Auslegung große SGTC

daniel · 7. Februar 2026 um 18:54

Hallo liebes Forum,

vor einigen Jahren hatte ich meine erste SGTC gebaut, die auch relativ gut funktioniert hat (ca. 1,5m Streamer) obwohl ich etliche Sachen nicht beachtet hatte (z.B. Aspektverhältnis von 12:1, mehr als 2400 Sekundärwindungen, etc.). Damals mit 2 x 10kV Messwandlern als HV-Quelle.

Nachdem ich nun zufällig zu 5 Stück 20kV Wandlern gekommen bin, dachte ich, ich könnte der TC ein kleines Upgrade verpassen mit neuer HV-Versorgung, Primär- und Sekundärspule. Nur den MMC und die Funkenstrecke möchte ich wiederverwenden.

Ich hätte gerne mal eure Meinung, was ihr von der geplanten Auslegung haltet und wo ihr noch Nachbesserungsbedarf seht.

Das soll die Versorgung werden (vorerst zum testen auf dem Tisch aufgebaut, später schöner):

400V/20A Variac, 8kVA Netztrafo, 400V => 100V (ca.):

Strombegrenzungsdrosseln max. 6 x 0,7m H/100A:

3x Messwandler, 20kV/50VA/6A_Ith +

2x Messwandler, 20kV/45VA/7A_Ith:

Eigentlich hatte ich geplant, insgesamt 8kVA aus den 5 Wandlern rauszuholen aber ich bin mir unsicher, ob das möglich ist. Bei 18A (also schon 3 x Ith) komme ich wegen dem geringen Spannungsfall gerade mal auf 600VA pro Wandler / 3kVA gesamt, die Eingangsleistung liegt aber schon bei knapp 12kVA; das meiste fällt als Blindleistung an den Begrenzungsdrosseln ab (wenn ich mich nicht verrechnet habe):

Die Messung habe ich mit dem alten Primärkreis ohne Sekundärkreis gemacht (dass man das nicht machen sollte, habe ich erst danach gelesen).

Was meint ihr, wieviel Strom die Wandler für ca. 30 - 60s noch abkönnen?

Ich habe mal versucht, die Erwärmung der Wicklungen über die Widerstandsänderung abzuschätzen. Das Ergebnis nach 20s mit 18A war 15°C Erwärmung in der LV-Wicklung, keine messbare Erwärmung in der HV-Wicklung. Gerade bei der LV-Wicklung ist das Ergebnis aber wohl recht fraglich, es basiert auf einer Widerstandsänderung von nur 100mOhm, gemessen mit einem Multimeter mit 10mOhm Anzeige (Genauigkeit weiß ich nicht).

Hier noch der MMC, 950 x 650V/100nF FKP1 (38s25p), gesamt 24,7kV/65nF:

Druckluft-gekühlte Funkenstrecke aus Messing:

Für die Primärspule hätte ich geplant 12mm Kupferrohr zu verwenden.

Die Sekundärspule soll aus 1mm CuLL-Draht auf DN400 KG Rohr gewickelt werden mit Lüftungsrohr Toroid als Topload.

Was haltet ihr von diesen Werten?

11 Primärwindungen kommt mir etwas viel vor, 800mm Topload eher etwas klein im Verhältnis zum Spulendurchmesser aber wenn ich da etwas ändern möchte, müsste auch die Primärkapazität vergrößert werden, was relativ aufwendig wäre.

Lambda/4 wird leicht überschritten (1315m vs. 1398m) aber ich hoffe, das ist noch ok bzw. die Regel ist ja eh etwas umstritten, was ich so gelesen habe!?

Haltet ihr k und Q für zu hoch?

VG Daniel

Alexander470815 · 7. Februar 2026 um 19:06

Zu der Erwärmung der Wandler würde ich einfach mal einen definierten Strom durchschicken, z.B. 1A und dann die Spannung über den Klemmen messen. Dann kann man den Widerstand wesentlich genauer bestimmen.

15°C wärmer nach 20s mit 18A kommt mir zu viel vor.

Kurzzeitig kann man da durchaus schonmal den 10 fachen Strom durchjagen, dann sollte man den Wandlern aber einige Stunden zum abkühlen geben da das sehr lange dauern kann. Wenn man es übertreibt könnten diese Wandler tatsächlich explodieren da der Gasdruck im inneren den Harz Block sprengt.

