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VTTC-001: Vacuum Tube Tesla Coil

mit der Senderöhre GU81M

VTTC mit GU81M

VTTC bedeutet Vacuum Tube Tesla Coil, oder auf Deutsch "Röhren-Teslaspule". Eine VTTC ist also eine Teslaspule, welche mit Hilfe einer Röhre auf ihrer Resonanzfrequenz angesteuert wird. Es handelt sich dabei um einen leistungsfähigen Meissner-Oszillator mit Rückkopplung (Feedback).

Der definitive Aufbau der VTTC im Überblick

Rechts im Hintergrund der Resonator (Primärspule, Sekundärspule und Feedbackspule), links daneben das 5nF/20kV MMC, welches als Primärkreiskapazität eingesetzt wird, daneben die Senderöhre GU81M, ganz links im Hintergrund die Schaltung für die Heizung der Röhre und die HF-Filterung für die Heizspannung, davor der Heiztrafo. Das blaue MMC dient als Filterkondensator. Das weisse Röhrchen zuvorderst ist eine aus 20 Stück 1N4007-Dioden zusammengesetzte HV-Diode, welche zur Einweggleichrichtung der Hochspannung verwendet wird. Eigentlich bräuchte es diesen Diodenstring nicht, da die Röhre selber bereits eine gleichrichtende Wirkung hat, aber die (langsame) Diode hilft zusätzlich zum Filter-MMC, die Hochfrequenz von den Messwandlern fernzuhalten. Ganz links am Bildrand sind noch ansatzweise die beiden HV-Messwandler auszumachen, welche für einen höheren Ausgangsstrom parallel geschaltet wurden. Mehr Infos zu den einzelnen Komponenten weiter unten!

VTTC mit der russischen Sendepentode GU81M

Die vorliegende VTTC wurde hauptsächlich nach dem Schema von Fabio Bragonzi gebaut, mit einigen kleineren Änderungen und Modifikationen, da mir nicht genau dieselben Bauteile zur Verfügung standen. Nachfolgend der Link zum Schema:

http://www.teslacoil.it/VTTCBIG2/VTTCBIG.pdf

Meine Version des VTTC-Schema's:

Und dazu die Teileliste:

Bauteileliste für VTTC-1 mit Senderöhre GU81M

V1: Senderöhre GU81M

T1: Messwandler 10000V/100V

T2: Heiztrafo 12.5VAC/10A

D1: Hochspannungsdiode, bestehend aus Serieschaltung von 20 Stück 1N4007

C1: Primärkondensator, MMC aus Serieschaltung von 20 Stück WIMA MKP-10 / 100nF / 1600VDC

C2: Filterkondensator, MMC aus Serieschaltung von 20 Stück WIMA FKP-1 330nF / 1000VDC

C3: Wima MKP-10, 10nF / 1600VDC (Kapazitäts-Werte nicht kritisch)

C4: Wima MKP-10, 10nF / 1600VDC (Kapazitäts-Werte nicht kritisch)

C5: Wima MKP-10, 33nF / 1600VDC (Spannungs- und Kapazitäts-Werte nicht kritisch)

C6: Wima MKP-10, 33nF / 1600VDC (Spannungs- und Kapazitäts-Werte nicht kritisch)

C7: Wima MKP-10, 33nF / 1600VDC (Spannungs- und Kapazitäts-Werte nicht kritisch)

R1: Feedback-Leistungwiderstand, bestehend aus Serieschaltung von 12x Leistungswiderstand 47 Ohm / 17W, Abgriff bei 10 Widerständen (470 Ohm / 170W)

R2: 47 Ohm / 17W

L1: Primärspule, insgesamt 32 Windungen, ab der dritten Windung jede Windung einen Abgriff für exakte Einstellung der Resonanzfrequenz

L2: Sekundärspule, insgesamt ca. 1000 Windungen mit 0.22mm Cu-Lackdraht auf Rohr mit 7.5cm Durchmesser

L3: Feedbackwicklung, ca. 10 Windungen direkt unterhalb der Primärspule

Die verwendete Röhre GU81M

Besonders geeignet sind leistungsfähige Senderöhren. Meine Wahl fiel auf die oft für solche Projekte verwendete russische Pentode GU81M (siehe Bilder unten). Ich habe mir sagen lassen, dass diese früher in Schiffsendern eingesetzt wurde. Alleine die Grösse dieser Röhre ist beeindruckend. Die Höhe beträgt bei diesem Monster ca. 26cm, der Durchmesser gute 10cm! Auch die anderen Eckdaten sprechen für sich: Speisung Heizung: 12,6V / 10A (!), Anodenspannung 3kV bei Frequenzen unter 6MHz, Leistung ca. 700W! Die Röhre kann zudem gemäss anderen VTTC-Coilern beträchtlich überlastet werden.

