Audio modulierte DST Ansteuerung

Alles, was mit Spannungen ab 1kV zu tun hat.

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Re: Audio modulierte DST Ansteuerung

#61 Beitrag von Tesla-Fan »

Update:

Die Schaltung hat nun einen Bandpass Filter und das Audiosignal kommt vom Lautsprecherausgang eines kleinen 2.1 Soundsystems. Dabei bleibt der Bass weiter im Betrieb. So ist der Sound klarer, die Tiefen sind ausgeprägter und dazu ist auch kein Rauschen mehr hörbar.

Ich habe nun einige Variationen mit Windungszahl und Kapazitäten an verschiedenen Stellen ausprobiert. Im Prinzip passiert folgendes: Wenn die IGBTs ausschalten gibt es eine hohe Spannungsspitze von teilweise bis zu 300V.
Füge ich nun parallel zur Primärspule oder zwischen Kollektor und Emmiter eine Kapazität hinzu, fängt das Ganze an zu schwingen. Dabei wird je nach Kapazität die Spannungsspitze in mehrere kleinere unterteilt, je tiefer die Kapazität desto mehr und höhere Spitzen gibt es. Ist nur eine Kapazität parallel zur Primärspule vorhanden, dann schwingt das Gatesignal beim Abschaltvorgang nach. Und ganz ohne Kondensator geht es nicht, da sonst die IGBTs gleich aufgeben.

Bei der Thematik der Kapazitäten und der dadurch geformten Spannungsspitzen oder Schwingungen fehlt jedoch ein wichtiger Aspekt, nämlich die Qualität des durch Audiomodulation erzeugten Klangs.

Egal welchen Aufbau ich hatte, es war immer das gleiche Phänomen festzustellen:
Wenn ich die Frequenz so einstellte, dass die Spannung beim Einschalten möglichst tief ist, dann war der Klang nie akzeptabel.
Erst wenn ich von der optimalen Frequenz abwich und das Einschalten während einer der Spannungsspitze erfolgte, war nach etwas Feintuning der Sound gut, also wirklich ausserordentlich gut. Man konnte einzelne Instrumente des Musikstücks gut heraushören und trotz hoher Lautstärke kam es nicht zu Verzerrungen. Die beste Frequenz für die Audiomodulation schien immer um 31.25kHz zu liegen, also bei der doppelten Resonanzfrequenz der Sekundärspule des DST.
Das Problem war hierbei natürlich, dass die IGBTs Energie verheizten, es war praktisch unmöglich bei diesem Aufbau einen guten Klang und gleichzeitig eine hohe Energieeffizienz zu haben.
Durch hinzufügen von Kondensatoren habe ich bei ca. 31.5kHz die Spannungsspitze immer weiter ausgedehnt bis der Einschaltmoment bei der tiefsten Spannung lag. Das waren 4.3uF bei 3 Windungen mit ca. 6uH wobei die Resonanzufrequenz des Primärkreises auch bei ca. 31.5kHz war. Bei diesem Aufbau fing der Lichtbogen dann plötzlich an zu brummen und ausserhalb des Bereichs in dem das Brummen zu hören war klang die Musik wieder nicht gut genug.

Ich bin ratlos wie ich der Energieverschwendung entgegenwirken und trotzdem einen guten Klang behalten kann. :dafuq:
Es scheint mir als ob es die höhere Schaltleistung braucht um den Lichtbogen genug stark und schnell zu verformen, denn je näher der Einschaltmoment an der Spitze des "Spannungshügels" und je höher dieser im Oszilloskop sichtbare Hügel ist, desto lauter und klarer wird der Klang.
Dem bin ich mal durch Zeitlupenaufnahmen bei 60Hz Audiomodulation und ohne Bandpass nachgegangen. Die Frequenz war jeweils auf den bestmöglichen Klang ausserhalb des "Brummbereichs" abgestimmt.

