Teslaspule mit rotierender Funkenstrecke - Ferdinand-von

Jugend Forscht 2016
Technik (Landeswettbewerb)
Stephan Böhringer (16)
Ferdinand-von-Steinbeis-Schule Reutlingen
Teslaspule mit rotierender
Funkenstrecke
1
Inhalt
1.Kurzfassung
2. Einleitung
3. Funktionsweise einer Teslaspule
4. Aufbau der Teslaspule
4.1 Sicherheitsvorkehrungen
4.2. Ladekreis und Primärschwingkreis
4.2.1. Die Hochspannungsversorgung
4.2.2. Strombegrenzung der Hochspannungstransformatoren
4.2.3. Der Gleichrichter
4.2.4. Die Schutzfunkenstrecke
4.2.5. Die rotierende Funkenstrecke
4.2.6. Der Primärkondensator
4.2.7. Die Primärspule
4.2.8. Verkabelung
4.3. Der Sekundärschwingkreis
4.3.1. Sekundärspule
4.3.2 .Topload
4.4 Das Kontrollpult
5. Daten der Teslaspule
5.1 Primärschwingkreis
5.2 Sekundärschwingkreis
6. Versuchsdurchführung
7. Ergebnisse
8. Zusammenfassung und Ausblick
9. Danksagung
10. Quellen- und Literaturverzeichnis
2
1.Kurzfassung
In meinem Projekt beschäftige ich mich mit Planung, Bau und ersten Testläufen eines TeslaTransformators mit rotierender Funkenstrecke. Meine erste Teslaspule bestand aus einem
Ölbrennertransformator im Ladekreis und einer statischen Funkenstrecke. Mit dieser Spule
ließen sich in Luft Entladungen mit einer Länge von ca. 30 cm erzeugen, entsprechend ca.
300kV Spannung. Ziel der hier beschriebenen „zweiten Generation“ waren Spannungen über
einem Megavolt. Es zeigte sich allerdings, dass es mit zunehmender Leistung immer
schwieriger wird, eine statische Funkenstrecke kontrolliert an- und auszuschalten. Dadurch
wird der Netto-Energieübertrag von der Primär- in die Sekundärspule ineffizienter.
Deswegen hab ich mich für eine Variante mit rotierender Funkenstrecke entschieden. Diese
ist zwar mit einem höheren technischen Aufwand verbunden, erlaubt aber weitgehende
Kontrolle über das An- und Abschalten der Funkenstrecke. Als weitere Maßnahme zur
Steigerung der Übertragungseffizienz wurde eine Gleichrichterbrücke in den Ladekreis des
Kondensators eingebaut, um eine ungewollte Entladung des Kondensators über den
Ladekreis zu verhindern. Schon in den ersten Tests dieser Teslaspule war zu erkennen, dass
die erreichten Spannungen deutlich höher waren als mit einer statischen Funkenstrecke.
2.Einleitung
Meine Faszination für Hochspannungsversuche begann im Frühjahr 2015 mit einem
YouTube Video über den Bau eines Van de Graaf Generators aus alltäglichen Gegenständen.
Nach kaum 1h Arbeit konnte ich Entladungs-„Blitze“ von ca. 1cm Länge (entspricht ca. 10 kV)
erzeugen. Natürlich war das nicht genug. Im Internet stieß ich auf Tesla-Transformatoren zur
Erzeugung von hochfrequenter Hochspannung von einigen 100kV bis ein paar MV! Und
damit beindruckenden „Blitzen“ von mehreren Metern Länge. Dieses Projekt war deutlich
anspruchsvoller und benötigte etwa 5 Monaten Arbeit bevor die erste Spule fertig war –
zunächst mit Blitz-Schlagweiten bis 30cm. Noch immer nicht zufrieden begann ich nach dem
Motto „größer, höher, länger: größere Teslaspule, höhere Leistung, längere Blitze“ das
Projekt, welches in dieser Arbeit beschrieben wird. Im Vergleich zur ersten Version habe ich
dabei folgende Änderungen und Optimierungen vorgenommen:
- 4 Hochspannungstransformatoren im Ladekreis zur Erhöhung der elektrischen Spannung
am Kondensator des Primärkreises
- rotierende statt statischer Funkenstrecke zur Reduktion der Verluste durch
Rückübertragung elektrischer Leistung vom Sekundär- in den Primärkreis
- Gleichrichter im Ladekreis zur weiteren Reduktion von Verlusten durch Entladung des
Kondensators über den Ladekreis.
-Verwendung eines leistungsstarken Transformators mit variabler Impedanz als Drossel, um
die Verlustleistung weiter zu reduzieren.
3
Für den Aufbau habe ich vorzugsweise Teile verwendet, die kostenlos auf Schrottplätzen
oder günstig in Ebay zu beschaffen waren.
