Groß-Teslatrafo
H.C. + Teslatrafo Dieses Bild zeigt mich mit dem großen Teslatrafo während der Entwicklungsphase. Im Hintergrund ist die Drehstrom-Stelleinheit zu sehen, über die der Teslatrafo gespeist wird. So nahe kann man natürlich nicht neben dem Teslatrafo stehen, wenn er wirklich in Betrieb ist. Die derzeit erreichte Funkenlänge beträgt ca. 60cm !

Funktion eines Teslatrafos
Ein Teslatrafo ist kein Trafo im herkömmlichen Sinn. Der Teslatrafo ist ein eisenloser Trafo. Die Primär und Sekundärwicklungen sind deshalb nur lose miteinander gekoppelt. Wichtig beim Teslatrafo ist, dass sowohl die Primär- als auch die Sekundärseite aus je einem LC Schwingkreis besteht. Es kommt darauf an, dass sowohl der Primärkreis, als auch der Sekundärkreis die gleiche Resonanzfrequenz haben. Nur so ist eine hohe Energieübertragung mit einer losen Kopplung überhaupt erst möglich. Siehe dazu auch die Simulation des Teslatrafos.
Deshalb ist die Funktionsweise auch sehr von der eines Netztrafos zu unterscheiden. Der wichtigste Teil des Teslatrafos ist die Sekundärwicklung. Diese stellt einen Resonator dar. Daher spricht man oft auch von Teslaresonatoren. Eine ausführliche Erklärung der Funktion findet sich beim Vortrag zum Teslatrafo.

Serienschwingkreis Um die Funktion des Teslaresonators zu verstehen, betrachten wir zunächst einen Serienschwingkreis. Er besteht aus einer Induktivität und einer Kapazität, die eben in Serie geschaltet sind. Der Widerstand stellt die immer vorhandenen Verluste und die Last dar. Im Resonanzfall ist die Vektorsumme aus UC und UL gleich Null. UL ist dem Strom um 90° voreilend, U um 90° nacheilend. Die beiden Spannungen stehen somit in Gegenphase und subtrahieren sich bei der Berechnung der Gesamtspannung.
Im Resonanzfall stellt der Schwingkreis nur mehr einen ohmschen Widerstand dar. Das ist gleichzeitig auch der kleinste mögliche Widerstand eines Schwingkreises. Da sich die beiden Spannungen aufheben, ist es somit auch möglich, dass an einem Bauteil des Schwingkreises eine höhere Spannung auftritt, als die Eingangsspannung U. Diese wird ja durch eine gegenphasige Spannung am anderen Bauteil wieder aufgehoben, so dass nach außen nichts von der hohen Spannung zu merken ist. Die Größe der Spannungsüberhöhung wird durch die Güte Q des Schwingkreises bestimmt. Siehe dazu auch den Versuch zur Spannungsüberhöhung.

Parasitäre Kapazitäten Es ist auf den ersten Blick vielleicht nicht ganz klar, wie eine freistehende Spule einen Schwingkreis bilden kann. Doch es sind nicht immer alle Bauteile wirklich so vorhanden, wie man sie erwartet. Die Spule ist ganz klar zu erkennen, die Kapazität hingegen wird nur durch die hohe geometrische Bauweise der Spule und durch den Toroid auf deren Spitze gebildet. Sie ist somit nur indirekt eingebaut. Kapazität ist überall dort vorhanden, wo sich leitende Flächen gegenüberstehen. Hier ist das einerseits die Oberfläche der einlagigen Spule und des Toroids auf der Spitze und andererseits die geerdete Grundfläche, auf der die Spule steht. Das die so entstehende Kapazität nicht sehr groß ist, ist klar, doch ein Teslatrafo wird mit sehr hohen Frequenzen (100kHz bis 1MHz) betrieben. Es sind dann nur mehr sehr kleine Kapazitäten notwendig, um die Spule in Resonanz zu bringen. Bei der Berechnung der Resonanzfrequenz werden wir noch einmal auf dieses Thema zurückkommen.
Durch die hohen Frequenzen treten aber auch immer stärker die Welleneigenschaften des Stromes in Erscheinung. Eine hochfrequenztechnische Betrachtung des Resonators sollte deshalb nicht vergessen werden. Der aufgewickelte Draht der Sekundärspule wirkt wie eine Wendelantenne. Oder anders ausgedrückt, ist er eine elektrisch verlängerte Antenne, die nur noch aus der Verlängerungsspule besteht. Annähernd entspricht bei so einer Antenne die Länge des aufgewickelten Drahtes einem Viertel der Wellenlänge im Resonanzpunkt. Wird z.B. ein zu dünner Draht verwendet, so ist diese Länge schon unterhalb der Spitze erreicht. Nach der Antennentheorie tritt bei 1/4 der Wellenlänge der 1. Spannungsbauch auf. Dann kann es im Extremfall sogar vorkommen, dass die Funken nicht an der Spitze, sondern schon weiter unterhalb aus der Spule austreten. Die Abstimmung mit der Größe des Toroids hat so zu erfolgen, dass der Spanunngsbauch genau an der Spitze auftritt.

