Für alle Einsteiger in das Thema ist dieser Teslatrafo zu
empfehlen.
Er liefert durch seine Erregung mittels Funkenstrecke schon beachtliche
Funkenlängen bis zu 10 cm, die noch dazu so harmlos sind, dass
man sich ruhig auf Spielereien einlassen kann. Der Aufbau ist nicht all
zu groß und relativ leicht nachzubauen. Die Ausführung als
Tischmodell
erlaubt den mobilen Einsatz.
Die Schaltung zeigt die eines
klassischen Teslatrafos mit Funkenstreckenerregung.
Die einzige Besonderheit liegt in den zuschaltbaren Kondensatoren, mit
deren Hilfe eine Nachstimmung direkt im Betrieb, ohne Unterbrechung
möglich
ist. Weiters wird eine Netzdrossel verwendet, um den Trafo vor den
Kurzschlüssen
der Funkenstrecke zu schützen. Eine genaue Beschreibung der
Funktion
eines Teslatrafos finden Sie beim Vortrag
zum Teslatrafo.
Die Primär- und Sekundärspule wird jeweils auf ein
PVC-Kanalrohr
gewickelt. Die Primärspule sollte in einem zweiten Schutzrohr aus
Plexiglas untergebracht werden, damit jegliche Berührung des
Erregerkreises
ausgeschlossen ist. Denn die 5kV die dort vorherrschen, sind nicht so
harmlos
wie die Funken an der Spitze.
Ein Abstand der Primärspule zu dem Metallgehäuse ist wichtig,
da ansonsten dem Schwingkreis Energie durch die Wirbelstromverluste im
massiven Material des Gehäuses entzogen wird.
Die einlagig gewickelte Sekundärspule wird zum Schutz vor
eventuellen
Funkeneinschlägen und zur mechanischen Stabilität gegen
Temperaturschwankungen
mit einem Klarlack überzogen. Am oberen Ende wird ein Stück
Plexiglas
eingeklebt, welches eine radiale Bohrung zur Mitte hin enthält.
Durch
diese Bohrung wird der Draht von der letzten Windung zur Mitte
geführt
und mit dem Messingstück verbunden, welches den Toroid trägt.
Der Toroid selbst ist ein Kupferring, wie er zur Koronaabschirmung
bei Hochspannung verwendet wird. Wegen der relativ geringen Dicke ist
die
Krümmung der Oberfläche stärker und die Funken
können
leichter direkt auf dem Toroid austreten. Alternativ kann auch eine
Kugelelektrode
verwendet werden. Für Kugeln siehe Bezugsquellenliste.
Primärspule: | 10 Wdg. mit 1,5mm² Installationsdraht 75mm Durchmesser, 30mm hoch 10mm über Gehäuseoberseite Induktivität: 10µH |
Sekundärspule: | 515 Wdg. mit 0,4mm Lackdraht 50mm Durchmesser, 270mm hoch Induktivität: 2,6mH Resonanzfrequenz mit Toroid ca. 1,5MHz |
Toroid: | Aussendurchmesser: 95mm Innendurchmesser: 55mm Dicke: 20mm |
Erste
Bauphase: Montage der Kondensatoren auf einem isoliert aufgesetzten
Blech und Anschluss des Hochspannungsschalters an die
Kondensatorgruppen.
Im Erregerkreis treten sehr hohe Spannungen in der
Größenordnung
von 10kV auf. Alle spannungsführenden Teile sollten daher
mindestens
20mm vom Gehäuse und von anderen leitenden Teilen entfernt sein.
Zur
Isolation wurden hier PVC-Stücke mit beidseitigem Innengewinde
verwendet.
Wichtig ist dabei, keine durchgehende Bohrung zu verwenden und wenn
möglich
Kunststoffschrauben auf der Seite des spannungsführenden Teils zu
verwenden. Das reduziert
Sprühentladungen. Aus dem gleichen Grund sollten alle Kanten und
Ecken
abgerundet werden.
Auch bei der Durchführung der Zuleitung durch
das Metallgehäuse zur Primärspule ist ein PVC Stück
nötig, um eine Berührung
des Installationsdrahtes mit dem Gehäuse zu vermeiden. Seine
Isolation
ist für die auftretenden Spannungen nicht ausreichend.
Die Abstimmung erfolgt so, dass im normalen Betriebszustand, d.h.
mit dem Toroid an der Spitze die max. Funkenlänge bei der 1. oder
2. Stufe, also mit geringer zuschaltbarer Kapazität auftritt.
Werden
später diverse Testobjekte auf den Toroid gelegt, so erhöht
sich
die Sekundärkapazität und das muss dann mit einer
entsprechend
höheren Kapazität im Primärkreis ausgeglichen werden.
