Funktion
eines Teslatrafos
Ein Teslatrafo ist kein Trafo im herkömmlichen Sinn. Der
Teslatrafo
ist ein eisenloser Trafo. Die Primär und Sekundärwicklungen
sind
deshalb nur lose miteinander gekoppelt. Wichtig beim Teslatrafo ist,
dass
sowohl die Primär- als auch die Sekundärseite aus je einem
LC
Schwingkreis besteht. Es kommt darauf an, dass sowohl der
Primärkreis,
als auch der Sekundärkreis die gleiche Resonanzfrequenz haben. Nur
so ist eine hohe Energieübertragung mit einer losen Kopplung
überhaupt
erst möglich. Siehe dazu auch die Simulation
des Teslatrafos.
Deshalb ist die Funktionsweise auch sehr von der eines Netztrafos zu
unterscheiden. Der wichtigste Teil des Teslatrafos ist die
Sekundärwicklung.
Diese stellt einen Resonator dar. Daher spricht man oft auch von
Teslaresonatoren. Eine ausführliche Erklärung der Funktion
findet sich beim Vortrag zum Teslatrafo.
Um
die Funktion des Teslaresonators zu verstehen, betrachten wir
zunächst
einen Serienschwingkreis. Er besteht aus einer Induktivität und
einer
Kapazität, die eben in Serie geschaltet sind. Der Widerstand
stellt
die immer vorhandenen Verluste und die Last dar. Im Resonanzfall ist
die
Vektorsumme
aus
UC und UL gleich Null. UL
ist
dem Strom um 90° voreilend, UC um
90°
nacheilend. Die beiden Spannungen stehen somit in Gegenphase und
subtrahieren
sich bei der Berechnung der Gesamtspannung.
Im Resonanzfall stellt der Schwingkreis nur mehr einen ohmschen
Widerstand
dar. Das ist gleichzeitig auch der kleinste mögliche Widerstand
eines
Schwingkreises. Da sich die beiden Spannungen aufheben, ist es somit
auch
möglich, dass an einem Bauteil des Schwingkreises eine höhere
Spannung auftritt, als die Eingangsspannung U. Diese wird ja durch eine
gegenphasige Spannung am anderen Bauteil wieder aufgehoben, so dass
nach außen nichts von der hohen Spannung zu merken ist. Die
Größe
der Spannungsüberhöhung wird durch die Güte Q des
Schwingkreises
bestimmt. Siehe dazu auch den Versuch zur
Spannungsüberhöhung.
Es ist auf den ersten Blick vielleicht
nicht ganz klar, wie eine freistehende Spule einen Schwingkreis bilden
kann. Doch
es sind nicht immer alle Bauteile wirklich so vorhanden, wie man sie
erwartet.
Die Spule ist ganz klar zu erkennen, die Kapazität hingegen wird
nur durch die hohe geometrische Bauweise der Spule und durch den Toroid
auf
deren Spitze gebildet. Sie ist somit nur indirekt eingebaut.
Kapazität
ist überall dort vorhanden, wo sich leitende Flächen
gegenüberstehen.
Hier ist das einerseits die Oberfläche der einlagigen Spule und
des
Toroids auf der Spitze und andererseits die geerdete Grundfläche,
auf der die Spule steht. Das die so entstehende Kapazität nicht
sehr groß ist, ist klar, doch ein Teslatrafo wird mit sehr hohen
Frequenzen (100kHz bis 1MHz) betrieben. Es sind dann nur mehr sehr
kleine
Kapazitäten notwendig, um die Spule in Resonanz zu bringen. Bei
der
Berechnung der
Resonanzfrequenz
werden wir noch einmal auf dieses Thema zurückkommen.
Durch die hohen Frequenzen treten aber auch immer stärker die
Welleneigenschaften des Stromes in Erscheinung. Eine
hochfrequenztechnische
Betrachtung des Resonators sollte deshalb nicht vergessen werden. Der
aufgewickelte
Draht der Sekundärspule wirkt wie eine Wendelantenne. Oder anders
ausgedrückt, ist er eine elektrisch verlängerte Antenne, die
nur noch aus der Verlängerungsspule besteht. Annähernd
entspricht
bei so einer Antenne die Länge des aufgewickelten Drahtes einem
Viertel
der Wellenlänge im Resonanzpunkt. Wird z.B. ein zu dünner
Draht
verwendet, so ist diese Länge schon unterhalb der Spitze erreicht.
