Poor Man's Induktionsofen
mit 6L6GC

-Der dritte Streich des H.M.Sauer im Röhrenbude-Forum-

Hallo liebe Röhrenfreunde,

nachdem ich vor einigen Monaten erfolgreich das mit einer PCL 805 bestückten Induktionsgerät zum Aufladen von Akku-Zahnbürsten im Betrieb genommen habe, habe ich mich nun nach etwas stärkerem umgesehen. Herausgekommen ist ein kleiner Versuchsoszillator für Demonstrationsversuche zum Thema magnetische Induktion. Das Gerät arbeitet mit einer 6L6GC und leistet ca. 20 Watt.
Die 6L6GC ist aus russischer Produktion ja recht günstig zu erwerben und hat sich bei mir in Impulsschaltungen hervorragend bewährt.

Die Frequenz des Oszillators kann durch Einsetzen verschiedener Schwingkreisinduktivitäten zwischen 150 kHz und 1 MHz gewählt werden. Die Schaltung entspricht vom Prinzip her derjenigen von industriellen Induktionsanlagen, die natürlich mit wesentlich höherer Leistung arbeiten. Hier ergibt die Verwendung von Röhren auch im Halbleiter-Zeitalter noch einen Sinn, weil moderne IGBTs bei Frequenzen oberhalb von 300 kHz noch ihre Probleme haben.


Aus Gründen der Störsicherheit und weil es hier um ziemlich hohe HF-Spannungen geht, habe ich das Ding in einem kleinen Metallgehäuse aufgebaut und alle Versorgungsleitungen über Kondensatoren sorgfältig am Gehäuse geerdet. Ggf. wäre noch eine Abschirmhülse sinnvoll, die man über den Röhrenkolben stülpt und mit dem Gehäuse verbindet. Eine gute Isolation der Schwingkreisspule, die über berührungssicher isolierte, flexible Kabel und ein kontaktsicheres Steckersystem an den Generator angeschlossen werden, erleichtert das Experimentieren mit dem magnetischen HF-Feld ganz erheblich. Die Energie wird aus dem Generator ausgekoppelt, indem man den zu erwärmenden Metallgegenstand in die Spule schiebt.


Ich habe zudem einigen Aufwand in die Optimierung der Schaltung gesteckt, so daß die elektrischen Grenzwerte der Röhre (Schirmgitterbelastung, Gitterstrom) eingehalten werden und ein guter Wirkungsgrad erreicht wird. Es gibt hier also keine glühenden Gitter und Anoden zu sehen. Es handelt sich im Prinzip um einen kapazitiven Dreipunktoszillator für Class-D-Betrieb.


wobei C1 = C2 = 2,2 nF, C3 = 6,2 nF (Wima FKP1-Typen für 1250 Vdc), LA = 25 - 600 Mikrohenry. Die Spulen habe ich aus HF-Litze 120/0,071 hergestellt. Die 150-uH-Spule für 400 kHz hat 75 Windungen, der Innendurchmesser beträgt etwa 2 cm. Meine anfänglichen Versuche mit Volldrahtspulen habe ich wegen der starken Erwärmung ziemlich schnell aufgegeben. Den Generator kann ich mit max. 350 V betreiben. Bei einer maximalen Leistungsaufnahme von 32 W (ohne Heizleistung) erhalte ich etwa 20 W Induktionswärme, z.B. an einem Stück Eisendraht, das in die Spule gehalten wird. Immerhin sind das 62,5 % Wirkungsgrad. Ich denke mal, daß auch 380-400 V noch vertretbar wären, aber das schafft mein Labornetzgerät nicht.

In die Kathodenleitung habe ich einen kleinen, induktivitätsarmen Widerstand (4 mal 4,7 Ohm parallel) eingebaut, um im Betrieb den Kathodenstrom der 6L6GC am Oszilloskop zu beobachten. Das ist hier wichtig, um die Schaltzeitpunkte der Röhre feststellen zu können.

