Vortrag zum Teslatrafo

Im August 2000 veranstaltete die ARGE Bindu, die Arbeitsgemeinschaft zur Erforschung Freier Energie, ein Sommerfestival am Hof "Terra Verde" in Lunz am See.
Anlässlich dieses Sommerfestivals, wurde von mir ein Vortrag und eine kleine Ausstellung zum Thema Schwingungen, Teslatrafos und Hochfrequenz abgehalten. Die hier vorliegende Mitschrift gibt den Inhalt dieses Vortrages wieder. Es sind zum Großteil Experimente die auf dieser Homepage dargestellt sind, mit dem nötigen Hintergrundwissen für ein leichteres Verständnis erweitert worden.
Der gleiche Vortrag wurde auch im Rahmen des Kongresses über Freie Energie vom 26. bis 28. Oktober 2001 in der Residenz Stockerau gehalten.


Inhalt:

1.      BEGRÜßUNG
2.      ZUR PERSON NIKOLA TESLA
3.      THEORIE ZUM TESLATRAFO
3.1.   Prinzip des Teslatrafos, Unterschied zum herkömmlichen Trafo
3.2.   Schwingungen
3.3.   Kondensatorproblem
3.4.   Grundlagen des elektrischen Schwingkreises
3.5.   Spannungs- und Stromüberhöhung
3.6.   Funktionsprinzip des Teslatrafos
3.7.   Funktion des Toroids
3.8.   Prinzip des Impulsteslatrafos
3.9.   Gekoppelte Schwingkreise / Pendelschwingung
3.10.  Prinzip des Trägerteslatrafo
3.11. Schaltung des Impulsteslatrafos
3.12. Die Entladungen am Impuls- und Trägerteslatrafo
4.      BAU EINES TESLATRAFOS
4.1.   Wickeln der Spulen
4.2.   Auswahl der Materialien
4.3.   Günstigste Abmessungen
4.4.   Transformator
4.5.   Funkenstrecke
4.6.   Kondensator
4.7.   Einbau in ein Gehäuse
4.8.   Warn- und Sicherheitshinweise
5.      VORFÜHRUNGEN


1. Begrüßung

Ich möchte zunächst noch einmal alle recht herzlich zum meinem ersten Vortrag über Teslatrafos hier am Hof „Terra Verde“ in Lunz am See begrüßen.
Kurz zu meiner Person: Mein Name ist Harald Chmela. Ich bin 23 Jahre alt und komme aus Stockerau. Nach Volks- und Hauptschule in Stockerau besuchte ich die höhere Abteilung für Elektrotechnik in der HTL Hollabrunn. Beim Bundesherr war ich als Funker und Fernmelder bei der Fliegerabwehr in Groß Enzersdorf stationiert. Nahtlos daran schloss sich meine berufliche Laufbahn an. Seit 1997 bin ich als Sendermesstechniker beim Österreichischen Rundfunk. Ich bin auf der Sendeanlage Bisamberg stationiert und meine Aufgabe ist es, alle Störungen an den UKW- und FS-Sendeanlagen in Wien, Niederösterreich und dem Burgenland zu beheben.
Meine privaten Interessen sind ähnlich technisch orientiert. Ich beschäftige mich hauptsächlich mit ausgefallenen physikalischen und elektrotechnischen Experimenten und versuche auch auf dem Sektor der Freien Energie zu arbeiten.
Dieser Vortrag soll einen Einblick in die Schwingungen allgemein, so wie speziell in die Hochfrequenztechnik und deren Anwendung bei Teslatrafos geben.


2. Zur Person Nikola Tesla

Nikola TeslaBei dem Wort Teslatrafo muss natürlich sofort jeder an Nikola Tesla denken. Er war wahrscheinlich einer der größten Erfinder die je gelebt haben. Als er starb, hatte er mehr als 700 Patente angemeldet.

Hier eine kurze Biographie:

Nikola Tesla wurde 1856 in Jugoslawien in einem kleinen Dorf namens Smiljan geboren.
1879 begann er an den Universitäten in Graz und in Prag zu studieren
1881 bekam er eine Stelle im Telegraphenamt in Budapest
1882 begann er für die Continental Edison Company in Paris zu arbeiten
1884 wanderte er nach Amerika aus
1885 kaufte George Westinghouse die Patente von Tesla über das Wechselstromsystem
1891 wurde er Amerikanischer Staatsbürger und baute den ersten Resonanztransformator
1898 Tesla baute das erste ferngesteuerte Boot
1899 begann er mit seinen berühmten Colorado Springs Experimenten
1900 begann er mit dem Bau des Wardencliff Turms auf Long Island
1943 Tesla starb im Alter von 86 Jahren
erst nach seinem Tod wurde ihm und nicht Marconi die Erfindung des Radios zugesprochen

Zwischen 1880 und 1890 entwickelte sich ein Konkurrenzkampf zwischen Edison und Tesla. Das war eine Zeit, in der es noch kein einheitliches Stromsystem gab. In einigen Städten gab es Dampfmaschinen, die Generatoren antrieben. Meist wurde damit die Beleuchtung versorgt. All diese Systeme verwendeten Gleichstrom. Tesla hingegen war ein Verfechter des Wechselstromes. Nicht zuletzt, weil er leichter zu transportieren ist. Es gab aber noch immer keinen wirtschaftlichen Wechselstrommotor. Man sagt, Tesla hatte die geniale Idee des Wechselstrommotors, als er in einem Park spazieren ging und ihm plötzlich ein Ball von zwei spielenden Kinder über den Weg lief. Das muss den Ausschlag gegeben haben, wo er erkannte, dass auch ein Magnetfeld wandern kann. In dem laufenden Ball sah er ein sich zeitlich änderndes Magnetfeld. Er zeichnete daraufhin augenblicklich die Skizze des Wechselstrommotors in den Sand.
Wenn man die heutige Antriebstechnik betrachtet, erkennt man, wie genial diese Erfindung war. Ein Großteil der heute im Einsatz befindlichen Motore werden mit Wechselstrom betrieben. Der Aufbau eines Asynchronmotors ist so verblüffend einfach. Es gibt keinen Kollektor, keine Bürsten und keine Permanentmagnete, alles Vorteile gegenüber den Gleichstrommotoren.
Doch damals führte das zu einem richtiggehenden Krieg zwischen der Edison Electric Company, die sich dem Gleichstrom verschrieben hatte und Tesla, der dem Wechselstrom verfallen war. Dieser Konkurrenzkampf führte schließlich zur Erfindung des elektrischen Stuhls, mit dem Edison die Gefährlichkeit des Wechselstroms demonstrieren wollte.
Letztendlich setzte sich der Wechselstrom durch und Tesla war drauf und dran einer der reichsten Männer der Erde zu werden. Er hatte einen Vertrag mit Westinghouse, wonach er für jede erzeugte Pferdestärke mit 2,50 Dollar bezahlt wurde. Als er sah, das dieser Vertrag seine Firma gefährden würde, zerriss er ihn einfach und gab sich mit einer einmaligen Abfindung zufrieden.

In Colorado Springs baute er die größten Teslatrafos. Es soll bei deren Betrieb im Umkreis von 20km zu Entladungen an Blitzableitern und Metallteilen gekommen sein. Er beschäftige sich intensiv mit Resonanzen. Sein Ziel war es mit dem Wardencliff-Turm die Erde auf ihrer Resonanzfrequenz anzuregen. Damit wäre eine drahtlose Energieübertragung möglich gewesen. Doch der Turm wurde nie fertiggestellt.

Tesla beschäftigte sich auch mit der Mechanik. Er soll mehrfach kleine Erdbeben ausgelöst haben, als er mit kleinen, mechanischen Oszillatoren experimentierte.
Auch die schaufellose Adhäsionsturbine, die bis heute nicht zu Anwendung kommt stammt von ihm.

Geblieben ist die Bezeichnung der magnetischen Flussdichte, die in Tesla gemessen wird. Der Teslatrafo, der wohl eines der interessantesten Hochfrequenzbauteile ist, trägt den Namen seines Erfinders zu recht, denn er hat bis heute nichts an seiner Faszination verloren.


3. Theorie zum Teslatrafo

3.1. Prinzip des Teslatrafos, Unterschied zum herkömmlichen Trafo
 
Gegenüberstellung Trafo / Teslatrafo
Trafo:
Teslatrafo:
  • Kompakte Bauform
  • Grosse Leistungsdichte
  • Eisenkern, magnetische Kopplung
  • Enge, mehrlagige Spulen
  • Grosse, offene Bauform
  • Kleine Leistungsdichte
  • Luftspulen, lose Kopplung
  • Einlagige Spule
Der Trafo nutzt die magnetische Kopplung von Spulen zur Übertragung von Spannung.
Der Teslatrafo nutzt Resonanzgesetze zur Transformation der Spannung.
  • Breitbandig
  • "Steife" Spannung
  • Fixe Resonanzfrequenz
  • Kurzschlussfest

Betrachten wir zunächst einmal einen herkömmlichen Netztrafo, der übrigens auch auf dem von Tesla eingeführten Wechselstromsystem basiert. Er ist ein sehr kompaktes Bauteil, dass große Leistungen auf kleinem Raum übertragen kann. Als auffälligstes Merkmal eines Netztrafos sticht natürlich sofort der große und schwere Eisenkern heraus, der den Großteil des Volumens einnimmt. Weiters besitzt der Netztrafo kompakte Spulen, die auf kleinem Raum verdichtet, als mehrlagig gewickelt sind.

Im Gegensatz dazu sieht ein Teslatrafo völlig anders aus. Er ist leicht und groß gebaut. Die Leistungsdichte ist nicht so hoch wie beim Netztrafo. Auffällig ist zuerst einmal, dass es keinen Eisenkern gibt, wodurch die Spulen nur lose miteinander verkoppelt sind. Weiter sind die Spulen, oder zumindest die Sekundärspule sehr groß. Sie ist immer einlagig gewickelt und besitzt eine große Oberfläche.

Aus den ersten augenscheinlichen Unterschieden lässt sich auch die grundsätzliche Funktion dieser beiden ganz unterschiedlichen Transformationsverfahren ableiten.

Der Netztrafo wandelt mit Hilfe der Primärspule die elektrische Energie zunächst in magnetische um. Zur Weiterleitung der magnetischen Energie benötigt er unbedingt die großen‚ Eisenmengen. Da Eisen nur bis zu einem gewissen Punkt magnetisch belastet werden kann, werden sehr große Mengen benötigt. Das macht einen Trafo zu einem sehr schweren Bauteil.
Die eigentliche Transformation, also die Änderung des Spannungs- bzw. Stromniveaus ist nur ein Nebeneffekt, der aus der Umsetzung in die magnetische Energieebene herrührt. Bei der Rückverwandlung der magnetischen Energie in elektrische wird eine andere Windungszahl verwendet. Eine höhere Windungszahl bewirkt, dass eine höhere Spannung bei geringerem Strom entsteht, eine niedrigere Windungszahl führt zu einem höheren Strom bei geringerer Spannung.
Durch dieses Verfahren, ist der Ausgang relativ fest mit dem Eingang verkoppelt. Jede Änderung am Ausgang wirkt sich sofort auf den Eingang aus. Man sagt der Trafo besitzt ein spannungssteifes Verhalten. Ein Kurzschluss an der Sekundärwicklung lässt auch die Primärwicklung wie eine kurzgeschlossene Spule erscheinen.
Dieses Verhalten ist über einen weiten Frequenzbereich vorhanden, so dass ein Trafo immer breitbandig ist. Die Grenzfrequenz wird nur vom verwendeten Magnetmaterial bestimmt sie liegt im Allgemeinen aber eher im unteren Frequenzbereich.

