Plasma Tweeter construction and repair
Menü

Plasma Hochtöner selbstgebaut

Sie sollten gebührenden Respekt haben ! - und zwar vor hohen Spannungen und Hochfrequenzleistung. Darum geht es hier nämlich.

Wer sich nicht sicher fühlt beim Umgang mit hohen Spannungen und gerade so einen Lötkolben halten kann ist hier nicht Richtig. Die Schaltung arbeitet mit ca. 320V bei 300mA und damit ist nicht zu spaßen. Die Spannung ist stabilisiert und bricht auch nicht zusammen wenn man da zufällig einmal hinlangen sollte. Berührung bedeutet unter Umständen den Tod. Die erzeugte Hochfrequenz sollte man auch nicht an die Finger bekommen, das gibt häßliche Verbrennungen und ist lange äußerst schmerzhaft. Das kleiste Übel ist die Hitze an der Röhre oder der Plasmakammer im Quarzglas. Sind es doch nur 1200° C.

Ich schreibe es hier noch einmal explizit. Jeder ist für sich selbst verantwortlich und ich übernehme keine Verantwortung für die Dinge die Sie nach lesen dieser Beschreibung tun.

 

 

Der Hochtöner kann bis in den Mitteltonbereich spielen, aber hören Sie selbst !

Vielleicht traut sich ja jemand an die Sache ran?

Ich bin der Meinung dass, wenn heutzutage noch jemand den Mut, die Lust und die Fähigkeiten mitbringt anspruchsvolles HIFI selbstzubauen, darf es auch einmal etwas nicht alltägliches sein. Ich beobachte das der Trend immer weiter zur digitalen Signalverarbeitung geht, auch im Boxenbau. Ein krummer Frequenzgang wird einfach elektronisch geradegebogen, ob das am Ende der "richtige" Klang ist darf jeder für sich selbst entscheiden. Ein paar digitale Chips zusammenlöten kann heute fast jeder und wenn 0 und 1 zusammenpassen funktioniert der Kram auch. Hier wird es auf jeden Fall etwas anspruchsvoller, elektrisch wie mechanisch und am Ende wird man durch eine excellente Wiedergabe belohnt - wenn alles richtig gemacht wurde.

Ein paar Anmerkungen vorweg

Sie müssen sich darüber im klaren sein das die kommerziell gefertigten Plasma Hochtöner nicht umsonst etwas teuerer sind. Da steckt eine Menge Entwicklungsarbeit drin. Das war in den Siebzigern und Achzigern. Zu dieser Zeit waren viele Dinge nicht so einfach wie heute und ein Internet zum Erfahrungsaustausch war auch noch nicht erfunden. Wissen gab es aus Büchern und Katalogen und man musste die richtigen haben. Außerdem sind ein paar Teile richtig teuer. Da wäre zum Beispiel das Horn aus Alu oder auch Bronzeguss und die Quarzzelle.

Ich selbst habe intensiv etwa 6 Monate gebraucht um meinen Hochtöner auf diesem Stand zu haben. Wohlgemerkt ich bin Pensionär und konnte mich fast täglich damit beschäftigen. Es gab unzählige Testaufbauten und Varianten um die verschiedenen Probleme in den Griff zu bekommen. Am Ende sieht immer alles ganz einfach aus. In diesem Falle sollte es aber auch nachbaubar sein. Außerdem sind die benötigten Teile auch nicht ganz preiswert. Bei diesem Projekt kommt einiges zusammen. Allein für einenTransformator müssen Sie ca. 80.- Euro rechnen. Die Röhre PL519 kostet bei BTB in Nürnberg 38.- Euro (Stand Mai 2020). Vergessen Sie die ebay Angebote von kaum gebrauchten Röhren, kaufen Sie neu vom Fachhändler. Dann kommen noch ein paar Kleinteile dazu, grob Überschlagen noch einmal 80.- Euro, plus die Quarzzelle mit Elektrode und das Gehäuse natürlich auch noch. Die Rechnung gilt für einen Hochtöner! Quarzzellen kann ich privat noch ein paar abgeben, die liegen mit passender Elektrode auch um 100.- Euro da es Einzelanfertigungen sind. Die Quarzzellen passen übrigens nicht bei Corona oder Acapella falls jetzt jemand glaubt sich hier eindecken zu können. Ich habe gehört das bei den kommerziellen die Preise für Ersatz Quarzzellen im unteren 3 stelligen Euro Bereich liegen, wenn sie überhaupt welche abgeben.

