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Elektrostatisches Begrasungsgerät

Electrostatic Grass
Applicator

 

Vor einigen Monaten habe ich angefangen Literatur über Begrasungsgeräte zu suchen. Das was ich gefunden habe war mir nicht detailliert genug so befragte ich meine Bibliothek und konstruierte ein Gerät von Grund auf. Vor allem Sicherheitsaspekte sollten berücksichtigt werden.   Some moth ago I searched the net to find descriptions about circuits to build up a electrostatic grass applicator. I found some material but was not satisfied. So I digged in my book shelf and designed from scratch. The basic concept is simple, I tried to cover security aspects too.
Die Schaltung basiert auf der bekannten Technik Kondensatoren umzuladen. Ein Kondensator wird geladen und über einen weiteren entladen. Die Dioden erlauben das Umladen nur in einer Richtung damit es zu der gewünschten Spannungsverdopplung kommt. Der Vorteil an dieser Schaltung ist, dass pro Ladeglied nur die Eingangsspannung anliegt.

Ich benutze ungefähr 600V am Eingang, die 9 Stufen verwandeln das in 6kV! Jeder Kondensator und Diode muss aber nur 600V aushalten. Ich verwende daher Beuteile die zumindest für 1000V spezifiziert sind. Ich habe mich nach noch besseren Bauteilen erkundigt, konnte aber ohne aufwändiger Bestellungen keine bekommen.

  The circuit used the well-known concept to load a capacity. By discharging it over another capacity the voltage is doubled. The diodes are required to allow that trick only in one direction. The nice and helpful concept of that circuit is that one step of that series always works with just the input voltage.

I use roughly 600V as input. I have 9 steps to convert the voltage up which brings me to 6kV! Each capacity and each diode only has to cope with that 600V, so I used devices specified with 1000V or better. I asked for even better components but was not able to get them.

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Schaltung / Circuit

Die Schaltung wird über einen 1:2 Transformator betrieben. Es handelt sich um einen 110V zu 220V Trenntransformator, die Prüfspannung liegt bei 1000V. Durch den Transformator erfolgt eine galvanische Trennung vom Stromnetz. Dadurch wird der Operator geschützt. Bei Erdkontakt der Schaltung gibt es keine Verbindung zur Erde daher löst der Fehlerstromschalter (FI) nicht aus.

Der Trafo wird "verkehrt" herum betrieben, daher stehen am Ausgang etwa 460V zur Verfügung bzw. eine Spitzenspannung von 460 * SQR(2) = 650V. Die Kaskadenausgangsspannung liegt daher bei etwa 5500V. Der Transformator ist natürlich für diese Betriebsart nicht konzipiert, er wird dadurch überlastet und warm. Die üblichen Arbeitszeiten von ein paar Minuten hält er aber leicht durch und wird bei mir selbst bei 15-20 Minuten nur mäßig warm, die Stromentnahme ist praktisch null. Der Vorteil ist dass man durch diese Betriebsart weniger Kaskaden benötigt um eine hohe Ausgangsspannung zu erreichen.

Da ich große Flächen zu begrasen hatte hab' ich dann auf Reihenschaltung von Kleinst-Trafos umgebaut 230 -> 16V und dann 2 Trafos 16V -> 230 wobei die Sekundärspulen in Serie geschaltet sind ergibt 460V.

  The circuit is powered over a 1:2 transformer. Originally it was a 2x110:220V Transformer, the insulation voltage is specified with 1000V. By using the transformer the output is galvanically insulated from ground. If you touch one of the wires or if you connect accidentally earth there is no connection to mains and your security fuse will not engage. Most important the user is protected from mains level.

The second trick is I transform the 230V input to 460V output which results to a peak voltage of 460 * SQR(2) = 650V which results in a overall output of 5500V. The transformer is used in a irregular way and is overloaded. Usually the time of usage is short. Even if I use it for 15 to 20 minutes the temperature is moderate warm. The current which is pulled out of it is almost zero. The advantage of that misusage is that we start with a higher input voltage so fewer cascades are necessary to reach our output voltage.

As I had to do bigger areas I changed the transformer to a 3 units. I go from 230V to 16V and than with 2 transformers back to 230V where I have the high voltage side in series to get 460V.

Der 10M Widerstand am ende der Kaskade erhöht den Innenwiderstand. Falls man versehentlich die Schaltung berührt wird so der Ausgangsstrom auf 6500V/10M = 700µA begrenzt. Zusätzlich ist der Kondensator relativ klein der Strom bricht somit sehr schnell zusammen. Für den Betrieb des Begrasens ist das kein Hindernis, da dafür im Wesentlichen ein elektrostatisches Feld benötigt wird.   The 10M resistor at the end of the cascade increases the impedance of the circuit. If somebody touches both sides the current is limited to 6500V / 10M = 700µA. Additionally the capacitor is very small so the output breaks down immediately. During normal operation this is no problem, as we need a electrostatic field and almost no current.

