Simpele aan/uit schakelaar voor ontladingen van bobine

Zo rond m'n 10de of 11de jaar liet mijn vader mij een bobine zien, de ontstekingsspoel uit de laatste auto die ze zelf hebben gehad. Bobine is overigens Frans voor transformator, dus eigenlijk is ontstekingstransformator een beter woord.

Met wat schakelmateriaal (een simpele aan/uit schakelaar), een dikke condensator waarvan ik meen te herinneren dat die in serie stond en een stukje draad op de uitgang van de bobine kon ik vonken van een centimeter lang maken.

Groter en meer vonken

Dat was natuurlijk leuk, maar gaandeweg wou ik natuurlijk grotere vonken en naarmate ik ook beter de weg wist op het internet, waar ik meer foto's zag van bobine's die flinke vonken produceerden, wou ik iets hebben dat een constante stroom vonken zou maken.

Mijn allereerste experimenten werden gedaan met een klein elektromotortje in serie met de bobine. Het motortje was absoluut niet gemaakt voor 12 Volt en werd dus snel stinkend heet. Het wérkte echter wel. Er kwamen nu doorlopend vonken van de hoogspanningsaansluiting af.

Eerste stappen met 2N3055 transistor

Toch wou ik iets wat beter werkte. Met weinig verstand van wat ik transistors aan deed had ik rond m'n zestiende wat in elkaar geflanst met een 555 timer en een 2N3055 transistor. Dat werkte, maar het kon beter: het resultaat was niet spectaculair en de transistor werd al snel gloeiend heet.

Beter werkte het met hoogspanningstransistors uit TV's zelf. Deze transistors verzorgden in het originele apparaat de aansturing van de transformator en waren dus veel beter gemaakt voor dit werk. (lees: de transistoren sneuvelden 'minder snel').
Zonder enige beveiliging waren de torren nog steeds niet zo 'n lang leven beschoren, helemaal niet bij spanningen hoger dan 12 Volt.

Een nadeel van dergelijke transistors als BU508 en dat soort types is dat de versterkingsfactor nogal belabberd is. Voor een redelijke stroom van collector naar emittor moet ook een berg stroom de basis in. Zonder stuurtrapje kan de 555 er niet zoveel mee.

Mooie schakeling op forum Circuitsonline

In 2013 kwam ik een aardige schakeling tegen op het Circuitsonline forum: de schakeling heb ik dus ook niet zelf bedacht. De enige aanpassing die ik heb gemaakt is het toevoegen van de 12-standen schakelaar voor evenzoveel condensators.

Op deze manier is de schakeling te gebruiken voor bobines, maar ook voor lijntrafo's uit TV's en computermonitors, die op hogere frequenties werken.

Het schema is een standaard puls-opwekkend geheel, bestaande uit een 555 timer, dat met een extra stuurtrapje een stevige FET aanstuurt.
Met 1 potmeter is de frequentie te regelen, met de andere de dutycycle. Met de standenschakelaar is een overlappend bereik van frequenties te kiezen door het selecteren van een andere condensator.

Actieve clamp om de boel heel te houden

Schema van een pulsgenerator voor auto-ontstekingsspoelen en flyback-transformators Gaf ik in het verleden menig transistor en FET nog enorm op hun sodemieter, in dit ontwerp is een zogenaamde 'actieve clamp' aanwezig.

De actieve clamp is een schakeling van een zenerdiode en een gewone diode, in dit geval een signaaldiode 1N4148. In het schema staan 3 zenerdiodes, maar dat is omdat ik geen enkele zenerdiode van ongeveer 200 Volt kon krijgen. Drie stuks van 66 Volt of iets dergelijks doen het net zo goed.

De actieve clamp uitgelegd

De actieve clamp oogt wat complex maar is eigenlijk heel simpel.
De situatie bij een puls naar de gate is zoals deze is. De puls bereikt de gate via de weerstand en diode D3 zorgt ervoor dat deze puls de drain niet kan bereiken, de zenerdiodes doen verder niets.

