Electronic Labs - 7kW Teslaspule

Nikola Tesla ( * 10. Juli 1856 in Smiljan, im heutigen Kroatien, † 7. Januar 1943 in New York ) war ein US-amerikanischer Erfinder und Elektro-Ingenieur serbischer Herkunft. Sein bedeutendster Beitrag zur Elektrotechnik ist die Nutzbarmachung des Wechselstroms. Nach ihm benannt ist das Tesla, die physikalische Einheit der magnetischen Flussdichte.

1882 zog Tesla nach Paris, um dort für Thomas Edison zu arbeiten. 1884 siedelte er praktisch ohne Finanzmittel nach New York City über, wo er erneut Arbeit bei Edison fand.

Auf der Weltausstellung bewies Teslas System, dass es im großen Stil eingesetzt werden kann und im Gegensatz zum Gleichstromsystem funktionierte. Während dieses Wettbewerbs um das bessere System wurde zu Demonstrationszwecken der elektrische Stuhl mit Wechselstrom betrieben, um jedem die Gefährlichkeit vor Augen zu führen. Aus Eifersucht prägten Teslas Gegner den Begriff westinghoused.

Weiterhin forschte er an der Möglichkeit der drahtlosen Energieübertragung. Tesla versuchte die Ungefährlichkeit seiner Stromart zu beweisen und demonstrierte in einem Hotel, wie eine Glühbirne in seiner Hand leuchtete.

Tesla experimentierte anschließend mit verschiedenen

- Beleuchtungssystemen

- Hochfrequenzwechselstrom

- kabelloser Stromübertragung,

- dem ersten Radiosender,

- der ersten Fernsteuerung der Welt 1898 und mit Röntgenstrahlung.

Er starb zu einem unbekannten Zeitpunkt zwischen dem 6. Januar und 8. Januar 1943 an Herzversagen im New Yorker Hotel New Yorker, der Totenschein bestätigte unverdächtige Umstände. Trotz seiner enormen Zahl an Erfindungen hinterließ er einen riesigen Schuldenberg. Seine Urne befindet sich heute im Nikola-Tesla-Museum in Belgrad.

2. Theoretischer Aufbau der Teslaspule

2.1. Schaltplan:

Schaltung einer Teslaspule

2.2. Hochspannungstrafo:

Der Hochspannungstrafo transformiert die Netzspannung von ca. 230V auf eine Hochspannung von 6 - 40kV. Die Spannung sollte nicht kleiner als 6kV sein, da es sonst zu Problemen bei der Funkenstrecke kommen könnte.

Als Hochspannungsquellen werden meist Trafos aus Neonreklamen (NST) verwendet. Eine weitere Möglichkeit sind die Zündtransformatoren aus Öl-Heizungen (OBIT), die jedoch nicht dauerlauftauglich sind. Für kleine Teslaspulen eignen sich auch Zeilentrafos oder KFZ Zündspulen. Wer jedoch eine große Teslaspule bauen will kommt um Einphasen-umspanntransformatoren oder Messwandler nicht herum. Diese haben eine beachtliche Leistung von 5 bis 15kW.

2.3. Kondensator:

Der Kondensator ist ein wichtiger Teil des Primärkreises. Er hat je nach Resonanzfrequenz eine Kapazität von 5nF bis 200nF. Er muss durch den hohen Stromfluss impulsfest sein und durch Spitzenspannungen im Resonanzkreis das Vierfache der Trafoausgangsspannung vertragen. Weil Kondensatoren mit diesen Anforderungen entweder erst gar nicht oder zu einem sehr hohen Kaufpreis zu erwerben sind, entwickeln sich die meisten ihre Kondensatoren selbst. Die Teslaspulenbauer greifen daher zu Salzwasserkondensatoren (Leyender Flasche), oder zu sogenannten MMC Kondensatoren.

Bei der Leyender Flasche handelt es sich um eine salzwassergefüllte Glasflasche. Die Salzwasserlösung in den einzelnen Flaschen werden dabei mit Drähten verbunden und bilden die erste Platte, dass Glas der Flasche bildet das Dielekterium und die Alufolie, die um die Flasche gewickelt wurde, bildet die zweite Platte. Eine Flasche hat eine Kapazität von etwa 1nF und weist eine Spannungsfestigkeit von bis zu 40kV vor. Diese herzustellen ist zwar sehr preisgünstig, doch der Platzbedarf ist enorm.

Der MMC Kondensator besteht aus vielen kleinen Fkp1 Kondensatoren, die bis zur gewünschten Spannungsfestigkeit in Reihe geschaltet wurden und diese wiederum bis zum Erreichen der gewünschten Kapazität parallel geschaltet werden. Allerdings besteht diese Lösung meist aus sehr vielen Einzelbaubestandteilen und kann auch recht teuer werden.

