Anzeigeröhren


von Prof. Jürgen Plate

Spannungsversorgung 170 - 250 V

Spannungsversorgung aus dem Netz

Direkt an die Netzspannung sollte man keinesfalls gehen, auch wenn dies früher bei Röhrengeräten durchaus üblich war. Eine direkte Verbindung des Gerätes mit dem Netz birgt zu viele (vermeidbare) Gefahren. Deshalb gilt es, die Versorgung galvanisch vom Netz zu trennen - also einen Netztrafo einzusetzen.

Es gibt auch Netztrafos, die auf der Sekundärseite höhere Spannungen anbieten. Insbesondere für Röhrenverstärker werden solche Trafos angeboten, die jedoch nicht immer preiswert oder leicht zu beschaffen sind. Am einfachsten verwendet man für die Netztrennung zwei handelsübliche Print-Trafos, die mit ihrer Sekundärseite zusammengeschaltet werden. Kombiniert man netzseitig einen 9-V-Trafo mit einem 18-V-Trafo, erhält man an dessen Sekundärseite ca. 115 V Wechselspannung. Nach dem Gleichrichten und Glätten ergibt das ca. 160 V Gleichspannung heraus, was für Nixieröhren reichen sollte. Für andere Röhren mit höherem Spannungsbedarf kann ein 15- oder 12-V-Trafo verwendet werden.

Falls nötig, kann man auch die 9-V-Spannung abgreifen, gleichrichten und mittels 5-V-Festspannungsregler gleich die Logikschaltung versorgen.

170-V-Spannungswandler

Für Batteriebetrieb (oder Betrieb an einen Steckernetzteil) muss die Anodenspannung mit einen Spannungswandler erzeugt werden.

Aufwärtswandler

Der Aufwärtswandler (Hochsetzsteller, engl. Boost-Converter, Step-Up-Converter) ist ein Gleichspannungswandler, bei dem der Betrag der Ausgangsspannung Ua stets größer als der Betrag der Eingangsspannung Ue ist.

Die Schaltung sieht recht einfach aus, hat es aber in sich! Bereits Sekundenbruchteile nach dem Einschalten wird am Ausgang eine gefährlich hohe Spannung aufgebaut. Gefährlich ist dabei ausschließlich der geladene Elektrolytkondensator. Die Hochspannungsimpulse der Spule sind dank ihrer notwendigerweise hohen Frequenz (bei kleinen Induktivitäten) minder gefährlich, aber dennoch spürbar. Der Kondensator aber speichert bei diesen hohen Spannungen beträchtliche Ladungsmengen.

Für die Funktion der Schaltung ist entscheidend, dass der Strom durch eine Spule nicht plötzlich beendet werden kann. Wird der Transistor durch eine positive Steuerspannung in den Leitzustand gebracht, fliesst ein Strom durch die Spule und an ihr fällt die Eingangsspannung Ue ab. Es entsteht ein Magnetfeld, das als Energiespeicher wirkt. Wird jetzt der Strom durch den Transistor unterbrochen, versucht die Spule den Stromfluss aufrechtzuerhalten. Die Spannung an ihrem rechten Ende steigt sehr schnell an, bis sie die am Kondensator anliegende Spannung Ua übersteigt und die Diode zu leiten beginnt (sonst könnte die Spule ja die gespeicherte Energie nicht "loswerden"). Der Strom fließt kurzzeitig unverändert weiter und lädt den Kondensator weiter auf. Die Energie des Magnetfelds wird dabei abgebaut. Angenommen, der Kondensator wäre bereits auf eine Spannung von 600 Volt aufgeladen, dann muss die Spule eine noch höhere Spannung erzeugen, damit über die Diode der Strom weiter fließen kann. Die Spannung am Kondensator steigt also weiter an. Beim nächsten Takt wiederholt sich das Spiel. Tatsächlich richtet sich die entstehende Spannung nach dem Lastwiderstand am Ausgang (Entladung des Kondensators, wenn die Diode gesperrt ist). Gibt es keine Last, steigt die Spannung so lange an, bis es im Kondensator knallt und er zerstört ist. Deshalb ist eine Regelung der Ausgangsspannung zwingend notwendig. Normalerweise greift man einen Teil der Ausgangsspannung über einen Spannungsteile ab und steuert damit den Takt am Eingang des Transistors. Dies kann ganz einfach durch Ein- und Ausschalten geschehen oder etwas eleganter durch die Variation des Puls-Pausenverhältnisses (Pulsweiten-Modulation, PWM).

Aufwärtswandler (und ebenso Abwärtswandler) sind insofern bemerkenswert, da sie Spannungen transformieren können, ohne dass dafür ein technischer Transformator benötigt wird. Natürlich können anstatt der einfachen Induktivitäten auch Transformatoren eingesetzt werden. Durch die unterschiedlichen Windungszahlen von Primär- und Sekundärseite eines Transformators können besonders bei hohen Spannungsunterschieden Vorteile bei der Schaltungsdimensionierung entstehen. Es ist beispielsweise einleuchtend, dass beim Aufwärtswandler der Schalttransistor nicht nur die hohen Ströme der Niederspannungsseite sondern auch die hohen Spannungen des Schaltungsausgangs verarbeiten muss. Der Einsatz eines Transformators anstatt einer einfache Spule bietet zusätzlich die Möglichkeit, mehrere Ausgangsspannungen zu erzeugen.

