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Das weiterentwicklte Plasma-Hochtönersystem BLACK CAT PLASMA
Zuerst einige Hinweise zur Sicherheit
- Die im Folgenden beschriebenen Schaltungen arbeiten mit lebensgefährlicher Hochspannung
- Bereits eine Annäherung an spannungsführende Teile reicht für einen tödlichen Stromschlag aus
- Hochfrequente Hochspannung kann schwere Verbrennungen durch Plasmaentladungen verursachen
- Hochfrequente Ströme durch den Körper sind nicht wahrnehmbar, sie können daher zunächst unbemerkt zu inneren Verbrennungen führen
- Die Oszillatorschaltung erzeugt eine HF-Leistung von ca. 50W. Um Störungen von Funkdiensten und elektronischen Geräten zu vermeiden darf sie nur in einem Abschirmgehäuse betrieben werden
- Der HF-Blockkondensator zwischen Anode und Tesla-Coil muß eine ausreichende Spannungsfestigkeit und Strombelastbarkeit aufweisen, bei einem Versagen dieses Kondensators steht die lebensgefährliche Anodengleichspannung an der Elektrode an.
Dies ist kein Projekt für Anfänger. Aufbau und Inbetriebnahme dieser Schaltungen darf nur durch Personen erfolgen, die über ausreichende Erfahrung im Umgang mit Hochspannung und Hochfrequenz verfügen. Es müssen alle notwendigen Sicherheitsmaßnahmen zur Vermeidung von Stromschlägen und HF-Abstrahlung eingehalten werden.
Weiterführende Informationen
- Ausführliche Dokumentation (PDF, 14,9 MB)
- Vollständiges Schaltbild des Modulationsverstärkers (PDF, 33,1 KB)
Dieses Schaltbild ist inhaltlich vollständig, aber zum Zwecke der Übersichtlichkeit vereinfacht in dem Sinne, dass nicht bestückte Bauelemente, die aber im Leiterplattenlayout vorhanden sind, weggelassen wurden und nachträglich eingefügte Bauelemente und Verbindungen so gezeichnet sind, als ob sie von Anfang an vorhanden gewesen wären; durch Parallelschaltung zusammengesetzte Bauelemente wurden als ein einziges Bauteil gezeichnet
Dieses Schaltbild enstpricht exakt dem Layout der Leiterplatte, die Layoutdaten sind aus ihm generiert worden. Nachträgliche Änderungen sind als solche erkennbar, nicht bestückte Bauelemente, die auf der Leiterplatte vorhanden sind, sind auch im Schaltbild dargestellt. Man braucht diesen Schaltplan, wenn man mit den hier zum Download bereitstehenden Gerber-Daten eine Leiterplatte herstellen und aufbauen will.
- Gerber-Daten der Leiterplatte Modulationsverstärker / Netzteil (ZIP, 282,5 KB)
- Bestückungsplan Teil 1 (PDF, 94,6 KB)
- Bestückungsplan Teil 2 (PDF, 146,7 KB)
- Stückliste Modulationsverstärker (EXCEL) (XLS, 45,0 KB)
- Stückliste Oszillator (EXCEL) (XLS, 30,0 KB)
- Stückliste Weichenbox (EXCEL) (XLS, 17,0 KB)
- Den Autor dieser Seite können Sie unter hw@tigris.de kontaktieren.
Wichtiger Hinweis: Die hier zum Download angebotenen Informationen sind nur zur Nutzung für Unterrichts- und Ausbildungszwecke und für den privaten Selbstbau bestimt. Eine gewerbliche Nutzung ist, ohne vorherige diesbezügliche Absprache, nicht gestattet.