Diese
Möglichkeit sollte man sich nicht dadurch verbauen, dass man
schon ohne zusätzliche Kapazität fast alle Kondensatorgruppen
zugeschaltet hat. Man sollte sich auch nicht von den eventuell
geringfügig
längeren Funken dazu verleiten lassen. Das ist ein ganz logischer
Effekt, denn mehr Kapazität im Primärkreis kann auch mehr
Energie
speichern und das gibt dem Funken ebenfalls mehr Energie. Eine
Fehlabstimmung
jedoch vermindert die Funkenlänge in einem viel stärkeren
Maße,
als die zusätzliche Energie eine Erhöhung bewirken
könnte.
Es ist also durchaus ratsam, die etwas kürzeren Funken in Kauf zu
nehmen, dafür aber eine Nachstimmöglichkeit bei Experimenten
zu haben.
Fixe Kondensatoren: | 1000pF / 15kV und 470pF / 15kV ker. Kondensator parallel |
Umschaltbare Kondensatoren: | 4 Gruppen je 4x68pF/15kV ker.Kondensatoren einzeln zuschaltbar |
Schalter: | 5 Stufen Hochspannungsschalter mit 20mm Isolierabstand |
Zweite
Bauphase: Einbau der Funkenstrecke (unten) und der
Spannungszuführungsspule
mit Schutzkondensator (oben).
Die Zuführungsdrossel muss die HF aus dem Erregerkreis vom
Netztrafo fernhalten. Sie muss einlagig gewickelt sein und mit dem
oberen Ende an den Primärkreis angeschlossen werden. Am unteren
Ende
ist direkt an die Spule der Schutzkondensator auf Masse gelegt. Erst
dort
wird die Hochspannung vom Netztrafo angeschlossen.
Die einzelnen Lagen der Funkenstrecke werden mit zwei Schrauben
zusammengepresst
und mit möglichst dicken Drähten, so wie übrigens im
gesamten
Primärkreis, angeschlossen. Hier wurden dazu Streifen aus
Kupferblech
verwendet.
Spannungszuführungsspule: | 42 Wdg. mit 0,5mm Lackdraht auf 50mm Spulenkörper (ca. 47µH) |
Schutzkondensator: | 47pF / 5kV~ ker. |
Funkenstrecke: | 4 x 0,5mm dicke Scheiben, ID: 23mm AD: 50mm 5 Messingscheiben, AD: 35mm, 3mm dick 5 Zentrierringe für die Messingscheiben ID: 35mm, AD: 50mm, 3mm dick |
Dritte
Bauphase: Einbau und Anschluss des Netztrafos, der Vorschaltdrossel
und des Netzfilters.
Der Netztrafo ist ein im Eigenbau gefertigter. Es ist aber auch
möglich,
fertige Neon- oder Zündtrafos zu verwenden.
Beim Selbstbau ist es notwendig, die Sekundärkammer
vollständig
zu verschließen. Die Schlitze für die Drahtzuführung
müssen
mit Kunststoff verdeckt und mit Epoxyharz verklebt werden. Alle 2000
Wdg.
muss eine Lage 0,2mm dicker PTFE-Folie gewickelt werden, die am Rand
möglichst hoch übersteht um einen langen Funkenweg zur
darunterliegenden
Lage herzustellen. Die äußeren Windungen sind besonders
gefährdet,
da sie hohe Spannung führen und dem Eisenkern sehr nahe sind. Aus
diesem Grund muss unbedingt die fertige Wicklung mit Stoffband
umwickelt
und mit Epoxyharz vollständig durchdrängt werden. Auch nur
ein
kurzer Probeversuch ohne einer solcher Isolation kann die
Sekundärspule
unbrauchbar machen.
Da ein Trafo auf einem EI-Keren immer ein sehr geringes Streufeld
besitzt,
ist es notwendig, den Trafo extern mit einer Drossel zu beaufschlagen.
Wird ein Neon- oder Zündtrafo verwendet ist das meist nicht
erforderlich.
Der zusätzliche Widerstand muss verhindern, dass nach dem
Zünden der Funkenstrecke die Entladung "durchgeht" und einen sehr
hohen Strom zieht. Hier wurde dazu ein Vorschaltgerät aus einer
Leuchtstoffröhre
verwendet.
Vorschaltgerät: | von Leuchtstofflampe 40W / 0,43A (ca. 800mH) |
Trafo: | von 220V auf 5kV Prim.: 650 Wdg. 0,6mm Lackdraht, Sek.: 14300Wdg 0,12mm Lackdraht Kern EI 106, 45mm Pakethöhe |
Die Entladungen am Toroid
zeigen, dass sehr hohe Spannungen auftreten.
Denn nur solche könne die abschirmende Wirkung der runden
Flächen
überwinden. Die Funken treten an keiner bestimmten Stellen aus,
sondern
laufen auf der Oberfläche herum. Im Bild ist gut das mehrfache
Zünden
des Funkens in den parallelen Kanälen zu erkennen.