Wenn man das jetzt grob überschlägt ist man im Selbstbau bei 600.- bis 800.- Euro für das Paar Hochtöner je nachdem wieviel Material Sie schon zu Hause haben. Wenn ich aber so die Preise für gute Hochtöner sehe ist das durchaus im Rahmen.

Alles klar, wenn Sie jetzt immer noch Lust dazu haben dieses Projekt zu starten dann lesen Sie weiter...

 

 

Bild in Lightbox öffnen (open image in lightbox). Das war der erste Prototypen Aufbau. Rechts die Netzteilplatine.
Bild in Lightbox öffnen (open image in lightbox). Prototyp Innenansicht ohne Netzteil

Schaltungsbeschreibung

Der hier beschriebene Plasma Hochtöner steht einem kommerziell gefertigten Plasma Hochtöner in nichts nach. Die Quarzzelle, manche sagen auch Brennkammer dazu, ist das eigentliche Herzstück des Plasma Hochtöners. Meine Quarzzellen haben eine 6mm Bohrung. Die Elektrode fertige ich aus Kanthal® an. Das Metall ist Hitzebeständig bis 1400°C und daher ideal als Elektrode geeignet. Der Aufbau der Plasmakammer entspricht einer klassischen Entladungskammer. Das Plasma entsteht durch Hochfrequent angeregte Entladung der ionisierten Luftmoleküle.

Was an Klang herauskommt wird nur durch die elektrische Ansteuerung und dem Schalltrichter beeinflusst. Die meißten Plasma Hochtöner verwendeten einen Transformator zur Signaleinkopplung. Dies mache ich auch bei meinen Hochtönern. Aus meiner Sicht ist das ausreichend gut. Ich bin halt auch ein Anhänger passiver Frequenzweichen und so kann man den Plasma Hochtöner wie einen konventionellen Hochtöner passiv ankoppeln. Mit direkter Einkopplung des Musiksignals in das Netzteil habe ich auch experimentiert, das funktioniert auch, dazu später mehr.

Ich benutze jetzt einen Netztransformator weil ich das sicherer finde. Die Prototypen speiste ich "direkt aus der Steckdose". Die Netztrennung lag dabei nur bei dem verwendeten Modulationstrafo. Der sollte das nach Spezifikation zwar können aber ich hatte immer ein ungutes Gefühl dabei. Der Ringkern Netztransformator ist nach Vorgabe angefertigt.

Im alten Ionophone wurde ein unstabilisiertes Netzteil verwendet. Ich stabilisiere die zur Modulation verwendete Gitterspannung. Auf diese Spannung wird die Niederfrequenz mit dem angesprochenen Modulationstrafo "aufmoduliert". Eine feste Spannung legt den Arbeitspunkt der Röhre fest und nur die Modulationsspannung steuert das Plasma. Ich bin der Meinung das sich die Stabilisierung positiv auf den Klang auswirkt. Eine unstabilisierte Spannung am Gitter 2, die ja im Netzteil aus der Anodenspannung gewonnen wird, würde den Arbeitspunkt bei Belastung ständig minimal verschieben und damit Intermodulationsprodukte erzeugen.

Der Rest ist klassisch. Netzteil mit Softstart der Röhre, will heißen die Anodenspannung wird erst eingeschaltet wenn die Röhre aufgeheizt ist. Das schont die PL519. Die werden ja auch langsam selten. Stabilisierung der Gitter 2 Spannung mit Fet und gleichzeitig Arbeitspunktfestlegung der Röhre. Heizung mit Gleichspannung. Mit Wechselspannung hatte ich einen ganz leichten Brumm wenn ich mit dem Ohr direkt am Hochtöner war, soetwas stört mich einfach. Modulation mit Trafo. Wer will kann sich hier austoben, denn hier wird der Klang gemacht. Trafo's mit speziell bei Vollmond handgedengelten Trafoblechen und luftleeren Kupferwicklungen habe ich noch nicht ausprobiert, es klingt auch so ganz gut.

Das Hochfrequenzteil mit der Röhre ist klassisch dem Ionophone nachempfunden. Das Studium der alten Patente von Dukane hat einen interessanten Aspekt hervorgebracht. Dort wurde ausgeführt das, das brennende Plasma eine Kapazitätsverschiebung herbeiführt. Dies habe ich auch beobachtet und schalte jetzt zum Starten des Hochtöners die Schwingkreiskapazität entsprechend um. An meinem TECNAC Hochtöner ist auf der Rückseite ein Drehkondensator herausgeführt den man zum starten auf den höchsten Wert stellen musste. Dort hatte man das Problem also auch schon erkannt. Wenn die Plasmaflamme brennt führt das zu einer Kapazitätserhöhung und man muss die Schwingkreiskapazität entsprechend verkleinern um genügend Wirkungsgrad zu haben. Im CORONA - was für ein Wort im Jahr 2020 - Hochtöner wird auch beim Starten die Kapazität per Relais umgeschaltet und zusätzlich die G2 Spannung erhöht.