Ganz im Gegensatz dazu ist beim Teslatrafo nur eine sehr lose Kopplung der beiden Spulen vorhanden. Eine Transformation auf magnetischen Wege kann hier überhaupt nicht stattfinden. Das ist bereits eine erste Fehleinschätzung vieler Leute, die meinen, die Sekundärspule müsse viele Windungen haben, um hohe Spannungen erzeugen zu können. Das stimmt nicht. Die Sekundärspule ist besonders auf ihrem oberen Teil überhaupt nicht magnetisch an die Primärspule gekoppelt.
Die Sekundärspule ist in Wirklichkeit ein Resonator, der genau auf seiner Resonanzfrequenz betrieben werden muss. Das ist schon ein sehr wesentlicher Unterschied zum normalen Trafo. Der Teslatrafo hat eine fest vorgegebene Arbeitsfrequenz.
Die eigentliche Transformation der Spannung wird nicht durch die Windungszahlen, sondern durch geschickte Ausnutzung von Resonanzgesetzen hervorgerufen, auf die ich gleich weiter eingehen werde.


3.2. Schwingungen

Um die Resonanzgesetze verstehen zu können, ist es zunächst einmal notwendig, sich mit dem Phänomen der Schwingung selbst näher auseinander zu setzen, denn Resonanzen können immer nur in schwingenden Systemen auftreten.

Voraussetzungen:

Vergleich mechanischer und elektrischer Schwingkreis
 
Pendel
Schwingkreis
1. Energiespeicher
Höhe der Masse
Potentielle Energie
Der Kondensator
Elektrische Energie
2. Energiespeicher
Geschwindigkeit der Masse
Kinetische Energie
Die Induktivität
Magnetische Energie
Resonanzfrequenz

Damit eine Schwingung entstehen kann, sind immer zwei Energiespeicher notwendig. Zwischen denen pendelt die Energie dann ständig hin und her. Es handelt sich also im Prinzip um einen endlosen Ausgleichsvorgang von einem zum anderen Energiespeicher. Die Geschwindigkeit des Ausgleichsvorganges, also die Frequenz der Schwingung ist von der Größe der beiden Energiespeicher abhängig.

Ein einfacher mechanischer Schwingkreis ist ein Pendel. Es kann sehr gut mit einem elektrischen Schwingkreis verglichen werden. Die beiden Energiespeicher sind beim Pendel zum einen die Geschwindigkeit der Masse und zum anderen die Höhe der Masse. Analog dazu ist beim Schwingkreis die Energie in einem Kondensator bzw. in einer Induktivität gespeichert.
Die Schwingung wird gestartet, indem man einmalig Energie zuführt. Das kann einerseits Lageenergie sein, indem man das Gewicht hochhebt und dann loslässt, oder es kann andererseits kinetische Energie sein, wenn man das Pendel im Totpunkt anstößt.
Beide Methoden führen zum gleichen Ergebnis, zu einer Schwingung.

So wird z.B. die Höhe des Gewichtes sofort in Geschwindigkeit umgewandelt, indem sich das Pendel zum Totpunkt hin bewegt. Dort hat es seine größte Geschwindigkeit und wenn man diese Höhe als Systemnull bezeichnet auch keine Lageenergie mehr. Da jede Masse träge ist, schießt das Pendel über den Totpunkt hinaus. Jetzt wird die kinetische Energie wieder in Lageenergie umgewandelt und das Spiel beginnt von Neuem.

Eine Besonderheit gibt es dabei allerdings. Damit der Ausgleich immer wieder von neuem beginnen kann muss jedem Speicher seine ganze Energie entzogen und in den anderen transformiert werden. Wenn immer ein kleiner Teil zurückbleiben würde, käme die Schwingung bald zum Stehen, weil sich die Restenergie bei jeder Schwingung erhöht, bis schließlich ein Gleichgewichtszustand herrscht.

Es wird demnach die gesamte Energie jeweils von einem in das andere Bauteil übertragen. Das ist ein nicht unbedingt üblicher Vorgang in der Physik. Zum Vergleich nehmen wir die klassische Wärmelehre. Die besagt, dass ein kalter Körper nie ohne Eingriffe von außen seine Energie an einen wärmeren abgeben kann. Es ist demnach sinnlos, ein Gefäß mit Wasser in einem Raum aufzustellen und zu hoffen, dass es auf Kosten der Raumtemperatur zu sieden beginnt. Umgekehrt ist es aber der Normalfall. Ein heißes Gefäß kühlt ab und erwärmt dadurch den Raum.
Was uns zur Freien Energie noch fehlt ist sozusagen ein thermischer Schwingkreis, denn den gibt es bis jetzt noch nicht. Ein solcher wäre in der Lage die Wärmeenergie aus der Umgebung ohne zusätzlichen Energieaufwand periodisch zu entziehen. Man hätte dann einen 100%igen Thermogenerator gebaut.  Die Wärmepumpe ist ein sehr guter Ansatz in diese Richtung, obwohl dabei nichts schwingt.

Eine Wärmepumpe baut eine tiefe Temperatur im Absorber auf, um Wärme aus der Umgebung aufnehmen zu können. Durch anschließende Kompression des Arbeitsmediums wird es auf eine höhere Temperatur gebracht und kann so die aufgenommene Energie an den Nutzkreislauf abgeben. Man muss ihr eine gewisse Leistung zuführen, um den Vorgang aufrecht zu erhalten und erhält dadurch eine größere Energiemenge am Ausgang, als zum Antrieb nötig ist. Die fehlende Energie wird der Umgebung entzogen. Gute Wärmepumpen liefern 4 bis 5 mal so viel Energie, wie zu ihrem Antrieb notwendig ist, der Spitzenwert liegt bei 6,1. Die gelieferte Energie wird gewöhnlich zu Heizzwecken o.ä. verwendet. Doch Energie kann beliebig in andere Formen gewandelt werden. Es ist offenbar noch nie jemand auf die Idee gekommen, einen Teil dieser Wärmeenergie in mechanische Energie umwandeln, um damit dann den Kompressor der Wärmepumpe anzutreiben.
Dazu könnte man herkömmliche Dampfturbinen oder einen Stirlingmotor verwenden. Besonders effektiv ist hier die Fischer-Maschine, die ein überhitztes Arbeitsmedium erst im Zylinder unter abgeschlossenen Bedingungen verdampfen und dann auch wieder kondensieren lässt, umso den Energieverlust im Kondensator zu vermeiden.
Selbst wenn ein schlechter Wärmemotor mit nur 30% Wirkungsgrad (alle Dampfturbinen) verwendet wird, liefert eine gute Wärmepumpe genug Energie, um sich selbst anzutreiben. Die Abwärme des Motors kann dann herkömmlich genutzt werden.
Rechnen wir das kurz für eine Wärmepumpe mit der Leistungszahl 4 und einem Wärmemotor mit 30% Wirkungsgrad durch: Mit 1kW Antriebsleistung erhalten wir 4kW an Wärmeenergie. Damit treiben wir den Motor an, der uns daraus etwa 1,3kW an mechanischer Energie liefert. Das reicht für der Antrieb völlig aus und zusätzlich bleiben noch 2,7kW an nutzbarer Wärmeenergie über.
Wir haben also eine selbstlaufende Maschine gebaut, die Energie von selbst aus der Umgebung zieht. Das sollte jeden einleuchten, der logisch denken kann. Trotzdem haben viele Theoretiker so ihre Probleme damit, da es dem 2. Hauptsatz der Wärmelehre widerspricht. Der sagt, es gibt kein Perpetuum mobile zweiter Art, also eine Maschine die ihre Antriebsenergie allein durch Abkühlung eines Körpers gewinnt. Dazu möchte ich die Begründung für den 2. Hauptsatz aus dem bekannten Physikbuch "Gerthsen Physik" von Helmut Vogel zitieren: Dieser typisch kapitalistische Wunschtraum - jemand leiht sich eine an sich wertlose Sache, verschafft sich damit alles was er will, und gibt sie trotzdem vollständig zurück - kann nicht funktionieren. Zitat Ende.
Eine solche gewagte und noch dazu unbewiesene Behauptung steht in einem Physikbuch, obwohl uns jede Wärmepumpe zeigt, dass es funktioniert. Ich möchte ein vernünftiges Argument hören, warum es nicht funktionieren sollte !
Doch was passiert jetzt, wenn wir so eine selbstlaufende Maschine, die gerade mal ohne Erzeugung von Überschusswärme läuft,  in einen vollkommen wärmeisolierten Behälter stellen ?
Die Maschine wird weiterhin Wärme aus dem Inneren des Behälters entziehen und zu ihrem Antrieb verwenden. Jetzt ist es aber so, dass natürlich überall in der Maschine diverse Verluste auftreten. Mann könnte also annehmen, dass sie irgendwann die Wärme im Inneren der Kiste aufgebracht hat und zum Stillstand kommt. Ich behaupte aber jetzt, dass sie trotzdem weiterlaufen wird, denn alle nur erdenklichen Verluste werden am Ende immer wieder in Wärme umgewandelt. Nehmen wir nur einmal z.B. die Reibung in den Lagern. Diese Energie geht unmittelbar in Wärme verloren und steht damit sofort wieder für den Antrieb zur Verfügung. Ähnlich ist es mit Schallwellen, die an einer entsprechenden Isolierung absorbiert und somit ebenfalls zu Wärme werden. (Setzt einen zusätzlich auch schalldichten Behälter voraus)
Viele Frage drängen sich jetzt auf:
Was treibt denn die Maschine an und warum läuft sie überhaupt ? Oder anders ausgedrückt, was außer Energie hält das Ungleichgewicht von Kalt und Warm aufrecht, das die Maschine zum Lauf benötigt ? Gibt es so etwas wie die Lebensenergie auch bei Maschinen ? Oder funktionieren gar nur solchen, die diese haben ?

Was in der Wärmetechnik also vorerst noch unmöglich ist, funktioniert in der Mechanik und Elektrotechnik sehr wohl. Aber auch dort ist es nicht selbstverständlich, dass ein Bauteil einem anderen die komplette Energie entzieht. Das ist nur mit einer ganz bestimmten Kombinationen von zwei gegensätzlichen Energiespeichern möglich.

Strom u. Spannung bzw. Höhe u. Geschwindigkeit, sind zwei extrem gegensätzliche Energiespeicher. Man könnte hier fast das bekannte Sprichwort „Gegensätze ziehen sich an“ verwenden. Hier ist es aber nicht so, dass sie sich anziehen, sondern, dass einer dem anderen die komplette Energie entzieht. Sie versuchen sich immer gegenseitig der Energie zu berauben, doch das klappt nicht. Die Natur sucht immer die harmonische goldene Mitte und so kommt es zu einer Schwingung. Beide Energiespeicher teilen sich die zur Verfügung stehende Energie zu gleichen Zeiteinheiten.

Um zu zeigen, dass es nicht mit jeder beliebigen Kombination von Energiespeichern funktioniert, nehmen wir z.B. zwei Gewichte, die über eine Schnur und eine Umlenkrolle miteinander verbunden sind. Das sind eindeutig zwei voneinander unabhängige und miteinander verkoppelte Energiespeicher.
Zieht man an einem Ende, so beschleunigen die Gewichte. Das eine beschleunigt nach unten und das andere wird hinaufgezogen. Es wird also die Lageenergie des einen Gewichtes, das talwärts fährt in Lageenergie des anderen, aufwärtsfahrenden umgewandelt. Trotzdem schwingen sie nicht. Bei einer reibungslosen Rolle würde das eine Gewicht immer tiefer hinunterfahren, bis es das andere schließlich an die Rolle stößt.
Wir sehen es geht nicht mit zwei gleichartigen Energiespeichern. Die Energie kann nicht aufgespeichert werden, weil kein Gefälle durch den Entzug von Energie entstehen kann.

Eine interessante Parallele dazu gibt es in der Elektrotechnik. Wenn ein Kondensator einen anderen auflädt entsteht ein ähnlicher Fall, bei dem jedoch auf mysteriöse Weise die halbe Energie verloren geht. Das führt uns zum Kondensatorproblem.


3.3. Kondensatorproblem

Kondensatoren sind die Energiespeicher, deren Energieinhalt sehr dauerhaft und vor allem gut messbar ist. Jeder, der schon einmal einen vollen Kondensator kurzgeschlossen hat, wird das bestätigen können. In der Elektrotechnik wird der Energieinhalt nach der Formel W=C*U²/2 erfasst. Die Höhe der Spannung an einem geladenen Kondensator ist demnach ein quadratisches Maß für seinen Energieinhalt. Doppelte Spannung, vierfache Energie. Halbe Spannung, ein Viertel der Energie usw.