Een zenerdiode is in geleidende richting vrijwel gelijk aan een normale diode, maar in sper-richting geleidt een zenerdiode een hele tijd niet, totdat de spanning een bepaalde grens overschrijdt: de zenerspanning. De diode zal dan ineens geleiden en de spanning over de diode blijft in die toestand ook redelijk constant.
In geleidende toestand moet er wel op gelet worden dat de stroom door de diode niet te groot wordt, maar dat doet hier niet ter zake.

Zacht uitschakelen

Bij uitschakeling is de situatie heel anders. Er zal een spanningspuls ontstaan die flink op kan lopen én het liefst in stand blijft.
Voor dat soort pulsen wordt daarom bij inductieve lasten altijd een vrijloopdiode geplaatst. Het nadeel is dat dat bij zogenaamde flyback-constructies juist het hele 'flyback-effect' teniet doet. De puls van nogal hoge spanning is juist nodig om de transformator zijn werk te laten doen.

Zonder diode zal echter de volledige hoogspanningspuls die 'overblijft' over de drain-source overgang van de FET komen te staan: deze wil namelijk door blijven 'lopen' in tegengestelde richting.
Het nadeel is dat de drain-source overgang daar vaak niet op gebouwd is. Zonder deze inrichting kan de FET al snel doorslaan en is het gedaan met de pret.

Met de actieve clamp zal de spanning oplopen, maar slechts zo hoog als de zenerspanning toelaat: vanaf dat punt zullen de zeners in geleiding komen en de spanning afvoeren naar de gate. De gate wordt daardoor extra opengestuurd en in plaats van een heftige puls vindt er een 'zachte' uitschakeling plaats.

De FET zal de overgebleven energie als warmte afvoeren, maar hoeft geen enorme hoogspanningspulsen te verwerken en gaat dus langer mee.
Het is daarbij wel zaak dat de zenerspanning de maximum waardes van de FET niet overschrijdt. Als de FET niet meer dan 400 Volt aan kan, zoals de IRF740 die ik gebruik, zul je de zenerspanning dus zeker niet net zo hoog moeten kiezen. Omdat er in databladen vaak absolute maxima staan, is er ruim onder blijven zeker aan te raden.

Beveiliging

Weerstand R4 is in dit schema nog niet uitgelegd. R4 is niets meer dan een beveiliging van de FET. Mocht de stuurschakeling om wat voor reden dan ook overlijden, dan is de kans groot dat er geen duidelijke toestand voor de FET ontstaat. De gate gaat zweven, de FET komt in een lineair gebied (de FET wordt als het ware een regelbare weerstand), wordt warm en gaat uiteindelijk in rook op.

Weerstand R4 trekt in die gevallen de gate naar massa en wordt daarom een pull-down weerstand genoemd.

Het is zaak deze weerstand niet te klein te kiezen, omdat deze anders een spanningsdeler gaat vormen met R3, de weerstand in de gate-leiding. Bij een te kleine waarde kan de toestand voor de FET bij goede werking van de stuurschakeling alsnog onduidelijk worden, wat in het doorbranden van de FET resulteert. Daarom heeft R4 een waarde van 15 kilo-ohm.

Schema en onderdelenlijst

Schema van een pulsgenerator voor auto-ontstekingsspoelen en flyback-transformators

R1 = 1k
R2 = 120
R3 = 15k
P1 = 25k
P2 = 50k
C1 = 470 pF
C2 = 680 pf
C3 = 1 nF
C4 = 1,5 nF
C5 = 1,8 nF
C6 = 2,2 nF
C7 = 3,3 nF
C8 = 4,7 nF
C9 = 6,8 nF
C10 = 10 nF
C11 = 22 nF
C12 = 0.47 uF
C13 = 10 nF
D1 - D3 = 1N4148
D4 - D6 = 1N5375B (82 Volt 5 Watt zener)
T1 = IRF740
IC1 = NE555
Tr1 = Bobine
S1 = Lorlin draaischakelaar 12 standen

Wat kan je er dan mee?

Tja, toegegeven, erg veel 'nut' heeft deze schakeling niet. Toch kan het best interessant zijn om te zien wat hoogspanning doet.

