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 Erforderlicher Hinweis: Hochspannung ist bei
 unfachgemäßer Anwendung lebensgefährlich!

Das Funkenklavier

Freilich findet man im Netz eine Menge Schaltungen zur Hochspannungs- Erzeugung mit Halbleitern. Oft genug mit relativ hohem Aufwand. Und oft genug kommen dann nur ein paar Zentimeter Funken heraus. Wenn man aber nicht mehr braucht oder haben will - das geht auch wesentlich einfacher...

 
Die beschriebene Schaltung entstand mit dem Ziel, so wenige und so preiswerte Bauteile wie möglich zu verwenden und nicht, um zu zeigen, wie toll komplex man doch bauen kann. Als Hochspannungs-Trafo kommt daher eine Rotax-Doppelzündspule zum Einsatz. Die bringt mit u.a. Schaltung bei 40 V immerhin 5 cm Funkenlänge.
Natürlich muß man als Spulen-Spannung nicht 40 V verwenden. Entscheidend ist die Energie-"Menge", die man in die Spule schicken kann. D.h. man kann mit einen großen Kondensator und kleinerer Spannung arbeiten. Der Wirkungsgrad sinkt jedoch zum Einen durch die Leitungsverluste bei den nun ja höheren Entladeströmen, es sei denn man baut alles massiv in Kupfer. Zum Anderen ist auch eine Zündspule nicht unendlich niederohmig, man kann also garnicht unendlich hohen Strom hineinfließen lassen. 40 V haben sich für diese kleine Spielerei als guter Kompromiß erwiesen.
 
Sicher werden auch zwei einzelne Zündspulen primär in Reihe funktionieren, wobei der Kondensator wohl vergrößert werden könnte. Dabei ist die Polung zu beachten, damit "entgegengesetzte" Hochspannung entsteht. Diese Variante wurde jedoch nicht untersucht. Bei der Zündspule sollte man jedenfalls etwas auf Qualität und Zustand achten.
 
Zur Schaltung:
Ein Zweifach Monoflop 4538 wird als geschlossener Kreis geschaltet und damit die Impulse erzeugt. So kann man Frequenz und Treiberimpuls unabhängig voneinander einstellen.
1) Frequenz:
Von 1 Hz bis 600 Hz gibt es keine Probleme mit der Ansteuerung. Allerdings wächst mit steigender Frequenz die Anforderung an die "Härte" der beiden Betriebsspannungen. Und natürlich auch an die Transistoren. Darüberhinaus dürften auch die Zündspulen zu große Verluste bringen. Ich habe mich daher beim praktischen Aufbau auf max. 600 Hz beschränkt. Zur Anwendung als "Keyboard" wurde Rx aufgeteilt und die Einzelwiderstände abgeglichen. Die Schaltung zeigt nur das Prinzip. In der Praxis ist es besser, jedem Ton seinen extra Widerstand zu geben. Der wiederum in ein oder zwei Festwiderstände und einem möglichst kleinen Regler aufgeteilt ist.
Zu testen wäre noch, Rx an eine niederfrequent modulierbare Stromquelle zu schalten. Und/oder auch das Signal von einer Gitarre zu filtern und zu triggern und (anstelle von RX und der linken Hälfte vom 4538) als Steuersignal für den Schaltimpuls zu verwenden.
 
