Der Universator: Eine Energiesparlampe in Röhrentechnik, die mehr kann.
Dieses Projekt ist ein Beispiel für den Schaltungsentwurf mit dem L-Culator

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Universator
Dieses kleine Gerät ist durch und durch transparent. "Transparente Technologie" war einst das Thema eines didaktischen Projekts eines meiner Bekannten, ein Theologe. Technik müsse durchschaubar sein, wenn sie dem Menschen in seiner Verantwortung dienen wolle. Ach, wie weit sind wir heute von diesem Ideal doch entfernt!


Der Groschenschalter, ein Geldsück, dass die Kontakte zur Leuchtstoffröhre schließt oder öffnet. Das war die Idee des Theologen. Sein Plan sah vor, im Deckel einen Schlitz anzubringen. Wenn der Benutzer ein Geldstück einwirft, sollte das Licht angehen.

"Wenn der Groschen fällt, dann geht ein Licht auf!"

Positiver Nebeneffekt wäre eine kleine Unterstützung für meine Bastelkasse gewesen. Diesen Plan habe ich aus Sicherheitsgründen jedoch aufgegeben. Bei einem Münzstau könnte dann die Hochspannung aus dem Gerät nach außen gelangen. Statt dessen ist jetzt der Groschen-Kippschalter drin. Die Theologie soll Gott den Menschen näherbringen, nicht die Menschen näher zu Gott!

Eine Energiesparlampe in Röhrentechnik, die mehr kann: der Universator

Der Universator wandelt Elektrizität in andere Energieformen um -- in Strahlung. Er repräsentiert ein technisches Ideal: die Wiederherstellung der Einheit des Menschen mit der Natur durch Technik. Licht, Wärme, Kommunikation, die Grundbedürfnisse des Menschen hilft er zu befriedigen.

Licht: der Universator ist eine Energiesparlampe. Der eingebaute HF-Oszillator zündet die eingebaute Leuchtstoffröhre und sorgt für absolut flimmerfreies, wohltuendes Licht. Sie können die Lampe auch durch Kippen ein- und ausschalten,

Kommunikation: Der Universator sendet elektromagnetische Wellen, wenn auch nur in einem begrenzten Umfeld von wenigen Metern. (diese Begrenzung hat aber rein störungstechnische Gründe). Auf 48,5 kHz können Sie das Signal mit einem einfachen Langwellendetektor empfangen. Dank des Kippschalters im Universator können Sie die Sendefrequenz mit Morsezeichen modulieren und Nachrichten in den Äther senden, wie die Voyager-Raumsonden jenseits unseres Sonnensystems.

Wärme: das Hochfrequenzfeld erzeugt in magnetischen Materialien Wärme, in Eisen und in bestimmten Edelstählen. Stecken Sie die Klinge eines Besteckmessers in die Öffnung. Die Klinge wird durch das Magnetfeld aufgewärmt, und nach 15 bis 20 Sekunden ist sie bereits so heiß, dass Sie damit mühelos z.B. kalte Butter aus dem Kühlschrank aufs weiche Brötchen streichen können. Schluss also mit der allmorgendlichen Bröselei am Frühstückstisch.

Ultraschall: der Universator selbst arbeitet zwar vollkommen geräuschlos. Legt man aber einen passenden Ferritkörper auf seine Öffnung, dann wird dieser zu hochfrequenten Vibrationen angeregt und sendet Ultraschallwellen aus. Diese können Sie zwar nicht wahrnehmen, sehr wohl aber Tiere in Ihrer Umgebung. Angeblich sollen sich Stechmücken durch diese Wellen vertreiben lassen. Das kann ich mangels freiwilliger Versuchskandidaten leider nicht überprüfen. Der Universator wäre also quasi auch ein Mittel gegen diese unliebsamen Plagegeister.

