Im August 2000 veranstaltete die ARGE
Bindu, die Arbeitsgemeinschaft zur Erforschung Freier Energie, ein
Sommerfestival am Hof "Terra Verde" in Lunz am See.
Anlässlich dieses Sommerfestivals, wurde von mir ein Vortrag
und eine kleine Ausstellung zum Thema Schwingungen, Teslatrafos und
Hochfrequenz
abgehalten. Die hier vorliegende Mitschrift gibt den Inhalt dieses
Vortrages
wieder. Es sind zum Großteil Experimente die auf dieser Homepage
dargestellt sind, mit dem nötigen Hintergrundwissen für ein
leichteres
Verständnis erweitert worden.
Der gleiche Vortrag wurde auch im Rahmen des Kongresses
über Freie Energie vom 26. bis 28. Oktober 2001 in der
Residenz
Stockerau gehalten.
Inhalt:
1.
BEGRÜßUNG
2. ZUR PERSON
NIKOLA TESLA
3. THEORIE ZUM
TESLATRAFO
3.1. Prinzip des Teslatrafos,
Unterschied
zum herkömmlichen Trafo
3.2. Schwingungen
3.3. Kondensatorproblem
3.4. Grundlagen des elektrischen
Schwingkreises
3.5. Spannungs- und
Stromüberhöhung
3.6. Funktionsprinzip des
Teslatrafos
3.7. Funktion des Toroids
3.8. Prinzip des
Impulsteslatrafos
3.9. Gekoppelte Schwingkreise
/ Pendelschwingung
3.10. Prinzip des
Trägerteslatrafo
3.11. Schaltung des Impulsteslatrafos
3.12. Die Entladungen am Impuls- und
Trägerteslatrafo
4. BAU EINES TESLATRAFOS
4.1. Wickeln der Spulen
4.2. Auswahl der Materialien
4.3. Günstigste Abmessungen
4.4. Transformator
4.5. Funkenstrecke
4.6. Kondensator
4.7. Einbau in ein Gehäuse
4.8. Warn- und Sicherheitshinweise
5.
VORFÜHRUNGEN
Ich möchte zunächst noch einmal alle recht herzlich zum
meinem
ersten Vortrag über Teslatrafos hier am Hof „Terra Verde“ in Lunz
am See begrüßen.
Kurz zu meiner Person: Mein Name ist Harald
Chmela.
Ich bin 23 Jahre alt und komme aus Stockerau. Nach Volks- und
Hauptschule
in Stockerau besuchte ich die höhere Abteilung für
Elektrotechnik
in der HTL Hollabrunn. Beim Bundesherr war ich als Funker und
Fernmelder
bei der Fliegerabwehr in Groß Enzersdorf stationiert. Nahtlos
daran
schloss sich meine berufliche Laufbahn an. Seit 1997 bin ich als
Sendermesstechniker
beim Österreichischen Rundfunk. Ich bin auf der Sendeanlage
Bisamberg
stationiert und meine Aufgabe ist es, alle Störungen an den UKW-
und
FS-Sendeanlagen in Wien, Niederösterreich und dem Burgenland zu
beheben.
Meine privaten Interessen sind ähnlich technisch orientiert. Ich
beschäftige mich hauptsächlich mit ausgefallenen
physikalischen
und elektrotechnischen Experimenten und versuche auch auf dem Sektor
der
Freien Energie zu arbeiten.
Dieser Vortrag soll einen Einblick in die Schwingungen allgemein, so
wie speziell in die Hochfrequenztechnik und deren Anwendung bei
Teslatrafos
geben.
Bei dem Wort Teslatrafo muss natürlich
sofort jeder an Nikola Tesla
denken. Er war wahrscheinlich einer der größten Erfinder die
je gelebt haben. Als er starb, hatte er mehr als 700 Patente
angemeldet.
Hier eine kurze Biographie:
Nikola Tesla wurde 1856 in Jugoslawien in einem kleinen Dorf namens
Smiljan geboren.
1879 begann er an den Universitäten in Graz und in Prag zu
studieren
1881 bekam er eine Stelle im Telegraphenamt in Budapest
1882 begann er für die Continental Edison Company in Paris zu
arbeiten
1884 wanderte er nach Amerika aus
1885 kaufte George Westinghouse die Patente von Tesla über das
Wechselstromsystem
1891 wurde er Amerikanischer Staatsbürger und baute den ersten
Resonanztransformator
1898 Tesla baute das erste ferngesteuerte Boot
1899 begann er mit seinen berühmten Colorado Springs Experimenten
1900 begann er mit dem Bau des Wardencliff Turms auf Long Island
1943 Tesla starb im Alter von 86 Jahren
erst nach seinem Tod wurde ihm und nicht Marconi die Erfindung des
Radios zugesprochen
Zwischen 1880 und 1890 entwickelte sich ein Konkurrenzkampf zwischen
Edison und Tesla. Das war eine Zeit, in der es noch kein einheitliches
Stromsystem gab. In einigen Städten gab es Dampfmaschinen, die
Generatoren
antrieben. Meist wurde damit die Beleuchtung versorgt. All diese
Systeme
verwendeten Gleichstrom. Tesla hingegen war ein Verfechter des
Wechselstromes.
Nicht zuletzt, weil er leichter zu transportieren ist. Es gab aber noch
immer keinen wirtschaftlichen Wechselstrommotor. Man sagt, Tesla hatte
die geniale Idee des Wechselstrommotors, als er in einem Park spazieren
ging und ihm plötzlich ein Ball von zwei spielenden Kinder
über
den Weg lief. Das muss den Ausschlag gegeben haben, wo er erkannte,
dass
auch ein Magnetfeld wandern kann. In dem laufenden Ball sah er ein sich
zeitlich änderndes Magnetfeld. Er zeichnete daraufhin
augenblicklich
die Skizze des Wechselstrommotors in den Sand.
Wenn man die heutige Antriebstechnik betrachtet, erkennt man, wie
genial
diese Erfindung war. Ein Großteil der heute im Einsatz
befindlichen
Motore werden mit Wechselstrom betrieben. Der Aufbau eines
Asynchronmotors
ist so verblüffend einfach. Es gibt keinen Kollektor, keine
Bürsten
und keine Permanentmagnete, alles Vorteile gegenüber den
Gleichstrommotoren.
Doch damals führte das zu einem richtiggehenden Krieg zwischen
der Edison Electric Company, die sich dem Gleichstrom verschrieben
hatte
und Tesla, der dem Wechselstrom verfallen war. Dieser Konkurrenzkampf
führte
schließlich zur Erfindung des elektrischen Stuhls, mit dem Edison
die Gefährlichkeit des Wechselstroms demonstrieren wollte.
Letztendlich setzte sich der Wechselstrom durch und Tesla war drauf
und dran einer der reichsten Männer der Erde zu werden. Er hatte
einen
Vertrag mit Westinghouse, wonach er für jede erzeugte
Pferdestärke
mit 2,50 Dollar bezahlt wurde. Als er sah, das dieser Vertrag seine
Firma
gefährden würde, zerriss er ihn einfach und gab sich mit
einer
einmaligen Abfindung zufrieden.
In Colorado Springs baute er die größten Teslatrafos. Es soll bei deren Betrieb im Umkreis von 20km zu Entladungen an Blitzableitern und Metallteilen gekommen sein. Er beschäftige sich intensiv mit Resonanzen. Sein Ziel war es mit dem Wardencliff-Turm die Erde auf ihrer Resonanzfrequenz anzuregen. Damit wäre eine drahtlose Energieübertragung möglich gewesen. Doch der Turm wurde nie fertiggestellt.
Tesla beschäftigte sich auch mit der Mechanik. Er soll mehrfach
kleine Erdbeben ausgelöst haben, als er mit kleinen, mechanischen
Oszillatoren experimentierte.
Auch die schaufellose Adhäsionsturbine, die bis heute nicht zu
Anwendung kommt stammt von ihm.
Geblieben ist die Bezeichnung der magnetischen Flussdichte, die in Tesla gemessen wird. Der Teslatrafo, der wohl eines der interessantesten Hochfrequenzbauteile ist, trägt den Namen seines Erfinders zu recht, denn er hat bis heute nichts an seiner Faszination verloren.
3.1. Prinzip des Teslatrafos, Unterschied zum
herkömmlichen
Trafo
Trafo:
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Teslatrafo:
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Betrachten wir zunächst einmal einen herkömmlichen Netztrafo, der übrigens auch auf dem von Tesla eingeführten Wechselstromsystem basiert. Er ist ein sehr kompaktes Bauteil, dass große Leistungen auf kleinem Raum übertragen kann. Als auffälligstes Merkmal eines Netztrafos sticht natürlich sofort der große und schwere Eisenkern heraus, der den Großteil des Volumens einnimmt. Weiters besitzt der Netztrafo kompakte Spulen, die auf kleinem Raum verdichtet, als mehrlagig gewickelt sind.
Im Gegensatz dazu sieht ein Teslatrafo völlig anders aus. Er ist leicht und groß gebaut. Die Leistungsdichte ist nicht so hoch wie beim Netztrafo. Auffällig ist zuerst einmal, dass es keinen Eisenkern gibt, wodurch die Spulen nur lose miteinander verkoppelt sind. Weiter sind die Spulen, oder zumindest die Sekundärspule sehr groß. Sie ist immer einlagig gewickelt und besitzt eine große Oberfläche.
Aus den ersten augenscheinlichen Unterschieden lässt sich auch die grundsätzliche Funktion dieser beiden ganz unterschiedlichen Transformationsverfahren ableiten.
Der Netztrafo wandelt mit Hilfe der Primärspule die elektrische
Energie zunächst in magnetische um. Zur Weiterleitung der
magnetischen
Energie benötigt er unbedingt die großen‚ Eisenmengen. Da
Eisen
nur bis zu einem gewissen Punkt magnetisch belastet werden kann, werden
sehr große Mengen benötigt. Das macht einen Trafo zu einem
sehr
schweren Bauteil.
Die eigentliche Transformation, also die Änderung des Spannungs-
bzw. Stromniveaus ist nur ein Nebeneffekt, der aus der Umsetzung in die
magnetische Energieebene herrührt. Bei der Rückverwandlung
der
magnetischen Energie in elektrische wird eine andere Windungszahl
verwendet.
Eine höhere Windungszahl bewirkt, dass eine höhere Spannung
bei
geringerem Strom entsteht, eine niedrigere Windungszahl führt zu
einem
höheren Strom bei geringerer Spannung.
Durch dieses Verfahren, ist der Ausgang relativ fest mit dem Eingang
verkoppelt. Jede Änderung am Ausgang wirkt sich sofort auf den
Eingang
aus. Man sagt der Trafo besitzt ein spannungssteifes Verhalten. Ein
Kurzschluss
an der Sekundärwicklung lässt auch die Primärwicklung
wie
eine kurzgeschlossene Spule erscheinen.
Dieses Verhalten ist über einen weiten Frequenzbereich vorhanden,
so dass ein Trafo immer breitbandig ist. Die Grenzfrequenz wird nur vom
verwendeten Magnetmaterial bestimmt sie liegt im Allgemeinen aber eher
im unteren Frequenzbereich.
Ganz im Gegensatz dazu ist beim Teslatrafo nur eine sehr lose
Kopplung
der beiden Spulen vorhanden. Eine Transformation auf magnetischen Wege
kann hier überhaupt nicht stattfinden. Das ist bereits eine erste
Fehleinschätzung vieler Leute, die meinen, die Sekundärspule
müsse viele Windungen haben, um hohe Spannungen erzeugen zu
können.
Das stimmt nicht. Die Sekundärspule ist besonders auf ihrem oberen
Teil überhaupt nicht magnetisch an die Primärspule gekoppelt.
Die Sekundärspule ist in Wirklichkeit ein Resonator, der genau
auf seiner Resonanzfrequenz betrieben werden muss. Das ist schon ein
sehr
wesentlicher Unterschied zum normalen Trafo. Der Teslatrafo hat eine
fest
vorgegebene Arbeitsfrequenz.
Die eigentliche Transformation der Spannung wird nicht durch die
Windungszahlen,
sondern durch geschickte Ausnutzung von Resonanzgesetzen hervorgerufen,
auf die ich gleich weiter eingehen werde.
Um die Resonanzgesetze verstehen zu können, ist es zunächst einmal notwendig, sich mit dem Phänomen der Schwingung selbst näher auseinander zu setzen, denn Resonanzen können immer nur in schwingenden Systemen auftreten.