2) Schaltimpuls:
Logischerweise findet ein Energieaustausch zwischen Spulen nur statt, wenn das Magnetfeld in der einen Spule sich ändert. Ob es sich aufbaut oder zusammenbricht, ist dabei (in Grenzen) egal. Deshalb scheiden alle Schaltungen von vornherein aus, die Strom länger als nötig in der Spule fließen lassen. Eine Ansteuerung mit einem simplen Rechteck-Signal z.B. erfordert unnötig große Kühlkörper. Die aber auch nicht immer die temporäre Chip-Überheizung bewätigen können.
Es kommt also darauf an, die Spule mit Energie "aufzuladen" und bei erreichen eines Grenzwertes (z.B. Sättigung oder zulässiger Spitzenspannung) auf Entladung umzuschalten. In der vorliegenden Schaltung ist daher der Schaltimpuls nur ca. 25 µS lang. Die 25 µS werden bestimmt vom Anfang des Feldaufbaus bis zum Abschluß. Der Wert kann natürlich je nach verwendeter Spule etwas schwanken. Bei zwei verschiedenen Fabrikaten sowie Spulen, die vom Kernvolumen ähnlich lagen, waren jeweils Werte zwischen 15 und 40 µS ideal. Für die letztlich verwendete Zündspule ergaben sich ca. 25 µS.
Die Einstellung dieses Wertes erfolgt mit dem 10k Regler. Damit wird der Impuls gerade soweit verlängert, bis sich die Funkenlänge nicht mehr vergrößert. Alles Andere führt nur zur Erwärmung der Transistoren und zur Bedämpfung der Spule.
Man muß natürlich gleichzeitig auch die Impulsspannung über den Mosfets beachten. Beim Zusammenbruch des Magnetfeldes entstehen hier Spitzenspannungen von mehreren 100 Volt. Bei den verwendeten IRFPC50 darf man also nicht über 600 Volt kommen. Freilich kann man auch von vornherein mit IGBT arbeiten. Da kostet ein (z.B.) 1200Volt/60Ampere Typ in TO247 auch nicht mehr viel. Hier ist natürlich von Parallelschaltung abzuraten.
 
3) Die Treiberstufe:
Der Impuls wird mit einem BSS100 o.ä. Allerweltsmosfet vom 4538 abgenommen und steuert einen 912 an. Dieser wurde gewählt, weil er als PNP-Leistungstranstor doch recht große Stromverstärkung auch bei hohem Kollektorstrom zeigt. Und er war preiswert zu bekommen. Er ist hier "zukunftssicher" überdimensioniert, auch wenn er zwei Endtransistoren treibt (genauer:deren Gatekapazitäten umlädt).
Die im Bild angedeutete Variante mit den "Down"-Widerständen auf Minus 5 Volt ist auch bei etwas höheren Gatesteuerleistungen noch ausreichend, zumal die Hilfsspannung nicht besonders stabil sein muß. Ich habe sie in der Praxis jedoch nicht anwenden müssen. Die Widerstände wurden zu 180 Ohm gewählt und an Masse gelegt. Dadurch, daß sie nur ca. 25 µS lang beaufschlagt werden, können sie recht niederohmig sein.
Die Gates sollten immer über über ca 3...5 Ohm angesteuert werden, nicht direkt ! Natürlich können auch die üblichen Treiberschaltkreise verwendet werden.
 
4) Die Endtransistoren:
Die verwendeten IRFPC50 waren ebenfalls sehr preiswert. Sie haben sich in diversen Tests als robuste Arbeitspferde erwiesen. Immerhin können sie 600 V bzw. 44 A repet. Spitzenstrom. Ich habe zwei davon parallel auf einem 50x50 Multifingerkörper direkt nebeneinander befestigt. Eigentlich nur vorsichtshalber, da ich den Spitzenstrom nicht messen kann. Mit 1,2mm Cu-Draht ist jeweils Source und Drain frei miteinander verbunden und zugänglich gemacht. Der Kühlkörper wurde nicht kontaktiert.
 
5) Die Drossel:
Ihre Induktivität sollte höher sein als die der "angetriebenen" Spule. Dabei muß sie so niederohmig sein, daß in angemessen kurzer Zeit der Kondensator wieder aufgeladen ist. Sie darf niemals in die Sättigung geraten und die Wicklungskapazität sollte so klein wie möglich sein. (Wie übrigens auch, wenn die Schaltung für einen SSTC angewendet wird). Daraus ergibt sich zwangsläufig, daß sie neben den Elkos der Stromversorgung und der Zündspule das nächstgrößte Bauelement ist. Hier darf man nicht am falschen Ende sparen. Selbst Ringkerne, wenn sie nicht ebenfalls ähnlich groß sind, bringen es nicht.
Ich verwende einen Ferritstab von ca. 15x15x80mm. Die Kanten wurden abgerundet und das Ganze mit einmal Schrumpfschlauch isoliert. Darauf ist eine Lage 0,7 CuL gewickelt. Das ist natürlich noch nicht optimal, hielt aber Aufwand und Nutzen im Verhältnis.
Es kann sein, daß moderne Trafobleche hier bessere Ergebnisse bringen als Ferrit. Insbesondere in der Impulstechnik sind ja Ferrite nicht immer die beste Wahl. Mangels Material konnte das jedoch nicht getestet werden.
 
