Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner Die oszillatorgespeisten Teslatrafos und die PlasmaHochtöner Von Deyan Bogdanov, Armin Brylka, Georgi Smilyanov und Henry Westphal Seite 8-1 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner Der oszillatorgespeiste (CW-) Teslatrafo. Die Idee. Im Vorsemester wurde ein impulsgespeister Teslatrafo mit Erregung durch eine Funkenstrecke entwickelt und in Betrieb genommen und es wurden verschiedene HF-Oszillatoren nach dem Prinzip des astabilen Multivibrators realisiert. Nun lag der Gedanke nahe, diese beiden Themenbereiche miteinander zu kombinieren und einen Teslatrafo mit einem astabilen Multivibrator zu speisen. Es war ursprünglich geplant, diesen Oszillator zu modulieren um einen, in den weiteren Abschnitten detailliert besprochenen, Plasma-Hochtöner zu realisieren. Aus noch zu besprechenden Gründen erwies sich die Schaltung jedoch dazu als ungeeignet. Eine weitere Anwendung dieser Schaltung ist das Nochvollziehen des historischen Versuchs von Nicola 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 folgenden Bild dargestellte Schaltungsprinzip verwendet. TeslaCoil L2 40 Wdg +700V C8A L1 6 Wdg 22pF C8 EL519 2 7 3 6 2 7 3 6 R3 22K +250V 8 1 C1 100pF R1 39K EL519 R4 22K +250V 8 1 C2 100pF R2 9 9 39K Das vereinfachte Prinzipschaltbild des CW-Teslatrafos Man erkennt hierbei die Grundstruktur der klassischen Multivibratorschaltung, jedoch ist die bekannte Kreuzkopplung in einem der beiden Pfade nicht direkt, sondern durch Kopplung mit dem Kopf der Tesla-Coil realisiert. Das führt dazu, daß der Oszillator stets auf der Eigenfrequenz der Tesla-Coil schwingt. Durch das (jedoch nicht zwingend notwendige) Ausgestalten der Primärwicklung als Teil eines Resonanzkreises erhält man, bei Abgleich der primärseitigen Resonanzfrequenz auf die Eigenfrequenz der Tesla-Coil die maximale Spannungsüberhöhung am Kopf der Tesla-Coil. Die Eigenfrequenz der Tesla-Coil ist nicht immer konstant, durch das Zustandekommen einer Entladung sinkt diese ab, da die Kapazität der Entladungskanäle (ionisierte Luft) zur Erde wirksam wird. Seite 8-2 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner Der Gesamtaufbau Seite 8-3 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner Die Tesla-Coil und der Primärkreis Die Bilder auf dieser und der vorhergehenden Seite geben einen Eindruck vom praktischen Aufbau des CW-Teslatrafos. Als Tesla-Coil wurde eine KW-Antennenanpaßspule verwendet. Sie hat ca. 40 Windungen und ist ca. 30 cm lang. Seite 8-4 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner Das folgende Schaltbild zeigt die vollständige Schaltung des CW-Teslatrafos, mitsamt dem hier nicht mehr verwendeten Modulationspfad. TeslaCoil L2 15 / 40 Wdg +700V fres: 17,5 / 7,4 MHz kleine / grosse Tesla-Coil L1 4 Wdg / 6 Wdg EL519 C8 Drehko bei "kleiner" Coil Drehko par. 22pF bei "großer" Coil EL519 2 7 3 6 2 7 3 6 R3 22K 8 1 +250V 8 1 C1 100pF C2 100pF 39K 9 9 R1 39K R2 D1 1N4007 T1 ATRr304K LOEWE-OPTA R4 22K Anode +250V + LS C4 100uF 400V C3 1nF C5 1nF C6 1nF L3 NKL R1405UKS 2 x 55uH C7 4,7uF Audio L4 NKL R1405UKS 2 x 55uH L5 NKL R1303UKS 2 x 55uH Im Kabel, ca. 20 cm von Oszillator entfernt Der vollständige Schaltplan des CW-Teslatrafos (mit der hier nicht verwendeten Möglichkeit der Modulation) Seite 8-5 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner Die Ergebnisse. Es stellt sich eine Schwingfrequenz von 7,4 MHz ein. Die Spannung an der Elektrode am Kopf der Tesla-Coil beträgt ca. 20 kV. Die HF-Leistung wurde in der Größenordnung 150W abgeschätzt. Bereits ohne das Vorhandensein einer Gegenelektrode bildet sich eine filigrane, sehr schön anzusehende, Büschelentladung aus, die Höhe des Entladungsbereiches ist ca. 10 mm. Die Entladung wird durch den aus der Kopfelektrode austretenden Verschiebungsstrom verursacht. Büschelentladung bei 7,4 MHz Bei der Annäherung eines in der Hand gehaltenen isolierten (!) Schraubenziehers an die Kopfelektrode bildet sich eine kräftige Plasmaflamme aus. Der, nun wesentlich größere, Verschiebungsstrom fließt, kapazitiv, über den Kunststoffgriff des Schraubenziehers und dann über den Körper des Experimentators zur Erde ab. Aufgrund der hohen Frequenz ist der Stromfluß jedoch nicht wahrnehmbar. Seite 8-6 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner 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 Versuchs von Nicola Tesla zur Veranschaulichung seiner Vision eines leitungslosen Wechselstromnetzes. Der Körper des Experimentators wirkt hierbei als Kondensatorplatte, die den Verschiebungsstrom aufnimmt. Der Stromfluß durch den Körper ist nicht wahrnehmbar, da die Nervenzellen der hohen Frequenz nicht mehr folgen können. Wenn man jedoch den Anschluß der Lampe, oder ein mit der Masse des Oszillators verbundenes Schaltungsteil, kleinflächig berührt, dann führt das zu einer, schnell ins schmerzhafte übergehenden, Hitzeempfindung , die durch die dielelektrische Erwärmung der Haut bei der durch die kleine Berührungsfläche großen Stromdichte verursacht wird. Wenn man sich in die Nähe der Tesla-Coil begibt und dann ausschließlich mit dem kleinen Finger die Masse berührt stellt sich nach einigen Sekunden eine Wärmeempfindung im stromdurchflossenen Finger ein die mit dem Eintauchen in warmes Badewasser zu vergleichen ist, jedoch, den Finger durchflutend, von innen kommt. Diese Wärmeempfindung wird durch die Verlustleistung aufgrund des ohmschen Widerstands des Fingers verursacht. Tesla wollte mit diesem Versuch die (scheinbare) Ungefährlichkeit von Wechselstromnetzen demonstrieren, als Argument gegen seinen Konkurrenten Edison, der Gleichstromnetze befürwortete. Man sollte jedoch derartige Versuche nur mit großer Vorsicht wiederholen. Bei größeren HFLeistungen kann es zu gefährlichen Verbrennungen kommen. Seite 8-7 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner Drahtlos leuchtende 230V / 25W-Lampe Seite 8-8 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner 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 dem Oszillator 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 als hochfrequenzmäßig geerdet angesehen werden. Sie ist lediglich über die Netzinstallation des Gebäudes mit der Erde verbunden. In dem hier angewendeten Frequenzbereich ist die Impedanz der Netzinstallation bereits erheblich, so daß sich entlang der Netzleitungen (nicht zwischen den deren einzelnen Leitern) erhebliche Spannungen aufbauen können. Die Netzinstallation dient auch als Rückleiter für die vom Kopf der Tesla-Coil ausgehenden Verschiebungsströme. Als der obige Versuch zum Zwecke der Aufnahme des obigen Fotos kurzzeitig in Betrieb genommen wurde, wurde der primärseitige Drehkondensator durchgestimmt. Bei einer ganz bestimmten Stellung des Drehkondensators versagten die Geräte an dem im Hintergrund sichtbaren Arbeitsplatz ihren Dienst. Beim Berühren eines Anschlusses eines dort stehenden Labornetzgeräts ergab sich eine schmerzhafte Hitzeempfindung. Es hatte sich also eine Resonanz des aus Netzinstallation und Tesla-Coil bestehenden Gesamtsystems ergeben. Über die Versorgungszuleitungen vom Netzgerät zum Oszillator wurden zwei Klappferrite gelegt. Sie sind im obigen Bild über dem Handrücken des Experimentators sichtbar. Aufgrund der soeben beschriebenen HF-Stromflüsse in die Netzinstallation hinein erwärmen sich diese Ferrite so stark, daß man sie nach einigen Minuten Betriebszeit nur noch kurzzeitig berühren kann. Seite 8-9 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner Die Vorversuche Es wurden einige Vorversuche unternommen, deren Ergebnisse letztendlich zur im vorigen Text beschriebenen endgültigen Version der Schaltung geführt haben. Diese werden im Folgenden dokumentiert. Versuchsweise wurde ein Multivibrator mit herkömmlicher Kreuzkopplung eingesetzt. Die Schaltung erwies sich als nicht praktikabel, da sie stets auf der, weit über der Eigenfrequenz der Tesla-Coil liegenden, Eigenfrequenz des Primärkreises schwingt. Daher kann sich auf der Sekundärseite keine Spannungsüberhöhung ausbilden. TeslaCoil L2 +700V L1 6 Wdg EL519 EL519 2 7 3 6 R3 +250V 2 7 3 6 8 1 22K +250V 8 1 C1 R1 100pF R4 22K C2 100pF R2 9 39K 9 39K 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 identische Hochspannung am Kopf der Tesla-Coil, wie sie auch die bereits Eingangs beschriebene „endgültige“ Schaltung mit modifizierter Kreuzkopplung liefert. TeslaCoil L2 +700V C8A L1 6 Wdg 22pF C8 EL519 EL519 2 7 3 6 R3 +250V 2 7 3 6 8 1 C1 R1 100pF 39K 9 +250V C2 100pF R2 39K 9 22K R4 22K 8 1 Multivibrator mit herkömmlicher Kreuzkopplung mit Resonanzabgleich des Primärkreises Seite 8-10 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner Es wurden einige Versuche mit der soeben beschriebenen Schaltung in Verbindung mit einer kleineren Tesla-Coil durchgeführt. Diese bestand aus 15 Windungen auf einem keramischen Spulenkörper mit 63mm Durchmesser. Es stellte sich eine Schwingfrequenz von 17 MHz ein. An der Spitze der Kopfelektrode bildete sich sofort nachdem Zuschalten der Anodenspannung eine leistungsstarke Plasmaflamme aus. Bei nur leichter Abweichung der primärseitig eingestellten Resonanzfrequenz von der sekundärseitigen Resonanzfrequenz bildet sich unter bestimmten Umständen eine Kippschwingung aus. Es bestimmt dann jeweils der Schwingkreis mit der höheren Güte die Schwingfrequenz des Oszillators. Wenn keine oder nur eine kleine Plasmaflamme vorhanden ist, dann ist dies der Sekundärkreis. Da nun der Oszillator auf dessen Eigenfrequenz schwingt, nimmt die Größe der Plasmaflamme zu. Damit reduziert sich aber die Güte des Sekundärkreises. Der Oszillator schwingt nun auf der Frequenz des Primärkreises, womit die Plasmaflamme wieder kleiner wird, was dann zu einem erneuten Wechsel der Schwingfrequenz führt. Dieser Effekt macht sich durch ein lautstarkes Knattern bemerkbar. Diese Beobachtung unterstreicht die Notwendigkeit, die Oszillatorfrequenz, wie in der Eingangs beschriebenen Schaltung der Fall, der momentanen Eigenfrequenz des Sekundärkreises nachzuführen. Plasma-Entladung bei 17 MHz Seite 8-11 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner Gesamtaufbau mit der „kleinen“ Tesla-Coil Der Oszillator wurde versuchsweise mit einem Audio-Signal am Schirmgitter moduliert. Hiermit sollte die Eignung dieser Oszillatorschaltung zum Aufbau eines leistungsstarken Plasma-Hochtöners geprüft werden. Der Oszillator wurde hierbei mit der „kleinen“ Tesla-Coil betrieben, die jedoch, entsprechend der „endgültigen“ Schaltung in den Mitkopplungspfad einbezogen war. Als Vergleich stand ein, ebenfalls in diesem Text detailliert beschriebener, Plasma-Hochtöner in SingleEnded-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 hohe Plasmaflamme erzeugen kann, das jedoch die Lautstärke deutlich geringer ist. Zudem sind deutliche Verzerrungen zu hören. Bei diesem ersten Versuch wurde die Modulationsspannung an die Schirmgitter beider Röhren angelegt. Anschließend wurde die Modulationsspannung nur noch an eine Röhre geführt, das Schirmgitter der anderen Röhre wurde an eine positive Gleichspannung gelegt. Die Verzerrungen gingen deutlich zurück, waren aber immer noch hörbar. Es zeigte sich, daß die Schaltung für den Zweck des Aufbaus eines Plasma-Hochtöners ungeeignet ist. Es wurde der Beschluß gefasst, sich bei der Entwicklung der Plasma-Hochtöner auf Single-EndedSchaltungen zu konzentrieren. Der Grund für die unbefriedigende Wiedergabe des Modulationssignals liegt in der, durch die Mitkopplung über zwei Röhrenstufen, gegenüber der Single-Ended-Schaltung um Größenordnungen höhere Gesamtverstärkung der Oszillatorschaltung, die eine lineare Abbildung des Modulationssignals verunmöglicht. Seite 8-12 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner Der Kleinleistungs-Plasma-Hochtöner Die Idee. In diesem Teilprojekt wird die klassische Schaltung eines amplitudenmodulierten CW-Teslagenerators mit einer einzigen Röhre, auf der nahezu alle publizierten Plasma-Hochtöner