GU81M Grössenvergleich mit 9V-Block         GU81M: Heizung im Testbetrieb

           Sockel und Anodenblech der GU81M 

Hier der Link zum Datenblatt für die GU81M:

http://tubedata.itchurch.org/sheets/018/g/GU81M.pdf

Als Röhre können diverse Typen eingesetzt werden. Wichtig sind folgende Eigenschaften:

• Hohe Anodenbelastbarkeit hinsichtlich Leistung
• Hohe Anodenspannungsbelastbarkeit
• Hohe Grenzfrequenz
• Triode oder Pentode
• Durchsichtiges Gehäuse, damit man rotglühende Anodenbleche (Überlastung!) rechtzeitig erkennen kann

Die Versorgung der Heizung

Zur Speisung für die Heizung wird ein 120VA Ringkerntrafo eingesetzt. Dessen Ausgangsspannung war mit ursprünglich über 15V deutlich zu hoch, deshalb nahm ich einige der Sekundärwindungen weg. Nun liefert er bei einem Laststrom von 10A (Heizstrom der Röhre) und bei 230V Eingangsspannung ca. 12,5V Ausgangsspannung. Dies ist ideal. Die Röhre verlangt eigentlich eine doppelte 6,3V-Speisespannung, also 12,6V. Laut Datenblatt ist jedoch ein Betrieb in relativ weiten Grenzen möglich (11,6V bis 13,4V). Zum Schonen der Röhre wird die Stromversorgung der Röhrenheizung nach dem Einschalten durch zwei parallelgeschaltete 4.7 Ohm-Leistungswiderstände auf einen niedrigen Wert begrenzt. Die Röhre wird ca. 1 bis 2 Minuten so versorgt, danach werden die Widerstände überbrückt und die Heizung erhält die volle Speisespannung.

Hochspannungs-Versorgung 

Für die 4kV-Speisung der Anode der GU81M wird voraussichtlich der auf dem nebenstehenden Foto abgebildete Messwandler zum Einsatz kommen. Es ist ein 10kV-Wandler, bei welchem nur 40V statt 100V eingespiesen werden. Dies ergibt eine Ausgangsspannung von 4kV. Zur Sicherheit wird jedoch der erste Betrieb mit kleineren Spannungen (so um 2kV) erfolgen. Mit einem vorgeschalteten Variac kann die Hochspannung des Messwandlers eingestellt werden. Die Hochspannung wird mit einer Serieschaltung von einigen 1N4007-Dioden einweggleichgerichtet und über die Primärspule der TC der Anode der Röhre zugeführt.

Spätere Erkenntnis zur Hochspannungsspeisung:

Hochspannungstrafos aus Mikrowellenöfen (MOT's) wären geeigneter zur Speisung einer VTTC. Warum? Die Messwandler verlangen primärseitig sehr hohe Ströme bei relativ niedrigen Spannungen, was nicht ganz einfach zu erbringen ist. Ein MOT kann durchaus 500mA Strom liefern, wenn man dies von den 10kV- Messwandlern verlangt, so muss man primärseitig bei 30 bis 40V um die 50A(!) einspeisen können. Dies ist nicht nur schwer zu bewerkstelligen, auch die Messwandler selber lieben solche Belastungen wohl eher nicht speziell ;-) Sie können zwar sehr hohe Leistungen erbringen, jedoch normalerweise auch bei hohen Spannungen. Bei kleinen Spannungen müssen für hohe Leistungen extreme Ströme fliessen, was evt. den für Leerlauf-Betrieb gebauten Messwandlern nicht so gut bekommt. Die Primärspule erhitzt sich bei einem Giessharzwandler stärker als bei einem Trafo offener Bauweise (Bsp. MOT).

