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DIY Plasma-Tweeter Eine Bauanleitung |
Last update November 2003 |
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Inhalt / Index
Schaltbilder Einleitung Etwas Theorie Baubeschreibung Bauteile Resonanzspule Betrieb Bilder Schluß |
Hinweis: Der Autor übernimmt keine Verantwortung für eventuelle Schäden die durch den Aufbau oder Betrieb des Gerätes entstehen. |
Update 01/2002 
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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 |
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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 Transistor Variante. Der HF Teil kann damit ohne Verzerrungen weiter ausgesteuert werden. Dadurch wird der Hochtöner lauter ! Das Eingangsteil verarbeitet eine effektive Eingangsspannung von ca. 2 V klaglos ( bei voll aufgedrehtem Eingangspoti ). 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 dann entsprechend eingestellt werden.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 man mit Gleichspannung heizen. Die Eingangsschaltung ist auf Grund der hohen Verstärkung etwas brummempfindlich. Jetzt ist es an der Zeit mal was an dem HF Teil zu verbessern. Joe Colin hat herausgefunden das man die Spule mit dickerem Draht für Hochfrequenz hochohmiger machen kann. Damit könnte die Röhre mehr Leistung abgeben und mehr Leistung bedeutet natürlich größere Lautstärke. Also freuen Sie sich auf das nächste Update ( wird aber ein Weilchen daueren ). |
Update 07/2001  |
Hallo, es hat etwas länger gedauert als ich gedacht habe. 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 Vollaus-steuerung. 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 |
| Schaltbilder |
Wenn Sie die Bilder geladen haben, können sie diese mit der rechten Maustaste sichern. Die Bilder sollten in einem eigenen Fenster erscheinen. |
| Netzteil |
Ich wurde vielfach nach der Netzteilschaltung gefragt, deshalb hier ein Vorschlag der preisgünstig zu bauen ist. Der Transformator ist ein preiswerter Trenntrafo 230V/230V mit 120 VA. Der Heizspannungstrafo wird je nach Röhren gewählt. Ein stabilisiertes Netzteil ist natürlich besser, aber meine Labormuster funktionieren alle mit dieser Schaltung. |
| 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. zurück zum Inhaltsverzeichnis |
| Das Prinzip ist eigentlich ganz einfach. Es handelt sich um einen Hochfrequenzoszillator der amplituden-moduliert wird. Das wird auch heute noch bei den Rundfunksendern im Lang, Mittel und Kurzwellenbereich so gemacht. Die Hochfrequenz, die bei den Rundfunksendern 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-spule. Hier wird auch die Elektrode angeschlossen. Durch die hohe Spannung an der Elektrode wird die Luft so stark ionisiert das dies als Plasmaflamme sichtbar wird. Das ionisierte Gas bezeichnet man auch als Corona. Der Oszillator wird mit dem Musiksignal amplituden-moduliert, was bedeutet, dass die höhe der Betriebsspannung des Oszillators sich im Takt der Musik ändert. 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. |
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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 |
Kommen wir zurück zum Plasmahochtöner.
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. |
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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. Die Anodenspannung muß allerdings im Bereich von 60V bis 120 V liegen. Es soll hier auch nur das Prinzip dargestellt werden. |
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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 :
Wie man sich leicht ausmalen kann werden die Probleme nicht unbedingt weniger. |
 Plasmakammer des Hill Plasmatronic |
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. Leider habe ich keine Unterlagen über diesen Lautsprecher. Ich weiss aus meinem Mailverkehr das es in den USA noch verschiedene Leute gibt die einen Plasmatronic besitzen. 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 einige Bilder der Plasmakammer im Web. Falls jemand Informationen über diese Exoten haben sollte würde ich mich über eine Kopie freuen. |
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Für das 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"
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Baubeschreibung
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. zurück zum Inhaltsverzeichnis |