Prinzipschaltung Um diesen Resonator zu erregen, muss eine Schwingung mit der richtigen Frequenz erzeugt werden. Das kann durch einen externen Hochfrequenzgenerator, wie etwa beim Mini-Teslatrafo erfolgen. Doch für große Leistungen ist das sehr aufwendig. Die damit erreichte Funkenlänge, würde auch den Aufwand wahrscheinlich nicht gerecht werden. Ein HF-Generator mit der guten alten Funkenstrecke ist genau das Richtige für so einen großen Teslatrafo.
Das Prinzip ist denkbar einfach. Der Kondensator Cp wird über den Netz-Hochspannungstrafo aufgeladen. Es muss auch im Erregerkreis schon Hochspannung verwendet werden, da sonst nicht genügend Energie im Kondensator gespeichert werden kann. Das wird besser aus dem Berechnungsbeispiel beim 50kV Spannungsverdoppler ersichtlich.
Ist die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke erreicht, so zündet sie und schließt somit den Stromkreis kurz. In dieser Zeit bildet sich aus Cp und Lp ein Schwingkreis, der mit seiner Eigenfrequenz schwingt. Das ist dann auch die erzeugte Frequenz, die in die Sekundärspule eingekoppelt wird. Die Schwingung klingt dann durch die Belastung ab. Der genaue Schwingungsverlauf ist etwas komplizierter als eine gedämpfte Schwingung, da die Energie auch zwischen den beiden Spule mit einer niedrigeren Frequenz hin und her pendelt. Um das ersichtlich zu machen folgt jetzt:

Die Simulation des Teslatrafos
Simulationsschaltung Diese Schaltung wurde in PSpice Version 6.3 unter Windows 95 simuliert. Die Simulation beschreibt zwei lose aneinander gekoppelte Schwingkreise, was ja auch ein Teslatrafo ist. Die mechanische Entsprechung dazu sind zwei gekoppelte Pendel, die genau das gleiche Verhalten zeigen. Die Werte der Bauteile wurden so gewählt, wie ich sie bei meinem Teslatrafo gemessen habe.
Der Kondensator C1 wird nach dem Start der Simulation einmal 2µs lang von der Spannungsquelle V1 und über den Widerstand R1 aufgeladen. Nach 2µs kann man von 100V am Kondensator ausgehen. Dann öffnet Schalter tOPEN und tCLOSE schließt gleichzeitig den Primärschwingkreis durch Parallelschalten von C1 mit L1. Das kommt dem Zünden der Funkenstrecke beim Teslatrafo gleich. Der Schalter bleibt bis zum Ende der Simulation geschlossen. Es soll hier nur der Schwingungsverlauf bei gezündeter Funkenstrecke simuliert werden. Die Schwingkreise werden also sich selbst überlassen und ihre Schwingungen klingen durch die Belastung ab. Die Belastung des Trafos durch den Funken wird hier mit R2 simuliert.