Die Beschaltung des Steuergitters ist etwas ungewöhnlich und war der heikelste Punkt bei der Erprobung des Oszillators. Die 10k und 1k Gridstopper sind absolut erforderlich, da die Röhre sonst ganz schnell wegen Überlastung des Steuergitters über den Jordan geht. Die Schottky-Diode (diese muß 100 V Sperrspannung aushalten) sorgt in Zusammenhang mit der Gitter-Kathoden-Kapazität der 6L6GC für ein präzises Timing der Steuerimpulse am Gitter. Die Röhre darf nur leitend werden, solange die Anodenspannung innerhalb der Schwingungsperiode gerade im Minimum ist. Beim Wiederanstieg der Anodenspannung muß der Anodenstrom sofort abgeschaltet werden. Immerhin fließen kurzzeitig bis zu 250 mA Anodenstrom.

Nun ein paar einfache Versuche. Zunächst habe ich einen Eisendraht in die Spule gehalten, bei 400 kHz. Leider bekommt meine Digitalkamera die Glutfarbe nicht originalgetreu hin. Ich schätze, das waren 700 °C.


Levitation. Ein Ring aus Alufolie wird durch das Magnetfeld der Spule angehoben. Habe mit diversen Aluteilen Levitationskräfte bis 0,3 g (d.h. 3 mN) erzielen können. Allerdings ist es mir noch nicht gelungen zu verhindern, daß der Aluring seitlich herunterfällt.


Also meine elektrische Zahnbürste würde ich mit diesem Generator nicht aufladen wollen. Dafür eignet sich das Gerät prima zum Verzinnen und Löten von Kupferkaschierungen (Platine und Lötzinn einfach auf die Spule legen und warten). Auch Büroklammern, Nägel, Schraubenzieher, Ferritbauteile (Antennenstäbe, Schalenkerne) sind vorzügliche Versuchsobjekte (Vorsicht, heiß!). Man kann hierdurch sehr gut zeigen, daß sich verschiedene Gegenstände je nach Form und Material höchst unterschiedlich erwärmen. Andere Röhren und natürlich auch Glühbirnen, deren Heizungsanschlüsse man mit etwas Draht verbunden hat, lassen sich mit etwas Fingerspitzengefühl hervorragend zum Leuchten bringen. Den Betrieb einer Tesla-Spule habe ich auch schon angedacht.
Die Leistungsabgabe des Generators läßt sich qualitativ abschätzen, indem man den Anstieg des Betriebsstroms beim Einführen eines Gegenstandes in die Spule beobachtet und diesen Wert mit der Betriebsspannung multipliziert.


Noch ein recht interessantes Experiment mit dem HF-Generator, passend zur kalten Jahreszeit: Wie verhält sich wohl ein Ferritstab in der Schwingkreisspule, wenn schon ein Eisendraht zu glühen beginnt ? Habe das mal an einer kleinen Ferritantenne (5 cm lang, 6 mm Durchmesser) getestet. Dabei habe ich vorher eine Drahtschleife um den Stab gewickelt und mit etwas Schrumpfschlauch fixiert. Die darin induzierte Spannung wird ja entscheidend von der Permeabilität des Ferritstabs mitbestimmt, und die hängt ihrerseits von der Feldstärke und der Temperatur ab. Das wollte ich mir am Oszilloskop angeschauen. Außerdem habe ich zum Vergleich noch eine weitere Drahtschleife in die Spule gehalten. Sie ist an dem schwarzen Kabelbinder befestigt, der von oben in die Spule hereinhängt. Sie bekommt nur diejenigen Feldlinien mit, die am Ferritstab seitlich vorbeigehen. Den Oszillator habe ich dann an 350 V geklemmt. Bei der verwendeten Spule schwingt er ohne Ferritstab dann normalerweise auf etwa 410 kHz. Mit Ferritstab sind es zunächst 285 kHz.


