Aufbau und Analyse eines Funktionsmusters
für einer resonanten MOSFET Stufe

Einleitung

Das Aktuelle Gerät kann bei hohen Frequenzen nur kleine Ströme liefern. Um bei hohen Frequenzen ausreichende Ströme zu liefern bedarf hohen Spannungen, wie es dieses Gerät zu liefern im Stande ist. Es handelt sich um einen Parallel-Resonanzkreis welcher über einer kleinen Erregerwicklung versorgt wird.
Vorteil:
Die Meiste Energie des Magnetfeldes pendelt ohne Mitwirken des MOSFETs im Resonanzkreis. Nur ein kleines Teil der Energie wird bei jeder Schwingung hinzugefügt, um die Verluste auszugleichen.

Der Autor möchte an dieser Stelle darauf hinweisen, daß er keine Verantwortung für evtl. Schäden übernehmen kann.
Weil die Koppelschleife niederohmig ist können im Fehlerfall wesentlich höhere Ströme fließen mit unter anderem folgenden Auswirkungen:
- Plötzlicher Kabelbrand mit erheblicher Verletzungsgefahr
- Explodierende Batterien
Aus diesem Grunde würde ich einen Sicherungsautomat zum Absichern der Batterien empfehlen.
Das Wechselmagnetfeld dieser Einheit kann erheblich sein und liegt weit über dem zulässigen Grenzwert.
Alle Metallischen Gegenstände sollten abgelegt werden da sich diese durch Wirbelströme stark erwärmen würden.
Es versteht sich von selbst, daß die Behandlung nicht für Patienten mit Hertzschrittmacher geeignet ist.

Ziel des Dokumentes

Das aufgebaute Gerät wurde nicht auf Borreliose Typischen Frequenzen abgestimmt und die Feldspule ist zur Behandlung zu klein. Das Gerät dient nur zur Untersuchung des Verfahrens. Es wurde aus Komponenten gebaut, welche sofort griffbereit gewesen sind.

Schaltplan

Die Beschaltung mit D1, C1 und R2 dient dem Abfangen von parasitären Induktionsspannungen welche entstehen, weil L1 und L2 nicht zu 100% gekoppelt sind. R1+S1 (nicht im Versuchsaufbau realisiert worden) soll dem Finden der Resonanz dienen.
- Der Funktionsgenerator wird angeschaltet. Tastverhältnis ca. 10%
- Zunächst ist S1 offen.
- Es wird die Frequenz variiert, bis die Spannung an C2 maximal ist.
- Die Kapazität wird geändert, bis die Resonanzfrequenz der Behandlungsfrequenz entspricht.
- Der Schalter wird geschlossen.

Der Aufbau

MOSFET Ansteuerung

Zu sehen ist der Aufbau mit den Tastköpfen vom Oszilloskop. Die Masseanbindung der Tastköpfe erfolgte durch möglichst kurze Drähte. Die gewöhnlichen Masse Clips würden bei den hohen Feldstärken Fehlmessungen liefern, weil in den langen Schleifen eine Spannung induziert werden würde.

Beim Aufbau ist darauf zu achten, daß die Verbindung vom Drain-Q1 - D1 - C1 - Source-Q1 so kurz wie möglich ist.

Feldspule

Diese Demo Spule besteht aus ca. 100 .. 150 Windungen steifen CU-Draht mit 1.5mm^2 querschnitt. Als Kondensatoren wurde eine Batterie mit Pulsfesten FKP-Kondensatoren von WIMA verwendet. Ob bei diesen Frequenzen auch billigere Kondensatoren eingesetzt werden können muß ausprobiert werden. Ich hatte eben diese Kondensatoren zur Hand.

Die Rote Windung ist die Koppelschleife. Diese führt zur FET-Steuerung
Das Kabel ist gut zu verdrillen damit keine Streuinduktivität entsteht. Eine Streuinduktivität ist eine Induktivität, welche nicht mit dem Resonanzkreis gekoppelt ist. Wenn der MOSFET abschaltet, dann verursacht diese Streuinduktivität einen starken Spannungsanstieg am MOSFET, welcher durch der Schutzschaltung mit D1, C1, R2 abgefangen wird. Bei einem optimalen Aufbau tritt praktisch keine Erwärmung von R2 auf.

Als Beispiel für die Stärke des Magnetfeldes habe ich eine 12V / 5W Glühbirne mit 3 kleinen Windungen versehen und in die Feldspule gelegt.
Die Stromaufnahme ist bei meiner 24V Versorgung dabei von 2A auf ca. 2.3A angestiegen.

Messungen

Spannung an C2 (Versorgungsspannung)

- CH1: 5V/Div / 5ms / Div
Ergebnis: Deutliche Einbrüche der Versorgung:
C2 und C4 sollten evtl. deutlich größer gemacht werden.

