Grundlagen der Resonanztransformation - Elektro

Grundlagen
der
Resonanztransformation
von
Andreas Spick
Inhaltsverzeichnis
Aufgabenstellung
4
1. Schwingkreis
5
2. Spannungsüberhöhung
7
3. Exkurs: Andere Verfahren zur Spannungserhöhung
9
4. Aufbau eines Gegentaktoszillators
12
5. Teslagenerator mit Röhrenansteuerung
13
6. Exkurs: Elektronenröhren
14
7. Teslatransformator mit Funkenstrecke
15
8. Netzteil für Röhrenexperimente
(inkl. Bauteilliste und Layout)
17
9. Bedienungsanleitung für Netzgerät
19
10. Reflexion
20
11. Literatur
21
Anhang:
Lastenheft Plasmahochtöner
22
Pflichtenheft Plasmahochtöner
23
Kaskade zur Ansicht
25
Gegentaktoszillator zur Ansicht
26
Aufgabenstellung
Im Zuge der Abschlussprojektarbeit der Ausbildung zum Elektrotechnischen Assistenten
plante ich ursprünglich einen Plasmahochtöner aufzubauen, der eine durch hochfrequente
Hochspannung angeregte Plasmaflamme zur Übertragung von hörbarem Schall nutzt.
Dieser liess sich allerdings in der Projektphase von 12 Wochen nicht in hinreichender
Funktionssicherheit realisieren, was im Wesentlichen in der geplanten Röhrenschaltung
begründet ist. Diese erwies sich als problematisch, da sich die Röhre dermaßen aufheizte,
dass ihr Glaskolben sich zu verformen drohte. (Brandgefahr!!!)
Da die recherchierten Grundlagen zur Plasmaanregung, insbesondere der Blitzerzeugung
durch die sogenannte Tesla-Transformation, aber ein sehr interessantes Feld bieten,
entschloss ich, das Projekt umzuwidmen.
Abweichend vom ursprünglichen Lasten-/Pflichtenheft, welche sich im Anhang finden, wird
jetzt also die Funktion eines Teslatransformators beschrieben, der mittels einer
Funkenstrecke gezündet wird. Mit diesem lassen sich Spannungen im Kilovolt-Bereich
erzeugen, die sich in beeindruckenden Blitzen entladen.
Die diesen Entladungen zugrunde liegenden Gesetzmäßigkeiten sollen Inhalt dieser
Dokumentation sein.
1. Schwingkreis
Jedes schwingende System besteht aus zwei Energiespeichern, zwischen denen die
Energie pendeln kann. Man stelle sich ein schwingendes mechanisches Pendel vor, bei
dem eine Metallkugel mit einer Masse m an einem Seil der Länge l aufgehängt ist. Der
höchste Punkt des Ausschlags sei h, die örtliche Fallbeschleunigung g und die
Geschwindigkeit der Kugel an ihrem tiefsten Punkt v.
Hier sind einerseits die Lage der Kugel (Ep = m*g*h), sowie ihre Bewegung (Ek = m*v²/2)
die "Energieträger". Je weiter das Pendel ausgelenkt wird, desto höher wird seine
Lageenergie und desto höher wird seine kinetische Energie im tiefsten Punkt der
Pendelstrecke sein. Andererseits wird das Pendel umso weiter ausschlagen, je mehr
Bewegungsenergie ihm zugeführt wird. Würde ihm die Energie nicht durch natürliche
Verluste ( z.B. Reibung) nach und nach entzogen, so würde es ohne Unterlass
weiterpendeln.
Im elektrischen Schwingkreis sind die Energien zum einen die Spannung U, welche zum
Vergleich der Lageenergie Ep entsprechen soll, zum anderen der Strom I, welcher der
Bewegungsenergie Ek gleichgesetzt sein soll. Die Energiespeicher sind die Induktivität L
(als Stromspeicher) und die Kapazität C (als Spannungsspeicher). Wesentlich ist, dass
verschiedenartige Energieträger zum Einsatz kommen. Zwei miteinander verbundene
Kondensatoren würden ihre Ladungen austauschen, bis beide die gleiche Spannung
führen. Ihre halbe Energie ginge dabei verloren.