Direkt nach dem Einschalten sieht alles ganz normal aus: sowohl die Induktionsschleife um den Ferritstab als auch meine Referenzsonde zeigen einen schönen sinusförmigen Verlauf (Bild Nr. 1) Das Signal der Referenzsonde ist in allen Oszillogrammen jeweils oben zu sehen, das aus der Induktionsschleife um den Stab unten.Die Frequenz liegt nun bei 285 kHz, die Stromaufnahme des Generators ist geringfügig erhöht, was auf Energieverluste im Ferritstab hindeutet. Zum Vergrößern kann man die Bilder mit der rechten Maustaste anklicken.


Nach ein paar Minuten tut sich Merkwürdiges: der Ferritstab ist schon viel zu heiß, um ihn noch anfassen zu können, und die Frequenz des Oszillators beginnt zu steigen, was wohl an der Abnahme der Permeabilität des Ferritstabs liegt. Außerdem scheint der Ferritstab bei jeder Halbwelle immer weiter in die magnetische Sättigung zu geraten. Bei Bild 2 liegt die Temperatur um 150 °C, bei Bild 3 um 170 °C und bei Bild 4 um 180 °C. Heißer geht nicht, weil jetzt die Permeabilität des Stabs und damit auch die magnetischen Verluste stark abnehmen. Bei 180 °C dürfte die Curie-Temperatur des Ferrits wohl erreicht sein.


Aus dem HF-Generator und ein paar übrig gebliebenen Weihnachtsutensilien lässt sich auch ein einfaches Drehstrommotörchen herstellen.


Hierzu wird zusätzlich ein Teelicht, oder genauer gesagt nur der Aluminiumbecher des Teelichts benötigt. Dieser dient nunmehr als Rotor unseres Motors und soll durch elektrodynamische Kräfte im hochfrequenten Magnetfeld der Generatorspule angetrieben werden. Als Motorlager habe ich eine Stecknadel verwendet, die ich durch ein Stück eines Flaschenkorkens hindurch gesteckt habe. Auf der Nadelspitze lässt sich der umgedrehte Teelichtbecher recht gut balancieren, wenn man den Boden des Bechers vorher mit einem spitzen Gegenstand in der Mitte etwas ausbeult.


Direkt neben den drehbar gelagerten Becher wird die Generatorspule gestellt, und zwar so, dass die Feldlinien senkrecht auf die Seitenwand des Bechers treffen. Der Generator arbeitet auch hier wieder bei 400 kHz. Außerdem habe ich eine zusätzliche Flachspule von etwa 0,6 mH quer dazu neben den Becher gestellt (100 Windungen bei 4,5 cm Innendurchmesser). Diese hat keine elektrische Verbindung zum Generator, sondern ist nur an einen 500 pF Drehkondensator angeschlossen (in dem blauen Kästchen auf dem Bild). Der Drehkondensator wird so eingestellt, dass dieser Schwingkreis mit dem Generatorschwingkreis nahezu (aber nicht exakt) in Resonanz gerät. Hierdurch geht durch Induktion Energie auf diesen Resonanzkreis über. Das entstehende Magnetfeld ist gegen das der Generatorspule phasenverschoben, so dass ein Drehfeld um den Alubecher entsteht. Nach einem kleinen Schubs läuft der Motor an. Im Grunde also eine Art Spaltpolmotor.


Die erreichbare Drehzahl ist leider bescheiden (ca. 30 bis 50 rpm). Leider kriege ich nur eine Drehrichtung hin. Ich hätte erwartet, dass sich der Becher in die eine oder die andere Richtung dreht, je nachdem, ob die Eigenfrequenz des Hilfskreises über oder unter der des Generators liegt. Bei mir dreht sich der Motor jedenfalls immer nur links herum. Kann aber auch an meinem primitiven Motorlager liegen.

*jogi* Hast Du mal versucht die Spule(n) selbst um 180 Grad zu drehen? Vielleicht dreht sich ja dann Dein Teelicht anders rum?

