Wie kommen Funken in meine Elektrostaten – Vorsicht mit der Spannungsspezifikation

Funken auf den Panels

Wie bereits angekündigt kommt nun etwas ganz Spannendes für alle Besitzer von Quad ESL57 Elektrostaten.
Manchmal “funken die nicht richtig” – oder besser – funkt es in den Elektrostaten (es fliegen Funken ).
Dieses beobachtete Phänomen ist wichtig und nicht so lustig, wie es anfänglich in meinem Wortspiel klingen mag.

Was ist der Auslöser für diesen Beitrag:
im Rahmen der Restauration der Elektrostaten meines Freundes Ralph S. stellte sich bei der Inbetriebnahme ein mir gänzlich unbekanntes Phänomen ein, dem wir auf die Spur kommen mussten, da es zur Beschädigung der Treibereinheiten – besser – Panels führen kann.
Was war geschehen?

Die Beobachtung:
Mit der Erfahrung von mittlerweile 8 restaurierten Quad ESL57 mit dem bewährten Kit von ERaudio wähnte ich mich ganz sicher, dass auch das nächste Paar meines Freundes schön aufspielen würde.
Doch bei der Inbetriebnahme passierte etwas gänzlich Unbekanntes:
– die Panels – vor allem das Hochton-Panel – fing an zu zwitschern und zu “brezzeln”, in der EHT Unit wurde ein permanentes Nachladen, oder besser eine Kurzschlusssituation signalisiert.
Im abgedunkelten Raum sah man kleine Funken von der Beschichtungseite der Mylarfolie zur Vorderfront fliegen.
Und nach 10 Minuten war die Folie defekt.
Was war passiert?
Drei gestandene und reichlich HiFi erfahrene Freunde standen vor einem Phänomen…..

Der Hintergrund:
beim Öffnen des beschädigten Panels zeigte sich, dass die Folie im Bereich der Hochton Einheit fest an den rückseitigen Stator “angeklebt” schien.
Die Folie hatte hier die komplette mechanische Vorspannung verloren.
Sozusagen Totalschaden nach kurzer Inbetriebnahme.

Hier ein Schema, um den Aufbau des Treble-Panels zu verstehen.
Im Querschnitt zeigt sich, dass die Folie zwischen 2 Luftspalten von 2mm vorgespannt fixiert ist (über die braunen Brücken).
Die Ladespannung von 1500V geht auf die beschichtete Seite der Folie, und über die Audio-Unit wird auf der Innenseite des Panels vorder- und rückseitig das Audiosignal eingespeist (grüne Schicht).
Damit schwingt die Folie im Rhythmus des Musiksignals….
Aber:
es liegen theoretisch +1500 V auf der Schichtseite und -1500V auf der isolierten Seite der Folie GEGEN die Statorinnenseiten.

Etwas anders der Aufbau der Bass Panels:

Beim Bass Panel liegen die Ladungsschichten (grün) des Stators ausserhalb, deshalb für 6000V eine deutlich grössere Strecke als nur die Luftbrücke.

Was passiert nun, wenn die Ladespannung deutlich höher wäre, als spezifiziert??
Ein Auszug aus Wikipedia:

Funken entstehen bei elektrischen Spannungen zwischen zwei elektrischen Leitern oder Elektroden durch Stoßionisation, wenn die Schlagweite unterschritten wird.

In trockener Luft unter Standardbedingungen (Atmosphärendruck) werden, abhängig vom vorherrschenden Gas, pro Millimeter zwischen den Leitern etwa 1 kV bis zum Überschlag eines Funkens benötigt.[1] Dieser Wert variiert jedoch stark je nach Art des Gases bzw. des Gasgemisches sowie dessen Luftfeuchtigkeit und Luftdruck.[2]

Kommen wir hier dem Phänomen auf die Spur??

