Turbopumpen-Controller

Turbopumpen sind eine feine Sache. Mit Ihnen kann relativ einfach und schnell ein sauberes Hochvakuum erzeugt werden. Ein großer Nachteil ist aber der hohe Preis, verglichen mit einer Diffusionspumpe. Mittlerweile sind aber auch, vor Allem kleinere, gebrauchte Turbopumpen zu annehmbaren Preisen erhältlich, während Diffusionspumpen kaum noch angeboten werden.
Oft ist aber der notwendige Controller nicht dabei, da diese meist nach kürzerer Zeit defekt werden als die dazu gehörige Pumpe. Wenn man versucht diesen dazu zu kaufen erlebt man manchmal eine böse Überraschung da diese Controller oft teurer sind als die Pumpe selbst. Ein Selbstbau des Controllers kann hier weiterhelfen.
Viele kleinere Turbopumpe (z.B. von Leybold und Varian) werden durch einen einfachen Drehstrommotor angetrieben. Man benötigt für den Betrieb einen Drehstromgenerator mit einstellbaren Frequenz und Ausgangsspannungen von etwa 30 ..300 Volt. Der Frequenzbereich sollte 20 Hertz bis einige Kilohertz betragen. Die erforderliche Ausgangsleistung reicht, je nach Pumpengröße von 50 Watt bis zu mehreren Kilowatt.

Dieser Controller ist zum Betrieb einer Varian TV 81 M gedacht, passt aber auch zu einer Leybold TP50. Die erforderlichen drei Phasen werden mit einem als Ringzähler verschaltetem CD4016 erzeugt der von einem Arduino Nano die Taktpulse erhält. Die Phasensignale werden mit drei Halbbrücken verstärkt und treiben die drei Spulen des Pumpenmotors. Der Motor wird somit mit Rechteckpulsen statt mit Sinuswellen betrieben was aber offenbar keinen negativen Einfluss hat. Die Versorgungsspannung der Halbbrücken wird mit einem Stepdown-Converter erzeugt. Auch dieser Converter erhält die Steuerpulse vom Arduino (PWM- Ausgang). Der Motorstrom wird durch den Spannungsabfall an einem 1 Ohm Widerstand gemessen und das Signal mittels Optokoppler auf den Arduino übetragen. Im Falle eines erhöhten Stroms wird der PWM-Ausgang zurück gefahren. Die Drehzahl des Motors muss langsam hochgefahren werden damit er nicht außer Tritt gerät. Die Rampe ist so programmiert, dass die Motordrehzahl innerhalb drei Minuten von 10 Hz auf 800 Hz erhöht wird. Diese kleinen Turbopumpen benötigen bei hohem Vakuum nur wenig Leistung sodass ein kleiner Netztrafo von 50VA ausreicht die Schaltung zu versorgen. Um mit einem Trafo mit zwei 12V Wicklungen auszukommen wird der Arduino und die Zählerelektronik galvanisch entkoppelt über einen DC/DC Wandler versorgt.

	Schaltplan im PDF-Format