Nach der Antennentheorie tritt bei 1/4 der Wellenlänge der 1.
Spannungsbauch
auf. Dann kann es im Extremfall sogar vorkommen, dass die Funken nicht
an der Spitze, sondern schon weiter unterhalb aus der Spule austreten.
Die Abstimmung mit der Größe des Toroids hat so zu erfolgen,
dass
der Spanunngsbauch genau an der Spitze auftritt.
Um diesen Resonator zu erregen, muss eine Schwingung
mit der richtigen
Frequenz erzeugt werden. Das kann durch einen externen
Hochfrequenzgenerator, wie etwa beim Mini-Teslatrafo
erfolgen. Doch für große Leistungen ist das sehr
aufwendig.
Die damit erreichte Funkenlänge, würde auch den Aufwand
wahrscheinlich
nicht gerecht werden. Ein HF-Generator mit der guten alten
Funkenstrecke
ist genau das Richtige für so einen großen Teslatrafo.
Das Prinzip ist denkbar einfach. Der Kondensator Cp wird über
den Netz-Hochspannungstrafo aufgeladen. Es muss auch im Erregerkreis
schon Hochspannung verwendet werden, da sonst nicht genügend
Energie
im Kondensator gespeichert werden kann. Das wird besser aus dem
Berechnungsbeispiel
beim 50kV Spannungsverdoppler
ersichtlich.
Ist die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke erreicht, so zündet
sie und schließt somit den Stromkreis kurz. In dieser Zeit bildet
sich aus Cp und Lp ein Schwingkreis, der mit seiner Eigenfrequenz
schwingt.
Das ist dann auch die erzeugte Frequenz, die in die Sekundärspule
eingekoppelt wird. Die Schwingung klingt dann durch die Belastung ab.
Der
genaue Schwingungsverlauf ist etwas komplizierter als eine
gedämpfte
Schwingung, da die Energie auch zwischen den beiden Spule mit einer
niedrigeren
Frequenz hin und her pendelt. Um das ersichtlich zu machen folgt jetzt:
Die
Simulation
des Teslatrafos
Diese
Schaltung wurde in PSpice Version 6.3 unter Windows 95 simuliert.
Die Simulation beschreibt zwei lose
aneinander
gekoppelte Schwingkreise, was ja auch ein Teslatrafo ist. Die
mechanische Entsprechung dazu sind zwei gekoppelte
Pendel, die genau das gleiche Verhalten zeigen. Die Werte der
Bauteile wurden so gewählt, wie ich sie bei meinem Teslatrafo
gemessen
habe.
Der Kondensator C1 wird nach dem Start der Simulation einmal 2µs
lang von der Spannungsquelle V1 und über den Widerstand R1
aufgeladen.
Nach 2µs kann man von 100V am Kondensator ausgehen. Dann
öffnet
Schalter tOPEN und tCLOSE schließt gleichzeitig den
Primärschwingkreis
durch Parallelschalten von C1 mit L1. Das kommt dem Zünden der
Funkenstrecke
beim Teslatrafo gleich. Der Schalter bleibt bis zum Ende der Simulation
geschlossen. Es soll hier nur der Schwingungsverlauf bei
gezündeter
Funkenstrecke simuliert werden. Die Schwingkreise werden also sich
selbst
überlassen und ihre Schwingungen klingen durch die Belastung ab.
Die
Belastung des Trafos durch den Funken wird hier mit R2 simuliert.
Im Ergebnis der Simulation ist im oberen Diagramm zunächst
einmal die Primärseite dargestellt. Es ist die für einen
Schwingkreis
charakteristische 90° Phasenverschiebung zwischen Spannung und
Strom
gut zu erkennen. Der Strom wurde mit 10 multipliziert, um einen
besseren
Vergleich mit der Spannung zu ermöglichen. Die Stromskala ist
deshalb
von -10 bis + 10A !
Im unteren Teil ist die Spannung am Sekundärkondensator C2
dargestellt.
Diese erreicht sehr hohe Werte, wie es ja auch sein soll. Neben dem
gedämpften
Verlauf der Schwingung, der hauptsächlich durch die Last R2
entsteht,
ist schön das Pendeln der Energie von Primär- zu
Sekundärskreis
zu sehen. Dieses entsteht durch die relativ lose Kopplung der beiden
Spulen.