Rechenbeispiel:
C1 = 100 µF, C2 = 100 µF, Ub = 10 V
C1 ist auf die Betriebsspannung Ub aufgeladen und wird mit C2 verbunden, der
entladen ist.
Die Energie Wges ist in C1 gespeichert und beträgt:
Wges = C1*U²/2, also 100 µF*(10 V)²/2 = 5 mWs
Die Kondensatoren tauschen ihre Ladung aus, bis beide auf Ub/2 = 5 V geladen
sind, also jeder Kondensator die Energie Wges/2 enthält:
Wges/2 = C*U²/2, also 100µF*(5V)²/2 = 1,25 mWs
Somit verliert das System seine halbe Energie, denn:
Wges = 2*1,25 mWs = 2,5 mWs
Anders sieht es aus, wenn der geladene Kondensator C mit einer Spule der Induktivität L
verbunden wird. Es beginnt ein Strom durch die Spule zu fliessen, der die elektrische
Energie in magnetische umwandelt. Die Induktivität wird geladen und erreicht ihren
maximalen Energiegehalt, wenn der Kondensator komplett entladen ist.
Jetzt treibt die Induktivität den Strom in gleicher Richtung weiter, gibt also die Energie an
die Kapazität ab. Das hat zur Folge, dass sich der Kondensator mit umgekehrter Polarität
auflädt. Die elektrische Energie in Form von Spannung im Kondensator hat ihren höchsten
Betrag, wenn die Spule komplett entladen ist, der Strom also null wird. Die magnetische
Energie, welche in der Spule gespeichert war, wurde in elektrische Energie umgewandelt.
Dies ist der Moment, in dem der Kondensator seine diesmal gegensätzlich gepolte
Energie wieder an die Spule abgibt, worauf diese den Strom weitertreibt und den
Kondensator mit seiner ursprünglichen Polarität lädt. Dann beginnt der Vorgang von
Neuem.
Die verstreichende Zeit während des Ausgleiches ist abhängig von der Dimensionierung
der Spule L und des Kondensators C.
Rechenbeispiel:
C = 100 µF, L= 10 mH
Die Resonanzfrequenz fres des Schwingkreises berechnet sich:
fres = 1/(2*p*(LC)^1/2), also 1/(2*p*(10 mH * 100 µF)^1/2) = 159,15 Hz
Selbstverständlich ist kein Bauteil ideal, daher kommt es auch im elektrischen
Schwingkreis zu Verlusten (z.B. durch Erwärmung der Bauteile). Eine wichtige Erkenntnis
aus dem oben beschriebenen Verhalten des Schwingkreises ist aber dennoch, dass ein
Bauteil nach einem Viertel der Schwingungsdauer seine gesamte Energie an das andere
abgegeben hat. Die Spannung am Kondensator sinkt auf null Volt, wenn die Energie in der
Spule ihr Maximum erreicht, während der Strom null Ampere beträgt, wenn der
Kondensator die maximale Spannung führt.
2. Spannungsüberhöhung
Was passiert nun, wenn man die Größe der Bauteile zueinander so verändert, dass sich
die Resonanzfrequenz nicht ändert? Vergrössert man beispielsweise die Spule und
verkleinert gleichzeitig den Kondensator im selben Maße, so muss der kleinere
Kondensator eine wesentlich höhere Energie aufnehmen. Zur Erinnerung: der
Kondensator speichert seine Energie in Form von elektrischer Spannung. Seine
gespeicherte Energie berechnet sich W = C*U²/2, woraus ersichtlich ist, dass bei
Verkleinerung der Kapazität zwangsläufig die Spannung steigen muss, soll die gleiche
Energie gespeichert werden.