Voraussetzungen:
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1. Energiespeicher |
Potentielle Energie |
Elektrische Energie |
2. Energiespeicher |
Kinetische Energie |
Magnetische Energie |
Resonanzfrequenz |
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Damit eine Schwingung entstehen kann, sind immer zwei Energiespeicher notwendig. Zwischen denen pendelt die Energie dann ständig hin und her. Es handelt sich also im Prinzip um einen endlosen Ausgleichsvorgang von einem zum anderen Energiespeicher. Die Geschwindigkeit des Ausgleichsvorganges, also die Frequenz der Schwingung ist von der Größe der beiden Energiespeicher abhängig.
Ein einfacher mechanischer
Schwingkreis ist ein Pendel.
Es kann sehr gut mit einem elektrischen Schwingkreis verglichen werden.
Die beiden Energiespeicher sind beim Pendel zum einen die
Geschwindigkeit
der Masse und zum anderen die Höhe der Masse. Analog dazu ist beim
Schwingkreis die Energie in einem Kondensator bzw. in einer
Induktivität
gespeichert.
Die Schwingung wird gestartet, indem man einmalig Energie zuführt.
Das kann einerseits Lageenergie sein, indem man das Gewicht hochhebt
und
dann loslässt, oder es kann andererseits kinetische Energie sein,
wenn man das Pendel im Totpunkt anstößt.
Beide Methoden führen zum gleichen Ergebnis, zu einer Schwingung.
So wird z.B. die Höhe des Gewichtes sofort in Geschwindigkeit umgewandelt, indem sich das Pendel zum Totpunkt hin bewegt. Dort hat es seine größte Geschwindigkeit und wenn man diese Höhe als Systemnull bezeichnet auch keine Lageenergie mehr. Da jede Masse träge ist, schießt das Pendel über den Totpunkt hinaus. Jetzt wird die kinetische Energie wieder in Lageenergie umgewandelt und das Spiel beginnt von Neuem.
Eine Besonderheit gibt es dabei allerdings. Damit der Ausgleich immer wieder von neuem beginnen kann muss jedem Speicher seine ganze Energie entzogen und in den anderen transformiert werden. Wenn immer ein kleiner Teil zurückbleiben würde, käme die Schwingung bald zum Stehen, weil sich die Restenergie bei jeder Schwingung erhöht, bis schließlich ein Gleichgewichtszustand herrscht.
Es wird demnach die gesamte Energie jeweils von einem in das andere
Bauteil übertragen. Das ist ein nicht unbedingt üblicher
Vorgang
in der Physik. Zum Vergleich nehmen wir die klassische Wärmelehre.
Die besagt, dass ein kalter Körper nie ohne Eingriffe von
außen
seine Energie an einen wärmeren abgeben kann. Es ist demnach
sinnlos,
ein Gefäß mit Wasser in einem Raum aufzustellen und zu
hoffen,
dass es auf Kosten der Raumtemperatur zu sieden beginnt. Umgekehrt ist
es aber der Normalfall. Ein heißes Gefäß kühlt ab
und erwärmt dadurch den Raum.
Was uns zur Freien Energie noch fehlt ist sozusagen ein thermischer
Schwingkreis, denn den gibt es bis jetzt noch nicht. Ein solcher
wäre
in der Lage die Wärmeenergie aus der Umgebung ohne
zusätzlichen
Energieaufwand periodisch zu entziehen. Man hätte dann einen 100%igen
Thermogenerator gebaut. Die Wärmepumpe ist ein sehr
guter
Ansatz in diese Richtung, obwohl dabei nichts schwingt.
Eine Wärmepumpe baut eine tiefe Temperatur im Absorber auf, um
Wärme aus der Umgebung aufnehmen zu können. Durch
anschließende
Kompression des Arbeitsmediums wird es auf eine höhere Temperatur
gebracht und kann so die aufgenommene Energie an den Nutzkreislauf
abgeben.
Man muss ihr eine gewisse Leistung zuführen, um den Vorgang
aufrecht
zu erhalten und erhält dadurch eine größere
Energiemenge
am Ausgang, als zum Antrieb nötig ist. Die fehlende Energie wird
der
Umgebung entzogen. Gute Wärmepumpen liefern 4 bis 5 mal so viel
Energie,
wie zu ihrem Antrieb notwendig ist, der Spitzenwert liegt bei 6,1. Die
gelieferte Energie wird gewöhnlich zu Heizzwecken o.ä.
verwendet.
Doch Energie kann beliebig in andere Formen gewandelt werden. Es ist
offenbar
noch nie jemand auf die Idee gekommen, einen Teil dieser
Wärmeenergie
in mechanische Energie umwandeln, um damit dann den Kompressor der
Wärmepumpe
anzutreiben.
Dazu könnte man herkömmliche Dampfturbinen oder einen Stirlingmotor
verwenden. Besonders effektiv ist hier die Fischer-Maschine, die ein
überhitztes
Arbeitsmedium erst im Zylinder unter abgeschlossenen Bedingungen
verdampfen
und dann auch wieder kondensieren lässt, umso den Energieverlust
im Kondensator zu vermeiden.
Selbst wenn ein schlechter Wärmemotor mit nur 30% Wirkungsgrad
(alle Dampfturbinen) verwendet wird, liefert eine gute Wärmepumpe
genug Energie, um sich selbst anzutreiben. Die Abwärme des Motors
kann dann herkömmlich genutzt werden.
Rechnen wir das kurz für eine Wärmepumpe mit der
Leistungszahl
4 und einem Wärmemotor mit 30% Wirkungsgrad durch: Mit 1kW
Antriebsleistung
erhalten wir 4kW an Wärmeenergie. Damit treiben wir den Motor an,
der uns daraus etwa 1,3kW an mechanischer Energie liefert. Das reicht
für
der Antrieb völlig aus und zusätzlich bleiben noch 2,7kW an
nutzbarer
Wärmeenergie über.
Wir haben also eine selbstlaufende Maschine gebaut, die Energie von
selbst
aus der Umgebung zieht. Das sollte jeden einleuchten, der logisch
denken
kann. Trotzdem haben viele Theoretiker so ihre Probleme damit, da es
dem
2. Hauptsatz der Wärmelehre widerspricht. Der sagt, es gibt kein
Perpetuum
mobile zweiter Art, also eine Maschine die ihre Antriebsenergie allein
durch Abkühlung eines Körpers gewinnt. Dazu möchte ich
die
Begründung für den 2. Hauptsatz aus dem bekannten Physikbuch
"Gerthsen Physik" von Helmut Vogel zitieren: Dieser typisch
kapitalistische
Wunschtraum - jemand leiht sich eine an sich wertlose Sache, verschafft
sich damit alles was er will, und gibt sie trotzdem vollständig
zurück
- kann nicht funktionieren. Zitat Ende.
Eine solche gewagte und noch dazu unbewiesene Behauptung steht in einem
Physikbuch, obwohl uns jede Wärmepumpe zeigt, dass es
funktioniert.
Ich möchte ein vernünftiges Argument hören, warum es
nicht
funktionieren sollte !
Doch was passiert jetzt, wenn wir so eine selbstlaufende Maschine,
die gerade mal ohne Erzeugung von Überschusswärme
läuft,
in einen vollkommen wärmeisolierten Behälter stellen ?
Die Maschine wird weiterhin Wärme aus dem Inneren des
Behälters
entziehen und zu ihrem Antrieb verwenden. Jetzt ist es aber so, dass
natürlich
überall in der Maschine diverse Verluste auftreten. Mann
könnte
also annehmen, dass sie irgendwann die Wärme im Inneren der Kiste
aufgebracht hat und zum Stillstand kommt. Ich behaupte aber jetzt, dass
sie trotzdem weiterlaufen wird, denn alle nur erdenklichen Verluste
werden
am Ende immer wieder in Wärme umgewandelt. Nehmen wir nur einmal
z.B.
die Reibung in den Lagern. Diese Energie geht unmittelbar in Wärme
verloren und steht damit sofort wieder für den Antrieb zur
Verfügung.
Ähnlich ist es mit Schallwellen, die an einer entsprechenden
Isolierung
absorbiert und somit ebenfalls zu Wärme werden. (Setzt einen
zusätzlich
auch schalldichten Behälter voraus)
Viele Frage drängen sich jetzt auf:
Was treibt denn die Maschine an und warum läuft sie überhaupt
? Oder anders ausgedrückt, was außer Energie hält das
Ungleichgewicht
von Kalt und Warm aufrecht, das die Maschine zum Lauf benötigt ?
Gibt
es so etwas wie die Lebensenergie auch bei Maschinen ? Oder
funktionieren
gar nur solchen, die diese haben ?
Was in der Wärmetechnik also vorerst noch unmöglich ist, funktioniert in der Mechanik und Elektrotechnik sehr wohl. Aber auch dort ist es nicht selbstverständlich, dass ein Bauteil einem anderen die komplette Energie entzieht. Das ist nur mit einer ganz bestimmten Kombinationen von zwei gegensätzlichen Energiespeichern möglich.
Strom u. Spannung bzw. Höhe u. Geschwindigkeit, sind zwei extrem gegensätzliche Energiespeicher. Man könnte hier fast das bekannte Sprichwort „Gegensätze ziehen sich an“ verwenden. Hier ist es aber nicht so, dass sie sich anziehen, sondern, dass einer dem anderen die komplette Energie entzieht. Sie versuchen sich immer gegenseitig der Energie zu berauben, doch das klappt nicht. Die Natur sucht immer die harmonische goldene Mitte und so kommt es zu einer Schwingung. Beide Energiespeicher teilen sich die zur Verfügung stehende Energie zu gleichen Zeiteinheiten.
Um zu zeigen, dass es nicht
mit jeder beliebigen Kombination von Energiespeichern
funktioniert, nehmen wir z.B. zwei Gewichte, die über eine Schnur
und eine Umlenkrolle miteinander verbunden sind. Das sind eindeutig
zwei
voneinander unabhängige und miteinander verkoppelte
Energiespeicher.
Zieht man an einem Ende, so beschleunigen die Gewichte. Das eine
beschleunigt
nach unten und das andere wird hinaufgezogen. Es wird also die
Lageenergie
des einen Gewichtes, das talwärts fährt in Lageenergie des
anderen,
aufwärtsfahrenden umgewandelt. Trotzdem schwingen sie nicht. Bei
einer
reibungslosen Rolle würde das eine Gewicht immer tiefer
hinunterfahren,
bis es das andere schließlich an die Rolle stößt.
Wir sehen es geht nicht mit zwei gleichartigen Energiespeichern. Die
Energie kann nicht aufgespeichert werden, weil kein Gefälle durch
den Entzug von Energie entstehen kann.
Eine interessante Parallele dazu gibt es in der Elektrotechnik. Wenn ein Kondensator einen anderen auflädt entsteht ein ähnlicher Fall, bei dem jedoch auf mysteriöse Weise die halbe Energie verloren geht. Das führt uns zum Kondensatorproblem.
Kondensatoren sind die Energiespeicher, deren Energieinhalt sehr dauerhaft und vor allem gut messbar ist. Jeder, der schon einmal einen vollen Kondensator kurzgeschlossen hat, wird das bestätigen können. In der Elektrotechnik wird der Energieinhalt nach der Formel W=C*U²/2 erfasst. Die Höhe der Spannung an einem geladenen Kondensator ist demnach ein quadratisches Maß für seinen Energieinhalt. Doppelte Spannung, vierfache Energie. Halbe Spannung, ein Viertel der Energie usw.
Was passiert, wenn ein voll
geladener Kondensator einen gleichartigen,
aber leeren aufladen muss ?
Schwingen kann das System nicht, dass haben wir aus dem vorigen
Beispiel
mit den zwei Gewichten gesehen. Dazu fehlt ein andersartiger
Energiespeicher,
also in diesem Fall eine Induktivität.
Die richtige Antwort auf diese zunächst einfach wirkende Frage
ist, dass sich die Spannung dadurch halbiert. Doch vorher haben wir
gesagt,
die Spannung ist ein quadratisches Maß. Die halbe Spannung
bedeutet,
auch nur mehr ein Viertel der Energie. In jedem Kondensator ist jetzt
je
ein Viertel. Das macht zusammen nur noch die Hälfte der
ursprünglich
zur Verfügung gestandenen Energie. Wo ist die andere Hälfte
hingekommen
?
