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Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner

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Die oszillatorgespeisten Teslatrafos und die Plasma-Hochtöner

Von Deyan Bogdanov, Armin Brylka, Georgi Smilyanov und Henry Westphal


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Der oszillatorgespeiste (CW-) Teslatrafo.

Die Idee.

Im Vorsemester wurde ein impulsgespeister Teslatrafo mit Erregung durch eine Funkenstreckeentwickelt und in Betrieb genommen und es wurden verschiedene HF-Oszillatoren nach dem Prinzipdes astabilen Multivibrators realisiert.

Nun lag der Gedanke nahe, diese beiden Themenbereiche miteinander zu kombinieren und einenTeslatrafo mit einem astabilen Multivibrator zu speisen.

Es war ursprünglich geplant, diesen Oszillator zu modulieren um einen, in den weiteren Abschnittendetailliert besprochenen, Plasma-Hochtöner zu realisieren. Aus noch zu besprechenden Gründenerwies sich die Schaltung jedoch dazu als ungeeignet.

Eine weitere Anwendung dieser Schaltung ist das Nochvollziehen des historischen Versuchs vonNicola Tesla, mit dem dieser seine Vision einer drahtlosen Stromversorgung und die (scheinbare)Ungefährlichkeit von Wechselstrom demonstrierte.

Die Realisierung.

Nach einigen, noch im nachfolgenden Text beschriebenen, Vorversuchen wurde das im folgendenBild dargestellte Schaltungsprinzip verwendet.

+250V

EL519

9

1

3

86

27

C8A 22pF

+250V

R139K

C8

R422K

R322K

C2100pF

L240 Wdg

Tesla-Coil

+700VL16 Wdg

EL519

9

1

3

86

27

C1100pF R2

39K

Das vereinfachte Prinzipschaltbild des CW-Teslatrafos

Man erkennt hierbei die Grundstruktur der klassischen Multivibratorschaltung, jedoch ist die bekannteKreuzkopplung in einem der beiden Pfade nicht direkt, sondern durch Kopplung mit dem Kopf derTesla-Coil realisiert. Das führt dazu, daß der Oszillator stets auf der Eigenfrequenz der Tesla-Coilschwingt. Durch das (jedoch nicht zwingend notwendige) Ausgestalten der Primärwicklung als Teileines Resonanzkreises erhält man, bei Abgleich der primärseitigen Resonanzfrequenz auf dieEigenfrequenz der Tesla-Coil die maximale Spannungsüberhöhung am Kopf der Tesla-Coil.Die Eigenfrequenz der Tesla-Coil ist nicht immer konstant, durch das Zustandekommen einerEntladung sinkt diese ab, da die Kapazität der Entladungskanäle (ionisierte Luft) zur Erde wirksam wird.


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Der Gesamtaufbau


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Die Tesla-Coil und der Primärkreis

Die Bilder auf dieser und der vorhergehenden Seite geben einen Eindruck vom praktischen Aufbaudes CW-Teslatrafos. Als Tesla-Coil wurde eine KW-Antennenanpaßspule verwendet. Sie hat ca. 40Windungen und ist ca. 30 cm lang.


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Das folgende Schaltbild zeigt die vollständige Schaltung des CW-Teslatrafos, mitsamt dem hier nichtmehr verwendeten Modulationspfad.

fres: 17,5 / 7,4 MHz kleine / grosse Tesla-CoilL215 / 40 Wdg

R139K

R422K

R2

39K

R322K

T1ATRr304K

C74,7uF

Drehko par. 22pF bei "großer" Coil

+250V

C8 Drehko bei "kleiner" Coil

+250V

Tesla-Coil

EL519

9

1

3

86

27

Audio

C31nF

C1100pF

L3NKL R1405UKS 2 x 55uH

C61nF

Im Kabel,ca. 20 cm vonOszillatorentfernt

+700V


LS

C51nF

Anode


+

C4100uF 400V

LOEWE-OPTA

C2100pF

D11N4007

L14 Wdg / 6 Wdg

EL519

9

1

3

86

27

Der vollständige Schaltplan des CW-Teslatrafos (mit der hier nicht verwendeten Möglichkeit derModulation)


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Die Ergebnisse.

Es stellt sich eine Schwingfrequenz von 7,4 MHz ein. Die Spannung an der Elektrode am Kopf derTesla-Coil beträgt ca. 20 kV. Die HF-Leistung wurde in der Größenordnung 150W abgeschätzt. Bereitsohne das Vorhandensein einer Gegenelektrode bildet sich eine filigrane, sehr schön anzusehende,Büschelentladung aus, die Höhe des Entladungsbereiches ist ca. 10 mm. Die Entladung wird durchden aus der Kopfelektrode austretenden Verschiebungsstrom verursacht.

Büschelentladung bei 7,4 MHz

Bei der Annäherung eines in der Hand gehaltenen isolierten (!) Schraubenziehers an dieKopfelektrode bildet sich eine kräftige Plasmaflamme aus. Der, nun wesentlich größere,Verschiebungsstrom fließt, kapazitiv, über den Kunststoffgriff des Schraubenziehers und dann überden Körper des Experimentators zur Erde ab. Aufgrund der hohen Frequenz ist der Stromfluß jedochnicht wahrnehmbar.


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Plasmaentladung bei 7,4 MHz

Der Rückfluss des Verschiebungsstroms reicht zum Betrieb einer 230V / 25W-Glühlampe aus.

Diese, auf der Folgeseite abgebildete, Anordnung entspricht dem Prinzip des historischen Versuchsvon Nicola Tesla zur Veranschaulichung seiner Vision eines leitungslosen Wechselstromnetzes. DerKörper des Experimentators wirkt hierbei als Kondensatorplatte, die den Verschiebungsstromaufnimmt.

Der Stromfluß durch den Körper ist nicht wahrnehmbar, da die Nervenzellen der hohen Frequenznicht mehr folgen können. Wenn man jedoch den Anschluß der Lampe, oder ein mit der Masse desOszillators verbundenes Schaltungsteil, kleinflächig berührt, dann führt das zu einer, schnell insschmerzhafte übergehenden, Hitzeempfindung , die durch die dielelektrische Erwärmung der Hautbei der durch die kleine Berührungsfläche großen Stromdichte verursacht wird. Wenn man sich in dieNähe der Tesla-Coil begibt und dann ausschließlich mit dem kleinen Finger die Masse berührt stelltsich nach einigen Sekunden eine Wärmeempfindung im stromdurchflossenen Finger ein die mit demEintauchen in warmes Badewasser zu vergleichen ist, jedoch, den Finger durchflutend, von innenkommt. Diese Wärmeempfindung wird durch die Verlustleistung aufgrund des ohmschen Widerstandsdes Fingers verursacht.

Tesla wollte mit diesem Versuch die (scheinbare) Ungefährlichkeit von Wechselstromnetzendemonstrieren, als Argument gegen seinen Konkurrenten Edison, der Gleichstromnetze befürwortete.

Man sollte jedoch derartige Versuche nur mit großer Vorsicht wiederholen. Bei größeren HF-Leistungen kann es zu gefährlichen Verbrennungen kommen.


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Drahtlos leuchtende 230V / 25W-Lampe


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Bei der Durchführung des soeben beschriebenen Versuches zeigte sich auf eindrucksvolle Weise,daß der sekundärseitige Schwingkreis nicht nur aus der Tesla-Coil selbst, sondern auch den mit demOszillator verbundenen Netzleitungen innerhalb des Gebäudes besteht.

Daher ist bei Experimenten mit dieser Schaltung sehr vorsichtig vorzugehen.

Die Montageplatte des Oszillators ist zwar die Bezugsmasse der Schaltung, sie kann aber nicht alshochfrequenzmäßig geerdet angesehen werden. Sie ist lediglich über die Netzinstallation desGebäudes mit der Erde verbunden. In dem hier angewendeten Frequenzbereich ist die Impedanzder Netzinstallation bereits erheblich, so daß sich entlang der Netzleitungen (nicht zwischen denderen einzelnen Leitern) erhebliche Spannungen aufbauen können.

Die Netzinstallation dient auch als Rückleiter für die vom Kopf der Tesla-Coil ausgehendenVerschiebungsströme.

