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VTTC-3: HF-Röhren-Teslaspule mit Eimac 4-250A Senderöhre

HF-VTTC mit Eimac 4-250A Leistungs-Tetrode                                                                HF-Plasmaflamme                   

In letzter Zeit habe ich mich etwas intensiver mit Röhren-HF-Oszillatoren beschäftigt. Aus diesem Interesse ist die nachfolgende, kleine HF-Teslaspule entstanden. Als Grundlage für den Bau diente mir in erster Linie dieses Schema eines Plasmaspeakers:

http://fpgames.de/fpg/img/Tesla/Plasmatweeter/Plasmaspeaker-250W.jpg

Die Schaltung wurde jedoch zwischenzeitlich noch etwas meinen Bedürfnissen angepasst und wird es in Zukunft sicher noch mehr. Für die Zukunft ist ausserdem der Betrieb mit Audiomodulation geplant.

Senderöhre Eimac 4-250A

Das nebenstehende Bild zeigt das Herzstück dieser Schaltung, eine kleine Eimac Sende-Tetrode. Diese im Verhältnis zu ihrer Grösse sehr leistungsfähige Röhre hält im selbstschwingenden Oszillatorbetrieb einer  Anodenspannung von bis zu 4kV stand und liefert je nach Bedingungen bis zu einigen hundert Watt HF-Leistung. Die Heizspannung für diese Röhre beträgt 5V bei einem Strom von 14A. Allerdings ist eine relativ aufwendige Kühlung notwendig. Einerseits muss der Sockel gekühlt werden, sobald die Heizspannung anliegt, andererseits muss bei Extrembelastungen auch der Glaskolben mit einem leichten Luftstrom umflossen werden. Zudem sollte am Anodenanschluss ein Kühlblech angebracht werden, um die Wärme des Anodenblechs ableiten zu können. Das Datenblatt zu dieser Röhre findet man hier:

http://tubedata.itchurch.org/sheets/088/4/4-250A.pdf

Man muss jedoch anmerken, dass die Röhre leistungsmässig definitiv nicht mit der bei den anderen VTTCs verwendeten GU81M mithalten kann.

Anodenspeisung

Das Netzteil für die Gewinnung der Anodenspannung besteht aus einem Mikrowellentrafo mit einer Leistung von ca. 750W und einer Ausgangsspannung von rund 2kV AC, 50Hz. Es folgt ein Hochspannungsbrückengleichrichter, bestehend aus vier Strängen mit je 14 Dioden BY255 in Serie. Durch die Überdimensionierung dieser Diodenstränge sind keine Ausgleichswiderstände erforderlich. Die Dioden wurden einfach mit Heisskleber in Kunststoffinstallationsrohre eingegossen. Nach dem Brückengleichrichter kommt das Elko-Board zum Glätten der Anodenspannung. Es besteht zur Zeit aus 9 Elektrolytkondensatoren mit je 470µF / 400V in Serie, was eine Gesamtkapazität von rund 52µF ergibt bei einer Spannungsfestigkeit von 3600V DC. Die Kapazität von 52µF hat sich als eher knapp herausgestellt. Evt. muss diese durch überbrücken eines oder zweier Kondensatoren auf dem Board noch etwas erhöht werden, für eine noch bessere Glättung. Es werden für diese Spule ohnehin nie volle 3600V benötigt.

HF-Spulenteil

Auf dem nebenstehenden Bild ist die Spule selber zu sehen. Rechts der ziemlich hochfrequente Resonatorteil (Resonanzfrequenz beträgt knapp 18MHz!), bestehend aus einem Keramikspulenkörper, gewickelt mit Silberdraht. Diese Spule lag noch in einer meiner Bastelkisten rum. Sicher könnte man auch eine Kupferwicklung auf ein Kunststoffrohr aufbringen, aber durch die hohe Frequenz tendiert eine solche Spule immer dazu relativ schnell heiss zu werden, was durchaus den Spulenkörper zum Schmelzen bringen kann. Ein kleines Kupferblech (auf der Rückseite des Resonator) liefert die kapazitive Rückkopplung des Signals und führt zum Gitter 1 der Röhre.

Der Trafo mit dem blauen Draht stellt die Heizspannung (5V / 14A) für die Röhre zur Verfügung. Bei der Röhre handelt es sich um eine Eimac 4-250A Sende-Tetrode mit thorierter Wolframanode. Diese müsste eigentlich unbedingt am Sockel gekühlt werden, selbst wenn nur die Heizung eingeschaltet ist. Eine entsprechende Kühlung befindet sich bereits in der Bauphase.

Die grüne Spule links hinten dient dazu, die HF von der Speisung fernzuhalten. Sie sollte im Idealfall die gleiche Resonanzfrequenz aufweisen wie der Resonator, um eben genau diese Frequenz zu sperren (Sperrkreis). Zwischen Anodenspeisung und grüner Sperrdrossel ist ein goldener 33Ohm-Leistungswiderstand eingebaut, um den Strom zu begrenzen und damit die Röhre zu schonen.

Der kleine Print rechts unten in der Ecke stellt die geglättete Schirmgitterspannung für die Röhre zur Verfügung. Diese geht über die beiden aufgestellten, parallel geschalteten 1,5kOhm-Leitungswiderstände auf das Gitter 2 der Röhre.