Wenn du die Wandler sekundärseitig parallel hast dann könntest du diese auch primärseitig in Reihe schalten und die Verluste in dem 115V Trafo umgehen. Den könnte man aber noch dazu nehmen um aus 0-400V dann 0-515V zu machen was bei fünf Wandlern in Reihe ganz gut passt.

thunderbolt · 7. Februar 2026 um 19:10

Wäre auch mein vorschlag gewesen

Ich weiß auch nicht, wie gut die Wärmeleitfähigkeit vom Harzverguss ist, also ob man nicht, wenn man sich mit dem Umklemmen zu viel Zeit lässt, die gemessene Temperatur deutlich zu niedrig ist.

Sonst könnte man den Messtrom auch so dimensionieren, dass in etwas die im Betrieb zu erwartenden Kupferverlustet auftreten und darüber den Temperaturanstieg nach 30s oder 60s direkt bestimmen

daniel · 7. Februar 2026 um 21:28

Guter Punkt mit der Widerstandsmessung, danke

Den könnte man aber noch dazu nehmen um aus 0-400V dann 0-515V zu machen was bei fünf Wandlern in Reihe ganz gut passt.

Ich komm nicht drauf, mit welcher Beschaltung kommst du auf dieses Übersetzungsverhältnis?

Sonst könnte man den Messtrom auch so dimensionieren, dass in etwas die im Betrieb zu erwartenden Kupferverlustet auftreten und darüber den Temperaturanstieg nach 30s oder 60s direkt bestimmen

Also konkret einfach den “Sollstrom” (z.B. 18A) als DC fließen lassen, oder?

thunderbolt · 7. Februar 2026 um 21:41

Jo, natürlich hat man dann keine Eisenverluste, ich wieß aber nicht, wie weit das ins Gewicht fällt.

Da man ja eh DC über die wicklung schickt kann man auch gleich die Spannung messen und darüber den Widerstand zurückrechnen

daniel · 7. Februar 2026 um 22:50

So, direkt getestet:

@18A

0sek: 2,897V => 161,0mOhm

30sek 2,922V => 162,3mOhm => +2°C

60sek: 2,953V => 164,1mOhm => + 4,9°C

@30A (anderer Wandler, der noch kalt war)

0sek: 5,130V => 171,0mOhm

30sek: 5,290V => 176,3mOhm => + 7,9°C

60sek: 5,400V => 180,0mOhm => +13,4°C

Temperaturdifferenz hab ich über diesen Rechner hier berechnen lassen

Norbi · 8. Februar 2026 um 09:48

Ich glaube die meinten eher den Widerstand der Sekundärwicklung, die ist was eine Überhitzung angeht etwas kritischer.

Dürften ein paar kΩ sein. Einfach mal 12V Batterie dranhalten und Strom/Spannung messen.

Ich bin inzwischen etwas skeptisch was Messwandler als Hochspannungsquelle angeht, selbst bei 18A Primär werden die innen schnell ziemlich heiß werden.

→ Messwandler abgeraucht

daniel · 8. Februar 2026 um 15:00

Ja, die werde ich auch nochmal messen.

Das finde ich interessant zu hören. Ich habe in letzter Zeit Messungen an verschiedenen Messwandlern gemacht und bin zu der gleichen Erkenntnis gekommen.

Das Problem ist einfach, dass die Dinger so extrem niederohmig sind und die Leistung ausschließlich bestimmt wird durch

P=I²R bzw. S=I²Z

Für Z bin ich auf Werte zwischen ca. 0,6..2Ohm gekommen, je nachdem, wie man sie HV-seitig belastet und das war bei allen meinen Wandlertypen in etwa gleich.

Bei Z=1 (zum Beispiel) braucht es für 1kVA SQRT(1000) = 32A, für 2kVA SQRT(2000) = 45A und das völlig unabhängig, wie man sie beschaltet. Mit der externen Beschaltung (primär in Reihe oder parallel, mit / ohne 100V Netztrafo, etc.) kann man die benötigte Anschlussleistung optimieren, aber der benötigte Strom durch den Wandler bleibt immer gleich.

Auf den ersten Blick könnte man meinen, bei einem 100V Messwandler bei 10A bekommt man 1kVA Leistung. Aber tatsächlich fallen bei 10A an den Wandlern nur etwa 10V ab und man bekommt 100VA. Die restlichen 900VA fallen an der Begrenzung (Drossel/Widerstand/Heizlüfter/wasauchimmer) ab.