Als der obige Versuch zum Zwecke der Aufnahme des obigen Fotos kurzzeitig in Betrieb genommenwurde, wurde der primärseitige Drehkondensator durchgestimmt. Bei einer ganz bestimmten Stellungdes Drehkondensators versagten die Geräte an dem im Hintergrund sichtbaren Arbeitsplatz ihrenDienst. Beim Berühren eines Anschlusses eines dort stehenden Labornetzgeräts ergab sich eineschmerzhafte Hitzeempfindung.

Es hatte sich also eine Resonanz des aus Netzinstallation und Tesla-Coil bestehenden Gesamtsystemsergeben.

Über die Versorgungszuleitungen vom Netzgerät zum Oszillator wurden zwei Klappferrite gelegt. Siesind im obigen Bild über dem Handrücken des Experimentators sichtbar. Aufgrund der soebenbeschriebenen HF-Stromflüsse in die Netzinstallation hinein erwärmen sich diese Ferrite so stark, daßman sie nach einigen Minuten Betriebszeit nur noch kurzzeitig berühren kann.


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Die Vorversuche

Es wurden einige Vorversuche unternommen, deren Ergebnisse letztendlich zur im vorigen Textbeschriebenen endgültigen Version der Schaltung geführt haben. Diese werden im Folgendendokumentiert.

Versuchsweise wurde ein Multivibrator mit herkömmlicher Kreuzkopplung eingesetzt. Die Schaltungerwies sich als nicht praktikabel, da sie stets auf der, weit über der Eigenfrequenz der Tesla-Coilliegenden, Eigenfrequenz des Primärkreises schwingt. Daher kann sich auf der Sekundärseite keineSpannungsüberhöhung ausbilden.

L16 Wdg

R422K

+250V

R2

39K

R1

39K

R3

22K

Tesla-Coil

EL519

9

1

3

86

27

L2

C2100pF

+250V

EL519

9

1

3

86

27

C1

100pF

+700V

Multivibrator mit herkömmlicher Kreuzkopplung ohne Resonanzabgleich des Primärkreises

Das ist insofern nicht überraschend, da Primär- und Sekundärkreis lose miteinander gekoppelt sind.

Wenn man den Primärkreis exakt auf die Eigenfrequenz des Sekundärkreises, der Tesla-Coil,abgleicht, dann erhält man auch mit dieser, untenstehend abgebildeten, Schaltung die identischeHochspannung am Kopf der Tesla-Coil, wie sie auch die bereits Eingangs beschriebene „endgültige“Schaltung mit modifizierter Kreuzkopplung liefert.

+250V

C2100pF

EL519

9

1

3

86

27

R3

22KR1

39K

+250V

R422K

L2

+700VL16 Wdg

EL519

9

1

3

86

27

R2

39K

C8A 22pF

C8

C1

100pF

Tesla-Coil

Multivibrator mit herkömmlicher Kreuzkopplung mit Resonanzabgleich des Primärkreises


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Es wurden einige Versuche mit der soeben beschriebenen Schaltung in Verbindung mit einerkleineren Tesla-Coil durchgeführt. Diese bestand aus 15 Windungen auf einem keramischenSpulenkörper mit 63mm Durchmesser.

Es stellte sich eine Schwingfrequenz von 17 MHz ein. An der Spitze der Kopfelektrode bildete sichsofort nachdem Zuschalten der Anodenspannung eine leistungsstarke Plasmaflamme aus.

Bei nur leichter Abweichung der primärseitig eingestellten Resonanzfrequenz von dersekundärseitigen Resonanzfrequenz bildet sich unter bestimmten Umständen eine Kippschwingungaus. Es bestimmt dann jeweils der Schwingkreis mit der höheren Güte die Schwingfrequenz desOszillators. Wenn keine oder nur eine kleine Plasmaflamme vorhanden ist, dann ist dies derSekundärkreis. Da nun der Oszillator auf dessen Eigenfrequenz schwingt, nimmt die Größe derPlasmaflamme zu. Damit reduziert sich aber die Güte des Sekundärkreises. Der Oszillator schwingtnun auf der Frequenz des Primärkreises, womit die Plasmaflamme wieder kleiner wird, was dann zueinem erneuten Wechsel der Schwingfrequenz führt. Dieser Effekt macht sich durch ein lautstarkesKnattern bemerkbar.

Diese Beobachtung unterstreicht die Notwendigkeit, die Oszillatorfrequenz, wie in der Eingangsbeschriebenen Schaltung der Fall, der momentanen Eigenfrequenz des Sekundärkreisesnachzuführen.

Plasma-Entladung bei 17 MHz


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Gesamtaufbau mit der „kleinen“ Tesla-Coil

Der Oszillator wurde versuchsweise mit einem Audio-Signal am Schirmgitter moduliert. Hiermit solltedie Eignung dieser Oszillatorschaltung zum Aufbau eines leistungsstarken Plasma-Hochtöners geprüftwerden. Der Oszillator wurde hierbei mit der „kleinen“ Tesla-Coil betrieben, die jedoch, entsprechendder „endgültigen“ Schaltung in den Mitkopplungspfad einbezogen war.

Als Vergleich stand ein, ebenfalls in diesem Text detailliert beschriebener, Plasma-Hochtöner in Single-Ended-Schaltung mit nur einer EL519 und ebenfalls +700V Anodenspannung zur Verfügung.

Es zeigte sich, daß die in diesem Abschnitt beschriebene Schaltung zwar eine etwa doppelt so hohePlasmaflamme erzeugen kann, das jedoch die Lautstärke deutlich geringer ist. Zudem sind deutlicheVerzerrungen zu hören.

Bei diesem ersten Versuch wurde die Modulationsspannung an die Schirmgitter beider Röhrenangelegt. Anschließend wurde die Modulationsspannung nur noch an eine Röhre geführt, dasSchirmgitter der anderen Röhre wurde an eine positive Gleichspannung gelegt. Die Verzerrungengingen deutlich zurück, waren aber immer noch hörbar.

Es zeigte sich, daß die Schaltung für den Zweck des Aufbaus eines Plasma-Hochtöners ungeeignetist. Es wurde der Beschluß gefasst, sich bei der Entwicklung der Plasma-Hochtöner auf Single-Ended-Schaltungen zu konzentrieren.

Der Grund für die unbefriedigende Wiedergabe des Modulationssignals liegt in der, durch dieMitkopplung über zwei Röhrenstufen, gegenüber der Single-Ended-Schaltung um Größenordnungenhöhere Gesamtverstärkung der Oszillatorschaltung, die eine lineare Abbildung desModulationssignals verunmöglicht.


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Der Kleinleistungs-Plasma-Hochtöner

Die Idee.

In diesem Teilprojekt wird die klassische Schaltung eines amplitudenmodulierten CW-Teslageneratorsmit einer einzigen Röhre, auf der nahezu alle publizierten Plasma-Hochtöner basieren, aufgebautund getestet.

Eine mögliche Anwendung ist der Einsatz als Hochton-Lautsprecher im Wohnbereich.

Das Prinzip.

Bei Speisung der Tesla-Coil mit einer HF-Spannung, deren Frequenz ihrer Eigenresonanzfrequenz vonungefähr 20 MHz entspricht stellt sich an deren freien Ende eine Spannung in der Größenordnungvon 10kV ein. Am oberen, freien Ende der Tesla-Coil befindet sich eine spitze Elektrode. An der Spitzeder Elektrode stellt sich eine sehr hohe Verschiebungsstromdichte ein, die dann zur Ionisation der dieSpitze umgebenden Luft führt. Es bildet sich eine Plasmaflamme aus.

Die Plasmaflamme an der Spitze der Elektrode

Das HF-Signal wird mit dem wiederzugebenden Audiosignal amplitudenmoduliert. Diese Modulationführt zu einer Variation der Flammengröße mit der Amplitude des Audiosignals. Die Änderung derFlammengröße führt zu Luftdruckschwankungen, womit dann Schallwellen entstehen.