| Bauteile 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 !).Die Drosselspule gibt es neuerdings auch bei Conrad Electronic. Man findet Sie aber nur im Profi Katalog auf Seite 664. Sie hat die Bestellnummer 50 19 10-08 und die Bezeichnung B82111-E-C25. Sie kostet DM 1,97.- plus MwSt. Man kann sie auch bestellen wenn man nur den "normalen" Katalog hat. Bei Bürklin gibt es sie unter der Bestell Nr. 74D4991 im Katalog 02/03. Die Bezeichnung ist: 100uH,1.0 Amp, 0.65 Ohm, 6.5x19mm. Kostet 1,10.- Euro. Den Keramik Spulenkörper gibt es nur bei Surplus Händlern oder auf Flohmärkten. Ob man als Röhre einen EL oder PL Typ einsetzt ist gleichgültig. Die Röhren unterscheiden sich nur bei den Heizspannungen. zurück zum Inhaltsverzeichnis |
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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. zurück zum Inhaltsverzeichnis |
 Video zum Sartvorgang (200 KB) |
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 nur die Röhrenheizung einschalten. Nach ca. 2 - 3 Minuten schaltet man die Anodenspannung zu. Mit etwas Glück entzündet sich eine Flamme ... oder nicht. Ich habe nur einmal Glück gehabt mit einer Röhre die eine sehr hohe Verstärkung hatte. Also 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 kann nun am Poti Flammengröße eine höhere Vorspannung einstellen und das ganze nochmals versuchen. 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 bald 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 (isoliert !) zum Zünden durchstecken. |
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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. |
| Mit den hier eingestellten Werten, 177 mA bei 576 Volt kommt man auf eine Eingangsleistung von 100 Watt. Die Werte stellen sich bei einer G2 Spannung an der EL519 von ca. 75 Volt ein. Das macht die Röhre noch klaglos mit und die Flamme ist etwa 12 mm hoch. |  |
| Bei 95 Volt Gitterspannung an G2 fließen 250 mA Anodenstrom die Anodenspannung beträgt 557 Volt. Die aufgenommene Leistung 140 Watt. Flammengröße etwa 15 mm. Das ist so etwa die Grenze für einen regulären Betrieb, je nach Aufbau werden die Anodenbleche schon leicht rot. |  |
| Bei 115 Volt Gitterspannung an G2 fließen 300 mA Anodenstrom, die Anodenspannung beträgt 539 Volt. Die aufgenommene Leistung ca. 160 Watt. Flammengröße etwa 18 mm. Hier bekommt die Röhre schon "dicke Backen" wie man in der "Fachsprache" sagt. Das bedeutet die Anodenbleche fangen an dunkelrot zu glühen. Dieser Betreibszustand sollte man nicht lange aufrechterhalten. Die Röhre leidet sehr darunter. |  |
| Bei 130 Volt Gitterspannung an G2 fließen 390 mA Anodenstrom, die Anodenspannung beträgt 504 Volt. Die aufgenommene Leistung ca. 196 Watt. Flammengröße etwa 20 mm. Nach 3 minütigem Betrieb in diesem Zustand glühen die Anodenbleche über die ganze Fläche hellrot. Schaut man genau hin kann man auf dem Foto erkennen das das Anodenblech an der Naht schon anfängt leicht rot zu werden. Macht man das ein etwas länger braucht man eine neue Röhre. |  |
| So sieht eine PL519 aus die über längere Zeit in einem Plasma Hochtöner überlastet wurde. Die Anodenbleche wurden so heiß das der Glaskolben geschmolzen ist und durch die Luftsäule eingedrückt wurde. Glücklicherweise habe ich es noch gemerkt und konnte eine Implosion verhindern. |  |
Die Röhre funktioniert übrigens noch. Versuchen Sie das mal mit einem Transistor ! zurück zum Inhaltsverzeichnis |
| Nachbauten Hier erscheinen die Links zu Leuten die diesen Plasma Hochtöner nachgebaut haben, versuchen Sie es einmal.http://www.geocities.com/ResearchTriangle/Thinktank/1866/plasma.htm Allessandro Galavotti hat einen Prototype gebaut. http://www.ece.villanova.edu/~cdanjo/plasma.html Die Seite von Colin, Joye. Er hat es auch geschafft und bringt in angeblich mit entsprechender NF Verstaerkung auf 98 dB http://www.hardcoreaudio.de Sebastian Mainka aus Paderborn hat ihn auch nachgebaut. Er hat sich sogar die Mühe gemacht eine Platine zu entwerfen. http://members.aol.com/andreragee Dies ist der Nachbau von Herrn Andrerage aus Frankreich. Allerdings in französisch, aber schöne Bilder vom Aufbau. http://homepages.ihug.co.nz/~andrewp/plasma_speaker.html Andrew Parsons aus Hamilton , New Zealand |
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Viele Anfragen kamen zum Aufbau der Resonanzspule, deshalb hier noch einige Bilder. 
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Das war's denke ich. Falls noch etwas unklar ist und ich noch etwas näher erklären sollte bitte ich um entsprechende Zuschriften. Diese Beschreibung lebt ab jetzt von Ihren Anregungen !
P.S. Wenn Sie Bilder von Plasma Hochtönern haben sollten, würde ich mich über eine Kopie freuen. |
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