basieren, aufgebaut und 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 von ungefähr 20 MHz entspricht stellt sich an deren freien Ende eine Spannung in der Größenordnung von 10kV ein. Am oberen, freien Ende der Tesla-Coil befindet sich eine spitze Elektrode. An der Spitze der Elektrode stellt sich eine sehr hohe Verschiebungsstromdichte ein, die dann zur Ionisation der die Spitze 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 Modulation führt zu einer Variation der Flammengröße mit der Amplitude des Audiosignals. Die Änderung der Flammengröße führt zu Luftdruckschwankungen, womit dann Schallwellen entstehen. Seite 8-13 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner Da Masse und Wärmekapazität der Luft sehr klein sind, folgt die Flammegröße und damit der Druck dem Audiosignal praktisch trägheitslos. Es wird von einer oberen Grenzfrequenz des Verfahrens in der Größenordnung von 100 kHz berichtet. Da die Größe der Schallquelle, der Flamme, klein gegenüber der Wellenlänge auch der hohen Frequenzanteile des Audio-Spektrums ist, hat man es mit einer über den gesamten Audio-Bereich praktisch punktförmigen Schallquelle zu tun. Dadurch ergibt sich eine räumliche Auflösung und Ortbarkeit, die mit konventionellen, mechanischen Lautsprechersystemen nicht zu erzielen ist. Die untere Grenzfrequenz liegt in der Größenordnung 1kHz. Seite 8-14 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner Die Schaltung Hier kommt die klassische Schaltung zur Anwendung, die an mehreren Stellen mit nur geringen Abweichungen im Internet publiziert ist. In diesem Zusammenhang sei an erster Stelle auf die Internetseite www.plasmatweeter.de von Ulrich Haumann verwiesen. Die hervorragenden und ausführlichen Darstellungen auf dieser Seite haben unsere Arbeit erheblich unterstützt. Flammelektrode ca. 21 MHz L1 15 Wdg TeslaCoil L2 100uH 1A R2 30R ca. 260mA +700V C2 10nF EL519 2 7 3 6 C1 10nF C5 220pF 140V R3 15K +250V 8 1 + C3 150pF C4 1nF Anode T1 ATRr304K LOEWE-OPTA LS C6 3,3nF C7 100uF 400V 9 R1 36K D1 1N4007 C7 3,3nF C8 3,3nF EL519 6V3_1 4 5 L3 NKL R1405UKS 2 x 55uH 6V3_2 C9 4,7uF Audio L4 NKL R1405UKS 2 x 55uH L5 NKL R1303UKS 2 x 55uH Im Kabel, ca. 20 cm von Oszillator entfernt Die Schaltung des Plasma-Hochtöners Der Oszillator wird durch die kapazitive Rückführung der Spannung am Kopf der Tesla-Coil zum Schwingen angeregt. Die 180° Phasendrehung über der in Resonanz befindlichen Tesla-Coil führt hierbei zu einer phasenrichtigen Mitkopplung. Damit schwingt der Oszillator immer auf der Eigenfrequenz der Tesla-Coil, auch wenn sich diese, durch unterschiedliche Größe der Plasmaflamme, zeitlich ein wenig ändert. Die Amplitudenmodulation erfolgt durch Variation der Schirmgitterspannung mit dem Audio-Signal. Mit steigender Schirmgitterspannung steigt der Verstärkungsfaktor der Oszillatorröhre, womit sich dann eine Zunahme der HF-Amplitude ergibt. Seite 8-15 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner Die 100uH-Drossel L2 dienst als Arbeitswiderstand für die Oszillatorröhre. Bei ihrer Auswahl kommt es weniger auf den exakten Induktivitätswert als auf ihre Eigenresonanzfrequenz an. Diese muß, im eingebauten Zustand mit den dann wirksamen Streukapazitäten, nahe an der Eigenresonanzfrequenz der Tesla-Coil liegen. Damit ergibt sich dann ein hoher Arbeitswiderstand und eine 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 hochfrequenzmäßig an Masse gelegt. Damit erfüllt es seinen Zweck, durch Verhinderung einer kapazitiven Rückwirkung von der Anode zum Gitter eine hohe Verstärkung der Oszillatorröhre zu gewährleisten. Das AudioSignal wird über einen NF-Übertrager T1 in das Schirmgitter eingespeist. Hierzu wird ein Ausgangsübertrager aus einem Fernsehgerät verwendet. Der Übertrager hat einen Luftspalt, so daß die Gleichstrom-Vormagnetisierung durch den Schirmgitterstrom unerheblich ist. In einem späteren Entwicklungsschritt wurde dieser, die Klangqualität limitierende, Übertrager durch einen speziellen, direkt an das Schirmgitter gekoppelten, Modulationsverstärker ersetzt. Auf der Primärseite des Übertragers wurde ein 4,7uF-Kondensator C9 vorgesehen, der mit dem Eingangswiderstand der Modulationsschaltung einen Hochpaß bildet, um eine ungewollte Übermodulation durch die, in ihrer Amplitude das Audiosignal dominierenden, tiefen Frequenzanteile zu vermeiden. Diese sind zwar selbst nicht hörbar, sie führen aber zu einem Verlassen des sinnvollen Arbeitsbereiches womit dann die hohen Frequenzanteile begrenzt oder verzerrt wiedergegeben werden. Der im Schaltplan sichtbare 100uF-Elektrolytkondensator C7 sowie der dazu parallel geschaltete 3,3nF-Keramikkondensator C6 schließen den sekundärseitigen Stromkreis für das Audio-Signal Auf der Primärseite des Übertragers befinden sich zwei 3,3nF Abblockkondensatoren und mehrere Gleichtaktdrosseln, um die Rückspeisung von HF-Energie in den Audio-Verstärker zu vermeiden. Im Laufe der Inbetriebnahme stellte sich heraus, daß noch weitere Entstörmaßnahmen notwendig sind, die noch detailliert beschrieben werden. Seite 8-16 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner Der kommerziell erhältliche Ionenhochtöner ACAPELLA ION TW15 basiert ebenfalls auf dem soeben beschriebenen Schaltungsprinzip. Der untenstehend abgebildete Blick in das geöffnete Geröt zeigt deutlich die Röhre EL/PL 519. Der kommerziell erhältliche Ionen-Hochtöner ACAPELLA ION TW15 Quelle: www.Plasmatweeter.de Seite 8-17 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner Auch in diesem Ionenhochtönder der Firma CORONA Acoustic findet die besprochene Schaltung Anwendung. Ein kommerziell erhältliche Ionen-Hochtöner von CORONA Acoustic. Quelle: www.Plasmatweeter.de Seite 8-18 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner Auch in diesem Hochtöner von PHONOGEN findet sich die bekannte Schaltung wieder. Ein kommerziell erhältliche Ionen-Hochtöner von PHONOGEN Quelle: www.Plasmatweeter.de Seite 8-19 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner Die Röhre EL519 Die hier verwendete Röhre EL519 stellt insofern eine Besonderheit dar, da sie die leistungsstärkste Röhre ist, die jemals für den Endverbrauchermarkt produziert wurde. Die Markteinführung erfolgte zu Beginn der 1970-er Jahre als Zeilenendröhre für Farbfernsehgeräte. Sie wurde für diesen Zweck weit in die 1970-er Jahre hinein eingesetzt, da es zu dieser Zeit noch keine preiswerten Halbleiterbauelemente zur Beherrschung der bei der der Zeilenablenkung auftretenden Ströme und Spannungenauf dem Markt gab. Durch die jahrelange Massenproduktion ist diese Röhre auch heute noch weit verbreitet und zu günstigen Preisen (in der Größenordnung 30 EUR pro Stück) zu bekommen. Die EL519 kann kurzzeitig mit Anodenspannungen bis zu 7kV beaufschlagt werden. Der maximale kurzzeitige Anodenstrom ist 1,5A. Die Röhre PL519 entspricht in allen Eigenschaften, mit Ausnahme der Heizspannung, der EL519. Die EL519 ist für 6,3V / 2A Parallelheizung ausgelegt, während die PL519 für 300mA Serienheizung ausgelegt ist und hierbei eine Heizspannung von 40V benötigt. Ein Graetz-Farbfernsehgerät aus den 1970-er Jahren, das mit der EL519 bestückt ist, die Ansicht der Horizontalendstufe dieses Gerätes, die EL519 ist die linke der beiden Röhren, und die Ansicht einer originalen EL519 aus den 1970-er Jahren. Seite 8-20 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner 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 keramischer Spulenkörper verwendet. Dieser ist so konstruiert, daß der Wickeldraht nur an den 5 herausstehenden Zacken mit dem Keramikmaterial Kontakt hat. Den weitaus größten Teil des Kreisumfangs ist der Draht nur von Luft umgeben. Auf diese Weise werden dielelektrische Verlust im Kernmaterial weitgehend vermieden, die dadurch entstehen, daß dieses im Takt der über ihm anliegenden HF-Spannung in ständig wechselnder Richtung polarisiert wird. Wenn dagegen zwischen Draht und Keramikmaterial eine Luftschicht vorhanden ist, fällt an dieser der größte Teil der HF-Spannung ab, da die Dielelektrizitätskonstante von Keramik deutlich höher als die von Luft ist, so daß die über dem Keramikmaterial verbleibende Spannung nur noch gering ist. Dielelektrische Verluste im Kernmaterial entziehen dem Schwingkreis Energie, die dann nicht mehr zur Ausbildung der Plasmaflamme beiträgt sondern zu einer unerwünschten Aufheizung des Spulenkörpers führt. Die Spule hat einen Abstand von 10cm zur metallenen Grundplatte, um Verluste durch in diese induzierte Wirbelströme kleinzuhalten. Seite 8-21 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner Die Ergebnisse. Die Schaltung zeigte bereits beim ersten Einschalten eine sofortige Funktion. Die Wiedergabe der Musik war überraschend laut und präzise. Die untere Grenzfrequenz konnte auf die Größenordnung 1kHz abgeschätzt werden. Es stellte sich eine Oszillatorfrequenz von 21 MHz ein. Die Spannung an der Elektrode hatte eine Größenordnung von 10kV. Die Höhe der Plasmaflamme betrug ungefähr 25mm. 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 ein Leiterschleife mit einer 28V / 40mA Glühlampe verwendet. Nachweis des magnetischen Feldes in der Umgebung der Tesla-Coil Seite 8-22 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner In der Nähe des oberen Endes ist zugleich ein starkes elektrisches Feld vorhanden, daß mit einer Leuchtstoffröhre nachgewiesen werden kann. Nachweis des elektrischen Feldes in der Umgebung der Tesla-Coil Seite 8-23 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner Der durch den Körper des Experimentators zurückfließende Verschiebungsstrom bring eine Glühlampe 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 Typs R1405UKS 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 47uH 2,5A. Die Drosseln wurden für die Blockung von Frequenzen größer 5 MHz entwickelt. Es wurden bewußt zwei Drosseln hintereinandergeschaltet, und nicht eine Drossel mit höherer Induktivität verwendet. Denn bei einer Drossel mit höherer Induktivität wachsen auch die unvermeidlichen Parallelkapazitäten zwischen den einzelnen Windungen, die Resonanzfrequenz der Drossel sinkt, wenn sie dann tiefer als die zurückzuhaltende Oszillatorfrequenz ist wäre die Drossel komplett wirkungslos. Mit der Hintereinanderschaltung von zwei Drosseln mit kleinerer Induktivität und hoher Resonanzfrequenz kann man dagegen die Kombination aus hoher Resonanzfrequenz und hoher Induktivität erreichen. Es wurden zwei Drosseln verschiedenen Typs mit verschiedenen Resonanzfrequenzen benutzt, um möglicherweise auftretende Resonanzeffekte, die sich im Zusammenspiel beider Drosseln ergeben könnten, auszuschließen. Die Drosseln bestehen aus zwei Wicklungen auf einem gemeinsamen Ferritkern und arbeiten als stromkompensierte Gleichtaktdrosseln. Das bedeutet, daß sich die Magnetfelder, die das eingespeiste Audio-Signal in den beiden Einzeldrosseln erzeugt, gegenseitig aufheben. Diese Ströme sind gleich groß und entgegengesetzt, denn es werden ja Hin- und Rückleiter des Audio-Signals über die Drossel geführt. Die HF-Ströme vom Oszillator in den Verstärker hinein und über diesen zu Erde Seite 8-24 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner fließen dagegen in beiden Leitern gleichgerichtet, so daß sich die von ihnen erzeugten Magnetfelder im Kern der Drossel addieren. Die Drossel blockt also die HF-Ströme, ohne das Audio-Signal zu beeinträchtigen. Zudem kann die Drossel nicht durch das Audio-Signal in die Sättigung geraten, womit sie dann auch für die HF-Ströme unwirksam wäre. * * U Audio * * 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 des Oszillators, die (masseseitige) Modulationsleitung mit einem Glühlämpchen berührt, dann leuchtet dieses hell auf. Wenn man dagegen die Leitung an der Verbindungsstelle der beiden Drosseln berührt, dann glimmt das Lämpchen nur noch knapp über der Wahrnehmungsschwelle. Wenn man die 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 geschilderten Entstörmaßnahmen bei weitem nicht aus. Es ist