Zuerst mit 4.3uF Parallel zu Kollektor und Emmiter, hierbei löschte der Lichtbogen nie komplett:
https://drive.google.com/file/d/1A-vt_i ... sp=sharing
4u3F.jpg
4u3F.jpg (38 KiB) 460 mal betrachtet
Dann mit 1uF, wobei der Lichtbogen deutlich unterbrochen wurde:
https://drive.google.com/file/d/1RZPN1- ... sp=sharing
1uF.jpg
1uF.jpg (40.63 KiB) 460 mal betrachtet
Mit 1uF bei ca. 31.5kHz und mit 3 Windungen als Primärspule wird der bis jetzt beste Klang erzeugt, da der Einschaltmoment auch bei Modulation der Pulsweite immer im Bereich der maximalen Höhe der letzten Spannungsspitze liegt. Komischerweise kann ich für reine Klavierstücke keine Frequenz finden die passend wäre ohne die Lautstärke zu reduzieren.

Vielleicht ist die Lösung für mehr Energieeffizienz eine andere Schaltung, ein anderer Transformator oder gar ein ganz anderes Prinzip, wie zB. das Plasma durch ein Magnetfeld zu verformen...

Das ist der aktuelle Schalptlan:
Schaltplan_TL494CN_PWM_Pin4_IXD 609.jpg
Schaltplan_TL494CN_PWM_Pin4_IXD 609.jpg (80.86 KiB) 460 mal betrachtet
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Re: Audio modulierte DST Ansteuerung

#62 Beitrag von Tesla-Fan »

Hallo allerseits.
Ich habe nun wieder einige Versuche unternommen, diesmal mit verschiedenen DSTs. Das beste Ergebniss mit einem DST, was die Klangqualität betrifft, war diesmal bei 54kHz. Das Phänomen des besseren Sounds beim Schalten während einer Spannungsspitze ist jedoch geblieben.

Nun musste ein neuer Trafo her, um das Verhalten bei anderen Voraussetzungen zu testen. Also machte ich mich daran eine eigene Spule zu wickeln die auf einen DST Ferritkern passt. Es folgte eine Odyssee von verrutschten, gerissenen, verdrehten und verknoteten Drähten sowie durchgeschlagenen Isolationen und zuletzt noch Gleitentladungen. :tropfen:
Letztendlich führten all die Lektionen zu Spule V3.2:
Spule.jpg
Es sind insgesamt 9 Wicklungen aus 0.14mm CuL-Draht mit je 25mm Länge aufeinander. Dazwischen und an den Rändern ist jeweils Schrumpfschlauch. Aussen war zunächst nur mehrlagig Isolierband (mit angeblich 7kV Spannungsfestigkeit..) wobei es aber zu den Gleitentladungen kam. So kamen die etwas ominösen Kragen ins Spiel, die und Epoxidkleber an den Spulenenden und um die Ansätze der Leitungen haben dann das Problem beseitigt.
Die Kleinen Krägchen an den HV Ausgängen sind wohl etwas zu optimistisch gedacht, was die erzeugbare Spannung betrifft, aber ich hatte Zeit während der Kleber trocknet und sie sehen irgendwie chic aus. :ugly:

Vereinfacht und auf 3 Wicklungen reduziert sieht der Aufbau wie folgt aus:
Querschnitt.jpg
Querschnitt.jpg (28.14 KiB) 387 mal betrachtet
Der Trafo kann mit 24V Eingangsspannung, bei auf Klang optimierter Frequenz, etwas über 25mm Funkenstrecke zünden.
Ich konnte ihn auch gleich an die Vertikale Funkenstrecke anschliessen.
Der Lichtbogen brennt praktisch geräuschlos und ohne zu flackern aber dafür etwas dünner als bisher.

Der selbstgewickelte Trafo kann zwar auf einem breitem Spektrum an Frequenzen betreiben werden und hat auch mehrere Frequenzbereiche bei denen die Audioqualität gut genug ist. Jedoch sind die idealen 44kHz aufwärts nur mit Leistungseinbussen zu erreichen, die dementsprechend auch die Lautstärke reduzieren.
Das Problem mit dem Einschaltzeitpunkt des PWM Signals besteht auch hier noch, es hört sich nur gut an, wenn während einer Spannungsspitze geschaltet wird. :gruebel:
Die höheren Schaltverluste bleiben somit weiterhin erhalten, sind aber hinnehmbar da die Temperatur des Kühlkörpers mit einem kleinen Lüfter, nach einigen Minuten um die 65°C erreicht und auch nach 30min Betrieb in diesem Bereich bleibt.