Dadurch kann in einer Periode der Primärschwingung nur ein kleiner
Teil der Energie in den Sekundärkreis übertragen werden. Es
werden
somit mehrere Schwingungen benötigt, um die gesamte Energie aus
dem
Primärkreis in den Sekundärkreis zu übertragen.
Da die Spannung an einem Kondensator ein Maß für seine
gespeicherte
Energie (C*U²/2) ist, kann man aus den Diagrammen schön
erkennen,
wie die Energie von der Primär- zur Sekundärspule und dann
auch
wieder zurück schwingt. Wesentlich ist, dass diese Schwingung
eine viel niedrigerer Frequenz ( Einhüllende der
Hauptschwingung) hat, als die Resonanzfrequenz beider Spulen. Diese Frequenz wird im
Wesentlichen
durch den Koppelfaktor bestimmt. Eine schwächere Kopplung erzeugt
ein langsameres Pendeln der Energie. Bei einem größeren
Koppelfaktor
wird die Energie schneller übertragen, was auch ein schnelleres
Pendeln
erzeugt.
Es wird jetzt auch verständlich, warum ein kleiner Koppelfaktor
nicht unbedingt eine schlechte Energieübertragung mit sich bringen
muss. Denn wenn wie hier, Erreger- und Lastkreis je ein Schwingkreis
mit der gleichen Resonanzfrequenz ist, kann auch bei kleinem
Koppelfaktor
die Energie effizient übertragen werden. Es werden dann nur mehr
Schwingungen
benötigt. Aber zusätzliche Verluste gibt es, abgesehen von
denen
in den Schwingkreisen selbst, keine durch einen kleinen Koppelfaktor.
Aus diesem etwas ungewöhnlichen Verhalten des Teslatrafos kann
man sich auch leicht überlegen, wann die Funkenstrecke
löschen
muss. Es ist ja erwünscht, möglichst viel Energie in die
Sekundärspule zu übertragen. Da diese aber dauernd zwischen
Primär-
und Sekundärkreis hin und her pendelt, ist der Löschzeitpunkt
von entscheidender Bedeutung. Ideal ist ein Löschen nach dem
ersten
Schwingungspaket. Denn dann ist die ganze Energie im
Sekundärkreis. Das sieht man einerseits an der hohen Spannung an
C2 (viel Energie)
und
andererseits an der kleinen Spannung an C1 (wenig Energie). Ein
Löschen
wäre auch nach dem zweiten oder dritten Paket möglich, doch
dann ist schon ein Teil der Energie durch Verluste in den
Schwingkreisen
bzw. in der Funkenstrecke verloren gegangen. Das wird hier durch R2
simuliert.
Ein schlechter Zeitpunkt zum Löschen ist dann, wenn noch nicht
alle Energie im Sekundärkreis ist bzw. schon wieder aus ihm
zurückgekehrt
ist. Denn nach dem Löschen der Funkenstrecke kann keine weitere
Schwingung
mehr stattfinden. Da eine Funkenstrecke meist dann löscht, wenn
sie
einen kleinen Strom führt, hat das noch zusätzlich zur Folge,
dass wegen der 90° Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung
sehr viel Energie im Kondensator ungenutzt bleibt. Dieser muss dann
vom Netztrafo nicht mehr so weit aufgeladen werden, wodurch die
Gesamtleistung sinkt.
Mit einem Teslatrafo können extrem hohe
Spannungen
erzeugt werden. Das ist besonders dann der Fall, wenn er wie hier mit
kurzen
Impulsen betrieben wird. Bei so einem großen Teslatrafo ist es
nicht
mehr möglich mit den Funken herumzuspielen, wie es beim Mini-Teslatrafo
getan wird. Eine Berührung mit dem Funken oder auch nur einer
Teilentladung
davon kann lebensgefährlich sein !
In der Ansteuerung des Teslatrafos wird
Hochspannung
in Verbindung mit Kondensatoren verwendet. Eine Berührung eines
aufgeladenen
Kondensators oder eines spannungsführenden Teiles kann
lebensgefährlich
sein.
Ein Teslatrafo erzeugt zusätzlich zu den
hohen Spannungen auch noch hohe Frequenzen. Die abgegebene HF-Leistung
darf nicht unterschätzt werden. Diese kann sich in die Zuleitungen
einkoppeln und so auch zu dem weit entfernt stehenden Bediener gelangen.