Das ist eine Frage die sogar in Universitäten zu einiger Aufregung und langen Diskussionen führt. Der Fehler vieler ist, hier mit dem so beliebten Energieerhaltungssatz zu arbeiten. Wenn man nämlich annimmt, dass sich die Energie des einen Kondensator gleichmäßig auf beide aufteilt, liegt man völlig falsch. In Wirklichkeit ist es die Ladung die sich gleichmäßig aufteilt und von der auch nichts verloren geht.( Q=C*U ) Ladung ist nicht das selbe wie Energie. Erst ihre Bewegung von einem zum anderen Kondensator setzt Energie frei. Die Gesamtladung wird durch diesen Vorgang aber nicht beeinträchtigt. Wenn man es schafft die Ladung wieder auf dem ersten Kondensator ohne Energieaufwand zurückzuführen, dann haben wir Freie Energie. Vielleicht eine Erklärung für das Funktionsprinzip der Testatika.
Kondensatoren sind sehr verlustarme Bauteile, wie ihr oft
wochenlanges
Speichervermögen zeigt. Man könnte jetzt annehmen, dass der
Ausgleichsvorgang
ebenfalls sehr verlustarm ablaufen wird.
Tatsache ist aber, dass selbst wenn man die beiden Kondensatoren
schlagartig
miteinander verbindet, nachher immer nur die halbe Spannung
festzustellen
ist.
Es ist gleich welcher und ob überhaupt ein Ausgleichswiderstand
verwendet wird. Seine Größe wirkt sich nur auf die Dauer des
Umladevorgangs aus. Es ist nicht so, dass bei Verwendung eines
kleineren
Widerstandes mehr überbleibt, als bei Verwendung eines
großen.
Selbst wenn eine Induktivität verwendet wird, die ja selbst auch
eher verlustarm ist, ist das Ergebnis das gleiche. Jetzt tritt zwar
eine
Schwingung auf und für einen Augenblick ist wirklich die gesamte
Energie
im zweiten Kondensator und der erste ist leer. Doch wenn man die
Schwingung
ausklingen lässt ist nachher immer die Spannung nur noch halb so
groß.
Die halbe Energie ist auch hier beim Ausgleich verloren gegangen.
Aus der Tatsache, dass es mit einem Widerstand Energieverluste gibt, kann man folgern, dass die Energie an den ohmschen Widerständen in Wärme verloren geht. So ist auch bei Verwendung einer Induktivität immer ein geringer Widerstand im Kreis vorhanden, der sich aus allen Verlustwiderständen zusammensetzt.
Das ist ein Vorgang, der nicht ohne Energieverlust ablaufen kann. Egal was wir zum Ausgleich verwenden, es muss immer die halbe Energie verloren gehen, damit der Ausgleich vollständig ist. Das steht ganz im Gegensatz zum dem Schwingkreis, bei dem der Ausgleich immer vollständig und ohne Energieverlust abläuft.
Wenn wir einen Vorgang schaffen können, der nicht ohne Energieverlust ablaufen kann und damit meine ich nicht, dass er mit einem allfällig auftretenden unvermeidbaren Energieverlust verbunden ist, sondern einen konstanten, genau vorbestimmten Energieverlust, dann muss es auch möglich sein einen Vorgang mit Energiegewinn zu schaffen.
Der Effekt beim Umladen der
Kondensatoren lässt sich auf einfache
Weise veranschaulichen, indem man einen variablen Widerstand anstelle
eines
Fixwiderstandes verwendet. Man stelle sich vor, der Widerstandswert
wird
immer so eingestellt, dass zu jeder Zeit des Ausgleichsvorganges der
gleiche
Strom fließt. D.h. zu Beginn ist ein großer Wert
eingestellt,
der dann allmählich zu null hin abfällt. Im letzten Moment
des
Ausgleiches ist der Widerstand Null und danach kann kein Strom mehr
fließen,
weil die Kondensatoren die gleiche Spannung aufweisen.
Der Kondensator C1 sei zunächst auf die Spannung UC1=U0
geladen.
Zum Zeitpunkt t=0 wird der Schalter geschlossen und Strom kann zum
leeren
Kondensator C2 fließen. Jetzt wird ständig mit R(t)
nachgeregelt,
so dass immer ein konstanter Strom fließt. Die Spannung UC2
wird dadurch im gleichen Maße linear ansteigen, wie die Spannung
UC1 absinkt. Dieser Vorgang ist erst beendet, wenn beide Spannungen
U0/2
erreicht haben.
Die Spannung UR hat während dieser Zeit den vollen Bereich von
U0 bis Null durchlaufen. Zu Beginn stellt C2 ja einen Kurzschluss dar,
wodurch die gesamte Spannung von C1 am Widerstand anliegt.
Die Energie die der Widerstand in dieser Zeit umsetzt errechnet sich
demnach mit W=Uo*I*t1/2 genau die gleiche wie in C2 übertragen
wird
oder wie sie aus C1 abgezogen wird. D.h. Je ¼ der
ursprünglichen
Energie ist in einem Kondensator und der Rest ist am Widerstand
verloren
gegangen.
3.4. Grundlagen des elektrischen Schwingkreises
Doch nun zurück zu den
Schwingungen. Nach den Betrachtungen in der
Mechanik wollen wir uns jetzt einem elektrischen
Schwingkreis zuwenden. Ein solcher besteht analog zur Mechanik
ebenfalls
aus zwei gegensätzlichen Energiespeichern. Es sind dies ein
Kondensator
und eine Induktivität. Der Kondensator ist ein Energiespeicher
für
Spannung und die Induktivität ein Speicher für Strom.
Für
den Energieinhalt werden in der Elektrotechnik die zwei bekannten
Formeln
W=C*U²/2 und W=L*I²/2 verwendet. Man spricht von der
Dualität
zwischen Kondensator und Induktivität. Das ist der Fachausdruck
für
den extremen
Gegensatz dieser beiden Bauteile, der eine Schwingung überhaupt
erst möglich macht.
Um das Verhalten eines Schwingkreises zu verstehen, ist es
zunächst
wichtig, die Eigenheiten der beiden Energiespeicher zu verstehen. Ein
Kondensator
speichert die Energie in Form von Spannung. Um ihn zu laden, muss ein
Strom
durch ihn fließen, was zu einer Erhöhung der Spannung
führt.
Der Vergleich mit einem Wassergefäß, welches durch eine
Wasserleitung
gespeist wird drängt sich hier auf. Die Höhe des
Wasserspiegels
in dem Gefäß repräsentiert die Spannung und die
Zuflussmenge
den Strom.
Eine weitere wichtige Eigenschaft ist die Unmöglichkeit die
Spannung
an einem Kondensator sprunghaft zu ändern. Dazu wäre ein
unendlich
hoher Strom nötig, bzw. würde dieser frei werden. Praktisch
zeigt
sich das beim Kurzschluss eines Kondensators, wobei extrem hohe
Ströme
entstehen.
Analog oder besser gesagt dual dazu verhält sich die
Induktivität.
Sie speichert die Energie in Form von Strom. Eine Spannung ist
nötig,
um diesen Strom langsam ansteigen zu lassen und eine sprunghafte
Stromänderung
ist unmöglich. Wird dies versucht, so führt das zu den
bekannten
Effekten der Selbstinduktion, wodurch eine extrem hohe Spannungsspitze
erzeugt werden kann.
Induktivitäten können nicht so verlustfrei gebaut werden
wie Kondensatoren. Deshalb werden sie oft gar nicht als Energiespeicher
angesehen. Eine kurzgeschlossene Induktivität würde zumindest
theoretisch einen immer fortwährenden Strom führen. Praktisch
ist das aufgrund der ohmschen Verluste im Drahtmaterial nicht
möglich.
Dieser Zustand wird nur in der Supraleitertechnik erreicht und ist
als Meißner-Effekt
bekannt.
Dabei schwebt ein Magnet über einem Supraleiter, da in diesem
immer
fortwährende Kreisströme fließen und ein Magnetfeld
aufbauen.
Die Kombination von Kondensator und Induktivität z.B. in Form
einer
Parallelschaltung stellt einen Schwingkreis dar. Nehmen wir
zunächst
an, der Kondensator sei vor dem Zusammenschalten aufgeladen. Wird er
mit
der ungeladenen Induktivität verbunden, so beginnt ein Strom zu
fließen.
Elektrische Energie wird in magnetische umgewandelt, die
Induktivität
also aufgeladen. Sie hat die ganze Energie aufgenommen, wenn am
Kondensator
keine Spannung mehr auftritt, er also völlig leer ist.
Die Induktivität versucht jetzt den Strom und ebenfalls die
Stromrichtung
aufrechtzuerhalten. Hier haben wir das „über das Ziel hinaus
schießen“
wieder. Der in gleicher Richtung durch den Kondensator fließende
Strom hat zur Folge, dass er sich jetzt mit umgekehrter Polarität
auflädt. Magnetische Energie wird in elektrische umgewandelt. Das
geht solange, bis die Induktivität keine Energie mehr besitzt und
der Strom Null wird.
Jetzt beginnt der ganze Vorgang mit umgekehrter Polarität
nochmals.
Das ist vergleichbar mit dem Pendel, das ja auch auf beide Seiten
ausschlägt.
Danach ist der Ausgangszustand erreicht und alles beginnt von Neuem.
3.5. Spannungs- und Stromüberhöhung
Die Frequenz, also die Geschwindigkeit des Ausgleichsvorganges ist von der Größe der beiden Energiespeicher abhängig. Je mehr Energie sie speichern können, umso länger dauert der Ausgleich und umso langsamer wird die Schwingung. Die Frequenz eines elektrischen Schwingkreises kann nach der bekannten thomsonschen Schwingungsgleichung f=1/(2Pi*Sqrt(L*C)) berechnet werden. Das Produkt der Größe der beiden Speicher geht auf die Frequenz ein.
Doch was passiert, wenn beide Bauteile gegeneinander verändert
werden. Angenommen in einem Schwingkreis wird der Kondensator
verkleinert
und die Induktivität so erhöht, dass sich wieder die gleiche
Resonanzfrequenz einstellt. Auf den ersten Blick hat sich nichts
verändert
doch es gibt einen wesentlichen Unterschied. Die Induktivität kann
jetzt viel mehr Energie speichern und muss diese auf einen viel
kleineren
Kondensator abgeben. Dieser muss aber die gesamte Energie aus der
Induktivität
aufnehmen und das kann er nur, indem er seine Spannung erhöht. Mit
einer höheren Spannung kann er die gleiche Energie speichern wie
ein
großer Kondensator bei geringer Spannung.
Analog dazu verhält sich der Schwingkreis, wenn die
Induktivität
verringert wird. Dann wird ein höherer Strom zum Fließen
kommen.
Innerhalb eines Schwingkreises können demnach höhere Spannungen und Ströme auftreten als extern zugeführt werden. Man nennt diese Erscheinung Strom- bzw. Spannungsüberhöhung. Das lässt sich ausnutzen, um eine Transformation des Strom- bzw. Spannungsniveaus herbeizuführen.
Dieses kleine Experiment soll das veranschaulichen.
Mit einer Vorschaltdrossel einer Leuchtstoffröhre und einem
Motorkondensator
wird ein Schwingkreis gebildet. Wenn man die Resonanzfrequenz
nachrechnet
wird man feststellen, dass sie genau 50Hz ist. Das ist unsere
Netzfrequenz.
Vor dem Zuschalten des Kondensators leuchtet die Lampe nur sehr schwach
und es sieht so aus, als könnte das ohne Zuhilfenahme eines
zweiten
Trafos, der alles wieder auf 220V hochspannt, nicht geändert
werden.
Wird der Kondensator aber zugeschaltet, leuchtet sie plötzlich
fast
so hell wie im Normalbetrieb und das mit nur 40V Eingangsspannung !
Eine
Messung zeigt uns, dass die Spannung an der Lampe jetzt 200V ist. Der
Trafo
aber immer noch 40V liefert.
Diese Art der Transformation ist genau so effektiv wie die magnetische
Transformation. Sie findet in der Hochfrequenztechnik häufig
Anwendung.
Denn dort ist es wirtschaftlicher, mit einem kleinen Kondensator und
einer
kleinen Spule zu transformieren, als teures Magnetmaterial für die
hohen Frequenzen zu verwenden. Trotzdem ist sie bei weitem nicht so
bekannt
wie das Prinzip des Trafos.