Das ist es im groben zur Schaltung. Die Kundigen werden die Schaltpläne lesen können und bei Unklarheiten gibt es ja moderne Kommunukation per mail.

Das Herzstück - der Plasmagenerator

Hier wurde von Seiten der großen Hersteller schon immer ein Geheimnis daraus gemacht. Als ich anfing mich mit Plasma Hochtönern zu beschäftigen, das ist jetzt etwa 35 Jahre her, gab es keine zugänglichen Informationen. Man musste sich so einen Lautsprecher kaufen und zerlegen um zu sehen was darin war. Das hat aber damals keiner gemacht, die Lautsprecher waren einfach zu teuer dazu.

Durch das Internet kam "Licht in das Dunkel". Ich sah der ersten Bilder geöffneter DUKANE Lautsprecher und Otto Braun in Deutschland baute seine CORONA Lautsprecher. Alle anderen stammen irgendwie davon ab.

Um ein Plasma zu erzeugen braucht man Hochspannung oder Hochfrequenz. Hier verwenden wir Hochfrequenz und das hat gute Gründe. Darauf einzugehen würde hier den Rahmen sprengen. Lassen wir es einfach so stehen. Wenn die Hochfrequenz genügend Leistung hat kann diese an einer Elektrode die Luftmoleküle soweit anregen das ein Entladungseffekt (Plasma) entsteht und die Lichterscheinung nennt man Korona. Dabei entsteht dummerweise Ozon. Das will man nicht denn es ist hoch giftig. Das Ozon zerfällt aber unter Hitzeeinwirkung sehr schnell wieder und Plasma ist ja auch extrem heiß (ca. 1200° C). Nun kommt die Quarzzelle ins Spiel. Wir stecken die Elektrode in ein Quarzglasrohr. Wir erinnern uns Plasma ist ca. 1200° C heiß. Das Metall der Elektrode muss natürlich auch mit der Hitze zurecht kommen, deshalb nehme ich Kanthal®. Die Elektrode schließt das Rohr auf der einen Seite ab, die Hitze bleibt im Rohr, das Ozon zerfällt und der Schall darf am offenen Ende austreten.

Die Gegenelektrode wickelt man um das Rohr. Das Glas isoliert, denn wir wollen keinen direkten Stromfluß zwischen den Elektroden sonst gibt es eine Blitzentladung und kein Plasma. Eigentlich genial und ein Französicher Physiker namens Siegfried Klein hat das in den 50ziger Jahren erfunden.

Das Quarzglasrohr muss noch thermisch isoliert aufgehangen werden, es soll ja heiß bleiben - Stichwort Ozon. Dazu gibt es die Keramische Haushaltsicherung. Die ist innen konisch von 9mm auf 13mm. So wollen wir das, die Töne sollen ja nach vorne geleitet werden.  Das Quarzglas ist übrigens ziemlich bruchempfindlich an den Kanten. Bei meinen Versuchen sind ein paar zersprungen. Die Quarzzellen sollte man wie rohe Eier behandeln.

Am hinteren Ende der Quarzzelle schaut die Elektrode hervor. Die ist so lang das man das Ende widerum in eine Keramik stecken kann. Diesmal ein ausgehöhlter Lastwiderstand der entsprechend gebohrt wurde. Das Bohren von Keramik ist übrigens ein Alptraum, jedenfalls mit meinen Hobbymethoden.

Die metallenen Anschlußstreifen sind aus Edelstahl. Alles andere hält die Hitze nicht aus und die Lötösen sind Pflicht weil am Metall keine Lötverbindungen halten.

 

 

Bild in Lightbox öffnen (open image in lightbox). selbstgedrehte Alu Adapter. Hier sieht man die Konus Form der Sicherung.

Die Schaltung

Wie schon weiter oben geschrieben ist der Hochfrequenzteil fast baugleich mit dem Ionophone aus den 50zigern. In Europa verwenden wir eine PL519 statt der 6DQ6 wie sie in Amerika verwendet wurde. Neu hinzugekommen ist die Kapazitätsumschaltung des Anodenkreises zum Zünden. Dazu ist ein Relais eigebaut. Gesteuert wird das Relais durch das Netzteil.