Rechenbeispiel:
C1 = 100 µF, C2 = 10 µF, U = 100 V
Die in C1 gespeicherte Energie beträgt:
W = C1*U²/2, also W = 100 µF*(100 V)²/2 = 0,5 Ws
Soll diese Energie in C2 gespeichert werden, so wird die Spannung steigen:
U = (2*W/C)^1/2, also (2*0,5 Ws/10 µF)^1/2 = 316,23 V
Dieses Verhalten macht man sich bei der Resonanztransformation zu Nutze. Um den
Transformator-Effekt zu untersuchen wird eine Schaltung aufgebaut:
Versuchsbeschreibung:
Beim Einschalten der Spannung leuchtet die Lampe 230V/25W nur schwach. Es
ist zu sehen, dass die 40 V vom Trafo nicht reichen, um sie zu versorgen. Wird nun
aber der Kondensator zugeschaltet leuchtet sie hell, als hätte man sie direkt an das
Netz angeschlossen. Eine Messung der Spanung zeigte, dass an der Lampe jetzt
200 V anliegen, während am Trafo sekundärseitig nur 40 V gemessen werden. Es
wurde ein Gesamtstrom von 0,8 A
Was geschieht hier? Die Spule 800 mH bildet einen Schwingkreis mit dem Kondensator
12,5 µF, wenn der Schalter geschlossen wird. Die Resonanzfrequenz fres beträgt 50 Hz,
entspricht also der Netzfrequenz. Der Widerstand R100k/1W dient lediglich als
Entladewiderstand, damit nach dem Ausschalten keine lebensgefährliche Spannung am
Kondensator stehenbleibt.
Rechenbeispiel:
I = 0,8 A, L = 800 mH, C = 12,5 µF
Die Energie in der Spule berechnet sich:
WL = L*I²/2, also WL = 800 mH * 0,8 A/2 = 0,256 Ws
Diese Energie wird an den Kondensator abgegeben. Dieser speichert sie in Form
von elektrischer Spannung:
U = (2*W/C)^1/2, also (2 * 0,256 Ws/12,5µF)^1/2 = 202,39 V
Das kommt dem gemessenen Wert schon sehr nahe. Die Differenz von 2,39 V darf getrost
den natürlichen Verlusten zugeschrieben werden.
Dieses Experiment zeigt bereits die einfachste Form der Resonanztransformation, wie sie
in der Hochfrequenztechnik häufig verwendet wird. Dort ist sie effektiver als die
herkömmliche, elektromagnetische Transformation, da es relativ aufwändig und teuer ist,
HF-geeignete verlustarme Ferrite herzustellen.
3. Exkurs: Andere Verfahren zur Spannungserhöhung
Im Zuge der Vorversuche zum Projekt Plasmahochtöner wurden bereits ein paar
Schaltungen untersucht, mit denen sich höhere Spannungen erzeugen lassen. Auch wenn
diese mit der Resonanztransformation nicht zusammenhängen, sollen sie hier erwähnt
werden.
Die bekannteste Form ist sicherlich der induktive Umformer, der gemeine Trafo, der die
elektrische Energie in der Primärspule in magnetische Energie wandelt, die sekundärseitig
wieder in elektrische Energie zurückgewandelt wird. Das Übersetzungsverhältnis wird hier
über die Anzahl der Windungen der beiden Spulen bestimmt, die über einen
gemeinsamen Eisen- oder Ferritkern fest gekoppelt sind.
Schaltet man mehrere Transformatoren sekundärseitig parallel, lässt sich ein höherer
Strom entnehmen, Serienschaltung erhöht die Spannung. Es besteht auch die Möglichkeit
Transformatoren, die eigentlich zum Heruntertransformieren der Netzspannung auf
gebräuchliche Werte gedacht sind umzudrehen, also ihre Sekundärwicklung mit
Netzspannung zu versorgen und an der Primärwicklung eine entsprechend hohe
Spannung abzunehmen.
Rechenbeispiel:
Up = 230 V / 50 Hz, Us = 40V
Das Übertragungsverhältnis berechnet sich:
ü = N1/N2 = U1/U2 = 230 V / 40 V = 5,75
Jetzt die Sekundärseite am 230 V Netz angeschlossen:
U1 = U2 * ü = 230 V * 5,75 = 1322,5 V
Dem sind allerdings Grenzen gesetzt, denn eine Spule, deren Windungen eigentlich für
230 V isoliert sind kann durch Hochspannungs-Überschläge zwischen den einzelnen
Windungen zerstört werden.