2.4. Funkenstrecke:

Die Funkenstrecke ist das einzige aktive Bauteil einer Teslaspule, deshalb existieren auch unzählige Bauvorschläge dafür. Sie schlägt durch, sobald die Spannung die an ihr anliegt die Durchbruchsspannung übersteigt. Der Einsatz einer Löschfunkenstrecke ist vorteilhaft. In diesem Modell werden einfach zwei Elektroden in einem gewissen Abstand (der Abstand ist ausschließlich durch experimentieren festzustellen), gegenübergestellt wobei ein kleiner Ventilator einen starken Luftstrom an der Lücke zwischen den Elektroden erzeugt und damit bewirkt das der Funken abreißt. Während des Betriebes werden große Mengen Ozon und ultraviolettes Licht erzeugt. Daher ist es ratsam die Teslaspule nur an einem ausreichend gelüfteten Ort in Betrieb zu nehmen und nicht in die Funkenentladung der Funkenstrecke zu blicken.

2.5. Primärspule:

Die Primärspule stellt eine Induktivität dar und koppelt die hochfrequenten Schwingungen auf der Sekundärspule aus. Sie sollte aus nicht mehr als zehn Windungen bestehen. Dies muss aber allerdings durch Experimentieren herausgefunden werden. Man muss solange an dem Wicklungsverhältnis arbeiten bis die beiden Spulen in Resonanz schwingen.

Es gibt drei verschiedene Arten von Primärspulen: Einmal die zylindrische Spule in der die Wicklung senkrecht angebracht ist. Dann die Flachspule und die konische Spule mit einem Steigungswinkel von etwa 30°, die sich als beste erwiesen hat. Die Primärspule befindet sich am unteren Ende der Sekundärspule.

2.6. Sekundärspule:

Die Sekundärspule ist das auffälligste Teil der Teslaspule: Sie besteht aus Kupferlackdraht der auf einen isolierten Hohlkörper gewickelt ist. Als Spulenkörper erwiesen sich PVC Abwasserrohre als das preisgünstigste Lösungsmittel. Die Kupferdrahtwicklung muss einlagig und ohne Überlappungen oder Abständen zwischen den Windungen gewickelt werden. Man sollte Kupferlackdraht von 0.2 bis 0.8mm² verwenden und etwa 1000 bis 1600 Windungen. Um Überschläge zu verhindern muss die Spule schließlich mit einem isolierenden Überzug versehen werden.

3. Das Zusammenwirken der Komponenten

3.1. Funktion:

Der Aufbau einer Teslaspule ist recht simpel: Ein Hochspannungstransformator lädt einen Hochspannungskondensator. Erreicht dieser eine gewisse Spannung, so zündet eine Funkenstrecke und er entlädt sich über die Primärspule. Diese besteht aus wenigen Windungen dicken Drahtes. Primärspule und Kondensator bilden den Primärschwingkreis. Dieser Schwingkreis induziert nun seine Energie in den Sekundärkreis, der aus der langen Sekundärspule und einer Kopfkapazität besteht. Die Eigenfrequenzen beider Schwingkreise müssen identisch sein, damit es zu einer Kopplung kommt. Die Spannung eines idealen Teslatransformators errechnet sich über das Verhältnis von Primär- zu Sekundärinduktivität. Dies unterscheidet sich meiner Meinung nach nicht wesentlich von einem normalen Trafo mit Kernmaterial, da hier das Windungsverhältnis über die Spannung bestimmt, welches bei identischem Kern und Durchmessern letztlich für das Induktivitätsverhältnis verantwortlich ist. So erhält man leicht eine Spannung von 1.000.000V bei 100 bis 400 kHz Frequenz.

4. Unser praktischer Aufbau

4.1. Praktischer Aufbau

Primärspule

Innendurchmesser: 15cm

Lücke zwischen Windungen: 1,5cm

Drahtdurchmesser: 3mm

Windungsanzahl: 12

Wicklungswinkel: flach

Höhe oberhalb Sekundärspulenanfang: 2cm

Außendurchmesser: 58,5cm

Spulenhöhe: 0,3cm

Drahtlänge: 13.8m

Induktivität (Wheeler): 49.4µH

Stromversorgung

2 Wandler mit 3,5 / 5,7kW

Ausgangsspannung: 28kV

Ausgangsstrom: 120mA /200mA

Kondensator

Flaschenkondensatoren

Maximal nutzbare Primärkapazität: 20nF

Minimal erreichbare Frequenz: 189.875623013kHz

Funkenstrecke

2-Fach aufgebaut

Der Funken wird mittels Luftstrom gelöscht

Sekundärspule

Durchmesser des Spulenkörpers: 10cm

Drahtdurchmesser: 0,56mm

Wicklungslänge: 90cm

Dicke des Torus: 10cm

Außendurchmesser des Torus: 35cm

Windungsanzahl: 1606Wdg.