Auf diesem Prinzip beruht ein
auf den ersten Blick sehr seltsamer Effekt.
An einem Netztrafo wird die Spannung im Leerlauf gemessen. Nach
Belastung
mit einem Kondensator wird eine höhere Ausgangsspannung
festgestellt,
obwohl jetzt Strom durch die Sekundärwicklung fließt. Es ist
also gar nicht so selbstverständlich, dass durch eine Belastung
immer
die Spannung absinken muss.
Dieses der Freien Energie sehr ähnliche Verhalten ist darauf
zurückzuführen,
dass der angeschlossene Kondensator mit der Streuinduktivität des
Trafos einen Schwingkreis bildet.
Da die Streuinduktivität sehr kein ist, erreicht man mit
üblichen
Kondensatorwerten kaum Resonanz, so dass nur eine sehr geringe
Erhöhung
auftritt. Wird die Induktivität vergrößert, so wie bei
dem vorigen Versuch, dann kann die Spannung mit unter gewaltig hoch
ansteigen.
3.6. Funktionsprinzip des Teslatrafos
Jetzt kann man sich schon etwa vorstellen, wie ein Teslatrafo die Spannung transformiert. Die große Induktivität der Sekundärspule ist nicht zu übersehen und die Kapazität ist so klein, dass sie gar nicht direkt als Bauteil zu erkennen ist.
Um die Kapazität zu erkennen, muss man zunächst wissen wie
Kapazität entsteht. Die Kapazität kommt durch Ladungen
zustande,
die sich auf der Oberfläche eines leitenden Materials sammeln.
D.h.
es sind leitende Flächen nötig, um Kapazität zu
erzeugen.
Am besten zeigt das ein Plattenkondensator. Große, leitende
Flächen
sind durch dünne Isolierschichten getrennt. Die Ladungen sammeln
sich
an der Außenfläche der Leiterplatten. Je größer
diese
Fläche ist, umso mehr Ladungen können gespeichert werden und
umso größer wird die Kapazität.
Bei der Sekundärspule des
Teslatrafos gibt es auch große Flächen,
nämlich einerseits die Oberfläche der einlagigen Spule und
des
Toroids und andererseits die geerdete Grundfläche. Das diese
Kapazitäten
nur sehr klein sein, kann man sich auch ohne Berechnung vorstellen.
Aber
genau diese Kapazität ist es, die mit der großen
Induktivität
der Sekundärspule in Resonanz gebracht wird. Die gesamte Energie
aus
der großen Sekundärspule muss in ein, nicht mal direkt
sichtbares
Bauteil übertragen werden, das eigentlich nur aus der Umgebung des
Teslatrafos besteht. Das führt dann zu einer gewaltigen
Spannungsüberhöhung
eben in der nahen Umgebung des Toroids, die sich an der Spitze als
Entladungsfunken
äußert.
Die Erhöhung der Spannung erfolgt wegen der verteilten
Kapazität
entlang der Sekundärwicklung natürlich kontinuierlich. Die
unteren
Windungen besitzen eine relativ große Kapazität, wodurch
dort
keine sehr hohe Spannung auftreten kann. Nach oben hin sinkt die
Kapazität
der Windungen immer weiter ab, so dass die Spannung mit zunehmender
Höhe
ansteigt. Das verhindert Überschläge am unteren Ende der
Spule
und verringert die Belastung der Lackisolierung, denn vielleicht haben
Sie sich schon gefragt, wie ein normaler Lackdraht solche Spannungen
aushalten
kann. Die Antwort darauf liegt in dieser gleichmäßigen
Verteilung
der Spannung. Zwischen zwei Windungen, egal auf welcher Höhe,
liegt
immer nur eine relativ kleine Spannung an. Man kann sich das mit der
Funkenlänge
veranschaulichen, indem man die max. Länge einfach auf die
Höhe
der Sekundärspule überträgt. Wenn der Funken so lang wie
die Sekundärspule ist, würde zwischen zwei Windungen nur eine
Funkenlänge in der Größe des Drahtdurchmessers
auftreten.
Das kann nur mit Wechselspannung funktionieren. Würde eine
Gleichspannung
am oberen Ende angelegt werden, so käme es sofort zu
Überschlägen
am unteren Ende.
Der Toroid an der Spitze hat die Aufgabe, die Kapazität
gegenüber
der innerhalb der Spule auftretenden Kapazität zu erhöhen.
Eine
hohe Spannung innerhalb der Spule, zwischen den Windungen bringt keine
Funkenlänge, sondern nur eine unnötige Belastung der
Drahtisolierung.
Die Kapazität des Toroids dagegen liegt an seiner Oberfläche
sozusagen frei im Raum und genau dort wollen wir ja die höchste
Spannung
haben. Der Toroid „zieht“ den Funken sozusagen aus der Spule heraus und
legt ihn im Raum frei.
Das Verhältnis von Kapazität zu Induktivität ist im Verlauf der Höhe natürlich nicht linear. Die immer größer werdende Länge der Teilkapazitäten und die mit der Windungszahl quadratisch ansteigende Induktivität führt dazu, dass am oberen Ende eine viel zu kleine Kapazität zur Verfügung steht. Das wird meistens durch einen Toroid oder sonst irgendeinem Objekt mit großer Oberfläche an der Spitze ausgeglichen. Manche Teslatrafos verwenden dazu auch eine Wicklung mit variablem Windungsabstand. Am oberen Ende wird ein größerer Abstand gewickelt, wodurch dort die Induktivität verringert wird.
Jetzt wissen wir, wie es der Teslatrafo ohne Magnetkopplung schafft die Spannung zu transformieren. Diese Methode ist mindestens ebenso effektiv und baut um einiges leichter als ein Netztrafo.
Doch um diese Transformation zustande kommen zu lassen, ist es zuerst einmal notwendig, Energie auf den Schwingkreis der Sekundärspule zu übertragen.
3.8. Prinzip des Impulsteslatrafos
Ein klassischer
Teslatrafo verwendet dazu ein
spezielles Verfahren, dass zu extrem großen Leistungsspitzen
führt.
Im Primärkreis wird nicht nur einfach die richtige Frequenz
erzeugt,
sondern ein kurzer, aber extrem kräftiger Impuls mit der passenden
Frequenz.
Dazu wird immer noch die gute alte Funkenstrecke eingesetzt. Mit diesem
Bauteil wurde von Nikola Tesla schon lange vor der Erfindung der
Vakuumröhre
Hochfrequenz erzeugt. Der Name Funk kommt auch aus dieser Zeit, da in
den
ersten Sendern eben Funkenstrecken verwendet wurden.
Die Funkenstrecke fungiert eigentlich nur als Schalter. Da sie sich
aber selbsttätig schließt, indem sie zündet und
öffnet
indem sie löscht, ist sie mit einem aktiven Bauteil zu
vergleichen.
In der Prinzipschaltung ist die Funktion eines Funkenstreckengenerators
am besten sichtbar. Der Trafo lädt über die Primärspule
den Primärkondensator auf. Bei Erreichen der Zündspannung
zündet
die Funkenstrecke. Der brennende Funken ist mit einem Kurzschluss des
Trafos
gleichzusetzen. Das soll uns vorerst noch nicht stören.
Später
werden wir noch einige Maßnahmen kennen lernen, die diesen
Kurzschluss
dämpfen.
Wichtig ist vorerst nur, dass dadurch auch der geladene Kondensator
parallel zur Primärspule geschaltet wird. Der so entstandene
Schwingkreis
schwingt jetzt mit seiner Resonanzfrequenz und kann bei richtiger
Abstimmung
Energie in die Sekundärspule übertragen. Wenn die Schwingung
weit genug abgeklungen ist, dass der Strom unter den Löschstrom
der
Funkenstrecke fällt, dann öffnet sie den Schwingkreis wieder
und der Vorgang kann von Neuem beginnen.
3.9. Gekoppelte Schwingkreise / Pendelschwingung
Als nächstes wollen wir uns den Vorgang der Energieübertragung von der Primär- zur Sekundärspule etwas näher ansehen, denn das ist keine normale magnetische Kopplung, welche die Spannung in einem fixen Verhältnis transformieren würde. Die Kopplung bei Teslatrafos ist sehr lose, was sich durch große Abstände zwischen der Primär- und Sekundärspule äußert. Da drängt sich natürlich die Frage auf, wie es mit so einer Kopplung überhaupt möglich ist, die großen Energiemengen zu übertragen. Die Antwort darauf liefert uns wieder das Schwingungsphänomen in der Mechanik.
Werfen wir zunächst
wieder einen Blick auf die Pendel.
Wenn auf dem Seil ein zweites, gleichartiges Pendel aufgehängt
wird,
so ist ein ähnlicher Aufbau gegeben wie bei zwei lose gekoppelten
Schwingkreisen. Über das Seil kann keine Drehbewegung auf das
andere
Pendel übertragen werden, da in den Pendelköpfen Lager
eingebaut
sind. Nur die rhythmischen Hin- und Herbewegungen des Seils können
das andere Pendel beeinflussen. Wird nun ein Pendel angestoßen,
so
schwingt es ganz normal. Im Laufe der Zeit wird es jedoch das andere
Pendel
ebenfalls in Schwingung versetzen. Das liegt hauptsächlich daran,
dass beide Pendel die gleiche Schwingfrequenz haben. Mit zwei
unterschiedlich
langen Pendel funktioniert das nicht. Die Bewegung des Seils hat genau
die richtige Frequenz um das Pendel in Bewegung zu versetzen.
Doch auch wie beim gewöhnlichen Schwingkreis schießt diese
Schwingung über ihr Ziel hinaus. Das eigenartige Ergebnis ist,
dass
das ursprünglich angestoßene Pendel vollständig zur
Ruhe
kommt und das zweite mit der ursprünglichen Amplitude schwingt.
Dieser Vorgang wiederholt sich dann mit umgekehrter Richtung und
läuft
dann immer weiter fort.
Auch beim Teslatrafo sind der Primär- und der
Sekundärkreis
zwei Schwingkreise welche auf gleiche Resonanz abgestimmt sind.
Innerhalb
eines jeden Schwingkreises pendelt die Energie immer zwischen
Kondensator
und Induktivität hin und her. Im weiteren Sinn könnte man
sagen,
ein Schwingkreis ist ein Energiespeicher für Wechselstrom. An
einem
idealen, verlustlosen Schwingkreis würde auch tatsächlich
eine
einmal angelegte Wechselspannung fortwährend erhalten bleiben.
Der Teslatrafo besteht jetzt aus zwei dieser
Wechselspannungs-Energiespeicher.
Wie wir jetzt schon wissen, kann es zwischen zwei Energiespeichern zu
einer
Schwingung kommen.
Genau das ist beim Teslatrafo der Fall. Die Wechselspannungsenergie
pendelt zwischen Primär- und Sekundärkreis hin und her. Man
nennt
diese Art der Schwingung Pendelschwingung. Die Frequenz der
Pendelschwingung
muss natürlich kleiner sein, als die der Resonanzfrequenz der
Schwingkreise.
Die Frequenz, wird nur durch den Koppelfaktor zwischen Primär- und
Sekundärspule bestimmt. Eine feste Kopplung führt zu einer
schnelleren
Schwingung, eine lose Kopplung zu einer langsameren Schwingung. Aber
selbst
bei einer losen Kopplung ist das Ergebnis immer das gleiche. Es dauert
nur länger, bis die gesamte Energie im Sekundärkreis ist.
Die Parallele dazu ist in der Mechanik der Abstand der beiden Pendel zueinander. Werden sie näher zusammengerückt, so erfolgt der Ausgleich schneller. Bei weiterer Entfernung braucht es mehrere Schwingungen bis die Energie übertragen ist.
So wie bei einem normalen Schwingkreis eine 90°
Phasenverschiebung
zwischen Strom und Spannung herrscht, ist bei der Pendelschwingung die
Spannung des Sekundärkondensators gegenüber der des
Primärkondensators
um 90° verschoben.
Das erklärt auch, warum eine Schwingung zwischen den zwei gleichen
Energiespeichern überhaupt möglich ist. Beide tragen die
Gegensätze
ja schon in sich. Es tritt als immer ein Bauteil aus einem Kreis mit
dem
gegensätzlichen aus dem anderen Kreis in Wechselwirkung.
Um sich ein besseres Bild von
diesem Verhalten machen zu können, habe
ich eine ähnliche Schaltung in PSpice 6.3 unter Win 95
simuliert.