Faszination Plasma-Schallwandlung
- Keine mechanisch bewegten Teile
- Brilliante und räumlich definierte Hochtonwiedergabe
- Ortbarkeit durch kugelförmige Rundum-Abstrahlung
- Obere Grenzfrequenz weit außerhalb des Hörbereichs
- Unter den Bezeichnungen Plasma-Hochtöner, Ionenhochtöner, Plasmatweeter, Ion-Tweeter, Plasmalautsprecher bekannt
- Schallwandlung mit einer Plasma-Entladung
- © TUB/EMSP
Das übergeordnete Ziel
- Musik lebendiger erleben
Das konkrete technische Ziel
- Praktisch anwendbares Plasma-Hochtönersystem mit höchstmöglicher Wiedergabequalität
- Einsatz im Wohnbereich und für kleinere Klangkunst-Installationen
- Das System soll zu bestehenden Anlagen hinzufügbar sein
- Technologiestudie: Das Potential der Technologie soll ausgelotet und dargestellt werden
- Keine kostenmäßige Optimierung
Der Ausgangspunkt
- Im Sommersemester 2006 wurde in der LV "Mixed Signal Baugruppen" ein einfacher Plasmahochtöner zur Demonstration dieses Prinzips der Schallwandlung gebaut
- Das klangliche Potential erschien beachtlich
- Aber: Begrenzung der Klanggüte durch HF-Störaussendung und verschiedene Schwachpunkte im Modulationsverstärker
- Der Demo-Aufbau aus dem Sommersemester 2006
- © TUB/EMSP
- Es existieren bereits verschiedene Selbstbauprojekte und kommerziell erhältliche Plasmahochtöner
- Aber: meist nur gerichtete Schallabgabe durch Horntrichter
- Räumllich kompakter Aufbau des Abschirmgehäuses mindert Güte des Schwingkreises
- Die verwendeten Modulationsverstärker haben oft kein optimales Übertragungsverhalten
- Der Modulationsverstärker wird meist "hinter" der "normalen" Endstufe betrieben, dadurch Addition der Übertragungsfehler beider Verstärker
- Kommerzieller Plasma-Hochtöner mit Horntrichter
- © TUB/EMSP
Die Ideen
- Aufbau des Plasma-Hochtöners in einem "geräumigen", allseits schalldurchlässigen Faradayschen Käfig aus Gittermaterial für kugelförmige Schallabstrahlung mit daraus folgendem plastischen Klangerlebnis
- Erhöhung der HF-Leistung durch HF-gerechten Aufbau mit geringen Wirbel- und Blindstromverlusten, damit auch ohne Horn ausreichende Lautstärke
- Sorgfältige Schirmung und Filterung zur Vermeidung von Klangverzerrungen durch HF-Demodulation in der NF-Signalkette
- Modulationsverstärker mit sehr hoher oberer Grenzfrequenz und kleinem Klirrfaktor
- Anschaltung des Modulationsverstärkers über Hochpass parallel zum Eingang des Endverstärkers für Mitten und Tiefen
Das Prinzip
- Spannungsüberhöhung am oberen Ende der Tesla-Coil bei Eigenresonanz der Tesla-Coil ( ca. 10kV bei ca. 20 MHz)
- Feldkonzentration an der Elektrode
- Hohe Verschiebungsstromdichte führt zur Ionisation der Luft
- Es bildet sich eine Plasmaflamme
- Amplitudenmodulation führt zur Variation der Flammengröße mit dem Audio-Signal
- Änderung der Flammengröße führt zu Luftdruckschwankungen und damit zu Schallwellen
- Plasma-Entladung
- © TUB/EMSP
Warum Einsatz von Elektronenröhren?
- Problemlose Beherrschung von Spannungen im kV-Bereich im Plasmagenerator
- Leistungslose Steuerung bei hoher Eingangsimpedanz
- Keine Zerstörung bei kurzzeitiger Überlastung
- => Damit elegente Realisierung des Plasmagenerators mit wenigen Bauteilen möglich
- Exzellente Übertragungseigenschaften bei geringem Schaltungsaufwand im Modulationsverstärker
- Problemlose Bereitstellung hoher Ausgangsspannungen
- Elektronenröhren im Einsatz
- © TUB/EMSP
Der Oszillator
- Mitkopplung durch kapazitiven Abgriff der Spannung an der Elektrode
- Oszillatorfrequenz dadurch immer gleich der Eigenfrequenz der Tesla-Coil
- Modulation durch Variation der Schirmgitterspannung mit dem Audio-Signal
- Mit steigender Schirmgitterspannung steigt die Verstärkung der Oszillatorröhre => mehr HF-Amplitude
- Versorgung mit 700V
- Der vollständige Schaltplan des Oszillators
- © TUB/EMSP
- Der Aufbau des Oszillators
- © TUB/EMSP
- Plasmaentladung mit ca. 10kV bei ca. 20 MHz
- © TUB/EMSP
- Hohe Feldstärke: Vor Zündung der Entladung leuchtet kapazitiv gekoppelte Glühlampe 28V/40mA in ca. 8 cm Entfernung von der Tesla-Coil hell auf
- Das "drahtlos" leuchtende Anzeigelämpchen
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Die Abschirmung
- Faradyscher Käfig aus Gittermaterial
- Hinreichender Abstand von der Tesla-Coil, nur noch 5% des Magnetfelds am Ort der Abschirmung wirksam
- Daher keine relevanten Ströme in der Abschirmung (Kurzschlusswindung / Wirbelströme)
- Filterung aller elektrischer Verbindungen mit Durchführungskondensatoren / Drosseln
- Die Abschirmung
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- Die Filterbauelemente
- © TUB/EMSP
Der Modulationsverstärker im Parallelbetrieb
- Paralleler Betrieb der Verstärker für Plasma-Hochtöner und Mittel/Tieftonlautsprecher
- Damit keine Summation der Übertragungsfehler beider Verstärker
- In der Praxis ist eine Grenzfrequenz des Hochpasses von ca. 10 kHz optimal
- Damit k2 (nicht störend) im Bereich der Hörgrenze, k3 nicht mehr hörbar
- Das Prinzip des Parallelbetriebs
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Der Modulationsverstärker
Die Eigenschaften
- Operationsverstärker in Röhrentechnik
- Vollsymmetrischer Aufbau aller Stufen
- Eingangs- und Spannungsverstärkerstufen als Differenzverstärker
- Ausgangsstufe als Push-Pull-Stufe
- Da Last bekannt ( 1nF II 3 kOhm): Optimierung der Push-Pull-Stufe mit Lastkompensationsglied
- Das Prinzip des Modulationsverstärkers
- © TUB/EMSP
Das vollständige Schaltbild des Modulationsverstärkers zum Download (PDF, 33,1 KB)
Gemessene Werte (mit externer Last 1nF und interner Last 3kOhm)
- Ausgangsspannung (bis 50 kHz) 130Vpp max.
