Jürgen Schilling - Natur | Fotografie | Technik .

 

JürgenSchilling

Natur | Fotografie | Technik

 
 

 Home

 Black&White
 Cyanotypie
 Fotogramme
 Infrarot
 Jägerprüfung
 Kategorien
 Kirlianfotografie
 Lochkamera
 Makroaufnahmen



Lightbox


 Manuals:
 
Alle Manuals
 Aluminium eloxieren
 Hochspannungsgenerator
 Belichtungszeitentabelle
 Beurteilung v. Negativen
 Blitzlichtfotographie
 Farbmischung
 Filmentwicklung
 Infrarotfotografie
 Teslatrafo
 Teslatrafo Rechner
 Schrauben u. Gewinde

 Entwicklingszeiten:
 Agfa Rodinal
 Kodak D76

 Tiefenschäferechner

 
 Impressum


______

















  
  Bilder pro Gast
  phpMyAdmin
  Counter
  Most viewed
  Logout
  Login
  Theme curve
  Theme my-fruity

Bau eines Teslatrafos
ACHTUNG!
Die hier beschriebenen Experimente sind nicht ganz ungefährlich! Also überlegen Sie bitte vorher,
was Sie tun und wo Sie hinfassen. Ein Griff an die falsche Stelle ist absolut tödlich. Ein "Upps" gibt es nicht!

Hier sind alle Bilder zum Teslatrafo chronologisch angeordnet zu sehen
Die längsten Blitze gibt es ganz am Schluß!
Inhalt:
1)   Funktion
2)   Schaltplan / Daten der Anlage
3)   Hochspannungstrafo
4)   Primärkondensator
4.1)   Die Spannungsfestigkeit des Primärkondensators berechnen
4.2)   Die Gesamtkapazität des Primärkondensators berechnen
5)   Funkenstrecke
6)   Primärspule
7)   Sekundärspule
7.1)   Warum brechen überhaupt Funken aus, wenn die Sekundärspule geerdet ist?
7.2)   Was hat es mit ¼ l in Verbindung mit der Teslaspule auf sich?
7.3)   Die Resonanzfrequenz der Sekundärspule berechnen
8)   Kopfkapazität / Torus
9)   Strombegrenzung
10)   Wie entsteht die Spannungsüberhöhung in der Sekundärspule?
11)   Warum kann der Primärkondensator mit Wechselspannung geladen werden?
12)   Warum zündet die Funkenstrecke nur zu einem bestimmten Zeitpunkt?
13)   Warum Schwingt der Kondensator mit der Spule in einem gedämpften Schwingkreis?
14)   Wie entsteht ein natürlicher Blitz?
15)   Wie entstehen die Streamer am Torus und wo ist ihr Unterschied zu einem natürlichen Blitz?
16)   Wie funktioniert ein Schwingkreis?

Mein Teslatrafo der zur Zeit Funken mit 1,25 Meter Länge erzeugt.
1) Funktion
Ein Tesla-Generator ist ein impulsbetriebener Transformator mit Luftkern im Resonanzmodus. Der Primärkreis besteht aus einem Kondensator, einer Primärspule und einer Funkenstrecke. Mit Hilfe einer Hochspannungsversorgung wird der Kondensator, der mit der Spule in Reihe geschaltet ist, geladen. Wenn die Überschlagspannung der Funkenstrecke, die parallel zu Kondensator und Spule liegt erreicht ist, zündet diese und bildet ein niederohmiges Plasma – der Schwingkreis ist geschlossen und schwingt mit seiner Resonanzfrequenz. Der Sekundärkreis besteht aus einer länglichen Luftspule, deren unteres Ende geerdet ist, und deren oberem Ende ein Torus als Entladungsterminal abgeschlossen ist. Diese Sekundärspule wird auch als Tesla-Spule bezeichnet. Die Induktivität der Tesla-Spule erzeugt in Verbindung mit der Kapazität, die durch die benachbarten Windungen und dem Entladungsterminal gebildet wird, ebenfalls einen Schwingkreis, der dieselbe Resonanzfrequenz wie der Primärkreis besitzt. Die Primärspule gibt nun ihre  Energie an die in ihrer Mitte stehenden Sekundärspule weiter, wo Spannungen von bis zu mehreren Millionen Volt entstehen können.
Wird die Durchbruchspannung Kopfkapazität erreicht, entladen sich lange Funken in die Luft.
2) Schaltplan


Schaltplan des Teslatrafos.
Ganz links befindet sich sich der 4-fach MOT-Stack. Die Funkenstrecke ist parallel zu den Trafos geschaltet und schließt den 30nF Kondensator bei ~8kV kurz. Der kurzgeschlossene Kondensator induziert über die Primärspule eine Spannung in die Sekundärspule. Wenn die Durchbruchspannung der Luft erreicht ist, entlädt sich ein Funke vom Torus in die Luft.
Daten der Anlage:  
Eingangsleistung: 5,6 kW
Primärspannung: 8,0 kW
max. Funkenlänge: 120 cm
Primärkapazität: 60 nF
Resonanzfrequenz: ~140 kHz
Primärwindungen: 2,5
Primärspulen Kabel-Durchmesser: ~ 4 mm
Primärspule Innen-Durchmesser: ~ 35 cm
Sekundärwindungen: ~ 920
Sekundärspulen-Durchmesser: 160 cm
Sekundärspulen Draht-Durchmesser: 0,5 mm
Sekundärspulen Nylonschnur-Durchmesser: 0,45 mm
Torus1 Durchmesser: 10 cm
Torus1 Außendurchmesser: 36 cm
Torus2 Durchmesser: 20 cm
Torus2 Außendurchmesser: 67 cm
3) Hochspannungstrafo
Der Hochspannungstrafo hat die Aufgabe, die Netzspannung auf eine angemessene Spannung für die Primärspule des Teslagenerators hoch zu transformieren (hier ca. 8kV).
Eine preiswerte Möglichkeit der Hochspannungserzeugung, ist das antiparallele zusammenschalten von vier oder mehr Mikrowellentrafos, auch MOTs oder "Microwave Oven Transformator" genannt.
Wer ausreichend Zeit mitbringt, kann diese aus defekten Mikrowellen vom Schrottplatz ausbauen. Ansonsten bekommt man die Trafos für ein paar Euro im Internet.
Ein Mikrowellentrafo hat eine Ausgangsspannung von 2 kV und bis zu 800 mA Kurzschlußstrom.
Da die Funkenstrecke unterhalb einer Spannung von 8 kV nicht mehr sauber arbeitet, muß man mindestens vier MOTs antiparallel (gegenphasig) zusammenschalten.
Von MOT-Stacks bei denen mehrere MOTs in Reihe geschaltet werden, ist dringest abzuraten, da durch die hierbei auftretenden hohen Temperaturen die Trafoisolation beschädigt.