Simulationsergebnis Im Ergebnis der Simulation ist im oberen Diagramm zunächst einmal die Primärseite dargestellt. Es ist die für einen Schwingkreis charakteristische 90° Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom gut zu erkennen. Der Strom wurde mit 10 multipliziert, um einen besseren Vergleich mit der Spannung zu ermöglichen. Die Stromskala ist deshalb von -10 bis + 10A !
Im unteren Teil ist die Spannung am Sekundärkondensator C2 dargestellt. Diese erreicht sehr hohe Werte, wie es ja auch sein soll. Neben dem gedämpften Verlauf der Schwingung, der hauptsächlich durch die Last R2 entsteht, ist schön das Pendeln der Energie von Primär- zu Sekundärskreis zu sehen. Dieses entsteht durch die relativ lose Kopplung der beiden Spulen. Dadurch kann in einer Periode der Primärschwingung nur ein kleiner Teil der Energie in den Sekundärkreis übertragen werden. Es werden somit mehrere Schwingungen benötigt, um die gesamte Energie aus dem Primärkreis in den Sekundärkreis zu übertragen.
Da die Spannung an einem Kondensator ein Maß für seine gespeicherte Energie (C*U²/2) ist, kann man aus den Diagrammen schön erkennen, wie die Energie von der Primär- zur Sekundärspule und dann auch wieder zurück schwingt. Wesentlich ist, dass diese Schwingung eine viel niedrigerer Frequenz ( Einhüllende der Hauptschwingung) hat, als die Resonanzfrequenz beider Spulen. Diese Frequenz wird im Wesentlichen durch den Koppelfaktor bestimmt. Eine schwächere Kopplung erzeugt ein langsameres Pendeln der Energie. Bei einem größeren Koppelfaktor wird die Energie schneller übertragen, was auch ein schnelleres Pendeln erzeugt.
Es wird jetzt auch verständlich, warum ein kleiner Koppelfaktor nicht unbedingt eine schlechte Energieübertragung mit sich bringen muss. Denn wenn wie hier, Erreger- und Lastkreis je ein Schwingkreis mit der gleichen Resonanzfrequenz ist, kann auch bei kleinem Koppelfaktor die Energie effizient übertragen werden. Es werden dann nur mehr Schwingungen benötigt. Aber zusätzliche Verluste gibt es, abgesehen von denen in den Schwingkreisen selbst, keine durch einen kleinen Koppelfaktor.
Aus diesem etwas ungewöhnlichen Verhalten des Teslatrafos kann man sich auch leicht überlegen, wann die Funkenstrecke löschen muss. Es ist ja erwünscht, möglichst viel Energie in die Sekundärspule zu übertragen. Da diese aber dauernd zwischen Primär- und Sekundärkreis hin und her pendelt, ist der Löschzeitpunkt von entscheidender Bedeutung. Ideal ist ein Löschen nach dem ersten Schwingungspaket. Denn dann ist die ganze Energie im Sekundärkreis. Das sieht man einerseits an der hohen Spannung an C2 (viel Energie) und andererseits an der kleinen Spannung an C1 (wenig Energie). Ein Löschen wäre auch nach dem zweiten oder dritten Paket möglich, doch dann ist schon ein Teil der Energie durch Verluste in den Schwingkreisen bzw. in der Funkenstrecke verloren gegangen. Das wird hier durch R2 simuliert.
Ein schlechter Zeitpunkt zum Löschen ist dann, wenn noch nicht alle Energie im Sekundärkreis ist bzw. schon wieder aus ihm zurückgekehrt ist. Denn nach dem Löschen der Funkenstrecke kann keine weitere Schwingung mehr stattfinden. Da eine Funkenstrecke meist dann löscht, wenn sie einen kleinen Strom führt, hat das noch zusätzlich zur Folge, dass wegen der 90° Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung sehr viel Energie im Kondensator ungenutzt bleibt. Dieser muss dann vom Netztrafo nicht mehr so weit aufgeladen werden, wodurch die Gesamtleistung sinkt.



Bevor Sie sich für den Nachbau entschließen, noch ein Wort der Warnung:

Mit einem Teslatrafo können extrem hohe Spannungen erzeugt werden. Das ist besonders dann der Fall, wenn er wie hier mit kurzen Impulsen betrieben wird. Bei so einem großen Teslatrafo ist es nicht mehr möglich mit den Funken herumzuspielen, wie es beim Mini-Teslatrafo getan wird. Eine Berührung mit dem Funken oder auch nur einer Teilentladung davon kann lebensgefährlich sein !
In der Ansteuerung des Teslatrafos wird Hochspannung in Verbindung mit Kondensatoren verwendet. Eine Berührung eines aufgeladenen Kondensators oder eines spannungsführenden Teiles kann lebensgefährlich sein.
Ein Teslatrafo erzeugt zusätzlich zu den hohen Spannungen auch noch hohe Frequenzen. Die abgegebene HF-Leistung darf nicht unterschätzt werden. Diese kann sich in die Zuleitungen einkoppeln und so auch zu dem weit entfernt stehenden Bediener gelangen.
Beim Bau des Teslatrafos muss auf die korrekte Isolation der Hochspannung und auf die richtige Abschirmung der HF geachtet werden. Mit dem Nachbau sollten nur jene beginnen, die schon Erfahrung auf diesen beiden Gebieten gesammelt haben.