Nachfolgend mal noch ein erstes Bild vom Betrieb der Spule, allerdings noch ohne Kühlung der Röhre, daher war nur kurzzeitiger Betrieb möglich:

First-Light: Ruhig brennende Plasmaflamme bei knapp 18MHz

Die Flamme ist nicht grösser als etwa 3 bis 5cm, aber das bei einer Frequenz von fast 18MHz! Sie brennt eigentümlich ruhig, ähnlich einer Kerzenflamme. Bei Luftzug flackert sie ebenfalls wie eine typische Kerzenflamme. Leider sieht man aufgrund des vorherrschenden Tageslichts nicht sooo viel von der Entladung.

Wie geht es weiter mit diesem kleinen Teslaspulenprojekt? Zuerst muss für eine adäquate Kühlung des Röhrensockels gesorgt werden. Dies ist zwar nicht ganz einfach bei dieser Röhre, aber es besteht bereits eine noch sehr provisorische Lösung für das Problem. Mehr dazu später. In Zukunft ist dann geplant, die Spule per Audiomodulation zu betreiben, sodass die Plasmaflamme Musik wiedergeben kann. Das Audiosignal soll mittels eines kleinen 100V-Audio-Übertragers an Gitter 2 eingespeist werden.

Stand 16.07.2011:

Die Kühlung für die Röhre wurde nun fertiggestellt. Der Aufbau ist sehr simpel gehalten. Auf vier Abstandshaltern steht ein Lüfter, auf welchem ein leeres Lüftergehäuse eines identischen Lüfters montiert wurde als Abstandshalter, damit die Röhrenanschlusstifte und die Anschlusskabel für Heizung, Schirmgitter und Feedback Platz finden. Darüber eine gebohrte Platine, welche nicht nur Luft in den Sockel der Röhre selber bläst, sondern auch durch die zahlreichen Lötbohrungen eine feinen Luftstrom um den Glaskolben der Röhre ermöglicht. Die Kühlung funktioniert nun nach anfänglichen Schwierigkeiten sehr gut.

Die nachfolgenden Bilder zeigen den Aufbau der Sockelkühlung für die Röhre:

Kühlung Eimac 4-250A

Und hier noch der aktuelle Aufbau (leider noch mit etwas viel provisorischen Verbindungen:

VTTC-3: Aufbau

Einige Erkenntnisse aus dem Betrieb der Spule: Die Frequenz, mit der die Schaltung schwingt, hat einen absolut entscheidenden Einfluss auf die Flammgrösse. Mit nur einem kleinen Topload, welches die Resonanzfrequenz des Sekundärkreises etwas absenkte, wurde bereits die doppelte Flammgrösse (ca. 6cm) möglich. Wenn also eine möglichst lange HF-Entladung angestrebt wird, empfiehlt es sich durchaus, einen nicht zu hochfrequenten Resonator zu verwenden (20MHz ist zu viel). Was sich aber auch zeigt ist die Tatsache, dass eine grössere Flamme auch stärker zu Flackergeräuschen und unruhigem Brennen tendiert als eine kleine Entladung. Daher denke ich, für Audiomodulation ist eine kleinere Flamme eher mehr wert.

Der Resonator verursachte bei mir übrigens erhebliche Störungen bei den umliegenden Geräten. So funktionierte beispielsweise die Temperaturregelung meiner Lötstation absolut nicht mehr, wenn die Spule in Betrieb war, jedenfalls  in einem Umkreis von ca. einem Meter um den Resonator herum. Interessante Probleme ergaben sich auch für den Lüfter der Röhrenkühlung, wenn dessen Speisekabel nahe am Resonator vorbeiführten. Beim hochdrehen der Anodenspannung lief der Lüfter durch die HF-Einstreuungen plötzlich langsamer als sonst. Dies konnte jedoch durch günstigeres Verlegen der Lüfterspeiseleitungen verhindert werden. Grundsätzlich ist auch die Frage, wie gesund Experimente mit einem solch hochfrequenten und dennoch leistungsfähigen Aufbau wirklich sind. Ich werde die Betriebszeiten wohl eher kurz halten.

Fazit: Leider wird wohl aus der Audiomodulation bei dieser Spule eher nicht viel. Der Lüfter macht zuviel Lärm und auch ein paar andere Feinheiten sind nicht so ganz optimal. Um ernsthaft mit Audiomodulation zu experimentieren, müsste ich den Aufbau stark verändern, weil einfach vieles noch ziemlich undurchdacht ist. Es wäre vermutlich der kleinere Aufwand, den kompletten Spulenteil neu aufzubauen. Bei dieser Gelegenheit würde ich dann jedoch auch gleich eine stärkere Röhre verwenden (GU81M). Auf jeden Fall würde ich heute wesentlich mehr Platz für den gesamten Aufbau einrechnen, speziell für den Resonatorteil. Die Spule war aber dennoch eine äusserst interessante Erfahrung im MHz-Bereich, die sich auf jeden Fall gelohnt hat. Die Entladungen sind sehr speziell und nicht mit herkömmlichen, relativ niederfrequenten TC-Entladungen zu vergleichen. Mit der Fusspunktspeisung lassen sich überdies einfacher beeindruckende Resultate erzielen als mit einer herkömmlichen VTTC mit Meissneroszillator. Man hat hier nicht so viele Einflussfaktoren wie bei einem Meissneroszillator mit magnetisch-induktivem Feedback.

Und nun noch ein Bild beim Betrieb mit kleinem Topload:

Plasmaflamme der VTTC-3, Flammeartige HF-Entladung im MHz-Bereich

Entladung im Dunkeln:

=> Falls ich mit dieser Spule mal noch Audiomodulation testen werde, so folgen hier weitere Ergebnisse.