Ein fünfter Mikrowellentrafo dient als Einschaltstrombegrenzung für die vier anderen Trafos. Er limitiert den Maximalstrom auf etwa 10 Ampere.

Da die sekundäre Spule von Mikrowellentrafos mit einer Seite mit dem Eisenkern verbunden ist, mußte man bei den beiden "äußeren" MOTs den jeweiligen Eisenkern direkt auf die Sekundärspule der beiden inneren MOTs stecken.
Die beiden Kerne der inneren MOTs sind mit einem Alublech verbunden. Eine Erdung habe ich bewußt weggelassen, um eine galvanische Trennung von Primär und Sekundärkreis zu erreichen.
So ist ein Stromschlag aus dem Sekundärkreis der MOTs nur noch zu 99,x % tödlich.

Übrigens:
Auch ein funktionstüchtiger FI Schalter funktioniert bei einem Teslatrafo nicht, da der FI Schalter nur den Strom überwacht, der durch die Primärspule des Trafos fließt.
Welche Ströme auf der Sekundärseite fließen und wohin sie selbiges tun ist dem FI Schutzschalter egal !



Um die hohen Temperaturen zu verhindern, müssen die MOTs gegenphasig zu betreiben werden.
Wie man das macht, ist im Schaltbild oben beschrieben.

Und so schaut die Sache in der Wirklichkeit aus:




4er MOT Stack. Man beachte hier die besondere Beschaltung der Sekundärspule des MOTs. Bei Mikrowellentrafos ist der zweite Anschluß
der Sekundärspule mit dem Eisenkern verbunden. Deshalb sind die braunen Kabel und das Alublech auf der einen Seite am Kern festgeschraubt.
 



Die sekundäre Spule von Mikrowellentrafos ist einseitig mit dem Eisenkern verbunden.
Man kann diesen Anschluß abgreifen, indem man eine Ringöse am Kern festschraubt.
 
4) Primärkondensator
Der Primärkondensator speichert die Energie die nötig ist, um den Sekundärkreis zum schwingen zu bewegen. Er wird periodisch durch den Transformator so weit aufgeladen, bis er sich über die Funkenstrecke entlädt.
Seine Spannungsfestigkeit richtet sich nach der maximalen Ausgangsspannung des Hochspannungstrafos. Wichtig ist, daß er zusätzlich impulsfest ist, um die hohen Kurzschlußströme aushalten zu können.
Je nach Dimensionierung der Teslaspule und der Leistung des HV-Trafos hat, besitzt er eine Kapazität von 1-250nF.

Solche Kondensatoren bekommt man ab etwa 500 Euro zu kaufen. Einige Firmen die so ein Material vertreiben, habe ich unter 4.2 aufgelistet.

Wer erst mal etwas kleiner einsteigen möchte, baut sich den Primärkondensator in der Regel selbst.
Um auf die erforderliche Spannungs- / Impulsfestigkeit zu erreichen, werden viele kleine Kondensatoren seriell zusammengeschaltet.
Diese Variante nennt man "Multi-Mini-Cap" oder MMC.

Üblicherweise werden hierfür WIMA FKP1 0,22µF 1250VDC Kondensatoren verwendet.
Die sind impulsfest und man braucht nicht Hunderte davon, um auf die gewünschte Kapazität zu kommen.
Damit die Spannungen gleichmäßig auf die Kondensatoren verteilt wird, lötet man parallel zum jeweiligen Kondensator einen Ausgleichwiderstand mit > 1MOhm.

Keramikkondensatoren wie der "HV Disc Kondensator 15nF/3000V" und ausgediente Öl-Kondensatoren aus Kondensatorbänken sind völlig unbrauchbar.
Die Keramikkondensatoren brennen einfach ab, die Öl-Kondensatoren und Mikrowellenkondensatoren geben den Strom nicht schnell genug her.

Mikrowellenkondensatoren bekommt man fast geschenkt. Sie sind aber für den Einsatz in Teslatrafos ebenfalls völlig ungeeignet, selbst wenn man mehrere davon in Reihe schalten würde. Der Grund liegt
in ihrer nicht vorhandenen Stoßfestigkeit bzw. Impulsfestigkeit. Diese Kondensatoren sind für 50 Hz ausgelegt, und vertragen es nicht, wenn man sie mit einigen 100 kHz auflädt und wieder kurzschließt.
4.1) Die Spannungsfestigkeit des Primärkondensators berechnen
Die Wechselspannungsfestigkeit (=AC) von Kondensatoren muß nach dem Spitzenwert, und nicht nach dem Effektivwert berechnet werden. Auf den Kondensatoren ist nur der Wert von Ueff  aufgedruckt! (wenn überhaupt etwas brauchbares draufsteht).