Beim Bau des Teslatrafos muss auf die korrekte
Isolation der Hochspannung und auf die richtige Abschirmung der HF
geachtet
werden. Mit dem Nachbau sollten nur jene beginnen, die schon Erfahrung
auf diesen beiden Gebieten gesammelt haben.
Sekundärspule:
Der
wichtigste Teil des Teslatrafos sollte auch dementsprechend
sorgfältig
gefertigt werden. Die Spule wird auf ein sauberes PVC Rohr (Kanalrohr)
einlagig gewickelt. Es sollte vorher mit Azeton gereinigt und eventuell
auch ausgetrocknet werden. Der Draht soll sich nicht überschlagen,
und gleichmäßig eng aneinander liegen. Ist die Spule fertig
gewickelt, so wird sie mit Epoxyharz versiegelt. Das bringt eine
höhere
mechanische Stabilität, verhindert Überschläge und das
Eindringen
von Feuchtigkeit.
Im ganzen Rohr sollte man keine Löcher bohren, da durch diese
Funken in das Innere der Spule überschlagen können. Das ist
besonders
wichtig, wenn die Funkenlänge größer sein soll als die
Spulenhöhe. Den Drahtanfang kann man auf ein Stück
Kupferblech
löten, und dieses dann außen auf das Rohr aufkleben.
Über
einen Federkontakt lässt sich so eine saubere Masseverbindung
herstellen. Auf der Oberseite wird ein Deckel aus PVC in das Rohr
eingeklebt,
so dass er flach mit dem Rohr abschließt. Das Drahtende
führt
man über diesem Deckel bis zur Mitte und klebt dann einen zweiten
Deckel mit einem Loch in der Mitte darüber auf. Diese
Verlegung
am Spulenende ist nur dann zulässig, wenn man einen Toroid
verwendet.
Dieser schirmt nämlich die Koronaentladungen an der Spitze der
Spule
ab. Ist dieser nicht vorhanden oder zu klein, dann entsteht an der Ecke
des Drahtes, der ins Innere führt eine Sprühentladung und es
kommt dort zu Überschlägen. Deshalb ist auch die Höhe
des
Toroids über der Spule angegeben. Diese sollte für einen
ähnlich
großen Toroid nicht wesentlich überschritten werden. Ich
musste
meinen Isolator kürzen, da der beschriebene Effekt auftrat.
Der Toroid selbst sollte keine scharfen Kanten besitzen. Am besten
ist eine Ausführung aus Kupfer oder Aluminium Blech. Da so etwas
aber
schwer zu beschaffen ist, kann man auch einen Styroporkern für
einen
Adventkranz verwenden, und diesen streifenweise mit Alufolie oder
besser
mit selbstklebender Kupferfolie überwickeln.
Wicklung: | 680 Wdg. mit 0,85mm dicken Kupfer-Lackdraht (doppelt gelackt) |
Spulendurchmesser: | 16cm (Standard Kanalrohr) |
Spulenhöhe: | Gesamtlänge 58cm Bewickelte Länge 56,5cm |
Toroid: | Durchmesser: 30cm Dicke: 8cm |
Isolatorhöhe: | von der letzen Windung bis zur Toroid Unterkante: 7cm |
Induktivität: | 15mH gemessen bei 1kHz |
Gleichstromwiderstand: | 10 Ohm |
Primärspule:
Für
die Primärspule sollte ein möglichst dicker Draht oder
sogar ein Kupferrohr verwendet werden. Es ist bei HF nämlich
gleichgültig,
wie es im Inneren eines Leiters aussieht, da der Skineffekt den Strom
ohnehin nur in oberste Schicht des Leiters drängt. Eine
größere
Oberfläche sorgt hier also für einen niedrigeren Widerstand.
Es ist weiters zu empfehlen, einen blanken Draht zu verwenden. Da man
den Primärkreis auf den Sekundärkreis abstimmen muss ist
es oft notwendig, die Primärspule geringfügig in ihrer
Windungszahl
zu
verändern. Das geht am besten mit einer Klemme, über die an
den
blanken Leiter die Zuleitung befestigt wird. Durch einfaches
Verschieben
der Zuleitung ist dann eine Abstimmung möglich. Durch Beibehalten
der Windungszahl und durch Verschieben des wirksamen Teils der Spule
kann
auch die Kopplung in geringen Maße geändert werden. Das
für
eine blanke Wicklung auch ein Abstandhalter verwendet werden muss,
lässt sich leider nicht vermeiden.
