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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Elektrospinning 15kV Feld Schalten


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Autor: Michael D. (desch)
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Im Zuge meiner Diplomarbeit beschäftige ich mich mit Electrospinning
(Polymer aus einer Spritze wird in einem Feld beschleunigt und trifft
dann auf eine geerdete Platte -> ergibt ganz dünner Fasern).

Dafür habe ich folgenden Aufbau (Skizze siehe erstes (farbige) Bild):
HVPS1=-15kV Gleichspannung ist mit der Nadel verbunden,
HVPS2=-15kV (±5kV , je nach abstand der beiden Platten C1 und C1),
Die beiden Platten sind ca 10cm voneinander entfernt und jeweils ca
10cm^2 groß (Kapazität also irgendwo im Picofarad Bereich)

Was ich aber für den fertigen Aufbau noch brauche ist ein geeigneter
Schalter um die beiden Platten auf 15kV bzw. Erde zu schalten
(Spannungsverlauf siehe zweites Bild, f=100Hz).

Grundsätzlich habe ich dabei an mechanische Relais gedacht, das Problem
dabei ist die hohe Spannung (Reed-Relais hab ich bis ca 10kV gefunden)
und, dass sie so viele Schaltzyklen nicht aushalten.

Hat von euch jemand eine Idee, wie ich diesen Schalter am besten
ausführen soll?

Grundsätzlich war nur ein Ein/Aus (Rechteck-) Signal angedacht, wenn man
das ganze aber mit Transistoren o.ä. löst, wären natürlich andere
Spannungsverlaufe zwischen den Platten auch möglich.

Autor: F. F. (foldi)
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Würde ich einfach mal unter Thyristoren suchen.
Die können wohl ziemlich was ab. Aber ohne Gewähr.

Autor: F. F. (foldi)
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Musst du natürlich auch einen Löschkreis einbauen.

Autor: Der Andere (Gast)
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F. F. schrieb:
> Würde ich einfach mal unter Thyristoren suchen

Das ist GLeichspannung, die schalten also nicht mehr einfach ab. Zudem 
dürfte der Strom sehr gering sein, also wird evt. der Haltestrom 
unterschritten.

Wie schnell muss da umgeschaltet werden?
Als blöde Idee: zwei mechanisch gekoppelte rotierende Funkenstrecken?

Autor: F. F. (foldi)
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Autor: Michael D. (desch)
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Der Andere schrieb:
>
> Wie schnell muss da umgeschaltet werden?
> Als blöde Idee: zwei mechanisch gekoppelte rotierende Funkenstrecken?

ca 100Hz.  Wie schnell die Anstiegs-/Abfallzeit ist, ist dabei nicht all 
zu wichtig, solange es noch annähernd wie ein Rechteck aussieht

Ja, daran hab ich auch schon gedacht. Kenne einen anderen Aufbau, der 
mit rotierenden Schleifkontakten gelöst wurde. das ganze funktioniert 
aber auch nicht ganz optimal.

: Bearbeitet durch User
Autor: F. F. (foldi)
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Wie viel Strom fließt denn so?

Autor: Michael D. (desch)
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F. F. schrieb:
> Wie viel Strom fließt denn so?

Da soll so wenig Strom wie möglich fließen. Es sollen ja nur die beiden 
Platten ge-/entladen werden.

Autor: F. F. (foldi)
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Dann würde ich Scheibenthyristoren nehmen und die auch von der Spannung 
gerne überlasten.
Habe die schon ganz auseinander genommen. Da sind schon ziemlich große 
Abstände drin, sodass es bestimmt nicht zu Überschlägen kommt.

Autor: MiWi (Gast)
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Michael D. schrieb:
> Im Zuge meiner Diplomarbeit beschäftige ich mich mit Electrospinning
> (Polymer aus einer Spritze wird in einem Feld beschleunigt und trifft
> dann auf eine geerdete Platte -> ergibt ganz dünner Fasern).
>
> Dafür habe ich folgenden Aufbau (Skizze siehe erstes (farbige) Bild):
> HVPS1=-15kV Gleichspannung ist mit der Nadel verbunden,
> HVPS2=-15kV (±5kV , je nach abstand der beiden Platten C1 und C1),
> Die beiden Platten sind ca 10cm voneinander entfernt und jeweils ca
> 10cm^2 groß (Kapazität also irgendwo im Picofarad Bereich)

Gut so, Kapazität ist ein Hundlich bei solchen Anwendungen...


> Was ich aber für den fertigen Aufbau noch brauche ist ein geeigneter
> Schalter um die beiden Platten auf 15kV bzw. Erde zu schalten
> (Spannungsverlauf siehe zweites Bild, f=100Hz).

 100Hz und 15kV sind jetzt nicht so das Problem.