Was ist der Effektivwert Ueff?
Der Umgang mit Geräten, die sowohl an Gleichspannung als auch an Wechselspannung betrieben werden können, vereinfacht sich, wenn bei gleicher Spannungsgröße die gleiche Leistung erbracht wird. Da die Sinusspannung und damit auch der Strom zu jedem Zeitpunkt einen anderen Wert hat, muß ein neuer über die Zeit konstanter Wert gefunden werden, der diese Bedingung erfüllt.
Dieser Wert wird Effektivwert genannt.
Der Effektivwert Ueff ist ca. 70,7% der Spitze-Spannung. Wechselspannungswerte werden in der Regel als Effektivwert angegeben.
Der Effektivwert U einer gleichgerichteten Wechselspannung ist gleich dem Wert der Gleichspannung, die im selben Drahtwiderstand
die gleiche Durchschnittsleistung hervorbringt bzw. in der gleichen Zeit dieselbe Arbeit verrichtet.
Die Netzspannung wird mit 230V angegeben, weil sie an einem ohmschen Verbraucher die selbe Leistung erzeugt, wie 230V Gleichspannung.

 

Beispiel für Us an der Netzspannung:




Das Stromnetz hat in Europa bei den Endverbrauchern einen Effektivwert von 230 V.
Der Scheitelwert Us beträgt:

Us = 230 V x
Us = 325 V

Wird die Spannungsfestigkeit die Primärkondensators über die Scheitelspannung bestimmt,
kann man mit der Gleichspannungsfestigkeit (DC) der Kondensatoren rechnen.


Beispiel für meinen einen Hochspannungstrafo:


Mein MOT-Stack bringt 8kV effektiv.
Der Kondensator muß dann folgende Spitzenspannung aushalten können:

Us = 8000 V x
Us = 11313 V = 11,3  kV Gleichspannungsfestigkeit (DC)


Darstellung für sinusförmige Wechselspannung.
1 = Scheitelwert (Us)
2 = Spitze-Spitze-Wert
3 = Effektivwert (Ueff)
4 = Periodendauer
4.2) Die Gesamtkapazität des Primärkondensators berechnen
Die Gesamtkapazität einer Reihenschaltung aus mehreren Kapazitäten ist kleiner als die kleinste Einzelkapazität.


Das wird aus folgender Formel ersichtlich:



Beispiel für die Gesamtkapazität meines MMS aus 2 x 14 WIMA FKP1 0,22µF 1250VDC:

Cges = 1/ (1/C1 + 1/C2 + .... + 1/C14)

Cges = 1/(1/0,22µF + 1/0,22µF + .... + 1/C14)

Cges = 0,0157 µF

Davon habe ich zwei Stück parallel geschaltet. Das gibt zusammen 0,0314 µF
4.3) Fotos von diversen Hochspannungskondensatoren
Sehr gut geeignet: FKP1 Kondensatoren


Multi-Mini-Cap aus 2 x 14 WIMA FKP1 0,22µF
1250VDC (Zusammen 0,0314 µF / 11,3 kV)
Sehr gut geeignet: MKP Kondensatoren


Multi-Mini-Cap aus 240 15nF Kondensatoren
Spezielle Kondensatoren für Teslatrafos..


.1uF/20KVAC - Tesla Coil Capacitor $749.95

Vertrieben werden diese Kondensatoren von:
Information Unlimited
PO Box 716
Amherst, NH 03031-0706 / USA
http://www.amazing1.com/
Firmen die Hochspannungs- Kondensatoren vertreiben:

Guth GmbH
Spitzenbergstrasse 6
73084 Salach
http://www.guth-hv.com

AMS Technologies AG
Fraunhoferstraße 22
82152 Martinsried
http://www.ams.de
Ungeeignet: Öl-Kondensatoren:


In Öl schwimmende Hochspannungskondensatoren mit 80  µF 3kV
aus einer Kondensatorbank mit einem Eigengewicht von 5,5 Kg / Stück.
Diese Kondensatoren gaben ihre Ladung nicht oder zu langsam wieder her.
Ungeeignet: MKS Kondensatoren:


MMC aus nicht impulsfesten Kondensatoren. Diese
Exemplare platzten bevor es zu Entladungen kam.
Ungeeignet: Mikrowellen Kondensator


Mikrowellen Kondensator mit 0,9µF und 2100 Volt Spannungsfestigkeit.
Diese Kondensatoren bekommt man fast geschenkt. Sie sind aber nicht impulsfest und daher für einen Teslatrafo völlig ungeeignet.
Ungeeignet: Keramik Kondensatoren


MMC aus Keramikkondensatoren mit 15nF/3000V.
Eigentlich sollten diese Kondensatoren 3 kV pro Stück aushalten.
Vorher sprang aber schon der Funke an den Anschlußdrähten über.
5) Funkenstrecke
Die Funkenstrecke übernimmt die Funktion eines Schalters. Sie zündet bzw. schaltet, sobald die Spannung die an ihr anliegt, die Durchbruchspannung übersteigt.
Um ein gutes Ergebnis und lange Streamer zu erzielen, muß die Funkenstrecke den Funken möglichst schnell wieder abreißen zu lassen.
Die einfachste und effektivste Methode ist, die Elektroden aus dünnem Kupferrohr zu bauen. Durch die Kupferrohre wird dann mit einem sehr kräftigen PC-Lüfter Luft geleitet.
So wird das heiße, leitfähige Plasma des Lichtbogens effektiv weggeblasen und die Elektroden auf eine Temperatur gekühlt, die einen selbstständigen Wiederaufbau des Plasmas unmöglich macht.
Den Abstand zwischen den Elektroden stellt man so ein, daß sich gerade noch ein stabiler Lichtbogen aufbaut. So hat man die maximale Spannung zur Verfügung.
Damit die Verluste in der Funkenstrecke gering zu halten, verteilt man Funkenstrecken auf mehrere Elektroden, mit entsprechend kleineren Abständen.
Durch die größere Oberfläche des Funkens wird ihm mehr Hitzeenergie entzogen und damit ein präzises Schalten ermöglicht.
Die kleinsten Verluste und die höchste Spannung habe ich bei meiner Anlage mit drei Lichtbögen.
Die Funkenstrecke habe ich zur Kanalisation des Luftstromes, aber hauptsächlich zum Schallschutz in eine massive Holzröhre montiert. Das dämpft zumindest die hochfrequenten Töne.
 