Die Schaltung beschreibt zwei lose aneinander gekoppelte Schwingkreise
mit gleicher Resonanzfrequenz, jedoch mit unterschiedlichen
Bauteildimensionierungen.
Daraus ergibt sich zusätzlich zur Pendelschwingung auch noch eine
Transformation der Spannung.
Die Simulation läuft so ab, das zunächst einmal U6
geschlossen
ist, wodurch sich der Kondensator auf 100V auflädt. Nach 2µs
öffnet sich U6 und U5 schließt den Schwingkreis. Für
den
weiteren Verlauf bleiben die Schalter in dieser Stellung und der
Schwingkreis
ist sich selbst überlassen.
Das Ergebnis zeigt schön
die Pendelschwingung und die Transformation
der Spannung. Aus nur 100V im Primärkreis werden etwa 3kV im
Sekundärkreis.
Trotz des geringen Koppelfaktors zwischen L1 und L2 von nur 0,2 ist
bereits nach 10µs die gesamte Energie im Sekundärkreis und
pendelt
danach schon wieder in den Primärkreis zurück.
Durch den 500kOhm Widerstand im Sekundärkreis wird die Belastung
durch den Funken simuliert. Dadurch klingt die Schwingung im Laufe der
Zeit stark ab.
Aus diesem Verhalten kann man sich den optimalen Zeitpunkt zum
Löschen
der Funkenstrecke ableiten. Eine Funkenstrecke löscht immer dann,
wenn der Strom durch sie Null wird. Das ist in der Simulation nach ca.
10µs der Fall. Dann ist nämlich die gesamte Energie im
Sekundärkreis.
Es wird also bei richtigem Löschen der Funkenstrecke die gesamte
Energie aus dem Primärkreis in den Sekundärkreis
übertragen
und bleibt auch dort, denn ist der Primärkreis einmal aufgetrennt
kann keine Energie mehr in ihn zurück schwingen. Der
gegensätzliche
Pol ist abgetrennt und es gibt keinen Sog mehr, der die Energie
zurückholen
könnte.
Das ist ein Phänomen, wie es nur bei schwingenden Systemen
auftreten
kann. Bei einer magnetischen Kopplung ist das unmöglich. Dort wird
Spannung immer 1:1 übertragen.
Hier jedoch wird nicht etwa eine Frequenz erzeugt und ein Teil davon
in die Sekundärspule eingekoppelt, sondern die Energie wird vom
Sekundärkreis
richtiggehend aus dem Primärkreis herausgezogen. Bei optimalen
Löschpunkt
der Funkenstrecke ist der Primärkreis nachher völlig
stromlos.
3.10. Prinzip des Trägerteslatrafo
Das Prinzip des Trägerteslatrafos ist viel
einfacher, aber auch nicht so effektiv. Die Resonanzfrequenz der
Sekundärspule
wird im Normalfall einfach mittels einer zweiten Wicklung wie beim
Impuls-Teslatrafo
eingekoppelt. Die HF-Leistung kommt von einem HF-Generator. Der
HF-Generator
erzeugt im Normalfall eine Schwingung mit konstanter Amplitude. Das ist
mit einem Sender zu vergleichen, der unmoduliert ist und nur seine
Trägerfrequenz
erzeugt. Daher kommt auch die Bezeichnung Trägerteslatrafo oder
CW-Teslatrafo.
CW ist englisch und bedeutet Carrier Wave, also Trägerwelle.
Der vorher beschriebene Effekt der lose gekoppelten Schwingkreise tritt
hierbei nicht auf. Es gibt keinerlei Pendelschwingung zwischen den
beiden
Spulen und der Koppelfaktor kann in einem großen Bereich variiert
werden, ohne die Funktion dadurch zu beeinflussen.
Eine Sonderform des CW-Teslatrafos ist jene, bei der es keine
Primärspule
gibt. Das ist möglich, wenn man den HF-Generator am Fußpunkt
der Sekundärspule anschließt. Auf den ersten Blick sieht das
dann zwar so aus, als könne da nie Strom fließen, doch die
langen
Funken am Kunststoffschweißgerät
beweisen
es.
Der Strom kann dann durch die unsichtbaren Kapazitäten genau so
fließen, wie er es auch bei der Erregung durch eine
Primärspule
tun würde. Für eine solche Erregung muss der HF-Generator nur
eine genügend hohe Spannung zur Verfügung stellen. Beim
Kunststoffschweißgerät
ist dies der Fall, da es ohnedies im Normalbetrieb eine kapazitive Last
treiben muss.
Ich will hier nur ganz kurz
auf die Schaltung des Mittelwellensenders
zur Versorgung des CW-Teslatrafos eingehen. Es soll nur dazu dienen,
die
Unterschiede zwischen Träger- und Impulsteslatrafo besser zu
veranschaulichen.
Das Schaltbild des Modulators zeigt die drei Stufen der
Signalaufbereitung.
Mit T1 wird zunächst einmal die Trägerfrequenz erzeugt. T1
arbeitet
als Meißneroszillator und mit C2 wird die Frequenz eingestellt.
Die
noch unmodulierte Trägerfrequenz kommt zu dem Dual-Gate-MosFet T3.
Dort wird sie mit der NF, die von T2 vorverstärkt wird
überlagert.
Das Mischprodukt steht an R12 zur Verfügung. Durch C9 wird die HF
ausgekoppelt und die Reste der NF unterdrückt. T4 verstärkt
das
fertige Signal für die Endstufe.
Das so gewonnene Signal wird
jetzt noch durch zwei weitere Verstärker
geschickt, deren Aufgabe es ist, die nötige Leistung zu erbringen.
Der Transistor T1 dient als Treiber für die Röhrenendstufe
und
verstärkt hauptsächlich die Spannung auf ca. 50Vpp.
Rö1 schließlich erzeugt daraus mit 350V Anodenspannung die
30W HF-Leistung. Sie arbeitet auf einen Schwingkreis, der auf ca. 1MHz
abgestimmt ist und wegen der festen Kopplung des Ausganges eine sehr
flach
abfallende Resonanzspitze hat.
Das Prinzip dieses Senders, sowie unsere gesamte heutige Elektronik
stehen im krassen Gegensatz zu der Arbeitsweise eines
Impulsteslatrafos.
In der Elektronik wird das Signal über viele Stufen geschickt, die
alle kleine Veränderungen vornehmen. Keine dieser Stufen ist auf
effiziente
Energieübertragung ausgelegt. Überall gibt es Verluste mit
denen
schon gerechnet wird und für Impulsbelastungen sind die Bauteile
überhaupt
nicht geschaffen.
Doch gerade der Impuls und die effiziente Energieübertragung sind
das Geheimnis des Teslatrafos. Mit keinem elektronischen Bauteil
könnten
so große Funkenlängen erreicht werden wie durch den Einsatz
einer Funkenstrecke.
3.11. Schaltung des Impulsteslatrafos
Der praktische Aufbau eines
Impulsteslatrafos benötigt einige zusätzliche
Einrichtungen. Der Schaltplan zeigt den Aufbau, wie er in diesem kleinen
Impulsteslatrafo verwirklicht ist.
Beginnend von der Netzseite her, ist der erste zusätzliche Bauteil
ein Netzfilter, dass HF-Störungen, die vom Trafo Richtung Netz
fließen,
unterdrücken soll. Die HF fällt an den Induktivitäten
ab,
und wird durch den Kondensator kurzgeschlossen. Die beiden gegen Masse
gelegten Kondensatoren, auch Y-Kondensatoren genannt, verhindern
symmetrische
Störungen, die auf beiden Leitungen gleichphasig auftreten. Es
gibt
manchmal Diskussionen über die Einbaurichtung dieses Filters. Es
wird
oft argumentiert, dass es umgekehrt, also mit den Y-Kondensatoren auf
der
Netzseite eingebaut werden sollte, da nur dann symmetrische
Störungen
unterdrückt werden könnten. Das ist aber nicht so, denn bei
einer
auf beiden Leitungen auftretenden Störung fließt durch die
Drosseln
kein Strom, so dass sie unwirksam sind. Es ist egal, ob die
Y-Kondensatoren
davor oder danach liegen. Es kommt nur auf eine gute Erdung der
Y-Kondensatoren
an.
Vor dem Netztrafo liegt dann eine Drossel mit 0,8H. Das ist in
diesem
Fall ein Vorschaltgerät einer 40W/0,43A Leuchtstoffröhre. Sie
hat die Aufgabe, den Strom durch den Trafo zu begrenzen. Das ist beim
Zünden
der Funkenstrecke wichtig, denn eine Gasentladung hat die Eigenschaft
durchzugehen.
D.h. ab einem gewissen Strom wird der Funkenkanal immer niederohmiger,
wodurch er noch mehr Strom zieht, welcher ihn weiter aufheizt, wodurch
er wiederum leitender wird usw.
Das ist ein Verhalten, dass zur Erregung nicht zu gebrauchen ist. Wir
wollen hier nur eine kurze Zündung und dann soll die Funkenstrecke
schnell wieder löschen. Wenn eine Strombegrenzung vor dem Trafo
eingebaut
wird, hat das zur Folge, dass bei einem Kurzschluss an der
Sekundärseite,
die Primärspannung am Trafo zusammenbricht. Es sinkt dann
ebenfalls
die Spannung auf der Sekundärseite ab. So bekommt der Lichtbogen
nicht
genügend Energie um durchzugehen. Eine solche Begrenzungsdrossel
kann
man natürlich auch auf der Sekundärseite vorsehen. Wegen der
hohen Spannung ist dort aber die Isolation viel aufwendiger und so eine
Drossel ist kaum zu bekommen. Hier nutzt man das spannungssteife
Verhalten
des Netztrafos und verlagert die Drossel auf die Primärseite, wo
dann
ein normales Vorschaltgerät verwendet werden kann.
Auf der Sekundärseite des Trafos folgen noch zwei weitere Bauteile zum Schutz des Trafos. Der Kondensator parallel zum Ausgang verhindert mit Hilfe der Induktivität das Eindringen von HF in die Sekundärwicklung des Trafos. Die HF die aus dem Erregerkreis kommt, fällt an der Drossel ab und wird durch den Kondensator kurzgeschlossen. Diese Drossel hat die Aufgabe, die Spannung an den Schwingkreis zu bringen und gleichzeitig die HF vom Trafo fern zuhalten. Die Drossel heißt aus diesem Grund auch Spannungszuführungsdrossel und ist in einem Sender in ähnlicher Weise vorhanden. Sie soll auch dort verhindern, dass HF aus dem Erregerkreis durch die niederohmige Spannungsversorgung abgezogen wird.
Hier werden Drossel und Kondensator in einer ganz anderen, nicht auf Resonanz abgestimmten Weise verwendet. Hier nutzt man die Eigenschaft von diesen Bauteilen für Wechselstrom einen Widerstand darzustellen. Das ist zunächst nicht ganz einleuchtend, da ja diese Bauteile im Idealfall verlustfrei arbeiten, also auch keine Leistung umsetzen können. Ein Wechselstromwiderstand hat auch nicht die Aufgabe Energie zu verbrauchen. Sein Widerstand kommt einfach dadurch zustande, dass er einen Teil der Energie wieder zum Erzeuger zurückschickt. Das liegt in der Tatsache begründet, dass die Bauteile Energie speichern können. Im Verlauf einer Periode der Wechselspannung nehmen diese Bauteile zweimal Energie auf und geben die gleiche Menge innerhalb der zweiten Halbperiode wieder ab. Das ist ähnlich dem Verhalten eines Schwingkreises. Die Größe der dabei transportierten Energiemenge wird als Blindleistung bezeichnet. Ein Wechselstromwiderstand wird daher auch Blindwiderstand genannt. An ihm kann keine Leistung umgesetzt werden.
Bei sehr großen Teslatrafos wird oft auch eine so genannte Schutzfunkenstrecke verwendet. Diese liegt parallel zum Trafo und ist so eingestellt, dass sie bei der Leerlaufspannung des Trafos gerade noch nicht zündet. Wenn jetzt zusätzliche HF-Energie auf dem Erregerkreis, z.B. bei Fehlabstimmung, kommt, zündet sie und schützt den Trafo vor HF Überschlägen. Der Kurzschlussstrom muss dazu natürlich schon auf der Primärseite begrenzt werden.
Dann folgt die Funkenstrecke, die zunächst nur als Spitzenfunkenstrecke gezeichnet ist. Auf deren genauen Aufbau werde ich später noch eingehen.