*Hans Martin* Umdrehen der Spulen wird hier nichts ändern, weil die Phasenlage der Strüme in beiden Spulen - im Gegensatz zu einem echten 3-Phasen Drehstrommotor - nicht durch die Stromquelle fest vorgegeben ist, sondern durch die induktive Kopplung gegeben ist. Wenn ich eine Spule umdrehe (bei gleicher Beschaltung), dann fließt auch der Strom in die entgegengesetzte Richtung, und das Magnetfeld ist in Bezug auf die Phasenlage das gleiche wie vorher. Ich kann natürlich beide Spulen vertauschen, dann dreht der Motor anders herum. Logisch.

Vor grauer Vorzeit habe ich mal gelernt, daß die Laufrichtung beim Spaltpolmotor vom Hauptpol zum Spaltpol geht. Dieser Motor ist jedoch irgendwie anders herum. Sehr merkwürdig.


Spulen wickeln klingt ja an sich nach einer ganz einfachen Aufgabe, aber ich habe so um die 10 verschiedene Spulen gemacht, bis ich mit dem Ergebnis zufrieden war. Ich verstehe jetzt die Leute, die jede freie Minute in der Werkstatt stehen und ihr Moped tunen.

Hier kommen nun die Spulendaten für ein 400 kHz Spule, die schon recht gut funktioniert. Ich habe sie mit HF-Litze vom Typ 120/0,071 (mit einlagiger Isolation aus Seiden- oder Nylongewebe) auf einen zylindrischen Spulenkörper gewickelt. Der sollte aus einem einigermaßen wärmebeständigen Kunststoff bestehen, also z.B. Epoxidharz. Mit 70 - 80 °C Betriebstemperatur muß man schon rechnen. Die Wicklung sollte sehr kompakt und lagenweise aufgebaut werden. Innendurchmesser (Wicklung ohne Spulenkörper): 24 mm
Außendurchmesser: 35 mm
Länge der Wicklung: 14 mm
Windungszahl: 75
Drahtlänge: etwa 7 m.
Induktivität: 146 uH
Güte: ca. 300.
Habe die Enden der recht brüchigen HF-Litze auf ein kleines Stück Leiterplatte aufgelötet und über PVC-isolierte Litzen (je 12 cm) an den Oszillator angeschlossen. Die Leiterplatte habe ich dann ringsum mit Schrumpfschlauch isoliert und mittels eines Kabelbinders am Spulenkörper befestigt, wie auf einigen Bildern ja zu sehen ist. Hier liegt zwar keine Anodengleichspannung, aber immerhin doch weit über 1000 V HF-Spannung an, und nicht zu vergessen die etwa -100 V Gittervorspannung von der Röhre.

Die Spule wollte ich möglichst klein halten, damit im Innern eine möglichst hohe magnetische Feldstärken entstehen. Bei 350 V Betriebsspannung am Generator habe ich im Zentrum über 2,5 kA/m gemessen, bei 409 kHz. Das ist schon recht brauchbar. Industrieanlagen mit mehreren kW Leistung bringen auch nicht viel mehr. Na ja, ein Faktor 2 bis 3 ist da wohl noch drin, dafür haben diese Anlagen natürlich größere, meist wassergekühlte Spulen.

Für Levitations- und Glühversuche ist die Höhe der Blindleistungsdichte (die ist gleich Pi * Frequenz * Mu_0 * Feldstärke hoch 2) im Innern der Spule entscheidend. Diese beträgt hier ca. 10 - 11 W pro Kubikzentimeter des Spuleninnenraums, und das braucht man auch, damit die Versuche gelingen. Mit einer Volldrahtspule schafft man das nicht, da heizt der Generator nur die Wicklung und nicht was drin ist.

Hier noch die Daten für eine Spule mit 220 kHz. Die liefert etwas bessere Ergebnisse bei der Levitation, aber ist nicht ganz so effizient für die Induktionserwärmung. Innendurchmesser (Wicklung ohne Spulenkörper): 22 mm
Außendurchmesser: 40 mm
Länge der Wicklung: 16 mm
Windungszahl: 155 Güte: ca. 400
Viel Erfolg beim Nachbauen.

Grüsse,
Hans Martin

Zurück zur Hauptseite