Primitive aber voll funktionstüchtige Funkenstrecke. Als Lüftung dienten
zwei PC Lüfter die ich einfach vor die Elektroden gestellt habe.


Funkenstrecke aus vier 15 mm Kupferrohren. Zur besseren Wärmeableitung
habe ich sie mit etwas Abstand zur Grundplatte montiert.


Zur besseren Kühlung und zum Schallschutz ist die
Funkenstrecke in einen Holztunnel montiert. Hier fehlt noch der Deckel.


Nach kurzem Betrieb schlug hier der Funke über die Verschraubung über.

Zeichnung meiner Löschfunkenstrecke.


Funkenstrecke aus vier 22 mm Kupferrohren.


Die Rohre wurden in der Mitte plattgedrückt, um einen definierten Überschlagspunkt zu haben. Von Hinten bläst ein PC-Lüfter Luft durch die Elektroden.


Ein Rohrabschneider erleichtert den Bau der Funkenstrecke erheblich. In das Werkzeug spannt man das Rohr ein, schraubt es etwas zu und dreht es um das Rohr - fertig ist die Elektrode.
6) Primärspule
Die Primärspule koppelt die hochfrequenten Schwingungen auf die Sekundärspule aus.
Sie ist eine Luftspule in Form einer flachen Spirale oder eines umgedrehten Kegelstumpfes mit einem Steigungswinkel von etwa 30° .
Die exakte Windungszahl, die Lage und auch die Form der Primärspule muß durch Experimente herausgefunden werden.

Die einzelnen Windungen haben einen Abstand von etwa einem Zentimeter, um ein räumlich ausgedehntes Magnetfeld zu erzeugen, das die gesamte Sekundärspule erregt.
Da bei den hohen Frequenzen der Skineffekt einsetzt und die Eindringtiefe des Stromes in den Leiter nur Bruchteile eines Millimeters beträgt, eignet für die Primärspule ein Kupferrohr am besten.

Die Primärspule wird am unteren Ende der Sekundärspule moniert. Wird die Primärspule zu hoch moniert, kommt es zu Überschlägen zwischen Sekundärspule und Primärspule.
6.1) 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 und die Lage der Primärspule verändert werden. Während die innerste Windung mit dem Primärkondensator verdrahtet ist, kann der zweite Anzapfpunkt über eine Krokodilklemme abgegriffen werden.
Wenn isoliertes Kupferkabel verwendet wurde, kann man auch einfach Kabel von der Primärspule auf- oder abwickeln. Diese Methode ist allerdings sehr mühsam und ist nur praktikabel, wenn man schon grob weiß, wie viele Windungen man benötigt.
Entgegen aller Berechnungen reichten bei meiner Spule immer 1 bis 3 Windungen aus, um das optimale Ergebnis zu erzielen.

Neben der Anzahl der Windungen, kann auch die Höhe der Primärspule anpaßt werden. Die besten Ergebnisse habe ich, wenn ich die Spule etwa 20 cm oberhalb des unteren Endes der Sekundärspule plaziere.
Gehe ich höher, ändert sich die Funkenlänge nicht mehr wesentlich. Wenn man allerdings zu hoch kommt, schlagen Funken von der Primärspule in die Sekundärspule ein, und brennen Löcher in den Spulenkörper.

Die Zuleitungskabel zur Sekundärspule, wie auch sämtliche stromführenden Kabel der Gesamtschaltung und Montagematerial aus Metall tragen ihren Teil zum Endergebnis bei.
Wenn also Blitzlänge mit jedem Versuch anders ausfällt, muß man erst mal stabile Verhältnisse schaffen, bevor man nach weiteren Fehlern sucht.


Primärspule aus isoliertem Erdungsdraht mit 10mm². Im Hintergrund ist der MMC aus 240 Einzelkondensatoren zu sehen.


Aus mehreren Kupferrohren und Kupferdraht zusammen
gebastelte Primärspule. Bei dieser Konstruktion kann
auch noch die Höhe der Primärspule verändert werden.


Primärspule aus einem 3 adrigem Verlängerungskabel  mit Gummimantel.


Überschlag von der Primärspule auf die Sekundärspule. Hier ist entweder der Abstand zur Sekundärspule zu klein und / oder die Primärspule ist zu hoch.
7) Sekundärspule
Die Sekundärspule ist das auffälligste Teil des Teslatrafos. Sie besteht aus doppelt gelacktem Kupferlackdraht, der gemeinsam mit einer Nylonschnur auf ein Plastikrohr gewickelt ist.
Die Kupferdrahtwicklung muß einlagig und ohne Überlappungen gewickelt werden. Üblicherweise nimmt man Kupferlackdraht von 0.5 bis 0.8m Durchmesser und verwendet ~ 1000 Windungen.
Um eine maximale Amplitude der Ausgangsspannung zu erreichen, wird eine Spulendrahtlänge von ¼ l  angestrebt. So bildet sich eine stehende Welle in der Sekundärspule, an
deren oberen Ende ein Wellenberg und am unteren Ende ein Spannungsknoten seht (vgl 7.2).
Die Nylonschnur soll so dick sein wie der Kupferdraht. Er wird benötigt um einen konstanten Abstand zwischen die Kupferwindungen zu bringen und so die Spannungsfestigkeit der Spule zu erhöhen.
Mit einer 0,5 mm dicken Nylonschnur wird die Spannungsfestigkeit pro Windung um  ~ 1000 Volt erhöht.

