Projekt 39: Teslaspule

Abb. 1: Teslaspule

Autoren: Bertelt, Lippmann
Betreuer: Prof. Schneider

Aufgabe

Bauen Sie eine Teslaspule gemäß der Anleitung in c‘t Hacks 2/2014.

Einelitung

Eine Teslaspule ist ein Resonanztransformator zur Erzeugung hochfrequenter Wechselspannung. Sie wurde von Nikola Tesla erfunden und dient zur Erzeugung von Hochspannung. Durch die Resonanz magnetisch lose gekoppelter elektrischer Schwingkreise werden hochfrequente Ausgangsspannungen von mehreren 100 Kilovolt erzeugt. Bei größeren Anlagen kann die Ausgangsspannung sogar mehrere Megavolt erreichen.

Funktion

Ein Hochspannungstransformator erzeugt eine Spannung von 8 -10 kV und lädt damit einen Hochspannungskondensator auf. Die Spannung am Kondensator und an der Funkenstrecke steigt solange an, bis die Durchbruchsspannung erreicht ist und ein Funke überschlägt. Dabei wird der Hochspannungstransformator aus dem Stromkreis getrennt und der Kondensator wird nicht weiter geladen. Kondensator und Spule bilden nun einen Schwingkreis (Abb. 2). Da die Primärspule nur sehr wenige Windungen besitzt, hat dieser Schwingkreis gemäß der Thomson'sche Schwingungsformel eine sehr hohe Frequenz.

Abb.2: Funktionsprinzip Teslaspule

Durch die magnetisch lose Kopplung mit der Sekundärspule, wird dort nun eine hochfrequente Wechselspannung induziert. Bricht der Funkenschlag ab (idealerweise nach einigen Mikrosekunden), erlischt die Schwingung im Primärkreis und der Kondensator wird erneut von dem Hochspannungstransformator geladen.

Im Betrieb schwingt die Sekundärspule in Eigenfrequenz. Dabei wirken die Windungen als Induktivität und die Kapazität der Edelstahlkugel gegenüber der Erde, sowie die Kapazität zwischen den Windungen, als Gesamtkapazität. Wird die Sekundärspule nun mit ihrer Eigenfrequenz durch die Primärspule angeregt, kommt es zur Resonanzüberhöhung. Durch diese Resonanzüberhöhung und dem Windungszahlverhältnis zwischen Primär- und Sekundärspule entsteht an letzterer eine hochfrequente Wechselspannung von mehr als 100 kV.

Materialliste

Zum Bau einer Teslaspule gemäß der Anleitung in c‘t Hacks 2/2014 benötigt man folgende Materialien:

• SSTC-Platine
• Ringkerntrafo 18 V 50 VA
• Lackspray Plastik 70
• 250 m Kupferlackdraht 0,3 mm²
• 1 m Lautsprecherkabel 2,5 m²
• 20 cm Lautsprecherkabel 2,5 m²
• 110 mm KG Überschiebmuffe
• 75 mm KG Rohr 500 mm lang
• 2 KG Deckel
• Multiplexplatte 200x200x20 mm
• Dreheisen Amperemeter 3 A
• 1 m Gewindestange M6
• Edelstahlkugel 10 cm
• 3 Lötösen
• 1 kleinen Magneten
• Netzkabel

Das Gehäuse für die SSTC-Platine und den Ringkerntrafo kann flexibel gestaltet werden. Man kann eine alte Holzkiste benutzen oder sich ein Gehäuse aus Siebdruck- oder Multiplexplatten selber bauen. Je nach Art, muss die Materialliste angepasst werden.

Aufbau

Abb.3: Primärspule

Primärspule

Zunächst wird die Überschiebmuffe auf ca. 80 mm gekürzt. Zusätzlich wird durch einen KG Deckel mittig ein Loch mit einem Durchmesser von ca. 80 mm gebohrt.

Als Spulendraht wird das Lautsprecherkabel verwendet. Dazu wird das 1 m lange Kabel in der Mitte ca. 1 cm abisoliert und daran ein weiteres, ca 20 cm langes Kabel angelötet. Von diesem erzeugten T-Stück wird dann nach rechts und links jeweils eine Windung um die Muffe gewickelt und mit Kabelbinder befestigt. Die drei Kabelenden werden nun in das Gehäuse geführt und auf eine passende Länge gekürzt (Abb. 3).

Sekundärspule

Das KG Rohr wird auf 350 mm gekürzt. 25 mm von oben und unten wird jeweils ein Loch gebohrt, sodass der Anfang sowie das Ende des Drahtes in das Rohr geführt werden können. Aus der Multiplexplatte werden zwei runde Scheiben gefertigt, die möglichst genau in die Enden des Rohres passen. In die eine Scheibe wird ein für den Magneten entsprechendes und in die andere ein ca. 6,2 mm großes Loch gebohrt.

Nun wird der Kupferlackdraht um das Rohr gewickelt. Er muss einlagig und ohne Überlappungen oder Abstände zwischen den Windungen gewickelt werden. Um diesen Vorgang zu beschleunigen, kann man das Rohr mittels einer Vorrichtung an einem Akku-Schrauber befestigen und das Rohr mit langsamer Geschwindigkeit drehen. Um Feuchtigkeitsaufnahme und Überschläge vorzubeugen, wird der gesamte Spulenkörper anschließend mit Kupferlackspray eingesprüht.