unabdingbar, den gesamten Oszillatorteil in einem geschlossenen Gehäuse aus Lochblech einzubauen. Dann befindet er sich praktisch in einem Faradyschen Käfig, alle Verschiebungsströme fließen über das Gehäuse an die Oszillatormasse zurück, ohne dieses zu verlassen. Seite 8-25 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner Demonstration der Wirkung der Entstördrosseln Seite 8-26 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner Auch die Netzzuleitung wurde mit Ferritkernen geblockt. Das auf die Ferritkerne gewickelte Netzkabel entspricht in seiner Wirkung einer stromkompensierten Gleichtaktdrossel. Die nach einiger Betriebszeit deutlich wahrnehmbare Erhitzung der Ferritkerne zeigt das Vorhandensein großer HF-Energien an. Ferritkerne in der Netzzuleitung Seite 8-27 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner Der Hochleistungs-Plasma-Hochtöner Die Idee. Das vom im vorigen Abschnitt beschriebene Schaltungsprinzip des 50-W-Plasma-Hochtöners wird auf eine wesentlich höhere HF-Leistung übertragen. Hierzu wird anstelle der bisher verwendeten Zeilenablenkröhre EL519 eine wesentlich leistungsstärkere Senderöhre bei deutlich höherer Betriebsspannung verwendet. Die zunächst naheliegende Bereitstellung der HF-Leistung durch zwei im Gegentakt betriebene Röhren in Multivibratorschaltung ist nicht anwendbar, da es, wie bereits beschrieben, 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 ) wird beibehalten, aber auf eine höhere HF-Leistung adaptiert. Hierbei kommt die Sendetetrode 4/400A von EIMAC zum Einsatz, da ein Posten dieser Röhren zu einem sehr günstigen Preis aus einem ehemaligen Lagerbestand der US-Armee beschafft werden konnte. (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 auf dem 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, der maximale Anodenstrom ist 350mA, die Röhre kann bei Frequenzen bis zu 100 MHz eingesetzt werden. Der „offizielle“ Neupreis im Röhrenhandel ist derzeit (2006) 295 US$. Seite 8-28 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner Die Röhre 4/400A Im Folgenden ist der vollständige Schaltplan dargestellt: Seite 8-29 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner Flammelektrode L1 15 Wdg TeslaCoil C1 100pF 5kV L2 15 Wdg R2 33R +A V1 4/400A C2 2nF L5 3 Wdg +S 4 2 R3 1K5 1,5 kOhm Anode 3 + C4 100pF 5 8 Ohm T1 AT-15 AMPDESIGN 4 Ohm 1 R1 22K C8 2,2nF C3 1nF L3 3 Wdg C5 1nF C7 20 uF 600V 3500V 2600V 1700V 880V 560V 420V 350V G C6 1uF / 630V C9 2,2nF L4 NKL R1405UKS 2 x 55uH C10 4,7uF 5V_CT 5V_A Heizung 5V / 14,5A Audio Audio Der vollständige Schaltplan des Hochleistungs-Plasmahochtöners Heizung Die Röhre 4/400A besitzt eine direkt geheizte Kathode. Die Heizspannung ist 5V bei 14,5A. Das Datenblatt der Röhre stellt die Anschlüsse 1 und 5 als gleichwertig dar. Der Anschluß 1 wird willkürlich an 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 induktionsarmen Keramikkondensator handeln. L3 wird sicherheitshalber vorgesehen, um der Ausbreitung von Störungen vorzubeugen. Durch die Wirkung von C3 sind keine differentiellen HF-Spannungen zwischen den Heizleitungen vorhanden. Aufgrund des hohen Heizstroms von 14,5A können keine handelsüblichen Drosseln verwendet werden. Es wird ein Ferritkern EPCOS R50 B64290-K82-X380 vorgesehen. Der Außendurchmesser des Ferritkern ist 51,8mm. Der Innendurchmesser des Ferritkerns ist 28,5 mm. Auf diesen Kern werden dann die (miteinander verdrillten) Heizleitungen gewickelt. Nach bisherigen Erfahrungen zu urteilen, dürften 3 Windungen gute Ergebnisse bringen. Seite 8-30 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner 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 der bisherigen Schaltung wurde ein Gitterableitwiderstand (hier R1) von 36 kOhm vorgesehen. Das Datenblatt der Röhre gibt , unter „Typical Operation, Frequencies below 75 MHz, one Tube“ eine Gittervorspannung 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 möglichen Beschädigung der Röhre führen könnte, wird, als Startwert ein Wert von 22K vorgesehen, der bei der Inbetriebnahme 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 der Dimensionierung 100pF / 5kV zum Einsatz. Dieser Kondensator wird vom (unter Umständen hohen) Resonanzstrom durchflossen und ist daher hohen 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 beschriebenen beim 7Mhz /150W-Tesla-Generator größenordnungsmäßig abgeschätzt werden. Wenn man sich selbst über eine 230V / 25W Glühlampe mit Masse verbindet und sich mit der Hand der Tesla-Coil nähert, dann geht die Büschelentladung auf ca. 1/3 in ihrer Intensität zurück. Die Glühlampe leuchtet mit ca. 2/3 ihrer Normalhelligkeit. Bei Normalhelligkeit würde über die Lampe 25W / 230V = 100mA fließen. 2/3 davon sind 67 mA. Wenn man annimmt, daß 1/3 dieses Stroms durch die Büschelentladung weiterfließt, dann fließen ca. 100mA. Es ist schwierig abzuschätzen, inwieweit diese Ergebnisse von 7 MHz auf 20 MHz zu übertragen sind. Aufgrund der geringeren Windungszahl der 20 MHz-Coil, die wir hier einsetzen wollen, erhalten wir sicherlich eine geringere Spannung, aber einen höheren Strom als bei 7MHz. Zudem ist die Leistung bei diesem Generator höher. Wenn man von einer HF-Leistung von 1kW ausgeht und eine Spannung an der Tesla-Spule von 5kV annimmt, dann würden 0,2A durch C1 fließen. Man hätte dann eine Spannungsabfall an C1 von: Also ist der Wert von C1 sicherlich ausreichend. Seite 8-31 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner Es soll weiterhin die Frage geklärt werden, ob ein Entladepfad (= Parallelwiderstand) für C1 benötigt wird. Diese Frage wird zunächst verneint, da einerseits die Kapazität von C1 so gering ist, daß sich keine signifikante Energie in diesem befindet und zum anderen gar kein Strompfad für Gleichstrom vorhanden ist, über den sich C1 aufladen könnte. Allerdings ist, etwa durch ionisierte Luft, ein Ladungstransport nicht von vornherein auszuschließen. Auch ein geringer Ladungstransport über lange Zeit kann zu einem Aufladen von C1 führen. Daher wird die Frage, ob sich C1 auflädt, bei der Inbetriebnahme 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 (der Verfasser selbst, auf lackiertem Holzboden stehend) mit einer Gleichspannung aufgeladen wurde. Dies machte sich durch einen leichten elektrischen Schlag beim Berühren eines geerdeten Metallteils, nachdem der Teslagenerator bereits ca. 1 Minute abgeschaltet war, bemerkbar. Der Verzicht auf einen Entladepfad wurde durch die späteren Erkenntnisse bei der Inbetriebnahme gerechtfertigt. 