3. Funktionsweise einer Teslaspule
Die Teslaspule ist ein sog. Resonanztransformator zur Erzeugung hochfrequenter
Hochspannung. Er besteht aus zwei lose gekoppelten LC-Schwingkreisen mit derselben
Resonanzfrequenz
𝑓=
1
2𝜋 × √𝐿𝐶
aber unterschiedlichen Werten für Induktivität L und Kapazität C: der Primärschwingkreis
besitzt eine hohe Kapazität C1 (einige nF) und eine kleine Induktivität L1 (einige µH),
während der Sekundärschwingkreis eine kleine Kapazität C2 (einige pF) und eine hohe
Induktivität L2 (einige mH) besitzt. Der Primärschwingkreis wird über die in Abbildung 1
gezeigt Schaltung zum Schwingen gebracht: Der Kondensator (𝐶1 ) wird über eine
Hochspannungsquelle (𝑇1 ) geladen, bis die Spannung am Kondensator ausreicht um einen
Lichtbogen an der Funkenstrecke (𝐻𝐹𝑆1) (entspricht einem spannungsabhängigen Schalter)
zu zünden. Damit wird der LC-Kreis geschlossen und beginnt mit der oben angegebenen
Frequenz zu schwingen. Auf Grund der Resonanzbedingungen wird elektrische Energie in
den Sekundärkreis übertragen. Im Sekundärschwingkreis kommt es dabei zu einer
Spannungsüberhöhung, deren Ursache man qualitativ mit dem Energieerhaltungssatzes
erklären kann. Die in den Sekundärschwingkreis übertragene Energie wird im elektrischen
Feld des Kondensators und im magnetischen Feld der Spule gespeichert. In den
Umkehrpunkten der Stromrichtung, wenn momentan kein Strom fließt, ist die gesamte
Energie des Sekundärkreises im Kondensator gespeichert. Dann gilt:
1
𝐸𝑒𝑙 = 𝐶 × 𝑈 2
2
Wegen der kleinen Kapazität im Sekundärkreis bedeutet dies (bei gegebener elektrischen
Leistung) eine hohe Spannung im Sekundärkreis.
Abbildung 1: Schaltplan einer einfachen Teslaspule
4
In Abbildung 2 ist der Verlauf des Stroms I(t) im Primärkreis und der Spannung U(t) im
Sekundärkreis dargestellt. Nach Zünden der Funkenstrecke fließt zunächst ein sehr hoher,
periodisch oszillierender Strom. Wegen des Energietransfers in den Sekundärkreis nimmt die
Amplitude des Stroms im Primärkreis schnell ab, während im Sekundärkreis die
Spannungsamplitude zunimmt. Im dargestellten Idealfall bricht der Lichtbogen der
Funkenstrecke ab, sobald die Energie des Primärkreises vollständig übertragen ist, d.h.
sobald die Amplitude die Stromstärke im Primärkreis nahezu auf 0 abgefallen ist. Wegen der
Unterbrechung im Primärkreis ist dann keine Rückübertragung von elektrischer Energie vom
Sekundärkreis in den Primärkreis mehr möglich.
Abbildung 2 Optimaler Spannungs/Strom Verlauf in den Schwingkreisen [Richie Burnett]
Bei einer realen statischen Funkenstrecke ist es aber durchaus möglich, dass die
Funkenstrecke nicht rechtzeitig löscht und deshalb die Energie über einen längeren
Zeitraum zwischen Primär- und Sekundärspule hin und her übertragen wird, wodurch hohe
Verlustleistungen entstehen.
Eine Lösung für dieses Problem ist die Verwendung einer sogenannten „rotierenden
Funkenstrecke“, bei der das Löschen der Funkenstrecke durch eine räumliche Trennung der
Elektroden der Funkenstrecke erzwungen wird. Je höher die Frequenz der rotierenden
Funkenstrecke ist, umso kürzer stehen sich die Elektroden gegenüber und umso weniger
Rückübertragungszyklen erfolgen. Im Beispiel der Abbildung 3 findet eine Rückübertragung
zweimal statt bevor die Funkenstrecke abbricht.
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Abbildung 3 Realer Spannungs/Strom Verlauf in den Schwingkreisen, Richie Burnett
Als weitere Optimierung habe ich in den Ladekreis einen Brückengleichrichter gebaut. Dieser
verhindert die ungewollte Entladung des Kondensators über den Ladekreis, falls die
Funkenstrecke einmal nicht zündet. Damit ergibt sich für meine Spule die in Abbildung 4
gezeigte Schaltung.
T1/T2/T3/T4
SFS 1/SFS 2
C1
R1
HFS
L1
L2
Hochspannungstransformatoren
Schutzfunkenstrecken
Primärkondensator
Entladewiderstand
Hauptfunkenstrecke
Primärspule
Sekundärspule
Abbildung 4 Schaltplan der optimierten Teslaspule von Stephan Böhringer
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Außer den bereits erwähnten Bauelementen sind noch 2 Schutzfunkenstrecken (SFS1/SFS2)
eingebaut, um die Bauteile vor Überspannungen zu schützen (siehe Beschreibung unten).
