Das Projekt

Abb.14: Der gebaute Ionenlautsprecher ohne Verdeck

    Ziel dieses Projektes ist es einen einfachen Ionenlautsprecher zu bauen, anhand dessen diese besondere Art der Schallwandlung demonstriert und veranschaulicht werden kann. Um einen solchen Lautsprecher alltagstauglich zu machen wäre noch ein langer Reifeprozess nötig.

Abb.15: Schaltplan

    Die Schaltung arbeitet mit einer Betriebsspannung von 600 und 300 Volt Gleichspannung. Die hochfreqente Hochspannung an der Elektrode wird durch einen Serienschwingkreis erzeugt, wobei die Elektrode auf dem Potential zwischen Kapazität und Induktivität liegt. Hier kommt die hohe Wechselspannung und der hohe Wechselstrom zustande die nötig sind, damit sich an der Spitze die Plasmaflamme ausbildet.  Die Induktivität L1 und die Kapazität C1 sind die frequenzbestimmenden Elemente. Die Verstärkung erfolgt durch die Röhre V1. Am Widerstand R1 fällt die Wechselspannung des Schwingkreises ab. Die Rückkopplung erfolgt über das Steuergitter. Die Kathode wird auf Massepotential gehalten, ebenso wie das Bremsgitter. Der Kondensator C2 wird benötigt um die Gleichspannungen im Rückkopplungskreis zu blockieren. Die Spule L2 und der Kondensator C4 verhindern eine Hochfrequenz-Rückspeisung in das Netzteil.
    Die Gitterspannung am Schirmgitter bestimmt die Amplitude des Hochfrequenzschwingkreises, und somit auch die Flammengröße. Deshalb spricht man auch von einer Schirmgittermodulation. Somit ändert sich auch die im Reihenschwingkreis pendelnde Energie, was sich direkt proportional auf das Volumen der Flamme auswirkt.
    Über das Schirmgitter nimmt die Röhre auch einen Strom von 40 bis 70 Milliampere auf. Die Beschaltung des Schirmgitters erfolgt über die MOS-Fet-Stufe mit V2. Der Gleichspannungsanteil wird durch das Potentiometer R5 gesteuert. Es wird dadurch also die Flammengröße eingestellt. Die Gate-Spannung kann hier so beeinflusst werden, dass die Gleichspannung am Gitter zwischen 70 und 150 Volt eingestellt werden kann.
    Der Kondensator C3 bildet einen Hochfrequenzkurzschluss.
    Die Zenerdiode V3 dient zur Sicherheit, damit die Spannung am Gate nie um 12 Volt größer wird als die Spannung an Source, was den MOS-Fet zerstören könnte.
    Das Musiksignal wird eingangs durch den Übertrager T1 vom Rest der Schaltung galvanisch getrennt. Die übertragene Wechselspannung fällt am logarithmischen Potentiometer R8 ab. Mit dessen Schleifer ist die Lautstärke einstellbar. Das Signal wird direkt zwischen Gate und Source am MOS-Fet V2 angelegt. Über den  Kondensator C5 wird das Musiksignal der Gate-Gleichspannung überlagert.
    Die Röhre PL519 muss mit einer Effektivspannung von 40V geheizt werden. Der Strom beträgt ca. 300 Milliampere.

Abb. 16: Aufbau von oben

    Das Gehäuse hat fünf wichtige Aufgaben zu erfüllen:
    1.Schutz vor Berührungen mit hohen Spannungen
    2.Mechanische Stabilität
    3.Elektromagnetische Abschirmung
    4.gute Kühlung
    5.Hochtondurchlässigkeit
    Die Grundplatte besteht aus einem 2 Millimeter dicken Eisenblech. Das Innere wird von zwei Aluminiumblechen in drei Kammern unterteilt. Eine für das Netzteil, eine für den Hochfrequenzteil und eine für den Rest der Schaltung mit der Hauptplatine. Der Deckel besteht aus einem Lochblech mit einer Stärke von einem Millimeter und einem Lochdurchmesser von 3 Millimetern. Größere Löcher würden ein Austreten der elektromagetischen Wellen erlauben. Die Elektrode führt durch eine 50 Millimeter große Öffnung in die am Deckel befestigte Drahtkugel. Innerhalb dieser Kugel bildet sich dann die Plasmaflamme aus.
    An der Vorderseite befinden sich neben dem Hauptschalter S1 noch zwei weitere Schalter mit Kontroll-LED für das separate Zuschalten der 300-Volt-  und der 600-Volt-Betriebsspannung. Weiters sind das Potentiometer zur Steuerung der Flammengröße (R5),  das Potentiometer zur Steuerung der Lautstärke (R8), und der Taster für den Startvorgang (S2) von der Vorderseite aus bedienbar.
    An der Hinterseite sind die Anschlüsse für Netzspannung und Musiksignal vorgesehen.

