Lichtbogensender

Um 1900 entdecke der englische Techniker Duddell bei Arbeiten mit Kohlebogenlampen dass durch eine Beschaltung des Lichtbogens mit Spulen und Kondensatoren der Lichtbogen hörbare Töne erzeugt. Dieser, nun Duddelleffekt genannte, Vorgang entsteht wenn man dem Lichtbogen einen Serienschwingkreis parallel schaltet. Durch den differentiellen negativen Widerstand des Lichtbogens wird der Schwingkreis angeregt und der so erzeugte Wechselstrom moduliert den Lichtbogenstrom. Durch die so erzeugten Temperatur- und Druckschwankungen werden die hörbaren Töne abgestrahlt. Das Besondere am Duddelleffekt ist, dass im Gegensatz zum Funkenüberschlag ungedämpfte elektrische Schwingungen erzeugt werden.

Später versuchte der dänische Ingeneur Poulson, den Duddelleffekt zur Erzeugung höherer Frequenzen zu benutzen, was im schliesslich 1903 gelangt und er den ersten Lichtbogensender baute. Der wichstigsten Veränderungen die Poulson einführte waren ein Magnetfeld quer zur Bogenflamme und eine Wasserstoff- haltige Atmosphäre in der der Bogen brennt. Beide Maßnahmen bewirken ein schnellere Reaktion des Bogens auf eine anliegende Wechselspannung. Rechts die prinzipielle Schaltung des Lichtbogensenders. Der Bogen brennt in einer Kammer die mit Wasserstoff gefüllt ist. Das magnetische Querfeld wird durch zwei Spulen mit Eisenkernen erzeugt. Lichtbogen und Magnetspulen sind in Reihe geschaltet sodaß der Strom durch den Bogen auch als Erregerstrom für die Magnetspulen dient.
Bei der praktischen Ausführung eines Lichtbogensenders sind noch einige Details zu berücksichtigen. Zum Beispiel wird die Kammer nicht mit Wasserstoff gefüllt, sondern man läßt Alkohol langsam in die Kammer tropfen. Dieser zerlegt sich in der Hitze des Bogens in Wasserstoff. Meist war auch nur die negative Elektrode aus Kohle, die positive aus Kupfer. Auch wurden verschiedene Vorrichtungen ersonnen um den Abstand der Elektroden trotz Abbrand zu regulieren. Nicht ganz so einfach ist die Tastung oder Modulation eines Lichtbogensenders da man nicht einfach die Stromzufuhr unterbrechen darf, der Lichtbogen braucht etwas Zeit um stabil zu brennen. Zur Tastung wurde oft die Frequenz verstimmt, zur Modulation der Antennenstrom mit einem Kohlemikrofon beeinflußt. Bei größeren Leistung wurde auch der HF-Strom mit einer vormagnetisierten Drossel (Pungsdrossel) beeinflusst. Lichtbogensender wurden für sehr hohe Leistungen, viele Hundert Kilowatt, für den weltweiten Funkverkehr gebaut. Einer der größte war ein Sender der "Federal Telegraph Co". Bei diesem Sender hatte allein der Magnet ein Gewicht von 73 Tonnen.
Nach der Stillegung der großen Lichtbogensender wurden manchmal die vorhandenen Magnete für die ersten Zyklotrons verwendet.

Das hier gebaute Versuchs-Model ist natürlich deutlich kleiner und hat eine Aufnahmeleistung von circa. 700 Watt wobei der größte Anteil im Vorwiderstand ( 128 Ohm) verheizt wird. Die gleichgerichtete Netzspannung beträgt ca. 300 V, die Bogenspannung aber nur um die 40 V. Die Verlustleistung im Vorwiderstand beträgt etwa 520 Watt. Das Modell soll nur die Schwingungserzeugung demonstrieren und nicht an eine Antenne angeschlossen werden. Deshalb wurde auf eine Modulations- oder Tastschaltung verzichtet.

Das Herzstück des Senders, die Bogenkammer. Die Kammer ist aus Messing- und Kupferblech zusammen gelötet. Links und rechts die beiden Magnnetspulen die auf Eisenkernen aus M8-Schrauben sitzen. Ein U-förmiges Joch aus Bandeisen vervollständigt den magnetischen Kreis. Um das Magnetfeld weiter zu erhöhen können auf die Polschuhe Plättchen aus NdFeB- Material aufgebracht werden, wie auf dem rechten Schuh zu sehen ist.
Hinten ist Kupferelektrode mit aufgelöteten Messingkühlscheiben die mit einem Keramikeinsatz isoliert ist.
Die Kohleelektrode steckt in einer Feingewindeschraube. Mit dem Drehknopf kann der Elektrodenabstand eingestellt werden.
Im Betrieb wird die Kammer mit einem Plättchen aus hitzebeständigem Glas, Ofenglas abgedeckt. Das Glas schirmt auch die für das Auge schädliche
UV-Strahlung ab.
Der Lichtbogensender wurde mit Gleichspannung betrieben. Um ihn am 50 Hz Netz betreiben zukönnen muß ein Gleichrichter und Gättungskondensator vorgeschaltet werden.
Der Vorwiderstand besteht aus zwei Heizpatronen eines Heißluftgerätes. In Serie geschaltet ergeben sie einen Widerstand von 128 Ohm.

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Der fertige Poulsengenerator. Hinten Links der Kasten mit der Stromversorgung. Er enthält den Gleichrichter nebst Kondensator und eine Relaisschaltung um den oben aufgebauten Messerschalter vom Netz zu trennen. Vorne links die beiden Vorwiderstände. Hinter der Bogenkammer ist der Kreiskondensator zu sehen, rechts die Schwingkreisspule aus Kupferblech. Das heiße Ende der Spule führt zum Antennenisolator, das kalte zum Erdanschluß.

Die Einstellung des Lichtbogens ist nicht einfach und bleibt auch nicht stabil. Man muß den Abstand ständig nachregeln. Nur bei einer sehr kurzen Bogenlänge erzeugt das System Schwingungen die mit einer kleinen Glühlampe über der Spule detektiert werden können. Die Ausgangsleistung beträgt etwa ein Watt, weit entfernt von dem in der Literatur angegeben Wirkungsgrad von 30%. Mit dem gegebenen Schwingkreis, Kapazität 20 nF und einer Spiralspule aus Kupferband mit sechseinhalb Wicklungen. beträgt die erzeugte Frequenz circa
137 kHz. . Eigentlich gerade richitig für das Langwellen-Amateurband, trotzdem darf man ob Funkamateur oder nicht den Sender keinesfalls an eine Antenne anschließen. Die folgenden Oszillogramme zeigen daß, obwohl tatsächlich ungedämpfte Schwingungen erzeugt werden, je nach Einstellung der Funkenstrecke auch viele Oberwellen erzeugt werden.