Das habe ich gesehen und es war der Hauptgrund, warum ich hier nochmal nachgefragt habe

Seitdem habe ich noch mehr Respekt vor den Teilen…

Alexander470815 · 8. Februar 2026 um 16:35

Die 400V Seite schaltet man an den Ausgang vom Stelltrafo, so wie es jetzt auch schon ist.

Die 115V Wicklung schaltet man phasenrichtig in Reihe zu den 400V aus dem Stelltrafo. Somit ergibt sich dann eine Ausgangsspannung von 0-515V.

Das dürfte kein Problem sein, die sind in erster Näherung nur von der Spannung abhängig, nicht vom Strom.

Kommt jetzt drauf an wie man Primär und Sekundär definiert, bei einem Messwandler wäre die 20kV Wicklung ja die Primärwicklung und die 100V Wicklung die Sekundärwicklung.

Kann man aber auch beides in einem Aufbau ermitteln.

Man misst den Kaltwiderstand beider Wicklungen, dann schließt man die HV Wicklung kurz und schickt den gewünschten AC Strom durch die 100V Wicklung. Das macht man dann für die angedachte Zeit und beide Wicklungen werden sich wie im späteren Betrieb erwärmen. Dann kann man die Widerstände erneut messen und die Erwärmung ausrechnen.

Ich denke mal bis 60-70°C Wicklungstemperatur kann man ohne Probleme gehen.

Da bekommt man also schon Leistung durch aber halt nur für begrenzte Zeit.

Naja das ist aber nicht das Problem vom Wandler sondern von der Last.

Die Impedanz der Last ist offensichtlich zu gering für einen Betrieb bei 10A Primärstrom. Also müsstest du die Last verringern um mehr Leistung übertragen zu bekommen. Wie viel Scheinleistung der Wandler überträgt ist erstmal egal, für das erwärmen der Wicklung zählt nur der Scheinstrom.

Also ob du jetzt bei 10V und 10A Eingangsstrom arbeitest → 100VA

Oder bei 100V und 10A → 1000VA macht für die Erwärmung kaum einen Unterschied.

Wenn die Wandler die Kondensatoren nicht mit dem Strom nicht geladen bekommen musst du die Kondensatoren kleiner machen. Oder du musst auf eine andere Topologie gehen das die Wandler die Kondensatoren eben nicht mit 50Hz laden müssen sondern mehr Zeit haben. (Gleichrichter → rotierende Funkenstrecke z.B.)

daniel · 8. Februar 2026 um 22:09

Ahja, verstanden

Das mit den 10V bei 10A war eine Messung mit ca. 4mm Lichtbogen zwischen 2 Wolframelektroden. Fast alle meine Messungen beziehen sich auf Lichtbögen / fast-Kurzschlüsse, dementsprechend gebe ich dir recht und ziehe meine Aussage zurück.

kilovolt · 10. Februar 2026 um 05:18

Hallo Daniel

Sieht gut aus, die Armada aus Messwandlern
Was die Leistungsfähigkeit der Spule anbelangt, muss dies aber nicht unbedingt zu einem besseren Ergebnis führen, denn wenn die Spule ursprünglich so ausgelegt wurde, dass die beiden Messwandler den Primärkondensator innerhalb einer Halbwelle laden konnten, dann wird nicht mehr gehen mit fünf Messwandlern. In diesem Fall müsste man die Primärkapazität erhöhen, um mehr Output zu generieren. Habe soeben gesehen, dass die Primärkapazität nur 65nF beträgt. Das wird mit zwei Messwandlern schon locker geladen. Da nutzen fünf Wandlern vermutlich gar nichts. Ah wobei gut, du hast jetzt ja offenbar 20kV, das ist natürlich auch nochmals was anderes, aber dann müsstest du wohl die Spannungsfestigkeit des MMCs noch etwas anpassen?

Zum Thema mit den explodierenden Wandlern kann ich nur sagen, dass ich das nicht so eng sehe, solange man nicht massiv überlastet über längere Zeit. Ich habe mich viele Jahre mit Wandlern eingehend beschäftigt und hatte diesbezüglich nie Probleme. Für kleinere Wandler habe ich jeweils etwa 1 bis 1.5kVA kurzzeitig belastet, bei grösseren Wandlern bis zu 3kVA.