Die unterschiedlichen Spannungsversorgungen:
Hier beginnt sich das Rätsel zu entschlüsseln.
Mittlerweile habe ich von Seriennummer 1200 bis Seriennummer 50000 alle möglichen Modelle in den Händen gehabt.
Alle sind nach dem gleichen Prinzip aufgebaut:

220V (!!) Volt Netz -> Trafo -> sekundär 610V -> Villardschaltung -> 1500V/6000V Folienspannung

Schaut man sich nun die Netzteile an, so gibt es unterschiedliche Modelle über die Jahre verteilt.

Erstgenerationsgeräte hatte einen Bulginstecker, eine EINSTELLBARE Spannungsversorgung primärseitig, Neonröhre als Netzsignal.

Funke EHT Netzteil
Erste Generation mit Steckbrücke umschaltbare Spannungseinspeisung

Spätere Geräte kamen weiter mit EINSTELLBARER Spannungsversorgung und europäischen Blocksteckern.

Ab der 45000 Seriennummer wurde auf die einstellbare Spannung primärseitig verzichtet (!!!), und “sicherheitshalber” am Trafo zusätzlich ein 590V Abgriff vorgesehen.

…Netzteil der 50000er Seriennummern, alles oder nichts……

Alles klar??

Die EHT Unit:

Die Villardschaltung besteht im wesentlichen aus in Reihe geschalteten Dioden, einigen Hochvoltkondensatoren und ein paar Widerständen.
Haken (oder Glück 😉 ) ist, dass die Dioden ermüden, und damit die Endspannung über die Jahre sinkt.
Meines Erachtens neben der mechanischen Alterung der Folien der wesentliche Grund des Klangverlustes – oder besser des brachliegenden Potentials.

Also haben wir eine neue EHT Unit entwickelt, die die Spezifikationen exakt bedient und jeder Folie eine EIGENE Einspeisung bereitstellt.

EHT Unit mit getrennten Ausspeisungen – Villardschaltung modifiziert

Es klappt alles super, wenn eine Bedingung erfüllt ist:
Es MUSS eine Spannung von 610V vor der Schaltung liegen!!!!!

Ist die Spannung zu niedrig, dann bleibt Lautstärke und Druck auf der Strecke, ist die Spannung zu hoch, dann fliegen die Fetzen, besser die Funken.

Die Fehleranalyse und vorläufige Behebung:

Bei der Fehlersuche der 50.000er Serie bin ich auf folgendes gestossen:
– der Trafo erwartet 220V und kann NICHT angepasst werden
– sekundär können 610V oder 590V abgegriffen werden (es waren 610V angezapft)
– erhöht sich die Primärspannung (Netzschwankungen) geht die ganze Kaskade aus der Spezifikation!!
– beim Messen der Sekundärspannung hatte ich gestern abend 658(!!!!) Volt auf der Sekundärseite, und auf dem Panel ca. 1750 V – also weit ausserhalb der Spezifikationen
– das liess die Funken fliegen!!!

Mit dem Umlöten auf den 590V Ausgang wurde es ruhig, aber es lagen immer noch 624V an – also 14V zu viel.

Die praktische Konsequenz:

Die Quad läuft nur richtig, wenn der Trafo primär 220V “sieht”.
Sind es deutlich mehr, droht sich die Folie zu zerstören; sind es weniger, klingt die Quad leiser bzw. mit schwankender Lautstärke!
In meinem Fall funktionierte die unrevidierte Quad nur, weil die Dioden ermüdeten und am Ende der Kette weniger als 1500V anlagen.
Mit der Restauration und Verbesserung aller Komponenten habe ich mir zunächst ein Eigentor geschossen!!!

Neuentwicklung der Spannungsversorgung vor der Quad:

Das ist die wirklich spannende Erkenntnis, die Ralph S. und ich aus dem Ganzen ziehen: die Quad ESL 57 (und auch andere) der neueren Generation gehört NICHT DIREKT an das Stromnetz sondern an einen DC Generator, der sekundär hinter dem Trafo exakt 610 V liefert! Das ist die entscheidende Erkenntnis!
Das ist das Projekt von Ralph S., der in der Planung in einem weit fortgeschrittenen Stadium ist.

Auf das Endergebnis sind wir HOCH GESPANNT!!!
Und:
wir lassen dann keine Funken mehr fliegen!!!