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Da Masse und Wärmekapazität der Luft sehr klein sind, folgt die Flammegröße und damit der Druckdem Audiosignal praktisch trägheitslos. Es wird von einer oberen Grenzfrequenz des Verfahrens in derGrößenordnung von 100 kHz berichtet. Da die Größe der Schallquelle, der Flamme, klein gegenüberder Wellenlänge auch der hohen Frequenzanteile des Audio-Spektrums ist, hat man es mit einer überden gesamten Audio-Bereich praktisch punktförmigen Schallquelle zu tun. Dadurch ergibt sich eineräumliche Auflösung und Ortbarkeit, die mit konventionellen, mechanischen Lautsprechersystemennicht zu erzielen ist. Die untere Grenzfrequenz liegt in der Größenordnung 1kHz.


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Die Schaltung

Hier kommt die klassische Schaltung zur Anwendung, die an mehreren Stellen mit nur geringenAbweichungen im Internet publiziert ist. In diesem Zusammenhang sei an erster Stelle auf dieInternetseite www.plasmatweeter.de von Ulrich Haumann verwiesen. Die hervorragenden undausführlichen Darstellungen auf dieser Seite haben unsere Arbeit erheblich unterstützt.

6V3_2

Anode

Tesla-Coil

LS

+700V

C63,3nF

L115 Wdg

C94,7uF

L2100uH 1A

ca. 260mA

LOEWE-OPTA

EL519

5 4


R136K

+ C7100uF 400V

140V

C41nF

R315K


6V3_1

C73,3nF

C3150pF

+250V

EL519

9

1

3

86

27


C83,3nF

R230R

ca. 21 MHz

D11N4007

C210nF

C110nF

Flammelektrode

C5220pF

Audio

T1ATRr304K

Im Kabel,ca. 20 cm vonOszillatorentfernt

Die Schaltung des Plasma-Hochtöners

Der Oszillator wird durch die kapazitive Rückführung der Spannung am Kopf der Tesla-Coil zumSchwingen angeregt. Die 180° Phasendrehung über der in Resonanz befindlichen Tesla-Coil führthierbei zu einer phasenrichtigen Mitkopplung. Damit schwingt der Oszillator immer auf derEigenfrequenz der Tesla-Coil, auch wenn sich diese, durch unterschiedliche Größe derPlasmaflamme, zeitlich ein wenig ändert. Die Amplitudenmodulation erfolgt durch Variation derSchirmgitterspannung mit dem Audio-Signal. Mit steigender Schirmgitterspannung steigt derVerstärkungsfaktor der Oszillatorröhre, womit sich dann eine Zunahme der HF-Amplitude ergibt.


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Die 100uH-Drossel L2 dienst als Arbeitswiderstand für die Oszillatorröhre. Bei ihrer Auswahl kommt esweniger auf den exakten Induktivitätswert als auf ihre Eigenresonanzfrequenz an. Diese muß, imeingebauten Zustand mit den dann wirksamen Streukapazitäten, nahe an derEigenresonanzfrequenz der Tesla-Coil liegen. Damit ergibt sich dann ein hoher Arbeitswiderstand undeine hohe Verstärkung der Oszillatorschaltung.

Der 10nF-Kondensator C2 parallel zur 700V-Anodenversorgung schließt den HF-Stromkreis.

Das Schirmgitter wird mit dem im Schaltplan sichtbaren 150pF-Kondensator C3 hochfrequenzmäßigan Masse gelegt. Damit erfüllt es seinen Zweck, durch Verhinderung einer kapazitiven Rückwirkungvon der Anode zum Gitter eine hohe Verstärkung der Oszillatorröhre zu gewährleisten. Das Audio-Signal wird über einen NF-Übertrager T1 in das Schirmgitter eingespeist. Hierzu wird einAusgangsübertrager aus einem Fernsehgerät verwendet. Der Übertrager hat einen Luftspalt, so daßdie Gleichstrom-Vormagnetisierung durch den Schirmgitterstrom unerheblich ist.

In einem späteren Entwicklungsschritt wurde dieser, die Klangqualität limitierende, Übertrager durcheinen speziellen, direkt an das Schirmgitter gekoppelten, Modulationsverstärker ersetzt.

Auf der Primärseite des Übertragers wurde ein 4,7uF-Kondensator C9 vorgesehen, der mit demEingangswiderstand der Modulationsschaltung einen Hochpaß bildet, um eine ungewollteÜbermodulation durch die, in ihrer Amplitude das Audiosignal dominierenden, tiefen Frequenzanteilezu vermeiden. Diese sind zwar selbst nicht hörbar, sie führen aber zu einem Verlassen des sinnvollenArbeitsbereiches womit dann die hohen Frequenzanteile begrenzt oder verzerrt wiedergegebenwerden.

Der im Schaltplan sichtbare 100uF-Elektrolytkondensator C7 sowie der dazu parallel geschaltete3,3nF-Keramikkondensator C6 schließen den sekundärseitigen Stromkreis für das Audio-Signal

Auf der Primärseite des Übertragers befinden sich zwei 3,3nF Abblockkondensatoren und mehrereGleichtaktdrosseln, um die Rückspeisung von HF-Energie in den Audio-Verstärker zu vermeiden. ImLaufe der Inbetriebnahme stellte sich heraus, daß noch weitere Entstörmaßnahmen notwendig sind,die noch detailliert beschrieben werden.


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Der kommerziell erhältliche Ionenhochtöner ACAPELLA ION TW15 basiert ebenfalls auf dem soebenbeschriebenen Schaltungsprinzip. Der untenstehend abgebildete Blick in das geöffnete Geröt zeigtdeutlich die Röhre EL/PL 519.

Der kommerziell erhältliche Ionen-Hochtöner ACAPELLA ION TW15

Quelle: www.Plasmatweeter.de


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Auch in diesem Ionenhochtönder der Firma CORONA Acoustic findet die besprochene SchaltungAnwendung.

Ein kommerziell erhältliche Ionen-Hochtöner von CORONA Acoustic.



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Auch in diesem Hochtöner von PHONOGEN findet sich die bekannte Schaltung wieder.

Ein kommerziell erhältliche Ionen-Hochtöner von PHONOGEN



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Die Röhre EL519

Die hier verwendete Röhre EL519 stellt insofern eine Besonderheit dar, da sie die leistungsstärksteRöhre ist, die jemals für den Endverbrauchermarkt produziert wurde. Die Markteinführung erfolgte zuBeginn der 1970-er Jahre als Zeilenendröhre für Farbfernsehgeräte. Sie wurde für diesen Zweck weit indie 1970-er Jahre hinein eingesetzt, da es zu dieser Zeit noch keine preiswertenHalbleiterbauelemente zur Beherrschung der bei der der Zeilenablenkung auftretenden Ströme undSpannungenauf dem Markt gab. Durch die jahrelange Massenproduktion ist diese Röhre auch heutenoch weit verbreitet und zu günstigen Preisen (in der Größenordnung 30 EUR pro Stück) zubekommen.

Die EL519 kann kurzzeitig mit Anodenspannungen bis zu 7kV beaufschlagt werden. Der maximalekurzzeitige Anodenstrom ist 1,5A.

Die Röhre PL519 entspricht in allen Eigenschaften, mit Ausnahme der Heizspannung, der EL519. DieEL519 ist für 6,3V / 2A Parallelheizung ausgelegt, während die PL519 für 300mA Serienheizungausgelegt ist und hierbei eine Heizspannung von 40V benötigt.

Ein Graetz-Farbfernsehgerät aus den 1970-er Jahren, das mit der EL519 bestückt ist, die Ansicht derHorizontalendstufe dieses Gerätes, die EL519 ist die linke der beiden Röhren, und die Ansicht eineroriginalen EL519 aus den 1970-er Jahren.


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Der Aufbau.

Das folgende Bild zeigt den fertiggestellten Plasma-Hochtöner.

Der Aufbau des Plasma-Hochtöners.