Wenn man sich für Hochspannungsexperimente interessiert, wird man früher oder später
bei den Spezialisten unter den induktiven Trafos landen. Diese seien hier nur kurz
erwähnt:
Ölbrennertrafos (OBIT-oil burner ignition transformer) stammen aus der
Heizungstechnik und liefern 10 kV Leerlaufspannung
Mikrowellentrafos (MOT-microwave oven transformer) stammen aus dem
Küchengerät und liefern 2-4 kV bei Leistungen um 1000 W
Diese beiden Trafotypen können primärseitig direkt ans Netz angeschlossen werden, was
ihre Verwendung sehr einfach macht.
Jedoch hat die niedrige Netzfrequenz von 50 Hz auch Nachteile. Die in der
Sekundärwicklung induzierte Spannung U hängt von der Anzahl der Windungen N, der
Änderung des magnetischen Flusses DF und der verstreichenden Zeit Dt ab.
Rechenbeispiel:
Ein am Netz angeschlossener Trafo mit 500 Sekundärwicklungen ändert sein
magnetisches Feld mit jeder Halbwelle der Netzfrequenz, also 100 mal pro
Sekunde, und wird somit alle 10 ms ummagnetisiert. Der magnetische Fluss ändert
sich dabei um 2 mVs.
Die induzierte Spannung beträgt demnach:
U = N * DF/Dt = 500 * 2 mVs / 10 ms = 100 V
Jetzt wird der gleiche Trafo mit einer Primärspannung gleichen Betrages aber der
zehnfachen Frequenz betrieben:
U = N * DF/Dt = 500 * 2mVs / 1 ms = 1000 V
Durch eine erhöhte Ansteuerfrequenz arbeitet der Trafo also effizienter. Zudem wird es
einfacher, diese Spannung gleichzurichten oder zu vervielfachen, da die erforderlichen
Kondensatoren wesentlich kleiner zu dimensionieren sind. Trafotypen die mit höherer
Frequenz arbeiten:
Zeilentrafos aus dem Fernseher liefern je nach Ausführung 10-30 kV bei ca. 15-20
kHz, was natürlich eine entsprechende Ansteuerschaltung notwendig macht.
Zündspulen aus dem Kraftfahrzeugbereich bringen bis zu 60 kV. Ihre Ansteuerung
kann jedoch wesentlich einfacher ausgeführt sein, da ihr Übertragungsverhältnis
wesentlich höher (ca. 1:100) liegt.
Mit allen Trafos lassen sich ausschließlich Wechselspannungen erzeugen, die man durch
geeignete Schaltungen gleichrichten oder weiter vervielfachen kann. Eine
Gleichrichterschaltung zur Verdopplung der Spannung findet sich zum Beispiel im Netzteil
für Röhrenexperimente, welches weiter unten noch vorgestellt wird:
Beschreibung der Schaltung:
Die Schaltung besteht aus zwei Einweg-Gleichrichtern mit Lastkondensatoren.
Diese werden abwechselnd jeweils auf den Scheitelwert der Eingangsspannung
aufgeladen. Durch Addition ergibt sich am Ausgang (+/-) eine Gleichspannung vom
etwa doppelten Scheitelwert.
Die Dioden müssen für die Spitze-Spitze-Spannung, die Kondensatoren aber nur
für den einfachen Scheitelwert dimensioniert sein.
Eine weitere Schaltung aus Kondensatoren und Dioden ist die sogenannte
Kaskadenschaltung:
Das besondere daran ist, dass man sie quasi beliebig fortsetzen kann. Eine Kaskade, die
aus n Stufen aufgebaut ist, liefert die 2n-fache Scheitelspannung.
Rechenbeispiel:
Eine Eingangswechselspannung von 500 Veff soll eine 10-fache Kaskade
ansteuern. Wie groß ist die Gleichspannung am Ausgang ggü. Masse?
Ua = 2n * û = 2n * Ueff * 2 ^ 1/2 = 20 * 500 V * 1,414 = 14,14 kV
Hieraus ist sehr gut zu sehen, welch beeindruckende Spannungen aus dieser Schaltung
erzeugt werden können. Zwischen den einzelnen Stufen beträgt die Spannung lediglich
2û, weshalb auch die Gleichrichter und die Kondensatoren nur für diesen Wert ausgelegt
sein müssen.
Mit der beiliegenden Schaltung (1) wurden Spannungen von über 7,2 kV aus einer
Eingangsspannung von 600 Vss erzeugt.