Aufbau, Abmessungen und Daten

Sekundärspule:
Teslaresonator Der wichtigste Teil des Teslatrafos sollte auch dementsprechend sorgfältig gefertigt werden. Die Spule wird auf ein sauberes PVC Rohr (Kanalrohr) einlagig gewickelt. Es sollte vorher mit Azeton gereinigt und eventuell auch ausgetrocknet werden. Der Draht soll sich nicht überschlagen, und gleichmäßig eng aneinander liegen. Ist die Spule fertig gewickelt, so wird sie mit Epoxyharz versiegelt. Das bringt eine höhere mechanische Stabilität, verhindert Überschläge und das Eindringen von Feuchtigkeit.
Im ganzen Rohr sollte man keine Löcher bohren, da durch diese Funken in das Innere der Spule überschlagen können. Das ist besonders wichtig, wenn die Funkenlänge größer sein soll als die Spulenhöhe. Den Drahtanfang kann man auf ein Stück Kupferblech löten, und dieses dann außen auf das Rohr aufkleben. Über einen Federkontakt lässt sich so eine saubere Masseverbindung herstellen. Auf der Oberseite wird ein Deckel aus PVC in das Rohr eingeklebt, so dass er flach mit dem Rohr abschließt. Das Drahtende führt man über diesem Deckel bis zur Mitte und klebt dann einen zweiten Deckel mit einem Loch in der Mitte darüber auf. Diese Verlegung am Spulenende ist nur dann zulässig, wenn man einen Toroid verwendet. Dieser schirmt nämlich die Koronaentladungen an der Spitze der Spule ab. Ist dieser nicht vorhanden oder zu klein, dann entsteht an der Ecke des Drahtes, der ins Innere führt eine Sprühentladung und es kommt dort zu Überschlägen. Deshalb ist auch die Höhe des Toroids über der Spule angegeben. Diese sollte für einen ähnlich großen Toroid nicht wesentlich überschritten werden. Ich musste meinen Isolator kürzen, da der beschriebene Effekt auftrat.
Der Toroid selbst sollte keine scharfen Kanten besitzen. Am besten ist eine Ausführung aus Kupfer oder Aluminium Blech. Da so etwas aber schwer zu beschaffen ist, kann man auch einen Styroporkern für einen Adventkranz verwenden, und diesen streifenweise mit Alufolie oder besser mit selbstklebender Kupferfolie überwickeln.
 
Wicklung: 680 Wdg. mit 0,85mm dicken Kupfer-Lackdraht (doppelt gelackt) 
Spulendurchmesser: 16cm (Standard Kanalrohr)
Spulenhöhe: Gesamtlänge 58cm 
Bewickelte Länge 56,5cm
Toroid: Durchmesser: 30cm 
Dicke: 8cm 
Isolatorhöhe: von der letzen Windung bis zur Toroid Unterkante: 7cm 
Induktivität: 15mH gemessen bei 1kHz
Gleichstromwiderstand: 10 Ohm

Primärspule:
Primärspule Für die Primärspule sollte ein möglichst dicker Draht oder sogar ein Kupferrohr verwendet werden. Es ist bei HF nämlich gleichgültig, wie es im Inneren eines Leiters aussieht, da der Skineffekt den Strom ohnehin nur in oberste Schicht des Leiters drängt. Eine größere Oberfläche sorgt hier also für einen niedrigeren Widerstand.
Es ist weiters zu empfehlen, einen blanken Draht zu verwenden. Da man den Primärkreis auf den Sekundärkreis abstimmen muss ist es oft notwendig, die Primärspule geringfügig in ihrer Windungszahl zu verändern. Das geht am besten mit einer Klemme, über die an den blanken Leiter die Zuleitung befestigt wird. Durch einfaches Verschieben der Zuleitung ist dann eine Abstimmung möglich. Durch Beibehalten der Windungszahl und durch Verschieben des wirksamen Teils der Spule kann auch die Kopplung in geringen Maße geändert werden. Das für eine blanke Wicklung auch ein Abstandhalter verwendet werden muss, lässt sich leider nicht vermeiden.

Gesamtübersicht Spule Für die ersten Versuche würde ich sowieso empfehlen, die Primärspule nicht fix aufzubauen. Denn über die Höhe der Primärspule wird die Kopplung an die Sekundärspule reguliert. Mann wird dann rasch feststellen, dass eine größere Höhe längere Funken bringt. Ab einer gewissen Höhe kommt es dann zu Überschlägen auf die Sekundärspule. Es wird dann notwendig, ein zweites Abschirmrohr zu verwenden. Hier wurde wegen der Optik ein Plexiglasrohr (siehe Bezugsquellenliste) verwendet. Es ist im Bild nur ganz leicht zu erkennen. Die billigere Variante ist aber sicher, auch hierfür eine Kanalrohr zu verwenden. Es reicht bis zum oberen Spulenende und verhindert somit Überschläge aus der Primärspule. Nur allzuviel Isolation sollte man sich von so einem Rohr auch nicht erwarten, HF durchdrigt auch Isolatoren.
Besser ist es, eine weitere Windung oberhalb der Primärspule anzubringen und diesen zu erden. Die Funken schlagen dann vorzüglich in diesen Abschirmring und nicht in die Spule ein.
Viele Teslatrafos verwenden oft Flachspulen am Fuß der Sekundärspule, um Überschläge zu vermeiden. Mit solchen konnten bei diesem Teslatrafo keine vernünftigen Funkenlängen erreicht werden.
 