>
> Hat von euch jemand eine Idee, wie ich diesen Schalter am besten
> ausführen soll?

Such einmal nach Ansteuerungen von Pockelszellen.

Du kannst auch nach "A compact, high voltage 25kW, 50 kHz DC-DC 
converter based on SiC JFETs", lesen, das findest Du zb. hier:
https://www.pes-publications.ee.ethz.ch/uploads/tx_ethpublications/aggeler_APEC08.pdf

Viel Erfolg und laß von Dir hören wenn es läuft

Autor: Philipp G. (geiserp01)
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Wie wäre es mit einem Zündverteiler an einem DC Motor? Lässt den mit 
6000 U/Min. drehen.

: Bearbeitet durch User
Autor: F. F. (foldi)
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Da muss man erstmal drauf kommen. :-)

Autor: Philipp G. (geiserp01)
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F. F. schrieb:
> Da muss man erstmal drauf kommen. :-)

Nun ja, das Konzept hat sich ja bewährt. Das beweisen Millionen von 
Autos ;)

Du könntest einen Ausgang des Zündverteilers mit der Spannung verbinden 
und einen gegenüberliegenden an Masse. Dann hast du grössten 
Potentialunterschied.

Oder modifizierst den Zündfinger so, dass dieser 180° abdeckt.

Damit erreichst ein Tastverhältnis von 50/50 - falls das wichtig sein 
sollte.

: Bearbeitet durch User
Autor: Thorsten S. (thosch)
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Hmmm. Kann mir kaum vorstellen, dass Thyristoren hier sinnvoll sind.

Da fließt kaum Strom, die Platten sollen offensichtlich eine 
elektrostatische Ablenkung für den Polymerfaden sein...

Das bedeutet ebenso, daß zum Erreichen des Spannungsverlaufes aus dem 
zweiten Bild die Platten jeweils abwechselnd an 15kV und 0V geschaltet 
werden müssen, sonst fällt das Potential nur langsam ab.

Das mit Halbleitern zu schalten wird nicht ganz einfach...

Spontan fallen mir bei dem Spannungsniveau Röhren ein.
Mit 'ner PD500 oder besser PD510 müsste das gehen, die sind für 25kV.
Die steckten in frühen Farbfernsehern, do bis in die frühen 1970er 
Jahre.
Findet man manchmal günstig im Netz...

Mit 100M Vorwiderstand an die 15kV angeschlossen, fliessen max. 150uA, 
das Hochspannungsnetzteil muss also 2,25W liefern können und der 
Widerstand muss die auch aushalten. Letzteres dürfte kein Problem sein, 
da man den wg. Spannungsfestigkeit eh als Reihenschaltung aufbauen 
wird...
Bei vielleicht 5pF Kapazität des Aufbaus hätte man rund 300Hz 
Bandbreite.

Braucht halt noch eine Heizstromquelle für 300mA und die Ansteuerung 
fürs Gitter...

Und etwas Abschirmblech um die Röhren, der Röntgenstrahlung wegen.

Autor: Philipp (Gast)
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Kommerziell gibt es solche Schalter von Behlke

http://www.behlke.com/

Autor: Philipp (Gast)
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Nachtrag:
Wenn Du nach deren Patenten suchst, dann findest Du auch wie so ein 
Schalter aufgebaut ist.

Autor: Falk B. (falk)
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@ Thorsten S. (thosch)

>Das bedeutet ebenso, daß zum Erreichen des Spannungsverlaufes aus dem
>zweiten Bild die Platten jeweils abwechselnd an 15kV und 0V geschaltet
>werden müssen, sonst fällt das Potential nur langsam ab.

Stimmt. Oder man verheizt zuviel Strom.

>Das mit Halbleitern zu schalten wird nicht ganz einfach...

Doch, wenn man weiß wie ;-)

Beitrag "Re: Transistor für 2000 V 1 mA gesucht"

Damit kann man im einstelligen Millisekundenbereich schalten. Man 
braucht halt Schalter, die etwas mehr als 2x15kV aushalten, mit 1200V 
IGBTs braucht man halt um die 30 Stück in Reihe. Die Schaltung läuft in 
leicht abgewandelter Form auch schon lange in der Praxis ;-)

Als "Optokoppler" für 15kV++ nimmt man natürlich Plastik-LWL (PoF) + 
passende Empfänger.