Zudem ist aus Sicherheitsgründen (s.u.) ein hochohmiger (17MΩ) Entladewiderstand R1
parallel zum Primärkondensator angeschlossen.
4. Aufbau der Teslaspule
4.1 Sicherheitsvorkehrungen
Bei Planung und Bau der Teslaspule wurde große Sorgfalt darauf verwendet, die Sicherheit
sowohl der an den Versuchen beteiligten Personen als auch Dritter zu gewährleisten. Durch
Recherchen im Internet, eine Anfrage beim Technorama in Winterthur (auch bei dem
Deutschen Museum) und Diskussionen mit meinem betreuenden Lehrer habe ich folgende
möglichen Gefahrenquellen identifiziert:
a) 230VAC Netzspannung zur Versorgung der Hochspannung-Transformatoren im Ladekreis
b) Hochspannung im Primärkreis ( ~ 10 kV)
c) die statische Ladung des Kondensators im Primärkreis nach Abschalten der
Versorgungsspannung
d) die (hochfrequente) Hochspannung der Sekundärspule
e) Ozon- und Stickoxid-Bildung bei elektrischen Entladungen an Luft
f) UV-Strahlung aus dem Bereich der Funkenstrecke
g) umherfliegende Teile bei Beschädigung der rotierenden Funkenstrecke.
Es wurden deshalb folgende Sicherheitsvorkehrungen getroffen:
1. Die Anlage besteht aus zwei separaten Teilen: der eigentlichen Teslaspule und einem
Kontrollpult. Diese sind im Betrieb mindestens 7 m voneinander getrennt. Alle
erforderlichen Tätigkeiten zur Inbetriebnahme und Kontrolle der Spule erfolgen am
Kontrollpult (Steuerung des Motors der rotierenden Funkenstrecke, Einschalten der
Spannungsversorgung an den Hochspannungstransformatoren, Kontrolle der
Leistungsaufnahme des Ladekreises). Der räumliche Abstand schützt die Person(en) am
Kontrollpult gegen die Hochspannung der Teslaspule.
2. Am Ein- und Ausgang sowie an den Komponenten innerhalb des Kontrollpults liegen nur
230 V Netzspannung an.
3. Die Regeln zum sicheren Umgang mit Netzspannung sind beim Bau des Kontrollpults
sorgfältig beachtet worden. Es ist an mehreren Punkten mittels Schutzleiter geerdet. Die
korrekte Erdung wurde durch mehrfache Messung bestätigt. Durch die geschlossene
Konstruktion des Kontrollpults wird ein versehentlicher Kontakt mit spannungsführenden
Komponenten verhindert.
4. Die Netzspannung wird im Kontrollpult über ein 12 V Relais mittels eines Tasters
eingeschaltet. Nur so lange dieser Taster aktiv gedrückt gehalten wird, sind die
Hochspannungstransformatoren im Ladekreis über Leistungsschütze eingeschaltet
(„normally off“ Konfiguration).
5. Das Kontrollpult enthält einen Schlüsselschalter zum Ein- und Ausschalten der 12V
Spannungsversorgung für das Relais
6. Das Kontrollpult verfügt über Sicherungen, die bei Überlast oder Störung auslösen.
7
7. Der Kondensator im Primärkreises ist mit einem fest installierten Entladewiderstand
versehen der sicherstellt, dass ca. 7,2 Sekunden nach Ausschalten der
Spannungsversorgung keine gefährlichen Spannungen mehr am Kondensator und der
Primärspule anliegen. Die aus der Theorie berechnete Entladezeit und die korrekte
Funktion des Entladewiderstandes wurden durch Messungen bestätigt.
8. Nach jedem Betrieb der Teslaspule wird die Spannungsversorgung über den Schlüsselschalter verriegelt, der Netzstecker gezogen und mindestens 30 Sekunden gewartet,
bevor sich eine Person der Teslaspule nähert. In dieser Zeit entlädt sich der Kondensator
vollständig über den beschriebenen Entladewiderstand. Dies wird durch eine Messung
der Spannung am Kondensator des Primärkreises überprüft, bevor Eingriffe an der
Anlage vorgenommen werden.
9. Zur Erdung der Sekundärspule der Teslaspule wird ein massiver Kupferstab in der Erde
versenkt (Fundamenterder) und über einen verschraubten Kupferdraht mit der
Teslaspule verbunden.
10. Am oberen Torus ist eine spezielle Elektrode angebracht, die ein kontrolliertes Austreten
der Blitze sicherstellt. Eine zusätzlich aufgestellte geerdete Fangelektrode dient ebenfalls
der Kontrolle des Blitzverlaufs.
11. Alle Kabel, die Hochspannung führen, sind Spezialkabel mit einer Spannungsfestigkeit
von mindestens 30kV. Alle verwendeten Bauteile sind im Hinblick auf ihre
Spannungsfestigkeit überdimensioniert.
12. Die elektrischen Verbindungen entsprechen dem Stand der Technik. Alle Kabel wurden
sicher fixiert. Überflüssige Kabel oder Provisorien gibt es nicht.