Was passiert, wenn ein voll geladener Kondensator einen gleichartigen, aber leeren aufladen muss ?
Schwingen kann das System nicht, dass haben wir aus dem vorigen Beispiel mit den zwei Gewichten gesehen. Dazu fehlt ein andersartiger Energiespeicher, also in diesem Fall eine Induktivität.
Die richtige Antwort auf diese zunächst einfach wirkende Frage ist, dass sich die Spannung dadurch halbiert. Doch vorher haben wir gesagt, die Spannung ist ein quadratisches Maß. Die halbe Spannung bedeutet, auch nur mehr ein Viertel der Energie. In jedem Kondensator ist jetzt je ein Viertel. Das macht zusammen nur noch die Hälfte der ursprünglich zur Verfügung gestandenen Energie. Wo ist die andere Hälfte hingekommen ?

Das ist eine Frage die sogar in Universitäten zu einiger Aufregung und langen Diskussionen führt. Der Fehler vieler ist, hier mit dem so beliebten Energieerhaltungssatz zu arbeiten. Wenn man nämlich annimmt, dass sich die Energie des einen Kondensator gleichmäßig auf beide aufteilt, liegt man völlig falsch. In Wirklichkeit ist es die Ladung die sich gleichmäßig aufteilt und von der auch nichts verloren geht.( Q=C*U ) Ladung ist nicht das selbe wie Energie. Erst ihre Bewegung von einem zum anderen Kondensator setzt Energie frei. Die Gesamtladung wird durch diesen Vorgang aber nicht beeinträchtigt. Wenn man es schafft die Ladung wieder auf dem ersten Kondensator ohne Energieaufwand zurückzuführen, dann haben wir Freie Energie. Vielleicht eine Erklärung für das Funktionsprinzip der Testatika.

Kondensatoren sind sehr verlustarme Bauteile, wie ihr oft wochenlanges Speichervermögen zeigt. Man könnte jetzt annehmen, dass der Ausgleichsvorgang ebenfalls sehr verlustarm ablaufen wird.
Tatsache ist aber, dass selbst wenn man die beiden Kondensatoren schlagartig miteinander verbindet, nachher immer nur die halbe Spannung festzustellen ist.
Es ist gleich welcher und ob überhaupt ein Ausgleichswiderstand verwendet wird. Seine Größe wirkt sich nur auf die Dauer des Umladevorgangs aus. Es ist nicht so, dass bei Verwendung eines kleineren Widerstandes mehr überbleibt, als bei Verwendung eines großen.
Selbst wenn eine Induktivität verwendet wird, die ja selbst auch eher verlustarm ist, ist das Ergebnis das gleiche. Jetzt tritt zwar eine Schwingung auf und für einen Augenblick ist wirklich die gesamte Energie im zweiten Kondensator und der erste ist leer. Doch wenn man die Schwingung ausklingen lässt ist nachher immer die Spannung nur noch halb so groß. Die halbe Energie ist auch hier beim Ausgleich verloren gegangen.

Aus der Tatsache, dass es mit einem Widerstand Energieverluste gibt, kann man folgern, dass die Energie an  den ohmschen Widerständen in Wärme verloren geht. So ist auch bei Verwendung einer Induktivität immer ein geringer Widerstand im Kreis vorhanden, der sich aus allen Verlustwiderständen zusammensetzt.

Das ist ein Vorgang, der nicht ohne Energieverlust ablaufen kann. Egal was wir zum Ausgleich verwenden, es muss immer die halbe Energie verloren gehen, damit der Ausgleich vollständig ist. Das steht ganz im Gegensatz zum dem Schwingkreis, bei dem der Ausgleich immer vollständig und ohne Energieverlust abläuft.

Wenn wir einen Vorgang schaffen können, der nicht ohne Energieverlust ablaufen kann und damit meine ich nicht, dass er mit einem allfällig auftretenden unvermeidbaren Energieverlust verbunden ist, sondern einen konstanten, genau vorbestimmten Energieverlust, dann muss es auch möglich sein einen Vorgang mit Energiegewinn zu schaffen.

Der Effekt beim Umladen der Kondensatoren lässt sich auf einfache Weise veranschaulichen, indem man einen variablen Widerstand anstelle eines Fixwiderstandes verwendet. Man stelle sich vor, der Widerstandswert wird immer so eingestellt, dass zu jeder Zeit des Ausgleichsvorganges der gleiche Strom fließt. D.h. zu Beginn ist ein großer Wert eingestellt, der dann allmählich zu null hin abfällt. Im letzten Moment des Ausgleiches ist der Widerstand Null und danach kann kein Strom mehr fließen, weil die Kondensatoren die gleiche Spannung aufweisen.

Der Kondensator C1 sei zunächst auf die Spannung UC1=U0 geladen. Zum Zeitpunkt t=0 wird der Schalter geschlossen und Strom kann zum leeren Kondensator C2 fließen. Jetzt wird ständig mit R(t) nachgeregelt, so dass  immer ein konstanter Strom fließt. Die Spannung UC2 wird dadurch im gleichen Maße linear ansteigen, wie die Spannung UC1 absinkt. Dieser Vorgang ist erst beendet, wenn beide Spannungen U0/2 erreicht haben.
Die Spannung UR hat während dieser Zeit den vollen Bereich von U0 bis Null durchlaufen. Zu Beginn stellt C2 ja einen Kurzschluss dar, wodurch die gesamte Spannung von C1 am Widerstand anliegt.
Die Energie die der Widerstand in dieser Zeit umsetzt errechnet sich demnach mit W=Uo*I*t1/2 genau die gleiche wie in C2 übertragen wird oder wie sie aus C1 abgezogen wird. D.h. Je ¼ der ursprünglichen Energie ist in einem Kondensator und der Rest ist am Widerstand verloren gegangen.


3.4. Grundlagen des elektrischen Schwingkreises

Doch nun zurück zu den Schwingungen. Nach den Betrachtungen in der Mechanik wollen wir uns jetzt einem elektrischen Schwingkreis zuwenden. Ein solcher besteht analog zur Mechanik ebenfalls aus zwei gegensätzlichen Energiespeichern. Es sind dies ein Kondensator und eine Induktivität. Der Kondensator ist ein Energiespeicher für Spannung und die Induktivität ein Speicher für Strom. Für den Energieinhalt werden in der Elektrotechnik die zwei bekannten Formeln W=C*U²/2 und W=L*I²/2 verwendet. Man spricht von der Dualität zwischen Kondensator und Induktivität. Das ist der Fachausdruck für den extremen
Gegensatz dieser beiden Bauteile, der eine Schwingung überhaupt erst möglich macht.

Um das Verhalten eines Schwingkreises zu verstehen, ist es zunächst wichtig, die Eigenheiten der beiden Energiespeicher zu verstehen. Ein Kondensator speichert die Energie in Form von Spannung. Um ihn zu laden, muss ein Strom durch ihn fließen, was zu einer Erhöhung der Spannung führt. Der Vergleich mit einem Wassergefäß, welches durch eine Wasserleitung gespeist wird drängt sich hier auf. Die Höhe des Wasserspiegels in dem Gefäß repräsentiert die Spannung und die Zuflussmenge den Strom.
Eine weitere wichtige Eigenschaft ist die Unmöglichkeit die Spannung an einem Kondensator sprunghaft zu ändern. Dazu wäre ein unendlich hoher Strom nötig, bzw. würde dieser frei werden. Praktisch zeigt sich das beim Kurzschluss eines Kondensators, wobei extrem hohe Ströme entstehen.
Analog oder besser gesagt dual dazu verhält sich die Induktivität. Sie speichert die Energie in Form von Strom. Eine Spannung ist nötig, um diesen Strom langsam ansteigen zu lassen und eine sprunghafte Stromänderung ist unmöglich. Wird dies versucht, so führt das zu den bekannten Effekten der Selbstinduktion, wodurch eine extrem hohe Spannungsspitze erzeugt werden kann.
Induktivitäten können nicht so verlustfrei gebaut werden wie Kondensatoren. Deshalb werden sie oft gar nicht als Energiespeicher angesehen. Eine kurzgeschlossene Induktivität würde zumindest theoretisch einen immer fortwährenden Strom führen. Praktisch ist das aufgrund der ohmschen Verluste im Drahtmaterial nicht möglich.
Dieser Zustand wird nur in der Supraleitertechnik erreicht und ist als Meißner-Effekt bekannt. Dabei schwebt ein Magnet über einem Supraleiter, da in diesem immer fortwährende Kreisströme fließen und ein Magnetfeld aufbauen.

Die Kombination von Kondensator und Induktivität z.B. in Form einer Parallelschaltung stellt einen Schwingkreis dar. Nehmen wir zunächst an, der Kondensator sei vor dem Zusammenschalten aufgeladen. Wird er mit der ungeladenen Induktivität verbunden, so beginnt ein Strom zu fließen. Elektrische Energie wird in magnetische umgewandelt, die Induktivität also aufgeladen. Sie hat die ganze Energie aufgenommen, wenn am Kondensator keine Spannung mehr auftritt, er also völlig leer ist.
Die Induktivität versucht jetzt den Strom und ebenfalls die Stromrichtung aufrechtzuerhalten. Hier haben wir das „über das Ziel hinaus schießen“ wieder. Der in gleicher Richtung durch den Kondensator fließende Strom hat zur Folge, dass er sich jetzt mit umgekehrter Polarität auflädt. Magnetische Energie wird in elektrische umgewandelt. Das geht solange, bis die Induktivität keine Energie mehr besitzt und der Strom Null wird.
Jetzt beginnt der ganze Vorgang mit umgekehrter Polarität nochmals. Das ist vergleichbar mit dem Pendel, das ja auch auf beide Seiten ausschlägt. Danach ist der Ausgangszustand erreicht und alles beginnt von Neuem.


3.5. Spannungs- und Stromüberhöhung

Die Frequenz, also die Geschwindigkeit des Ausgleichsvorganges ist von der Größe der beiden Energiespeicher abhängig. Je mehr Energie sie speichern können, umso länger dauert der Ausgleich und umso langsamer wird die Schwingung. Die Frequenz eines elektrischen Schwingkreises kann nach der bekannten thomsonschen Schwingungsgleichung f=1/(2Pi*Sqrt(L*C)) berechnet werden. Das Produkt der Größe der beiden Speicher geht auf die Frequenz ein.

Doch was passiert, wenn beide Bauteile gegeneinander verändert werden. Angenommen in einem Schwingkreis wird der Kondensator verkleinert und die Induktivität so erhöht, dass sich wieder die gleiche Resonanzfrequenz einstellt. Auf den ersten Blick hat sich nichts verändert doch es gibt einen wesentlichen Unterschied. Die Induktivität kann jetzt viel mehr Energie speichern und muss diese auf einen viel kleineren Kondensator abgeben. Dieser muss aber die gesamte Energie aus der Induktivität aufnehmen und das kann er nur, indem er seine Spannung erhöht. Mit einer höheren Spannung kann er die gleiche Energie speichern wie ein großer Kondensator bei geringer Spannung.
Analog dazu verhält sich der Schwingkreis, wenn die Induktivität verringert wird. Dann wird ein höherer Strom zum Fließen kommen.

Innerhalb eines Schwingkreises können demnach höhere Spannungen und Ströme auftreten als extern zugeführt werden. Man nennt diese Erscheinung Strom- bzw. Spannungsüberhöhung. Das lässt sich ausnutzen, um eine Transformation des Strom- bzw. Spannungsniveaus herbeizuführen.

Dieses kleine Experiment soll das veranschaulichen. Mit einer Vorschaltdrossel einer Leuchtstoffröhre und einem Motorkondensator wird ein Schwingkreis gebildet. Wenn man die Resonanzfrequenz nachrechnet wird man feststellen, dass sie genau 50Hz ist. Das ist unsere Netzfrequenz. Vor dem Zuschalten des Kondensators leuchtet die Lampe nur sehr schwach und es sieht so aus, als könnte das ohne Zuhilfenahme eines zweiten Trafos, der alles wieder auf 220V hochspannt, nicht geändert werden. Wird der Kondensator aber zugeschaltet, leuchtet sie plötzlich fast so hell wie im Normalbetrieb und das mit nur 40V Eingangsspannung ! Eine Messung zeigt uns, dass die Spannung an der Lampe jetzt 200V ist. Der Trafo aber immer noch 40V liefert.
Diese Art der Transformation ist genau so effektiv wie die magnetische Transformation. Sie findet in der Hochfrequenztechnik häufig Anwendung. Denn dort ist es wirtschaftlicher, mit einem kleinen Kondensator und einer kleinen Spule zu transformieren, als teures Magnetmaterial für die hohen Frequenzen zu verwenden. Trotzdem ist sie bei weitem nicht so bekannt wie das Prinzip des Trafos.

