Der 144 MHz- Leistungsoszillator

Transkript

1 Der 144 MHz- Leistungsoszillator Von Thomas Schmidt und Henry Westphal Seite 6-1

2 Die Idee. Deutlichere Sichtbarkeit hochfrequenter Effekte durch weitere Erhöhung der HF-Leistung. Im bisherigen Verlauf des Projektes wurden bereits mehrere Oszillatoren auf der Basis von astabilen Multivibratoren in Kathodenbasisschaltung realisiert. Hierbei wurden Frequenzen bis zu 270 MHz und HF-Leistungen bis zu ca. 50W erzielt. Mit diesen Oszillatoren konnten einige grundlegende HF- Phänomene eindrücklich demonstriert werden. Hieraus entstand der Wunsch, diese Phänomene mittels deutlicherhöhter HF-Leistung noch spektakulärer sichtbar zu machen. Die Realisierung. Die, bereits in den vorangegangenen Kapiteln beschriebene, Oszillatorschaltung wurde praktisch unverändert beibehalten. Es wurden jedoch nun leistungsstarke Senderöhren des Typs RS1007/RS685 eingesetzt. Aus den mit dem bereits beschriebenen 270 MHz-Oszillator gemachten Erfahrungen heraus wurde auch hier ein halbkreisförmiger Resonator vorgesehen, um auf eine möglichst hohe Frequenz bei gleichzeitig noch akzeptabler Anodenverlustleistung zu kommen. Die Anodenspannung wurde auf 2,5 kv erhöht, auch die Schirmgitterspannung wurde gegenüber den bisherigen Schaltungen auf 420V erhöht. Zur Versorgung der Schaltung kam ein ebenfalls im Rahmen dieses Projekts angefertigtes, Netzgerät das in einem gesonderten Kapitel beschrieben ist, zum Einsatz. Der Resonator und die Koppelkondensatoren wurden aus Kupferfolie gefertigt. Das folgende Bild zeigt den Schaltplan des Oszillators Seite 6-2

3 Anodenspannung + 2,5kV 470pF RS685/RS1007 RS685/RS K 68K 470pF 470pF Heizspannung 5V Schirmgitterspannung + 420V 1K5 300pF Der Schaltplan des 144MHz/300W-Oszillators Die Bilder auf den folgenden Seiten geben einen Eindruck vom praktischen Aufbau dieses Oszillators. Deutlich ist der halbreisförmige Resonator aus Kupferblechband zu erkennen, der an den Anoden der beiden Oszillatorröhren befestigt ist. Um Verluste durch den Skineffekt kleinzuhalten wurde ein ca. 3cm breites Kupferband verwendet. Die, nicht im Schaltbild eingezeichneten, blauen Ferritkerne auf den Versorgungszuleitungen dienen zur Reduzierung der Rückspeisung von HF-Energie in das Netzteil. Nach einigen Minuten des Betriebs ist eine deutliche Erwärmung des Kernmaterials feststellbar. Die U-förmigen Kupferbleche, die sich neben den Röhren befinden sind die Koppelkondensatoren. Damit die Wärmeabfuhr von den Röhren nicht behindert wird, wurde ein Abstand von einigen cm zwischen Blechen und der Röhre vorgesehen. Um die benötigte Kapazität zu erreichen wurde die Fläche des Bleches relativ groß gewählt. Für die Abblockung von Anode und Schirmgitter wurden spezielle, hochbelastbare keramische Scheibenkondensatoren mit Schraubanschlüssen verwendet. Seite 6-3

4 Die Ansicht des Oszillators von vorne Seite 6-4

5 Die Ansicht des Oszillators von hinten Seite 6-5

6 Detailansicht Seite 6-6

7 Detailansicht, die multivibratortypische Kreuzkopplung ist deutlich zu erkennen Auf der Folgeseite findet sich ein Auszug aus dem Datenblatt der verwendeten Röhre RS685/RS1007. Seite 6-7