Genauere Angaben finden Sie unter Technische Daten

2 Wandler mit 3,5 / 5,7kW

Ausgangsspannung: 28kV

Ausgangsstrom: 120mA /200mA

Unsere Flaschenkondensatoren :

24 Stück mit einer gesamtkapazität von 20nF und einer Spannungsfestigkeit von 40kV.

Unsere Strombegrenzungsdrossel besteht aus einem älteren Schweißrafo. Sie drosselt insgesamt auf max. 25A.

Die Grundplatte besteht zuerst aus den beiden Trafos und der Strombegrenzung. Zum leichten Transport wurde sie mit 4x50kg Rollen versehen.

Unser Hauptverteiler ist zusätzlich auf der Grundplatte angebracht.

Die beiden Trafos wurden zusammen mit der Drossel in Serie geschaltet und die

Hochspannungsausgänge paralell.

Der erste Test der Trafos:

Hier wurden die Trafos mit dem Versuch des Jakobsleiters auf 2kW erfolgreich getestet.

Die Schaltung entscheidet auf Knopfdruck ob die Teslaspule auf Volllast läuft oder noch extern gedrosselt wird. Natürlicher Weise sind beide Stromkreise einzeln abgesichert.

Die Sekundärspule wurde mit 1606Wdg. 0,56mm Kupferlackdraht bewickelt.

Als Spulenkörper dient ein 10er Abflussrohr. Zusätzlich haben wir die Spule zur Isolierung mit Klarlack besprüht.

Unser selbstentwickelter, nicht leitender

Tastkopf diente uns bei den Messungen!

Unser Projekt ist in der Endphase, es fehlen lediglich noch Primärspule und Funkenstrecke.

Das Hochspannungskabel verläuft von der Grundplatte bis zum Anfang der Sekundärspule.

Unsere Teslaspule ist fertig.

Die Funkenstrecke wird lediglich noch festgeschraubt und mit dem Hochspannungstrafo verbunden.

4.2. Verhalten beim Betrieb

Bevor man die Teslaspule das erste Mal in Betrieb nimmt, sollte man sich den Gefahren die beim Betrieb der Teslaspule entstehen, sowie den nötigen Sicherheitsmaßnahmen im Klaren sein.

- Im Betrieb immer die 10m Abstand halten und die Messinstrumente am Schaltpult im Auge behalten.

- Die Sekundärspule muss stets gut geerdet sein, da sich die Hochspannung sonst ihren eigenen Weg sucht und gegebenenfalls einen Brand auslösen könnte.

- Sicherstellen das keine Entladungen zwischen der Primär- und Sekundärspule stattfinden, da dadurch der Kondensator möglicherweise zerstört werden könnte.

- Niemals die Entladungen berühren! Es tritt zwar der sogenannte Skin-Effekt ein, was heißt, der Strom kann nicht in den Körper eindringen, aber wir würden es auf keinen Fall empfehlen die Entladungen der Teslaspule zu berühren.

- Vor Arbeiten an der Teslaspule die Kondensatoren immer mit einem starken Wiederstand von etwa 100kW entladen.

- Falls die Sicherung im Hausverteiler ausgelöst hat, sofort den Netzstecker ziehen um ein unbeabsichtigtes Wiederanlaufen der Spule zu verhindern und gegebenenfalls den verantwortlichen Fehler suchen.

- Stets die Kondensatoren im Blick behalten, da diese bei einem Durchschlag oder einer Überhitzung explodieren könnten.

- Immer drauf achten, dass im Umkreis von etwa 10m sich kein empfindliches Elektrogerät (Handy, CPU, digital...) befindet, da diese dadurch möglicherweise zerstört werden könnten. Träger von Herzschrittmachern sollten sich unbedingt von der Teslaspule fernhalten.

- Keine brennbaren Gase, Flüssigkeiten oder Feststoffe in die Nähe der Teslaspule bringen! Brandgefahr!!

4.3. Schutzschaltungen

Da unsere Teslaspule so sicher wie nur möglich sein soll haben wir viele verschiedene Schaltungen integriert die einen sicheren Betrieb gewährleisten sollen.