Auf diesem Prinzip beruht ein auf den ersten Blick sehr seltsamer Effekt. An einem Netztrafo wird die Spannung im Leerlauf gemessen. Nach Belastung mit einem Kondensator wird eine höhere Ausgangsspannung festgestellt, obwohl jetzt Strom durch die Sekundärwicklung fließt. Es ist also gar nicht so selbstverständlich, dass durch eine Belastung immer die Spannung absinken muss.
Dieses der Freien Energie sehr ähnliche Verhalten ist darauf zurückzuführen, dass der angeschlossene Kondensator mit der Streuinduktivität des Trafos einen Schwingkreis bildet.
Da die Streuinduktivität sehr kein ist, erreicht man mit üblichen Kondensatorwerten kaum Resonanz, so dass nur eine sehr geringe Erhöhung auftritt. Wird die Induktivität vergrößert, so wie bei dem vorigen Versuch, dann kann die Spannung mit unter gewaltig hoch ansteigen.


3.6. Funktionsprinzip des Teslatrafos

Jetzt kann man sich schon etwa vorstellen, wie ein Teslatrafo die Spannung transformiert. Die große Induktivität der Sekundärspule ist nicht zu übersehen und die Kapazität ist so klein, dass sie gar nicht direkt als Bauteil zu erkennen ist.

Um die Kapazität zu erkennen, muss man zunächst wissen wie Kapazität entsteht. Die Kapazität kommt durch Ladungen zustande, die sich auf der Oberfläche eines leitenden Materials sammeln. D.h. es sind leitende Flächen nötig, um Kapazität zu erzeugen.
Am besten zeigt das ein Plattenkondensator. Große, leitende Flächen sind durch dünne Isolierschichten getrennt. Die Ladungen sammeln sich an der Außenfläche der Leiterplatten. Je größer diese Fläche ist, umso mehr Ladungen können gespeichert werden und umso größer wird die Kapazität.

Bei der Sekundärspule des Teslatrafos gibt es auch große Flächen, nämlich einerseits die Oberfläche der einlagigen Spule und des Toroids und andererseits die geerdete Grundfläche. Das diese Kapazitäten nur sehr klein sein, kann man sich auch ohne Berechnung vorstellen. Aber genau diese Kapazität ist es, die mit der großen Induktivität der Sekundärspule in Resonanz gebracht wird. Die gesamte Energie aus der großen Sekundärspule muss in ein, nicht mal direkt sichtbares Bauteil übertragen werden, das eigentlich nur aus der Umgebung des Teslatrafos besteht. Das führt dann zu einer gewaltigen Spannungsüberhöhung eben in der nahen Umgebung des Toroids, die sich an der Spitze als Entladungsfunken äußert.

Die Erhöhung der Spannung erfolgt wegen der verteilten Kapazität entlang der Sekundärwicklung natürlich kontinuierlich. Die unteren Windungen besitzen eine relativ große Kapazität, wodurch dort keine sehr hohe Spannung auftreten kann. Nach oben hin sinkt die Kapazität der Windungen immer weiter ab, so dass die Spannung mit zunehmender Höhe ansteigt. Das verhindert Überschläge am unteren Ende der Spule und verringert die Belastung der Lackisolierung, denn vielleicht haben Sie sich schon gefragt, wie ein normaler Lackdraht solche Spannungen aushalten kann. Die Antwort darauf liegt in dieser gleichmäßigen Verteilung der Spannung. Zwischen zwei Windungen, egal auf welcher Höhe, liegt immer nur eine relativ kleine Spannung an. Man kann sich das mit der Funkenlänge veranschaulichen, indem man die max. Länge einfach auf die Höhe der Sekundärspule überträgt. Wenn der Funken so lang wie die Sekundärspule ist, würde zwischen zwei Windungen nur eine Funkenlänge in der Größe des Drahtdurchmessers auftreten.
Das kann nur mit Wechselspannung funktionieren. Würde eine Gleichspannung am oberen Ende angelegt werden, so käme es sofort zu Überschlägen am unteren Ende.


3.7. Funktion des Toroids

Der Toroid  an der Spitze hat die Aufgabe, die Kapazität gegenüber der innerhalb der Spule auftretenden Kapazität zu erhöhen. Eine hohe Spannung innerhalb der Spule, zwischen den Windungen bringt keine Funkenlänge, sondern nur eine unnötige Belastung der Drahtisolierung.
Die Kapazität des Toroids dagegen liegt an seiner Oberfläche sozusagen frei im Raum und genau dort wollen wir ja die höchste Spannung haben. Der Toroid „zieht“ den Funken sozusagen aus der Spule heraus und legt ihn im Raum frei.

Das Verhältnis von Kapazität zu Induktivität ist im Verlauf der Höhe natürlich nicht linear. Die immer größer werdende Länge der Teilkapazitäten und die mit der Windungszahl quadratisch ansteigende Induktivität führt dazu, dass am oberen Ende eine viel zu kleine Kapazität zur Verfügung steht. Das wird meistens durch einen Toroid oder sonst irgendeinem Objekt mit großer Oberfläche an der Spitze ausgeglichen. Manche Teslatrafos verwenden dazu auch eine Wicklung mit variablem Windungsabstand. Am oberen Ende wird ein größerer Abstand gewickelt, wodurch dort die Induktivität verringert wird.

Jetzt wissen wir, wie es der Teslatrafo ohne Magnetkopplung schafft die Spannung zu transformieren. Diese Methode ist mindestens ebenso effektiv und baut um einiges leichter als ein Netztrafo.

Doch um diese Transformation zustande kommen zu lassen, ist es zuerst einmal notwendig, Energie auf den Schwingkreis der Sekundärspule zu übertragen.


3.8. Prinzip des Impulsteslatrafos

Ein klassischer Teslatrafo verwendet dazu ein spezielles Verfahren, dass zu extrem großen Leistungsspitzen führt. Im Primärkreis wird nicht nur einfach die richtige Frequenz erzeugt, sondern ein kurzer, aber extrem kräftiger Impuls mit der passenden Frequenz.
Dazu wird immer noch die gute alte Funkenstrecke eingesetzt. Mit diesem Bauteil wurde von Nikola Tesla schon lange vor der Erfindung der Vakuumröhre Hochfrequenz erzeugt. Der Name Funk kommt auch aus dieser Zeit, da in den ersten Sendern eben Funkenstrecken verwendet wurden.

Die Funkenstrecke fungiert eigentlich nur als Schalter. Da sie sich aber selbsttätig schließt, indem sie zündet und öffnet indem sie löscht, ist sie mit einem aktiven Bauteil zu vergleichen.
In der Prinzipschaltung ist die Funktion eines Funkenstreckengenerators am besten sichtbar. Der Trafo lädt über die Primärspule den Primärkondensator auf. Bei Erreichen der Zündspannung zündet die Funkenstrecke. Der brennende Funken ist mit einem Kurzschluss des Trafos gleichzusetzen. Das soll uns vorerst noch nicht stören. Später werden wir noch einige Maßnahmen kennen lernen, die diesen Kurzschluss dämpfen.
Wichtig ist vorerst nur, dass dadurch auch der geladene Kondensator parallel zur Primärspule geschaltet wird. Der so entstandene Schwingkreis schwingt jetzt mit seiner Resonanzfrequenz und kann bei richtiger Abstimmung Energie in die Sekundärspule übertragen. Wenn die Schwingung weit genug abgeklungen ist, dass der Strom unter den Löschstrom der Funkenstrecke fällt, dann öffnet sie den Schwingkreis wieder und der Vorgang kann von Neuem beginnen.


3.9. Gekoppelte Schwingkreise / Pendelschwingung

Als nächstes wollen wir uns den Vorgang der Energieübertragung von der Primär- zur Sekundärspule etwas näher ansehen, denn das ist keine normale magnetische Kopplung, welche die Spannung in einem fixen Verhältnis transformieren würde. Die Kopplung bei Teslatrafos ist sehr lose, was sich durch große Abstände zwischen der Primär- und Sekundärspule äußert. Da drängt sich natürlich die Frage auf, wie es mit so einer Kopplung überhaupt möglich ist, die großen Energiemengen zu übertragen. Die Antwort darauf liefert uns wieder das Schwingungsphänomen in der Mechanik.

Werfen wir zunächst wieder einen Blick auf die Pendel. Wenn auf dem Seil ein zweites, gleichartiges Pendel aufgehängt wird, so ist ein ähnlicher Aufbau gegeben wie bei zwei lose gekoppelten Schwingkreisen. Über das Seil kann keine Drehbewegung auf das andere Pendel übertragen werden, da in den Pendelköpfen Lager eingebaut sind. Nur die rhythmischen Hin- und Herbewegungen des Seils können das andere Pendel beeinflussen. Wird nun ein Pendel angestoßen, so schwingt es ganz normal. Im Laufe der Zeit wird es jedoch das andere Pendel ebenfalls in Schwingung versetzen. Das liegt hauptsächlich daran, dass beide Pendel die gleiche Schwingfrequenz haben. Mit zwei unterschiedlich langen Pendel funktioniert das nicht. Die Bewegung des Seils hat genau die richtige Frequenz um das Pendel in Bewegung zu versetzen.
Doch auch wie beim gewöhnlichen Schwingkreis schießt diese Schwingung über ihr Ziel hinaus. Das eigenartige Ergebnis ist, dass das ursprünglich angestoßene Pendel vollständig zur Ruhe kommt und das zweite mit der ursprünglichen Amplitude schwingt.
Dieser Vorgang wiederholt sich dann mit umgekehrter Richtung und läuft dann immer weiter fort.

Auch beim Teslatrafo sind der Primär- und der Sekundärkreis zwei Schwingkreise welche auf gleiche Resonanz abgestimmt sind. Innerhalb eines jeden Schwingkreises pendelt die Energie immer zwischen Kondensator und Induktivität hin und her. Im weiteren Sinn könnte man sagen, ein Schwingkreis ist ein Energiespeicher für Wechselstrom. An einem idealen, verlustlosen Schwingkreis würde auch tatsächlich eine einmal angelegte Wechselspannung fortwährend erhalten bleiben.
Der Teslatrafo besteht jetzt aus zwei dieser Wechselspannungs-Energiespeicher. Wie wir jetzt schon wissen, kann es zwischen zwei Energiespeichern zu einer Schwingung kommen.
Genau das ist beim Teslatrafo der Fall. Die Wechselspannungsenergie pendelt zwischen Primär- und Sekundärkreis hin und her. Man nennt diese Art der Schwingung Pendelschwingung. Die Frequenz der Pendelschwingung muss natürlich kleiner sein, als die der Resonanzfrequenz der Schwingkreise. Die Frequenz, wird nur durch den Koppelfaktor zwischen Primär- und Sekundärspule bestimmt. Eine feste Kopplung führt zu einer schnelleren Schwingung, eine lose Kopplung zu einer langsameren Schwingung. Aber selbst bei einer losen Kopplung ist das Ergebnis immer das gleiche. Es dauert nur länger, bis die gesamte Energie im Sekundärkreis ist.

Die Parallele dazu ist in der Mechanik der Abstand der beiden Pendel zueinander. Werden sie näher zusammengerückt, so erfolgt der Ausgleich schneller. Bei weiterer Entfernung braucht es mehrere Schwingungen bis die Energie übertragen ist.

So wie bei einem normalen Schwingkreis eine 90° Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung herrscht, ist bei der Pendelschwingung die Spannung des Sekundärkondensators gegenüber der des Primärkondensators um 90° verschoben.
Das erklärt auch, warum eine Schwingung zwischen den zwei gleichen Energiespeichern überhaupt möglich ist. Beide tragen die Gegensätze ja schon in sich. Es tritt als immer ein Bauteil aus einem Kreis mit dem gegensätzlichen aus dem anderen Kreis in Wechselwirkung.