4. Aufbau eines Gegentaktoszillators
Im Folgenden soll der Aufbau einer Schaltung beschrieben werden, die sich z. B. zum
Ansteuern eines Zeilentrafos eignet. Sie wird benutzt, um eine höhere Ausgangsleistung
des Schwingkreises zu erreichen. Es handelt sich dabei im Prinzip um einen kleinen
Mittelwellensender.
Beschreibung:
Die Spule L1 bildet mit dem Kondensator C3 einen Parallelschwingkreis. Dieser
bestimmt die Resonanzfrequenz der Schaltung. Die Basisanschlüsse der
Transistoren sind jeweils mit den gegenüberliegenden Endanschlüssen von L1
verbunden. Durch diese Gegenkopplung werden T1 und T2 abwechselnd
durchgesteuert, dem Schwingkreis wird Energie zugeführt. Die Widerstände R1 und
R2 stellen den Arbeitspunkt der Transistoren ein und werden von C1 bzw. C2
wechselstrommäßig überbrückt.
Entsprechend dimensioniert lassen sich mit der Schaltung hochfrequente Spannungen bis
zu 1000 V erzeugen. Wickelt man L1 auf den Kern eines Zeilentrafos, liegen
sekundärseitig Spannungen im Bereich von 20 kV an. Beim Aufbau ist auf eine
symmetrische Anordnung zu achten. Eine mehrfach abgeänderte Versuchsanordnung (2)
liegt dieser Dokumentation zu Anschauungszwecken bei.
5. Teslagenerator mit Röhrenansteuerung
Teslaspulen werden als Resonanztransformatoren zur Erzeugung hoher Spannungen
benutzt. Bei diesen Umformern sind zwei Schwingkreise mit gleicher Resonanzfrequenz
aber unterschiedlicher Güte lose gekoppelt.
Die unten skizzierte Schaltung wurde mit 180 Veff betrieben und brachte nach einiger
Überarbeitung und sorgfältiger Erdung eine Plasmaflamme von rund 5 mm an der Spitze
der Sekundärspule L2 hervor. Da die Durchbruchfeldstärke von Luft 30 kV/cm beträgt,
wird die Spannung bei 15 kV gelegen haben.
Die Sekundärspule war etwa 30 cm lang, wurde mit Kupferlackdraht von 0,3 mm auf ein
15 mm starkes PVC Rohr einlagig gewickelt und mit Nagellack fixiert. Der provisorische
Versuchsaufbau entstand auf einem Laminatstreifen. Mit dem Drehkondensator C1 liess
sich der Primärkreis auf Resonanz abstimmen.
Beim Versuch, größere Entladungen hervorzurufen wurde auf eine Röhre vom Typ EL 519
ausgewichen, die in etwa die doppelte Anodenverlustleistung der hier verwendeten EL 504
hervorbringt. Die beiden Typen besitzen beide einen Magnovalsockel und verwenden die
gleiche Heizspannung von 6,3 V. Verlockend war auch der Gedanke, die wesentlich
höhere Betriebsspannung der EL 519 (bis zu 700V) auszunutzen.
Da das weiter unten beschriebene Netzteil für Röhrenexperimente und ein entsprechender
Trenntrafo mittlerweile vorhanden waren stand dem Versuch nichts mehr im Weg. Das
Ergebnis war katastrophal: Nachdem ein Blitz von wenigen Zentimetern aus der Spitze
ausgetreten war, wanderte er an der Spule herab, die im nächsten Moment kurz aufglühte
und dann rauchend abknickte.
6. Exkurs: Elektronenröhren
Die Elektronenröhre besteht aus mehreren Metallelektroden, die in einem luftdicht
geschlossenen, evakuierten Glaskolben angeordnet sind. Eine Röhre mit Katode, Anode
und Steuergitter nennt man, nach der Zahl ihrer Anschlüsse, Triode.
Die Katode muss bis zur Rotglut erhitzt werden, damit Elektronen aus dem Metall
austreten können. Wieviele Elektronen aus der Katode austreten, hängt neben der
Temperatur entscheidend von ihrem Material ab. So beträgt die Bindungsenergie von
Wolfram beispielsweise 4,5 eV. Andere Metalle haben geringere Bindungsenergien. Zur
Verwendung kommen hier auch Thorium (2,9-3,4 eV), Cäsium (1,4 bis 1,9 eV) und Barium
(1,5 eV).