6) Der Kondensator:
Da ist natürlich auf sehr gute Impulsfestigkeit zu achten. FKP oder zumindest MKP ist erforderlich. Obwohl diese Typen von Hause aus intern schon an den Stirnflächen kontaktiert sind, ist die Verwendung von drei oder vier kleineren Kondensatoren vorteilhaft. Auch hier nicht zu sehr mit der Spannung sparen. Ich habe da Typen mit 1600 / 630 V~ verwendet. Schon in Hinsicht, auch mal "was Anderes" dranzuhängen.
 
7) Verschiedenes:
- Daß im Bereich der Endstufe ein optimierter, enger Aufbau notwendig ist, sollte bekannt sein. Da aber Zündspulen ein großes Streufeld haben und natürlich auch die Funken ihren Beitrag zur "Elektroverschmutzung" beitragen, kann es zu Verkopplungen in den Treiberbereich kommen. Es hat sich als ausreichend erwiesen, den 912 und die Ansteuerwiderstände in die freie Verdrahtung der MOS einzubeziehen und am Kollektor Streureste mit einem 100pF abzufangen (die paar pF treibt der so nebenbei). Ein Stück Leiterplatte an Masse zwischen Spule+Mosfets und Schaltung genügt dann. So kann man die (geschirmte) Verbindung zur Basis des 912 etwas (!) länger halten. Eine Abschirmung der 4538-Schaltung war nicht nötig. Letzteres kann bei anderem Aufbau anders sein.

- Die Befestigung der Endtransistoren sollte nicht einfach nur mit einer Schraube erfolgen. Auch hohe Anzugskraft bringt wegen der Materialverformung eher das Gegenteil. Warum, zeigt Abb. 3. Und ein paar hundertstel Luft behindern den Wärmeübergang sehr stark. Die beste Wärmeleit-Paste hilft da nicht mehr. Es sollte also unbedingt eine Klammer oder eine Brücke verwendet werden. Die verschiedentlich angebotenen oder aus Schaltnetzteilen ausgebauten Klammern sind allerdings oft (höflich ausgedrückt) unzureichend. Wenn man da nicht was Gutes bekommt, sollte man, wie gezeigt, etwas Platz einplanen und eine Brücke einsetzen. Die obere Schraube mit Federscheibe wird nur wenig angezogen und dient eher der Positionierung. Ich bevorzuge diese Befestigung selbst bei TO247.
 

Das soll genügen. Es wurde alles etwas ausführlich beschrieben, um auch Neueinsteigern den Erfolg zu sichern. Insider können freilich vieles überspringen. Dennoch erhebe ich nicht den Anspruch auf optimale Lösung in allen Details. Einige Kompromisse wurden auch absichtlich eingegangen.
 
Wer mal etwas übertreiben und polyphon spielen will, kann natürlich das Ganze 10 mal aufbauen und mit einer Logik die jeweilig aktiven Rx jeweils einem "freien" Funken zuteilen. Gottseidank hat der statistische Mensch nur 10 Finger.....
Aber zwei Ohren - und der Klang ist so schon irre genug.....

In einem späteren Beitrag werde ich zeigen, daß man vor dem selbst Wickeln von Hochspannungsspulen keine Angst haben muß. Es ist möglich, mit nicht allzu teurem Material da etwas zu schaffen, was einer Zündspule nicht nachsteht. Und den Vorteil hat, daß man weiß, was man dem Teil zumuten kann. Bei einer Zündspule oder einem Zeilentrafo weiß man ja nie, wie weit man gehen kann. Der Nachteil : Es ist ein ziemliches Stück Arbeit plus Harzpanscherei.
 
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