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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
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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.
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Der Gesamtaufbau
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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.
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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)
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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.
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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 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.
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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 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.
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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
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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
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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.
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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
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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
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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
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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.
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CW-Teslatrafo und Hochtöner
Demonstration der Wirkung der Entstördrosseln
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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
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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$.
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Die Röhre 4/400A
Im Folgenden ist der vollständige Schaltplan dargestellt:
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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)
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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.
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CW-Teslatrafo und Hochtöner
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 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
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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
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