Für die ersten Versuche würde ich sowieso
empfehlen, die Primärspule
nicht fix aufzubauen. Denn über die Höhe der Primärspule
wird die Kopplung an die Sekundärspule reguliert. Mann wird dann
rasch
feststellen, dass eine größere Höhe längere Funken
bringt. Ab einer gewissen Höhe kommt es dann zu
Überschlägen
auf die Sekundärspule. Es wird dann notwendig, ein zweites
Abschirmrohr
zu verwenden. Hier wurde wegen der Optik ein Plexiglasrohr (siehe Bezugsquellenliste)
verwendet. Es ist im Bild nur ganz leicht zu erkennen. Die billigere
Variante
ist aber sicher, auch hierfür eine Kanalrohr zu verwenden. Es
reicht
bis zum oberen Spulenende und verhindert somit Überschläge
aus
der Primärspule. Nur allzuviel Isolation sollte man sich von so
einem Rohr auch nicht erwarten, HF durchdrigt auch Isolatoren.
Besser ist es, eine weitere Windung oberhalb der
Primärspule anzubringen und diesen zu erden. Die Funken schlagen
dann
vorzüglich in diesen Abschirmring und nicht in die Spule ein.
Viele Teslatrafos verwenden oft Flachspulen am Fuß der
Sekundärspule,
um Überschläge zu vermeiden. Mit solchen konnten bei diesem
Teslatrafo
keine vernünftigen Funkenlängen erreicht werden.
Wicklung: | 8 Wdg mit 4mm² blanken Kupferdraht |
Spulendurchmesser: | Außendurchmesser des Abschrimrohres: 20cm |
Spulenhöhe: | letzte Windung 13 cm über Grundplatte |
Windungsabstand: | von Leitermitte zu Leitermitte 10mm |
Induktivität: | ca. 14µH bei 1kHz |
Versorgungstrafo:
Für
den Teslatrafo werden zwei der hier abgebildeten Neontrafos parallel
geschaltet. Neontrafos sind sogenannte Streufeldtransformatoren. Das
heißt,
dass sich ein Teil der Feldlinien von der Primärspule nicht
über
die Sekundärspule schließen kann. Meistens werden diese
Trafos
als Schenkeltrafos (auf jeder Säule 1 Sekundär- und 1
Primärspule)
ausgeführt. Das Streufeld kann dann leicht durch einen beweglichen
Eisenkern erzeugt werden, der zwischen die beiden Säulen geschoben
wird. Bei älteren Modellen werden oft auch Trafobleche an die
Säulen
gelegt, und mit einem Holz verschraubt. Sie sind dann gut versteckt und
man denkt zuerst gar nicht an einen Streufeldtrafo. Das Streufeld hat
eine
höhere Streureaktanz zu Folge, was sich wiederum auf den
Kurzschlußstrom
auswirkt. Für Neonlampen ist eine Strombegrenzung notwendig.
Für
einen Teslatrafo kann man nie genug Strom haben. Deshalb ist es besser
all diese Steuerelemente aus dem Trafo auszubauen. Im Bild ist deshalb
ein freier Bereich zwischen den Spulen zu sehen. Dort war vorher ein
bewegliches
Eisenstück untergebracht.
Durch diesen Umbau gewinnt man einiges an Leistung. Es gibt auch einige
Modelle, die komplett vergossen sind. Dann weiß man leider nie
wieviel
Feld ungenützt an den Sekundärspulen vorbeigeleitet wird. Die
neuesten Modelle sind oft schon elektronische Trafos mit einem
Schaltregler.
Diese sind nicht für Teslatrafos geeignet, da sie nach dem
Zünden
der Neon-Röhre die Hochspannung abschalten. Eine empfindliche
Elektronik
wird sich sowieso nicht mit den Extrembelastungen anfreunden
können.
Bei allen Hochspannungstrafos muss immer ein Wicklungsende geeredet
sein. Bei Neontrafos sind wegen dem geringeren Isolationsaufwand beide
Sekundärspule geerdet. Deshalb auch die Doppel-Spannungsangabe.
Zwischen
beiden Spulen steht somit auch die doppelte Spannung zur
Verfügung.
Für Neontrafos siehe Bezugsquellenliste.