Die Tesla-Coil hat einen Durchmesser von 63mm und 15 Windungen. Es wurde ein keramischerSpulenkörper verwendet. Dieser ist so konstruiert, daß der Wickeldraht nur an den 5 herausstehendenZacken mit dem Keramikmaterial Kontakt hat. Den weitaus größten Teil des Kreisumfangs ist der Drahtnur von Luft umgeben. Auf diese Weise werden dielelektrische Verlust im Kernmaterial weitgehendvermieden, die dadurch entstehen, daß dieses im Takt der über ihm anliegenden HF-Spannung inständig wechselnder Richtung polarisiert wird. Wenn dagegen zwischen Draht und Keramikmaterialeine Luftschicht vorhanden ist, fällt an dieser der größte Teil der HF-Spannung ab, da dieDielelektrizitätskonstante von Keramik deutlich höher als die von Luft ist, so daß die über demKeramikmaterial verbleibende Spannung nur noch gering ist. Dielelektrische Verluste im Kernmaterialentziehen dem Schwingkreis Energie, die dann nicht mehr zur Ausbildung der Plasmaflamme beiträgtsondern zu einer unerwünschten Aufheizung des Spulenkörpers führt.

Die Spule hat einen Abstand von 10cm zur metallenen Grundplatte, um Verluste durch in dieseinduzierte Wirbelströme kleinzuhalten.


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Die Ergebnisse.

Die Schaltung zeigte bereits beim ersten Einschalten eine sofortige Funktion. Die Wiedergabe derMusik war überraschend laut und präzise. Die untere Grenzfrequenz konnte auf die Größenordnung1kHz abgeschätzt werden. Es stellte sich eine Oszillatorfrequenz von 21 MHz ein. Die Spannung an derElektrode hatte eine Größenordnung von 10kV. Die Höhe der Plasmaflamme betrug ungefähr25mm. Die Schaltung nahm aus der +700V Anodenversorgung einen Strom von 260mA auf.

Weitere Beobachtungen.

In der Nähe der Tesla-Coil läßt sich ein starkes magnetisches Feld nachweisen. Hierzu wurde einLeiterschleife mit einer 28V / 40mA Glühlampe verwendet.

Nachweis des magnetischen Feldes in der Umgebung der Tesla-Coil


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In der Nähe des oberen Endes ist zugleich ein starkes elektrisches Feld vorhanden, daß mit einerLeuchtstoffröhre nachgewiesen werden kann.

Nachweis des elektrischen Feldes in der Umgebung der Tesla-Coil


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Der durch den Körper des Experimentators zurückfließende Verschiebungsstrom bring eineGlühlampe zum Leuchten. Der Strom wird kapazitiv in den Körper des Experimentators eingekoppelt.

Rückfluss des Verschiebungsstroms durch den Körper des Experimentators

Der Rücklfluß des Verschiebungsstroms führte zu störenden Einkopplungen in den Audio-Verstärker.Daher wurde die Modulationsleitung mit zwei hintereinandergeschalteten Gleichtaktdrosseln des TypsR1405UKS und R1303UKS der Firma NKL (www.nkl-emv.de) und einem weiteren Ferritkern geblockt.Die Drossel R1405UKS hat die Daten 2 x 55uH / 3,5A und die Drossel R1303UKS hat die Daten 2 x 47uH2,5A. Die Drosseln wurden für die Blockung von Frequenzen größer 5 MHz entwickelt.

Es wurden bewußt zwei Drosseln hintereinandergeschaltet, und nicht eine Drossel mit höhererInduktivität verwendet. Denn bei einer Drossel mit höherer Induktivität wachsen auch dieunvermeidlichen Parallelkapazitäten zwischen den einzelnen Windungen, die Resonanzfrequenz derDrossel sinkt, wenn sie dann tiefer als die zurückzuhaltende Oszillatorfrequenz ist wäre die Drosselkomplett wirkungslos. Mit der Hintereinanderschaltung von zwei Drosseln mit kleinerer Induktivität undhoher Resonanzfrequenz kann man dagegen die Kombination aus hoher Resonanzfrequenz undhoher Induktivität erreichen.

Es wurden zwei Drosseln verschiedenen Typs mit verschiedenen Resonanzfrequenzen benutzt, ummöglicherweise auftretende Resonanzeffekte, die sich im Zusammenspiel beider Drosseln ergebenkönnten, auszuschließen.

Die Drosseln bestehen aus zwei Wicklungen auf einem gemeinsamen Ferritkern und arbeiten alsstromkompensierte Gleichtaktdrosseln. Das bedeutet, daß sich die Magnetfelder, die daseingespeiste Audio-Signal in den beiden Einzeldrosseln erzeugt, gegenseitig aufheben. Diese Strömesind gleich groß und entgegengesetzt, denn es werden ja Hin- und Rückleiter des Audio-Signals überdie Drossel geführt. Die HF-Ströme vom Oszillator in den Verstärker hinein und über diesen zu Erde


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fließen dagegen in beiden Leitern gleichgerichtet, so daß sich die von ihnen erzeugtenMagnetfelder im Kern der Drossel addieren.

Die Drossel blockt also die HF-Ströme, ohne das Audio-Signal zu beeinträchtigen. Zudem kann dieDrossel nicht durch das Audio-Signal in die Sättigung geraten, womit sie dann auch für die HF-Strömeunwirksam wäre.

Audio

U

**

U

HF

**

Die Wirkungsweise der stromkompensierten Gleichtaktdrosseln

Die Bilder auf der Folgeseite zeigen die Wirkung des Filters in der Praxis. Wenn man, auf der Seite desOszillators, die (masseseitige) Modulationsleitung mit einem Glühlämpchen berührt, dann leuchtetdieses hell auf. Wenn man dagegen die Leitung an der Verbindungsstelle der beiden Drosselnberührt, dann glimmt das Lämpchen nur noch knapp über der Wahrnehmungsschwelle. Wenn mandie Leitung „hinter“ der zweiten Drossel berührt, dann leuchtet das Lämpchen überhaupt nicht mehr.

Wenn man den Plasma-Hochtöner praktisch einsetzen will, dann reichen die soeben geschildertenEntstörmaßnahmen bei weitem nicht aus. Es ist unabdingbar, den gesamten Oszillatorteil in einemgeschlossenen Gehäuse aus Lochblech einzubauen. Dann befindet er sich praktisch in einemFaradyschen Käfig, alle Verschiebungsströme fließen über das Gehäuse an die Oszillatormassezurück, ohne dieses zu verlassen.


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Demonstration der Wirkung der Entstördrosseln


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Auch die Netzzuleitung wurde mit Ferritkernen geblockt. Das auf die Ferritkerne gewickelte Netzkabelentspricht in seiner Wirkung einer stromkompensierten Gleichtaktdrossel. Die nach einiger Betriebszeitdeutlich wahrnehmbare Erhitzung der Ferritkerne zeigt das Vorhandensein großer HF-Energien an.

Ferritkerne in der Netzzuleitung


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Der Hochleistungs-Plasma-Hochtöner

Die Idee.

Das vom im vorigen Abschnitt beschriebene Schaltungsprinzip des 50-W-Plasma-Hochtöners wird aufeine wesentlich höhere HF-Leistung übertragen. Hierzu wird anstelle der bisher verwendetenZeilenablenkröhre EL519 eine wesentlich leistungsstärkere Senderöhre bei deutlich höhererBetriebsspannung verwendet. Die zunächst naheliegende Bereitstellung der HF-Leistung durch zweiim Gegentakt betriebene Röhren in Multivibratorschaltung ist nicht anwendbar, da es, wie bereitsbeschrieben, in diesem Zusammenhang zu starken Nichtlinearitäten bei der Modulation kommt.

Zwei dieser Hochtöner werden im Stereo-Betrieb eingesetzt.

Die vorrangig geplante Anwendung ist der Einsatz als Schallquelle in einer Klangkunst-Aufführung.

Die Dimensionierung der Schaltung.

Grundlegendes

Die bewährte „Single-Ended“-Schaltung (nach Haumann aus www.plasmatweeter.de ) wirdbeibehalten, aber auf eine höhere HF-Leistung adaptiert.

Hierbei kommt die Sendetetrode 4/400A von EIMAC zum Einsatz, da ein Posten dieser Röhren zueinem sehr günstigen Preis aus einem ehemaligen Lagerbestand der US-Armee beschafft werdenkonnte. (Hier wurde also das Motto „Macht Schwerter zu Pflugscharen“ konkret umgesetzt.)

