Plasma-Hochtöner

Eine Bauanleitung

Last update Januar 2010

Hinweis:

Dies ist keine Baueinleitung für Einsteiger ! Etwas Basiswissen und Erfahrung im Aufbau von Röhrenschaltungen sollten Sie mitbringen. In dem Gerät wird mit hohen Spannungen bei hohen Strömen gearbeitet, was bei einer Berührung zum Tod führen kann. Auch nach Abschalten der Netzspannung ist in den Kondensatoren noch genügend Energie vorhanden um einen lebensgefährlichen Stromschlag zu bekommen. Um eine ungewollte hochfrequente Abstrahlung zu Vermeiden ist der Aufbau in einem Metallgehäuse zwingend erforderlich.

Der Autor übernimmt keine Verantwortung für eventuelle Schäden die durch den Aufbau oder Betrieb des Gerätes entstehen.

Update 01/2002

Gute Neuigkeiten für alle die eine Anodendrossel (Ersatz für die 100uH Siemens Drossel) selbst herstellen wollen. Man wickelt ca. 2,80m Kupferlackdraht mit 0,9mm Drahtstärke auf einen Spulenkörper mit 18mm Durchmesser Windung an Windung. Ich habe als Spulenkörper PVC Installationsrohr aus dem Baumarkt genommen. Bild
Die so hergestellte HF-Drossel funktioniert einwandfrei und ohne Einschränkung. Sie ist allerdings etwa 10 mal so groß wie eine Siemens Drossel.

Mit einem gut abgestimmten Anodenkreis erreicht man auch entsprechende Flammengrößen ohne die Röhre zu Überlasten. In dem nachfolgenden Bild sieht man das ich noch eine Spule in reihe zu der Resonanzspule geschaltet habe und der Kreis mit einen Drehkondensator auf Resonanz abgestimmt wurde. Hier ist das Bild

Update 08/2001

Endlich ist es soweit, der Modulationsteil ist fertig. Im Eingang ist ein passives 6dB Filter mit ca. 3,4 Khz Eckfrequenz eingebaut, damit der Hochtöner zum Ausprobieren direkt an den Lautsprecher Ausgang angeschlossen werden kann. Der Modulationsteil ist viel besser als die frühere Transistor Variante. Der HF Teil kann damit ohne Verzerrungen weiter ausgesteuert werden. Der Hochtöner wird dadurch etwas lauter!
Das Eingangsteil verarbeitet eine effektive Eingangsspannung von ca. 2 V klaglos. Bei höheren Werten setzt die Begrenzung ein. Wenn man den Hochtöner parallel zum 8 Ohm Lautsprecher anschließt sollte man bedenken das 2,83 Volt bei 1 Watt Leistung am Lautsprecher anstehen. Das Poti muss also entsprechend eingestellt werden damit es keine Verzerrungen gibt.
Verändert man den 47K Ohm Widerstand im Eingang ( 6 dB Filter ) zu 33K Ohm so ist man bei etwa 4,8 Khz Übernahmefrequenz. Man kann den Widerstand auch durch ein 22 K Ohm Festwiderstand in Reihe mit einen 25 K Ohm Poti ersetzten. Damit lässt sich die Frequenz etwa im Bereich von 3,4 Khz bis 7,3 Khz regeln.
Die EF86 sollte mit Gleichspannung geheizt werden. Die Eingangsschaltung ist auf Grund der hohen Verstärkung etwas brummempfindlich.

Update 07/2001

Die letzten heißen Sommertage haben mich in den Keller, in meine "Bastelbude" ausweichen lassen. Was lag näher als sich mal wieder mit dem Plasmahochtöner zu beschäftigen. Mit der Röhrenansteuerung bin ich ein Stück weitergekommen. Die Regelung der Flammengröße funktioniert schon. Ich benutze eine PCL82 und davon den Pentodenteil. Mit dem Triodenteil werde ich den NF Verstärker aufbauen. Das Ergebnis ist im Schaltbild zu sehen (HF-Teil). Baut man die Schaltung auf erhält man schon einen funktionierenden Plasmateil, d.h. die Flamme brennt und man kann sie regeln. Es fehlt nur die NF Ansteuerung. Man braucht etwa 60Vss zur Vollaussteuerung. Ich werde das Eingangsteil mit einer EF86 aufbauen. Bei ca 120 facher Verstärkung liefert sie etwa 50 Vss an der Anode.