Um sich ein besseres Bild von diesem Verhalten machen zu können, habe ich eine ähnliche Schaltung in PSpice  6.3 unter Win 95 simuliert. Die Schaltung beschreibt zwei lose aneinander gekoppelte Schwingkreise mit gleicher Resonanzfrequenz, jedoch mit unterschiedlichen Bauteildimensionierungen. Daraus ergibt sich zusätzlich zur Pendelschwingung auch noch eine Transformation der Spannung.
Die Simulation läuft so ab, das zunächst einmal U6 geschlossen ist, wodurch sich der Kondensator auf 100V auflädt. Nach 2µs öffnet sich U6 und U5 schließt den Schwingkreis. Für den weiteren Verlauf bleiben die Schalter in dieser Stellung und der Schwingkreis ist sich selbst überlassen.

Das Ergebnis zeigt schön die Pendelschwingung und die Transformation der Spannung. Aus nur 100V im Primärkreis werden etwa 3kV im Sekundärkreis.
Trotz des geringen Koppelfaktors zwischen L1 und L2 von nur 0,2 ist bereits nach 10µs die gesamte Energie im Sekundärkreis und pendelt danach schon wieder in den Primärkreis zurück.
Durch den 500kOhm Widerstand im Sekundärkreis wird die Belastung durch den Funken simuliert. Dadurch klingt die Schwingung im Laufe der Zeit stark ab.
Aus diesem Verhalten kann man sich den optimalen Zeitpunkt zum Löschen der Funkenstrecke ableiten. Eine Funkenstrecke löscht immer dann, wenn der Strom durch sie Null wird. Das ist in der Simulation nach ca. 10µs der Fall. Dann ist nämlich die gesamte Energie im Sekundärkreis.
Es wird also bei richtigem Löschen der Funkenstrecke die gesamte Energie aus dem Primärkreis in den Sekundärkreis übertragen und bleibt auch dort, denn ist der Primärkreis einmal aufgetrennt kann keine Energie mehr in ihn zurück schwingen. Der gegensätzliche Pol ist abgetrennt und es gibt keinen Sog mehr, der die Energie zurückholen könnte.
Das ist ein Phänomen, wie es nur bei schwingenden Systemen auftreten kann. Bei einer magnetischen Kopplung ist das unmöglich. Dort wird Spannung immer 1:1 übertragen.
Hier jedoch wird nicht etwa eine Frequenz erzeugt und ein Teil davon in die Sekundärspule eingekoppelt, sondern die Energie wird vom Sekundärkreis richtiggehend aus dem Primärkreis herausgezogen. Bei optimalen Löschpunkt der Funkenstrecke ist der Primärkreis nachher völlig stromlos.


3.10. Prinzip des Trägerteslatrafo

Das Prinzip des Trägerteslatrafos ist viel einfacher, aber auch nicht so effektiv. Die Resonanzfrequenz der Sekundärspule wird im Normalfall einfach mittels einer zweiten Wicklung wie beim Impuls-Teslatrafo eingekoppelt. Die HF-Leistung kommt von einem HF-Generator. Der HF-Generator erzeugt im Normalfall eine Schwingung mit konstanter Amplitude. Das ist mit einem Sender zu vergleichen, der unmoduliert ist und nur seine Trägerfrequenz erzeugt. Daher kommt auch die Bezeichnung Trägerteslatrafo oder CW-Teslatrafo. CW ist englisch und bedeutet Carrier Wave, also Trägerwelle.
Der vorher beschriebene Effekt der lose gekoppelten Schwingkreise tritt hierbei nicht auf. Es gibt keinerlei Pendelschwingung zwischen den beiden Spulen und der Koppelfaktor kann in einem großen Bereich variiert werden, ohne die Funktion dadurch zu beeinflussen.
Eine Sonderform des CW-Teslatrafos ist jene, bei der es keine Primärspule gibt. Das ist möglich, wenn man den HF-Generator am Fußpunkt der Sekundärspule anschließt. Auf den ersten Blick sieht das dann zwar so aus, als könne da nie Strom fließen, doch die langen Funken am Kunststoffschweißgerät beweisen es.
Der Strom kann dann durch die unsichtbaren Kapazitäten genau so fließen, wie er es auch bei der Erregung durch eine Primärspule tun würde. Für eine solche Erregung muss der HF-Generator nur eine genügend hohe Spannung zur Verfügung stellen. Beim Kunststoffschweißgerät ist dies der Fall, da es ohnedies im Normalbetrieb eine kapazitive Last treiben muss.

Ich will hier nur ganz kurz auf die Schaltung des Mittelwellensenders zur Versorgung des CW-Teslatrafos eingehen. Es soll nur dazu dienen, die Unterschiede zwischen Träger- und Impulsteslatrafo besser zu veranschaulichen.
Das Schaltbild des Modulators zeigt die drei Stufen der Signalaufbereitung. Mit T1 wird zunächst einmal die Trägerfrequenz erzeugt. T1 arbeitet als Meißneroszillator und mit C2 wird die Frequenz eingestellt. Die noch unmodulierte Trägerfrequenz kommt zu dem Dual-Gate-MosFet T3. Dort wird sie mit der NF, die von T2 vorverstärkt wird überlagert. Das Mischprodukt steht an R12 zur Verfügung. Durch C9 wird die HF ausgekoppelt und die Reste der NF unterdrückt. T4 verstärkt das fertige Signal für die Endstufe.

Das so gewonnene Signal wird jetzt noch durch zwei weitere Verstärker geschickt, deren Aufgabe es ist, die nötige Leistung zu erbringen. Der Transistor T1 dient als Treiber für die Röhrenendstufe und verstärkt hauptsächlich die Spannung auf ca. 50Vpp.
Rö1 schließlich erzeugt daraus mit 350V Anodenspannung die 30W HF-Leistung. Sie arbeitet auf einen Schwingkreis, der auf ca. 1MHz abgestimmt ist und wegen der festen Kopplung des Ausganges eine sehr flach abfallende Resonanzspitze hat.

Das Prinzip dieses Senders, sowie unsere gesamte heutige Elektronik stehen im krassen Gegensatz zu der Arbeitsweise eines Impulsteslatrafos. In der Elektronik wird das Signal über viele Stufen geschickt, die alle kleine Veränderungen vornehmen. Keine dieser Stufen ist auf effiziente Energieübertragung ausgelegt. Überall gibt es Verluste mit denen schon gerechnet wird und für Impulsbelastungen sind die Bauteile überhaupt nicht geschaffen.
Doch gerade der Impuls und die effiziente Energieübertragung sind das Geheimnis des Teslatrafos. Mit keinem elektronischen Bauteil könnten so große Funkenlängen erreicht werden wie durch den Einsatz einer Funkenstrecke.


3.11. Schaltung des Impulsteslatrafos

Der praktische Aufbau eines Impulsteslatrafos benötigt einige zusätzliche Einrichtungen. Der Schaltplan zeigt den Aufbau, wie er in diesem kleinen Impulsteslatrafo verwirklicht ist.
Beginnend von der Netzseite her, ist der erste zusätzliche Bauteil ein Netzfilter, dass HF-Störungen, die vom Trafo Richtung Netz fließen, unterdrücken soll. Die HF fällt an den Induktivitäten ab, und wird durch den Kondensator kurzgeschlossen. Die beiden gegen Masse gelegten Kondensatoren, auch Y-Kondensatoren genannt, verhindern symmetrische Störungen, die auf beiden Leitungen gleichphasig auftreten. Es gibt manchmal Diskussionen über die Einbaurichtung dieses Filters. Es wird oft argumentiert, dass es umgekehrt, also mit den Y-Kondensatoren auf der Netzseite eingebaut werden sollte, da nur dann symmetrische Störungen unterdrückt werden könnten. Das ist aber nicht so, denn bei einer auf beiden Leitungen auftretenden Störung fließt durch die Drosseln kein Strom, so dass sie unwirksam sind. Es ist egal, ob die Y-Kondensatoren davor oder danach liegen. Es kommt nur auf eine gute Erdung der Y-Kondensatoren an.

Vor dem Netztrafo liegt dann eine Drossel mit 0,8H. Das ist in diesem Fall ein Vorschaltgerät einer 40W/0,43A Leuchtstoffröhre. Sie hat die Aufgabe, den Strom durch den Trafo zu begrenzen. Das ist beim Zünden der Funkenstrecke wichtig, denn eine Gasentladung hat die Eigenschaft durchzugehen. D.h. ab einem gewissen Strom wird der Funkenkanal immer niederohmiger, wodurch er noch mehr Strom zieht, welcher ihn weiter aufheizt, wodurch er wiederum leitender wird usw.
Das ist ein Verhalten, dass zur Erregung nicht zu gebrauchen ist. Wir wollen hier nur eine kurze Zündung und dann soll die Funkenstrecke schnell wieder löschen. Wenn eine Strombegrenzung vor dem Trafo eingebaut wird, hat das zur Folge, dass bei einem Kurzschluss an der Sekundärseite, die Primärspannung am Trafo zusammenbricht. Es sinkt dann ebenfalls die Spannung auf der Sekundärseite ab. So bekommt der Lichtbogen nicht genügend Energie um durchzugehen. Eine solche Begrenzungsdrossel kann man natürlich auch auf der Sekundärseite vorsehen. Wegen der hohen Spannung ist dort aber die Isolation viel aufwendiger und so eine Drossel ist kaum zu bekommen. Hier nutzt man das spannungssteife Verhalten des Netztrafos und verlagert die Drossel auf die Primärseite, wo dann ein normales Vorschaltgerät verwendet werden kann.

Auf der Sekundärseite des Trafos folgen noch zwei weitere Bauteile zum Schutz des Trafos. Der Kondensator parallel zum Ausgang verhindert mit Hilfe der Induktivität das Eindringen von HF in die Sekundärwicklung des Trafos. Die HF die aus dem Erregerkreis kommt, fällt an der Drossel ab und wird durch den Kondensator kurzgeschlossen. Diese Drossel hat die Aufgabe, die Spannung an den Schwingkreis zu bringen und gleichzeitig die HF vom Trafo fern zuhalten. Die Drossel heißt aus diesem Grund auch Spannungszuführungsdrossel und ist in einem Sender in ähnlicher Weise vorhanden. Sie soll auch dort verhindern, dass HF aus dem Erregerkreis durch die niederohmige Spannungsversorgung abgezogen wird.

Hier werden Drossel und Kondensator in einer ganz anderen, nicht auf Resonanz abgestimmten Weise verwendet. Hier nutzt man die Eigenschaft von diesen Bauteilen für Wechselstrom einen Widerstand darzustellen. Das ist zunächst nicht ganz einleuchtend, da ja diese Bauteile im Idealfall verlustfrei arbeiten, also auch keine Leistung umsetzen können. Ein Wechselstromwiderstand hat auch nicht die Aufgabe Energie zu verbrauchen. Sein Widerstand kommt einfach dadurch zustande, dass er einen Teil der Energie wieder zum Erzeuger zurückschickt. Das liegt in der Tatsache begründet, dass die Bauteile Energie speichern können. Im Verlauf einer Periode der Wechselspannung nehmen diese Bauteile zweimal Energie auf und geben die gleiche Menge innerhalb der zweiten Halbperiode wieder ab. Das ist ähnlich dem Verhalten eines Schwingkreises. Die Größe der dabei transportierten Energiemenge wird als Blindleistung bezeichnet. Ein Wechselstromwiderstand wird daher auch Blindwiderstand genannt. An ihm kann keine Leistung umgesetzt werden.

Bei sehr großen Teslatrafos wird oft auch eine so genannte Schutzfunkenstrecke verwendet. Diese liegt parallel zum Trafo und ist so eingestellt, dass sie bei der Leerlaufspannung des Trafos gerade noch nicht zündet. Wenn jetzt zusätzliche HF-Energie auf dem Erregerkreis, z.B. bei Fehlabstimmung, kommt, zündet sie und schützt den Trafo vor HF Überschlägen. Der Kurzschlussstrom muss dazu natürlich schon auf der Primärseite begrenzt werden.