Da die Parameter der Sekundärspule durch das vorhandene Material vorgegeben ist, baut man die Spule weitgehend nach Erfahrungswerten auf, und paßt später den Primärschwingkreis an die Sekundärspule an.

Um die fertige Spule zu schützen kann man sie mit Acryllack, Isolierlack, Unterbodenschutz oder einfach mit durchsichtigen Tesaband überziehen.
Der Lack hat in der Regel keine Erhöhung der Spannungsfestigkeit zur Folge. Er dient lediglich dem mechanischen Schutz der Sekundärspule und dem "aufspringen" der Wicklung, wenn ein Funke in die Spule
einschlägt und den Kupferdraht durchbrennt.
Das untere Ende der Sekundärspule muß geerdet werden. Hierfür kann man den Draht mit der Heizung, dem Wasserhahn oder dem Blitzableiter verbinden. Im Freien kann man auch ein Eisenrohr in den Boden schlagen.
Auf keinen Fall darf de Sekundärspule mit dem Schutzleiter in der Steckdose verbunden werden. Das würde die galvanische Trennung aufheben und macht auch den Sekundärkreis lebensgefährlich.
7.1) Warum brechen überhaupt Funken aus, wenn die Sekundärspule geerdet ist?
Die Sekundärspule ist an ihrem Fußpunkt geerdet, das heißt an diesem Punkt liegt Nullpotenzial an.
Die Sekundärspule ihrerseits bildet einen Schwingkreis, wo durch Anregung ihrer Resonanzfrequenz eine Spannungsüberhöhung stattfindet.
Durch das Nullpotenzial am Boden des Leiters bildet sich ein starkes Spannungsgefälle bzw. elektromagnetisches Feld. Der Funke bricht aus, wenn die Durchbruchfeldstärke der Luft erreicht wird.
7.2) Was hat es mit ¼ l in Verbindung mit der Teslaspule auf sich?
Wenn die Drahtlänge der Sekundärspule genau diesem Wert entspricht, hat man bei jeder Halbwelle das Spannungsmaximum am oberen Ende und somit die längsten längere Entladungen.

Ist der Draht z.B. länger, so können die Streamer irgendwo an der Spule austreten, was der Spule zerstören wird.

Drahtlänge in m = (Lichtgeschwindigkeit in m/s also 300000000 /Frequenz in Herz) / 4 lang sein.

Üblicherweise werden aber auch bei grob falsch berechneter Sekundärspule die Streamer am Torus austreten, da hier die höchsten Feldstärken herrschen.
Wenn die Drahtlänge der Sekundärspule genau diesem Wert entspricht, hat man bei jeder Halbwelle das Spannungsmaximum am oberen Ende und somit die längsten längere Entladungen.
Ist der Draht z.B. länger, so können die Streamer irgendwo an der Spule austreten, was der Spule zerstören wird.
Drahtlänge in m = (Lichtgeschwindigkeit in m/s also 300000000 /Frequenz in Herz) / 4 lang sein.
Üblicherweise werden aber auch bei grob falsch berechneter Sekundärspule die Streamer am Torus austreten, da hier die höchsten Feldstärken herrschen.

 

 

 




 

Um eine maximale Amplitude der Ausgangsspannung zu erreichen,
wird eine Spulendrahtlänge von ¼ l  angestrebt, so daß eine stehende
Welle in der Sekundärspule entsteht.
(Spannungsknoten am unteren Ende, Wellenberg am Entladungsterminal).

7.3) Die Resonazfequenz der Sekundärspule berechnen:
Entspricht die Länge ldraht des aufgewickelten Drahtes der Sekundärspule einem Viertel der Wellenlänge der Resonanzfrequenz fres, so wird sich an ihrer Spitze ein
Spannungsbauch ausbilden, der den Torus mit maximal positivem Potential lädt.


Die Lamdaviertel Resonanzfrequenz (¼ l  ) errechnet sich näherungsweise wie folgt:

c =  die Lichtgeschwindigkeit (300x106 m/s),
d = der Spulendurchmesser (m)
d
Draht = Dahtdurchmesser (mm)
d
Abstand = Abstand zwischen den Kupferlackdrähten (mm)
N = Anzahl der Wicklungen
f
res = Resonanzfrequenz

Die Sekundärspule hat einen Durchmesser d von 160 mm und ist mit Kupferlackdraht von 0,50 mm Durchmesser d
Draht auf einer Länge l von 950 mm einlagig gewickelt.
Abstand (d
Abstand) zwischen den Drahtwindungen ist jeweils 0,45 mm

Anzahl der Windungen:
N = l / (d
Draht + dAbstand) = 950 mm / ( 0,50 mm + 0,45mm )= 1000 Windungen

Der Umfang u der Spule:
u = pi * d =
pi * 160 mm = 502,40 mm = 0,5024 m

Die Länge l
Draht des Drahtes:
l
Draht = u * N = 0,5024 m * 1000 = 502,40 m

Die optimale Resonanzfrequenz liegt also bei:
 f
res = c/lDraht = 300 * 10^6 m/s / ( 4 * 502,40 m) =  300 * 10^6 m/s / 2009,6 =  149283 Hz = 149,283 kHz
 


Eine Spule wird gewickelt. Damit sich der Kupferlackdraht
nicht wieder abwickelt, wurde doppelseitiges Klebeband auf
das Abwasserrohr geklebt.


Zum mechanischen Schutz wird diese Spule mit
Acryllack bestrichen.


Bei einer Sekundärspule ohne Torus, bilden sich nur kleine Entladungen am oberen Spulenende. Richtige Streamer sind hier nicht zu erwarten.