Mit steigender Ausgangsleistung steigt natürlich auch der mittlere Strom durch die Spule (der wirkliche Strom durch die Spule ist sägezahnförmig und pendelt um den Mittelwert). Bei einer zu kleinen Induktivität ist die Amplitude so groß, dass der Gesamt-Stromfluss von der Spule in den Kondensator vor Ende der OFF-Zeit des Transostors den Wert 0 erreicht. Die Spule kann so die geforderte Leistung nicht übertragen. Außerdem liegt der Spitzenstrom durch die Spule weit über dem Mittelwert. Die Verluste in der Spule nehmen mit dem Strom quadratisch zu. Bei einer zu großen Induktivität ist der Innenwiderstand der Spule größer als nötig (Drahtlänge, Widerstand). Die Verluste steigen und der Regler reagiert träge auf plötzliche Laständerungen, da die Spule als Energiepuffer zunächst entladen oder aufgeladen werden muss. Bei Integrierten PWM-Bausteinen liefert das Datenblatt meist Anhaltspunkte für die Berechnung der Induktivität.

Bei allen Schaltreglern fließt am Eingang ohne zusätzliche Maßnahmen ein rechteckförmiger, gepulster Strom. Zusätzliche Stromspitzen entstehen beim Umladen parasitärer Kapazitäten am Schaltknoten. Am Eingang muss die Rückwirkungen auf die Eingangsspannung verringert werden. Das bedeutet, dass direkt am Eingang des Schaltreglers ein Kondensator mit geringem ESR notwendig ist, um die Pulsströme direkt an der Quelle zu puffern. Die Stromzuführung wird über eine breitbandige Entstördrossel sichergestellt. Grundsätzlich sollten die gepulsten Ströme nur in einem möglichst kleinen Bereich innerhalb des Schaltreglers fließen. Die Speicherdrossel sollte neben einem geringen Innenwiderstand (ESR) auch ein gutes HF-Verhalten aufweisen.

Der gesamte Bereich des DC/DC-Wandlers sollte auf der Platine als Insel ausgeführt werden. Auch die Anbindung der Masse an die restliche Schaltung sollte nur an einem einzigen Punkt erfolgen, um die gepulsten Ströme des Wandlers von der Umgebung abzuschirmen. Normalerweise sind die Verbindungen im Leistungsbereich so kurz und breit wie möglich auszuführen. Insbesondere sollte die Fläche, die durch das von Eingangskondensator, MOSFET und Catchdiode Dreieck gebildet wird, minimiert werden. Wichtig ist auch die Anbindung des Ausgangskondensators. Auch darf die Ausgangsspannung nicht an der Drossel, sondern erst hinter dem Kondensator abgegriffen werden. Alle Masseverbindung sollten ebenfalls möglichst kurz und breit sein. Weiterführende Informationen:
Das neue InterNetzteil- und Konverter-Handbuch
Dimensionierung von Schaltnetzteilen

Die erforderliche Hochspannung für die Nixie-Röhren wird mit einem Aufwärtswandler erzeugt, wobei zwei Schaltungsvarianten zur Auswahl stehen:

PWM-Controller MC34063

Der MC34063 ist ein bewährter PWM-Controller gut erhältlich, als DIP lieferbar und sehr preiswert. Mit dem externem MOSFET-Schalttransistor, der Speicherdrossel und der Schottkydiode wird die Ausgangsspannung hochgepumpt und geregelt. Die Ausgangsspannung des Schaltreglers ergibt sich aus dem Widerstandsverhältnis des Spannungsteilers an Pin 5:

Uout

Die temperaturkompensierte Referenzspannung VRef beträgt 1,25 V. Durch das zusätzliche 4.7-kOhm-Poti im Widerstandsteiler lässt sich die Ausgangsspannung variieren zwischen:

Umin

Umax

Bei Umax leuchten die Nixies sehr hell. Stellt man einen Wert zwischen 150 und 160 V ein, ist die Verlustleistung sehr gering, die Röhren leuchten nicht so hell (und leben vermutlich etwas länger).

Die gezeigte Schaltung arbeitet ab einer Eingangsspannung von ca. 7,8 V wie gewünscht. Bei erhöhter Belastung durch mehrere Nixie-Röhren musste leider ein sehr großer Spannungseinbruch auf unter 150 V festgestellt werden, welcher sich auch durch Nachregeln am Poti nicht beheben ließ. Durch einen Klick auf den Schaltplan oben bzw. das Layout unten lässt sich die entsprechende EAGLE-Datei herunterladen.

Foto des Boards

EAGLE Board

Timer NE555

Der NE555 ist ein IC für Timer- oder Oszillator-Schaltungen. Er entwickelte sich wegen seiner Vielseitigkeit - die Einsatzgebiete reichen vom Spielzeug bis zur Raumfahrt - in den vergangenen 40 Jahren zum meistverkauften IC der Welt.

Dier Wandlerschaltung arbeitet nahezu identisch wie die oben gezeigte, nur der PWM-Takt wird eben vom NE555 erzeugt, der als Rechteckgenerator beschaltet ist. Die Regelung erfolgt über die Steuerung des dafür vorgesehenen Pins des Bausteins. Auch hier ist die Ausgangsspannung und damit die Röhrenhelligkeit einstellbar. Durch einen Klick auf den Schaltplan bzw. das Layout lässt sich die entsprechende EAGLE-Datei herunterladen.



Foto des Boards

Der 9-V-Eingang befindet sich auf der rechten Seite des Layouts, der Ausgang mit 170 V - 200 V auf der linken Seite. Die Einstellung der Ausgangspannung erfolgt über den Trimmer R7 oben rechts. Nach dem Löten der Schaltung sollte mittles eines Messgerätes die maximale Ausgangsspannung kontrolliert werden. Je nach verwendeten Kondensatoren C4 und C3 (hier 260-V-Kondesatoren) muss die maximal einstellbare Ausgangsspannung durch Veränderung des Widerstandes R6 angepasst werden.

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Copyright © Hochschule München, FK 04, Prof. Jürgen Plate