- Kleinsignal-Bandbreite (-3dBU / 20Vpp) 8 Hz .. 300 kHz
- Klirrfaktor (60 Hz bis 20 kHz) < 0,02 %
- Intermodulation (200 Hz 1Vpp Input / 5 kHz 0,25Vpp Input; bis 2.Ordnung) 0,01%
- Differenztonfaktor (900 Hz, 1 kHz 1Vpp Input) 0,009%
- Signal-Rauschabstand (A-bewertet, Bezug Input 1Vpp) -118 dBu
- Messungen wurden teilweise mit Dscope-Messsystem ausgeführt
Die Ausführung
- Modulationsverstärker und Stromversorgung für jeweils einen Kanal als gemeinsame Baugruppe
- "Offenes" Design macht Technik sichtbar
- Der Aufbau des Modulationsverstärkers
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Dieses Bild in höherer Auflösung (JPG, 194,1 KB)
- Detailansich der Leiterplatte: Verstärkerstufen sind direkt erkennbar
- Detailansicht der Leiterplatte des Modulationsverstärkers
- © TUB/EMSP
- Ausschnitt aus der Leiterplatte des Modulationsverstärkers
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Einige Details
- Stabilisierung aller Versorgungsspannungen mit Halbleitern
- Hohe Leerlaufverstärkung (4200; 5kHz externe Last 1nF) und geringe Verstärkung mit Gegenkopplung (50)
- Stabilität des Verstärkers erfordert besondere Maßnahmen
- Zusätzlicher Gegenkopplungspfad für hohe Frequenzen vor der 4. Stufe verhindert hochfrequentes Schwingen
- Erhöhung der unteren Grenzfrequenz an EINER Stelle (zwischen 1. und 2. Stufe) vermeidet tieffrequentes Schwingen
- Das Prinzip der Gegenkopplung mit zwei Signalwegen
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Die Weichenbox
- RC-Hochpass erster Ordnung für geringste Phasenverzerrung
- Lautstärke des Plasma-Hochtöners an Weichenbox einstellbar
- Bedienung entspricht der eines klassischen Klangreglers
- Verbindungskabel zu Modulationsverstärker nicht länger als 1m und mit Spezialkabel 60 pF/m
- Der Schaltplan der Weichenbox
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Messungen am Gesamtsystem
Kapazitive Auskopplung und Demodulation der HF
- Auskopplung mit Elektrode in Faradayschem Käfig
- Demodulation mit Germaniumdiode
- Der Schaltplan der verwendeten Auskoppel- und Demodulatorschaltung
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Es wird nun der Weg eines Signals durch die Kette Modulationseingang => HF => Demodulator "verfolgt":
- Das Ausgangssignal des Modulationsverstärkers 130Vpp (Tastkopf 1 zu 100, GND unterste waagrechte Gitternetzlinie 100V / DIV; 50us / DIV)
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- Demodulierte Hf (Tastkopf 1 zu 100, AC-Messung, 2V / DIV; 20us / DIV) Kein direkter Kontakt mit der Schaltung,
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- Das Ausgangssignal des Demodulators 3,84Vpp (Tastkopf 1 zu 100, GND unterste waagrechte Gitternetzlinie 1V / DIV; 50us / DIV)
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Akustische Vermessung in der Prüfhalle des Fachbereichs Technische Akustik der TU-Berlin
- Der Messaufbau zur akustischen Vermessung
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- Der Frequenzgang steigt bis hin zu 20 kHz (Grenze der Messmöglichkeit) mit 16 dB pro Dekade an
- Grund: unterhalb von 20 kHz ist die Größe der Flamme kleiner als die Wellenlänge des Schalls
- Abstrahlung steigt dann mit dem Verhältnis der Wellenlänge zur Länge der abstrahlenden Struktur an
- Der akustische Frequenzgang
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- Die Richtcharakteristik ist im wesentlichen kreisförmig
- Bei 1kHz (Wellenlänge groß gegenüber vorhandenen Hindernissen) absolute Kreisförmigkeit
- Bei höhren Frequenzen leichte Abschattungen durch Stützstreben und Halterungen erkennbar
- Die akustische Richtcharakeristik
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