Klein-Teslatrafo

  Für alle Einsteiger in das Thema ist dieser Teslatrafo zu empfehlen. Er liefert durch seine Erregung mittels Funkenstrecke schon beachtliche Funkenlängen bis zu 10 cm, die noch dazu so harmlos sind, dass man sich ruhig auf Spielereien einlassen kann. Der Aufbau ist nicht all zu groß und relativ leicht nachzubauen. Die Ausführung als Tischmodell erlaubt den mobilen Einsatz.

Die Schaltung zeigt die eines klassischen Teslatrafos mit Funkenstreckenerregung. Die einzige Besonderheit liegt in den zuschaltbaren Kondensatoren, mit deren Hilfe eine Nachstimmung direkt im Betrieb, ohne Unterbrechung möglich ist. Weiters wird eine Netzdrossel verwendet, um den Trafo vor den Kurzschlüssen der Funkenstrecke zu schützen. Eine genaue Beschreibung der Funktion eines Teslatrafos finden Sie beim Vortrag zum Teslatrafo.

Die Primär- und Sekundärspule wird jeweils auf ein PVC-Kanalrohr gewickelt. Die Primärspule sollte in einem zweiten Schutzrohr aus Plexiglas untergebracht werden, damit jegliche Berührung des Erregerkreises ausgeschlossen ist. Denn die 5kV die dort vorherrschen, sind nicht so harmlos wie die Funken an der Spitze.
Ein Abstand der Primärspule zu dem Metallgehäuse ist wichtig, da ansonsten dem Schwingkreis Energie durch die Wirbelstromverluste im massiven Material des Gehäuses entzogen wird.
Die einlagig gewickelte Sekundärspule wird zum Schutz vor eventuellen Funkeneinschlägen und zur mechanischen Stabilität gegen Temperaturschwankungen mit einem Klarlack überzogen. Am oberen Ende wird ein Stück Plexiglas eingeklebt, welches eine radiale Bohrung zur Mitte hin enthält. Durch diese Bohrung wird der Draht von der letzten Windung zur Mitte geführt und mit dem Messingstück verbunden, welches den Toroid trägt.
Der Toroid selbst ist ein Kupferring, wie er zur Koronaabschirmung bei Hochspannung verwendet wird. Wegen der relativ geringen Dicke ist die Krümmung der Oberfläche stärker und die Funken können leichter direkt auf dem Toroid austreten. Alternativ kann auch eine Kugelelektrode verwendet werden. Für Kugeln siehe Bezugsquellenliste.

Primärspule: 10 Wdg. mit 1,5mm² Installationsdraht
75mm Durchmesser, 30mm hoch
10mm über Gehäuseoberseite
Induktivität: 10µH
Sekundärspule: 515 Wdg. mit 0,4mm Lackdraht
50mm Durchmesser, 270mm hoch
Induktivität: 2,6mH
Resonanzfrequenz mit Toroid ca. 1,5MHz
Toroid: Aussendurchmesser: 95mm
Innendurchmesser: 55mm
Dicke: 20mm

Erste Bauphase: Montage der Kondensatoren auf einem isoliert aufgesetzten Blech und Anschluss des Hochspannungsschalters an die Kondensatorgruppen.

Im Erregerkreis treten sehr hohe Spannungen in der Größenordnung von 10kV auf. Alle spannungsführenden Teile sollten daher mindestens 20mm vom Gehäuse und von anderen leitenden Teilen entfernt sein. Zur Isolation wurden hier PVC-Stücke mit beidseitigem Innengewinde verwendet.
Wichtig ist dabei, keine durchgehende Bohrung zu verwenden und wenn möglich Kunststoffschrauben auf der Seite des spannungsführenden Teils zu verwenden. Das reduziert Sprühentladungen. Aus dem gleichen Grund sollten alle Kanten und Ecken abgerundet werden.
Auch bei der Durchführung der Zuleitung durch das Metallgehäuse zur Primärspule ist ein PVC Stück nötig, um eine Berührung des Installationsdrahtes mit dem Gehäuse zu vermeiden. Seine Isolation ist für die auftretenden Spannungen nicht ausreichend.

Die Abstimmung erfolgt so, dass im normalen Betriebszustand, d.h. mit dem Toroid an der Spitze die max. Funkenlänge bei der 1. oder 2. Stufe, also mit geringer zuschaltbarer Kapazität auftritt. Werden später diverse Testobjekte auf den Toroid gelegt, so erhöht sich die Sekundärkapazität und das muss dann mit einer entsprechend höheren Kapazität im Primärkreis ausgeglichen werden. Diese Möglichkeit sollte man sich nicht dadurch verbauen, dass man schon ohne zusätzliche Kapazität fast alle Kondensatorgruppen zugeschaltet hat. Man sollte sich auch nicht von den eventuell geringfügig längeren Funken dazu verleiten lassen. Das ist ein ganz logischer Effekt, denn mehr Kapazität im Primärkreis kann auch mehr Energie speichern und das gibt dem Funken ebenfalls mehr Energie. Eine Fehlabstimmung jedoch vermindert die Funkenlänge in einem viel stärkeren Maße, als die zusätzliche Energie eine Erhöhung bewirken könnte. Es ist also durchaus ratsam, die etwas kürzeren Funken in Kauf zu nehmen, dafür aber eine Nachstimmöglichkeit bei Experimenten zu haben.
 