Hier ein Blick auf den Probeaufbau Bastelbude Im Vordergrund die PCL82 auf dem kleinen Brettchen. Das Oszilloskop ist übrigens nicht angeschlossen! Es nimmt die HF aus der Luft auf da die Schaltung ohne Schirmkäfig betrieben wird. Man kann deutlich den Amplitudenmodulierten Träger sehen. Mit der neuen Regelung lässt sich der Hochtöner übrigens mühelos bis herunter auf 2Khz betreiben. Ob der Schalldruck dann noch ausreicht bleibt abzuwarten.

Ich habe ein paar Bilder vom Betrieb des Hochtöners gemacht. Hier kann man gut den Zusammenhang zwischen aufgenommener Leistung und Flammengröße sehen.Betrieb in Bildern

Wenn Sie die Bilder geladen haben, können sie diese mit der rechten Maustaste sichern. Die Bilder sollten in einem eigenen Fenster erscheinen.

Einleitung

Das erste mal hörte ich einen Plasma Hochtöner auf einer High-End Veranstaltung irgendwann Anfang der achziger Jahre. Es war auf dem Messestand der Fa. Magnat. Ich hatte das Glück noch Einlaß zu der völlig überfüllen Vorstellung zu bekommen. Der Entwickler des Magnat Plasma Hochtöners, Dr. Siegfried Klein, war auch anwesend. Zu der Vorführung hatte man das damalige "Flagschiff" der Magnat Boxen hergenommen, den eingebauten Hochtöner abgeklemmt und den Plasma Hochtöner darauf gestellt. Es muß sich damals noch um einen Prototypen gehandelt haben denn während der Vorführung ging einer der Hochtöner mehrmals aus. Nach der Vorführung wollte ich von Herrn Klein wissen wie so etwas funktionierte. Er war ziemlich zugeknöpft und hat nur irgendetwas von einen Hochfrequenzsender gemurmelt und Amplitudenmodulation. Na ja .... vielleicht hatte er einen schlechten Tag.
Zum Klang von damals kann ich nur sagen das es mich ziemlich überwältigt hat. Der Klang war sehr räumlich die Höhen brilliant ohne jegliche Überhöhung oder Schärfe. Die Schallquelle war nicht zu orten, die Instrumente standen förmlich im Raum und das bei einer Messe-vorführung. Kein Wunder, handelt es sich hierbei eigentlich um den idealen Rundstrahler.
Es hat ein paar Jahre gedauert bis ich das Thema wieder aufgegriffen habe. Anlaß war, das ich durch Zufall einen Plasma Hochtöner zum Reparieren bekam. Es war ein Ionofone 601. Hier konnte ich mich mit dem Prinzip beschäftigen was dann zu meinem Eigenbau führte.

Etwas Theorie

Das Prinzip ist eigentlich einfach. Es handelt sich um einen Hochfrequenzoszillator der amplitudenmoduliert wird. Das wird auch heute noch bei den Rundfunksendern im Lang, Mittel und Kurzwellenbereich so gemacht. Die Hochfrequenz, die bei den Rundfunk-sendern von einer Antenne abgestrahlt wird, gelangt bei dem Plasma Hochtöner in eine Resonanzspule (offener Reihenschwingkreis) mit angeschlossener Elektrode. Die Resonanzspule transformiert die Hochfrequenz auf eine Spannung zwischen 10000V und 20000V herauf. Der Spannungsbauch befindet sich an dem Ende der Resonanz-pule an der die Elektrode angebracht ist. Durch die hohe Spannung an der Elektrode wird die Luft so stark ionisiert das dies als Plasmaflamme sichtbar wird. Die Flamme bezeichnet man auch als Corona.
Der Oszillator wird mit dem Musiksignal amplituden-moduliert, was bedeutet, daß die Betriebsspannung des Oszillators im Takt der Musik schwankt und damit schwankt auch die von der Resonanzspule abgestrahlte Energie. Da die Flammengröße direkt proportional der zugeführten Energie ist ändert sich das Volumen der Flamme und die Luft um die Flamme wird beschleunigt, der Ton entsteht (Die Physiker unter Ihnen mögen mir verzeihen).
Ein ähnliches Prinzip kennt man von modulierten Teslatransformatoren.