Ansonsten ist ein Lichtbogen in keinster Weise mit einer TC als Last zu vergleichen, aber das wurde ja bereits angesprochen.

Beste Grüsse
kilovolt

daniel · 10. Februar 2026 um 22:30

Der Raake-Rechner spuckt bei beiden Setups (10kV/200mA/2kVA und 20kV/400mA/8kVA) die gleiche max. nutzbare Primärkapazität von 63,7nF aus.
Ich hab es so verstanden, dass sich das aus der Impedanz des/der Wandler bzw. Blindwiderstand des Kondensators ergibt.
10kV/200mA = 20kV/400mA = 50kOhm bzw. 1/(2 x pi x 50Hz x 65nF) = 48,9kOhm.

Die Erwartung wäre also, die 4-fache Leistung bei gleichem Kondensator zu bekommen…zumindest in der Theorie…

Wie berechnet man, ob eine Halbwelle den Kondensator vollständig laden kann?

Die Ladespannung des Kondensators innerhalb einer Halbwelle ist (oder besser wäre bei DC):
tau = RC = 50kOhm x 65nF = 3,25ms.
Uc(t) = U x (1-e^(-t/tau)) => Uc(10ms) = 20kV x (1-e^(-10ms/3,25ms)) = 19,077kV bzw. 95%.

Bei AC wird der Kondensator nun aber nur in der ersten Hälfte der Halbwelle geladen, bis die Spannung den Scheitelpunkt erreicht hat.
Das eingesetzt in obige Formel (5ms statt 10ms) gibt nur 15,7kV bzw. 78,5%.
Und das setzt voraus, dass die FS nur 1mal pro Halbwelle zündet!?

Gibt es da vlt eine bessere Formel?

Der ist schon auf 24,7kVAC laut Spec ausgelegt, glaube das ist eh schon übertrieben…

Da bin ich jetzt auch wieder etwas entspannter, nachdem ich die Widerstandsänderung gemessen habe

Das habe ich jetzt mittlerweile gemacht. Als Strombegrenzung hab ich einen Schweisstrafo gefunden, der ganz gut passt. Die 380V Wicklung in die 515V geschaltet und Sekundär Kurzgeschlossen. Auf Stufe “1” begrenzt er auf 18A, die Stufen 2..6 würden mehr Power geben

Die ganze Diskussion hat sich jetzt stark um Messwandler gedreht, was mir auch echt sehr viel weitergeholfen hat. Vielen Dank dafür

Gibt es auch noch Anmerkungen zu der Spule ansich, also Primärspule, Sekundärschwingkreis, Kopplung, Güte, etc.?

VDX · 10. Februar 2026 um 22:33

… bdi meinen Experimenten messe ich den Strom als Spannungsabfall an einem 5W-0.1R-widerstand, /10

daniel · 11. Februar 2026 um 15:46

Also ja, schon klar, der Blindwiderstand des Kondensators ist die Last, die der Wandler sieht, und wenn er soviel Strom treiben kann, dass die volle Spannung an diesem Widerstand abfällt, muss der Kondensator voll geladen sein.

Ich fragte mich nur, gilt das auch, wenn irgendwann (kurz vor erreichen der Scheitelspannung) die FS zündet und wie wäre es, wenn sie während einer Halbwelle mehrfach zündet.

Aber irgendwie macht das hier glaube ich eh keinen Sinn, ich hab ja hier kein Typenschild am Messwandler auf dem steht 20kV/80mA sondern das ist einfach nur der Wunschwert und ich weiß gar nicht, ob bei dieser Last die Spannung nicht schon zusammen bricht.

Ich probiers einfach aus…

axon-F · 14. Februar 2026 um 14:50

Hallo und einen schönen guten Fasching s Samstag, hallo daniel. Ein wirklich schönes Equipment das du hast . Im Gleichstrom - Kreis ist ein Kondensator in 5 Zeitkonstanten geladen - 5 x t. Im Wechselstromkreis wird s kompliziert, da kommt noch die Frequenz - Sinus dazu, im Anschluss noch ein paar Bildchen dazu.

daniel · 15. Februar 2026 um 21:01

Hallo axon-F,

Danke

Ich baue das jetzt mal so auf und schaue was raus kommt…

VG Daniel