- Wir haben mehrere Leitungsschutzschalter eingebaut um ein Erwärmen der Leitungen zu verhindern. (Werte: B20 B16 B10)

- Geschaltet wird unsere Teslaspule über großzügig ausgelegte Schütze. (25A)

- Der Betriebszustand ist über viele verschiedene Kontrolllampen einfach ablesbar.

- Das Volt- und Amperemeter lässt einen Defekt schnell herausfinden.

- Der Temperaturschutz bewahrt die Funkenstrecke sowie die Trafos vor Überhitzung und zeigt immer die aktuelle Betriebstemperatur an.

- Alle verwendeten Bauteile sind großzügig dimensioniert.

- Die Trafos sowie alle Gehäuseteile sind geerdet.

- Ein Not-Ausschalter ist natürlich auch eingebaut.

- Lüfter sorgen dafür, dass kein Hitzestau entsteht.

- Eine Schaltung die das Gerät bei einem Fehler sofort ausschaltet.

- Sicherheitsfunkenstrecke

- Hochwertige Steckverbindungssysteme

- Der Schlüsselschalter verhindert ein unbefugtes Inbetriebnehmen der Spule

4.4. Die Technischen Daten

3,5kW / 5,7kW

3x 230 / 400V

28kV 125mA / 200mA

Windungsanzahl: 1606Wdg.

Aspektverhältnis: 8.944311853619728

Induktivität: 27.345443161431678mH

Kopplungsfaktor: 9,9

Drahtlänge: 507.4103m

Eigenkapazität: 19.078598472685325pF

Torus-Kapazität: 15.51448705924513pF

Resonanzfrequenz ohne Torus: 220.3456kHz

Resonanzfrequenz mit Torus: 163.6375kHz

DC-Widerstand: 35.43413Ohm

Widerstand durch Skineffekt: 15.2011695Ohm

Güte: 555.2574792864522

Benötigte Primärkapazität: 19.13262397123nF

5. Betrieb der Teslaspule

5.1. Die Abstimmung

Damit der Tesla-Generator die maximale Ausgangsspannung erzeugt, müssen Primärkreis und Sekundärkreis in Resonanz schwingen. Da die Resonanzfrequenz der Sekundärspule kaum noch veränderbar ist, und der Primärkondensator ebenfalls einen festen Wert besitzt, muss zur Abstimmung des Tesla-Generators die Windungszahl der Primärspule verändert werden. Während die innerste Windung üblicherweise fest mit dem Primärkondensator verdrahtet ist, kann der zweite Anzapfpunkt über eine Krokodilklemme abgegriffen werden. Ein weiterer Punkt wäre aber noch die Funkenstrecke die optimal eingestellt werden muss bis die Teslaspule ohne Ausfälle läuft.

5.2. Die Gefahren bei Betrieb

Stromschlag

Während der Ausgangsstrom eines Tesla-Generators, wie bereits erwähnt, relativ harmlos ist, kann es allerdings bei Berühren der Primärspule zu tödlichen Schlägen kommen! Im Primärkreis fließen Spitzenströme von bis zu 400A.

Ozon und Stickoxide

Bei allen elektrischen Entladungen in der Luft entstehen Ozon und Stickoxide. Wegen der kurzen Betriebsdauer entstehen dadurch im allgemeinen keine gesundheitlichen Gefahren, jedoch klagen manche Experimentatoren über Kopfschmerzen die durch das Reizgas Ozon verursacht werden. Allerdings besteht, sobald die Luft abgekühlt ist, keine Gefahr mehr!

Lärm

Schon die Entladungen kleiner Tesla-Generatoren können sehr laut sein, um keine bleibenden Gehörschäden zu riskieren, sollte man einen Gehörschutz tragen.

Störungen

Da Tesla-Generatoren den prinzipiellen Aufbau eines Senders besitzen, rufen sie Funkstörungen hervor. Da sie allerdings nicht über eine Antenne verfügen, bleiben diese Störungen recht gering.

UV-Strahlung

Die Entladungen in der Funkenstrecke erzeugen wie Schweißgeräte UV-Strahlung, sie darf daher nicht über längere Zeit mit dem bloßen Auge beobachtet werden! Ansonsten kann es zu Netzhautschäden kommen.

Röntgenstrahlung

Wie Versuche ergaben, produzieren Tesla-Generatoren keine Röntgenstrahlen!! Werden jedoch Gefäße die unter einem Vakuum stehen in die Nähe der Tesla-Spule gebracht, kann sehr wohl Röntgenstrahlung entstehen.

5.3. Der Betrieb

Die Entladungen unserer Teslaspule sind bis zu 1,20m hoch!

Die Teslaspule hat eine Höhe von 2,30m.