Wer etwas über Tesla Transformatoren erfahren will sollte sich die Seiten von Harald Chmela und Richard Smetana ansehen. Hier gibt es Bauanleitungen und Versuche mit Teslaspulen. Der Klein Teslatrafo kommt dem Plasma Hochtöner sehr nahe was die Tonabstrahlung angeht. Er hat sogar unter anderem ein Video mit Ton gedreht. ( Klicken Sie es einfach an. )
An dieser Stelle möchte ich Harald sehr herzlich danken das ich dieses Video auch hier zeigen darf.

PL519/EL519

Da man für eine solche Entladung eine Menge Hochfrequenzenergie (40W-50W) braucht habe ich mich für eine Röhre entschieden. Außerdem ist sie am Gitter (G2) einfach, fast leistungslos, zu modulieren.
Um auch in Zukunft noch Ersatzröhren zu bekommen wurde eine EL519 ausgewählt. Die PL519 ist Daten und Pinkompatibel bis auf eine abweichende Heizspannung ( 40V / 300mA ). PL519 wurden früher in Zeilenend-stufen von Fernsehgeräten verwendet, sie sind daher häufig zu finden und billiger als eine EL519.( Mehr als DM 40.- sollte man allerdings auch für eine Markenröhre EL519 nicht bezahlen - Stand Jannuar 2001- ). Die Endstufe ist als freischwingender Oszillator aufgebaut ( Huth-Kühn Schaltung ). Die Frequenz stellt sich um ca. 27MHz ein und wird im wesentlichen von den Kapazitäten des Aufbaus und der Röhre beeinflußt.
Das ist der kritische Teil der Schaltung. Der Aufbau sollte nach den Kriterien von Hochfrequenzschaltungen erfolgen, d.h. kurze Leitungswege, Spannungen mit Kondensatoren abgeblockt, Blockkondensatoren direkt an den Röhrensockel mit kurzen Verbindungen anlöten.
Die Ausgangsleistung des Oszillators - und damit die Flammenhöhe - kann man durch die Vorspannung am Gitter2 (Pin 3 bzw. 6) regeln. Sie sollte zwischen 60V und 120V liegen. Man kann den Leistungsteil auf diese Weise testen. Wenn an G2 eine, über ein Potentiometer regelbare, Spannung angelegt wird kann man damit die Flammenhöhe einstellen.

Modulation

Um einem Oszillator zu modulieren gibt es mehrere Möglichkeiten. In meiner Schaltung kommt die Schirmgittermodulation zum Einsatz. Diese Schaltungsvariante wurde bereits in den Anfängen der Sendetechnik angewannd. Das Prinzip ist nebenstehend abgebildet.
Für die in diesem Beispiel benutzte Endstufe mit der Röhre 807 ist der Plasma Oszillator einzusetzen. Dies ist nicht die Modulationsschaltung, es soll hier nur das Prinzip dargestellt werden!

Frequenzgang

Dem Oszillator sollten keine Tonfrequenzen unterhalb von 4Khz zuführt werden. Der Hochtöner kann diese Frequenzen schlecht wiedergeben und die Schaltung würde dadurch unnötig Verzerrungen produzieren.

Der nebenstehende Frequenzgang wurde mit einem passiven 12dB Filter bei etwa 5 KHz Trennfrequenz aufgenommen. Der Einsatzbereich des Hochtöners beginnt etwa ab 3,5 KHz und geht bis weit über 50KHz. Ich konnte mit meinem Messgerät ( ein MEPEG, Meßgrenze 20KHz ) bis 20KHz (Frequenzgang) keinen Schalldruckabfall feststellen und das in allen Richtungen um den Hochtöner ! Die Welligkeit im Diagramm sind räumliche Einflüsse, da ich in 1 Meter Abstand gemessen habe.