Hier bilden sich Überschläge auf der Sekundärspule,
aufgrund unzureichender Spannungsfestigkeit des Kupferlackdrahtes, oder durch Blitze die die Sekundärspule getroffen haben.
8) Kopfkapazität / Torus
Oben auf der Sekundärspule befindet sich der sogenannte Torus. Das ist einfach irgendein leitfähiger Gegenstand. Er erhöht die Kapazität der Sekundärspule und hat eine Kapazität von wenigen Pikofarad.
Je größer der Torus ist, desto länger sind die Blitze, die sich mit der Teslaspule erzielen lassen. Allerdings kann man nicht erwarten, daß man so aus einer Minispule meterlange Blitze erzeugen kann.
Die richtigen Dimensionierunge muß durch Probieren herausfinden.
Ich habe mir einen Torus aus Aluflexrohr mit 200mm Durchmesser und einem Meter länge gebaut. Das bekommt man günstig über eBay und ist gut zu verarbeiten.
Der Torus sollte kurz oberhalb der letzten Windungen der Sekundärspule liegen. So verhindert das Elektromagnetische Feld, einen Austritt der Streamer aus der letzten Wicklung der Sekundärspule.
Er darf die Windungen aber nicht berühren. An der Kontaktstelle springen sonst Funken über, die die Drahte der Sekundärspule verbrennen.
 


Korrekt plazierter Torus knapp oberhalb der letzten
Windungen der Sekundärspule.


Verbrannte Drähte der Sekundärspule.
Hier lag der Torus direkten auf der Wicklungen der Sekundärspule. An der Kontaktstelle sprangen Funken über, die die Drähte der Sekundärspule verbrannten.

Hier wurde der Torus viel zu hoch über der Sekundärspule installiert.
Die ausbrechenden Funken zerstörten hier die Spule.
 
9) Strombegrenzung:
Damit nicht bei jedem einschalten des Teslatrafos die Hausicherung auslöst, ist primärseitige Strombegrenzung sinnvoll.
Eine elegantere Methode stellt die induktive Strombegrenzung dar. Hier wird statt eines Seriewiderstandes, eine Spule (Induktivität) in Serie zur Trafowicklung geschaltet. Da die Dimensionierung und Herstellung einer geeigneten Spule doch sehr aufwendig ist, nimmt man am besten die Primärspule eines weiteren Mikrowellen Trafos.
Der Strom der die vier MOTs versorgen soll, muß nun durch die Primärspule des 5. MOTs fließen. Die Sekundärwicklung des Drossel-MOTs muß kurzgeschlossen und geerdet werden. So begrenzt der MOT auf ~ 10 A.
Würden wir die Sekundärspule nicht kurzschließen, dann könnte wegen der hohen Induktivität nur wenig Strom fließen.  Durch kurzschließen der Sekundärspule wird die Induktivität und damit auch die Stromstärke auf einen Wert verkleinert, mit dem man vernünftig Arbeiten kann.
Im Gegensatz zur resistiven Methode ist die induktive Strombegrenzung mit sehr viel weniger Verlusten verbunden, da eine Induktivität die überschüssige Leistung im Magnetfeld zwischenspeichert und später wieder abgibt.

Die Strombegrenzung mit einem kleinen Hochlastwiderstand funktioniert nur bedingt. Ein 10 Ohm / 75 Watt Widerstand fing bei mir binnen Sekunden zu glühen an.

Induktive Einschaltstrombegrenzung über eine Drossel bzw. MOT


Einschaltstrom Begrenzung über einen niederohmigen
Hochlastwiderstand.

 


