Teslaspule mit rotierender Funkenstrecke

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1 Jugend Forscht 2016 Technik (Landeswettbewerb) Stephan Böhringer (16) Ferdinand-von-Steinbeis-Schule Reutlingen Teslaspule mit rotierender Funkenstrecke 1

2 Inhalt 1.Kurzfassung 2. Einleitung 3. Funktionsweise einer Teslaspule 4. Aufbau der Teslaspule 4.1 Sicherheitsvorkehrungen 4.2. Ladekreis und Primärschwingkreis Die Hochspannungsversorgung Strombegrenzung der Hochspannungstransformatoren Der Gleichrichter Die Schutzfunkenstrecke Die rotierende Funkenstrecke Der Primärkondensator Die Primärspule Verkabelung 4.3. Der Sekundärschwingkreis Sekundärspule Topload 4.4 Das Kontrollpult 5. Daten der Teslaspule 5.1 Primärschwingkreis 5.2 Sekundärschwingkreis 6. Versuchsdurchführung 7. Ergebnisse 8. Zusammenfassung und Ausblick 9. Danksagung 10. Quellen- und Literaturverzeichnis 2

3 1.Kurzfassung In meinem Projekt beschäftige ich mich mit Planung, Bau und ersten Testläufen eines Tesla- Transformators mit rotierender Funkenstrecke. Meine erste Teslaspule bestand aus einem Ölbrennertransformator im Ladekreis und einer statischen Funkenstrecke. Mit dieser Spule ließen sich in Luft Entladungen mit einer Länge von ca. 30 cm erzeugen, entsprechend ca. 300kV Spannung. Ziel der hier beschriebenen zweiten Generation waren Spannungen über einem Megavolt. Es zeigte sich allerdings, dass es mit zunehmender Leistung immer schwieriger wird, eine statische Funkenstrecke kontrolliert an- und auszuschalten. Dadurch wird der Netto-Energieübertrag von der Primär- in die Sekundärspule ineffizienter. Deswegen hab ich mich für eine Variante mit rotierender Funkenstrecke entschieden. Diese ist zwar mit einem höheren technischen Aufwand verbunden, erlaubt aber weitgehende Kontrolle über das An- und Abschalten der Funkenstrecke. Als weitere Maßnahme zur Steigerung der Übertragungseffizienz wurde eine Gleichrichterbrücke in den Ladekreis des Kondensators eingebaut, um eine ungewollte Entladung des Kondensators über den Ladekreis zu verhindern. Schon in den ersten Tests dieser Teslaspule war zu erkennen, dass die erreichten Spannungen deutlich höher waren als mit einer statischen Funkenstrecke. 2.Einleitung Meine Faszination für Hochspannungsversuche begann im Frühjahr 2015 mit einem YouTube Video über den Bau eines Van de Graaf Generators aus alltäglichen Gegenständen. Nach kaum 1h Arbeit konnte ich Entladungs- Blitze von ca. 1cm Länge (entspricht ca. 10 kv) erzeugen. Natürlich war das nicht genug. Im Internet stieß ich auf Tesla-Transformatoren zur Erzeugung von hochfrequenter Hochspannung von einigen 100kV bis ein paar MV! Und damit beindruckenden Blitzen von mehreren Metern Länge. Dieses Projekt war deutlich anspruchsvoller und benötigte etwa 5 Monaten Arbeit bevor die erste Spule fertig war zunächst mit Blitz-Schlagweiten bis 30cm. Noch immer nicht zufrieden begann ich nach dem Motto größer, höher, länger: größere Teslaspule, höhere Leistung, längere Blitze das Projekt, welches in dieser Arbeit beschrieben wird. Im Vergleich zur ersten Version habe ich dabei folgende Änderungen und Optimierungen vorgenommen: - 4 Hochspannungstransformatoren im Ladekreis zur Erhöhung der elektrischen Spannung am Kondensator des Primärkreises - rotierende statt statischer Funkenstrecke zur Reduktion der Verluste durch Rückübertragung elektrischer Leistung vom Sekundär- in den Primärkreis - Gleichrichter im Ladekreis zur weiteren Reduktion von Verlusten durch Entladung des Kondensators über den Ladekreis. -Verwendung eines leistungsstarken Transformators mit variabler Impedanz als Drossel, um die Verlustleistung weiter zu reduzieren. 3