Die 4/400A wurde im Jahr 1953 von EIMAC (USA) als Endröhre für Rundfunk- und andere Sender aufdem Markt eingeführt. Sie wurde bis 1998 von EIMAC produziert und ist auch heute noch erhältlich.Die Anodenverlustleistung kann bis zu 400W betragen, die maximale Anodenspannung ist 4kV, dermaximale Anodenstrom ist 350mA, die Röhre kann bei Frequenzen bis zu 100 MHz eingesetztwerden. Der „offizielle“ Neupreis im Röhrenhandel ist derzeit (2006) 295 US$.


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Die Röhre 4/400A

Im Folgenden ist der vollständige Schaltplan dargestellt:


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C22nF

L215 Wdg

Tesla-Coil

V1

+ C720 uF 600V

5V_A

G

Audio

+A

Heizung5V /14,5A

AMPDESIGN

560V 420V350V

C51nF

L53 Wdg

3500V 2600V1700V880V

C104,7uF

R31K51,5 kOhm

C61uF / 630V

4 Ohm

L115 Wdg

C4100pF

8 Ohm

T1AT-15

R122K

Audio

C92,2nF

4/400A

5

3

42

1

Anode

+S

C82,2nFC3

1nF

L33 Wdg


Flammelektrode

C1100pF 5kV

5V_CT

R233R

Der vollständige Schaltplan des Hochleistungs-Plasmahochtöners

Heizung

Die Röhre 4/400A besitzt eine direkt geheizte Kathode. Die Heizspannung ist 5V bei 14,5A. DasDatenblatt der Röhre stellt die Anschlüsse 1 und 5 als gleichwertig dar. Der Anschluß 1 wird willkürlichan Masse gelegt. Sicherheitshalber werden die Anschlüsse 1 und 5 mit C3 HF-mäßig„kurzgeschlossen“. Der Wert von C3 ist unkritisch, es muß sich jedoch um einen induktionsarmenKeramikkondensator handeln.

L3 wird sicherheitshalber vorgesehen, um der Ausbreitung von Störungen vorzubeugen. Durch dieWirkung von C3 sind keine differentiellen HF-Spannungen zwischen den Heizleitungen vorhanden.Aufgrund des hohen Heizstroms von 14,5A können keine handelsüblichen Drosseln verwendetwerden. Es wird ein Ferritkern EPCOS R50 B64290-K82-X380 vorgesehen. Der Außendurchmesser desFerritkern ist 51,8mm. Der Innendurchmesser des Ferritkerns ist 28,5 mm. Auf diesen Kern werdendann die (miteinander verdrillten) Heizleitungen gewickelt. Nach bisherigen Erfahrungen zu urteilen,dürften 3 Windungen gute Ergebnisse bringen.


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Gitterkreis

Der in der früheren Schaltung in Serie mit der „Antenne“ befindliche Kondensator wurde weggelassen,da sein Nutzen zweifelhaft ist, stellt doch die „Antenne“ bereits einen Kondensator dar. Bei derbisherigen Schaltung wurde ein Gitterableitwiderstand (hier R1) von 36 kOhm vorgesehen.

Das Datenblatt der Röhre gibt , unter „Typical Operation, Frequencies below 75 MHz, one Tube“ eineGittervorspannung von –220V bei einem Gitterstrom von 18mA an. Damit ergäbe sich für R1:

Da ein zu kleiner Wert von R1 zu einem zu hohen Anodenstrom und zu einer möglichenBeschädigung der Röhre führen könnte, wird, als Startwert ein Wert von 22K vorgesehen, der bei derInbetriebnahme ggf. verringert werden kann.

Anodenkreis und Tesla-Coil

Trennkondensator C1

Aus Sicherheitsgründen wird die Teslaspule (L1) über C1 von der Anodengleichspannung abgetrennt.Hier kommt ein hochbelastbarer keramischer Scheibenkondensator mit Schraubanschlüssen mit derDimensionierung 100pF / 5kV zum Einsatz.

Dieser Kondensator wird vom (unter Umständen hohen) Resonanzstrom durchflossen und ist daherhohen Belastungen unterworfen.

Der Scheinwiderstand von 100 pF bei 20 MHz ist:

Es soll nun geklärt werden, ob dieser Wert klein genug ist.

Der Strom durch die Tesla-Coil soll im folgenden anhand der Meßergebnisse bereits beschriebenenbeim 7Mhz /150W-Tesla-Generator größenordnungsmäßig abgeschätzt werden. Wenn man sichselbst über eine 230V / 25W Glühlampe mit Masse verbindet und sich mit der Hand der Tesla-Coilnähert, dann geht die Büschelentladung auf ca. 1/3 in ihrer Intensität zurück. Die Glühlampe leuchtetmit ca. 2/3 ihrer Normalhelligkeit. Bei Normalhelligkeit würde über die Lampe 25W / 230V = 100mAfließen. 2/3 davon sind 67 mA. Wenn man annimmt, daß 1/3 dieses Stroms durch dieBüschelentladung weiterfließt, dann fließen ca. 100mA. Es ist schwierig abzuschätzen, inwieweit dieseErgebnisse von 7 MHz auf 20 MHz zu übertragen sind. Aufgrund der geringeren Windungszahl der 20MHz-Coil, die wir hier einsetzen wollen, erhalten wir sicherlich eine geringere Spannung, aber einenhöheren Strom als bei 7MHz. Zudem ist die Leistung bei diesem Generator höher. Wenn man voneiner HF-Leistung von 1kW ausgeht und eine Spannung an der Tesla-Spule von 5kV annimmt, dannwürden 0,2A durch C1 fließen. Man hätte dann eine Spannungsabfall an C1 von:

Also ist der Wert von C1 sicherlich ausreichend.


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Es soll weiterhin die Frage geklärt werden, ob ein Entladepfad (= Parallelwiderstand) für C1 benötigtwird. Diese Frage wird zunächst verneint, da einerseits die Kapazität von C1 so gering ist, daß sichkeine signifikante Energie in diesem befindet und zum anderen gar kein Strompfad für Gleichstromvorhanden ist, über den sich C1 aufladen könnte. Allerdings ist, etwa durch ionisierte Luft, einLadungstransport nicht von vornherein auszuschließen. Auch ein geringer Ladungstransport überlange Zeit kann zu einem Aufladen von C1 führen. Daher wird die Frage, ob sich C1 auflädt, bei derInbetriebnahme gesondert überprüft. Für eine mögliche Aufladung an C1 spricht die Beobachtung,daß bei Experimenten mit dem 250 kV-Teslagenerator der in der Nähe stehende Experimentator (derVerfasser selbst, auf lackiertem Holzboden stehend) mit einer Gleichspannung aufgeladen wurde.Dies machte sich durch einen leichten elektrischen Schlag beim Berühren eines geerdetenMetallteils, nachdem der Teslagenerator bereits ca. 1 Minute abgeschaltet war, bemerkbar.Der Verzicht auf einen Entladepfad wurde durch die späteren Erkenntnisse bei der Inbetriebnahmegerechtfertigt.

C1 muß erhöht montiert werden, um die Streukapazitäten zur Masse möglichst kleinzuhalten.

Prinzip der erhöhten Montage von C1

Tesla-Coil (L1) und Flammelektrode

Die aus der bisherigen Schaltung bekannten Dimensionen ( 15 Windungen, Durchmesser 63mm )wird beibehalten. Es wird jedoch wesentlich dickerer Kupferdraht (z.B. 4mm2, mit dann etwas mehrals 2mm Durchmesser) verwendet, da es auf eine große Oberfläche des Drahtes ankommt. (DerStrom fließt wegen des Skineffekts nur auf der Oberfläche des Drahtes) Geringe ohmsche Verlustesind an dieser Stelle wichtig, um ein ausgeprägtes Resonanzverhalten und damit einen möglichsthohen Wirkungsgrad zu bekommen.

Da die bei der bisherigen Schaltung verwendeten keramischen Spulenkörper nicht in weiterenExemplaren beschaffbar sind, wird der Selbstbau eines geeigneten Spulenkörpers geplant. Hierbeisoll Kunststoffmaterial zum Einsatz kommen. Teflon (PTFE) und Polypropylen haben die geringstendielelektrischen Verluste. Aufgrund des Preises fällt die Wahl auf Polypropylen. Wie bei den bereits


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erwähnten keramischen Spulenkörper gut sichtbar und bereits beschrieben, soll auch hier dieKontaktfläche des Wickeldrahtes mit dem Material des Spulenkörpers minimiert werden.