Liegt an der Anode ein positives Potenzial, werden die Elektronen von ihr angezogen.
Meist legt man an das Steuergitter eine gegenüber der Katode negative Spannung.
Dadurch werden die Elektronen auf ihrem Weg zur Anode abgestoßen. Über die Höhe der
negativen Steuerspannung lässt sich somit der Anodenstrom steuern. Das Gitter selbst
bleibt dabei stromlos, solange es ausreichend negativ gegenüber der Katode ist (ca. -1 V).
Zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften haben viele Röhren noch zusätzliche
Hilfsgitter. Ein Schirmgitter, das positiv geladen wird dient einerseits zur Reduzierung der
internen Röhrenkapazitäten und beschleunigt andererseits die Elektronen auf dem Weg
zur Anode. Ein Bremsgitter vor der Anode, welches auf Katodenpotential gelegt wird dient
dazu, Elektronen, die von der Anode abgeprallt sind, zurück zur Katode zu leiten.
Eine solche Röhre mit fünf Anschlüssen heißt Pentode. Wegen ihrer geringen kapazitiven
Rückwirkungen vom Ausgang auf den Eingang werden sie oft in Resonanzverstärkern
eingesetzt.
In der modernen Elektrotechnik werden die Aufgaben der Röhre meist von Halbleitern
übernommen. Diese sind durch Massenproduktion mittlerweile wesentlich billiger,
benötigen keine separate Heizspannung und sind in punkto Lebensdauer den thermisch
stark belasteten Röhren überlegen. In grösseren Sendeanlagen (Rundfunktechnik) sind
sie aber nach wie vor oft die bessere Wahl.
7. Teslatransformator mit Funkenstrecke
Die eindrucksvollste Resonanztransformation mit einem Teslatrafo wird erreicht, wenn der
Primärschwingkreis bereits durch eine hochfrequente Hochspannung angeregt wird. Diese
wird erreicht, indem mit einer ausreichend dimensionierten Energiequelle
(Hochspannungstrafo) der Hochspannungskondensator C geladen wird bis dieser bei
Erreichen der Durchbruchspannung eine Funkenstrecke zündet. Diese wird niederohmig
und lässt die Spannung an der Primärspule schlagartig zusammenbrechen. Dadurch wird
eine starke Änderung ihres magnetischen Flusses (∆Φ) in kürzester Zeit (∆t) erreicht. Der
Primärschwingkreis, der aus dem Kondensator C und der Spule L1 besteht wird dadurch
angeregt.
Durch die präzise Abstimmung auf die selbe Resonanzfrequenz und die lose Kopplung an
den Primärschwingkreis wird auch der Sekundärschwingkreis zu einer gedämpften
Schwingung angeregt. Auf den ersten Blick besteht der Sekundärschwingkreis lediglich
aus einer am unteren Ende geerdeten Spule und man mag sich fragen, wie diese einen
Schwingkreis bilden kann.
Zum besseren Verständnis muss man sich vor Augen führen, dass überall, wo sich
Flächen unterschiedlicher Ladung gegenüberstehen Kapazität besteht. So bildet
beispielsweise der am oberen Ende der Spule montierte Torus mit seiner Fläche eine
Kapazität gegenüber Erde. Weitere nicht direkt sichtbare, aber wirksame Kondensatoren
bilden die Oberflächen der Windungen der Sekundärspule. Diese kleinen Kapazitäten
reichen in Verbindung mit der relativ großen Spule aus, um einen Schwingkreis zu bilden.
Entspricht jetzt noch die Länge ldraht des aufgewickelten Drahtes der Sekundärspule einem
Viertel der Wellenlänge λ der Resonanzfrequenz fres, so wird sich an ihrer Spitze ein
Spannungsbauch ausbilden, der den Torus mit maximal positivem Potenzial lädt.
Rechenbeispiel:
Die Sekundärspule hat einen Durchmesser d von 110 mm und ist mit
Kupferlackdraht von 0,56 mm Durchmesser ddraht auf einer Länge l von 480 mm
einlagig gewickelt.