8 Auszug aus dem Datenblatt der verwendeten Röhre RS685 Seite 6-8

9 Die Ergebnisse Die Schaltung arbeitete bereits beim ersten Einschalten erwartungsgemäß. Die Schwingfrequenz betrug 144 MHz, das entspricht exakt dem 2m-Amateurfunkband. Diese Frequenz hat damit den großen Vorteil, das keine Gefahr der Störung sicherheitsrelevanter oder lebensrettender Funkdienste besteht. Aus der Leistungsaufnahme des Oszillators von ungefähr 500W aus der Anodenversorgung ließ sich eine HF-Leistung in der Größenordnung von 300W abschätzen. Es zeigte sich, daß auf den Anoden- und Schirmgitterzuleitungen trotz Abblockung mit Keramikkondensatoren immer noch ein erhebliches Maß an HF-Energie zu finden ist. Daher wurden die Versorgungsleitungen mit Ferritkernen abgeblockt. Durch die dielelektrische Erwärmung der Isolation der Schirmgitterzuleitung kam es nach einiger Betriebszeit zu Kurzschlüssen aufgrund von Schmelzstellen. Die Anodenzuleitung war nicht betroffen, da diese aus sehr dickem Silikon- Hochspannungskabel ausgeführt war. Nachdem auch die Schirmgitterzuleitung mit Silikonkabel ausgeführt wurde ergab sich ein zuverlässiger und störungsfreier Betrieb. Im Folgenden werden einige Versuche mit diesem Oszillator dargestellt: Seite 6-9

10 Eine Leiterschleife mit einer 230V / 100 W-Glühlampe wird in die Nähe des Resonators gebracht. Die Lampe leuchtet hell auf. Nachweis des magnetischen Felds im Nahbereich mit einer 230V / 100W -Glühlampe Seite 6-10

11 Eine Leuchtstoffröhre wird in die Nähe des Oszillators gebracht. Sie leuchtet hell auf. Nachweis des elektrischen Felds im Nahbereich mit einer Leuchtstoffröhre Seite 6-11

12 Ein Lambda/2- Empfangsdipol mit einer Länge von 1m, in dessen Mitte sich eine 230V / 40W- Halogenlampe befindet wird in die Nähe des Oszillators gebracht. Die Lampe leuchtet hell auf. Bei diesem Versuch läßt sich gut zeigen, daß ein Objekt nur dann Energie aus dem HF-Feld aufnehmen kann, wenn es sowohl von seiner Resonanzfrequenz als auch von seiner Impedanz her an dieses angepaßt ist. Wenn man anstelle der 230V / 40W-Lampe eine 12V / 40W-Lampe verwendet, dann leuchtet diese nicht. Es ist lediglich eine Erwärmung der Lampe festzustellen. Der ohmsche Widerstand der 40W-Lampe ist ca. 1,3 kohm, während die 12V-Lampe im Kaltzustand einen Widerstand von weniger als 1 Ohm aufweist. Wenn man den Versuch auf einem Tisch mit Metallrahmen durchführt, leuchtet die 230V / 40W- Lampe praktisch ebenso hell, wie sie es auf einem Holztisch tut. Entgegen der ersten Erwartung entzieht die Struktur des Metallrahmens, da sie nicht auf die Oszillatorfrequenz abgestimmt ist, dem Feld nur sehr wenig Energie. Wenn man dagegen Drahtstücke mit einer Länge von 1m, also Lambda/2 in die weitere Entfernung des Dipols bringt, kann man eine deutliche Reduktion der Helligkeit feststellen. Eine in der Mitte des Lambda/2 Empfangsdipols befindliche 230V / 40W Halogenlampe leuchtet hell auf. Seite 6-12

13 Bei Verwendung einer empfindlicheren Kleinleistungs-Glühlampe leuchtet diese auch noch in weiterer Entfernung vom Oszillator. Bei optimaler Anpassung mittels Verwendung einer 5V / 90mA- Lampe und optimaler Ausrichtung des Dipols auf den Resonator leuchtet die Lampe in bis zu 6m Entfernung vom Oszillator. Hierbei stellen auch Zwischenwände in Gebäuden kein Hindernis dar, es sei denn sie beinhalten Metallgeflechte. Bei unvorsichtigem Hantieren mit dem Dipol in der Nähe des Oszillators brennt das Lämpchen innerhalb von Sekundenbruchteilen durch. Die Richtwirkung der keulenförmigen Abstrahlung des Resonators ist durch Bewegung des Empfangsdipols in der Umgebung des Oszillators deutlich erkennbar. Das Maximum der Abstrahlung erfolgt in der Ebene der Resonatorstruktur, das ist bei dem vorliegenden Aufbau des Oszillators die Normale zu dessen Grundplatte. Ein in der Mitte eines Lambda/2 Empfangsdipols befindliches Lämpchen leuchtet noch in weiterer Entfernung vom Oszillator hell auf. Seite 6-13