Das Fazit soweit:
Eine gute Audioqualität lässt sich leicht einstellen und profitiert vom Fehlen des Flackerns. Der Trafo als solcher funktioniert soweit gut, es gab keine Durch- oder Überschläge mehr wenn die Funkenstrecke zu weit auseinander war, obwohl es Funkenbüschel an den Elektroden hatte. Ich werde die Spannungsfestigkeit aber auch nicht versuchen auszureizen, da es schon recht aufwändig war das ganze zu wickeln, isolieren etc.. Alles in allem bin ich nach etlichen Rückschlägen recht zufrieden damit und werde wohl wieder den ein oder anderen HF/HV Trafo wickeln, der dann mehr wegstecken muss, da er nicht mehr ein Einzelkind ist. :aufsmaul:
Ich war noch unentschlossen bezüglich der Auswahl des endgültigen Trafos, da der zuletzt verwendete DST bei 54kHz gut über den (für die optimale Wiedergabe des vollen hörbaren Klangspekrtums) erforderlichen 44kHz arbeitete und der neue wieder bei "nur" 31kHz. Das fehlen des Rauschens und des Flackerns, die Tatsache dass ich das "Fehlen" der einigen kHz nicht heraushören kann und die Freude am Selbst hergestellten Trafo sind mehr als Grund genug den Eigenbau einzusetzen.

Nun fehlt noch ein dauerhaft hochtemperaturfester Resonanzkörper, ein fest montierbarer Augenschutz und eine geeignete Holzkiste oder besser eine Subwoofer-box mit Frequenzweiche etc. sowie genug Platz um möglichst alles zu Verstauen bzw. daraufzustellen.

Den Kampf gegen die Schaltverluste gebe ich noch nicht auf, aber wenn ich mal eine passable Lösung gefunden haben sollte dann wird halt aufgerüstet.

Nachtrag:

Ich habe mal die Primärspule um den anderen Schenkel des Kerns gewickelt, was eine deutliche Steigerung der Ausgangsleistung brachte, der Lichtbogen ist nun etwa gleich dick wie der vom DST. Jedoch kommt es bei zu grosser Funkenstrecke zu Teilentladungen von der Oberfläche der Sekundärspule auf die die Primärwicklung und den Kern. Ich habe den Kern isoliert und einfach mal einen Grading-Ring an der Sekundärspule angebracht aber es kommt trotzdem noch zu den Entladungen wenn die Funkenstrecke nicht zündet. Bis jetzt scheint es keinen Schaden verursacht zu haben, auf Dauer möchte ich es aber nicht provozieren. Es führt wohl nichts am grosszügigen Isolieren mit Epoxid vorbei.
Teilentladung.jpg
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Paul
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Re: Audio modulierte DST Ansteuerung

#63 Beitrag von Paul »

Corona-Alarm! :trollface:

Aber mal im Ernst: Sehr interessantes Projekt, halte uns auf dem Laufenden! :)

Über die Problematik mit dem Tradeoff "Guter Sound" VS "Energieverschwendung" muss ich auch erst nochmal nachdenken...

Beste Grüße
Paul
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Norbi
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Re: Audio modulierte DST Ansteuerung

#64 Beitrag von Norbi »

Man kann so einen Trafo auch mit einem offenen I-Kern bauen anstatt einem geschlossenen doppel-U, dann hat man wesentlich weniger Probleme den Kram zu isolieren:
IMAG0684.jpg
Ein paar E-Kerne Stapeln oder Ferritbruch in ein Rohr Stopfen, Primärwicklung drumwickeln und in ein Zweites Rohr mit der Sekundärwicklung stellen. Wenn man nur einen halben cm dick Wickelt kann man dabei völlig ohne Isolation eine Träufelwicklung von oben nach unten machen man muss nur immer Abschnittweise einen halben cm bewickeln, oder alternativ eine Flachspule da hat man automatisch einen schönen Spannungsverlauf im Wickelkörper.