Eine Besonderheit dieses Teslatrafos ist die zuschaltbare Primärkapazität. Über einen Stufenschalter können im Betrieb 4 Gruppen zu je 136pF zugeschaltet werden. Damit ist eine Abstimmung während des Betriebes möglich. So erkennt man sofort an der Funkenlänge die richtige Abstimmung. Eine durch Zusatzlasten hervorgerufene Kapazitätserhöhung kann so ausgeglichen werden.
3.12. Die Entladungen am
Impuls-
und Trägerteslatrafo
(CW-Teslatrafo) |
|
Geringe Funkenlänge
Kompakte Funken |
Große Funkenlänge
Verästelte Funken |
Extrem heiße Funken HF-Flammen | Durchdringende Funken mit geringer Wärmeleistung |
Erzeugt Stickoxide | Erzeugt Ozon |
Leise Entladung
Mit NF modulierbar |
Sehr laute Entladung
Moduliert im Takt der Funkenstrecke |
Gut geeignet für die Ionisation von Lampen | Durch die Pulsung flackern Leuchtstofflampen |
Gefahr der Verbrennung | Gefahr von Stromstößen |
Wir haben bereits festgestellt, dass es Unterschiede zwischen der Erregung mittels einer konstanten Trägerschwingung und der Impulserregung gibt. Jetzt wollen wir noch einmal auf die daraus entstehenden Unterschiede der Entladungen dieser beiden Typen von Teslatrafo eingehen.
Der wichtigste Unterschied liegt natürlich in der
Funkenlänge.
Ein CW-Teslatrafo kann einfach keine so großen Funken erzeugen
wie
ein Impulsteslatrafo. Alle Teslatrafos, die die eindrucksvollen,
oft meterlangen Entladungen erzeugen, sind ausschließlich
Impulsteslatrafos.
Betrachten wir zunächst
einmal einen Funken der mittels einer zweiten
Elektrode auf der Spitze des CW-Teslatrafos entsteht. Das Bild erinnert
mehr an den Lichtbogen eines Schweißgerätes, als an einen
Teslatrafo.
Es ist ein sehr heller, kurzer, aber extrem heißer Funken.
Das liegt daran, dass die Leistung aufgrund der konstanten
Trägerschwingung
ebenfalls konstant abgegeben wird. Es wird die Luft immer
gleichmäßig
stark erhitzt. Durch die räumliche Ausdehnung des Funkens wird
viel
Leistung verbraucht, um große Funken entstehen zu lassen.
Die Leistung, die ein Körper an seine Umgebung abgeben kann steigt
mit Vergrößerung seiner Oberfläche linear an. Die
Oberfläche
steigt aber immer quadratisch mit Längenmaßen wie z.B. dem
Durchmesser
an. Für den Funken bedeutet dass, das die benötigte Leistung
etwa mit dem Quadrat der Funkenlänge ansteigt.
Zum Vergleich: Dieses große Kunststoffschweißgerät
kann 1,5kW HF auf 27MHz erzeugen. Damit kann ebenfalls ein
CW-Teslatrafo
betrieben werden, der nur mit seinem Fußpunkt an den HF-Ausgang
angeschlossen
ist. Aufgrund der hohen Frequenz hat er sehr wenig Windungen. Das ganze
sieht zunächst so aus, als würde es nicht funktionieren
können.
Doch diese Flamme beweist es.
Der Strom kann über die unsichtbaren
Kapazitäten fließen und die Resonanzüberhöhung
erzeugt
eine sehr hohe Spannung an der Spitze. Das erstaunliche ist, dass mit
1,5kW
HF-Leistung nur eine ca. 10cm lange HF-Flamme erzeugt wird. Man
hätte
sich doch sicher mehr davon erwartet, wenn mit 30W schon 2cm erreicht
werden.
Hier wirkt sich die quadratische Vergrößerung der
Oberfläche
extrem aus.
Ich habe einmal überschlägig berechnet, welche
Funkenlänge
mit dem 600kW Mittelwellensender vom Bisamberg
erzeugt werden könnte. Das Ergebnis ist überraschend, denn es
würde nur eine ca. 3m lange Flamme auf heißer ionisierter
Luft
entstehen.
Die Funken des CW-Teslatrafos
sind je nach Leistung nur sehr schwach verästelt.
Das liegt hauptsächlich daran, dass die heiße Luft leitend
wird
und so alle Leistung in sich aufsaugt. Das hat den Effekt, dass
Verästelungen
sozusagen in den Kern der Flamme gesaugt werden.
Dass es aber doch noch
Verästelungen gibt, zeigt sich, wenn ein sehr
dünner Draht verwendet wird. Dann kann die Luft lokal nicht so
stark
erhitzt werden, dass sie einen vollständig leitenden Kanal bildet.
Es zeigen sich hier schwache, aber dennoch vorhandene
Verästelungen.
Jetzt gibt es aber Teslatrafos, so wie z.B. der im Technischen Museum, der ca. 2m lange Funken erzeugt. Dahinter steht aber nicht ein halbes Haus an Sendeeinrichtungen, sondern einfach eine Impulserregung. Die kurzen aber intensiven Pulse und die Tatsache, dass die komplette Energie aus dem Erregerkreis in den Sekundärkreis übertragen wird führen zu extrem hohen Spitzenleistungen, die aber nur wenige Perioden lang auftreten.
Ein solcher Funken ist mehr mit
einer elektrostatischen
Entladung zu vergleichen, als mit einem Schweißgerät.
Die
Spannung baut sich so schnell auf, dass die Luft keine Zeit hat sich zu
erwärmen. Sie bleibt daher weitgehend isolierend und kann im
Nahbereich
der Elektrode die Leistung nicht sofort umsetzen. Der Funken sucht sich
daher seinen Weg über viele Teilbereiche und bricht Stück
für
Stück über große Entfernungen durch. Das erzeugt die
charakteristischen
Verästelungen, die beim CW-Teslatrafo fast vollständig
fehlen.
Diese Verästelungen
treten auch beim einem wirklich Blitz auf. Aufgrund
der viel größeren Entfernungen, die ein Blitz
überwinden
muss dauert der Durchbruch auch viel länger. Man kann sagen, es
wird
immer ein Teilbereich der Luft mit Ladungen angereichert. So bewegt
sich
die Ladung Stück für Stück vorwärts. Erst wenn der
Abstand zu gering ist, kommt es zum Überschlag und zum sichtbaren
Funkenkanal.
Die langen Funken, die mit geringer Effektivleistung erzeugt werden äußern sich natürlich sehr stark in der Temperatur und der Wärmeleistung des Funkens. Der CW-Teslatrafo hat helle und sehr heiße Funken oder Flammen. Damit ist es problemlos möglich Glas zu schmelzen. Die ganze Leistung ist auf einen kleinen Bereich um die Spitze herum konzentriert. Der Funken ist so heiß, dass jeder Gegenstand sofort erhitzt wird und dadurch leitend wird. Die Flammen eines CW-Teslatrafos können daher kaum Isolatoren durchdringen.
Ganz anders ist das bei kurzen,
aber starken Impulsen. Bevor noch eine
nennenswerte Erwärmung auftreten kann, ist alles schon wieder
vorbei.
Der Funken eines Impulsteslatrafo durchdringt Isolatoren
hauptsächlich
auf kapazitiven Wege. Der schnelle Anstieg der Spannung führt zu
einer
Umverteilung der Ladungen im Isolator, wobei für kurze Zeit Strom
fließt. Das ist mit dem Ladestrom eines Kondensators zu
vergleichen.
Das normale Erscheinungsbild
der Entladungen am Impulsteslatrafo ist ebenfalls
ein ganz anderes.
Die Funken sind dunkel und eher bläulich bis violett. Ihnen fehlt
einfach die Leistung um die Luft richtig aufzuheizen. Die Leistung wird
auf eine viel größere Länge aufgeteilt. In Photos ist
immer
wieder schön das mehrmalige Zünden eines Funkens zu erkennen.
Der Funken wird immer wieder in seiner ganzen Länge an einer
anderen
Stelle neu gezündet. Aufgrund des Toroids bricht der Funken immer
an einer anderen Stelle aus. Die Rundungen wirken wie ein
zusätzlicher
Widerstand, den der Funken durchdringen muss. Er versucht immer die
günstigste
Stelle zu finden. Oft sind das kleine Staubteilchen, die sich erhitzen
und so mehr Ladungen aussenden könne. Dann bricht der Funken immer
von dieser Stelle aus.
Wenn man ein Stück Draht
auf den Toroid legt, so ist die Austrittsstelle
ganz klar definiert. Alle Funken entstehen jetzt nur noch an der Spitze
des Drahtes und nehmen immer wieder den gleichen Raum ein. Das
mehrmalige
Zünden ist jetzt nicht mehr zu erkennen und das untere Ende der
Funken
sieht schon fast wie beim CW-Teslatrafo aus.
Es ist auch möglich einen Teslatrafo am Geruch zu erkennen. Ein
CW-Teslatrafo erzeugt so hohe Temperaturen im Funken, dass sich der
Stickstoff
mit dem Sauerstoff in der Luft verbindet. Es entstehen Stickoxide.
Diese
haben einen eigenen, etwas fahlen Geruch, so ähnlich wie
Verbrennungsabgase.
Der Impulsteslatrafo hingegen bewirkt durch seine extrem hohen
Spannungen
die Bildung von Ozon. Es hat einen scharfen Geruch, wie er auch bei der
Elektrisiermaschine oder bei einem Bandgenerator entsteht.
Überraschend ist, wie
ruhig der Funken eines CW-Teslatrafos ist. Deshalb
wird er oft als HF-Flamme bezeichnet, weil er wie eine Kerze ruhig
brennt.
Ein Geräusch kann man ihn nur dann entlocken, wenn man dem
Mittelwellensender
moduliert. Dadurch ändert sich die Spannung und somit die Leistung
des Senders im Takt der NF. Für die räumliche Ausdehnung,
also
für die Größe des Funkens ist nur die Leistung
maßgeblich.
Der Funken pulsiert also in seiner Größe im Takt der
Modulation.
Das erzeugt Druckunterschiede in der Luft, die dann als Ton hörbar
werden. Dieses Prinzip ist als Plasmahochtöner
in der HiFi-Technik bekannt.
Beim Impulsteslatrafo sind die Funken knallend oder ratternd laut.
Doch nicht nur wegen ihrer Größe, denn bei jedem Zünden
der Funkenstrecke wird auch eine neue Entladung auf der Spitze
gezündet.
Man könnte sagen es ist eine 100%ige Modulation mit
Rechteckimpulsen.
Jeder Funken erzeugt beim Zünden und Löschen
Druckunterschiede.
Die dann als Knall hörbar werden.
Bei diversen Experimenten mit Leuchtstofflampen,
Glühbirnen oder anderen gasgefüllten Gegenständen gibt
es
ebenfalls Unterschiede. Bei einem CW-Teslatrafo wird immer ein
gleichmäßig
starkes elektrisches Feld um den Resonator herum erzeugt. Das wirkt
sich
günstig auf die Leuchtkraft aus, kann aber zu Problemen bei der
Zündung
führen. Eventuell muss die Röhre etwas angenähert werden
und kann dann wieder entfernt werden.
Beim Impulsteslatrafo ist das Leuchten nicht so ausgeprägt und
flackert wegen der unruhigen Zündungen der Funkenstrecke.
Dieses Bild der HF-Glühlampe wurde natürlich mit dem
CW-Teslatrafo
gemacht. Zusätzlich wurde noch wegen des besonderen Effektes der
Heizfaden
mit geringer Spannung zum Glühen gebracht. Das erwärmt das
Gas
zusätzlich und hilft bei der Ionisation.
Auch bei den unmittelbaren Wirkungen auf den Menschen gibt es
Unterschiede.
Der CW-Teslatrafo erzeugt hauptsächlich thermische Effekt. Eine
direkte
Berührung mit dem Funken führt zu HF-Verbrennungen. Das sind
sehr kleine, aber tiefe und daher unangenehme Verbrennungen. Doch auch
wenn der Funken mit Metallteilen berührt wird und die HF mit der
Hand
abgeleitet wird kann es zu einer leichten Erwärmung kommen. Das
ist
das gleiche Prinzip wie es bei Diathermiegeräten in der Medizin
eingesetzt
wird.