Nennleistung: | 2 Trafo mit je 350 Watt |
Nennspannung: | 2 Trafo mit je 2 x 3500V |
Nennstrom: | 2 Trafo mit je 50mA |
Kurzschlußstrom: | je Trafo 150mA |
Funkenstrecke:
Für
erste Versuche reichen hier schon zwei Spitzen, die sich
gegenüberstehen.
Aber auch hier gibt es Verbesserungsmöglichkeiten. Ein einzelner
Funke
brennt sehr heiß und laut. Je heißer er ist, um so
länger
hält er auch an. Dadurch treten zuviele Pendelschwingungen auf,
und
es geht Energie verloren. Weiters wird der Trafo lange Zeit
kurzgeschlossen
und viel Leistung im Funken umgesetzt. Eine einfache Möglichkeit
die
Brennzeit zu verkürzen ist die, den Funken durch Preßluft
wegzublasen.
Auch ein Ventilator kann schon eine Verbesserung bringen. Doch die
beste
und einfachste Lösung ist sicher die Löschfunkenstrecke. Sie
besteht aus vielen Metallringen,
zwischen
denen ein relativ geringer Abstand
besteht.
Durch die Aufteilung der Funkenlänge auf viele kleine Teile
kühlt
der Einzelfunken schneller ab. Wenn ein Teilfunken abreißt
unterbricht
das in den anderen den Strom und alle erlöschen gleichzeitig.
Durch
solche Funkenstrecken sind viel höhere Pulsraten möglich, als
mit einem einzelnen Funken. Wann der optimale Zeitpunkt zum
Löschen
erreicht ist, wurde schon bei der Simulation
des
Teslatrafos
erleutert.
Die hier abgebildete Funkenstrecke stammt übrigens aus einem 20kV
Überspannungsableiter. Sie ist einigermaßen massiv
aufgebaut,
und hält auch längeren Belastungen stand.
Platten: | Geformte Kupferscheiben aus 0,5mm Blech mit 70mm Durchmesser |
Plattenzahl: | 7 Platten |
Isolierabstand: | 0,5mm zwischen je zwei Platten durch Hartpapier, Gesamtfunkenlänge = 3,5mm |
Kondensator:
Der
Schwingkreis Kondensator ist sicher das am stärksten belastete
Bauelement in dieser Anordnung. Er wird bis auf über 7kV
aufgeladen,
und muss dann diese Energie in einen Schwingkreis abgeben, wodurch
eine noch höhere Spannung an ihm auftritt. Solche Kondensatoren
sind
sehr schwer zu beschaffen. Man kann nur versuchen sie aus alten Sendern
wie z.B. Kunststoffschweißgeräte,
HF-Haartrockner
oder Diathermiegeräten auszubauen. Für neue Kondensatoren,
die
aber eine größere Geldausgabe bedeuten, siehe Bezugsquellenliste.
Es kommen nur Kondensatoren mit einer hohen Blindleistung in Frage.
Glättungskondensatoren
wie die meisten Durchführungskondensatoren sind hier vollkommen
ungeeignet.
Es ist weiters sinnvoll, mehrere kleinere Kondensatoren in Serie, und
diese Gruppen dann parallel zu schalten. Das verringert die
Einzelbelastungen,
und bietet mehr Abstimmöglichkeiten. Zu beachten ist, dass man
durch die Serienschaltung Kapazität verliert und mehr
Kondensatoren
benötigt.
Kann man überhaupt nichts derartiges auftreiben, so ist es auch
möglich die Kondensatoren selbst anzufertigen. Als Dieelektrikum
sollte
man Kunststoffe wie z.B. PE verwenden. Man könnte einfach ein
Kunststoffrohr
verwenden, dass man innen und außen Leitend beschichtet. Auf
einen Schutzabstand am Rand ist natürlich zu achten. In
jedem
Fall wird er aber für die geforderte Kapazität ziemlich
groß
werden.
Kapazität: | 12nF |
Nennspannung: | 25kV Gleichspannung |
Typ: | Ölgefüllter Metall-Papier-Kondensator |
Messungen
und Berechnungen
Mit Messungen sieht es bei einem Teslatrafo immer schlecht aus. Denn
wird er mit voller Leistung betrieben, so tut man gut daran jedes
elektronische
Gerät in Sicherheit zu bringen. Die wenig möglichen Messungen
müssen daher immer mit sehr stark verminderter Leistung
durchgeführt
werden.
Eine wichtige Messung ist die Bestimmung der Resonanzfrequenz der
Sekundärspule.