Hatte auch mal nen Video von so einem Trafo, aber leider wurde einer meiner Email/Youtube accounts aus Weißrussland übernommen :p
viewtopic.php?p=266623#p266623

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Re: Audio modulierte DST Ansteuerung

#65 Beitrag von Tesla-Fan »

Paul hat geschrieben:
Fr 15. Mai 2020, 10:07
Über die Problematik mit dem Tradeoff "Guter Sound" VS "Energieverschwendung" muss ich auch erst nochmal nachdenken...
Meine Vermutung bis jetzt ist, dass die Ladung des Lichtbogen schneller verringert wird, was zu einer stärkeren Implosion und somit auch Schallerzeugung führt. Demnach gibt es bei diesem Vorgehen keine effizientere Alternative und man müsste mit einem anderen Prinzip arbeiten. Das möchte ich aber so noch nicht hinnehmen, jedenfalls solange die Ideen nicht ausgeschöpft sind.

@Norbi:
Deine Variante mit dem I-Kern sieht interessant aus, ich hätte auch noch ein paar kleinere Kerne rumliegen, die sich "freiwillig" dafür opfern. :aufsmaul:
Hab ich die erste (geschriebene) Variante richtig verstanden, meinst du mehrere Flachspulen nebeneinander? Also 5mm breit und 5mm dick wickeln anschliessend isolieren und daneben wieder das Gleiche?
Schade dass man die Videos nicht mehr ansehen kann. Den Reaktionen zufolge müssen das ja extreme Entladungen gewesen sein!
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Norbi
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Re: Audio modulierte DST Ansteuerung

#66 Beitrag von Norbi »

Mit der Ersten Zeichnung meine ich Tatsächlich nur eine einzelne ganz schmale Flachspule (je nach Drahtdurchmesser 5-12mm) und extrem großem Durchmesser. Innen Erdung, außen Hochspannung. Sobald man da den Wickelkörper hat kann man die einfach ganz schnell mit einer Träufelwicklung vollkloppen und man hat wegen der Geometrie einen großen Abstand der Hochspannung zur Erde in der Mitte wo dann auch die Primärwicklung auf Erdpotential liegt. Und in der Wicklung machst auch keine Probleme da in einer Lage (selbst wenn das so ein Träufelwicklungsgewusel ist) nur wenige Windungen sind und der Potentialunterschied zwischen Lagen daher klein bleibt
IMAG0686.jpg
Da kann man dann auch nicht mehrere stapeln weil außen wieder die Potentialunterschiede zu groß werden und die Abstände zu klein. Alleine ist so eine Spule aber super einfach zu isolieren.
Wenn man sowas in klein bastelt kann man einfach zwei FR4 Platinen abätzen und dann draus zwei scheiben mit Loch in 5mm Abstand mit Uhu Endfest aufeinanderkleben(kleiner Abstandhalter-Ring in der Mitte).

Die zweite Zeichnung war für ne Spule mit Spannungsverlauf von Unten nach Oben, bei ganz großen Spannung bekommt man das zwar oben nicht mehr gut zum Kern Isoliert aber ich glaub bei Dir wird das noch gut gehen. Da muss man dann immer so kleine Abschnitte von 5x5mm² mit draht bewickeln, das geht am besten mit Kammerwickelkörper; aber wenn man sich einen Kragen bastelt gegen den man Wickeln kann, den man dann immer 5mm weiterschiebt geht mit ein wenig Sekundenkleber eigtl. auch, ist aber etwas herausfordernd, wenn der Draht zuweit verrutscht geht das in die Hose.
IMAG0687.jpg
IMAG0687.jpg (87.74 KiB) 265 mal betrachtet

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Re: Audio modulierte DST Ansteuerung

#67 Beitrag von Tesla-Fan »