4 Für den Aufbau habe ich vorzugsweise Teile verwendet, die kostenlos auf Schrottplätzen oder günstig in Ebay zu beschaffen waren. 3. Funktionsweise einer Teslaspule Die Teslaspule ist ein sog. Resonanztransformator zur Erzeugung hochfrequenter Hochspannung. Er besteht aus zwei lose gekoppelten LC-Schwingkreisen mit derselben Resonanzfrequenz 1 f = 2π LC aber unterschiedlichen Werten für Induktivität L und Kapazität C: der Primärschwingkreis besitzt eine hohe Kapazität C1 (einige nf) und eine kleine Induktivität L1 (einige µh), während der Sekundärschwingkreis eine kleine Kapazität C2 (einige pf) und eine hohe Induktivität L2 (einige mh) besitzt. Der Primärschwingkreis wird über die in Abbildung 1 gezeigt Schaltung zum Schwingen gebracht: Der Kondensator (C 1 ) wird über eine Hochspannungsquelle (T 1 ) geladen, bis die Spannung am Kondensator ausreicht um einen Lichtbogen an der Funkenstrecke (HFS 1 ) (entspricht einem spannungsabhängigen Schalter) zu zünden. Damit wird der LC-Kreis geschlossen und beginnt mit der oben angegebenen Frequenz zu schwingen. Auf Grund der Resonanzbedingungen wird elektrische Energie in den Sekundärkreis übertragen. Im Sekundärschwingkreis kommt es dabei zu einer Spannungsüberhöhung, deren Ursache man qualitativ mit dem Energieerhaltungssatzes erklären kann. Die in den Sekundärschwingkreis übertragene Energie wird im elektrischen Feld des Kondensators und im magnetischen Feld der Spule gespeichert. In den Umkehrpunkten der Stromrichtung, wenn momentan kein Strom fließt, ist die gesamte Energie des Sekundärkreises im Kondensator gespeichert. Dann gilt: E el = 1 C U2 2 Wegen der kleinen Kapazität im Sekundärkreis bedeutet dies (bei gegebener elektrischen Leistung) eine hohe Spannung im Sekundärkreis. Abbildung 1: Schaltplan einer einfachen Teslaspule 4

5 In Abbildung 2 ist der Verlauf des Stroms I(t) im Primärkreis und der Spannung U(t) im Sekundärkreis dargestellt. Nach Zünden der Funkenstrecke fließt zunächst ein sehr hoher, periodisch oszillierender Strom. Wegen des Energietransfers in den Sekundärkreis nimmt die Amplitude des Stroms im Primärkreis schnell ab, während im Sekundärkreis die Spannungsamplitude zunimmt. Im dargestellten Idealfall bricht der Lichtbogen der Funkenstrecke ab, sobald die Energie des Primärkreises vollständig übertragen ist, d.h. sobald die Amplitude die Stromstärke im Primärkreis nahezu auf 0 abgefallen ist. Wegen der Unterbrechung im Primärkreis ist dann keine Rückübertragung von elektrischer Energie vom Sekundärkreis in den Primärkreis mehr möglich. Abbildung 2 Optimaler Spannungs/Strom Verlauf in den Schwingkreisen [Richie Burnett] Bei einer realen statischen Funkenstrecke ist es aber durchaus möglich, dass die Funkenstrecke nicht rechtzeitig löscht und deshalb die Energie über einen längeren Zeitraum zwischen Primär- und Sekundärspule hin und her übertragen wird, wodurch hohe Verlustleistungen entstehen. Eine Lösung für dieses Problem ist die Verwendung einer sogenannten rotierenden Funkenstrecke, bei der das Löschen der Funkenstrecke durch eine räumliche Trennung der Elektroden der Funkenstrecke erzwungen wird. Je höher die Frequenz der rotierenden Funkenstrecke ist, umso kürzer stehen sich die Elektroden gegenüber und umso weniger Rückübertragungszyklen erfolgen. Im Beispiel der Abbildung 3 findet eine Rückübertragung zweimal statt bevor die Funkenstrecke abbricht. 5