Dazu speist man von einem Frequenzgenerator über einen Widerstand
(z.B. 470Ohm) eine Primärspule mit wenigen Windungen (1 bis 3
Wdg.)
und ohne Primärkondensator. Mit einem Oszi mißt man
die
Spannung an der Primärspule. Durch ändern der Frequenz wird
man
rasch einen Resonanzpunkt finden, indem die Spannung ein Maximum hat.
Dabei
ist gut zu erkennen, wie sich leitende Teile im Feldbereich des
Resonators
auswirken. Nähert man sich nur mit der Hand dem Resonator, so
verschiebt
sich sofort der Resonanzpunkt durch die Kapazitätserhöhung
nach
unten.
Auf gleiche Weise kann man die Frequenz des Primärkreises messen,
indem man die Sekundärspule entfernt, und den
Primärkondensator
anschließt.
Eine andere Meßmethode ist die, den Tastkopf wie eine Antenne
in einiger Entfernung neben den Teslatrafo zu stellen. Er nimmt dann
das
Feld der Spule auf und am Oszi ist eine mitunter sehr hohe Spannung zu
sehen. Ist man zu nahe an der Spule, so wird die Messung durch die
Kapazität
des Tastkopfes zu sehr beeinträchtigt. Es wird mit dieser
Messmethode
ebenfalls ein Resonanzpunkt gefunden werden, indem jetzt ein
Spannungsmaximum
auftritt. Die Ergebnisse der verschiedenen Meßmethoden weichen
mitunter voneinander ab. Doch die Messung kann sowieso nie unter realen
Bedingungen
durchgeführt werden, da ja die Belastung des Funkens fehlt. Die
optimale
Funkenlänge tritt deshalb nie bei der so gemessenen Frequenz,
sondern meist bei einer niedrigeren auf.
Für die Messungen an meinem Teslaresonator wurde die
Tastkopf-Antennen
Methode verwendet, da bei einem Abstand von 1/2 Meter von der Spule der
Einfluß des Tastkopfes schon geringer ist, als wenn er direkt an
die Primärspule angeschlossen wird.
Erdung des Fußpunktes | Toroid an der Spitze | Gemessene Resonanzfrequenz | Errechnete Gesamtkapazität | Errechnete Toroid Kapazität |
JA | JA | 298,7kHz | 18,92pF | 6,97pF |
JA | NEIN | 375,8kHz | 11,96pF | - |
NEIN | JA | 394,8kHz | 10,83pF | 3,27pF |
NEIN | NEIN | 472,6kHz | 7,56pF | - |
Zur Abstimmung:
Die Abstimmung ist sehr fein, und muss deshalb auch in kleinen
Schritten vorgenommen werden. Da es ja nicht möglich ist, die
Spule
im Betrieb zu verändern, sind mehrere Versuche notwendig. Bereits
wenige cm Verschiebung der Anzapfung an der Primärwicklung
können
die Funkenlänge beträchtlich erhöhen bzw. vermindern.
Die Abstimmung muss u.U. auch vorgenommen werden, wenn sich die
Leitfähigkeit der Umgebung stark verändert hat. Steht der
Teslatrafo
z.B. auf einer Metallfläche wird die Kapazität des Toroids
größer,
und die Resonanzfrequenz kleiner. Es können auch Unterschiede
zwischen
dem Betrieb in geschlossenen Räumen und im Freien auftreten.
Zur Leistungsregelung:
Es ist leider gar nicht so einfach, den Teslatrafo in seiner Leistung
zu regeln. Denn nimmt man die Spannung zurück, so zündet die
Funkenstrecke nicht mehr, es entsteht überhaupt keine HF mehr. Um
das in den Griff zu bekommen muss die Funkenstrecke variabel
ausgeführt
werden. Bei einer Löschfunkenstrecke kann das durch Anzapfungen an
den einzelnen Platten erfolgen. Die Spannung sollte dann aber
zusätzlich
auch noch verringert werden, da sonst zuviel Energie in den
Funkenstrecke
verbraucht wird. Dieser Teslatrafo nimmt mit 7 Platten in der
Funkenstrecke
(etwa 3,5mm Funkenlänge) einen Strom von 10A bei 250V
Eingangsspannung
auf.