Einschaltstrom Begrenzung über einen niederohmigen Hochlastwiderstand. Die Unterlage fing binnen Sekunden zu brennen an.
10) Wie entsteht die Spannungsüberhöhung in der Sekundärspule?
Die hohe Spannung entsteht beim Tesla-Transformator nicht, wie beim „klassischen“ Transformator, aufgrund des Windungszahlen-Verhältnisses von Primär- und Sekundärspule.
Zwei nebeneinander liegende Windungen auf der Sekundärspule wirken wie ein Kondensator und bilden mit der Induktivität der Spule einen Schwingkreis.
Die Oberfläche zweier nebeneinander liegender Spulen bilden je eine Kondensatorplatte.
Wie man jetzt schon erahnen kann, ist die Kapazität von dem Kondensator sehr, sehr klein. Die Spule aber ist, sehr, sehr groß, und in eine große Spule paßt viel Energie. Diese Energie will die Spule jetzt in den Kondensator drücken.
Nachdem der Kondensator aber sehr, sehr klein ist braucht man dafür viel Druck, also Spannung.
(Vergleich Gasflasche: wenn man da viel Gas reinbringen will braucht man entweder eine große Gasflasche oder eine kleine mit ganz viel Druck)
Die Sekundärspule ist an ihrem Fußpunkt geerdet, das heißt, an diesem Punkt liegt Nullpotential an. Durch das Nullpotential wird die Spannung nur nach oben hin größer und baut ein immer größeres Potential gegen Erde auf.
Wenn die Durchbruchsspannung des Toroiden überschritten wird, bricht an ihm ein Funke aus.
11) Warum kann der Primärkondensator mit Wechselspannung geladen werden?
Wenn der Kondensator geladen wird, muß dies doch mit Gleichstrom geschehen, andernfalls würde er doch die Wechselspannung durchlassen?
Natürlich kann der Kondensator auch mit Wechselstrom aufladen werden. Der muß nur so hoch sein, daß der Kondensator innerhalb einer Halbwelle auf die gewünschte Spannung aufgeladen werden kann.
Der Kondensator kann dann im Bereich des Spannungsmaximums über die Funkenstrecke entladen werden.
12) Warum zündet die Funkenstrecke nur zu einem bestimmten Zeitpunkt?
Die Luft kann ca. 2000 Volt/mm zu isolieren. Hat man also zwei blanke Leitungen die einen mm Abstand zueinander haben, dann kann man da maximal 2000 Volt anlegen. Wird die Spannung größer, springt der Lichtbogen von alleine über.
Und genauso klappt das bei der Funkenstrecke. Wird die Spannung groß genug, weil der Kondensator voll geladen ist, dann entsteht ein Lichtbogen. Dieser wirkt dann wie ein Stück Draht quasi als Überbrückung, nur mit dem Unterschied, daß der Lichtbogen wieder ausgeht wenn der Kondensator leer ist. Die Funkenstrecke ist also eine Art Spannungsabhängiger, automatischer Schalter.
13) Warum Schwingt der Kondensator mit der Spule in einem gedämpften Schwingkreis?
Der Kondensator ist mit viel Spannung und wenig Strom geladen. Wenn er sich in die Spule entlädt wird aus viel Spannung viel Strom und wenig Spannung.
Jetzt kann das aber nicht so bleiben. Sobald der Kondensator leer ist kehrt sich das ganze um und die aufgeladene Spule drückt den Strom zurück in den Kondensator, dann wären wir wieder beim Ausgangszustand.
Das würde jetzt so ewig weitergehen wenn nicht an den Bauteilen ein Verluste entstehen würden. Diese Verluste dämpfen das ganze mit jeder Wiederholung immer weiter, bis nichts mehr schwingt.
14) Wie entsteht ein natürlicher Blitz?
Wenn eine Gewitterwolke eine genügend hohe, negative Ladung angesammelt hat, entsteht an ihrem unteren Ende bei einer Feldstärke von 3-4 kV/cm eine Koronaentladung. Die negativen Ionen bilden einen schmalen, leitfähigen Kanal, an dessen Spitze eine hohe Feldstärke herrscht, wodurch sich die Ionisation fortsetzt. Die Plasmadichte in dem Entladungskanal ist relativ gering, so daß nur wenige Atome zur Aussendung von Licht angeregt werden. Deshalb der Entladungskanal mit dem bloßen Auge nicht erkennbar.
Während der Entladungskanal wächst, bildet er bevorzugt an Verunreinigungen in der Luft Knicke. An diesen Knicken herrschen hohe Feldstärken weshalb sich dort Verzweigungen bilden.
Nähert sich dieser stark negativ geladene Entladungskanal dem Erdboden, entstehen hier durch Influenz positiv geladene Entladungskanäle, die dem negativen Entladungskanal entgegenlaufen.
Sobald die beiden Äste sich getroffen haben, ist die "Leitung" zwischen Boden und Wolke geschlossen, und der eigentliche Blitz kann sich entladen - mit einer Geschwindigkeit von bis zu 100 000 Kilometern pro Sekunde, also einem Drittel der Lichtgeschwindigkeit.
Im Blitzkanal herrscht dabei eine Temperatur von 30 000 Grad. Die Entladung pflanzt sich tatsächlich von unten nach oben fort. Die Ladungsträger fließen aber selbstverständlich immer vom negativen Pol zum positiven, also von der Wolkenunterseite zur Erde.
In Verzweigungen des Entladungskanals, die nicht die Erde erreicht haben, findet wegen ihrer Kapazität eine Ladungsverschiebung statt, deshalb sind diese ebenfalls sichtbar - wenn auch deutlich schwächer als der eigentliche Blitz.

Mit einem Hauptblitz ist es meistens nicht getan. Nach dem ersten Hauptblitz folgt ein kleinerer von oben nach unten und dann wieder ein großer von unten nach oben. Die mehrfachen Entladungen nehmen wir manchmal als Flackern wahr, das gesamte Spektakel dauert wenige Zehntelsekunden. Fazit: Wenn man mit "Blitz" die sichtbare Hauptentladung meint, dann geht der Blitz tatsächlich von unten nach oben.


* Entladungskanal = Stepped Leader


I) Der Entladungskanal bildet sich.
Die an der Wolkenbasis konzentrierte negative Ladung vermehrt sich so sehr, daß der Luftwiderstand bezwungen
wird. Die negativen Ladungsträger verlassen die Wolke in Form des sogenannten Leitblitzes (engl. Leader) gerichtet auf die Erdoberfläche.


II) Der Entladungskanal erreicht die Erde und es bildet sich ein Blitz.
Wenn die absteigenden negativen Ladungen aus der Wolke mit den aufsteigenden positiven Ladungen treffen,
fließt der Strom von Plus nach Minus, also z. B. vom Erdboden zur Wolke: das ist der «return stroke», den wir als Blitz sehen.
15) Wie entstehen die Streamer am Torus und wo ist der Unterschied zu einem natürlichen Blitz?
Da die Sekundärkapazität wesentlich geringer ist als die Primärkapazität, entsteht in der Tesla-Spule eine sehr hohe Spannung, die jedoch bei der Durchbruchspannung der Luft von 10-30kV/cm zu gering wäre um die für Tesla-Generatoren typischen, extrem langen Streamer zu erzeugen.
Die Entladung eines Tesla-Generators muß also einem anderen Muster folgen als ein natürlicher Blitz. In der Praxis hat sich gezeigt, daß nicht nur die Primärspannung und –Kapazität (also die im Primärkondensator gespeicherte Energiemenge) für die Blitzlänge verantwortlich sind, sondern auch die Entladungsfrequenz des Primärkondensators. Die Blitzlänge ist also abhängig von der Energiemenge und der Entladungsfrequenz der zugeführten Leistung.