Der Feedback-Leistungswiderstand (500Ohm / 200W)

Dieser sollte ca. 500Ohm und eine Leistung in der Grössenordnung von 150W bis 200W aufweisen. Da ich nicht so ohne weiteres einen solchen Leistungswiderstand auftreiben konnte, habe mich für ein MMR entschieden (Multi Mini Resistor), also einer Serieschaltung von vielen kleinen Einzelwiderständen mit je 47 Ohm / 17W. Durch unterschiedliche Abgriffe kann dann der Widerstandswert etwas variiert werden. Zusätzlich liegt eine Serieschaltung zweier 10nF/1600VDC Folienkondensatoren parallel zum Gesamtwiderstand. Der Widerstandswert wurde fürs erste auf 470 Ohm eingestellt. Möglich wären aber auch höhere Werte (max. 12 * 47 Ohm = 564 Ohm). Andere VTTC-Erbauer haben  teilweise auch erfolgreich eine oder mehrere 100W Glühbirnen verwendet. Da eine Glühbirne jedoch im Warmzustand einen anderen Widerstand aufweist als im Kaltzustand und aus meiner Sicht ohnehin eher störend wirkt bei einem solchen Aufbau, verzichtete ich auf diese Einfach-Lösung.  

UKW-Falle

Dies ist ein RL-Parallel-Siebglied, welches parasitäre Schwingungen im UKW-Band verhindern soll. Ein 47 Ohm/17W Leistungswiderstand  wurde mit acht Windungen blankem Kupferdraht umwickelt. Eigentlich wäre ein 50 Ohm-Widerstand gefragt, da es sich jedoch um einen simplen Tiefpass handelt, denke ich, dass die Werte nicht so kritisch sind.

Filterkondensator

Dieser Kondensator dient dazu, die HF von der Quelle (und vor allem auch von der Gleichrichterdiode) fernzuhalten. Es ist ein MMC, bestehend aus 24 Folienkondensatoren WIMA FKP-1 mit je 330nF/1000VDC. Dies ergibt eine Gesamtkapazität von 13.5nF bei 24kVDC Spannungsfestigkeit. Parallel zu jedem Kondensator wurde auf der Lötseite ein hochohmiger Entladewiderstand (12MOhm) geschaltet, welcher nach dem Ausschalten gefährliche Restladungen verheizt. Zusätzlich dienen diese Widerstände auch der gleichmässigen Spannungsverteilung über alle Kondensatoren, damit jeder Kondensator etwa die gleiche Betriebsspannung erhält. Dieses MMC wurde von der mittlerweile zerlegten SGTC-003 genommen.

Schwingkreiskondensator

Dieses MMC, bestehend aus einer Serieschaltung von 20 Stück impulsfesten WIMA FKP-1  100nF/1600VDC-Kondensatoren, wird als Schwingkreiskondensator eingesetzt (5nF). Dank seiner Spannungsfestigkeit von 32kVDC sollte es den VTTC-Betrieb gut überstehen, denke ich. Auch hier wurde parallel zu jedem Kondensator ein hochohmiger Widerstand geschaltet (aus den gleichen Gründen wie beim Filterkondensator).

Nun ist es also endlich soweit! Die VTTC wurde erstmals getestet. Die Funkenlänge hält sich mit 15cm noch in Grenzen, trotz einigem experimentieren und rumspielen. Ich bin jedoch vorerst zufrieden mit dem Ergebnis.

Ja, sie lebt!! :-)

VTTC-1: Erste Entladungen 

Impedanz-Anpassung der Primärspule an die Röhre

Was mir beim VTTC-Bau speziell aufgefallen ist, ist die Tatsache, dass die Impedanzanpassung zwischen Röhre und Primärspule offensichtlich bedeutend wichtiger ist als das Windungsverhältnis zwischen Primär- und Sekundärspule. Dies bedeutet, dass es von Vorteil ist, wenn man eine kleine Primärkreiskapazität nimmt, denn dann können für die Primärspule mehr Windungen gewählt werden, was wiederum für die Anpassung an die Röhre wesentlich besser ist. 