An den beiden Enden des Drahtes wird jeweils eine Lötöse befestigt. Anschließend wird von der Gewindestange ein ca. 10 cm langes Stück abgesägt. Dieses wird durch die entsprechend vorgebohrte Multiplexscheibe geschoben und befestigt. Um die elektrische Verbindung aufrecht zu erhalten wird die Lötöse über die Gewindestange geschoben und mit Gewindemuttern fixiert. Die MP-Scheibe wird nun in das Ende des Rohres gelegt und mit Schrauben von außen befestigt. Diese Seite ist der Anfang der Sekundärspule und kann mithilfe der Gewindestange am Gehäuse befestigt werden.

Für das andere Ende der Spule wird der Magnet an der Lötöse befestigt. Die zweite MP-Scheibe wird in das noch offene Ende des Rohres gelegt und ebenfalls von außen befestigt. Nun kann die Edelstahlkugel an den Magneten befestigt und auf die Holzscheibe gelegt werden. Damit die Kugel nicht herunter rollt, kann man eine kleine Senkung in die Holzscheibe feilen. Zum Schluss wird eine Schraube als Breakout-Point auf die Kugel gelegt.

Abb.4: Gehäuserückseite

Gehäuse

Das Gehäuse wird aus zwei Siebdruckplatten (250 x 200 x 16 mm) und vier Presspappen gefertigt. Ober- und Unterseite werden mit Gewindestangen an den vier Ecken verbunden. Für das Dreheisenamperemeter und die beiden Potentiometer werden entsprechende Löcher in die Vorderwand gebohrt. An der Rückseite wird zusätzlich eine Zugentlastung für das Netzkabel montiert. Zur besseren Belüftung werden in die Rückseite mehrer Löcher gebohrt (Abb.4).

Anschlüsse/Verbindungen

Die 230 V Anschlüsse des Ringkerntransformators werden durch Lüsterklemmen mit dem Netzkabel verbunden. Die 18V Anschlüsse des Ringkerntransformators sind für die Spannungsversorgung der Platine zuständig. Um den Stromfluss zu kontrollieren ist es zu empfehlen zwischen Ringkerntransformator und Platine noch ein Dreheisenamperemeter in Reihe zu schalten.

Die beiden Potentiometer (zur Regelung der T-Off-Zeit (Blitzanzahl) und T-On-Zeit (Blitzintensität)) werden auf die dafür vorgesehenen Anschlüsse der Platine gesteckt.

Die Anschlüsse der Primärspule werden mit den auf der Platine bezeichneten Anschlüssen (MITTE, RECHTS, LINKS) verbunden. Zu beachten ist hierbei, dass der mittlere Anschluss vom mittleren Ende der Primärspule belegt wird. Sollte die Spule nicht sofort funktionieren müssen die Anschlüsse RECHTS und LINKS getauscht werden.

Als letztes wird die Sekundärspule mit der Platine verbunden. Dazu wird eine Lötöse an ein isoliertes Kabel gelötet und dieses auf den Anschluss Sek.Feedback gesteckt. Die Lötöse wird von unten über die Gewindestange des unteren Spulenendes geschoben und mit Gewindemuttern befestigt.

1) Spannungsversorgung

Abb.5: SSTC-Platine

2) Anschlüsse Primärspule

3) Anschlüsse Potentiometer

4) Anschluss Sekundärspule

Bedienung

Vor dem Anschalten der Spule sollten die Potentiometer für die T-On-Zeit und T-Off-Zeit in der Mitte stehen. Zum Einschalten der Spule wird der Netzstecker in die Steckdose gesteckt. Mit den beiden Potentiometern kann man nun die Blitzanzahl (T-Off-Zeit) und die Blitzintensität (T-ON-Zeit) regeln.

Wartung

Zum Öffnen des Gehäuses löst man an der Rückseite alle und an den Seiten nur die unteren Schrauben. Zusätzlich müssen die Hutmutter auf der Oberseite entfernt werden. Dann wird die Rückseite entfernt und das Gehäuse nach oben von Gewindestangen genommen. Dabei ist zu beachten, dass die Verbindungen zwischendurch getrennt werden müssen.

Fazit/Reflexion

Die Aufgabenstellung wurde erfüllt und durch unser Projekt konnten wir unsere theoretischen Kenntnisse in die Praxis umsetzen. Auch wenn unser Projekt größtenteils mechanische Aufgaben beinhaltete, haben wir einiges zu den Themen rund um die Teslaspule dazu gelernt. Im Bereich Teamfähigkeit, Zeitmanagement und Arbeitsorganisation konnten wir uns ebenfalls weiterentwickeln. Dazu gehörte, das Projekt zeitlich zu planen, organisieren und durchzuführen. Die Anleitung im c‘t Hacks 2/2014 war sehr Hilfreich. Allerdings mussten wir feststellen, dass die Angaben teilweise lückenhaft und ungenau waren, sodass wir teilweise improvisieren mussten. Nach der Fertigstellung war es interessant zu sehen, welche Effekte mit der Teslaspule erzeugt werden können.

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