Beim Impulsteslatrafo ist die Erwärmung zwar auch gegeben, aber
in einem weitaus schwächeren Maß. Weitaus wichtiger sind
hier
die elektrischen Stöße die aufgrund des Zündens des
Funkens
entstehen. Diese empfindet man als elektrische Schläge vor allem
wenn
man an den Ausläufern der Entladungen, wo sie nicht immer
zünden
mit einem Funken in Berührung kommt. Diese Schläge spürt
man natürlich auch, wenn man mit einem Stück Metall den
Funken
vor einer direkten Berührung fernhält.
4.1. Wickeln der Spulen
Die erste Frage, die viele Leute immer stellen, ist: Wie wickelt man
die Sekundärspule. Das ist gar nicht so ein großes Problem.
Günstig wirkt sich aus, dass ein Teslatrafo normalerweise nicht
sehr
viele Windungen hat. Übliche Werte sind 400-800 Windungen. Das
gilt
auch für sehr große Teslatrafos, dort wird nur der
Drahtdurchmesser
entsprechend dicker.
Wenn eine Drehbank zur Verfügung steht ist das die optimalste
Lösung. Die Windungen legen sich dann fast von selbst aneinander.
Doch auch ohne Drehbank ist es möglich. Man baut sich einfach
ein Scherengestell und dreht die Sekundärspule mit einer Kurbel.
Die einfachste Lösung ist aber, den Draht einfach per Hand
aufzuwickeln.
Man schafft auch ca. 0,5 Windung pro Sekunde und in einer halben Stunde
ist alles fertig. Man muss nur ab und zu die Windungen zusammen
schieben.
Zum Wickeln der Primärspule ist wohl nicht viel zu sagen. Die üblichen Windungszahlen liegen hier bei etwa 10 Windungen. Dafür wird kaum jemand die Drehbank anwerfen.
Als Draht für die Sekundärspule kann bei kleinen bis
mittleren
Teslatrafo (bis in den kW-Bereich) ganz gewöhnlicher, wenn
möglich
doppelt gelackter, Lackdraht verwendet werden. Um die Isolierung
zu entlasten, kann eine Nylonschnur parallel zu dem Draht, sozusagen
als
zweite Wicklung gewickelt werden. Dann berühren sich die
Drähte
von verschiedenen Windung nicht mehr. Abstand ist übrigens der
beste
und manchmal auch der einzige Isolator für Hochfrequenz.
Bei sehr großen Spulen muss dann auch der Drahtdurchmesser
drastisch
gesteigert werden, da es sonst zu Sprühentladungen und
Funkenbildung
an den Drähten kommt. Das kann bis zu solchen Dimensionen gehen,
wo
dann Kupferrohre verwendet werden. Hier hilft dann nur noch der Abstand
zur Isolation. Die Rohre werden dann nur mehr an einigen wenigen
Stellen
durch Abstandhalter befestigt.
Die fertige Sekundärwicklung sollte mit Lack oder Epoxydharz gefestigt werden. Anderenfalls kann es bei Temperaturerhöhungen dazu kommen, dass sich der Draht überschlägt. Die Längenausdehnung einer solchen Spule ist nicht zu unterschätzen. Es reichen meist schon einige Grad Temperaturerhöhung, um den Draht locker werden zu lassen. Die Wicklung wird dann unansehnlich und der Draht überschlägt sich. Weiter hilft so eine Isolierung die Spule vor eventuellen Funkeneinschlägen zu schützen.
Von der fertig gewickelten Spule ist es wichtig, die Resonanzfrequenz zu bestimmen. Das kann zunächst einmal grob nach der ¼ Wellenlänge bestimmt werden. Demnach entspricht die Wellenlänge der Resonanzfrequenz etwa einem Viertel der Drahtlänge. Doch das ist wirklich nur sehr überschlägig. Es gibt zwar viele empirische Formeln, die aber selten den wirklichen Wert treffen. Grund dafür sind meist die vielen unbekannten Materialdaten.
Die beste Möglichkeit ist
immer noch die Resonanzfrequenz zu messen.
Dazu benötigt man ein Oszi und einen Frequenzgenerator. Der
Generator
wird mit der Primärspule ohne Verwendung des
Primärkondensators
verbunden und der Teslatrafo so aufgestellt, wie er auch im Betrieb
stehen
wird. Der Fußpunkt der Sekundärspule wird geerdet. Der
Oszi-Tastkopf
wird jetzt wie eine Antenne in einiger Entfernung zur
Sekundärspule aufgehängt.
Die Masse bleibt unbeschaltet. Aufgrund der unsichtbaren, kapazitiven
Kopplung
kann man so die Spannung an der Sekundärspule ohne große
Veränderung
des Resonanzpunktes messen. Die Frequenz des Generators wird jetzt
variiert
und man wird schnell einen Punkt finden, in dem die Spannung am Oszi
ein
Maximum hat. Das ist die Resonanzfrequenz der Sekundärspule.
In dieser Konfiguration kann man sehr schön beobachten, wie sich
leitende Teile im Bereich der Sekundärspule auf die Resonanz
auswirken.
Nähert man sich z.B. mit der Hand der Spule, so verschiebt sich
sofort
der Resonanzpunkt wegen der zusätzlich Kapazität nach unten.
Auch eine größere Elektrode an der Spitze führt zu dem
selben Ergebnis.
Auf ähnliche Weise kann man auch die Frequenz des Primärkreises gemessen werden. So kann schon eine erste Abstimmung vorgenommen werden, mit der es bereits zu einer Funkenbildung kommen sollte. Die Feinabstimmung kann dann nur im Betrieb erfolgen.
Zur Auswahl des Sekundärformers, das ist der
Sekundärspulenkörper,
ist zu sagen dass es ein Material mit einem möglichst geringen
Verlustfaktor
sein sollte, denn für einen Großteil der
Sekundärkapazität
ist dieses Material das Dielektrikum. Man steht jetzt vor dem Problem,
dass auf einem Kanalrohr, das man gerade in einem Baumarkt gekauft hat,
meist kein Verlustfaktor angegeben ist.
Als erste Hilfe kann man sich merken, dass das Material möglichst
dünn sein sollte, denn wenn wenig Material vorhanden ist, kann ihn
ihm auch nur wenig Leistung verloren gehen. Materialverluste sind immer
volumenbezogen !
Weiter haben sich alle Arten von PVC als brauchbar erwiesen, obwohl
es natürlich Unterschiede gibt.
Wenn man bereits einen Teslatrafo zur Verfügung hat kann man ihn
zu Hilfe nehmen, um das Material zu testen. Man lässt Funken vom
Teslatrafo
auf das Material überspringen und beobachtet wie der Funken in das
Material eindringt. Wenn er sich weit auffächert und auf der
Rückseite
kaum nach etwas vom Funken durchkommt ist es ein schlechtes Material.
Wenn
der Funken fast ungehindert durchgeht ist es ein gutes Material.
Zu bedenken ist hierbei, dass ein HF-Funken einen Isolator immer
durchdringt.
Das ist keine Frage der Qualität des Isolators. Die hohe Frequenz
verursacht immer kapazitive Ströme. Der Funken durchdringt das
Material
kapazitiv und nicht ohmsch. Wenn das Material hohe Verluste aufweist,
wird
viel Energie im Material in Wärme umgesetzt. Dem Funken bleibt
dann
weniger Energie.
Auch das verwendete Vergussmaterial der Sekundärspule sollte einen geringen Verlustfaktor haben. Bei einem Lack, der wiederum nur dünn aufgetragen wird ist das weniger kritisch als bei einer dicken Schicht Giesharz. In den Datenblättern von Giesharz ist aber meist ein Verlustfaktor angegeben.
Für den Primärformer gelten diese Überlegungen zwar prinzipiell auch, aber wegen der hier viel niedrigeren Spannung ist es kaum wichtig. Es ist jeder nur halbwegs brauchbare Isolator zu verwenden.
Teslatrafos sollen nicht zu hoch sein. Das liegt in der
bereits
besprochenen Tatsache, dass die Kapazität im oberen Teil der
Wicklung
überdimensional stark gegenüber der Induktivität
absinkt.
Aus dem gleichen Grund kommt die nicht allzu große Windungszahl
zustande.
Günstige Verhältnisse liegen bei etwa 3-5facher Höhe
gegenüber dem Durchmesser.
Auch die Abmessungen des Toroids sollen in gewissen Grenzen liegen. Er muss auf jeden Fall einen größeren Durchmesser als die Primärspule haben, denn nur dann kann er eine weitere Aufgabe erfüllen, nämlich die Abschirmung der obersten Windung. An dieser und vor allem an dem Knick in dem Draht der zur Mitte hin führt tritt eine sehr hohe Feldstärke auf, so dass es dort zu Funkenbildung kommen kann. Um das zu vermeiden, muss der Toroid einen möglichst geringen Abstand von der Primärspule installiert werden. Er übt dann eine Schirmwirkung auf die oberste Windung aus.
Wie bereits erwähnt, darf
der Trafo keinen zu hohen Kurzschlussstrom
haben, da sonst die Entladung in der Funkenstrecke durchgeht. Der
Trafo muss also künstlich schlecht gemacht, sein Innenwiderstand
also
erhöht werden. Normalerweise soll ein Trafo ja eine geringe
Kurzschlussspannung
haben, doch hier ist das unerwünscht. Im Fall eines Kurzschlusses,
also beim Zünden der Funkenstrecke, soll die Spannung am Trafo
möglichst
weit zusammenbrechen, damit der Funken leicht löschen kann.
Umso ein Verhalten mit einem herkömmlichen Netztrafo zu erreichen
kann wie hier eine Drossel der Primärwicklung vorgeschaltet
werden.
Ein gewöhnlicher Widerstand würde es auch tun, nur eben mit
der
entsprechenden Verlustleistung.
Mit herkömmlichen Trafo meine ich alle, die in Geräten
eingesetzt
werden, wo eine steife Spannung gefordert wird. Das sind z.B.
Mikrowellenherde,
Sender wie viele medizinische Geräte oder Röhrenendstufen.
Der
in diesem Modell verwendete Trafo ist ein selbst gewickelter und daher
auch spannungssteif.
Zum Selbstbau eines Trafos ist zu sagen, dass man meist keinen
Spulenkörper
finden wird, der für 5kV isoliert ist. Es muss dann ein normaler
so
mit Kunststoff verkleidet und mit Epoxydharz verklebt werden, dass kein
Überschlag stattfinden kann. Besonders die Schlitze für die
Durchführung
der Anschlussdrähte müssen vollständig verklebt werden.
Es wird nur ein Loch am unteren Ende zur Zuführung der Masse und
eines
am oberen als Ausgang für die Hochspannung gebohrt. Dann wird der
Draht z.B. mit Hilfe einer Drehbank und einer Stoppuhr als
Drehzahlmesser
aufgebracht. Übliche Windungszahlen liegen hier je nach Kern
zwischen
10,000 und 20,000. In regelmäßigen Abständen,
etwa
nach erreichen von 500V muss eine Lage Isolierpapier und
Kunststofffolie
gewickelt werden. Diese sollte am Rand möglichst hoch
überstehen
um Überschläge in die darunter liegende Lage zu vermeiden.
Die
fertige Wicklung muss vor dem ersten Einschalten unbedingt außen
mit Stoffbändern umwickelt und mit Epoxydharz vergossen werden.
Anderenfalls
kommt es zu Überschlägen auf den Eisenkern, was zur
Zerstörung
der Wicklung führt.
Wir sehen, dass es eine einfachere Methode ist, einen fertigen Trafo zu
verwenden. Die einzigen Trafos die man relativ leicht bekommt sind so
genannte
Neontrafos aus Neonbeleuchtungen oder eventuell auch noch
Zündtrafos
aus Öl- oder Gasbrennern. Letztere sind aber meist nicht sehr
leistungsstark.
All diese Trafos haben den Vorteil, dass sie im Normalbetrieb auf eine
Gasentladung
arbeiten. Aus diesem Grund sind bereits Maßnahmen getroffen, die
den
Kurzschlussstrom begrenzen. Meist wird das durch Vorbeileiten eines
Teiles
des Primärflusses an der Sekundärspule erreicht. Die beiden
Spulen
sind also nicht mehr so fest miteinander verkoppelt, oder anders
gesagt,
der Streufluss ist größer. Solche Trafos werden daher auch
als
Streufeldtrafos bezeichnet.