Abb.17: Gehäuse, Drahtkugel, Kugelöffnung von unten

Abb.18: Schaltplan des Netzteils

    Die Versorgung der Schaltung  mit Gleichspannungen von 300 und 600 Volt erfolgt mittels der sogenannten Verdopplerschaltung. Die positive Halbwelle der 230-Volt-Netzspannung wird von der Diode V4 durchgelassen und lädt den Elektrolyt-Kondensator C6. Die negative Halbwelle wird von der Diode V5 durchgelassen und lädt den Kondensator C7. Die Widerstände R9 bzw. R10 ermöglichen ein Entladen der Kondensatoren. Somit kann sich das Netzteil von selbst entladen. Wie die folgende Grafik zeigt, ist die Netzteilspannung nach einer Minute knapp unter 100 Volt, nach zwei Minuten sind keine gefährlichen Spannungen mehr auf dem Netzteil vorhanden. Werden Arbeiten am Gerät vorgenommen ist es unbedingt erforferlich diese Entladezeit abwarten, bevor Eingriffe vorgenommen werden.

Abb.19: Entladevorgang des Netzteils

    Diese Grafik zeigt das Entladen des in Leerlauf betriebenen Netzteils. Ist das Netzteil an die Schaltung angeschlossen entlädt es sich etwas schneller.
    Der Leistungswiderstand R11 begrenzt den Strom beim Einschalten. Denn im Anfangszustand sind die beiden Elektrolytkondensatoren noch entladen, und es fällt keine Spannung an ihnen ab. So kann im ungünstigsten Fall, eine kurzzeitige Stromspitze von über 100 Ampere fließen.
    Zur Versorgung der Röhrenheizung und der Startvorrichtung liefert der Transformator T2 eine 40-Volt-Wechselspannung. Die Leistung für die der Transformator ausgelegt ist beträgt 12 Voltampere. Der Kondensator C8 bildet einen Kurzschluss für mögliche Hochfrequenzspannungen.

    Dieser Teil der Schaltung stellt die größten Schwierigkeiten dar. Wegen der hohen Frequenz und der hohen Spannnung treten hier viele Effekte auf, die oftmals nur schwer zu ahnen oder zu unterdrücken sind. Änderungsmaßnahmen zur Verbesserung dieses Schaltungsteils müssen deshalb meist empirisch ermittelt werden und hängen oft von sehr geringfügigen Änderungen ab.
    Der Hochfrequenzteil besteht aus dem Serienschwingkreis mit der Elektrode und Rückkopplungsschleife (C1), der Resonanzspule L1, der UKW-Drossel L2, dem Klasse-Y-Kondensator C2 und der Röhre V1. Der Röhrensockel ist an der Zwischenabtrennung des HF-Teils befestigt, so dass die Röhre waagrecht vorliegt. Die Röhre PL519 hat den Anodenanschluss an der Oberseite der Röhre. Von dort aus erfolgt direkt der Anschluss der Resonanzspule. Diese hat 19 Windungen bei einem Durchmesser von ca. 40 Millimeter und einer Kupferdrahtstärke von 1,5 Millimeter. Als Elektrode wird eine Wolframelektrode vom Elektroschweißgerät verwendet. Die Spitze sollte eher etwas abgerundet sein, damit die Spitze nicht so schnell oxidiert. Die Rückkopplungsschleife besteht aus einem 15 Millimeter breiten Blechstreifen, der mit einem Radius von ca. 6 Millimeter eine nicht ganz geschlossene Schleife bildet. Nicht ganz geschlossen deshalb, damit weniger Wirbelströme in der  Rückkopplungsschleife auftreten. Der Blechstreifen ist über eine kleine Platine am Gehäuse befestigt. Dort ist auch der Kondensator C2 befestigt, von wo aus die Leitung zurück zum Röhrensockel führt. Der Widerstand R1 und der Kondensator C3 sind direkt am Röhrensockel angebracht.

Abb. 20: HF-Teil

    Im Laufe der Entwicklung des Gerätes wurde der Hochfrequenzteil oft verändert. Anfangs wurde ein Keramikkörper verwendet, der die Resonanzspule, die Elektrode und die Rückkopplungsschleife trug. Mit dieser Variante wurde jedoch keine hohe Flammengröße erreicht und die Röhre begann nach kurzer Zeit rot zu glühen. Außerdem oxidierte die Kupferelktrode sehr schnell, und nach einiger Zeit Zündete die Flamme gar nicht mehr.