Nach der Entladung des Primärkondensators entsteht im Primärkreis eine gedämpfte Schwingung, die Energie in die Sekundärspule überträgt, wo sich die Amplitude der Schwingung aufschaukelt. Wenn diese Amplitude hoch genug ist, entsteht an einer Stelle des Entladungsterminals eine Koronaentladung, die sich ähnlich einem Stepped Leader fortpflanzt.
Da der Tesla-Generator, im Gegensatz zu einer Gewitterwolke, eine Wechselspannung mit einer Frequenz von einigen hundert kHz erzeugt, fließt in dem Streamer, der eine gewisse Kapazität besitzt, permanent ein Strom. Dadurch wird die Plasmadichte erhöht wird und eine sichtbare Entladung entsteht.
Durch eine einzige, gedämpfte Schwingung im Tesla-Generator ist nun ein relativ kleiner Streamer entstanden, der bei der nächsten Kondensatorentladung wieder mit Energie versorgt wird, und weiterwachsen kann. Dieses Wachstum endet, wenn sich zugeführte Energie und Verluste ausgleichen.

* Entladungskanal = Stepped Leader
16) Wie funktioniert ein Schwingkreis?

Bei einem Schwingkreis handelt es sich  um die Parallelschaltung eines Kondensators (Kapazität) und einer Spule (Induktivität). Er dient meist zum erzeugen von Elektrischen Sinusschwingungen.
Verluste durch Bauteile und Wechselwirkung mit anderen Komponenten werden hier nicht berücksichtigt. Daher auch die Bezeichnung "ungedämpft"

Ausgangspunkt ist nun ein Kondensator der durch eine Spannungsquelle aufgeladen wurde und dessen Stromkreis zwischen Spule und Kondensator geschlossen ist.
Die am Kondensator anliegende Spannung sorgt nun für einen Ladungstransport - also einen Strom - durch die Spule. Die stromdurchflossene Spule baut ein sich änderndes ein Magnetfeld auf.
Nach der Lenz'schen Regel induziert ein sich änderndes Magnetfeld eine Spannung , die der Ursache - also der Kondensatorspannung - entgegenwirkt und den Stromfluß hemmt.
Ist nun der Kondensator entladen, bricht das aufgebaute Magnetfeld zusammen und die so induzierte Spannung sorgt für einen Strom in gleicher Richtung. Hier durch wird der Kondensator entgegengesetzt aufgeladen.
Ist das Magnetfeld verschwunden, ist der Kondensator aufgeladen und obige Vorgänge beginnen erneut.
Lediglich die Richtung des Magnetfeldes, also des Stromes ist entgegengesetzt. Damit wird in einem Schwingkreis ständig elektrische in magnetische Energie verwandelt und umgekehrt. Hierbei wird die elektrische Feldenergie im elektrischen Feld des Kondensators und die magnetische Feldenergie im Magnetfeld der Spule konzentriert.

Nach einem weiterem Durchlauf mit umgekehrter Reihenfolge der Ladezustände ist der Ausgangspunkt wieder erreicht.
Man spricht von einer Periode. Die dafür benötigte Zeit t wird Periodendauer T genannt.


Unten stehende Tabelle veranschaulicht die Vorgänge:
Beschreibung   Schaltung  
t = 0

Zum Zeitpunkt t=0 ist der Kondensator C voll aufgeladen und in seinem elektrischen Feld die gesamte Energie des Schwingkreises gespeichert. Zu diesem Zeitpunkt beginnt ein Strom I über die Spule L zu fließen und ein Magnetfeld baut sich auf. Der Betrag der Kondensatorspannung Uc am Kondensator nimmt ab. Der Betrag des Stroms |I| steigt.
 
t = T / 4

Durch die anliegende Spannung wird in der Spule ein Stromfluß hervorgerufen und der Kondensator entladen.
In das sich aufbauende Magnetfeld der Spule wird nach der die Lenz'schen Regel eine Spannung induziert, die ihrer Ursache entgegenwirkt.
Die Stärke des Entladestroms steigt zunächst stark, dann langsamer an bis der Kondensator leer ist.
Dies geschieht, weil der ansteigende Strom den magnetischen Fluß in der Spule erhöht, wodurch nach der Lenz'schen Regel eine Gegenspannung induziert wird, die der Stromursache entgegen wirkt.
Die Beträge der Stromstärke und des Magnetfeldes haben zum Zeitpunkt t = T/4 ihr Maximum, während für die Kondensatorspannung Uc (T/4) = 0 gilt.
 
t = T / 2


Nachdem die Stromstärke ihr Maximum durchlaufen hat, nimmt sie wieder ab, wodurch auch die magnetische Flußdichte an der Spule sinkt. Nach der Lenz'schen Regel wird dadurch erneut eine Induktionsspannung induziert, dieses Mal mit negativem Vorzeichen, so daß die Stromstärke nur sehr langsam abnimmt. Die Potentialdifferenz zwischen den Kondensatorplatten steigt folglich wieder an, jedoch mit entgegengesetzter Polung zur Ausgangssituation. Dies gilt auch für die Spannung am Kondensator, welche nun mit negativem Vorzeichen anwächst.
Schließlich ist der Kondensator wieder voll aufgeladen, nur mit entgegengesetztem Vorzeichen. Der Strom wechselt seine Richtung und der Vorgang beginnt von Neuem.
 
t = T / (3/4)

Zu diesem Zeitpunkt sind nun wieder die Beträge des Stromes und Magnetfeldes maximal und der Betrag der Kondensatorspannung Uc minimal. Der Zustand des Schwingkreises zum Zeitpunkt t = 3/4 T unterscheidet sich zum Zeitpunkt t = T/4 nur durch die entgegengesetzte Richtung von Magnetfeld bzw. Strom.
 
t = T

Nun ist der Anfangszustand wieder erreicht. Die Vorgänge beginnen erneut.
 
Die Frequenz eines Schwingkreises berechen.
L ist die Induktivität der Spule und C die Kapazität des Kondensators.

 

 

 
(c) Jürgen Schilling 02.02.2013