Wicklung: 8 Wdg mit 4mm² blanken Kupferdraht 
Spulendurchmesser: Außendurchmesser des Abschrimrohres: 20cm 
Spulenhöhe: letzte Windung 13 cm über Grundplatte 
Windungsabstand: von Leitermitte zu Leitermitte 10mm 
Induktivität: ca. 14µH bei 1kHz

Versorgungstrafo:
Neontrafo Für den Teslatrafo werden zwei der hier abgebildeten Neontrafos parallel geschaltet. Neontrafos sind sogenannte Streufeldtransformatoren. Das heißt, dass sich ein Teil der Feldlinien von der Primärspule nicht über die Sekundärspule schließen kann. Meistens werden diese Trafos als Schenkeltrafos (auf jeder Säule 1 Sekundär- und 1 Primärspule) ausgeführt. Das Streufeld kann dann leicht durch einen beweglichen Eisenkern erzeugt werden, der zwischen die beiden Säulen geschoben wird. Bei älteren Modellen werden oft auch Trafobleche an die Säulen gelegt, und mit einem Holz verschraubt. Sie sind dann gut versteckt und man denkt zuerst gar nicht an einen Streufeldtrafo. Das Streufeld hat eine höhere Streureaktanz zu Folge, was sich wiederum auf den Kurzschlußstrom auswirkt. Für Neonlampen ist eine Strombegrenzung notwendig. Für einen Teslatrafo kann man nie genug Strom haben. Deshalb ist es besser all diese Steuerelemente aus dem Trafo auszubauen. Im Bild ist deshalb ein freier Bereich zwischen den Spulen zu sehen. Dort war vorher ein bewegliches Eisenstück untergebracht.
Durch diesen Umbau gewinnt man einiges an Leistung. Es gibt auch einige Modelle, die komplett vergossen sind. Dann weiß man leider nie wieviel Feld ungenützt an den Sekundärspulen vorbeigeleitet wird. Die neuesten Modelle sind oft schon elektronische Trafos mit einem Schaltregler. Diese sind nicht für Teslatrafos geeignet, da sie nach dem Zünden der Neon-Röhre die Hochspannung abschalten. Eine empfindliche Elektronik wird sich sowieso nicht mit den Extrembelastungen anfreunden können.
Bei allen Hochspannungstrafos muss immer ein Wicklungsende geeredet sein. Bei Neontrafos sind wegen dem geringeren Isolationsaufwand beide Sekundärspule geerdet. Deshalb auch die Doppel-Spannungsangabe. Zwischen beiden Spulen steht somit auch die doppelte Spannung zur Verfügung. Für Neontrafos siehe Bezugsquellenliste.
 
Nennleistung: 2 Trafo mit je 350 Watt 
Nennspannung: 2 Trafo mit je 2 x 3500V 
Nennstrom: 2 Trafo mit je 50mA 
Kurzschlußstrom: je Trafo 150mA

Funkenstrecke:
Löschfunkenstrecke Für erste Versuche reichen hier schon zwei Spitzen, die sich gegenüberstehen. Aber auch hier gibt es Verbesserungsmöglichkeiten. Ein einzelner Funke brennt sehr heiß und laut. Je heißer er ist, um so länger hält er auch an. Dadurch treten zuviele Pendelschwingungen auf, und es geht Energie verloren. Weiters wird der Trafo lange Zeit kurzgeschlossen und viel Leistung im Funken umgesetzt. Eine einfache Möglichkeit die Brennzeit zu verkürzen ist die, den Funken durch Preßluft wegzublasen. Auch ein Ventilator kann schon eine Verbesserung bringen. Doch die beste und einfachste Lösung ist sicher die Löschfunkenstrecke. Sie besteht aus vielen Metallringen, zwischen denen ein relativ geringer Abstand besteht. Durch die Aufteilung der Funkenlänge auf viele kleine Teile kühlt der Einzelfunken schneller ab. Wenn ein Teilfunken abreißt unterbricht das in den anderen den Strom und alle erlöschen gleichzeitig. Durch solche Funkenstrecken sind viel höhere Pulsraten möglich, als mit einem einzelnen Funken. Wann der optimale Zeitpunkt zum Löschen erreicht ist, wurde schon bei der Simulation des Teslatrafos erleutert.
Die hier abgebildete Funkenstrecke stammt übrigens aus einem 20kV Überspannungsableiter. Sie ist einigermaßen massiv aufgebaut, und hält auch längeren Belastungen stand.
 