Energieübertragung: Im Deckel des Universators ist eine Hochfrequenz-Induktionsspule eingebaut. Hiermit kann ich meine elektrische Zahnbürste aufladen oder andere Geräte berührungsfrei mit Energie versorgen, siehe unten. Dazu stelle ich sie einfach oben auf den Universator. Er wirkt wie eine Ladestation.

 

So funktioniert der Universator

Vom technischen Prinzip her gesehen ist der Universator ein Hochfrequenz-Induktionsgerät, bestehend aus einem Röhrenoszillator, der bei 48,5 kHz etwa 8 Watt Leistung erzeugen kann, und einer Induktionsspule ähnlich wie bei einem Induktionskochfeld. Die Induktionsspule dient zur Energieübertragung, z.B. auf die elektrische Zahnbürste. Diese enthält in ihrem Fuß nämlich ebenfalls eine kleine Spule, die das vom Universator erzeugte hochfrequente Magnetfeld aufnimmt, in Strom umwandelt und damit den Akku in der Zahnbürste aufläd.  Das Magnetfeld erzeugt in Metallgegenständen, die in die Induktionsspule eingeführt werden, zudem Wirbelströme. Dadurch ist es möglich, Messerklingen und andere Gegenstände aus Metall zu erwärmen. Besonders effektiv funktioniert dies bei Eisen- und Stahlteilen, wohingegen z.B. Messing oder Aluminium nicht so gut Energie absorbieren.  Hier nun der Schaltplan:




Die Schaltung funktioniert wie folgt:

Stromversorgung:

Aus der Netzspannung wird direkt und ohne zwischengeschalteten Netztrafo mittels einer Silizium-Diode (1N4006/7) und einem 47-µF-Elektrolytkondensator die Anodengleichspannung für die Elektronenröhre erzeugt. Hier stehen etwa 270 V Gleichspannung zur Verfügung. Die Heizspannung für die Röhre wird ebenfalls direkt aus der 230-V-Netzspannung erzeugt. Hier habe ich einfach einen Motorkondensator von 5 µF vor die Röhrenheizung geschaltet. Die Röhre benötigt einen Heizstrom von 300 mA. Der Kondensator ist so bemessen, dass dies bei 230 V und 50 Hz aus dem Netz ungefähr stimmt. Der große Vorteil dieser Schaltung besteht darin, daß der Kondensator die Spannung an der Röhrenheizung herabsetzt (Die Röhrenheizung braucht nur etwa 17 V), ohne selbst Wärme zu erzeugen.
Natürlich habe ich alles über eine flinke Schmelzsicherung abgesichert, falls doch mal ein Kurzschluß auftreten sollte...

Oszillator:

Die Anodenspannung gelangt nach der Gleichrichtung über die Drossel DrA an die Anode der Pentode, welche in der Röhre PCL 805 eingebaut ist. Dieser Röhrentyp enthält zwei verschiedene Röhrensysteme: eine Triode (die nur geringe Leistung verarbeiten kann) und eine recht kräftige Pentode. Für den Universator wird nur diese Pentode benötigt. Die Triode bleibt einfach unbeschaltet. In Zusammenwirkung mit der Spule Lind und den Folienkondensatoren, die an Anode und Gitter angeschlossen sind, erzeugt die Pentode elektrische Schwingungen, die man im Innern der Spule Lind als hochfrequentes Magnetfeld nachweisen kann. Die Frequenz beträgt hier etwa 48 kHz. Die Spule Lind ist die Indukionsspule, an der Energie entnommen werden kann, etwa durch einlegen von Metallteilen oder Durch daraufstellen einer elektrischen Zahnbürste. Die Spule habe ich in den Deckel des Universators eingebaut.

