sperrspannung 15kV. Es sind bis jetzt die besten HV-Dioden, die ich hatte.

Bin gespannt, wann ich den ersten Turm testen kann. Als Powersupply nehme ich für die ersten Tests wohl die Ansteuerung der alten Bipolarkaskade. Später werde ich dann aber zwei separate Brücken bauen.

EDIT: Falls die Bemerkung mit dem Grössenwahn eher auf meine Person bezogen war, so kann ich beruhigen :mrgreen: Diese dummen Sprüche mit "Eurer Hoheit" waren nur ein etwas ungeglückter Scherz als Reaktion auf Norbis "KaskadenKönigKilovolt" :hihi: Darf man getrost alles wieder vergessen :D

Beste Grüsse
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Paul
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Re: kilovolts neue Ultra-HV-Kaskade

#12 Beitrag von Paul »

Euro königliche Kaskaden-Hoheit,

ich begrüße dieses vorzügliche Projekt von ganzem Herzen und blicke voller Zuversicht den kommenden, obszönen Sprühenladungen entgegen! :trollface:

Beste Grüße! :D
- Paul
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Re: kilovolts neue Ultra-HV-Kaskade

#13 Beitrag von kilovolt »

Hallo Paul

Danke für den wohlwollenden Kommentar ;)
Euro königliche
Hach, immer das liebe Geld :trollface:
obszönen Sprühenladungen
Ehrlich gesagt, ich hoffe eher auf obszöne Lichtbögen :D

Ein herzlicher Gruss
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Re: kilovolts neue Ultra-HV-Kaskade

#14 Beitrag von kilovolt »

Mittlerweile habe ich die Türme auf eine 10mm dicke Acrylglasplatte gebaut und eine Seite mit Diodenketten verdrahtet. Der Aufwand ist nicht zu unterschätzen. Diese Kaskadenhälfte werde ich zwar in absehbarer Zeit fertiggestellt haben, aber mir graut ehrlich gesagt davor, diese ganzen Arbeiten noch ein zweites Mal durchzuführen, und nicht nur das, es kommt ja noch eine zweite Vollbrücke hinzu und ein zweites Ölbad für den zusätzlichen Röntgentrafo. Wird also noch eine ganze Weile dauern, bis beide Kaskadenhälften gebaut sind :roll:

Hier ist der momentane Stand der Dinge:
20200811_205413[1].jpg
Die Schrauben habe ich nun bei den oberen Toroiden versenkt. Bei den unteren Toroiden hielt ich es jedoch aufgrund des relativ niedrigen Potentials nicht für nötig. Ich hoffe, dass die Diodenabstände beim jetzigen Setup genügend gross sind, das ist momentan meine grösste Sorge. Ich denke, es müsste reichen, aber so hundertprozentig wohl ist mir nicht bei dieser Sache.

Gruss kilovolt
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Re: kilovolts neue Ultra-HV-Kaskade

#15 Beitrag von Thunderbolt »

Moin kilovolt,

Hammer projekt, bin auf das ergebnis gespannt :D

lässt du die diodenketten wie sie sind? würde mir sorgen machen, dass die drähtchen wegen der hohen feldstärke zu sprühen anfangen, wobei du dich da natülich eher auf erfahrung berufen kannst als ich ;)

Beste Grüße,
Marco

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