Das Netzteil benötigt zwei Spannungen. 250V/500mA und 30V/600mA Wechselspannung. Da ist der Sicherheitsfaktor schon eingerechnet. Den Trafo hab ich bei Jan Wüsten wickeln lassen.

Alle benötigten Spannungen werden aus diesen Trafospannungen erzeugt. Dieses sind die Heizspannung 40V, 320V Anodenspannung, 95V Gitterspannung und 12V für die Relaissteuerung.

Moduliert wird extern mittels Trafo. Da kann jeder anschließen was er will. Der Modulationstrafo wird mit ca. 5-10mA Strom belastet und muss die 95V Gitterspannung aushalten. Jeder kleine Eintakt Ausgangstrafo tut hier seinen Dienst. Übersetzungsverhältnis ca. 30:1 .

Den Arbeitspunkt der Röhre stellt eine FET Schaltung sicher. Die G2 Spannung wird mittels Poti auf 95V-100V eingestellt. Höhere Werte geben zwar mehr Plasma aber die Röhre lässt sich nicht mehr sauber modulieren da sie aus der Gitterkennlinie läuft und der Anodenstrom steigt stark an. Die Röhre wird schlicht überlastet.

 

 

 

Bild in Lightbox öffnen (open image in lightbox). Hochtöner mit Netzteil. Der schwarze Kasten ist mein Werkstattverstärker

Schaltpläne

Hier sind die Schaltpläne meines Musteraufbaues. Das funktioniert soweit alles. Ich beabsichtige noch einen Integrierten Modulationsverstärker mit Frequenzweiche zu entwerfen. Ob das aber sinnvoll ist muß ich mir noch überlegen, da gibt es fertige Produkte am Markt. Moduliert wird mit einem Übertrager (nicht im Schaltbild eingezeichnet). Das Netzteil ist aber jetzt schon extern ohne Übertrager modulierbar, allerdings braucht man ca. 40Vss Pegel. Die kurze Aufnahme am Anfang des Artikels ist so entstanden. Das kleine schwarze Verstärkerchen musste dabei Vollgas geben um den Spannunghub zu erzeugen, Leistung braucht man so gut wie keine.

Es sind auch noch ein paar Platinen übrig...

Das Netzteil ist auf 2 Platinen aufgeteilt. Die kann man übereinander schrauben und auf der rechten Seite 1:1 verbinden. Damit hat man einen kompakten Aufbau. Der HF-Teil wird mit einem 5pol abgeschirmten Kabel verbunden. So hat man die Wahl alles in ein Gehäuse einzubauen, oder den HF-Teil abzusetzen so wie ich das gemacht habe.

Spezial Bauteile

Ich weiß das es schwierig ist einige Bauteile am Markt zu bekommen. Ich bin kein Händler und werde keine Bausätze vertreiben. Die meißten Bauteile bekommen Sie bei Reichelt. Die Platinen sind dafür ausgelegt. Hochspannungs Kondensatoren bekommt man günstig bei Internet Restposten Händlern (ebay). Trafo hab ich mir anfertigen lassen.

Ich habe noch einige spezial Bauteile die sich bei mir privat über 40 Jahre angesammelt haben. Darunter zum Beispiel die Spulenkörper die heute gar nicht mehr gefertigt werden. Oder die Quarzzellen, die ich mir anfertigen ließ, auch kann man über Elektroden reden. Wer wirkliches Interesse hat kann sich bei mir melden.

Mechanik

Das ist natürlich ein Gebiet auf dem der Hobby Elektroniker meisst nicht so gut ausgestattet ist.

Ich persönlich habe meine Muster immer selbst gebaut und habe eine voll ausgestattete Hobby Werkstatt mit Drehbank und Fräsmaschine. Da sind alle Teile entstanden inkl. Gehäuse die ich aus 8mm Alu gefräst habe. Großflächige Belüftung des HF Teils ist auch wichtig, daher die Lochbleche.

Der Plasma Hochtöner muss in ein Metallgehäuse, wegen der Hochfrequenz.

Da in der DIY Kommunity heute schon viele Leute eingene CNC Maschinen haben ergibt sich vielleicht etwas, wer weiß. 

Die Trichter sind Wave Guides mit Standard 1-3/8" x 18 TPI Gewinde. Ich habe Milan 197 benutzt. Intertechnik vertreibt die als H08RW A. Sie sind spezifiziert ab 2200Hz. Der Adapter zur Keramik ist wieder selbst hergestellt.