Leuchtstoffröhre:

Zur Erzeugung von Licht habe ich eine 4-W-Leuchtstoffröhre eingebaut, wie man sie beispielsweise zur Innenbeleuchtung von Möbeln oder Tierkäfigen verwendet. Die Leuchtstoffröhre hat eine Länge von etwa 18 cm. Sie wird auf der einen Seite mit dem Minuspol des Gleichrichters verbunden, auf der anderen über einen Kondensator von 470 pF mit dem "heißen" (d.h. dem an der Röhrenanode am nächsten liegenden) Ende von Lind. Hier können Spannungsspitzen bis 1000 V auftreten. Das reicht zum Zünden der Lampe sicher aus. Zusätzlich habe ich noch den erwähnten Groschenschalter in die Leitung gelegt, um die Lampe zwischendurch ausschalten zu können. Dieser besteht aus einer sehr flachen Plexiglasbox. Der spaltförmige Innenraum hat nur wenige mm Breite und enthält ein Geldstück, das beim Kippen des Geräts hin- und herrutschen kann. Je nach Position stellt es elektrischen Kontakt zwischen zwei Ösen her, die in eine Seite der Plexiglasbox eingelassen sind. Ein ganz einfacher und funktionssicherer Hochspannungsschalter, der einfach durch Kippen des Universators betätigt wird.


Ein Blick ins Innere: Der Oszillator wurde auf einer runden Lochrasterplatte aufgebaut, die durch die Öffnung des Olivenglases passen muss. Links daneben die Schwingkreisspule, die im Deckel des Universators eingelassen ist.

Aufbau der Schaltung:

Die Schaltung habe ich auf einer rund geschnittenen Lochrasterplatte zusammengelötet, die gerade eben so groß ist, dass sie in die Öffnung eines 1,5-l-Olivenglases passt. Röhrenfassung, Widerstände, Kondensatoren usw. sind hier aufgelötet und auf der Unterseite der Platte mit Schaltdraht verdrahtet. Ausnahmen sind die Induktionsspule und der "Groschen"-Schalter. Beides ist im bzw. unterhalb des Deckels frei verdrahtet eingebaut.

Bei der Auswahl der Bauelemente gibt es zwei wichtige Dinge zu beachten, da der Universator im Betrieb recht warm wird. Alle Teile, speziell die Kondensatoren, sollten für Temperaturen von 85 °C zugelassen sein. Der Röhrensockel erreicht sogar 100 °C. Habe deshalb einen Keramiksockel verwendet. Die verwendeten Folienkondensatoren sind zudem bis 600 V (AC) spannungsfest. Außerdem habe ich diejenigen Widerstände, an denen eine nennenswerte Verlustleistung entsteht, für mindestens die doppelte bis dreifache Leistung dimensioniert, damit hier auch im Dauerbetrieb nichts anbrennt.

Als Deckel habe ich eine runde Plexiglasscheibe von 15 cm Durchmesser und 4 cm Dicke verwendet, in die ich von einer Werkstatt an der Drehbank passende Rillen und Bohrungen habe einfräsen lassen: Eine umlaufende Rille auf der Unterseite der Scheibe ist so beschaffen, dass man den Deckel auf das Glas schrauben kann. In der Mitte befindet sich eine zylindrische Vertiefung zur Aufnahme der Induktionsspule. Die Vertiefung hat zur Oberseite des Deckels hin eine schmalere Öffnung, die den gleichen Durchmesser hat wie der Innendurchmesser der Spule.