13. Bei der rotierenden Funkenstrecke finden spezielle Wolframelektroden Verwendung,
welche sich im Betrieb kaum abnutzen. Daher ist sichergestellt, dass sich keine
glühenden Teile lösen und Betreiber oder Dritte verletzen können.
14. Durch den Betrieb im Freien oder durch entsprechende Belüftungsmaßnahmen wird
sichergestellt, dass keine Gefährdung durch Stickoxide oder Ozon für Experimentatoren
und Zuschauer besteht.
15. Während des Betriebs der Spule werden Gehörschutz und Schutzbrille getragen.
16. Betrieben wird die Teslaspule nur in sicherer Umgebung. Durch geeignete
Absperrmaßnahmen wird sichergestellt, dass Dritte beim Betrieb der Teslaspule in
ausreichendem Abstand gehalten werden.
4.2 Ladekreis und Primärschwingkreis
4.2.1. Die Hochspannungsversorgung
Die Hochspannungsversorgung besteht aus 4 Mikrowellentransformatoren (im Folgenden
bezeichnet als MOTs, Microwave Oven Transformer, T1 bis T4 in Abbildung 4). Diese haben
eine Eingangsspannung von 230VAC und eine Ausgangsspannung von etwas mehr als
2000VAC bei ca. 1.5A. Die Primärspulen der Transformatorenpaare T1/T2 und T3/T4 werden
antiparallel verbunden um die Sekundärwindung der äußeren MOTs (T1 und T4) vor internen
Überschlägen zu schützen. Die Sekundärspulen werden in Serie geschaltet mit dem
Mittelpunkt aus Masse. Dies ergibt eine Ausgangsspannung von ca. 8-9kV zwischen T1 und
T4. Aufgrund der Verschaltung befindet sich der Eingang der Sekundärspulen der äußeren
MOTs (T1, T4) auf einem Potential +/-2kV relativ zur Erde. T1 und T4 sind deshalb isoliert
aufgestellt (3cm hohe Nylonabstandshalter), um Kriechströme zu den geerdeten MOTs T2
und T3 zu vermeiden. Zudem wird bei den äußeren MOTs die Sekundärspule vom Kern
getrennt um zusätzlich die Gefahr eines Überschlages vorzubeugen. Die MOTs haben
8
zusammen ca. 10kW Eingangsleistung und müssen deshalb gedrosselt werden um sie am
Hausnetz betreiben zu können (16A/230VAC). Zur Drosselung werde ich später kommen.
MOTs sind recht einfach zu beschaffen (z.B. von einem Schrottplatz). Leider sind sie recht
schlecht verarbeitet und nicht wirklich effizient: aufgrund einer hohen Verlustleistung
werden sie nach längerem Betrieb sehr warm. Außerdem ist die Isolation häufig sehr knapp
dimensioniert. Als Alternative wären Neonreklametrafos oder Messwandler besser geeignet,
da diese besser verarbeitet sind und weniger Verlustleistung aufweisen. Außerdem besitzen
sie eine höhere Ausgangsspannung (6kV und darüber), was eine (fehleranfällige)
Verschaltung überflüssig machen würde. Aus Kostengründen habe ich mich dennoch für
MOTs entschieden.
Abbildung 5: die 4 Mikrowellentransformatoren des Ladekreises, mit einem der beiden isoliert aufgestellten
Transformatoren im Vordergrund.
Gemessene Größen des Ladekreises:
Ausgangsspannung
Ausgangsstrom
Wirkungsgrad
8600V
400mA
93%
4.2.2. Strombegrenzung der Hochspannungstransformatoren:
Um meine Teslaspule mit der normalen 230VAC Netzspannung betreiben zu können muss
eine Begrenzung der Leistungsaufnahme erfolgen. Hierzu verwende ich den Transformator
aus einem Schweißgerät, der sich im Kontrollpult befindet. Die Primärspule des Drosseltrafos
ist in Reihe zu den Primärspulen der Hochspannungsversorgung (T1 bis T4) angeschlossen.
Die Sekundärspule ist kurzgeschlossen, damit im Primärkreis ein Strom größer als der
Leerlaufstrom fließen kann. Über das Streujoch am Trafo wird dessen Impedanz verändert,
wodurch sich die Leistungsaufnahme stufenlos einstellen lässt.
4.2.3. Der Gleichrichter:
Für die Gleichrichtung der Hochspannung im Ladekreis
Brückengleichrichter mit einer Spannungsfestigkeit von 30kV bauen.
musste
ich
einen
9
Der Gleichrichter besteht aus insgesamt 92 BY255 Gleichrichterdioden (1300V 3A). Jede der
„Dioden“ in Abbildung 4 entspricht in der Wirklichkeit einem Strang aus 23 BY255 Dioden.