Dann folgt die Funkenstrecke, die zunächst nur als Spitzenfunkenstrecke gezeichnet ist. Auf deren genauen Aufbau werde ich später noch eingehen.

Eine Besonderheit dieses Teslatrafos ist die zuschaltbare Primärkapazität. Über einen Stufenschalter können im Betrieb 4 Gruppen zu je 136pF zugeschaltet werden. Damit ist eine Abstimmung während des Betriebes möglich. So erkennt man sofort an der Funkenlänge die richtige Abstimmung. Eine durch Zusatzlasten hervorgerufene Kapazitätserhöhung kann so ausgeglichen werden.


3.12. Die Entladungen am Impuls- und Trägerteslatrafo
 
 
Trägerteslatrafo
(CW-Teslatrafo)
Impulsteslatrafo
Geringe Funkenlänge
Kompakte Funken
Große Funkenlänge
Verästelte Funken
Extrem heiße Funken HF-Flammen Durchdringende Funken mit geringer Wärmeleistung
Erzeugt Stickoxide Erzeugt Ozon
Leise Entladung
Mit NF modulierbar
Sehr laute Entladung
Moduliert im Takt der Funkenstrecke
Gut geeignet für die Ionisation von Lampen Durch die Pulsung flackern Leuchtstofflampen
Gefahr der Verbrennung Gefahr von Stromstößen

Wir haben bereits festgestellt, dass es Unterschiede zwischen der Erregung mittels einer konstanten Trägerschwingung und der Impulserregung gibt. Jetzt wollen wir noch einmal auf die daraus entstehenden Unterschiede der Entladungen dieser beiden Typen von Teslatrafo eingehen.

Der wichtigste Unterschied liegt natürlich in der Funkenlänge. Ein CW-Teslatrafo kann einfach keine so großen Funken erzeugen wie ein Impulsteslatrafo.  Alle Teslatrafos, die die eindrucksvollen, oft meterlangen Entladungen erzeugen, sind ausschließlich Impulsteslatrafos.
 

Betrachten wir zunächst einmal einen Funken der mittels einer zweiten Elektrode auf der Spitze des CW-Teslatrafos entsteht. Das Bild erinnert mehr an den Lichtbogen eines Schweißgerätes, als an einen Teslatrafo. Es ist ein sehr heller, kurzer, aber extrem heißer Funken.
Das liegt daran, dass die Leistung aufgrund der konstanten Trägerschwingung ebenfalls konstant abgegeben wird. Es wird die Luft immer gleichmäßig stark erhitzt. Durch die räumliche Ausdehnung des Funkens wird viel Leistung verbraucht, um große Funken entstehen zu lassen.
Die Leistung, die ein Körper an seine Umgebung abgeben kann steigt mit Vergrößerung seiner Oberfläche linear an. Die Oberfläche steigt aber immer quadratisch mit Längenmaßen wie z.B. dem Durchmesser an. Für den Funken bedeutet dass, das die benötigte Leistung etwa mit dem Quadrat der Funkenlänge ansteigt.

  Zum Vergleich: Dieses große Kunststoffschweißgerät kann 1,5kW HF auf 27MHz erzeugen. Damit kann ebenfalls ein CW-Teslatrafo betrieben werden, der nur mit seinem Fußpunkt an den HF-Ausgang angeschlossen ist. Aufgrund der hohen Frequenz hat er sehr wenig Windungen. Das ganze sieht zunächst so aus, als würde es nicht funktionieren können.

Doch diese Flamme beweist es. Der Strom kann über die unsichtbaren Kapazitäten fließen und die Resonanzüberhöhung erzeugt eine sehr hohe Spannung an der Spitze. Das erstaunliche ist, dass mit 1,5kW HF-Leistung nur eine ca. 10cm lange HF-Flamme erzeugt wird. Man hätte sich doch sicher mehr davon erwartet, wenn mit 30W schon 2cm erreicht werden. Hier wirkt sich die quadratische Vergrößerung der Oberfläche extrem aus.
Ich habe einmal überschlägig berechnet, welche Funkenlänge mit dem 600kW Mittelwellensender vom Bisamberg erzeugt werden könnte. Das Ergebnis ist überraschend, denn es würde nur eine ca. 3m lange Flamme auf heißer ionisierter Luft entstehen.

Die Funken des CW-Teslatrafos sind je nach Leistung nur sehr schwach verästelt. Das liegt hauptsächlich daran, dass die heiße Luft leitend wird und so alle Leistung in sich aufsaugt. Das hat den Effekt, dass Verästelungen sozusagen in den Kern der Flamme gesaugt werden.

Dass es aber doch noch Verästelungen gibt, zeigt sich, wenn ein sehr dünner Draht verwendet wird. Dann kann die Luft lokal nicht so stark erhitzt werden, dass sie einen vollständig leitenden Kanal bildet. Es zeigen sich hier schwache, aber dennoch vorhandene Verästelungen.

Jetzt gibt es aber Teslatrafos, so wie z.B. der im Technischen Museum, der ca. 2m lange  Funken erzeugt. Dahinter steht aber nicht ein halbes Haus an Sendeeinrichtungen, sondern einfach eine Impulserregung. Die kurzen aber intensiven Pulse und die Tatsache, dass die komplette Energie aus dem Erregerkreis in den Sekundärkreis übertragen wird führen zu extrem hohen Spitzenleistungen, die aber nur wenige Perioden lang auftreten.

Ein solcher Funken ist mehr mit einer elektrostatischen Entladung zu vergleichen, als mit einem Schweißgerät. Die Spannung baut sich so schnell auf, dass die Luft keine Zeit hat sich zu erwärmen. Sie bleibt daher weitgehend isolierend und kann im Nahbereich der Elektrode die Leistung nicht sofort umsetzen. Der Funken sucht sich daher seinen Weg über viele Teilbereiche und bricht Stück für Stück über große Entfernungen durch. Das erzeugt die charakteristischen Verästelungen, die beim CW-Teslatrafo fast vollständig fehlen.

Diese Verästelungen treten auch beim einem wirklich Blitz auf. Aufgrund der viel größeren Entfernungen, die ein Blitz überwinden muss dauert der Durchbruch auch viel länger. Man kann sagen, es wird immer ein Teilbereich der Luft mit Ladungen angereichert. So bewegt sich die Ladung Stück für Stück vorwärts. Erst wenn der Abstand zu gering ist, kommt es zum Überschlag und zum sichtbaren Funkenkanal.

Die langen Funken, die mit geringer Effektivleistung erzeugt werden äußern sich natürlich sehr stark in der Temperatur und der Wärmeleistung des Funkens. Der CW-Teslatrafo hat helle und sehr heiße Funken oder Flammen. Damit ist es problemlos möglich Glas zu schmelzen. Die ganze Leistung ist auf einen kleinen Bereich um die Spitze herum konzentriert. Der Funken ist so heiß, dass jeder Gegenstand sofort erhitzt wird und dadurch leitend wird. Die Flammen eines CW-Teslatrafos können daher kaum Isolatoren durchdringen.

Ganz anders ist das bei kurzen, aber starken Impulsen. Bevor noch eine nennenswerte Erwärmung auftreten kann, ist alles schon wieder vorbei. Der Funken eines Impulsteslatrafo durchdringt Isolatoren hauptsächlich auf kapazitiven Wege. Der schnelle Anstieg der Spannung führt zu einer Umverteilung der Ladungen im Isolator, wobei für kurze Zeit Strom fließt. Das ist mit dem Ladestrom eines Kondensators zu vergleichen.

Das normale Erscheinungsbild der Entladungen am Impulsteslatrafo ist ebenfalls ein ganz anderes.
Die Funken sind dunkel und eher bläulich bis violett. Ihnen fehlt einfach die Leistung um die Luft richtig aufzuheizen. Die Leistung wird auf eine viel größere Länge aufgeteilt. In Photos ist immer wieder schön das mehrmalige Zünden eines Funkens zu erkennen. Der Funken wird immer wieder in seiner ganzen Länge an einer anderen Stelle neu gezündet. Aufgrund des Toroids bricht der Funken immer an einer anderen Stelle aus. Die Rundungen wirken wie ein zusätzlicher Widerstand, den der Funken durchdringen muss. Er versucht immer die günstigste Stelle zu finden. Oft sind das kleine Staubteilchen, die sich erhitzen und so mehr Ladungen aussenden könne. Dann bricht der Funken immer von dieser Stelle aus.

Wenn man ein Stück Draht auf den Toroid legt, so ist die Austrittsstelle ganz klar definiert. Alle Funken entstehen jetzt nur noch an der Spitze des Drahtes und nehmen immer wieder den gleichen Raum ein. Das mehrmalige Zünden ist jetzt nicht mehr zu erkennen und das untere Ende der Funken sieht schon fast wie beim CW-Teslatrafo aus.

Es ist auch möglich einen Teslatrafo am Geruch zu erkennen. Ein CW-Teslatrafo erzeugt so hohe Temperaturen im Funken, dass sich der Stickstoff mit dem Sauerstoff in der Luft verbindet. Es entstehen Stickoxide. Diese haben einen eigenen, etwas fahlen Geruch, so ähnlich wie Verbrennungsabgase.
Der Impulsteslatrafo hingegen bewirkt durch seine extrem hohen Spannungen die Bildung von Ozon. Es hat einen scharfen Geruch, wie er auch bei der Elektrisiermaschine oder bei einem Bandgenerator entsteht.

Überraschend ist, wie ruhig der Funken eines CW-Teslatrafos ist. Deshalb wird er oft als HF-Flamme bezeichnet, weil er wie eine Kerze ruhig brennt. Ein Geräusch kann man ihn nur dann entlocken, wenn man dem Mittelwellensender moduliert. Dadurch ändert sich die Spannung und somit die Leistung des Senders im Takt der NF. Für die räumliche Ausdehnung, also für die Größe des Funkens ist nur die Leistung maßgeblich. Der Funken pulsiert also in seiner Größe im Takt der Modulation. Das erzeugt Druckunterschiede in der Luft, die dann als Ton hörbar werden. Dieses Prinzip ist als Plasmahochtöner in der HiFi-Technik bekannt.
Beim Impulsteslatrafo sind die Funken knallend oder ratternd laut. Doch nicht nur wegen ihrer Größe, denn bei jedem Zünden der Funkenstrecke wird auch eine neue Entladung auf der Spitze gezündet. Man könnte sagen es ist eine 100%ige Modulation mit Rechteckimpulsen. Jeder Funken erzeugt beim Zünden und Löschen Druckunterschiede. Die dann als Knall hörbar werden.

Bei diversen Experimenten mit Leuchtstofflampen, Glühbirnen oder anderen gasgefüllten Gegenständen gibt es ebenfalls Unterschiede. Bei einem CW-Teslatrafo wird immer ein gleichmäßig starkes elektrisches Feld um den Resonator herum erzeugt. Das wirkt sich günstig auf die Leuchtkraft aus, kann aber zu Problemen bei der Zündung führen. Eventuell muss die Röhre etwas angenähert werden und kann dann wieder entfernt werden.
Beim Impulsteslatrafo ist das Leuchten nicht so ausgeprägt und flackert wegen der unruhigen Zündungen der Funkenstrecke.
Dieses Bild der HF-Glühlampe wurde natürlich mit dem CW-Teslatrafo gemacht. Zusätzlich wurde noch wegen des besonderen Effektes der Heizfaden mit geringer Spannung zum Glühen gebracht. Das erwärmt das Gas zusätzlich und hilft bei der Ionisation.

Auch bei den unmittelbaren Wirkungen auf den Menschen gibt es Unterschiede. Der CW-Teslatrafo erzeugt hauptsächlich thermische Effekt. Eine direkte Berührung mit dem Funken führt zu HF-Verbrennungen. Das sind sehr kleine, aber tiefe und daher unangenehme Verbrennungen. Doch auch wenn der Funken mit Metallteilen berührt wird und die HF mit der Hand abgeleitet wird kann es zu einer leichten Erwärmung kommen. Das ist das gleiche Prinzip wie es bei Diathermiegeräten in der Medizin eingesetzt wird.
Beim Impulsteslatrafo ist die Erwärmung zwar auch gegeben, aber in einem weitaus schwächeren Maß. Weitaus wichtiger sind hier die elektrischen Stöße die aufgrund des Zündens des Funkens entstehen. Diese empfindet man als elektrische Schläge vor allem wenn man an den Ausläufern der Entladungen, wo sie nicht immer zünden mit einem Funken in Berührung kommt. Diese Schläge spürt man natürlich auch, wenn man mit einem Stück Metall den Funken vor einer direkten Berührung fernhält.