Abb. 21: alte Resonanzspule mit Elektrode und Rückkoppelungsschleife

    Der MOS-Fet V2 ist an der Zwischenabtrennung des Gehäuses befestigt damit er gut gekühlt wird. Der Rest der Schaltung (bis auf die zwei Potentiometer R5 und R8) findet auf der Hauptplatine Platz, welche die verschiedenen Schaltungsteile verbindet.

Abb.22: Foto Hauptplatine

    Ist der Oszillator angeschwungen, entzündet sich die Flamme noch nicht von alleine. Dazu muss erst ein Leiterstück in die Nähe der Spitze kommen, bzw. die Spitze berühren. Im Testbetrieb mit offenem Verdeck kann dies durch das Annäherns eines Schraubenziehers geschehen. Damit ein Start aber auch unter dem Verdeck möglich ist wurde ein vorschiebbarer Kupferdraht neben der Elektrode installiert. Wird die Taste S2 betätigt, tippt der Kupferdraht an die Spitze der Elektrode, was die Zündung auslöst. Für diese Vorrichtung wurde ein Leistungs-Relais so umgebaut, dass es im stromdurchflossenen Zustand mit dem Schaltblech den Draht etwas nach vorne neigt. Im passiven Zustand befindet sich der Kupferdraht an der Spitze ca. 10 Millimeter von der Elektrode entfernt und die Flamme kann ungestört brennen.

Abb.23: Foto Startvorrichtung

    Die Spannung für das Anziehen des Relais wird mittels eines Brückengleichrichters mit den Dioden V6 bis V9 von der Heizspannung der Röhre abgegriffen. Der Widerstand R12 begrenzt zusätzlich den Strom. Da die Startvorrichtung nichteinmal für eine Sekunde eingeschaltet werden muss um die Flamme zu zünden, wirkt sich diese kurzzeitige Reduzierung des Heizstromes  nicht merklich auf die Heizung der Röhre aus.

Abb.24: Beschaltung der Startvorrichtung

    Schaltet man das Gerät ein, muss erst die Röhre vorgeheizt werden. Ist dies nach ca. 30 Sekunden der Fall, beginnt der Oszillator zu schwingen, sofern die beiden Schalter zur Versorgung der Schaltung mit +300V bzw +600V eingeschaltet sind. Aber auch noch unmittelbar nach dem Einschwingen des Oszillators ist es noch zu früh für die Zündung der Flamme. Nach ca. 40 Sekunden nach dem Einschalten erzielt die Startvorrichtung durch Betätigen der Taste S2 ihre Wirkung. Die Flamme zündet. Jedoch ist sie anfangs noch kleiner als nach zwei bis drei Minuten im Betrieb.
    Die Flammengröße ist  mittels Potentiometer R5 einstellbar von zirka 6 bis 22 Millimeter.
    Die Frequenz des Schwingkreises stellt sich um die 40 Megahertz ein.
    Das Audiosignal sollte einen Pegel von zirka 4 Volt haben. Somit wird eine eher leise Zimmerlautstärke erreicht. Zudem ist der Klang sehr störanfällig. Neben der Musik ist ein leises aber kontinuierliches Brummen zu hören. Unter Umständen kann das Störgeräusch plötzlich lauter werden. Legt man seine Hand an das Gehäuse kann es auch wieder leiser werden.
    Nach einigen Minuten im Betrieb macht sich auch das Ozon bemerkbar. Betreibt man den Plasmahochtöner jedoch nur mit einer kleinen Flamme fällt diese Belastung kaum ins Gewicht.

Abb.25: Betrieb

Abb. 26: Betrieb mit halb bzw. voll ausgesteuerter Flamme

    Messung des Anodenstroms (IA) und der Betriebsspannung (UB) in Abhängigkeit von der Gleichspannung an Gitter 2.

Abb. 27: Anodenstrom und Spannung nach G2-Spannung

    Leider haben diese Messwerte so gut wie keine Aussagekraft, weil die Messgeräte von der Hochfrequenz-Spannung beeinflusst wurden. Mit Zeigermessinstrumenten dürfte dieser Effekt zu umgehen sein.

    In weiteren Schritten müsste man versuchen, die Störungen zu reduzieren. Dies könnte durch Maßnahmen wie das Anbringen von Ferritkernen oder Hochfrequenz-Perlen auf verschiedenen Leitungen sein.
    Auch die Lautstärke ließe sich wahrscheinlich noch erhöhen. Dazu wäre ein Eingangsübertrager mit einem anderen Übersetzungsverhältnis notwendig.