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 mehr als 2mm Durchmesser) verwendet, da es auf eine große Oberfläche des Drahtes ankommt. (Der Strom fließt wegen des Skineffekts nur auf der Oberfläche des Drahtes) Geringe ohmsche Verluste sind an dieser Stelle wichtig, um ein ausgeprägtes Resonanzverhalten und damit einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu bekommen. Da die bei der bisherigen Schaltung verwendeten keramischen Spulenkörper nicht in weiteren Exemplaren beschaffbar sind, wird der Selbstbau eines geeigneten Spulenkörpers geplant. Hierbei soll Kunststoffmaterial zum Einsatz kommen. Teflon (PTFE) und Polypropylen haben die geringsten dielelektrischen Verluste. Aufgrund des Preises fällt die Wahl auf Polypropylen. Wie bei den bereits Seite 8-32 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner erwähnten keramischen Spulenkörper gut sichtbar und bereits beschrieben, soll auch hier die Kontaktfläche 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, um Verluste durch Wirbelströme in der Grundplatte zu vermeiden. Die Flammelektrode wird, wie bei der existierenden Schaltung, auf dem oberen Ende des Spulenkörpers befestigt. Die Flammelektrode soll aus Wolfram hergestellt werden, da ein möglichst hoher Schmelzpunkt des Materials erstrebenswert ist. Der Schmelzpunkt von reinem Wolfram liegt bei 3422°C, in der Praxis werden jedoch Legierungen mit geringerem Schmelzpunkt verwendet. Um, bei gegebener Leistung, eine möglichst große Plasmaflamme zu erhalten, ist eine hohe Elektrodentemperatur und damit eine kleine Oberfläche der Elektrode von Bedeutung . Wenn man die Elektrodenoberfläche vergrößert, dann geht ein größerer Teil der eingespeisten Energie durch Wärmeabstrahlung der Elektrode verloren, der dann nicht mehr zur Ausbildung der Flamme zur Verfügung steht. Seite 8-33 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner 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 ihr abgeleitet wird, aber andererseits keine Beschädigung des aus Kunststoff gefertigten Spulenkörpers auftritt. 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 die Zusammenschaltung aus L2 und den dazugehörigen Schalt- und Streukapazitäten exakt die gleiche Resonanzfrequenz 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 HFmäßig, über R2 und C2, an Masse liegt, wirkt insbesondere die Kapazität von der Anode zur Masse als 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 davon auszugehen, daß die Resonanzfrequenz im Anodenkreis, bei exakt identischem Aufbau von L1 und L2 zu gering ist. Seite 8-34 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner 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 mit L2 aufgebauten Schwingkreises und reduziert damit dessen Selektivität, womit der beschriebene Abgleich vereinfacht wird. Mit Verkleinerung von R2 steigt der Wirkungsgrad der Schaltung unter der Voraussetzung des richtigen Abgleichs. Ein beliebiges Verkleinern von R2 würde jedoch zu einer immer höheren Spannung (im Resonanzfall) an der Anode von V1 führen, womit die Röhre beschädigt werden könnte. Die Induktivität von L1/L2 kann wie folgt bestimmt werden: Mit: -7 u - Permeabilitätskonstante = 4p * 10 N - Windungszahl = 15 -3 A - Fläche der Spule = 2p * (63mm/2)*2 = 6,4 * 10 m 2 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 und Strombelastbarkeit) Resonanzfrequenz von 55 MHz eingesetzt. Die Verringerung der Resonanzfrequenz auf 21 MHz (=Resonanzfrequenz der Tesla-Coil) durch die Kapazität der Anode und ihrer Zuleitungen nach Masse erscheint plausibel. Bei genauerer Betrachtung der Webseite von U.Haumann (www.plasmatweeter.de) findet sich noch eine 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 die Eigenresonanz des Anodenkreises ankommt. Dies wird auch noch dadurch bestätigt, daß Haumann berichtet, mit einer gezielten Abstimmung des Anodenkreises ein Maximum der Flammengröße erreicht zu haben. Anodenkreiswiderstand (R2) Da R2 auch von HF-Strömen durchflossen wird, ist ein Drahtwiderstand (Induktivität vorhanden) nur bedingt geeignet. Enstprechend der bisherigen Schaltung wird ein Wert von ca. 30 Ohm vorgesehen. 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 Widerstand isoliert montiert werden muß. Die Nenn-Dauerbelastbarkeit sinkt dann auf 10W, das ist aber (angesichts der immer noch vorhandenen Kurzzeitbelastbarkeit (Wärmekapazität)) ausreichend. Die Isolation des Widerstandes muß so erfolgen, daß sich nur kleine Kapazitäten zur Masse hin ergeben. Seite 8-35 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner Anoden-Blockkondensator (C2) C2 schließt den anodenseitigen HF-Stromkreis. Auch der aus der Flammelektrode austretende HFStrom fließt über C2 in L1 zurück. C2 wird somit von einem signifikanten HF-Strom durchflossen. Es kommt 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 L5 gefiltert. Diese Konfiguration bedingt, daß die Erdung des Gerätes nicht am Netzteil, sondern am Oszillator selbst erfolgt. Über die Netztransformatoren ist jedoch stets eine kapazitive Kopplung der Netzteilmasse zur Erde hin vorhanden. Damit ist die Summe der Ströme in den durch L3 führenden Leitungen nicht mehr Null. Damit ist die Wirkung von L5 als Gleichtaktdrossel eingeschränkt. Die Sinnhaftigkeit der hier angedachten Ausführung von L5 kann erst im Experiment bestätigt oder widerlegt 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 Steuergitter reduzieren können. Diese Kopplung würde dann die Verstärkung