4. Bau eines Teslatrafos

4.1. Wickeln der Spulen

Die erste Frage, die viele Leute immer stellen, ist: Wie wickelt man die Sekundärspule. Das ist gar nicht so ein großes Problem. Günstig wirkt sich aus, dass ein Teslatrafo normalerweise nicht sehr viele Windungen hat. Übliche Werte sind 400-800 Windungen. Das gilt auch für sehr große Teslatrafos, dort wird nur der Drahtdurchmesser entsprechend dicker.
Wenn eine Drehbank zur Verfügung steht ist das die optimalste Lösung. Die Windungen legen sich dann fast von selbst aneinander.
Doch auch ohne Drehbank ist es möglich. Man baut sich einfach ein Scherengestell und dreht die Sekundärspule mit einer Kurbel.
Die einfachste Lösung ist aber, den Draht einfach per Hand aufzuwickeln. Man schafft auch ca. 0,5 Windung pro Sekunde und in einer halben Stunde ist alles fertig. Man muss nur ab und zu die Windungen zusammen schieben.

Zum Wickeln der Primärspule ist wohl nicht viel zu sagen. Die üblichen Windungszahlen liegen hier bei etwa 10 Windungen. Dafür wird kaum jemand die Drehbank anwerfen.

Als Draht für die Sekundärspule kann bei kleinen bis mittleren Teslatrafo (bis in den kW-Bereich) ganz gewöhnlicher, wenn möglich doppelt gelackter, Lackdraht verwendet werden. Um die Isolierung  zu entlasten, kann eine Nylonschnur parallel zu dem Draht, sozusagen als zweite Wicklung gewickelt werden. Dann berühren sich die Drähte von verschiedenen Windung nicht mehr. Abstand ist übrigens der beste und manchmal auch der einzige Isolator für Hochfrequenz.
Bei sehr großen Spulen muss dann auch der Drahtdurchmesser drastisch gesteigert werden, da es sonst zu Sprühentladungen und Funkenbildung an den Drähten kommt. Das kann bis zu solchen Dimensionen gehen, wo dann Kupferrohre verwendet werden. Hier hilft dann nur noch der Abstand zur Isolation. Die Rohre werden dann nur mehr an einigen wenigen Stellen durch Abstandhalter befestigt.

Die fertige Sekundärwicklung sollte mit  Lack oder Epoxydharz gefestigt werden. Anderenfalls kann es bei Temperaturerhöhungen dazu kommen, dass sich der Draht überschlägt. Die Längenausdehnung einer solchen Spule ist nicht zu unterschätzen. Es reichen meist schon einige Grad Temperaturerhöhung, um den Draht locker werden zu lassen. Die Wicklung wird dann unansehnlich und der Draht überschlägt sich. Weiter hilft so eine Isolierung die Spule vor eventuellen Funkeneinschlägen zu schützen.

Von der fertig gewickelten Spule ist es wichtig, die Resonanzfrequenz zu bestimmen. Das kann zunächst einmal grob nach der ¼ Wellenlänge bestimmt werden. Demnach entspricht die Wellenlänge der Resonanzfrequenz etwa einem Viertel der Drahtlänge. Doch das ist wirklich nur sehr überschlägig. Es gibt zwar viele empirische Formeln, die aber selten den wirklichen Wert treffen. Grund dafür sind meist die vielen unbekannten Materialdaten.

Die beste Möglichkeit ist immer noch die Resonanzfrequenz zu messen. Dazu benötigt man ein Oszi und einen Frequenzgenerator. Der Generator wird mit der Primärspule ohne Verwendung des Primärkondensators verbunden und der Teslatrafo so aufgestellt, wie er auch im Betrieb stehen wird. Der Fußpunkt der Sekundärspule wird geerdet. Der Oszi-Tastkopf wird jetzt wie eine Antenne in einiger Entfernung zur Sekundärspule aufgehängt. Die Masse bleibt unbeschaltet. Aufgrund der unsichtbaren, kapazitiven Kopplung kann man so die Spannung an der Sekundärspule ohne große Veränderung des Resonanzpunktes messen. Die Frequenz des Generators wird jetzt variiert und man wird schnell einen Punkt finden, in dem die Spannung am Oszi ein Maximum hat. Das ist die Resonanzfrequenz der Sekundärspule.
In dieser Konfiguration kann man sehr schön beobachten, wie sich leitende Teile im Bereich der Sekundärspule auf die Resonanz auswirken. Nähert man sich z.B. mit der Hand der Spule, so verschiebt sich sofort der Resonanzpunkt wegen der zusätzlich Kapazität nach unten. Auch eine größere Elektrode an der Spitze führt zu dem selben Ergebnis.

Auf ähnliche Weise kann man auch die Frequenz des Primärkreises gemessen werden. So kann schon eine erste Abstimmung vorgenommen werden, mit der es bereits zu einer Funkenbildung kommen sollte. Die Feinabstimmung kann dann nur im Betrieb erfolgen.


4.2. Auswahl der Materialien

Zur Auswahl des Sekundärformers, das ist der Sekundärspulenkörper, ist zu sagen dass es ein Material mit einem möglichst geringen Verlustfaktor sein sollte, denn für einen Großteil der Sekundärkapazität ist dieses Material das Dielektrikum. Man steht jetzt vor dem Problem, dass auf einem Kanalrohr, das man gerade in einem Baumarkt gekauft hat, meist kein Verlustfaktor angegeben ist.
Als erste Hilfe kann man sich merken, dass das Material möglichst dünn sein sollte, denn wenn wenig Material vorhanden ist, kann ihn ihm auch nur wenig Leistung verloren gehen. Materialverluste sind immer volumenbezogen !
Weiter haben sich alle Arten von PVC als brauchbar erwiesen, obwohl es natürlich Unterschiede gibt.
Wenn man bereits einen Teslatrafo zur Verfügung hat kann man ihn zu Hilfe nehmen, um das Material zu testen. Man lässt Funken vom Teslatrafo auf das Material überspringen und beobachtet wie der Funken in das Material eindringt. Wenn er sich weit auffächert und auf der Rückseite kaum nach etwas vom Funken durchkommt ist es ein schlechtes Material. Wenn der Funken fast ungehindert durchgeht ist es ein gutes Material.
Zu bedenken ist hierbei, dass ein HF-Funken einen Isolator immer durchdringt. Das ist keine Frage der Qualität des Isolators. Die hohe Frequenz verursacht immer kapazitive Ströme. Der Funken durchdringt das Material kapazitiv und nicht ohmsch. Wenn das Material hohe Verluste aufweist, wird viel Energie im Material in Wärme umgesetzt. Dem Funken bleibt dann weniger Energie.

Auch das verwendete Vergussmaterial der Sekundärspule sollte einen geringen Verlustfaktor haben. Bei einem Lack, der wiederum nur dünn aufgetragen wird ist das weniger kritisch als bei einer dicken Schicht Giesharz. In den Datenblättern von Giesharz ist aber meist ein Verlustfaktor angegeben.

Für den Primärformer gelten diese Überlegungen zwar prinzipiell auch, aber wegen der hier viel niedrigeren Spannung ist es kaum wichtig. Es ist jeder nur halbwegs brauchbare Isolator zu verwenden.


4.3. Günstigste Abmessungen

Teslatrafos sollen nicht zu hoch sein. Das liegt in der  bereits besprochenen Tatsache, dass die Kapazität im oberen Teil der Wicklung überdimensional stark gegenüber der Induktivität absinkt. Aus dem gleichen Grund kommt die nicht allzu große Windungszahl zustande.
Günstige Verhältnisse liegen bei etwa 3-5facher Höhe gegenüber dem Durchmesser.

Auch die Abmessungen des Toroids sollen in gewissen Grenzen liegen. Er muss auf jeden Fall einen größeren Durchmesser als die Primärspule haben, denn nur dann kann er eine weitere Aufgabe erfüllen, nämlich die Abschirmung der obersten Windung. An dieser und vor allem an dem Knick in dem Draht der zur Mitte hin führt tritt eine sehr hohe Feldstärke auf, so dass es dort zu Funkenbildung kommen kann. Um das zu vermeiden, muss der Toroid einen möglichst geringen Abstand von der Primärspule installiert werden. Er übt dann eine Schirmwirkung auf die oberste Windung aus.


4.4. Transformator

Wie bereits erwähnt, darf der Trafo keinen zu hohen Kurzschlussstrom haben, da sonst die Entladung in der Funkenstrecke durchgeht.  Der Trafo muss also künstlich schlecht gemacht, sein Innenwiderstand also erhöht werden. Normalerweise soll ein Trafo ja eine geringe Kurzschlussspannung haben, doch hier ist das unerwünscht. Im Fall eines Kurzschlusses, also beim Zünden der Funkenstrecke, soll die Spannung am Trafo möglichst weit zusammenbrechen, damit der Funken leicht löschen kann.
Umso ein Verhalten mit einem herkömmlichen Netztrafo zu erreichen kann wie hier eine Drossel der Primärwicklung vorgeschaltet werden. Ein gewöhnlicher Widerstand würde es auch tun, nur eben mit der entsprechenden Verlustleistung.
Mit herkömmlichen Trafo meine ich alle, die in Geräten eingesetzt werden, wo eine steife Spannung gefordert wird. Das sind z.B. Mikrowellenherde, Sender wie viele medizinische Geräte oder Röhrenendstufen. Der in diesem Modell verwendete Trafo ist ein selbst gewickelter und daher auch spannungssteif.
Zum Selbstbau eines Trafos ist zu sagen, dass man meist keinen Spulenkörper finden wird, der für 5kV isoliert ist. Es muss dann ein normaler so mit Kunststoff verkleidet und mit Epoxydharz verklebt werden, dass kein Überschlag stattfinden kann. Besonders die Schlitze für die Durchführung der Anschlussdrähte müssen vollständig verklebt werden. Es wird nur ein Loch am unteren Ende zur Zuführung der Masse und eines am oberen als Ausgang für die Hochspannung gebohrt. Dann wird der Draht z.B. mit Hilfe einer Drehbank und einer Stoppuhr als Drehzahlmesser aufgebracht. Übliche Windungszahlen liegen hier je nach Kern zwischen 10,000 und 20,000.  In regelmäßigen Abständen, etwa nach erreichen von 500V muss eine Lage Isolierpapier und Kunststofffolie gewickelt werden. Diese sollte am Rand möglichst hoch überstehen um Überschläge in die darunter liegende Lage zu vermeiden. Die fertige Wicklung muss vor dem ersten Einschalten unbedingt außen mit Stoffbändern umwickelt und mit Epoxydharz vergossen werden. Anderenfalls kommt es zu Überschlägen auf den Eisenkern, was zur Zerstörung der Wicklung führt.
Wir sehen, dass es eine einfachere Methode ist, einen fertigen Trafo zu verwenden. Die einzigen Trafos die man relativ leicht bekommt sind so genannte Neontrafos aus Neonbeleuchtungen oder eventuell auch noch Zündtrafos aus Öl- oder Gasbrennern. Letztere sind aber meist nicht sehr leistungsstark. All diese Trafos haben den Vorteil, dass sie im Normalbetrieb auf eine Gasentladung arbeiten. Aus diesem Grund sind bereits Maßnahmen getroffen, die den Kurzschlussstrom begrenzen. Meist wird das durch Vorbeileiten eines Teiles des Primärflusses an der Sekundärspule erreicht. Die beiden Spulen sind also nicht mehr so fest miteinander verkoppelt, oder anders gesagt, der Streufluss ist größer. Solche Trafos werden daher auch als Streufeldtrafos bezeichnet.
Abschließend ist noch zu sagen, dass heute für Neonbeleuchtungen immer öfters elektronische Trafos verwendet werden. Diese haben eine elektronische Stromregelung und liefern meist auch noch eine sehr hohe Frequenz von ca. 20kHz (Schaltnetzteil). Sie sind für den Betrieb eines Teslatrafos vollkommen ungeeignet.