Im Video
ist zu sehen, wie die Funken auf der Oberfläche des Toroids
herumlaufen. Um auch das eindrucksvolle Rattern der Funken einmal
kennenzulernen,
ist dieses, sowie alle folgenden Videos natürlich mit dem
Originalton
versehen. Zu Beginn ist kurz das Geräusch der internen
Funkenstrecke
zu hören und erst dann beginnen die Funken am Toroid zu
sprühen.
Wird ein Stück Draht auf
den Toroid gelegt, so bildet seine Spitze
den bevorzugten Angriffspunkt für die Funken. Am Ring selbst
treten
dann überhaupt keine Funken mehr aus. Am Drahtende dafür aber
in konzentrierter Form.
Im Video
sind vor allem schön die Bewegungen des Funkens zu sehen. Was
sich im Photo zu einer Vielzahl von Blitzkanälen überlagert
ist
hier ein sich ständig ändernder Funke.
Die Feldstärke ist so
hoch, dass auch an einem Stück Draht
das in die Nähe des Teslatrafos gehalten wird, sofort Funken zu
sprühen
beginnen, ohne dass sie vom Teslatrafo selbst ausgehen. Das ist
eindrucksvoll
zu hören, wenn man sich langsam der Sekundärspule nähert
und plötzlich die Funken zu rattern beginnen, ohne dass sie zur
Sekundärspule überspringen. Dann tritt nur am Draht
ein Sprühentladung auf, die mit der an einem einzelnen Draht auf
dem
Toroid zu vergleichen ist.
Wie auch schon das vorherige
Bild, zeigt sich hier noch viel eindrucksvoller,
dass es trotz der beachtlichen Funkenlänge völlig
ungefährlich
ist, den Funken mit der Hand sozusagen aus dem Teslatrafo
herauszuziehen.
Außer leichten Schlägen beim ersten Zünden des Funkens
spürt man nichts. Für solche Spielereien sollte aber immer
ein
Stück Metall oder ein Fingerhut verwendet werden, da es sonst
aufgrund
der hohen Temperatur des Funkens zu Verbrennungen kommen kann.
Die Funken eines Teslatrafos sind aufgrund ihrer hohen Frequenz in der
Lage, einen Isolator kapazitiv zu durchdringen. Das wird hier mit einer
1cm dicken Plexiglasplatte gezeigt. Die Funken fächern sich auf
eine
große Fläche auf und durchdringen das Material. Auf der
gegenüberliegenden
Seite bündeln sie sich wieder zur Elektrode hin. Das Plexiglas
wird
dabei nicht beschädigt. Es wird zwar nach längerem Betrieb
warm,
trägt aber keine bleibenden Schäden wie Löcher oder
Durchschlagsmarken
davon.
Im Video
ist zu sehen, wie vor allem die vom Teslatrafo ausgehenden Funken
nicht immer den kürzesten Weg zur zweiten Elektrode nehmen,
sondern
auf dem Isolator herumlaufen.
Wird eine Glühbirne auf den Toroid gelegt, so wird das Gas im
Inneren
ähnlich einer "Magischen Kugel" ionisiert. Hier kann mit einer
zweiten
Elektrode gezeigt werden, wie die HF auch das Glas durchdringt.
Nähert
man sich mit einem Stück Draht der Glühbirne, so schlagen die
Funken aus dem Inneren durch das Glas durch und gehen fast ungehindert
weiter.
Die
Bewegungen der Gasentladungen in der Glühbirne ähneln denen
in einer sogenannten "Magischen Kugel".
Als
besonderer Effekt wurde eine Sparlampe in den Toroid gestellt. Die
Lampe leuchtet und gleichzeitig springen von den Anschlüssen
Funken
weg.
Wird der Toroid durch einen
Ring aus dünnen Draht (1,5mm² Installationsdraht)
ersetzt, so beginnen die Funken entlang der Außenseite
überall
gleichmäßig zu sprühen. Die Funken können an dem
geringen
Durchmesser viel früher zünden, als am Toroid. Die Energie
wird
nicht in einem langen Funkenkanal, sondern in vielen kleinen
verbraucht.
Bei diesem Versuch macht sich aufgrund der Größe des Rings
die
Kapazitätserhöhung bemerkbar. Für eine optimale
Funkenlänge
muss mit der Primärkapazität nachgestimmt werden.
Hier ist
im Gegensatz zum Photo schön zu sehen, dass es keine
gleichmäßig leuchtende Korona ist, sondern eine Vielzahl von
kleinen Funken, die immer an einer anderen Stelle ausbrechen.
Mit diesem kleinen Teslatrafo lassen sich alle wesentlichen
Experiment mit Teslaanlagen nachstellen. Die kleine Baugröße
gestattet es, auch im Wohnzimmer zu experimentieren. Wer nicht auf
Sensationsjagt nach dem längsten Funken ist, der wird mit diesem
Teslatrafo sicher zufrieden sein.