Der Nachteil dieses Schallwandlers liegt in seinem Wirkungsgrad. Ohne Hornvorsatz wird man über 85 db Schalldruck ( bei vertretbaren Verzerrungen ) nicht hinauskommen. Für die meisten Fälle ist dies aber ausreichend. Selbst im Zusammenspiel mit meinem kleinen JORDAN HORN war der Hochtöner nicht überfordert. Der MP-02 von Magnat kam auch selten über 90 dB hinaus obwohl die Werksangabe bei 95 dB lag.

Es erreichen mich immer wieder Anfragen wie man den Höchtöner im Wirkungsgrad verbessern, oder den Einsatzbereich in Richtung tiefere Frequenzen erweitern könnte. Hierzu ein paar Anmerkungen. Die Physik läßt sich so leicht nicht überlisten - will heißen :

Plasmakammer des Hill Plasmatronic

Wenn die Flamme mit Helium umspült wird gibt es kein Ozon, da dann keine Reaktion mit dem Luftsauerstoff stattfinden kann. So einen Plasmahochtöner gab es mal anfang der achziger Jahre von der Firma Plasmatronics.
( Plasmatronics, Inc., 2460 Alamo S.E., Suite 101, Albuquerque, New Mexico 87106 )
Diese Firma existiert aber leider nicht mehr. Dr. Alan E. Hill hatte den Lautsprecher entwickelt. Meines Wissens wurden etwa 60 Geräte gebaut. Der Preis des Systems lag ohne die Heliumflaschen bei etwa US$ 8.000.- pro Stück. Es gibt derzeit nur wenige Bilder des Lautsprechers im WWW. Die meisten sind von meiner Seite "entwendet".

Für dieses Foto habe ich die Röhre ziemlich weit ausgesteuert damit man die Flamme deutlich sieht. Das erkennt man an den bereits rot glühenden Anodenblechen. Ich habe mal eine Telefunken EL519 in dem Plasma Hochtöner zu Demozwecken so weit ausgesteuert das der Glaskolben geschmolzen ist. Im normalen Betrieb kann man die Flamme wesentlich kleiner einstellen. Im übrigen zeigt das Foto den Hochtöner ohne Abschirmkäfig. Diesen Betrieb sollte man auf ein Minimum begrenzen. Erstens wird jetzt ein modulierter Träger frei abgestrahlt und zweitens haben wir hier eine schöne "Ozonmaschine"