Alles klar, dann hab ich dich richtig verstanden. Ich denke die Variante mit mehreren kleineren Abschnitten ist für mich am ehesten realisierbar. Es müssen aber deutlich kleinere Proportionen sein, bei 5x5mm sind das über 1200 Windungen mit 0.14er Draht, bei 10 Windungen primär und 24V wären das ja rein vom Verhältnis her bereits fast 3kV / Abschnitt.. Den ersten Versuch mach ich mal mit 3x3mm Abschnitten, da kann ich dann immer noch auf 3 oder 4 Windungen Primär reduzieren um die Spannungsfestigkeit auf die Probe zu stellen.
Ich bin etwas eingeschränkt was die Spulenkörper-Auswahl betrifft, deshalb wird die Primärspule neben der Sekundärspule aufgewickelt.
Zwischen den Abschnitten sollen 2 Kragen liegen, beim Abschluss eines Segments verläuft der Draht zunächst über dem abschliessenden Kragen durch eine Schicht Epoxid hin zum Spulenkörper und dann unter dem 2. Kragen, der den neuen Abschnitt beginnt.
Um den Draht unten durch zu führen ohne den 2. Kragen einzuschneiden, wird die Hälfte der Kragen bereits vor dem Wickeln über den Draht gezogen.
Das Ganze sollte dann in etwa so aussehen
Schema.jpg
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Re: Audio modulierte DST Ansteuerung

#68 Beitrag von Norbi »

Hm nebeneinander wickeln ist nicht gerade gut für die Kopplung, ich glaub nicht dass das so gut ist bei einem sowieso offenen Kern. Naja kann man ja mal ausprobieren, ich habe es nie gemacht.

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Re: Audio modulierte DST Ansteuerung

#69 Beitrag von Tesla-Fan »

Norbi hat geschrieben:
So 24. Mai 2020, 20:04
Hm nebeneinander wickeln ist nicht gerade gut für die Kopplung, ich glaub nicht dass das so gut ist bei einem sowieso offenen Kern. Naja kann man ja mal ausprobieren, ich habe es nie gemacht.

Ich habe die Sekundärspule mal so gewickelt, dass noch etwas Platz für eine kleine Primärspule daneben bleibt und 2 Varianten getestet.
Einmal die Spulen nebeneinander und dann die Primärspule aussen um die Sekundärspule. Nebeneinander war es wie du schon vorausgesagt hast sehr ineffektiv, aufeinander hingegen war es zwar schon viel besser, aber von der Lichtbogenbreite und Audiolautstärke her noch nicht so gut wie bei der kleineren Spule auf dem Doppel-U-Kern. Zu erwähnen ist hier noch, dass es nun viel mehr Windungen sind, über 4000 zu vorher etwa 1600.
Die Spannung war dementsprechend bereits bei 5 Primärwindungen hoch genug um über eine 35mm Funkenstrecke zu zünden, mehr Distanz führte zu einem Kurzschluss zwischen dem Anfang der Sekundärwicklung über die Kante des Spulenkörpers hin zum Kern. Ich habe das verkohlte Material abgetragen und grosszügig Epoxidkleber drauf und drumherum gestrichen, was bis jetzt für 20mm Funkenstrecke bereits wieder reicht. Der Kurzschluss war zwar lästig aber aus der Länge und Position schliesse ich, dass die interne Abschnittsisolation soweit gut funktioniert.
Das Frequenzspektrum bei der sich der Trafo betreiben lässt ist auch breiter und allgemein deutlich höher als sonst, aber die Audioqualität ist noch nicht zufriedenstellend bzw. der Bereich in dem sie anfängt besser zu werden ist zu hoch, wobei Versuche mit tieferer Primärkapazität noch ausstehen.

Um das Ganze beim nächsten Versuch etwas effektiver zu gestalten, hab ich einen Elektromaterial-Händler gesucht der auch an Privatpersonen liefert und bezüglich PTFE-Isolierband mit 15kV Durchschlagsspannung sowie 0.2-0.3mm HF-Litze angefragt.
Ich bin aber noch unschlüssig, ob ich als nächstes den Doppel-U-Kern aus einer Inverter Mikrowelle verwenden soll, gleich versuche selber einen grösseren solchen Kern herzustellen oder beim I-Kern bleibe. Letztendlich geht es ja immer noch darum, eine saubere Audio Wiedergabe zu erreichen und dabei die Verlustleistung niedrig zu halten.

Macht es für den Wirkungsgrad beim I-Kern einen Unterschied, ob die Primärwicklung innen am Kern oder aussen auf der Sekundärspule liegt?
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