Die Induktionsspule habe ich unter Verwendung des L-Culators berechnet. Zielfrequenz des Schwingkreises war 48,5 kHz, und die Spule sollte etwa 4 - 4,5 cm lichten Innendurchmesser haben. Dabei sollte die Röhre optimal ausgelastet werden. Dazu habe ich angenommen, dass bei maximaler Leistungsentnahme etwa 460 V an den Spulenklemmen anliegen, und dass ein Spitzenstrom bis zu 280 mA durch die Spule fließen soll. Dieser Spannungswert ergibt sich aus der maximalen Amplitude der Anodenwechselspannung von etwa 230 V (Betriebsspannung von 270 V hinter dem Gleichrichter, abzüglich etwa 40 V, die bei voller Aussteuerung der PCL 805 an der Anode verbleiben), multipliziert mit einem Faktor von ungefähr 2, welcher der erwarteten Spannungsüberhöhung am 3,3-nF Serienkondensator der Spule entspricht). Die Spulendaten, insbesondere die Windungszahl, Drahtstärke, magnetische Feldstärke, die Induktivität sowie die restlichen Dimensionen ergeben sich aus dem nebenstehenden L-Culator Rechenblatt. Die Spule selbst besteht aus einem zylindrischen Spulenkörper mit einem Innendurchmesser von 4,5 cm und einer Länge von 4 cm. Hierauf sind 350 Windungen aus 0,4 mm sarkem Kupferlackdraht lagenweise aufgebracht. In den Spulenkörper wird eine knapp 7 cm tiefe Kunststoffdose eingesetzt, wie sie in Apotheken für die Zubereitung von Salben verwendet wird. Der Rand der Dose passt genau in die Bohrung im Plexiglasdeckel und sorgt für einen hermetischen Abschluß der Induktorspule nach außen. Nach dem Zusammenbau von Plexiglasdeckel und Dose muß sich der Spulenkörper mit ca. 1 mm Spiel über die Dose schieben und in der Vertiefung im Plexiglasdeckel versenken lassen. In die Dose werden später Gegenstände zum erwärmen hineingestellt. Außerdem habe ich auf der Unterseite des Deckels noch eine Vertiefung zur Aufnahme des oberen Endes der Leuchtstoffröhre und zwei schmalere Blindlöcher zum Anbringen von zwei Messingstäben gebohrt. An den Messingstäben wird die Lochrasterplatte mit den übrigen Bauelementen aufgehängt, und zwar so, daß sie bei geschlossenem Deckel dicht über dem Boden des Olivenglases schwebt. Außerdem habe ich über die Messingstäbe zwei Schraubklemmen geschoben, die die Induktorspule im Deckel fixieren. Zur Durchführung des Netzkabels hat der Plexiglasdeckel ferner eine seitliche Bohrung. Beim Aufbau habe ich auf größte mechanische Stabilität geachtet und dafür gesorgt, dass der Universator rundum berührungssicher isoliert ist.


Der L-Culator berechnet eine Fülle von Spuleneigenschaften, die das Wickeln von Spulen für leistungsfähige Oszillatoren und Schwingkeise erheblich erleichtern.

Erfahrungsbericht:

Seit Ende 2008 habe ich den Universator fast täglich in Betrieb: meistens als abendliche Wohnzimmerbeleuchtung, gelegentlich wird auch mal das Frühstücksbesteck damit beheizt. Für Besitzer von Edelstahl-Espressotassen ist der Universator ein absolutes Muss. Nie mehr kalten Espresso! Und dabei ist er so einfach zu bedienen: Es gibt kein 100-seitiges Handbuch in gebrochenem Englisch, das man nur mit der Lupe lesen kann, kein Display mit komplizierden Menüs, durch die man sich hindurchklicken müsste. Da ist einfach nur der Ein/Aus Schalter. Speziell wenn Gäste da sind, ist der Universator eine nicht versiegen wollende Quelle von Gesprächsthemen. Bas Gerät bietet auch für die jüngere Generation etwas. Mittlerweile gibt es bei mir zu Hause nicht mehr auch nur einen einzigen Löffel, Kugelschreiber, Schraubenzieher oder Schere, keinen Nagel und keine Schraube, die nicht schon mit dem Universator Bekanntschaft gemacht haben, mit mehr oder weniger großem Erfolg. Selbst Gurken, Möhren und Bananen sind nicht vor ihm sicher. Fazit: ein Gerät, das ich nicht mehr wegdenken kann.






Seit neuestem beleuchtet der Universator abends im Dunkeln eine kleine Venus-Fliegenfalle, ein fleischfressendes Pflänzchen, dass meine Frau mit geschenkt hat. Eine Venus Fliegenfalle ist kein Vegetarier. Sie vertilgt Insekten, die sich auf ihre gezähnten Blätter verirren, die bei Berührung der feinen Häärchen blitzartig zusammenklappen können. Der Universator dient dazu, bei Dunkelheit durch sein Licht Fliegen in die Nähe der Venus-Fliegenfalle zu locken. Außerdem regt das bläulich-weiße Licht aus der Leuchtstoffröhre (die eigentlich für die Beleuchtung von Terrarien gedacht ist) den Stoffwechsel, die Fotosynthese des lichthungrigen Pflänzchens an. Eine wunderbare Symbiose!