Fixe Kondensatoren: 1000pF / 15kV und 470pF / 15kV ker. Kondensator parallel 
Umschaltbare Kondensatoren: 4 Gruppen je 4x68pF/15kV ker.Kondensatoren einzeln zuschaltbar
Schalter: 5 Stufen Hochspannungsschalter mit 20mm Isolierabstand

Zweite Bauphase: Einbau der Funkenstrecke (unten) und der Spannungszuführungsspule mit Schutzkondensator (oben).

Die Zuführungsdrossel muss die HF aus dem Erregerkreis vom Netztrafo fernhalten. Sie muss einlagig gewickelt sein und mit dem oberen Ende an den Primärkreis angeschlossen werden. Am unteren Ende ist direkt an die Spule der Schutzkondensator auf Masse gelegt. Erst dort wird die Hochspannung vom Netztrafo angeschlossen.
Die einzelnen Lagen der Funkenstrecke werden mit zwei Schrauben zusammengepresst und mit möglichst dicken Drähten, so wie übrigens im gesamten Primärkreis, angeschlossen. Hier wurden dazu Streifen aus Kupferblech verwendet.
   
Spannungszuführungsspule: 42 Wdg. mit 0,5mm Lackdraht auf 50mm Spulenkörper (ca. 47µH)
Schutzkondensator: 47pF / 5kV~ ker.
Funkenstrecke: 4 x 0,5mm dicke Scheiben, ID: 23mm AD: 50mm
5 Messingscheiben, AD: 35mm, 3mm dick
5 Zentrierringe für die Messingscheiben ID: 35mm, AD: 50mm, 3mm dick

Dritte Bauphase: Einbau und Anschluss des Netztrafos, der Vorschaltdrossel und des Netzfilters.

Der Netztrafo ist ein im Eigenbau gefertigter. Es ist aber auch möglich, fertige Neon- oder Zündtrafos zu verwenden.
Beim Selbstbau ist es notwendig, die Sekundärkammer vollständig zu verschließen. Die Schlitze für die Drahtzuführung müssen mit Kunststoff verdeckt und mit Epoxyharz verklebt werden. Alle 2000 Wdg. muss eine Lage 0,2mm dicker PTFE-Folie gewickelt werden, die am Rand möglichst hoch übersteht um einen langen Funkenweg zur darunterliegenden Lage herzustellen. Die äußeren Windungen sind besonders gefährdet, da sie hohe Spannung führen und dem Eisenkern sehr nahe sind. Aus diesem Grund muss unbedingt die fertige Wicklung mit Stoffband umwickelt und mit Epoxyharz vollständig durchdrängt werden. Auch nur ein kurzer Probeversuch ohne einer solcher Isolation kann die Sekundärspule unbrauchbar machen.
Da ein Trafo auf einem EI-Keren immer ein sehr geringes Streufeld besitzt, ist es notwendig, den Trafo extern mit einer Drossel zu beaufschlagen. Wird ein Neon- oder Zündtrafo verwendet ist das meist nicht erforderlich. Der zusätzliche Widerstand muss verhindern, dass nach dem Zünden der Funkenstrecke die Entladung "durchgeht" und einen sehr hohen Strom zieht. Hier wurde dazu ein Vorschaltgerät aus einer Leuchtstoffröhre verwendet.
 
Vorschaltgerät: von Leuchtstofflampe 40W / 0,43A (ca. 800mH)
Trafo: von 220V auf 5kV
Prim.: 650 Wdg. 0,6mm Lackdraht, Sek.: 14300Wdg 0,12mm Lackdraht
Kern EI 106, 45mm Pakethöhe

Die Entladungen

Die Entladungen am Toroid zeigen, dass sehr hohe Spannungen auftreten. Denn nur solche könne die abschirmende Wirkung der runden Flächen überwinden. Die Funken treten an keiner bestimmten Stellen aus, sondern laufen auf der Oberfläche herum. Im Bild ist gut das mehrfache Zünden des Funkens in den parallelen Kanälen zu erkennen.