Zur Funkenlänge:
Unter voller Leistung von 2,5kW erzeugt er Funken von bis zu 60cm
Länge ! Diese Entladungen sind aber immer noch zu schwach, um
vom Toroid selbst auszubrechen. Es muss ein Stück Kupferdraht
auf den Toroid gelegt werden, damit die Entladungen kontinuierlich
austreten
können. Die Entladungen treten natürlich frei in den Raum
aus,
wie es für einen Teslatrafo charakteristisch ist. Es ist auch
möglich
die Funken auf eine geerdete Elektrode überschlagen zu lassen. Die
Länge erhöht sich dadurch aber nicht, wie man vielleicht
erwarten
würde.
Zur Länge der Funken ist noch anzumerken, dass die Spannung
hier nicht so hoch sein muss, wie bei Gleichspannung. Ein Vergleich
mit der Kugelfunkenstrecke
zeigt, dass man für 5cm bereits 66kV-DC benötigt. Für
einen Meter kann man dann grob mit etwas über 1MV rechnen. Diese
Spannung
ist hier aber gar nicht notwendig. Denn durch die hohe Frequenz wird
die
Luft zusätzlich ionisiert, da ein beträchtlicher kapazitiver
Strom vom Toroid ausgehend sich im Raum verteilt. Dieser ionisiert die
Luft, was es den Funken erleichtert, sich frei in den Raum
auszubreiten.
Ein sehr interessanter Effekt trat bei einer schlechten Abstimmung
mit geringer Funkenlänge von etwa 15 cm auf. Die Funken schlugen
auf
ein Metallgehäuse ein, dass in einer Plastikfolie eingepackt
war. Das ganze Gehäuse war dann sehr stark aufgeladen ! Bei
Wechselspannung
sollte das ja eigentlich nicht vorkommen. Auch die Isolation der
Sekundärspule
war noch lange Zeit nach dem Abschalten aufgeladen. Die Ladungen waren
richtig im Epoxyharz eingefangen und wurden frei, wenn man mit der Hand
über die Oberfläche strich.
Bei der jetzigen Abstimmung auf max. Funkenlänge tritt dieser
Effekt nicht mehr auf. Ich kann mit das nur so erklären, dass
durch Überlagerung der verschiedenen Frequenzen von Primär-
und
Sekundärkreis ein Gleichanteil entstand. Wenn z.B. die erste
Spitze
einer gedämpften Schwingung viel höher ist, als die andern,
dann
hat die Schwingung einen ebenfalls gedämpft abfallenden
Gleichanteil.
Das muss natürlich in der Sekundärspule entstanden sein,
da über die magnetisch Kopplung kein Gleichanteil übertragen
werden kann.
Zur Feldstärke:
Um das Feld um den Resonator herum zu testen, wurde wieder eine
Leuchtstoffröhre
verwendet. Durch die pulsförmige Ansteuerung flackert sie sehr
stark.
Die Helligkeit kommt aber nicht an die des Mini-Teslatrafos,
der ja nur 30W leistet, heran. Die beiden Prinzipien sind eben sehr
verschieden.
Hier wird hohe Spannung in relativ kurzen Zeiten (beim Zünden der
Funkenstrecke) erzeugt. In der übrigen Zeit wird nur der
Primärkondensator
geladen. Durch Veränderung der Schwingkreisparameter kann das
Verhältnis
Arbeits- zu Ladezeit verändert werden. Für lange Funken muss
ein großer Kondensator in kurzer Zeit entladen werden.
Bei
jedem Überschlag in der Funkenstrecke wird ein neuer Funke
gezündet.
Das erzeugt bei längerer Belichtung viele Funkenkanäle. Unter
voller Leistung von 2,5kW erzeugt er Funken von bis zu 60cm
Länge
!
An
einer offenen Elektrode bilden sich viele Verästelungen. Diese
Entladungen sind aber immer noch zu schwach, um vom Toroid selbst
auszubrechen.
Es muss, wie hier ein Stück Kupferdraht auf den Toroid gelegt
werden.
Eine
Kugel reicht aber als Elektrode vollkommen aus. Das zeigt, wie hoch
die Spannung sein muss. Die auftretenden Verästelungen ähneln
sehr einem echten
Blitz. Durch den plötzlichen
Spannungsanstieg erfolgt der Durchburch nicht auf dem kürzesten,
sondern
auf dem am besten leitenden Weg. Weitere Bilder und Videos von
Tesla-Entladungen gibt es beim Klein-Teslatrafo.