4.5. Funkenstrecke

Die Funkenstrecke ist der einzige aktive Bauteil eines klassischen Teslatrafos. Es kommt ihr also eine große Bedeutung zu und dementsprechend gibt es einige unterschiedliche Bauarten. Alle zielen aber auf den gleichen Effekt ab. Sie sollen den einmal gezündeten Funken so rasch als möglich zum Löschen bringen, denn wenn er einmal brennt neigt er dazu „durchzugehen“. Dabei fließen riesige Strommengen, die nichts zur Erregung beitragen, da sie hauptsächlich vom Trafo direkt an den Funken geliefert werden.
Um einen Funken zu löschen bedarf es in erster Linie Kühlung. Nicht umsonst heißt es ja auch Löschen. Das heiße Plasma muss abgekühlt oder durch bereits kalte Luft ersetzt werden.

Eine sehr einfache Möglichkeit, die auch dieser Teslatrafo anwendet ist einfach die Aufteilung des Funkens in mehrere kleine Teilfunken. Zur Kühlung dienen dabei hauptsächlich die Elektroden, die verglichen mit dem Funken eine sehr niedrige Temperatur haben. Je mehr Elektroden mit dem Funken in Berührung kommen, umso mehr Wärme wird dem Funken entzogen.

Um durch lokale Erwärmung nicht zuviel an Temperaturdifferenz zu verlieren werden die Elektroden sehr großflächig ausgeführt. Man erhält so den Aufbau einer Löschfunkenstrecke.

Diese besteht aus Ringen von Isolier- und Leitmaterial, die abwechselnd geschichtet sind. Der Funken kann so immer an einer neuen, noch kalten Stelle zünden. Am Rand der Isolierringe ist das Leitmaterial zurückgesetzt, um eine Zerstörung der Isolierung zu vermeiden, denn ist einmal eine Spur in die Isolierung gebrannt so wird der Funken nur noch an dieser Stelle zünden.

Eine oft für Teslatrafos verwendete Funkenstrecke ist die rotierende Funkenstrecke. Sie besteht aus einem rotierenden Isolierteil mit leitenden Elementen, die sich an einen Stator annähern und so zur Zündung eines Funkens führen. Durch die weitere Drehung wird der brennende Funken dann immer mehr in die Länge gezogen, bis er schließlich abreißt. Die Kühlung übernimmt hier also die umgebende Luft. Indem die Oberfläche des Funkens vergrößert wird strahlt er mehr Wärme ab und erlischt schließlich. Ein Vorteil der rotierenden Funkenstrecke ist, dass durch die Drehzahl die Zündfolge und vor allem die Brenndauer des Funkens eingestellt werden kann. Das ist günstig für eine optimale Einstellung des Löschzeitpunktes im richtigen Augenblick der Pendelschwingung.

Eine sehr einfache Methode wird auch gern verwendet. Dabei wird einfach der brennende Funken mit Pressluft weggeblasen. Dadurch erreicht man sehr schnelle Löschzeiten und über den Druck auch ein wenig Kontrolle über die Brenndauer. Der Nachteil ist die extrem große Lärmentwicklung.

Weiters gibt es noch Funkenstrecken innerhalb eines Elektrolyts, die Aufgrund der Gasentwicklung bei Zünden des Funkens diesen dann löschen. Sie werden aber wegen des Aufwandes kaum verwendet.


4.6. Kondensator

Der Kondensator ist der Bauteil, dass meist am schwersten zu bekommen ist. Das liegt einerseits an der hohen Spannung und den großen Belastungen die er ausgesetzt ist.
Er wird auf einige kV geladen und dann auf einen (fast) Kurzschluss geschaltet. Die Belastungen sind deshalb extrem hoch. Es sind nur Kondensatoren geeignet, die eine hohe zulässige Blindleistung haben. In Frage kommen nur Keramik- oder Glimmerkondensatoren aus alten Sendern. Alle Glättungskondensatoren sind meist mit dem auftretenden Spitzenstrom überfordert.
Meist ist daher ein Selbstbau des Kondensators notwendig. Es gibt einige Möglichkeiten einen Kondensator herzustellen.  Im Prinzip müssen nur zwei leitende Flächen durch Isoliermaterial voneinander getrennt werden.

Mann kann z.B. dünne Metallplatten und dünne Kunststofffolien abwechselnd übereinander schichten. Zu achten ist dabei auf eine ausreichende Überlappung, um Überschläge zwischen den einzelnen Lagen zu vermeiden. Um die Flächen doppelt auszunutzen, werden sie abwechselnd an die beiden Pole gelegt.

Ein beliebter Kondensator ist der so genannte Salzwasserkondensator. Das ist nichts anderes als eine mit Salzwasser gefüllte Flasche, die außen mit Alufolie beklebt wird. Das Dielektrikum ist nicht das Salzwasser, das leitet nur den Strom an die Innenfläche der Flasche. Der Isolator ist hier einfach das Glas. Eine Elektrode ist die außen angebrachte Alufolie und die zweite Elektrode wird in das Salzwasser gesteckt. Diese Kondensatoren haben den Nachteil, dass sie sehr groß und schwer sind.


4.7. Einbau in ein Gehäuse

Dem Gehäuse kommt nicht nur wegen des Berührungsschutzes des Primärkreises eine große Bedeutung zu. Eine wichtige Aufgabe des Gehäuses ist es, den Massebezug für die Sekundärspule zu liefern. Bei kleinen Teslatrafos, die keine spezielle Erdung verwenden, ist es wichtig, dass der Sekundärstrom nicht über den Schutzleiter in das Netz fließt. Es kann sonst in der Installation zu Überschlägen kommen. Durch die Verwendung eines großen Metallgehäuses wird der Sekundärschwingkreis schon weitgehend mit der Gehäuseoberfläche geschlossen. Die Oberfläche des Gehäuses ist sozusagen die zweite Platte des Sekundärkondensators.
Ein Metallgehäuse hat aber auch den Nachteil, dass im Nahbereich um die Primärspule Wirbelströme im Metall entstehen. Das ist eine zusätzliche Dämpfung, die dem Primärkreis Energie entzieht. Es ist daher ein gewisser Abstand Gegenüber der Metallfläche einzuhalten. Bei diesem Modell reichte eine 1cm dicke Plexiglasplatte dazu aus. Wird der Abstand verringert, so sinkt die Funkenlänge stark ab.

Bei der Verdrahtung des Primärkreises sollten möglichst dicke Drähte oder Kupferbänder verwendet werden. Auf einen guten Masseanschluss der Funkenstrecke ist zu achten. Der Aufbau sollte immer so gestaltet sein, dass die Bauteile ähnlich wie im Schaltpan angeordnet sind. Die Spannungszuführungsdrossel sollte eine Trennung zwischen Trafo bzw. Netzseite und dem Primärkreis sein.


4.8. Warn- und Sicherheitshinweise

Warn- und Sicherheitshinweise für den Umgang mit Teslatrafos

Blitzschläge !
Elektronische Geräte wie Armbanduhren, Handys, Taschenrechner, usw. vom Teslatrafo fernhalten.

Brandgefahr !
Keine leicht entzündlichen Materialien in die Nähe bringen.

Atemwegsbeschwerden !
Gute Raumbelüftung wegen Ozon- bzw. Stickoxiderzeugung.

Hinweise zum Umgang mit den Entladungen

Stromschläge !
Personen mit Herz – Kreislaufproblemen, sowie sehr
empfindliche Personen sollten die Funken nicht berühren.

Verbrennungen !
Direkten Kontakt mit dem Funken vermeiden.
Großflächigen Berührungspunkt mit Metallteilen, „festen Griff“.

Richtige Haltung !
Dem Funken nur den gewünschten (kürzesten) Weg ermöglichen.

Abschließend noch ein paar Worte zur Sicherheit.
Zuerst einmal die gute Nachricht: Die elektromagnetischen Abstrahlungen eines Teslatrafos sind für den Menschen nicht unmittelbar gefährlich. Im Prinzip ist er ja nur ein Sender, von denen zur Zeit unzählige andere in Betrieb sind.
Aufgrund der hohen Spannung  kann es jedoch in elektronischen Geräten zu Schäden kommen. Darum ist es wichtig, bei Experimenten am Teslatrafo alle elektronischen Geräte fernzuhalten. Besonders gefährdet, sind Armbanduhren und Handys. Ein Funkenüberschlag in so ein Gerät führt fast immer zur Zerstörung. Aber auch alle anderen Geräte, wie Taschenrechner oder Darmargotschis sind vor Experimenten beiseite zu legen.
Auch medizinische Geräte wie Hörgeräte oder Herzschrittmacher können beeinträchtigt werden.
Aufgrund der Hitze welche die Funken entwickeln, herrscht natürlich immer Brandgefahr. Alle leicht entzündlichen Materialien sind vom Teslatrafo fernzuhalten. Auch in der unmittelbaren Umgebung kann es kleine Funken zwischen Metallteilen geben.

Besonders der Impulsteslatrafo erzeugt große Mengen an Ozon. Auf eine ausreichende Belüftung des Raumes ist zu achten. Personen mit Atemwegsbeschwerden sollten sich nur kurz in der Nähe des Teslatrafos aufhalten.

Zum Umgang mit den Funken ist zu sagen, dass beim Impulsteslatrafo sehr wohl Stromschläge zu spüren sind. Personen mit Herz- Kreislaufproblemen, sowie extrem empfindliche Personen sollten diese Funken nicht berühren.

Der CW-Teslatrafo ist in dieser Hinsicht unbedenklich, da keinerlei Schläge zu spüren sind. Hier kommt mehr die Verbrennungsgefahr zum Tragen. Es ist auf jeden Fall ein direkter Kontakt des Funkens mit der Haut zu vermeiden. Es müssen immer Metallteile benutzt werden, mit denen der Funke dann in Berührung kommt. Auch beim Halten der Metallteile ist darauf zu achten, dass keine spitzen Berührungspunkte entstehen, da es sonst wieder zu Verbrennungen kommen kann.

Zuletzt ist es auch noch wichtig, den Funken richtig zu führen. Er wird versuchen immer den kürzesten Weg zu nehmen. Man muss darauf achten, dass dieser Weg immer den gewünschten Metallteil und nicht etwas die Hand trifft.


5.  Vorführungen

Soweit zur Theorie des Teslatrafos. Jetzt wollen wir aber in die Praxis schreiten und sehen, wie die Teslatrafos arbeiten.

Dazu werde ich zunächst  den Trägerteslatrafo in Betrieb nehmen. Wir werden zuerst einmal die Entladung an der Spitze und dann zwischen zwei Elektroden sehen. Die Kapazitätserhöhung durch Annäherung an die Spule wird gezeigt. Mit der großen Hitze des Funkens wird ein Zahnstocher angezündet.
Danach folgen einige Demonstrationen der hohen Feldstärke mit Glühbirnen und Leuchtstofflampen. Als nächsten Schritt wird dann der Sender moduliert und die Tonerzeugung im Funken demonstriert. Das AM-Signal wird mit einem Radio in einiger Entfernung empfangen.

Dann wenden wir uns dem Impulsteslatrafo zu und betrachten zunächst die Entladungen am Toroid mit und ohne Elektrode. Auch die Ungefährlichkeit und die Durchdringung von Isolatoren durch die langen Funken wird gezeigt. Als nächstes wird mit einem dünnen Draht als Elektrode die Zerstreuung der Funken gezeigt. Zuletzt wird ein größerer Toroid verwendet und die hohe Feldstärke mit einem Draht, Glühbirnen und Leuchtstofflampen gezeigt. 


Ing. Harald Chmela, August 2000

Ich hoffe, mit diesem Vortrag die nötige Theorie zum Verständnis der Teslatrafos geliefert zu haben. Die Leser der Homepage sind jetzt eingeladen, sich die Experimente auf der Hochfrequenzseite näher anzusehen oder dem einen oder anderen Link in diesem Text zu folgen.

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