N = l / ddraht = 480 mm / 0,56 mm = 857 Windungen
Der Umfang u der Spule beträgt:
u = π ∗ d = π * 110 mm = 345,58 mm
Die Länge ldraht des Drahtes berechnet sich also:
ldraht = u * N = 345,58 mm * 857 = 296,16 m
Die Länge ldraht soll λ/4 entsprechen. Die optimale Resonanzfrequenz liegt also bei:
f = c/λ = 300 * 10^6 m/s / 4 * 296,16 m = 253,24 kHz
Dieser Wert kommt der gemessenen Resonanzfrequenz unserer Versuchsspule (263 kHz)
schon sehr nahe.
8. Netzteil für Röhrenexperimente
Um mit Röhrenschaltungen zu experimentieren, braucht man oft verschiedene
Spannungen. Gebräuchliche Röhren benötigen je nach Typ Heizspannungen von 6,3 V
bis 40 V bei zum Teil enormen Strömen. Die Anodenspannungen liegen bei
Verstärkerröhren (meist Pentoden oder Leistungstrioden) zwischen 200 und 700 V.
Um Gleichspannungen dieser Höhe zur Verfügung zu haben wurde eine entsprechende
Schaltung gesucht. So konnte dem abgebrochenen Projekt Plasma doch noch etwas
abgewonnen werden. Denn das dort benötigte Netzteil bietet hierfür beste
Voraussetzungen.
Es stellt Gleichspannungen von bis zu 600 V gegen Masse oder aber je eine positive und
eine negative Spannung von 300 V (für Gegentaktverstärker) zur Verfügung. Diese wird
durch eine Gleichrichterschaltung mit Spannungsverdopplung erreicht, die bereits
beschrieben wurde.
Der Niederspannungsteil bietet 8 V Gleichspannung bei einer Belastung von 50 Ohm
( Brummspannung < 0,6 V). Erst bei einer Last von weniger als 10 Ohm bricht die
Spannung auf Werte unter 6 V ein.
Zum Betrieb des Netzteils ist es erforderlich, dem Gerät einen Trenntrafo (z.B. 230 V / 150
VA) vorzuschalten. Die Kondensatoren der Verdopplerschaltung ziehen im
Einschaltmoment einen hohen Strom, der sonst die Sicherung auslöst. Durch die
Phasenverschiebung der Transformatorspule wird dieses Problem umgangen.
Bauteilliste Netzteil für Röhrenexperimente:
1 Trafo 6 V/ 10 VA
2 Elektrolyt-Kondensatoren 470 µF/ 400 V
7,35
2 Widerstände 680 kOhm/1W
0,15
2 Dioden 1N5004
0,09
2 Dioden 1N4007
0,07
1 Elektrolyt-Kondensator 2200 µF/ 35 V
2,35
1 Brückengleichrichter 40B3300/5000
1 Platine Europaformat
2 Kondensatoren 150nF / 400 V
1,05
1 Kondensator 100nF / 400 V
1 Widerstand 560 Ohm
1 ABS Gehäuse mit ALU-Frontplatte
1 Polklemmen Set 10 St.
1 Schalter
1 Kaltgerätestecker mit Sicherungshalter und Schalter
3 Leuchtdioden
0,09
Summe
4,60
14,70
0,30
0,18
0,07
4,70
0,89
3,85
2,10
0,82
0,09
7,85
4,99
1,57
3,85
0,27
50,83
Layout des Netzgerätes für Röhrenexperimente
9. Bedienungsanleitung für Netzgerät
Dieses Gerät ist einfach in der Handhabung. Trotzdem sollten Sie zu Ihrer eigenen
Sicherheit einige Punkte beachten:
Verwenden Sie das Gerät immer mit einem Trenntrafo!! Durch den hohen
Einschaltstrom der Schaltung kann andernfalls die Sicherung auslösen.
Sicherheitshinweis: Die Kondensatoren der Verdopplerschaltung laden sich auf den
Scheitelwert der Netzspannung (325 V) auf!! Die Entladung über die
Entladewiderstände dauert 27 Minuten.
Zum Gebrauch verbinden Sie das Gerät mittels einer Kaltgeräteleitung mit dem Trenntrafo
(nicht im Lieferumfang enthalten).