Platten: Geformte Kupferscheiben aus 0,5mm Blech mit 70mm Durchmesser
Plattenzahl: 7 Platten
Isolierabstand: 0,5mm zwischen je zwei Platten durch Hartpapier, Gesamtfunkenlänge = 3,5mm

Kondensator:
HV-Kondensator Der Schwingkreis Kondensator ist sicher das am stärksten belastete Bauelement in dieser Anordnung. Er wird bis auf über 7kV aufgeladen, und muss dann diese Energie in einen Schwingkreis abgeben, wodurch eine noch höhere Spannung an ihm auftritt. Solche Kondensatoren sind sehr schwer zu beschaffen. Man kann nur versuchen sie aus alten Sendern wie z.B. Kunststoffschweißgeräte, HF-Haartrockner oder Diathermiegeräten auszubauen. Für neue Kondensatoren, die aber eine größere Geldausgabe bedeuten, siehe Bezugsquellenliste. Es kommen nur Kondensatoren mit einer hohen Blindleistung in Frage. Glättungskondensatoren wie die meisten Durchführungskondensatoren sind hier vollkommen ungeeignet.
Es ist weiters sinnvoll, mehrere kleinere Kondensatoren in Serie, und diese Gruppen dann parallel zu schalten. Das verringert die Einzelbelastungen, und bietet mehr Abstimmöglichkeiten. Zu beachten ist, dass man durch die Serienschaltung Kapazität verliert und mehr Kondensatoren benötigt.
Kann man überhaupt nichts derartiges auftreiben, so ist es auch möglich die Kondensatoren selbst anzufertigen. Als Dieelektrikum sollte man Kunststoffe wie z.B. PE verwenden. Man könnte einfach ein Kunststoffrohr verwenden, dass man innen und außen Leitend beschichtet. Auf einen Schutzabstand am Rand ist natürlich zu achten. In jedem Fall wird er aber für die geforderte Kapazität ziemlich groß werden.
 
Kapazität: 12nF 
Nennspannung: 25kV Gleichspannung 
Typ: Ölgefüllter Metall-Papier-Kondensator



Schaltungsbeschreibung
Schaltung Die Schaltung weicht nicht wesentlich von der Prinzipschaltung ab. Wie oben erwähnt, werden zwei Neontrafos parallel geschaltet, um eine höhere Leistung zu erreichen. Auf der Netzseite sollte unbedingt ein Netzfilter eingebaut werden, da die auftretende HF sonst im Netz weiterfließt, und das können schon beträchtliche Leistungen sein. Wichtig ist auch, dass auf keinen Fall der Erdungspunkt der Sekundärspule mit der Erde der Netzanspeisung verbunden wird. Sonst fließt die HF von der Spule direkt in die Hausinstallation, und kann dort alles mögliche anrichten. Für die Sekundärspule benötigt man eine von der Hauserde komplett getrennte, HF taugliche Erde ! Ich habe hierfür einen 2,5m lagen Staberder verwendet.
Ein weiterer Filter wird noch zum Schutz der Trafos vor HF aus dem Erregerkreis eingebaut. Er besteht aus einem 47pF Kondensator, der parallel zu den Trafos liegt. Dieser schließt die an der Funkenstrecke abfallende HF am Trafo kurz. Somit fällt die HF an der vorgeschalteten Drossel (30µH) ab. Einen noch besseren Schutz bringt eine Funkenstrecke (besser gesagt zwei Funkenstrecken mit Erde in der Mitte) an den Sekundärklemmen der Trafos. Diese muss so eingestellt werden, dass sie im Normalbetrieb nicht zündet. Wenn dann eine höhere Spannung an den Trafo gelangt, wird diese wirkungsvoll abgeleitet.
Bei Aufbau dieser Schaltung sollte man immer bedenken, dass das eigentlich ein HF-Generator mit einer Leistung im kW-Bereich ist. Auf entsprechende Abschirmung und Isolation ist also unbedingt zu achten.

Messungen und Berechnungen
Mit Messungen sieht es bei einem Teslatrafo immer schlecht aus. Denn wird er mit voller Leistung betrieben, so tut man gut daran jedes elektronische Gerät in Sicherheit zu bringen. Die wenig möglichen Messungen müssen daher immer mit sehr stark verminderter Leistung durchgeführt werden.
Eine wichtige Messung ist die Bestimmung der Resonanzfrequenz der Sekundärspule. Dazu speist man von einem Frequenzgenerator über einen Widerstand (z.B. 470Ohm) eine Primärspule mit wenigen Windungen (1 bis 3 Wdg.) und ohne Primärkondensator. Mit einem Oszi mißt man die Spannung an der Primärspule. Durch ändern der Frequenz wird man rasch einen Resonanzpunkt finden, indem die Spannung ein Maximum hat. Dabei ist gut zu erkennen, wie sich leitende Teile im Feldbereich des Resonators auswirken. Nähert man sich nur mit der Hand dem Resonator, so verschiebt sich sofort der Resonanzpunkt durch die Kapazitätserhöhung nach unten.
Auf gleiche Weise kann man die Frequenz des Primärkreises messen, indem man die Sekundärspule entfernt, und den Primärkondensator anschließt.
Eine andere Meßmethode ist die, den Tastkopf wie eine Antenne in einiger Entfernung neben den Teslatrafo zu stellen. Er nimmt dann das Feld der Spule auf und am Oszi ist eine mitunter sehr hohe Spannung zu sehen. Ist man zu nahe an der Spule, so wird die Messung durch die Kapazität des Tastkopfes zu sehr beeinträchtigt. Es wird mit dieser Messmethode ebenfalls ein Resonanzpunkt gefunden werden, indem jetzt ein Spannungsmaximum auftritt. Die Ergebnisse der verschiedenen Meßmethoden weichen mitunter voneinander ab. Doch die Messung kann sowieso nie unter realen Bedingungen durchgeführt werden, da ja die Belastung des Funkens fehlt. Die optimale Funkenlänge tritt deshalb nie bei der so gemessenen Frequenz, sondern meist bei einer niedrigeren auf.