Ontladingen/vonken van bobine in 3 stadia Naarmate ik hogere spanningen op de transformator losliet, sloeg er ook steeds vaker een vonk over van de hoogspanningsaansluiting naar een van de primaire aansluitingen.
Om de bobine beter tegen dit misbruik te wapenen, heb ik de bovenkant goed schoongemaakt, om overslag door vuil zoveel mogelijk te voorkomen.

Daarnaast heb ik van stukjes PVC-buis beschermingen gemaakt voor de aansluitingen zelf. De 2,5 mm2 VD-draad gaat door een gaatje in het stukje buis naar de aansluiting. Met een moer en veerring is de draad stevig gemonteerd. Vervolgens is het buisje volgegoten met kaarsenwas voor extra isolatie.

Op de hoogspannings-aansluiting van de transformator schroefde ik een RVS-deurknopje. De massa-aansluiting van de transformator verbond ik met een stukje hoogspanningskabel dat weer aan een PVC-buis gemonteerd was. Aan de PVC buis was weer een naald bevestigd, zodat ik op veilige afstand (en geïsoleerd) vonken kon trekken.

Hogere spanning op de bobine voor lange vonken

Ontladingen/vonken van bobine in 3 stadia Toen dat gebeurd was, besloot ik een dikke 300 VA ringkern uit de kast te trekken. De secundaire wikkelingen werden in serie geschakeld en de spanning werd gelijkgericht en afgevlakt, waardoor ik zo'n 60 Volt op de bobine los kon laten. De resultaten waren best spectaculair en een kennis van mij, die al het nodige 'zwaardere' werk met hoogspannings-onderdelen had gedaan, was zelfs onder de indruk van de maximale vonklengte.

Op de foto zie je de vonk als deze net de afstand tussen naald en bol overbrugd heeft, daarnaast bijna op maximale lengte. De meest rechter foto is een interessant resultaat van een foto in het donker, waarbij de sluiter wat langer open gestaan heeft.

Ontlading/vonk van bobine Op de foto hiernaast is mooi te zien dat de ontlading eigenlijk meer bestaat uit een serie ontladingen die elkaar snel opvolgen. Op de close-up foto van een ontlading die onder invloed van wind wat heen en weer draaide, zijn duidelijk afzonderlijke vonken te zien.

De ontlading maakt overigens een aardige takkeherrie en met langer 'spelen' met deze opstelling zou ik zeker gehoorbescherming aanraden.

Let wel op: bij 12 Volt zal je hier vooral een pijnlijke schok van krijgen (ik spreek uit ervaring) maar bij 60 Volt gaat de uitgangsspanning fiks omhoog. Waarschijnlijk is het resultaat dan geen flinke schok meer, maar mogelijk een (zware) verwonding. De stroom mag dan niet zo hoog zijn, de spanning is dat zeker wel.

Daarnaast valt 60 Volt sowieso al onder een gevaarlijke spanning (eentje waarvan de kans groot is dat je het voelt als je per ongeluk de geladen afvlak-elco's vast zou grijpen) dus weet wat je doet!.

Neonlamp op bobine

Ontlading/vonk van bobine Een andere mogelijkheid is het laten oplichten van een 'neonlamp'. Je kent ze waarschijnlijk wel. Van die lampjes in de vorm van een kaars met een speciaal lichaam in de glasballon waar, onder invloed van neon- en andere gassen een kaarsflikkering in opgewekt wordt zodra de lamp ingeschakeld wordt.

Ooit kocht ik op een rommelmarkt een dergelijke lamp, maar dan een wat groter model met de letters 'NY' en daaronder een appel, om zodoende 'The Big Apple' te symboliseren. Bij netspanning gloeit alleen de appel groen op en worden de letters omgeven door een roze-rood achtig schijnsel.

Op de bobine gloeit de hele glasballon prachtig oranje en afhankelijk van de frequentie knipperen de letters lustig mee of zijn half gedoofd. De appel is in ieder geval niet te missen op de hiernaast staande foto.

Kom NIET in de verleiding de glasballon aan te raken, want dat zul je weten ook! Het in de glasballon aanwezige gas geleidt veel beter dan gewone lucht en dicht bij de lamp in de buurt zul je aan je vingertoppen voelen dat er flinke spanning opstaat. Te dichtbij en een pijnlijke schok kan je deel zijn!