Zum Beweis: das Bild rechts zeigt dieselbe Venusfalle vier Monate später. Gartenexperten haben mir versichert, dass so ein rasches Wachstum bei dieser Pflanzenart außergewöhnlich sei!

Sicherheit (Wichtig !):

Vor allen Dingen muß bedacht werden, dass die Schaltung im Innern des Gerätes und alle Strom führenden Teile nach außen hin vollständig isoliert sind. Die Schaltung hängt nämlich direkt und ohne galvanische Trennung an der Steckdose. Bei der Berührung besteht somit die Gefahr eines tödlichen Stromschlags ! Ich habe deshalb auch darauf verzichtet, im Gehäuse Lüftungsschlitze einzubauen, damit niemand dort versehentlich Messer oder Gabel hineinsteckt. So kann auch dann nichts passieren, wenn jemand seinen Kaffee über den Universator kippt. Das Gerät darf man nur dann ans Netz anschließen, wenn es ins Glas eingebaut und der Deckel fest verschlossen ist. Im Betrieb wird der Universator zwar merklich warm, aber die Wärmeabfuhr durch die Wand des doch recht großen Olivenglases reicht völlig aus.

Beim Zusammenbau und zur ersten Funktionsprüfung habe ich die erforderliche Anodenspannung sowie die Heizspannung nicht direkt aus dem Netz, sondern über ein Labornetzgerät erzeugt. Erst dadurch waren gefahrlose Messungen und Funktionstests an der Schaltung möglich.

Venusfalle2


(Foto: Jörg Haase, 2017, mit freundlicher Genehmigung)

Herr Jörg Haase hat den Universator links im Bild gebaut, basierend auf der gleichen Schaltung.

Das Gerät ist im Museum Umspannwerk - Strom und Leben in Recklinghausen zu sehen. Wirkung und Anwendung der magnetischen Induktion zur drahtlosen Übertragung von Energie werden hiermit demonstriert.

Der Universator bringt drahtlos ein Elektrolumineszenz-Leuchtpanel, kurz EL-Panel, zum Leuchten. Durch Induktion!


Ein EL-Panel ist ein auf Karton oder Folie gedruckter, flächenförmiger Kondensator. Die obere Elektrode besteht aus lichtdurchlässigem Leitermaterial. Das Dielektrikum enthält einen Leuchtphosphor aus Zinksulfid, wie beim Magischen Auge. Wenn eine hohe Wechselspannung anliegt, leuchtet es. Das ist auf dem Bild zu sehen. Man kann damit Leuchtetiketten, Reklameschilder, oder Displays drucken, wie diese elektische Visitenkarte der OEA, der Organic and Printed Electronics Association, eine Organisation von Unternehmen und Forschungsinstitute, die die Entwicklung neuer Techniken und Anwendungen der gedruckten Elektronik fördert.

Der Empfangsschwingkreis. Die Empfängerspule hat etwa 150 Windungen und 4,5 cm Durchmesser. Ihre Induktivität beträgt 1,1 mH. Dazu habe ich noch eine Festinduktivität von 1 mH in Reihe geschaltet. Das Leuchtpanel hat eine Kapazität von 4 nF. Die Resonanzfrequenz liegt also bei 48 kHz. Genau da sendet auch der Universator. Am Leuchtpanel stehen bis zu 100 Volt zur Verfügung.



Hier kommt die Energie scheinbar aus dem Nichts. Ein Perpetuum Mobile ? Nein, unter dem Tisch steht der Universator.

Hans Martins Bastelseiten, letzte Änderung: 12.2.2019

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