Diese Dimensionierung des Gleichrichters habe ich folgendermaßen ermittelt: großzügig
gerechnet liefern die Hochspannungstransformatoren 10kV Ausgangsspannung. Um den
Spitzenwert der Spannung zu berechnen muss der Effektivwert 10kV mit √2 multiplizieren
werden; zusätzlich habe ich einen Sicherheitsfaktor 2 angenommen:
10𝑘𝑉 × √2 × 2 = 28.3𝑘𝑉
D.h. pro Strang ist eine Spannungsfestigkeit von 30kV bei einem Strom von ca. 3A pro Strang
erforderlich. Dies entspricht einer Reihenschaltung von 23 Dioden mit jeweils 1300V
Spannungsfestigkeit.
Die Dioden wurden im Abstand von ca. 5mm zusammengelötet, was eine Gesamtlänge pro
Strang von ca. 35cm ergibt. Anschließend wurde jeder Strang mit Schrumpfschlauch
überzogen um Überschläge zu vermeiden. Um Platz zu sparen habe ich die Stränge jeweils
auf ein PVC Rohr gewickelt (Abbildung 6).
Abbildung 6 30kV-3A Brückengleichrichter
4.2.4. Die Schutzfunkenstrecken
Die Schutzfunkenstrecken dienen dem Schutz des Gleichrichters, der Trafos und des
Kondensators vor Überspannungen, die entstehen können, wenn sich der Kondensator nicht
rechtzeitig entlädt oder beim Ausschalten Spannungsspitzen aufgrund der Selbstinduktion
der Hochspannungstrafos entstehen. Die Funkenstrecke besteht aus 3 Elektroden (Abbildung
7), von denen zwei an die Elektroden des Kondensators angeschlossen sind, während die
dritte mit der Erde verbunden ist. Sobald es zu einer Überspannung kommt zündet die
Funkenstrecke und baut die schädliche Überspannung über die Erdleitung ab. Die Spannung,
ab welcher die Funkenstrecke zündet, kann über den Abstand zwischen den Elektroden und
dem Schutzleiter eingestellt werden. Er wird so lange vergrößert, bis die Funkenstrecke im
Normalbetrieb gerade nicht zündet.
10
Abbildung 7 Schutzfunkenstrecke
4.2.5. Die rotierende Funkenstrecke
Die Funkenstrecke dient als Schalter zum Kurzschließen von Kondensator und Spule im
Primärkreis, wodurch dieser anfängt zu schwingen. Mit einer rotierenden Funkenstrecke
kann die Funkenstrecke kontrolliert an und ausgeschaltet werden (siehe Diskussion oben).
Die Funkenstrecke soll im Idealfall mit derselben Frequenz zünden, mit welcher der
Kondensator über den Ladekreis geladen und bei optimalem Energietransfer in die
Sekundärspule entladen wird. Da die Entladezeit im Primärkreis im Vergleich zur Ladezeit
sehr klein ist, genügt für eine Abschätzung der Frequenz der Funkenstrecke die Berechnung
nur mit der Ladezeit des verwendeten Kondensators (88nF):
1
1
1
1
1
1
=
=
=
=
=
≈ 530𝐻𝑧
𝑇 5𝜏 5𝑅𝐶 5 × 𝑈 × 𝐶 5 × 8600𝑉 × 88𝑛𝐹 1.89𝑚𝑠
𝐼
0.4𝐴
Dies bedeutet eine hohe Drehzahl des Motors. Zur Verringerung der erforderlichen Drehzahl
habe ich auf der rotierenden Scheibe insgesamt 8 Elektroden angebracht. Daraus ergibt sich
folgende Drehzahl 𝑛𝑀 für den Motor:
𝑛𝑀 =
530𝐻𝑧
× 60 = 3975𝑈𝑚𝑖𝑛−1
8
Wegen dieser hohen Drehzahl war die Herstellung der rotierenden Funkenstrecke der
insgesamt anspruchsvollste Teil der Konstruktion. Die Abstände der Elektroden müssen
ausreichend klein sein, damit sie bei 8-9kV zuverlässig zündet. Schon eine kleine Unwucht
kann zu mechanischem Kontakt der Elektroden und damit zur Zerstörung der Funkenstrecke
führen. Deshalb musste ich bei der Herstellung der Teile für die Funkenstrecke mechanisch
sehr präzise arbeiten, insbesondere bei der Verbindung der Scheibe mit der Motorwelle. Den
Motor habe ich aus einer Gras-Sense ausgebaut. Zur Steuerung der Drehzahl verwende ich
einen Stelltrafo (0-230VAC), der ebenfalls im Kontrollpult untergebracht wurde. Die
rotierende Scheibe besteht aus temperaturbeständigem Pertinax. Die 8 Elektroden werden
in der Scheibe durch Gewindemaden von der Seite festgeklemmt und bestehen aus 4mm
Wolframstangen (Schweißelektroden), um die Abnutzung aufgrund der hohen Temperatur
11
des Lichtbogens zu verringern. Die stationären Gegenelektroden sind mittels massiven
Aluhalterungen auf der Grundplatte befestigt, die eine gute Wärmeableitung gewährleisten.