Es wurde eine Konstruktion aus Polypropylen-Plattenmaterial vorgesehen.

Prinzipskizze der Spulenkörper aus Polypropylen-Plattenmaterial

Wichtig ist zudem, daß die Spule einen Abstand von ca. 70 ..100mm zur Alu-Grundplatte hat, umVerluste durch Wirbelströme in der Grundplatte zu vermeiden.

Die Flammelektrode wird, wie bei der existierenden Schaltung, auf dem oberen Ende desSpulenkörpers befestigt.

Die Flammelektrode soll aus Wolfram hergestellt werden, da ein möglichst hoher Schmelzpunkt desMaterials erstrebenswert ist. Der Schmelzpunkt von reinem Wolfram liegt bei 3422°C, in der Praxiswerden jedoch Legierungen mit geringerem Schmelzpunkt verwendet. Um, bei gegebener Leistung,eine möglichst große Plasmaflamme zu erhalten, ist eine hohe Elektrodentemperatur und damit einekleine Oberfläche der Elektrode von Bedeutung . Wenn man die Elektrodenoberfläche vergrößert,dann geht ein größerer Teil der eingespeisten Energie durch Wärmeabstrahlung der Elektrodeverloren, der dann nicht mehr zur Ausbildung der Flamme zur Verfügung steht.


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Nach einiger Recherche wurden Hochleistungs-Wolframelektroden der Firma Wolfram-Industrie(www.wolfram-industrie.com) eingesetzt. Die Elektroden sind auf einer Seite angespitzt.

Prinzipskizze der Befestigung der Elektrode auf einem keramischen Träger

Es besteht die Notwendigkeit, die Elektrode so zu montieren, daß einerseits keine Wärme von ihrabgeleitet wird, aber andererseits keine Beschädigung des aus Kunststoff gefertigten Spulenkörpersauftritt. Hierzu wird eine Röhrenfassung aus Keramik (ursprünglich vorgesehen für QQE 06/40)verwendet. Die Kontakte werden entfernt. Ein einziger Kontakt bleibt als Lötstützpunkt an seinem Platz.

Anodenkreisspule (L2)

Die Anodenkreisspule wird in ähnlicher Bauart wie die Tesla-Coil ausgeführt.Für eine optimale Arbeitsweise der Schaltung ist ein möglichst hoher (für die HF wirksamer)Arbeitswiderstand notwendig. Diese Bedingung ist dann im Optimalfall gegeben, wenn dieZusammenschaltung aus L2 und den dazugehörigen Schalt- und Streukapazitäten exakt die gleicheResonanzfrequenz wie die Tesla-Coil selbst hat.

Dies legt nahe, die L2 exakt auf die gleiche Weise wie L1 aufzubauen. Da das „kalte“ Ende von L2 HF-mäßig, über R2 und C2, an Masse liegt, wirkt insbesondere die Kapazität von der Anode zur Masseals Parallelkapazität zu L2. Da das „heisse“ Ende von L1 nur mit der Flammelektrode verbunden ist,die eine geringere Kapazität zur Masse hin hat als es bei der Anode der Fall ist, ist davonauszugehen, daß die Resonanzfrequenz im Anodenkreis, bei exakt identischem Aufbau von L1 undL2 zu gering ist.


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Daher ist es sinnvoll, an L2 eine Möglichkeit des Abgriffs, etwa mit einer Krokodilklemme, vorzusehen,um die wirksame Windungszahl von L2 in kleinen Schritten verringern zu können.

In diesem Zusammenhang ist auch die Wirkung von R2 zu beachten. R2 verringert die Güte des mitL2 aufgebauten Schwingkreises und reduziert damit dessen Selektivität, womit der beschriebeneAbgleich vereinfacht wird. Mit Verkleinerung von R2 steigt der Wirkungsgrad der Schaltung unter derVoraussetzung des richtigen Abgleichs. Ein beliebiges Verkleinern von R2 würde jedoch zu einerimmer höheren Spannung (im Resonanzfall) an der Anode von V1 führen, womit die Röhrebeschädigt werden könnte.

Die Induktivität von L1/L2 kann wie folgt bestimmt werden:

Mit:

u - Permeabilitätskonstante = 4p * 10-7

N - Windungszahl = 15

A - Fläche der Spule = 2p * (63mm/2)*2 = 6,4 * 10-3 m2

l - Länge der Spule = 35 mm

In der Schaltung von Haumann wird für L2 eine Spule mit einem Nennwert von 100uH und einer(vermutlichen, Vergleich mit Katalogdaten eines optisch ähnlichen Typs mit gleicher Induktivität undStrombelastbarkeit) Resonanzfrequenz von 55 MHz eingesetzt. Die Verringerung derResonanzfrequenz auf 21 MHz (=Resonanzfrequenz der Tesla-Coil) durch die Kapazität der Anodeund ihrer Zuleitungen nach Masse erscheint plausibel.

Bei genauerer Betrachtung der Webseite von U.Haumann (www.plasmatweeter.de) findet sich nocheine Anleitung zum Selbstbau der Anodendrossel. ( Länge ca. 40 mm, Durchmesser 18mm,Windungszahl ca. 44, womit sich nach obiger Formel eine Induktivität von 30 uH errechnen läßt)Dies erhärtet die Vermutung, daß es nicht auf den Induktivitätswert der Drossel, sondern auf dieEigenresonanz des Anodenkreises ankommt. Dies wird auch noch dadurch bestätigt, daß Haumannberichtet, mit einer gezielten Abstimmung des Anodenkreises ein Maximum der Flammengrößeerreicht zu haben.

Anodenkreiswiderstand (R2)

Da R2 auch von HF-Strömen durchflossen wird, ist ein Drahtwiderstand (Induktivität vorhanden) nurbedingt geeignet. Enstprechend der bisherigen Schaltung wird ein Wert von ca. 30 Ohmvorgesehen.

Die normale, betriebliche Verlustleistung des Widerstands ist (0,3A {Anodenstrom} )2 * 30 Ohm =2,7W, es ist jedoch mit erheblich höheren Impulsbelastungen zu rechnen.

Geeignet ist der Widerstand RPH 100W 33R von Vishay (Farnell- Nr. 306-7592 Seite 811 Katalog 2005).Der Widerstand ist Induktionsfrei (Dickfilm) und für isolierte Chassismontage (Schraubbefestigung)vorgesehen. Die Spannungsfestigkeit (1900V eff) reicht allerdings nicht aus, so daß der Widerstandisoliert montiert werden muß. Die Nenn-Dauerbelastbarkeit sinkt dann auf 10W, das ist aber(angesichts der immer noch vorhandenen Kurzzeitbelastbarkeit (Wärmekapazität)) ausreichend. DieIsolation des Widerstandes muß so erfolgen, daß sich nur kleine Kapazitäten zur Masse hin ergeben.


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Anoden-Blockkondensator (C2)

C2 schließt den anodenseitigen HF-Stromkreis. Auch der aus der Flammelektrode austretende HF-Strom fließt über C2 in L1 zurück. C2 wird somit von einem signifikanten HF-Strom durchflossen. Eskommt ein spezieller Kondensator 2.000pF / 6,5kV mit hoher Strombelastbarkeit zum Einsatz.

Entstördrossel für die Versorgungsleitungen

Die Versorgungsleitungen werden über die, identisch zu L3 aufgebaute, Ringkern-Gleichtaktdrossel L5gefiltert. Diese Konfiguration bedingt, daß die Erdung des Gerätes nicht am Netzteil, sondern amOszillator selbst erfolgt. Über die Netztransformatoren ist jedoch stets eine kapazitive Kopplung derNetzteilmasse zur Erde hin vorhanden. Damit ist die Summe der Ströme in den durch L3 führendenLeitungen nicht mehr Null. Damit ist die Wirkung von L5 als Gleichtaktdrossel eingeschränkt. DieSinnhaftigkeit der hier angedachten Ausführung von L5 kann erst im Experiment bestätigt oderwiderlegt werden.