Für die Messungen an meinem Teslaresonator wurde die Tastkopf-Antennen Methode verwendet, da bei einem Abstand von 1/2 Meter von der Spule der Einfluß des Tastkopfes schon geringer ist, als wenn er direkt an die Primärspule angeschlossen wird.
 
Erdung des Fußpunktes Toroid an der Spitze  Gemessene Resonanzfrequenz Errechnete Gesamtkapazität Errechnete 
Toroid Kapazität
JA JA 298,7kHz 18,92pF 6,97pF
JA NEIN 375,8kHz 11,96pF -
NEIN JA 394,8kHz 10,83pF 3,27pF
NEIN NEIN 472,6kHz 7,56pF -
Aus diesen Meßwerten kann man die Kapazität des Toroids und die Gesamtkapazität sehr gut berechnen. Zwischen den Meßwerten mit und ohne Toroid ist immer eine Änderung von ca. 77,5kHz zu erkennen. Das heißt aber nicht, dass die Toroid Kapazität in beiden Fällen die gleiche ist. Denn es ist zu beachten, dass die Meßwerte selbst und nicht die Differenz quadratisch in die Rechnung eingehen. Wenn man annimmt, dass die Induktivität gleich bleibt, errechnet sich die Kapazität des Toroids wie folgt:

Man erhält somit für geerdeten Fußpunkt eine Toroid Kapazität von 6,97pF. Führt man diese Rechnung für die ungeerdete Spule durch, so erhält man eine Kapazität von 3,27pF. Es ist daraus deutlich zu erkennen, dass der Gegenpol zum Toroid die geerdete Grundfläche ist. Wird diese Verbindung unterbrochen, so kann nur mehr die Spulenoberfläche als Gegenpol dienen, und die Kapazität sinkt dadurch ab. Um die Gesamtkapazität des Schwingkreises für einen Messpunkt zu errechnen, muss nur in die Resonanzformel eingesetzt werden, um C zu erhalten.



Versuchsergebnisse

Zur Abstimmung:
Die Abstimmung ist sehr fein, und muss deshalb auch in kleinen Schritten vorgenommen werden. Da es ja nicht möglich ist, die Spule im Betrieb zu verändern, sind mehrere Versuche notwendig. Bereits wenige cm Verschiebung der Anzapfung an der Primärwicklung können die Funkenlänge beträchtlich erhöhen bzw. vermindern.
Die Abstimmung muss u.U. auch vorgenommen werden, wenn sich die Leitfähigkeit der Umgebung stark verändert hat. Steht der Teslatrafo z.B. auf einer Metallfläche wird die Kapazität des Toroids größer, und die Resonanzfrequenz kleiner. Es können auch Unterschiede zwischen dem Betrieb in geschlossenen Räumen und im Freien auftreten.

Zur Leistungsregelung:
Es ist leider gar nicht so einfach, den Teslatrafo in seiner Leistung zu regeln. Denn nimmt man die Spannung zurück, so zündet die Funkenstrecke nicht mehr, es entsteht überhaupt keine HF mehr. Um das in den Griff zu bekommen muss die Funkenstrecke variabel ausgeführt werden. Bei einer Löschfunkenstrecke kann das durch Anzapfungen an den einzelnen Platten erfolgen. Die Spannung sollte dann aber zusätzlich auch noch verringert werden, da sonst zuviel Energie in den Funkenstrecke verbraucht wird. Dieser Teslatrafo nimmt mit 7 Platten in der Funkenstrecke (etwa 3,5mm Funkenlänge) einen Strom von 10A bei 250V Eingangsspannung auf.