Abbildung 8 Die rotierende Funkenstrecke
4.2.6. Der Primärkondensator:
Der Primärkondensator wird durch die hohe Spannungen, hohen Frequenzen und die
Impulsentladung im Primärkreis extrem beansprucht und muss deshalb sorgfältig
ausgewählt werden.
In Ebay habe ich einen Kondensator aus einem Lasernetzgerät mit 90 nF (88nF gemessen)
und 35kV Spannungsfestigkeit entdeckt, der für mich erschwinglich war (18€). Um sicher zu
gehen, dass der Kondensator ausreichend impulsfest ist, habe ich folgenden Versuch zur
Simulation der Belastung im Primärkreis einer Teslaspule durchgeführt: Die Elektroden des
Kondensators wurden an eine Funkenstrecke mit 20mm Elektrodenabstand angeschlossen.
Aus Sicherheitsgründen wurde zusätzlich ein 16MΩ Entladewiderstand parallel zum
Kondensator installiert. Dann wurde der Kondensator mit einem Diodensplitt-Transformator
aus einem alten Röhrenfernseher auf ca. 20 kV geladen. Diese Spannung ist ausreichend, um
eine impulsartige Entladung des Kondensators über die Funkenstrecke zu erreichen. Diese
Entladungen wurden mehrmals hintereinander durchgeführt und anschließend überprüft, ob
sich der Kondensator wesentlich erwärmt hat (durch Leckströme zwischen den Elektroden)
oder gar beschädigt wurde. Zum Glück war dies nicht der Fall.
Deshalb konnte ich auf die mühsame Alternative verzichten, hochspannungsfeste
Kondensatoren selbst herzustellen (z.B. Leidener Flaschen oder Multi Mini Caps aus
mehreren Kondensatoren kleinerer Kapazität und Spannungsfestigkeit).
Gemessene Größen des Kondensators:
Kapazität
Impulsstrom
Spannungsfestigkeit
88nF
20kA
35kV
12
Da der Kondensator recht hoch ist, habe ich ihn in das untere „Stockwerk“ gestellt und in
dem mittleren „Stockwerk“ ein entsprechendes Loch ausgesägt (siehe Bild auf der Titelseite).
Parallel zum Kondensator wurde ein 17MΩ Entladewiderstand fest installiert, damit sich der
Kondensator nach Abschalten der Spannungsversorgung der MOTs entladen kann.
4.2.7. Die Primärspule
Die Geometrie der Primärspule bestimmt ihre Induktivität und den Kopplungsfaktor für den
Energieübertrag in die Sekundärspule. Zur optimalen Abstimmung mit dem
Sekundärschwingkreis habe ich die Primärspule so gebaut, dass die Windungen beliebig
abgegriffen werden können. Zudem ist die Primärspule höhenverstellbar, um den
Kopplungsfaktor zwischen Primärkreis und Sekundärkreis variabel einstellen zu können.
Die Primärspule besteht aus 8mm dickem Kupferrohr, das in 9.5 Windungen flach auf einer
Plexiglasscheibe befestigt ist; der Abstand zwischen den Windungen beträgt 15mm. In der
Plexiglasplatte befinden sich 5 Löcher, durch die M12 Plastikgewindestangen geführt wurden
um die Primärspule in der Höhe verstellbar zu machen.
Gemessene Größen der Primärspule:
Innendurchmesser
Außendurchmesser
Drahtdurchmesser
Lücken zwischen Windungen
Anzahl der Windungen
300mm
730mm
8mm
15mm
1
92
Induktivität
51.785 µH
4.2.8. Die Verkabelung:
Da im Primärschwingkreis sehr hohe Ströme fließen (mehrere kA) müssen die einzelnen
Komponenten eng zusammen aufgebaut und möglichst verlustfrei verbunden werden.
Außerdem sollten parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten möglichst gering gehalten
werden. Um den Leitungswiderstand klein zu halten, hab ich Kupferkabel mit 10mm2
Querschnittsfläche und dicke Kabelschuhe verwendet.
4.3. Der Sekundärschwingkreis:
4.3.1. Die Sekundärspule:
Die Sekundärspule ist das auffälligste Bauteil der gesamten Teslaspule: sie besteht aus
dünnem Kupferlackdraht, der in mehreren hundert Windungen auf einen langen
Spulenkörper gewickelt ist (siehe Abbildung auf dem Titelblatt). Wie eingangs beschrieben,
muss sie eine hohe Induktivität und eine kleine Kapazität besitzen. Allerdings ist die
Kapazität der Spule allein so klein, dass wegen der daraus resultierenden extrem hohen
Spannung das Risiko von unkontrollierten Überschlägen und Beschädigungen der
Sekundärspule besteht. Das ist einer der Gründe für die Einführung eines sogenannten
„Topload“) zur Erhöhung der Kapazität im Sekundärkreis.
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Für die Sekundärspule wurde 0.5mm Kupferlackdraht in ~ 1600 Windungen über eine Länge
von 800mm auf ein PVC-Rohr von 160mm Durchmesser aufgewickelt. Um die Sekundärspule
vor mechanischer Beschädigung zu schützen und zusätzlich zu isolieren, wurde sie mehrmals
mit Kunstharzlack überzogen.