Autor: Thosch (Gast)
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Falk B. schrieb:
>>Das mit Halbleitern zu schalten wird nicht ganz einfach...
>
> Doch, wenn man weiß wie ;-)
>
> Beitrag "Re: Transistor für 2000 V 1 mA gesucht"
>
> Damit kann man im einstelligen Millisekundenbereich schalten. Man
> braucht halt Schalter, die etwas mehr als 2x15kV aushalten, mit 1200V
> IGBTs braucht man halt um die 30 Stück in Reihe. Die Schaltung läuft in
> leicht abgewandelter Form auch schon lange in der Praxis ;-)

Habe das mal versucht, in LTspice zu simulieren, erstmal nur die 
4-stufige Schaltung mit 2kV. (siehe Anhänge)

Die Erkenntnis daraus:
Deine schöne Schaltung hat leider den Nachteil, daß sie nur für eine 
relativ niederohmige Last geeignet ist und nicht wirklich als 
High-Side-Switch für eine Ablenkplatte, die praktisch nur eine 
kapazitive Last gegen GND darstellt...

Ohne einen Lastwiderstand, der eine Größenordnung niederohmiger ist, als 
ein Einzelwiderstand der Widerstandskette, bekommt man die 
Ausgangsspannung nicht annähernd in die Nähe des Massepotenzials.

Und damit verbrutzelt man mit dieser Schaltung deutlich mehr Leistung im 
dann nötigen Lastwiderstand, als im hochohmigen Vorwiderstand der 
Röhrenschaltung mit der PD510.

Oder hab ich was übersehen?

Autor: nachtmix (Gast)
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Thorsten S. schrieb:
> Mit 'ner PD500 oder besser PD510 müsste das gehen, die sind für 25kV.
> Die steckten in frühen Farbfernsehern, do bis in die frühen 1970er
> Jahre.
> Findet man manchmal günstig im Netz...

Preisgünstige Quelle für die von Thorsten  genannten Ballasttrioden: 
https://www.pollin.de/p/roehre-pd510-190836

oder noch günstiger aus russischen Beständen:
https://www.pollin.de/p/roehre-190395 Daten: 
http://www.jogis-roehrenbude.de/Russian/GP5/GP5.pdf

Autor: F. F. (foldi)
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Wieso soll ein Thyristor schlecht sein?
Gerade gegen GND sperrt der von selbst.
Habe keine Erfahrung mit solchen Spannungen.

Falk, hau mal einen raus!

Autor: Thosch (Gast)
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F. F. schrieb:
> Wieso soll ein Thyristor schlecht sein?
> Gerade gegen GND sperrt der von selbst.

??? Bei Gleichspannung sperrt da gar nix von selbst...
Hier soll Gleichspannung geschaltet werden!
Der Thyristor bleibt da - einmal gezündet - solange leitend, bis sein 
Haltestrom unterschritten wird. Man braucht also noch eine aufwendige 
Löschschaltung, ähnlich wie in Thyristor-Horizontalendstufen in alten 
Fernsehgeräten. Den ganzen Krampf hat man damals nur gemacht, weil es 
(noch) keine Transistoren gab, die eine hinreichende Spannungsfestigkeit 
aufwiesen.
Sobald es die gab (BU108 und Co.) verschwanden die Thyristorendstufen 
ratzfatz in der Versenkung...


Hier soll ein Satz elektrostatischer Ablenkplatten angesteuert werden 
und bei den kleinen Strömen, die da wünschenswert sind, läßt sich der 
Thyristor vermutlich nichtmal zünden, weil sein Haltestrom deutlich 
größer als der zu schaltende Strom ist. (im µA-Bereich)

Autor: F. F. (foldi)
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Thosch schrieb:
> ?? Bei Gleichspannung sperrt da gar nix von selbst...

Klar, wenn die Ladung futsch ist.

Autor: F. F. (foldi)
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Thosch schrieb:
> Man braucht also noch eine aufwendige
> Löschschaltung,

Aufwendig ist da gar nix. Still R60 z.B. Ganz einfache Schaltung.
Aber der fällt ja schnell ab, weil wenn die Ladung wech ist, isse wech 
und dat Teil macht dicht.

Autor: F. F. (foldi)
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Thosch schrieb:
> weil sein Haltestrom deutlich
> größer als der zu schaltende Strom ist. (im µA-Bereich)

Das ist ein Argument.

Autor: Thosch (Gast)
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nachtmix schrieb:
> Preisgünstige Quelle für die von Thorsten  genannten Ballasttrioden:
> https://www.pollin.de/p/roehre-pd510-190836
Bei Pollin paßt das Foto gar nicht zur Röhre, das abgebildete Teil sieht 
aus wie 'ne Boosterdiode PY88. Der Link zum Radiomuseum auf der Pollin 
Seite zeigt das richtige Bild. Ich vermute daher, daß es die richtige 
Röhre gibt und nur das Bild falsch ist.