der Röhre erheblich reduzieren. Da auch durch C4 signifikante HF-Ströme fließen können, wird auch hier ein hochbelastbarer Keramikkondensator 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 bis 50W vorgesehen. Bei Gegentakt-Endstufen ist jedoch prinzipbedingt keine GleichstromVormagnetisierung des Trafokerns vorhanden. Daher hat der Kern des AT-25 keinen Luftspalt. In unserer Anwendung wird die hochohmige Wicklung des Modulationsübertragers dagegen vom Schirmgitterstrom (ca. 20mA) durchflossen. Daher ist der ebenfalls von HB-Ampdesign angebotene Übertrager AT-15 für unsere Anwendung besser geeignet. Er hat einen Luftspalt im Kern. Der AT-15 ist eine Spezialentwicklung für Single-Ended Endstufen mit hoher Leistung (2 x KT88 parallel). Bei Single-Ended-Endstufen fließt stets ein dem AudioSignal überlagerter Gleichstrom durch die hochohmige Wicklung des Übertragers. Schirmgitterwiderstand (R1) Das Datenblatt 4/400A gibt unter „typical Operation below 75 MC, one Tube) eine Schirmgitterspannung von 500V und einen Schirmgitterstrom von 40mA (bei 3000V Anodenspannung) an. Das Netzteil gibt eine Schirmgitter-Versorgungsspannung von 560V ab. R3 ist dann (560V – 500V) / 40 mA = 1,5 kOhm. Die in R3 umgesetzte Leistung wäre dann 2,4W. Es wird ein emaillierter Drahtwiderstand WELWYN W22 1K5 7W (Farnell 343-390) vorgesehen. Schirmgitter-Blockkondensatoren (C5, C6, C7) Seite 8-36 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner Es werden drei Kondensatoren parallelgeschaltet, um alle relevanten Frequenzbereiche abzudecken. 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 ein spezieller Elektrolytkondensator mit 600V Betriebsspannung. Entstörelemente im Audio-Signalpfad Entsprechend der bisherigen Schaltung werden C8, C9 und L4 vorgesehen. Die endgültige Auslegung der Entstörmaßnahmen kann nur experimentell erfolgen. Hochpaß im Audio-Signalpfad Um eine Übermodulation (=Begrenzung) durch die im Musiksignal vergleichsweise hohen Amplituden der 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 Berichts beschriebenes, Netzgerät entworfen und aufgebaut, das die Versorgung von zwei im Stereo-Betrieb arbeitenden Hochtönern ermöglicht. Das Netzteil hat Abgriffe für verschiedene Anoden- und Schirmgitterspannungen. Seite 8-37 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner Die Realisierung. Das folgende Bild zeigt die fertig aufgebaute Schaltung im Betrieb. Der Hochleistungs-Plasma-Hochtöner im Betrieb. Seite 8-38 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner Die Inbetriebnahme. Die Erstinbetriebnahme Zunächst wurde ein einzelner Hochtöner aufgebaut und getestet. Nachdem diese Tests erfolgreich abgeschlossen waren wurde die Schaltung dupliziert und im Stereo-Betrieb getestet. Für die allererste Inbetriebnahme wurde die Schaltung mit einer verminderten Anodenspannung von 880V und einer verminderten Schirmgitterspannung von 350V in Betrieb genommen. Vorsichtshalber wurde keine „wertvolle“ noch ungebrauchte Röhre eingesetzt, sondern eine günstig ersteigert gebrauchte Röhre des Baujahrs 1998. Beim Anlegen der Anodenspannungen zeigten sich grelle Überschläge zwischen der Anode und dem kathodenseitigen Schirmblech der Röhre. Die Schmelzsicherung 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 geringer Dichte entstehen unter Feldeinfluss Ladungsträger, die durch das Feld innerhalb der Röhre Seite 8-39 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner beschleunigt werden, aber nur unwesentlich von anderen Molekülen abgebremst werden, womit es zu sehr stromstarken und weite Distanzen überbrückenden Entladungen kommt. Es wurde untersucht, ob eine Veränderung der Position des Abgriffs an der Anodenkreisspule zu einer Änderung der Flammengröße führt. Dies war nicht der Fall, die Größe der Flamme änderte sich nicht. Auch eine Veränderung des Abstands der Feedback-Elektrode hatte keinen Einfluß auf die Größe der Flamme. An die Audio-Zuleitung wurde ein Funktionsgenerator angeschlossen, das von ihm abgegebene Audio-Signal war deutlich zu hören. In der weiteren Folge wurde die Anodenspannung schrittweise in den Stufen 1700V, 2600V und 3500V erhöht. Anstelle des Funktionsgenerators wurde ein von einem CD-Player gespeister Röhrenverstärker HK-250 von Harman Kardon als Signalquelle verwendet, der den 4 Ohm-Eingang des Modulationstrafos speiste. Bereits bei 1700V zeigte sich eine extrem helle Plasmaflamme. Der Klang war sehr laut und bis in die Mitten 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. Da dieser nicht gleichmäßig erfolgt, kam es zu störenden Knack- und Knistergeräuschen. Zudem glühte die Anode der Röhre schon nach kurzer Betriebszeit hellorange. Seite 8-40 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner Sehr große und heiße Flamme bei glühender Anode mit 3500V Anodenspannung Der Gitterableitwiderstand wurde von 22 auf 66 kOhm erhöht, womit das Glühen der Anode zurückging, aber auch die Flamme kleiner wurde. Nach einigem Experimentieren wurde festgestellt, daß die Schaltung mit den folgenden Parametern bestmöglichst arbeitet: - Anodenspannung 2600V Schirmgittergleichspannung 420V Gitterableitwiderstand 66 kOhm Die Hörbarkeit der Schallwiedergabe beginnt bei 150 Hz. Die Knickfrequenz konnte auf die Größenordnung 300 Hz abgeschätzt werden. Die HF-Feldstärke in 1m Entfernung von der Tesla-Coil beträgt 5V/m, was überraschend gering ist. Die Stromaufnahme aus der Anodenversorgung ist nach dem Einschalten bei noch ungezündeter Plasmaflamme zunächst 50mA. Mit dem Zünden der Plasmaflamme steigt sie auf ca. 180mA. Es wird somit eine Leistung von 2600V * 0,18A = 470W aus dem Netzteil entnommen. Hieraus kann eine Größenordnung 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 verzerrungsarme Modulation ist bis zu einem Modulationsgrad von ca. 50% möglich. Das Audio-Signal am Schirmgitter hat dann eine Amplitude von 470Vpp. Seite 8-41 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner Die Wolframelektroden benötigen ca. 