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Das obige Bild zeigt rechts den Aufbau der Schaltung. Ich habe mich dabei bemüht möglichst große Abstände einzuhalten um auf diese Weise Spannungsüberschläge zu vermeiden.   The picture above shows the built up circuit. I tried to get big distances between the components to avoid crossovers.

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Die Kaskade wurde von einem besonders dicken Kunststoffband vom Transformator isoliert.   Finally I insulated the cascade with a very thick tape against the transformer.
Das Gehäuse ist eine Spritzwassergeschütze Ausführung um so gegen mögliche Unfälle beim basteln zu schützen. Üblicherweise arbeitet man mit feuchten Materialien wie Leim, Gips oder Wasserbasierenden Zellstoffmaterial. Die Anschlüsse wurden zugentlastet und zwecks Gasdichtheit mit 2 Komponentenkleber verschlossen.   The housing is a waterproof version to protect against accidents. At a model layout there are often water based materials around. The wires running out where secures and glued to make it waterproof.

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In einem weiteren Anlauf habe ich die Schaltung verbessert um in 2 Kaskaden die Hochspannung zu erzeugen. Damit erhält man mit wenig Aufwand die doppelte Ausgangsspannung.   In a redesign I came up with a double cascade. It deliverers the double output voltage.

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Kupferseite / printed side

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Elektrostat Platine Bestückt / assembled PCB

 

Die Eingangsspannung der Kaskaden wird über 3 Transformatoren 230V -> 15V und 2x 15V ->230V gewonnen. Bei der zweite Stufe sind die 15V parallel die 230V seriell geschaltet. Damit erreicht man 460Veff also etwa 650Vss. So ergibt die obige Schaltung eine Ausgangsspannung von etwa 13kV!

 

  The input for the cascades is generated via 3 transformers. I go from 230V to 15V and then us 2 transformers to go back to 230V. The secondary 230V is connected in series to get  460Veff this is 650Vss. This way I generate about 13kV!

 

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Trafoschaltung / transformer diagram

Der Trick mit den beiden 230V Wicklungen erhöht die Eingansspannung in die Kaskaden. Es liegt immer nur diese Spannung in jeder Stufe an. Alternative könnte man die Zahl der Stufen erhöhen. Die Kaskadenschaltung ermöglicht selbst bei sehr hohen Ausgangsspannungen mit moderaten Bauteilkosten auszukommen. Ich verwende immer 800v-1000V Bauteile um auf der sicheren Seite zu sein.

 

The trick with the 2 230V transformers to feed the cascades helps to reach higher voltages. Each step of the cascade adds the input voltage. Either double the input voltage or double the number of cascades. Each step in the cascade only needs to stand the input voltage. We always have the 650V. So in this case I usually use 800-1000V types of components to be on the save side.

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Elektrostat im Gehäuse / mounted in a box

Praktische Benutzung

Usage

Bisher habe ich das Gerät nur an Versuchsflächen getestet. Die Begrasungsflächen waren mit Weißleim und im 2. Fall mit Tapetenkleister vorbereitet. Den Minus Pol habe ich an diese Flächen über eingeschlagenen Nagel angeschlossen.

Das Streumaterial in Form von Kunststofffasern sind in einem Metallsieb, welches am + Pol angeschlossen war. Leichtes schütteln des Siebs in wenige cm über der Fläche löste die Fasern sachte und "schoss" diese senkrecht in den Klebstoff.

  I used the circuit only on test layouts. I used glue on the surface and connected the - pole via a pin to that area.

The "grass" was in a metal filter connected to the + side. Soft shaking the filter removes the "grass" and shoots the peaces into the glue.

 

Einem ausführlicheren Bericht über die Verwendung des Elektrostaten ist eine eigene Seite gewidmet.   A more detailed report about usage of this device in on a dedicated page.

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Streusieb

Praktische Erfahrung mit dem Gerät beschreibe ich beim Aufbau der Doppelkreis Anlage   Practical experiences are described on my "Doppelkreis" layout.
Im 220er Journal Ausgabe 8 ab Seite 30 und  12/2004 ab Seite 5 ist eine Besprechung des Baus.   The German 220er Journal covers this kit in issue 8/9/10.
Platinen und Bausätze sind über AMW verfügbar.   I offer boards and kits via my AMW
 
 

 

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© 2000ff - Arnold Hübsch