Spannung am MOSFET und der Schutzschaltung: Gesamtansicht

- CH1: ROT: 10V/Div: Spannung an der Schutzschaltung (C1)
- CH2: BLAU: 10V/DIV: Spannung am MOSFET
- 50us/Div
Ergebnis: Die Schutzschaltung arbeitet gut.
R2 ist für das Demo korrekt dimensioniert, sollte aber für ein stärkeres Device niederohmiger werden.
C1 ist zu klein. Bei tieferen Frequenzen könnte es vorkommen, daß D1 auch bei der Sinushalbwelle zu leiten beginnt, was unnötige Verluste verursacht. Evtl. Elko parallel zu C1 setzen und C1 auf 4U7 erhöhen.

Spannung am MOSFET und der Schutzschaltung: Ausschnitt 1

- CH1: ROT: 10V/Div: Spannung an der Schutzschaltung (C1)
- CH2: BLAU: 10V/DIV: Spannung am MOSFET
- 5us/Div
Ergebnis:
Der Ladevorgang von C1 verursacht durch der Streuinduktivität ist gut zu sehen.

Spannung am MOSFET und der Schutzschaltung: Ausschnitt 2

- CH1: ROT: 10V/Div: Spannung an der Schutzschaltung (C1)
- CH2: BLAU: 10V/DIV: Spannung am MOSFET
- 500ns/Div
Ergebnis:
Zum Zeitpunkt des Ausschaltens von Q1 steigt die Spannung an D1 in Durchlasrichtung auf ca. 5V an!
Dies ist erstaunlich wenn man bedenkt, daß eine schnelle Schottky Diode verwendet wurde.
Für Nachbau Geräte empfehle ich ebenfalls Schottky-Dioden, allerdings spannungsfestere, z.B. bis 60V. Die Diode muß nicht sonderlich leistungsstark sein. Sie muß nur die Induktionsspannungen verursacht durch der Streuinduktivität abfangen und wird deshalb kaum warm.

Spannung am MOSFET und am Resonanzkreis

- CH1: ROT: 500V/Div: Spannung am Resonanzkreis
- CH2: BLAU: 20V/DIV: Spannung am MOSFET
- 50us/Div
Die Spannung ergibt sich aus den 24V Eingangsspannung hochtransformiert durch das Windungsverhältnis L1:L2. Die erwarteten 700V-800V werden nicht erreicht, sondern "nur" 500V. Ursache ist die Streuinduktivität von L1.

Gate-Ansteuerung und Spannungsabfall am Drain

- CH1: ROT: 10V/Div: Spannung am Gate
- CH2: BLAU: 0.6V/DIV: Spannung am MOSFET
- 2.5us/Div
Nun ja, der IRFZ44 ist nicht besonders gut. 1.5 V Spannungsabfall am Drain sind einfach zu viel.
=> Der IRFP064 ist da schon besser.

Einschaltdauer

- CH1: ROT: 5V/Div: Spannung am Gate
- CH2: BLAU: 3V/DIV: Spannung am MOSFET
- 50ns/Div
Einschaltzeit: ca. 120 ns; recht langsam. Die 50 Ohm Innenwiderstand vom FG sind einfach zu viel.

Ausschaltdauer

- CH1: ROT: 5V/Div: Spannung am Gate
- CH2: BLAU: 3V/DIV: Spannung am MOSFET
- 100ns/Div
Wie auch beim Einschalten ist besonders auffällig, daß die Gatespannung für ca. 150ms auf 6.5V bleibt, bevor diese weiter fällt. Ursache ist die Miller-Kapazität (Die Kapazität zwischen Drain und Gate). Diese Kapazität ist besonders störend.

Zusammenfassung

Diese sehr einfache Schaltung hat mit einen hohen Wirkungsgrad starke Magnetfelder erzeugt. Sie ist besonders für höhere Frequenzen geeignet.
Folgenden Aufbau würde ich vorschlagen:

1 KHz - 50 KHz:	Die Schaltung, wie diese hier beschrieben ist.

50 KHz - 400KHz:	Für Clark Frequenzen ist die Ansteuerung nicht geeignet. Es müßte eine Treiberstufe für den FET eingefügt werden, damit dieser schneller schaltet.

100 Hz - 1 KHz:	Auf eine Koppelschleife würde ich verzichten. Besser ist es, mit Mittelanzapfugen eine Anpassung vorzunehmen. Ursache ist die geringe Güte des Resonanzkreises bei tiefen Frequenzen.

Unterhalb 100 Hz:	Hier würde ich überhaupt kein resonantes System verwenden. Bei diesen Frequenzen ist das bisherige MOSFET Device gut. Besser ist die Lösung mit 2 Batterien, um die Spule wieder gezielt zu entmagnetisieren. Man kann auch einfach den Resonanzkreis an den FET anklemmen, hat dann aber keine Transformation mehr

Aufbau und Analyse eines Funktionsmustersfür einer resonanten MOSFET Stufe