20 min zum ersten Einbrennen, bei dem sich die zunächst vorhandene Spitze abrundet. In dieser Phase kommt es zu gelegentlichen, in Form von Knack- und Knistergeräuschen hörbaren, Verpuffungen. Danach erfolgt ein kontinuierlicher Abbrand, der aber hinreichend langsam ist. Die Elektroden werden wahrscheinlich eine Standzeit von 100h oder länger haben. Der Stereo-Betrieb Es zeigte sich überraschenderweise, daß ein Stereo-Betrieb mit zwei Plasma-Hochtönern, die auf der selben Oszillatorfrequenz schwingen problematisch ist. Bei praktisch identischer Oszillatorfrequenz beider Kanäle treten gegenseitige Beeinflussungen und Interferenzen auf, die zu störenden Knackund Prasselgeräuschen führen. Der Auslöser für die Entstehung einer Folge von Störgeräuschen ist meist ein ungleichmäßiger Abbrand der Elektroden. Es werden dann kleine Metallstückchen frei, die verpuffen. Hierbei entsteht eine starke Variation der HF-Leistung, die dann auch den anderen Kanal beeinflußt, es entsteht eine Mitkopplung zwischen beiden Kanälen, die dann zu hörbaren Geräuschen führt. Beim Mono-Betrieb ist dagegen die gelegentlich auftretende Verpuffung kleiner Metallteilchen nur sichtbar, aber praktisch unhörbar. Die Lösung bestand darin, den Frequenzabstand zwischen den Oszillatorfrequenzen beider Kanäle deutlich 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 die Störgeräusche vollständig verschwunden. Testbetrieb mit zwei Stereo-Kanälen Die Zuleitungen zum zweiten, nachträglich aufgebautem Hochtöner sind deutlich länger, als die des ersten Kanals. Die Heizkreiszuleitung des zweiten Kanals wurde zunächst mit, wie sich herausstellte, zu dünnem Kabel ausgeführt. Damit war die Röhre unterheizt. Dies führte offensichtlich über die Zeit zu einer irreversiblen Schädigung ihrer Kathodenoberfläche. Nach einiger Betriebszeit nahm die Flammgröße deutlich ab. Das bisher verwendete Kabel der Heizkreiszuleitung wurde durch dickes Seite 8-42 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner Lautsprecherkabel ersetzt. Dies alleine brachte aber nur eine unwesentliche Steigerung der Flammengröße. Daher wurde versuchsweise eine noch unbenutzte Röhre eingesetzt. Es stellte sich wieder eine sehr große und helle Flamme ein. Die Größe dieser Flamme bleib auch nach längerer Betriebszeit konstant. Die Störung des Audio-Verstärkers und des CD-Players durch die abgestrahlte HF-Energie ist beim Stereo-Betrieb noch stärker als sie es beim Mono-Betrieb ohnehin schon ist. Um zu einem von Störgeräuschen ungetrübten Hörerlebnis zu kommen waren umfangreiche Experimente bezüglich der Anordnung der Geräte auf dem Arbeitstisch und der richtigen Dimensionierung und Plazierung von Entstörbauteilen notwendig. Es mußten weitere Gleichtaktdrosseln in die Netz- und Audiozuleitungen der Hochtöner eingebracht werden. Netzseitig wurden diese durch das Aufwickeln des Netzkabels mit jeweils 3 Windungen über zwei große Ferritkerne, die hintereinander angeordnet wurden, realisiert. Die „richtige“ Plazierung der Ferritkerne an dieser Stelle wird dadurch erkennbar, daß sie im Betrieb sehr heiß werden, also bestimmungsgemäß störende HF-Energie „vernichten“. (Derartige Verluste im Kernmaterial sind bei als 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 kapazitive Kopplung zwischen ihnen und den Hochtönern zu minimieren. Interessanterweise brachte die Versorgung von Verstärker und CD-Player über eine separate Steckdosenleiste, die über ein 1,5m langes Kabel an die gemeinsame, speisende Steckdosenleiste angeschlossen war, eine erhebliche Verbesserung mit sich. Der in Bezug auf Abstände und Anordnung der Komponenten und Leitungen sowie eingebrachte Entstörbauteile (Ferritkerne und Gleichtaktdrosseln) abschließend optimierte Gesamtaufbau. Seite 8-43 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner Überraschenderweise führte ein in der Nähe befindliche Weller-Lötstation mit elektronischer Temperaturregelung zu erheblichen Knackgeräuschen. Die Lötstation wurde durch die über ihre Netzzuleitung eingekoppelte HF erheblich gestört, wie am unregelmäßigen und schnellen Blinken seiner Anzeige-LED zu sehen war. Die Lötstation hat dann, auf unbekannte Weise, ihrerseits die Störungen erheblich verstärkt und wieder nach außen abgegeben. Mit dem Ziehen des Lötkolbens aus der Steckdose verschwanden dann die hartnäckigen Knackgeräusche, an deren Beseitigung schon viele Stunden erfolglos gearbeitet wurden, sofort. Die beschriebenen Entstörmaßnahmen können den, eigentlich gebotenen, Einbau der Hochtöner in ein geschlossenes Abschirmgehäuse aus Lochblech nicht ersetzen. Nach dem Abschluß der Entstörarbeiten konnte ein in Lautstärke, Präzision und vor allem Transparenz und räumlicher Ortbarkeit beeindruckender Stereo-Klang genossen werden. Für die Präsentationen der Plasma-Hochtöner wurde dann der Stereo-Röhrenverstärker HK-250 von Harman-Kardon mit 25W Ausgangsleistung (Baujahr1959) eingesetzt, da dieser deutlich weniger störempfindlich als der ebenfalls zur Verfügung stehende Verstärker BLACK CAT2 ist und zudem kleiner und leichter ist. Die etwas schlechtere Höhenwiedergabe wurde in Kauf genommen. Ein besonderer Vorteil des HK-250 ist der vorhandene 32 Ohm (!) Lautsprecherausgang, mit dem eine optimale Ansteuerung der Hochtöner möglich ist, so daß man deren möglichen Modulationsbereich voll ausnutzen kann. Der 8 Ohm-Ausgang des BC2 gibt hierzu zu wenig Spannung ab. Seite 8-44 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2005/6 High Speed 1/2 CW-Teslatrafo und Hochtöner Der Einsatz bei einer Klangkunst-Aufführung von Jan-Peter Sonntag. Der Klangkünstler Jan-Peter Sonntag hat eine spezielle Komposition für die Wiedergabe mit dem Hochleistungs-Plasma-Hochtöner geschrieben. Diese wurde am 10.7.2006 im Kunsthaus Tesla/Podewil in Berlin-Mitte anläßlich des 150. Geburtstags von Nicola Tesla uraufgeführt. Die Resonanz des Publikums übertraf alle Erwartungen. Weitere Aufführungen sind geplant. Während der Aufführung am 10.07.2006 Seite 8-45