Schalten Sie das Gerät ein, indem Sie "Power" betätigen.
Sie können jetzt einen Verbraucher (z.B. Röhrenheizung) an die Klemmen "8 V"
anschließen.
Um hohe Gleichspannungen von "300 V" oder "600 V" abzunehmen verbinden Sie den
Verbraucher mit den entsprechenden Klemmen. Die Plus-Anschlüsse sind rot, der mit "0
V" gekennzeichnete Anschluss ist der Minuspol des Gleichrichters/Verdopplers.
Hochfrequenzschaltungen benötigen oft einen definierten Erdungsanschluss. Die nicht
beschriftete Polklemme auf der Frontplatte ist mit dem PE-Anschluss des
Kaltgerätesteckers verbunden und dient dazu, ihre Schaltung zu erden.
10. Reflexion
Ausgehend von meinem ursprünglichen Projektziel, der Herstellung eines auf den
Grundlagen der Resonanztransformation basierenden Plasmalautsprechers, eröffnete mir
die Projektarbeit erste Einblicke in die faszinierende Welt der Teslatransformation.
Die Möglichkeit, durch eine auf den ersten Blick relativ einfache Schaltung
beeindruckende Blitze zu erzeugen, fesselte mich sofort. Ein tieferer Einstieg in die
Materie zeigte, dass die Zusammenhänge nicht so simpel sind, wie sie auf den ersten
Blick scheinen.
Auch für Röhrenschaltungen konnte ich mich schon seit geraumer Zeit erwärmen,
experimentierte mit Röhrenverstärkern einfacherer Bauart. Klar, dass ich diese Themen in
mein Abschlussprojekt einzubinden versuchte.
Nach anfänglichen logistischen Problemen (Verfügbarkeit der passenden Röhren und
diverser Hochspannungsbauteile) begann ich mit dem Aufbau des Plasmalautsprechers
und stiess auf technische Probleme, die sich recht bald als unüberwindbare Hürde
herauskristallisierten und letztlich zum Abbruch des Projektes führten.
Im Wesentlichen war es die übermäßige Erwärmung der verwendeten Röhren, die mich
aus Vernunftgründen bewog, das Ziel der modulierten Plasmaerregung vorerst auf Eis zu
legen und mich eines anderen Themas anzunehmen. So freute ich mich sehr, als mir Herr
Kamin seine Unterstützung bei der Arbeit an einem Funkenstrecken -Teslatrafo (sgtc –
spark gap tesla coil) anbot.
Die Arbeit daran gestaltete sich sehr interessant und lehrreich. Nie zuvor hatte ich
dermaßen viele Versuchsaufbauten in so kurzer Zeit erstellt. Zu jeder Unterrichtsstunde
brachte Herr Kamin neue Ideen mit, die in das Projekt einflossen.
Die Projektphase hat mir, so stressig sie auch zeitweise war, persönlich sehr viel gegeben
und ich werde mich auch weiterhin mit dem Thema Resonanztransformation beschäftigen,
dass noch viel Spielraum für spassige Tüfteleien bietet.
Andreas Spick
Feldbergen, 08. Juni 2006
11. Literatur
Bei der Arbeit am Projekt Plasmahochtöner/Teslatransformator war die Lektüre folgender
Bücher sehr aufschlussreich:
"Röhren-Projekte von 6 bis 60V" von Burkhard Kainka, Elektor-Verlag
"Experimente mit Hochspannung" von Jochen Kronjäger, Franzis-Verlag
"Blitz & Donner selbst erzeugt" von Günter Wahl, Franzis-Verlag
"Experimente mit Hochfrequenz" von Harald Chmela, Franzis-Verlag
"Das komplette Werkbuch Elektronik" von Dieter Nührmann, Franzis-Verlag
"Minispione" von Günter Wahl, Franzis-Verlag
Des Weiteren dienten folgende Internetseiten der Sammlung wertvoller, hilfreicher
Informationen:
www.plasmatweeter.de von Ulrich Haumann
www.jogis-röhrenbude.de von J. Gittel
www.hcrs.at von Harald Chmiela und Richard Smetana
www.ctc-labs.de von Martin Ebbefeld
www.hardcoreaudio.de von Sebastian ?