Die Feedbackspule

Auch die Windungszahl der Feedbackspule scheint relativ kritisch zu sein. Anfangs hatte ich 20 Windungen für die Feedbackspule, das ergab fast gar keinen Output und die Spule kreischte hässlich. Als ich dann die Feedbackspule um ca. 10 Windungen verkleinerte, stieg die Funkenlänge signifikant an und die VTTC lief ruhig. Auch die Kopplung der Feedbackspule zur Primärspule scheint eine wichtige Rolle zu spielen. Leider kann ich die Höhe (noch) nicht verstellen.

Weitere Tests

Nachfolgend noch zwei Bilder im Betrieb nach einigen Optimierungen und mit etwas höherer Betriebsspannung. Zwischen Sekundärspule und Primärspule wurde zusätzlich noch ein Poly-Propylen-Rohr gestellt, um Überschläge zwischen Sekundär- und Primärspule zu verhindern. Solche Überschläge könnten der Röhre Schaden zufügen.

Für eine grössere Darstellung der Bilder bitte draufklicken!

Neue Entladungen der VTTC-1

Die Belichtungszeit war beim ersten Bild etwas kurz eingestellt und die Aufnahme erfolgte mit Umgebungslicht. Aus diesem Grund wirken die Streamer nicht so intensiv. Die Funkenlänge beträgt mittlerweile gut 20cm.

Als nächstes soll ein Test-Run durchgeführt werden ohne Topload bzw. nur mit einer Schraube als Elektrode. Vielleicht verbessert sich dadurch die Funkenlänge noch etwas.

Tests ohne Topload

Leider musste ich feststellen, dass die Ergebnisse ohne Topload einiges schlechter waren als je zuvor. Mehr als etwa 10cm Funkenlänge lagen nicht mehr drin. Nun habe ich wieder eine Toploadkugel montiert, diesmal eine mit ca. 13cm Durchmesser. Die Funkenlänge beträgt nun immerhin ca. 25cm (siehe Titelbild!). Was noch zu probieren bleibt ist eine neue Primärspule mit dicker Litze und allenfalls eine andere (grössere) Sekundärspule. Mal sehen, was sich noch ergibt.

Ionenwindmotor auf dem Topload

Aus Langeweile und weil ich noch keinen dickeren Primärdraht habe für eine neue (bessere) Primärspule, hab ich mal einen kleinen Ionenwindmotor auf das Topload der VTTC montiert. Es ist das gleiche Prinzip wie bereits an anderer Stelle auf dieser Page unter der Rubrik "Ionenwindmotor" beschrieben. Ein abgebrochenes Segment einer Teleskopantenne dient als Rotor, welcher auf einer dünnen Drahtspitze leicht drehbar gelagert ist. Durch den Ionenwind, welcher von den Spitzen ausgeht, wird der Rotor in schnelle Drehung versetzt.

Ionenwindmotor auf Topload der VTTC

UPDATE:

08.03.2008:

Heute hatte ich wiedermal etwas Zeit für die Weiterentwicklung der VTTC. Der Primärteil wurde komplett überarbeitet: Eine neue Primärspule (mit 2.5mm²-Lautsprecherlitze) und ein neuer, höherer Primärspulenkörper wurden gebaut. Bei der Primärspule können nun zwischen 3 und etwa 32 Windungen abgegriffen werden. Leider sind die Resultate dadurch nicht wesentlich besser geworden. Die Funken sehen nun zwar intensiver und heller aus, aber die Funkenlänge verbesserte sich nicht gross. Im besten Fall liegen etwa 28cm drin.

Trotzdem bin ich vorerst zufrieden mit dem (mittelmässigen) Ergebnis und werde den Aufbau nun definitiv fertigstellen.

Aufbau VTTC-001 mit neuer Primärspule

Resonator und Röhre GU81M

Defintiver Aufbau mit befestigten Komponenten und fix verlegten Kabeln                                                     VTTC-Sparks                    

Letzter Stand 13.03.2008

Die definitive Befestigung und das endgültige verlegen der Kabel ist auf dem Bild oben zu sehen. Auch die GU81M-Röhre wurde mit Hilfe von Metallwinkeln und Kabelbindern fix auf dem Brett montiert. Dies war die vorläufig letzte Aktion bei dieser VTTC.  

=> Diese Spule existiert inzwischen nicht mehr! Sie wurde zerlegt zugunsten der wesentlich leistungsfähigeren VTTC-2 mit zwei GU81M-Röhren parallel.                

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