Schirmgitterkreis und Modulation

Schirmgitterkondensator (C4)

C4 gewährleistet ein (aus HF-Sicht) konstantes Potential des Schirmgitters. Wäre C4 nicht vorhanden,dann würde das Schirmgitter nicht mehr die kapazitive Kopplung zwischen Anode und Steuergitterreduzieren können. Diese Kopplung würde dann die Verstärkung der Röhre erheblich reduzieren. Daauch durch C4 signifikante HF-Ströme fließen können, wird auch hier ein hochbelastbarerKeramikkondensator vorgesehen.

Modulationsübertrager (T1)

Hier wurde in erster Überlegung die Verwendung des Typs AT-25 von HB-Ampdesign vorgesehen.Dieser Transformator ist für die Verwendung in Gegentakt-Endstufen mit einer Ausgangsleistung bis50W vorgesehen. Bei Gegentakt-Endstufen ist jedoch prinzipbedingt keine Gleichstrom-Vormagnetisierung des Trafokerns vorhanden. Daher hat der Kern des AT-25 keinen Luftspalt. Inunserer Anwendung wird die hochohmige Wicklung des Modulationsübertragers dagegen vomSchirmgitterstrom (ca. 20mA) durchflossen.

Daher ist der ebenfalls von HB-Ampdesign angebotene Übertrager AT-15 für unsere Anwendungbesser geeignet. Er hat einen Luftspalt im Kern. Der AT-15 ist eine Spezialentwicklung für Single-EndedEndstufen mit hoher Leistung (2 x KT88 parallel). Bei Single-Ended-Endstufen fließt stets ein dem Audio-Signal überlagerter Gleichstrom durch die hochohmige Wicklung des Übertragers.

Schirmgitterwiderstand (R1)

Das Datenblatt 4/400A gibt unter „typical Operation below 75 MC, one Tube) eineSchirmgitterspannung von 500V und einen Schirmgitterstrom von 40mA (bei 3000VAnodenspannung) an. Das Netzteil gibt eine Schirmgitter-Versorgungsspannung von 560V ab. R3 istdann (560V – 500V) / 40 mA = 1,5 kOhm. Die in R3 umgesetzte Leistung wäre dann 2,4W. Es wird einemaillierter Drahtwiderstand WELWYN W22 1K5 7W (Farnell 343-390) vorgesehen.

Schirmgitter-Blockkondensatoren (C5, C6, C7)


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Es werden drei Kondensatoren parallelgeschaltet, um alle relevanten Frequenzbereicheabzudecken.

C5 (1nF) bewirkt eine Ableitung möglicher HF-Spannungen.C6 schließt den Modulationsstromkreis für das obere Audio-Frequenzband.C7 schließt den Modulationsstromkreis für das mittlere und untere Audio-Frequenzband. C7 ist einspezieller Elektrolytkondensator mit 600V Betriebsspannung.

Entstörelemente im Audio-Signalpfad

Entsprechend der bisherigen Schaltung werden C8, C9 und L4 vorgesehen. Die endgültigeAuslegung der Entstörmaßnahmen kann nur experimentell erfolgen.

Hochpaß im Audio-Signalpfad

Um eine Übermodulation (=Begrenzung) durch die im Musiksignal vergleichsweise hohen Amplitudender tiefen Frequenzanteile zu vermeiden, müssen diese aus dem Audio-Signal ausgefiltert werden.Hierzu ist C10 vorgesehen. Der optimale Wert für C10 kann nur experimentell bestimmt werden.

Stromversorgung

Für die Stromversorgung dieser Schaltung wurde ein spezielles, an anderer Stelle dieses Berichtsbeschriebenes, Netzgerät entworfen und aufgebaut, das die Versorgung von zwei im Stereo-Betriebarbeitenden Hochtönern ermöglicht.

Das Netzteil hat Abgriffe für verschiedene Anoden- und Schirmgitterspannungen.


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Die Realisierung.

Das folgende Bild zeigt die fertig aufgebaute Schaltung im Betrieb.

Der Hochleistungs-Plasma-Hochtöner im Betrieb.


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Die Inbetriebnahme.

Die Erstinbetriebnahme

Zunächst wurde ein einzelner Hochtöner aufgebaut und getestet. Nachdem diese Tests erfolgreichabgeschlossen waren wurde die Schaltung dupliziert und im Stereo-Betrieb getestet.

Für die allererste Inbetriebnahme wurde die Schaltung mit einer verminderten Anodenspannung von880V und einer verminderten Schirmgitterspannung von 350V in Betrieb genommen.

Vorsichtshalber wurde keine „wertvolle“ noch ungebrauchte Röhre eingesetzt, sondern eine günstigersteigert gebrauchte Röhre des Baujahrs 1998. Beim Anlegen der Anodenspannungen zeigten sichgrelle Überschläge zwischen der Anode und dem kathodenseitigen Schirmblech der Röhre. DieSchmelzsicherung im Anodenkreis (1A träge) brannte nach wenigen Sekunden durch.

Es wurde nun eine ungebrauchte Röhre (Baujahr 1972) eingesetzt. Die Schaltung arbeitete sofort.Nach Zündung mit dem Schraubenzieher zeigte sich eine zierliche, ca. 5mm hohe Plasmaflamme.Die, mit dem Oszilloskop gemessene, Schwingfrequenz betrug 28 MHz.

Erste Inbetriebnahme mit verminderter Anodenspannung 880V

Die zuerst verwendete Röhre hatte nur noch ein ungenügendes Vakuum. In Luft mit sehr geringerDichte entstehen unter Feldeinfluss Ladungsträger, die durch das Feld innerhalb der Röhre


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beschleunigt werden, aber nur unwesentlich von anderen Molekülen abgebremst werden, womit eszu sehr stromstarken und weite Distanzen überbrückenden Entladungen kommt.

Es wurde untersucht, ob eine Veränderung der Position des Abgriffs an der Anodenkreisspule zu einerÄnderung der Flammengröße führt. Dies war nicht der Fall, die Größe der Flamme änderte sichnicht. Auch eine Veränderung des Abstands der Feedback-Elektrode hatte keinen Einfluß auf dieGröße der Flamme.An die Audio-Zuleitung wurde ein Funktionsgenerator angeschlossen, das von ihm abgegebeneAudio-Signal war deutlich zu hören.

In der weiteren Folge wurde die Anodenspannung schrittweise in den Stufen 1700V, 2600V und3500V erhöht. Anstelle des Funktionsgenerators wurde ein von einem CD-Player gespeisterRöhrenverstärker HK-250 von Harman Kardon als Signalquelle verwendet, der den 4 Ohm-Eingangdes Modulationstrafos speiste.

Bereits bei 1700V zeigte sich eine extrem helle Plasmaflamme. Der Klang war sehr laut und bis in dieMitten hinein ausgeglichen. Bei 2600V zeigte sich eine 5 bis 6 cm hohe, hellgelbe Plasmaflamme.

Vergrößerte Flamme bei Erhöhung der Anodenspannung auf 1700V

Bei weiterer Erhöhung auf 3500V zeigte sich ein sehr starker Abbrand der Wolframelektrode. Dadieser nicht gleichmäßig erfolgt, kam es zu störenden Knack- und Knistergeräuschen. Zudem glühtedie Anode der Röhre schon nach kurzer Betriebszeit hellorange.


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Sehr große und heiße Flamme bei glühender Anode mit 3500V Anodenspannung

Der Gitterableitwiderstand wurde von 22 auf 66 kOhm erhöht, womit das Glühen der Anodezurückging, aber auch die Flamme kleiner wurde.

Nach einigem Experimentieren wurde festgestellt, daß die Schaltung mit den folgenden Parameternbestmöglichst arbeitet:

- Anodenspannung 2600V- Schirmgittergleichspannung 420V- Gitterableitwiderstand 66 kOhm

Die Hörbarkeit der Schallwiedergabe beginnt bei 150 Hz. Die Knickfrequenz konnte auf dieGrößenordnung 300 Hz abgeschätzt werden. Die HF-Feldstärke in 1m Entfernung von der Tesla-Coilbeträgt 5V/m, was überraschend gering ist.