Gemessene Größen der Sekundärspule:
Spulendurchmesser
Spulenlänge
Drahtdurchmesser
Lücke zwischen den Windungen
Anzahl der Windungen
Induktivität
Kapazität
160mm
800mm
0.5mm
0.001mm
1600
45.5mH
12.7pF
4.3.2. Der Topload
Der Topload dient als zusätzliche Kapazität, um die Resonanzfrequenz der Sekundärspule
soweit zu verkleinern, dass sie zu einer Primärspule mit „vernünftiger“ Geometrie passt (d.h.
nicht zu kleinem Radius). Am besten eignen sich hierfür Kugeln oder Tori, da sie überall
denselben Krümmungsradius haben und somit lokale Feldüberhöhungen und die damit
verbunden ungewollten Korona-Entladungen vermieden werden können.
Ich habe mich für einen Aufbau mit 2 Tori als Topload entschieden. Sie bestehen aus
flexiblem Aluschlauch, dessen Ende zusammengeführt sind. Die Einkerbungen des
Aluflexschlauches stellen hinsichtlich Korona-Entladungen kein Problem dar, weil sie sehr
nah beieinander liegen und sich die Feldlinien damit aufheben.
4.4. Das Kontrollpult:
Die Bedienung der Teslaspule erfolgt von einem Kontrollpult aus. Dieses ist ein wesentlicher
Bestandteil des Sicherheitskonzeptes, da es einen ausreichenden räumlichen Abstand
zwischen dem Experimentator und den hochspannungsführenden Teilen der Teslaspule
erlaubt. Die sicherheits-technischen Aspekte des Kontrollpultes wurden bereits in Kapitel
4.1 beschrieben. Deshalb soll hier nur auf die Komponenten eingegangen werden, die für
die eigentliche Funktion der Teslaspule wichtig sind. Das Kontrollpult enthält einen Stelltrafo
zur Drehzahlregelung des Motors für die rotierende Funkenstrecke (linke Seite) und einen
Schweissgerät-Transformator mit verstellbarer Impedanz zur Regelung der Leistung im
Ladekreis (rechte Seite, Handrad zur Verstellung der Position des Streujochs). Für beide
Komponenten wird Strom und Spannung angezeigt (oben). In zusätzlich sichtbar ist in der
Mitte der Schlüsselschalter zur Freigabe der Kontrollpults und auf der rechten Seite der
Taster („normally off“) zum Einschalten der Spannungsversorgung für die
Hochspannungstransformatoren.
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Abbildung 9: Kontrollpult
5. Daten der Teslaspule
5.1. Primärschwingkreis
Innendurchmesser Spule
Außendurchmesser Spule
Lücke zwischen Windungen
Drahtdurchmesser
Windungszahl
Induktivität Spule
Höhe oberhalb Sekundärspulenanfang
Primärkapazität
Minimal erreichbare Resonanzfrequenz*
5.2. Sekundärschwingkreis
300mm
730mm
15mm
8mm
9.5
51.9µH
0-100mm
88nF
74.6kHz
Spulendurchmesser
Wicklungslänge
Drahtdurchmesser
Lücke zwischen Windungen
Windungszahl
Toruskapazität
Induktivität
Spulenkapazität
Resonanzfrequenz
160mm
800mm
0.5mm
0.005mm
~1600
43.5pF
45.5mH
12.7pF
78.6kHz
*Resonanzfrequenz des Primärkreises abstimmbar durch variable Induktivität der
Primärspule
15
6. Versuchsdurchführung
Versuche mit Teslaspulen müssen wegen der damit verbundenen Gefahren sehr sorgfältig
geplant und umsichtig durchgeführt werden! Die in Kapitel 4.1 beschriebenen
Sicherheitsvorkehrungen wurden in allen Testläufen beachtet. Versuche mit Hochspannung
wurden nur in Gegenwart entweder des betreuenden Lehrers oder meines Vaters
durchgeführt. Diese überwachten die strikte Einhaltung der beschriebenen
Sicherheitsvorschriften.
Die ersten Versuche erfolgten in unserer Garage. Ein geerdetes Metallstativ diente als
Fangelektrode. Der Abstand der Fangelektroden zur Spule wurde allmählich bis zu einem
Abstand von ca. 80cm erhöht; bei noch höherem Abstand erfolgten die Blitze überwiegend
in die Decke der Garage (Abbildung 10). Selbst bei nicht perfekt abgestimmter
Resonanzfrequenz (aus Zeitgründen, wegen der noch zu erstellenden schriftlichen Arbeit)
und nicht angepasster Leistung (in der ersten Version wurde noch ein MOT mit
unveränderlicher Leistungsaufnahme als Drosselspule verwendet) ließen sich bereits
beeindruckende Blitze von knapp 1m Länge (gegen die Decke) erzeugen.