MPEG-Video 526kBIm Video ist zu sehen, wie die Funken auf der Oberfläche des Toroids herumlaufen. Um auch das eindrucksvolle Rattern der Funken einmal kennenzulernen, ist dieses, sowie alle folgenden Videos natürlich mit dem Originalton versehen. Zu Beginn ist kurz das Geräusch der internen Funkenstrecke zu hören und erst dann beginnen die Funken am Toroid zu sprühen.
 

Wird ein Stück Draht auf den Toroid gelegt, so bildet seine Spitze den bevorzugten Angriffspunkt für die Funken. Am Ring selbst treten dann überhaupt keine Funken mehr aus. Am Drahtende dafür aber in konzentrierter Form.

MPEG-Video 408kBIm Video sind vor allem schön die Bewegungen des Funkens zu sehen. Was sich im Photo zu einer Vielzahl von Blitzkanälen überlagert ist hier ein sich ständig ändernder Funke.
 

Die Feldstärke ist so hoch, dass auch an einem Stück Draht das in die Nähe des Teslatrafos gehalten wird, sofort Funken zu sprühen beginnen, ohne dass sie vom Teslatrafo selbst ausgehen. Das ist eindrucksvoll zu hören, wenn man sich langsam der Sekundärspule nähert und plötzlich die Funken zu rattern beginnen, ohne dass sie zur Sekundärspule überspringen. Dann tritt nur am Draht ein Sprühentladung auf, die mit der an einem einzelnen Draht auf dem Toroid zu vergleichen ist.

Wie auch schon das vorherige Bild, zeigt sich hier noch viel eindrucksvoller, dass es trotz der beachtlichen Funkenlänge völlig ungefährlich ist, den Funken mit der Hand sozusagen aus dem Teslatrafo herauszuziehen. Außer leichten Schlägen beim ersten Zünden des Funkens spürt man nichts. Für solche Spielereien sollte aber immer ein Stück Metall oder ein Fingerhut verwendet werden, da es sonst aufgrund der hohen Temperatur des Funkens zu Verbrennungen kommen kann. 

Die Funken eines Teslatrafos sind aufgrund ihrer hohen Frequenz in der Lage, einen Isolator kapazitiv zu durchdringen. Das wird hier mit einer 1cm dicken Plexiglasplatte gezeigt. Die Funken fächern sich auf eine große Fläche auf und durchdringen das Material. Auf der gegenüberliegenden Seite bündeln sie sich wieder zur Elektrode hin. Das Plexiglas wird dabei nicht beschädigt. Es wird zwar nach längerem Betrieb warm, trägt aber keine bleibenden Schäden wie Löcher oder Durchschlagsmarken davon.

MPEG-Video 381kBIm Video ist zu sehen, wie vor allem die vom Teslatrafo ausgehenden Funken nicht immer den kürzesten Weg zur zweiten Elektrode nehmen, sondern auf dem Isolator herumlaufen. 

Wird eine Glühbirne auf den Toroid gelegt, so wird das Gas im Inneren ähnlich einer "Magischen Kugel" ionisiert. Hier kann mit einer zweiten Elektrode gezeigt werden, wie die HF auch das Glas durchdringt. Nähert man sich mit einem Stück Draht der Glühbirne, so schlagen die Funken aus dem Inneren durch das Glas durch und gehen fast ungehindert weiter.

MPEG-Video 520kBDie Bewegungen der Gasentladungen in der Glühbirne ähneln denen in einer sogenannten "Magischen Kugel".

MPEG-Video 270kBAls besonderer Effekt wurde eine Sparlampe in den Toroid gestellt. Die Lampe leuchtet und gleichzeitig springen von den Anschlüssen Funken weg.
 

Wird der Toroid durch einen Ring aus dünnen Draht (1,5mm² Installationsdraht) ersetzt, so beginnen die Funken entlang der Außenseite überall gleichmäßig zu sprühen. Die Funken können an dem geringen Durchmesser viel früher zünden, als am Toroid. Die Energie wird nicht in einem langen Funkenkanal, sondern in vielen kleinen verbraucht. Bei diesem Versuch macht sich aufgrund der Größe des Rings die Kapazitätserhöhung bemerkbar. Für eine optimale Funkenlänge muss mit der Primärkapazität nachgestimmt werden.

MPEG-Video 481kBHier ist im Gegensatz zum Photo schön zu sehen, dass es keine gleichmäßig leuchtende Korona ist, sondern eine Vielzahl von kleinen Funken, die immer an einer anderen Stelle ausbrechen.

Mit diesem kleinen Teslatrafo lassen sich alle wesentlichen Experiment mit Teslaanlagen nachstellen. Die kleine Baugröße gestattet es, auch im Wohnzimmer zu experimentieren. Wer nicht auf Sensationsjagt nach dem längsten Funken ist, der wird mit diesem Teslatrafo sicher zufrieden sein.

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