14 Die Polarisation des Feldes ist deutlich erkennbar. Wenn man den Dipol parallel zur Ebene des Resonators (entsprechend der gedachten Verbindungslinie zwischen den Anodenanschlüssen der beiden Oszillatorröhren) hält, dann erhält man die maximale Helligkeit. Wenn man den Dipol dagegen senkrecht zu dieser Linie hält erlischt das Lämpchen schon im geringen Abstand vom Oszillator. Wenn man, selbst noch in ca. 3m Entfernung vom Oszillator, eines der Enden des Dipols mit dem Finger berührt, dann stellt sich eine ans schmerzhafte grenzende Hitzeempfindung an der Berührungsstelle ein. Sie wird durch dielelektrische Erwärmung der Haut hervorgerufen. An den Enden des Dipols befinden sich die Spannungsmaxima. In diesem Zusammenhang ist bemerkenswert, daß selbst in direkter Nachbarschaft des Oszillators keinerlei körperliche Empfindung durch dessen Feld spürbar ist, es bedarf auch hier der Auskopplung mittels eines in Resonanz befindlichen Objekts, um dem Feld punktuell konzentrierte Energie zu entziehen. Bei geeigneter Ausrichtung des Dipols zum Resonator leuchtet das Lämpchen noch in mehreren Metern Entfernung hell auf. Seite 6-14

15 Ein in die Nähe des Oszillators gebrachter Lambda/4-Lecherkreis zeigt eine deutliche resonanzbedingte Spannungsüberhöhung an seinem offenen Ende. Mit einem isolierten Schraubenzieher lassen sich ca. 3mm lange Lichtbögen aus den Drahtenden "ziehen", was auf eine HF-Spannung von ungefähr 3kV hindeutet. Der Lecherkreis besteht aus einem einfachen Massivkupferdraht, der U-förmig gebogen wurde. Die Länge der parallelen Leiter beträgt Lambda/4 = 50 cm. Bei optimaler Ankopplung des Lecherkreises lassen sich sogar 10 bis 20mm lange Plasmaflammen erzeugen, die nach dem Entfernen des Schraubenziehers dauerhaft "weiterbrennen". Diese Flammen sind sehr heiß und bringen sogar das Kupfer zum Schmelzen und setzen den Kabelmantel in Brand. Hier läßt sich deutlich das Prinzip des Tesla-Trafos erkennen. Dieser Versuch zeigt besonders beeindruckend, wie die beobachtbaren Verhaltensweisen hochfrequenter Spannungen und Ströme über das altagsübliche Vorstellungsvermögen hinausgehen: Ein schlichtes Stück Kupferdraht aus dem Baumarkt gibt, bei entsprechender Formgebung und Erregung mit der "passenden" Frequenz Spannungen von einigen Kilovolt ab. Die sich auch ohne Gegenelektrode ausbildende Plasmaentladung scheint bei erster Betrachtung im Widerspruch zur herkömmlichen Vorstellung des geschlossenen Stromkreises zu stehen. Nachweis der Spannungsüberhöhung an einem Lambda/4-Lecherkreis durch einen Lichtbogen Seite 6-15

16 Bei optimaler Ankopplung des Lecherkreises lassen sich sogar dauerhaft weiterbrennende Plasmaflammen am offenen Ende des Lecherkreises erzeugen. Seite 6-16

17 Der Verschiebungsstrom am offenen Ende der Lecherleitung läßt eine in ca. 5cm Entfernung von diesem gehaltene Glühlampe mit Kupferelektroden hell aufleuchten. Das Moireemuster auf dem Bild wurde durch die Störung der zur Aufnahme verwendeten Digitalkamera durch die hohen HF-Feldstärken verursacht. Der Verschiebungsstrom am offenen Ende des Lecherkreises bringt eine in ca. 5cm von diesem in Abstand befindliche isolierte Glühlampe mit Kupferelektroden zum Leuchten. Seite 6-17