Abbildung 10 „First Light“ am 13.01.2016
Abbildung 11 Betrieb der optimierten Teslaspule
Beim zweiten Test (Abbildung 11), der im Freien durchgeführt wurde, war die
Resonanzfrequenz besser abgestimmt und zusätzlich ein regelbarer Drossel-Trafo
(Schweissgerät-Trafo) eingebaut. Damit betrug die Blitzlänge bereits mehr als 2m.
7. Ergebnisse
Die beschriebene „Teslaspule mit rotierender Funkenstrecke“ wurde „Spitz-auf-Knopf“
fertig: „First Light“ war am 13.01.2016, 5 Tage vor Abgabetermin der schriftlichen
Ausarbeitung. Deshalb habe ich die Wirksamkeit meiner Ideen zur Erhöhung der Leistung
16
sowie die durchgeführten Feineinstellungen bislang hauptsächlich qualitativ anhand der
Länge der Blitz-Entladungen bewertet. In der Reihenfolge ihrer Wichtigkeit waren das:
- die Optimierung des Energieübertrags von der Primär- in die Sekundärspule durch Abgleich
der Resonanzfrequenz (Variation der Induktivität der Primärspule)
- Variation der Frequenz der rotierenden Funkenstrecke zur Synchronisierung der Zündrate
mit der Kondensatorladezeit
- Leistungsanpassung des Ladekreises durch Variation der Impedanz des Drosseltrafos
(Position Streujoch)
- Vergrößerung des Elektrodenabstands der rotierenden Funkenstrecke zur Erhöhung der
Spannung im Primärschwingkreis
- Variation der Kopplung zwischen Primär- und Sekundarschwingkreis über die vertikale
Position der Primärspule
Mit diesen Maßnahmen habe ich das Ziel erreicht, Spannungen im Megavolt Bereich zu
erzeugen. Die qualitative Bewertung über eine Abschätzung der Blitzlänge möchte ich in der
Zeit bis zum Landeswettbewerb durch quantitative Messungen ergänzen.
8. Zusammenfassung und Ausblick:
Mit relativ begrenzten finanziellen Mitteln ist es mir gelungen, einen leistungsfähigen
Teslatransformator mit rotierender Funkenstrecke zu bauen. Die zugrundeliegenden
Überlegungen zur Erhöhung der Leistung und Effizienz der Energieübertragung habe ich im
Experiment bestätigt. Während ich bislang hauptsächlich mit den technischen Tücken der
Hochspannung gekämpft habe, möchte ich in Zukunft auch physikalische Fragestellungen
untersuchen. So interessiert mich besonders, welche Möglichkeiten es geben könnte, die
Entladungen (Zeitpunkt, Richtung) gezielt zu beeinflussen.
9. Danksagung
Ich danke
-
-
meinem Physiklehrer Herrn Dannecker für die Anregung zum Projekt, intensive
Betreuung und vielfältige Hilfeleistung
der Ferdinand - von - Steinbeis - Schule für Material und die Möglichkeit zur Nutzung
der Werkstatt
Florian Zellmer für die Bereitschaft, seine langjährige Erfahrung auf dem Gebiet der
Hochspannung mit mir zu teilen, Fragen geduldig zu beantworten und mir bei den
ersten Schritten in der Welt der Teslaspulen zur Seite zu stehen
der Firma „Neue Arbeit Betzingen“ für kostenlos zur Verfügung gestellte Teile
(Mikrowellen-Transformatoren, Motor etc.)
der Eppler&Co GmbH für die kostenlose Überlassung von Plexiglas
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10. Quellen- und Literaturverzeichnis
Quellen im Internet
http://www.digikey.com/schemeit/# 14.01.2016, Sheme-It, Erstellung der Schaltpläne
http://richieburnett.co.uk/tesla.shtml
Funkenstrecke
14.01.2016,
Richie
Burnett,
Diagramme
zur
https://en.wikipedia.org/wiki/Resonant_inductive_coupling 13.01.2016, Autor unbekannt,
allgemeine Information zur induktiven Resonanz-Kopplung
http://web.archive.org/web/20040915075407/http://home.earthlink.net/~electronxlc/form
ulas.html#lcres Datum unbekannt, Matt Behrend, Formeln zur Berechnung der Teslaspule.
http://images.google.de/imgres?imgurl=http%3A%2F%2Fkb3ewy.com%3A8000%2Fold%2Fi
mages%2F4pack2.GIF&imgrefurl=http%3A%2F%2Fkb3ewy.com%3A8000%2Fold%2Fmotpsu.
htm&h=344&w=459&tbnid=SEV3_Ym5Dge5BM%3A&docid=2pELE5LBDqtM6M&ei=PRSdVsq
KLMGePqizqJAK&tbm=isch&iact=rc&uact=3&dur=1159&page=1&start=0&ndsp=17&ved=0a
hUKEwiKneuw5bPKAhVBjw8KHagZCqIQrQMINjAH&biw=1366&bih=657 Datum unbekannt,
Autor unbekannt, Idee für die Hochspannungsversorgung.
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