Abschließend ist noch zu sagen, dass heute für
Neonbeleuchtungen
immer öfters elektronische Trafos verwendet werden. Diese haben
eine
elektronische Stromregelung und liefern meist auch noch eine sehr hohe
Frequenz von ca. 20kHz (Schaltnetzteil). Sie sind für den Betrieb
eines Teslatrafos vollkommen ungeeignet.
Die Funkenstrecke ist der einzige aktive Bauteil eines klassischen
Teslatrafos.
Es kommt ihr also eine große Bedeutung zu und dementsprechend
gibt
es einige unterschiedliche Bauarten. Alle zielen aber auf den gleichen
Effekt ab. Sie sollen den einmal gezündeten Funken so rasch als
möglich
zum Löschen bringen, denn wenn er einmal brennt neigt er dazu
„durchzugehen“.
Dabei fließen riesige Strommengen, die nichts zur Erregung
beitragen,
da sie hauptsächlich vom Trafo direkt an den Funken geliefert
werden.
Um einen Funken zu löschen bedarf es in erster Linie Kühlung.
Nicht umsonst heißt es ja auch Löschen. Das heiße
Plasma
muss abgekühlt oder durch bereits kalte Luft ersetzt werden.
Eine sehr einfache
Möglichkeit, die auch dieser Teslatrafo anwendet
ist einfach die Aufteilung des Funkens in mehrere kleine Teilfunken.
Zur
Kühlung dienen dabei hauptsächlich die Elektroden, die
verglichen
mit dem Funken eine sehr niedrige Temperatur haben. Je mehr Elektroden
mit dem Funken in Berührung kommen, umso mehr Wärme wird dem
Funken entzogen.
Um durch lokale Erwärmung nicht zuviel an Temperaturdifferenz zu verlieren werden die Elektroden sehr großflächig ausgeführt. Man erhält so den Aufbau einer Löschfunkenstrecke.
Diese besteht aus Ringen von
Isolier- und Leitmaterial, die abwechselnd
geschichtet sind. Der Funken kann so immer an einer neuen, noch kalten
Stelle zünden. Am Rand der Isolierringe ist das Leitmaterial
zurückgesetzt,
um eine Zerstörung der Isolierung zu vermeiden, denn ist einmal
eine
Spur in die Isolierung gebrannt so wird der Funken nur noch an dieser
Stelle
zünden.
Eine oft für Teslatrafos verwendete Funkenstrecke ist die rotierende Funkenstrecke. Sie besteht aus einem rotierenden Isolierteil mit leitenden Elementen, die sich an einen Stator annähern und so zur Zündung eines Funkens führen. Durch die weitere Drehung wird der brennende Funken dann immer mehr in die Länge gezogen, bis er schließlich abreißt. Die Kühlung übernimmt hier also die umgebende Luft. Indem die Oberfläche des Funkens vergrößert wird strahlt er mehr Wärme ab und erlischt schließlich. Ein Vorteil der rotierenden Funkenstrecke ist, dass durch die Drehzahl die Zündfolge und vor allem die Brenndauer des Funkens eingestellt werden kann. Das ist günstig für eine optimale Einstellung des Löschzeitpunktes im richtigen Augenblick der Pendelschwingung.
Eine sehr einfache Methode wird auch gern verwendet. Dabei wird einfach der brennende Funken mit Pressluft weggeblasen. Dadurch erreicht man sehr schnelle Löschzeiten und über den Druck auch ein wenig Kontrolle über die Brenndauer. Der Nachteil ist die extrem große Lärmentwicklung.
Weiters gibt es noch Funkenstrecken innerhalb eines Elektrolyts, die Aufgrund der Gasentwicklung bei Zünden des Funkens diesen dann löschen. Sie werden aber wegen des Aufwandes kaum verwendet.
Der Kondensator ist der Bauteil, dass meist am schwersten zu
bekommen
ist. Das liegt einerseits an der hohen Spannung und den großen
Belastungen
die er ausgesetzt ist.
Er wird auf einige kV geladen und dann auf einen (fast) Kurzschluss
geschaltet. Die Belastungen sind deshalb extrem hoch. Es sind nur
Kondensatoren
geeignet, die eine hohe zulässige Blindleistung haben. In Frage
kommen
nur Keramik- oder Glimmerkondensatoren aus alten Sendern. Alle
Glättungskondensatoren
sind meist mit dem auftretenden Spitzenstrom überfordert.
Meist ist daher ein Selbstbau des Kondensators notwendig. Es gibt
einige
Möglichkeiten einen Kondensator herzustellen. Im Prinzip
müssen
nur zwei leitende Flächen durch Isoliermaterial voneinander
getrennt
werden.
Mann kann z.B. dünne
Metallplatten und dünne Kunststofffolien
abwechselnd übereinander schichten. Zu achten ist dabei auf eine
ausreichende
Überlappung, um Überschläge zwischen den einzelnen Lagen
zu vermeiden. Um die Flächen doppelt auszunutzen, werden sie
abwechselnd
an die beiden Pole gelegt.
Ein beliebter Kondensator ist der so genannte Salzwasserkondensator. Das ist nichts anderes als eine mit Salzwasser gefüllte Flasche, die außen mit Alufolie beklebt wird. Das Dielektrikum ist nicht das Salzwasser, das leitet nur den Strom an die Innenfläche der Flasche. Der Isolator ist hier einfach das Glas. Eine Elektrode ist die außen angebrachte Alufolie und die zweite Elektrode wird in das Salzwasser gesteckt. Diese Kondensatoren haben den Nachteil, dass sie sehr groß und schwer sind.
Dem Gehäuse kommt nicht
nur wegen des Berührungsschutzes des
Primärkreises eine große Bedeutung zu. Eine wichtige Aufgabe
des Gehäuses ist es, den Massebezug für die
Sekundärspule
zu liefern. Bei kleinen Teslatrafos, die keine spezielle Erdung
verwenden,
ist es wichtig, dass der Sekundärstrom nicht über den
Schutzleiter
in das Netz fließt. Es kann sonst in der Installation zu
Überschlägen
kommen. Durch die Verwendung eines großen Metallgehäuses
wird
der Sekundärschwingkreis schon weitgehend mit der
Gehäuseoberfläche
geschlossen. Die Oberfläche des Gehäuses ist sozusagen die
zweite
Platte des Sekundärkondensators.
Ein Metallgehäuse hat aber auch den Nachteil, dass im Nahbereich
um die Primärspule Wirbelströme im Metall entstehen. Das ist
eine zusätzliche Dämpfung, die dem Primärkreis Energie
entzieht.
Es ist daher ein gewisser Abstand Gegenüber der Metallfläche
einzuhalten. Bei diesem Modell reichte eine 1cm dicke Plexiglasplatte
dazu
aus. Wird der Abstand verringert, so sinkt die Funkenlänge stark
ab.
Bei der Verdrahtung des Primärkreises sollten möglichst dicke Drähte oder Kupferbänder verwendet werden. Auf einen guten Masseanschluss der Funkenstrecke ist zu achten. Der Aufbau sollte immer so gestaltet sein, dass die Bauteile ähnlich wie im Schaltpan angeordnet sind. Die Spannungszuführungsdrossel sollte eine Trennung zwischen Trafo bzw. Netzseite und dem Primärkreis sein.
4.8. Warn- und Sicherheitshinweise
Warn-
und Sicherheitshinweise für den Umgang mit Teslatrafos
Blitzschläge !
Elektronische Geräte wie Armbanduhren, Handys,
Taschenrechner,
usw. vom Teslatrafo fernhalten.
Brandgefahr !
Keine leicht entzündlichen Materialien in die
Nähe
bringen.
Atemwegsbeschwerden !
Gute Raumbelüftung wegen Ozon- bzw.
Stickoxiderzeugung.
Hinweise zum Umgang mit den Entladungen
Stromschläge !
Personen mit Herz – Kreislaufproblemen, sowie sehr
empfindliche Personen sollten die Funken nicht
berühren.
Verbrennungen !
Direkten Kontakt mit dem Funken vermeiden.
Großflächigen Berührungspunkt mit
Metallteilen,
„festen Griff“.
Richtige Haltung !
Dem Funken nur den gewünschten (kürzesten)
Weg ermöglichen.
Abschließend noch ein paar Worte zur Sicherheit.
Zuerst einmal die gute Nachricht: Die elektromagnetischen Abstrahlungen
eines Teslatrafos sind für den Menschen nicht unmittelbar
gefährlich.
Im Prinzip ist er ja nur ein Sender, von denen zur Zeit unzählige
andere in Betrieb sind.
Aufgrund der hohen Spannung kann es jedoch in elektronischen
Geräten zu Schäden kommen. Darum ist es wichtig, bei
Experimenten
am Teslatrafo alle elektronischen Geräte fernzuhalten. Besonders
gefährdet,
sind Armbanduhren und Handys. Ein Funkenüberschlag in so ein
Gerät
führt fast immer zur Zerstörung. Aber auch alle anderen
Geräte,
wie Taschenrechner oder Darmargotschis sind vor Experimenten beiseite
zu
legen.
Auch medizinische Geräte wie Hörgeräte oder
Herzschrittmacher
können beeinträchtigt werden.
Aufgrund der Hitze welche die Funken entwickeln, herrscht
natürlich
immer Brandgefahr. Alle leicht entzündlichen Materialien sind vom
Teslatrafo fernzuhalten. Auch in der unmittelbaren Umgebung kann es
kleine
Funken zwischen Metallteilen geben.
Besonders der Impulsteslatrafo erzeugt große Mengen an Ozon. Auf eine ausreichende Belüftung des Raumes ist zu achten. Personen mit Atemwegsbeschwerden sollten sich nur kurz in der Nähe des Teslatrafos aufhalten.
Zum Umgang mit den Funken ist zu sagen, dass beim Impulsteslatrafo sehr wohl Stromschläge zu spüren sind. Personen mit Herz- Kreislaufproblemen, sowie extrem empfindliche Personen sollten diese Funken nicht berühren.
Der CW-Teslatrafo ist in dieser Hinsicht unbedenklich, da keinerlei Schläge zu spüren sind. Hier kommt mehr die Verbrennungsgefahr zum Tragen. Es ist auf jeden Fall ein direkter Kontakt des Funkens mit der Haut zu vermeiden. Es müssen immer Metallteile benutzt werden, mit denen der Funke dann in Berührung kommt. Auch beim Halten der Metallteile ist darauf zu achten, dass keine spitzen Berührungspunkte entstehen, da es sonst wieder zu Verbrennungen kommen kann.
Zuletzt ist es auch noch wichtig, den Funken richtig zu führen. Er wird versuchen immer den kürzesten Weg zu nehmen. Man muss darauf achten, dass dieser Weg immer den gewünschten Metallteil und nicht etwas die Hand trifft.
Soweit zur Theorie des Teslatrafos. Jetzt wollen wir aber in die Praxis schreiten und sehen, wie die Teslatrafos arbeiten.
Dazu werde ich zunächst den Trägerteslatrafo
in Betrieb nehmen. Wir werden zuerst einmal die Entladung an der Spitze
und dann zwischen zwei Elektroden sehen. Die
Kapazitätserhöhung
durch Annäherung an die Spule wird gezeigt. Mit der großen
Hitze
des Funkens wird ein Zahnstocher angezündet.
Danach folgen einige Demonstrationen der hohen Feldstärke mit
Glühbirnen und Leuchtstofflampen. Als nächsten Schritt wird
dann
der Sender moduliert und die Tonerzeugung im Funken demonstriert. Das
AM-Signal
wird mit einem Radio in einiger Entfernung empfangen.
Dann wenden wir uns dem Impulsteslatrafo
zu und betrachten zunächst die Entladungen am Toroid mit und ohne
Elektrode. Auch die Ungefährlichkeit und die Durchdringung von
Isolatoren
durch die langen Funken wird gezeigt. Als nächstes wird mit einem
dünnen Draht als Elektrode die Zerstreuung der Funken gezeigt.
Zuletzt
wird ein größerer Toroid verwendet und die hohe
Feldstärke
mit einem Draht, Glühbirnen und Leuchtstofflampen gezeigt.
Ich hoffe, mit diesem Vortrag die nötige Theorie zum
Verständnis
der Teslatrafos geliefert zu haben. Die Leser der Homepage sind jetzt
eingeladen,
sich die Experimente auf der Hochfrequenzseite
näher anzusehen oder dem einen oder anderen Link in diesem Text zu
folgen.
Hochfrequenzseite