Zur Funkenlänge:
Unter voller Leistung von 2,5kW erzeugt er Funken von bis zu 60cm Länge ! Diese Entladungen sind aber immer noch zu schwach, um vom Toroid selbst auszubrechen. Es muss ein Stück Kupferdraht auf den Toroid gelegt werden, damit die Entladungen kontinuierlich austreten können. Die Entladungen treten natürlich frei in den Raum aus, wie es für einen Teslatrafo charakteristisch ist. Es ist auch möglich die Funken auf eine geerdete Elektrode überschlagen zu lassen. Die Länge erhöht sich dadurch aber nicht, wie man vielleicht erwarten würde.
Zur Länge der Funken ist noch anzumerken, dass die Spannung hier nicht so hoch sein muss, wie bei Gleichspannung. Ein Vergleich mit der Kugelfunkenstrecke zeigt, dass man für 5cm bereits 66kV-DC benötigt. Für einen Meter kann man dann grob mit etwas über 1MV rechnen. Diese Spannung ist hier aber gar nicht notwendig. Denn durch die hohe Frequenz wird die Luft zusätzlich ionisiert, da ein beträchtlicher kapazitiver Strom vom Toroid ausgehend sich im Raum verteilt. Dieser ionisiert die Luft, was es den Funken erleichtert, sich frei in den Raum auszubreiten.
Ein sehr interessanter Effekt trat bei einer schlechten Abstimmung mit geringer Funkenlänge von etwa 15 cm auf. Die Funken schlugen auf ein Metallgehäuse ein, dass in einer Plastikfolie eingepackt war. Das ganze Gehäuse war dann sehr stark aufgeladen ! Bei Wechselspannung sollte das ja eigentlich nicht vorkommen. Auch die Isolation der Sekundärspule war noch lange Zeit nach dem Abschalten aufgeladen. Die Ladungen waren richtig im Epoxyharz eingefangen und wurden frei, wenn man mit der Hand über die Oberfläche strich.
Bei der jetzigen Abstimmung auf max. Funkenlänge tritt dieser Effekt nicht mehr auf. Ich kann mit das nur so erklären, dass durch Überlagerung der verschiedenen Frequenzen von Primär- und Sekundärkreis ein Gleichanteil entstand. Wenn z.B. die erste Spitze einer gedämpften Schwingung viel höher ist, als die andern, dann hat die Schwingung einen ebenfalls gedämpft abfallenden Gleichanteil. Das muss natürlich in der Sekundärspule entstanden sein, da über die magnetisch Kopplung kein Gleichanteil übertragen werden kann.

Zur Feldstärke:
Um das Feld um den Resonator herum zu testen, wurde wieder eine Leuchtstoffröhre verwendet. Durch die pulsförmige Ansteuerung flackert sie sehr stark. Die Helligkeit kommt aber nicht an die des Mini-Teslatrafos, der ja nur 30W leistet, heran. Die beiden Prinzipien sind eben sehr verschieden. Hier wird hohe Spannung in relativ kurzen Zeiten (beim Zünden der Funkenstrecke) erzeugt. In der übrigen Zeit wird nur der Primärkondensator geladen. Durch Veränderung der Schwingkreisparameter kann das Verhältnis Arbeits- zu Ladezeit verändert werden. Für lange Funken muss ein großer Kondensator in kurzer Zeit entladen werden.


Die Entladungen

Viele Funkenkanäle Bei jedem Überschlag in der Funkenstrecke wird ein neuer Funke gezündet. Das erzeugt bei längerer Belichtung viele Funkenkanäle. Unter voller Leistung von 2,5kW erzeugt er Funken von bis zu 60cm Länge !

Offene Elektrode An einer offenen Elektrode bilden sich viele Verästelungen. Diese Entladungen sind aber immer noch zu schwach, um vom Toroid selbst auszubrechen. Es muss, wie hier ein Stück Kupferdraht auf den Toroid gelegt werden.

Kugel-Elektrode Eine Kugel reicht aber als Elektrode vollkommen aus. Das zeigt, wie hoch die Spannung sein muss. Die auftretenden Verästelungen ähneln sehr einem echten Blitz. Durch den plötzlichen Spannungsanstieg erfolgt der Durchburch nicht auf dem kürzesten, sondern auf dem am besten leitenden Weg. Weitere Bilder und Videos von Tesla-Entladungen gibt es beim Klein-Teslatrafo.

Ein Teslatrafo erzeugt wohl die spektakulärsten Effekte aller HF-Geräte. Er nützt die Prinzipien der Resonanz aus, um Hochfrequenzenergie in gewaltige Entladungen umzuwandeln. Der einfache, aber sehr wirkungsvolle Aufbau macht einen Teslatrafo zu einem idealen Versuchsgenerator für Experimente mit Hochfrequenz bzw. Hochspannung. 

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