Die Stromaufnahme aus der Anodenversorgung ist nach dem Einschalten bei noch ungezündeterPlasmaflamme zunächst 50mA. Mit dem Zünden der Plasmaflamme steigt sie auf ca. 180mA. Eswird somit eine Leistung von 2600V * 0,18A = 470W aus dem Netzteil entnommen. Hieraus kann eineGrößenordnung der HF-Leistung von 250W angeschätzt werden.

Die Spannung an der Flammelektrode beträgt ca. 20kV bei einer Frequenz von 28 MHz.

Die Lautstärke und die Transparenz der Musikwiedergabe ist beeindruckend. Eine verzerrungsarmeModulation ist bis zu einem Modulationsgrad von ca. 50% möglich. Das Audio-Signal am Schirmgitterhat dann eine Amplitude von 470Vpp.


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Die Wolframelektroden benötigen ca. 20 min zum ersten Einbrennen, bei dem sich die zunächstvorhandene Spitze abrundet. In dieser Phase kommt es zu gelegentlichen, in Form von Knack- undKnistergeräuschen hörbaren, Verpuffungen. Danach erfolgt ein kontinuierlicher Abbrand, der aberhinreichend langsam ist. Die Elektroden werden wahrscheinlich eine Standzeit von 100h oder längerhaben.

Der Stereo-Betrieb

Es zeigte sich überraschenderweise, daß ein Stereo-Betrieb mit zwei Plasma-Hochtönern, die auf derselben Oszillatorfrequenz schwingen problematisch ist. Bei praktisch identischer Oszillatorfrequenzbeider Kanäle treten gegenseitige Beeinflussungen und Interferenzen auf, die zu störenden Knack-und Prasselgeräuschen führen. Der Auslöser für die Entstehung einer Folge von Störgeräuschen istmeist ein ungleichmäßiger Abbrand der Elektroden. Es werden dann kleine Metallstückchen frei, dieverpuffen. Hierbei entsteht eine starke Variation der HF-Leistung, die dann auch den anderen Kanalbeeinflußt, es entsteht eine Mitkopplung zwischen beiden Kanälen, die dann zu hörbarenGeräuschen führt. Beim Mono-Betrieb ist dagegen die gelegentlich auftretende Verpuffung kleinerMetallteilchen nur sichtbar, aber praktisch unhörbar.

Die Lösung bestand darin, den Frequenzabstand zwischen den Oszillatorfrequenzen beider Kanäledeutlich zu vergrößern. Hierzu wurde eine der beiden ca. 12cm langen Wolframelektroden um ca.6cm gekürzt. Damit stieg die Oszillatorfrequenz um 1MHz von 28 auf 29 MHz an. Damit waren dieStörgeräusche vollständig verschwunden.

Testbetrieb mit zwei Stereo-Kanälen

Die Zuleitungen zum zweiten, nachträglich aufgebautem Hochtöner sind deutlich länger, als die desersten Kanals. Die Heizkreiszuleitung des zweiten Kanals wurde zunächst mit, wie sich herausstellte, zudünnem Kabel ausgeführt. Damit war die Röhre unterheizt. Dies führte offensichtlich über die Zeit zueiner irreversiblen Schädigung ihrer Kathodenoberfläche. Nach einiger Betriebszeit nahm dieFlammgröße deutlich ab. Das bisher verwendete Kabel der Heizkreiszuleitung wurde durch dickes


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Lautsprecherkabel ersetzt. Dies alleine brachte aber nur eine unwesentliche Steigerung derFlammengröße. Daher wurde versuchsweise eine noch unbenutzte Röhre eingesetzt. Es stellte sichwieder eine sehr große und helle Flamme ein. Die Größe dieser Flamme bleib auch nach längererBetriebszeit konstant.

Die Störung des Audio-Verstärkers und des CD-Players durch die abgestrahlte HF-Energie ist beimStereo-Betrieb noch stärker als sie es beim Mono-Betrieb ohnehin schon ist. Um zu einem vonStörgeräuschen ungetrübten Hörerlebnis zu kommen waren umfangreiche Experimente bezüglichder Anordnung der Geräte auf dem Arbeitstisch und der richtigen Dimensionierung und Plazierungvon Entstörbauteilen notwendig.

Es mußten weitere Gleichtaktdrosseln in die Netz- und Audiozuleitungen der Hochtöner eingebrachtwerden. Netzseitig wurden diese durch das Aufwickeln des Netzkabels mit jeweils 3 Windungen überzwei große Ferritkerne, die hintereinander angeordnet wurden, realisiert. Die „richtige“ Plazierung derFerritkerne an dieser Stelle wird dadurch erkennbar, daß sie im Betrieb sehr heiß werden, alsobestimmungsgemäß störende HF-Energie „vernichten“. (Derartige Verluste im Kernmaterial sind beials EMV-Filter eingesetzten Drosseln erwünscht, daher wird für diese meist absichtlich„verlustbehaftetes“ Kernmaterial vorgesehen)

Verstärker und CD-Player wurden möglichst weit von den Hochtönern entfernt, um die kapazitiveKopplung zwischen ihnen und den Hochtönern zu minimieren. Interessanterweise brachte dieVersorgung von Verstärker und CD-Player über eine separate Steckdosenleiste, die über ein 1,5mlanges Kabel an die gemeinsame, speisende Steckdosenleiste angeschlossen war, eine erheblicheVerbesserung mit sich.

Der in Bezug auf Abstände und Anordnung der Komponenten und Leitungen sowie eingebrachteEntstörbauteile (Ferritkerne und Gleichtaktdrosseln) abschließend optimierte Gesamtaufbau.


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Überraschenderweise führte ein in der Nähe befindliche Weller-Lötstation mit elektronischerTemperaturregelung zu erheblichen Knackgeräuschen. Die Lötstation wurde durch die über ihreNetzzuleitung eingekoppelte HF erheblich gestört, wie am unregelmäßigen und schnellen Blinkenseiner Anzeige-LED zu sehen war. Die Lötstation hat dann, auf unbekannte Weise, ihrerseits dieStörungen erheblich verstärkt und wieder nach außen abgegeben. Mit dem Ziehen des Lötkolbensaus der Steckdose verschwanden dann die hartnäckigen Knackgeräusche, an deren Beseitigungschon viele Stunden erfolglos gearbeitet wurden, sofort.

Die beschriebenen Entstörmaßnahmen können den, eigentlich gebotenen, Einbau der Hochtöner inein geschlossenes Abschirmgehäuse aus Lochblech nicht ersetzen.

Nach dem Abschluß der Entstörarbeiten konnte ein in Lautstärke, Präzision und vor allem Transparenzund räumlicher Ortbarkeit beeindruckender Stereo-Klang genossen werden.

Für die Präsentationen der Plasma-Hochtöner wurde dann der Stereo-Röhrenverstärker HK-250 vonHarman-Kardon mit 25W Ausgangsleistung (Baujahr1959) eingesetzt, da dieser deutlich wenigerstörempfindlich als der ebenfalls zur Verfügung stehende Verstärker BLACK CAT2 ist und zudem kleinerund leichter ist. Die etwas schlechtere Höhenwiedergabe wurde in Kauf genommen. Ein besondererVorteil des HK-250 ist der vorhandene 32 Ohm (!) Lautsprecherausgang, mit dem eine optimaleAnsteuerung der Hochtöner möglich ist, so daß man deren möglichen Modulationsbereich vollausnutzen kann. Der 8 Ohm-Ausgang des BC2 gibt hierzu zu wenig Spannung ab.


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Der Einsatz bei einer Klangkunst-Aufführung von Jan-Peter Sonntag.

Der Klangkünstler Jan-Peter Sonntag hat eine spezielle Komposition für die Wiedergabe mit demHochleistungs-Plasma-Hochtöner geschrieben. Diese wurde am 10.7.2006 im KunsthausTesla/Podewil in Berlin-Mitte anläßlich des 150. Geburtstags von Nicola Tesla uraufgeführt. DieResonanz des Publikums übertraf alle Erwartungen. Weitere Aufführungen sind geplant.

Während der Aufführung am 10.07.2006

die oszillatorgespeisten teslatrafos und die plasma- hochtöner · tesla wollte mit diesem versuch...

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