Ich möchte an dieser stelle noch einmal betonen das ein mechanisch stabiler Aufbau zwingend notwendig ist. Ein Gehäuse aus Stahlblech bietet eine solide Grundlage und sorgt für die notwendige Abschirmung des Qszillators. Der Leistungsteil mit der Röhre wird mit einem Lochblech ( Lochdurchmesser 3mm - 6mm ) abgedeckt. Dadurch erreicht man ausreichende Luftzirkulation und Abstrahlsicherheit bezogen auf die Hochfrequenz.
Das Ende der Resonanzspule mit der Elektrode ( Kupfer ca. 3mm Durchmesser, ich habe ein Stück Erdungskabel aus der Elektroinstallation genommen - natürlich abisolieren !), wird mit einer Drahtkugel abgeschirmt. Die Kugel muß man selbst anfertigen ( ich habe jedenfalls nichts passendes gefunden ). Das ist ganz einfach : Man nehme 2 Kaffesiebe aus Metall mit ca. 10cm Durchmesser, entferne die Griffe , lege sie gegeneinander und verlöte sie an der Stoßstelle. Einen kräftigen Lötkolben ( ca. 100W) braucht man schon dazu. Nun hat man eine schöne Kugel. Die bekommt an der Unterseite ein Loch von ca. 50mm Durchmesser. Hier muß später der obere Teil der Teslaspule mit der Kupferspitze durchpassen. Dann braucht man noch ein Loch mit ca. 5mm -8mm Durchmesser irgendwo in der Mitte nahe der Lötstelle. Durch dieses Loch muß später ein isolierter kleiner Schraubendreher gesteckt werden können. In die Lochblechabdeckung gehört natürlich auch das gleichgroße Loch von ca. 50mm Durchmesser. Nun wird Kugel und Lochblech miteinander verlötet. Wie das aussehen kann, sieht man ja an den Bildern Kugel.
Mein Gehäuse hat zwei Kammern. Eine für den Leistungsteil mit der Röhre und die zweite für den Rest der Installation. Ich würde heute 3 Kammern benutzen und das Netzteil in die 3 Kammer verlagern. Es war ziemlich schwierig die Hochfreqeunz von den Eingangspotis fernzuhalten, da der Trafo bei meinem Prototyp in 10mm Abstand zu den Potis montiert ist. Wenn man ein brummen von der Flamme hört, sollte man nach Brummschleifen oder nach Einstreuungen durch das Netzteil suchen.
Damit sind wir schon bei der Masseführung. Grundregel: Sternförmige Masse ! Leistungsteil einen Massepunkt bei der Röhre, Verstärker einen Massepunkt und von den beiden Massepunkten jeweils ein Kabel zum Netzteil. Vom Netzteil muß ein Massekabel zum Gehäuse wegen der Abschirmung ! Das letztere ist ganz wichtig denn wir haben hier einen starken Sender.
Damit zum Leistungsteil : Das Leistungsteil gibt etwa 50 Watt Hochfrquenz ab ( abhängig von Vu der Röhre ). Die Frequenz liegt bei etwa 25MHz bis 30Mhz. Hier tummelt sich ziemlich viel im "Äther", unter anderem auch Baby Überwachungsgräte und freie Funkgeräte ( Jedermannfunk). Diese Geräte arbeiten mit ca. 100mW bis 5 Watt Hochfrequenz, dass bedeutet man sollte den Test und Einstellungsbetrieb ohne Abschirmung auf ein Minimum begrenzen, denn wir haben die 10 fache Leistung. Mit 5 Watt auf dieser Wellenlänge erreichen Amateurfunker andere Kontinente und sie wollen ja nicht die Nachbarn verärgern, oder ?
Die Potentiometer, Eingangsbuchsen und Netzzuführung sind an der Rückseite angebracht Rückseite Das ganze ist wie bei alten Röhrenschaltungen "fliegend" verdrahtet.

Ich habe versucht alles mit standard Bauteilen aufzubauen. Der Trafo ist ein Trenntrafo 230V/230V - 120VA die Wicklung für die Röhrenheizung habe ich selbst auf meinen Ringkerntrafo gewickelt. Man kann auch einen separaten Trafo benutzen. Die Widerstände sind Metallfilm, der Hochlastwiderstand in der Anodenleitung ein normaler Drahttyp ( 18 Ohm / 5 W ). Dieser Wiederstand dient als Sicherung. Falls es einen kapitalen Kurzschluß gibt brennt er einfach durch. Die Drosselspule eine Siemens Ferritkern 100uH, 1A belastbar. Die Drosselspule muß allerdings der angegebene Type sein, mit anderen Typen die ich ausprobiert habe hat es nicht funktioniert (siehe Update !).

Den Keramik Spulenkörper gibt es nur bei Surplus Händlern oder auf Flohmärkten. Wenn Sie gar keinen finden, ich habe noch ein paar Exemplare. Ob man als Röhre einen EL oder PL Typ einsetzt ist gleichgültig. Die Röhren unterscheiden sich nur bei den Heizspannungen.