> oder noch günstiger aus russischen Beständen:
> https://www.pollin.de/p/roehre-190395 Daten:
> http://www.jogis-roehrenbude.de/Russian/GP5/GP5.pdf
Die GP5 hätte neben dem sensationellen Preisvorteil noch den charmanten 
Vorteil das sie zur ED500 kompatibel ist, also 6,3V Parallel-Heizung hat 
statt 300mA Serienheizung wie die P-Röhren.
Sie hat allerdings nicht die verbesserte Röntgen-Abschirmung der PD510, 
sondern ist auf PD500/ED500 Niveau. Ist bei Betrieb mit max. 15kV aber 
auch noch nicht das Drama...

Für einen Eigenbau würde ich die GP5 bevorzugen.

Autor: Falk B. (falk)
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>Habe das mal versucht, in LTspice zu simulieren, erstmal nur die
>4-stufige Schaltung mit 2kV. (siehe Anhänge)

Hmm, nicht ganz.

>Deine schöne Schaltung hat leider den Nachteil, daß sie nur für eine
>relativ niederohmige Last geeignet ist und nicht wirklich als
>High-Side-Switch für eine Ablenkplatte, die praktisch nur eine
>kapazitive Last gegen GND darstellt...

Naja, ich meinte ja auch, daß man davon ZWEI Schalter pro Platte 
braucht, quasi eine Push Pull Stufe! Einer zieht gegen +15kV, einer 
gegen GND.

Autor: Thosch (Gast)
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Gerade noch ein ganz anderer Gedanke:

Vielleicht könnte man bei der hier geforderten quasi elektrostatischen 
und damit sehr leistungsarmen Ansteuerung der Ablenkplatten einen DC/DC 
Hochspannungswandler ohne nennenswerte Siebkondensatoren aufbauen und 
über die DC-Betriebsspannung die Hochspannung modulieren...

Das Problem einer zu langsamen Abfalldauer der Spannung könnte man ggf. 
durch einen hochohmigen Lastwiderstand parallel zur Platte 
kompensieren...

Hier bliebe als schwierigste Aufgabe allerdings der Hochspannungstrafo 
zu wickeln. Oder man versucht's gleich mit einem Dioden-Split-Trafo aus 
einem Monitor und macht nur 'ne neue Niedervolt-Wicklung auf den 
Ferritkern.

Autor: Falk B. (falk)
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@ F. Fo (foldi)

>Wieso soll ein Thyristor schlecht sein?

Weil man ihn nicht ausschalten kann. OK, wir reden hier von arg kleinen 
Strömen, da geht der auch wieder aus. Man kann aber was tricksen.

>Habe keine Erfahrung mit solchen Spannungen.

Naja, einen 15kV Thyristor gibt es nicht mal in der 
Hochspannungstechnik, die meisten gehen nur bis 6-8 kV. Da braucht man 
schon mal mindestens 2. Aber die sind schon fast riesig, nette Tablette 
mit so um die 600g ;-)

Man könnte Thyristoren kaskadieren, bissel mit Suppressordioden 
symmetrieren und die mit Zündübertrager induktiv zünden. Auch dazu gibt 
es ein real existierende Schaltung, die sehr gut funktioniert und ich 
weiß auch wie sie aufgebaut ist. Funktioniert bis 80kV . . . ;-)

Mehr will und (darf?) ich da aber eher nicht sagen.

Autor: Falk B. (falk)
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@Thosch (Gast)

>??? Bei Gleichspannung sperrt da gar nix von selbst...
>Hier soll Gleichspannung geschaltet werden!
>Der Thyristor bleibt da - einmal gezündet - solange leitend, bis sein
>Haltestrom unterschritten wird.

Was bei einer rein KAPAZITIVEN Last nicht so lange auf sich warten läßt.

>Man braucht also noch eine aufwendige
>Löschschaltung, ähnlich wie in Thyristor-Horizontalendstufen in alten
>Fernsehgeräten.

Nö.

>Thyristor vermutlich nichtmal zünden, weil sein Haltestrom deutlich
>größer als der zu schaltende Strom ist. (im µA-Bereich)

AHA!!! Also wird er nie dauerhaft leitfähig. Merkt er was?

Autor: F. F. (foldi)
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Thosch schrieb:
> Hier bliebe als schwierigste Aufgabe allerdings der Hochspannungstrafo
> zu wickeln.

Mikrowelle?

Autor: Falk B. (falk)
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@ Thosch (Gast)

>Vielleicht könnte man bei der hier geforderten quasi elektrostatischen
>und damit sehr leistungsarmen Ansteuerung der Ablenkplatten einen DC/DC
>Hochspannungswandler ohne nennenswerte Siebkondensatoren aufbauen und
>über die DC-Betriebsspannung die Hochspannung modulieren...

Oder einfach einen 50 Hz 15kV HV-Trafo nehmen, der überträgt auch andere 
Signalformen und 100Hz sind Peanuts. Man muss lediglich den DC-Offset 
per Spannungsteiler oder ähnlich addieren.

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