Resonanzspule

Die Resonanzspule ist auf einen Keramikkörper mit 35mm Durchmesser gewickelt. Es werden am oberen Ende 15 Windungen CuL 0,9mm oder 1mm aufgebracht. Die genaue Drahtstärke bzw. +/- 1 Windung ist nicht kritisch. Der Keramikkörper hat kleine Löcher. Ich habe am Anfang und Ende der Wicklung jeweils eine 2mm Schraube in den Löchern befestigt und die Enden der Wicklung dort angelötet. Mit der oberen 2mm Schraube ist gleichzeitig auch ein Kupferdraht (3mm Durchmesser / 30mm Länge) befestigt. Der Kuperdraht ist am oberen Ende Spitz zugefeilt. Das ist dann die Elektrode an der sich die Corona ausbildet. Die Befestigung mittels einer Schraube ist wichtig denn Spule und Elektrode werden ziemlich heiß. Bei den ersten Versuchen hatte ich die Elektrode noch angelötet aber nach ca. einer 1/2 Stunde hat sich der Draht dann selbst entlötet, es gab einen Kurzschluß und es rauchte ziemlich viel ab. Die Spule wird übrigens auch heiß, deshalb der Keramikkörper !
Die Koppelwindung reicht um die Elektrode am unteren Ende und ist auch mit einer Schraube befestigt. Man kann sie auf dem Bild deutlich erkennen. Sie sollte nicht näher als 10 mm an die Elektrode herankommen sonst kann es zu Überschlägen kommen. Ich habe einen teflonisolierten Draht benutzt.

Betrieb

Zum Betrieb gibt es noch einige Anmerkungen. Die Flammengröße und das Entzünden der Flamme sind stark von der Verstärkung der Röhre abhängig. Man sollte möglicht Röhren mit hoher Vertärkung benutzen, das erleichtert die Sache. Das Poti für die Flammengröße in mittlere Stellung bringen und das Gerät einschalten. nach ca. 2 - 3 Minuten hat man entweder Glück und es entzündet sich eine Flamme ... oder nicht. In der Regel muss man etwas nachhelfen. Mit einem isolierten Schraubendreher tipt man an die Spitze der Elektrode und zieht den Schraubendreher langsam zurück. Es wird sich ein Flammenbogen von Elektrode zum Schraubendreher ausbilden. Wenn das elektrische Feld nicht groß genug ist erlischt die Flamme wieder. Man muss nun am Poti Flammengröße eine höhere Spannung einstellen und das ganze nochmals versuchen.
Oftmals zündet die Flamme wenn man die Röhre etwa 2 Minuten nur mit der Heizspannung "anwärmt" und dann die Anodenspannung zuschaltet.
Sollte sich überhaupt keine Flamme ausbilden und alle Spannungen in Ordnung sein schwingt der Oszillator nicht und die Energie bleibt in der Röhre. Das merkt man sehr schnell, denn die Anodenbleche glühen dann im schönsten Rot und die Röhre ist hinüber wenn man das zu lange macht.
Jetzt wissen Sie auch wozu das kleine Loch in der Abschirmkugel ist. Man kann dort wenn alles zusammengebaut ist den kleinen Schraubendreher zum Zünden durchstecken.

Betrieb in Bildern

Nachfolgend ein paar Bilder aus dem Betrieb. Das linke Meßgerät in den Bildern ist das Amperemeter, das rechte Instrument das Voltmeter. Die Meßgeräte sind in die Anodenstromleitung eingeschleift und messen die Eingangsleistung der HF Stufe.

Die Kamera kann die volle größe der Plasmaflamme nicht wiedergeben. Sie ist in Realität etwa 20% größer.

Die Röhre funktioniert übrigens noch. Versuchen Sie das mal mit einem Transistor !
Die oben angegebenen Spannungen und Ströme sind als Anhaltspunkte zu verstehen. Sie schwanken je nach Röhre.

Nachbauten

• Vorderansicht / front
• Rückansichtt / rear
• geöffnet von oben / open top
• geöffnet von rechts / open right
• geöffnet Ausschnitt / open detail

Bilder

Viele Anfragen kamen zum Aufbau der Resonanzspule, deshalb hier noch einige Bilder.

Schluß

P.S. Wenn Sie Bilder von Plasma Hochtönern haben sollten, würde ich mich über eine Kopie freuen.