6 Abbildung 3 Realer Spannungs/Strom Verlauf in den Schwingkreisen, Richie Burnett Als weitere Optimierung habe ich in den Ladekreis einen Brückengleichrichter gebaut. Dieser verhindert die ungewollte Entladung des Kondensators über den Ladekreis, falls die Funkenstrecke einmal nicht zündet. Damit ergibt sich für meine Spule die in Abbildung 4 gezeigte Schaltung. T1/T2/T3/T4 SFS 1/SFS 2 C1 R1 HFS L1 L2 Hochspannungstransformatoren Schutzfunkenstrecken Primärkondensator Entladewiderstand Hauptfunkenstrecke Primärspule Sekundärspule Abbildung 4 Schaltplan der optimierten Teslaspule von Stephan Böhringer 6

7 Außer den bereits erwähnten Bauelementen sind noch 2 Schutzfunkenstrecken (SFS1/SFS2) eingebaut, um die Bauteile vor Überspannungen zu schützen (siehe Beschreibung unten). Zudem ist aus Sicherheitsgründen (s.u.) ein hochohmiger (17MΩ) Entladewiderstand R1 parallel zum Primärkondensator angeschlossen. 4. Aufbau der Teslaspule 4.1 Sicherheitsvorkehrungen Bei Planung und Bau der Teslaspule wurde große Sorgfalt darauf verwendet, die Sicherheit sowohl der an den Versuchen beteiligten Personen als auch Dritter zu gewährleisten. Durch Recherchen im Internet, eine Anfrage beim Technorama in Winterthur (auch bei dem Deutschen Museum) und Diskussionen mit meinem betreuenden Lehrer habe ich folgende möglichen Gefahrenquellen identifiziert: a) 230VAC Netzspannung zur Versorgung der Hochspannung-Transformatoren im Ladekreis b) Hochspannung im Primärkreis ( ~ 10 kv) c) die statische Ladung des Kondensators im Primärkreis nach Abschalten der Versorgungsspannung d) die (hochfrequente) Hochspannung der Sekundärspule e) Ozon- und Stickoxid-Bildung bei elektrischen Entladungen an Luft f) UV-Strahlung aus dem Bereich der Funkenstrecke g) umherfliegende Teile bei Beschädigung der rotierenden Funkenstrecke. Es wurden deshalb folgende Sicherheitsvorkehrungen getroffen: 1. Die Anlage besteht aus zwei separaten Teilen: der eigentlichen Teslaspule und einem Kontrollpult. Diese sind im Betrieb mindestens 7 m voneinander getrennt. Alle erforderlichen Tätigkeiten zur Inbetriebnahme und Kontrolle der Spule erfolgen am Kontrollpult (Steuerung des Motors der rotierenden Funkenstrecke, Einschalten der Spannungsversorgung an den Hochspannungstransformatoren, Kontrolle der Leistungsaufnahme des Ladekreises). Der räumliche Abstand schützt die Person(en) am Kontrollpult gegen die Hochspannung der Teslaspule. 2. Am Ein- und Ausgang sowie an den Komponenten innerhalb des Kontrollpults liegen nur 230 V Netzspannung an. 3. Die Regeln zum sicheren Umgang mit Netzspannung sind beim Bau des Kontrollpults sorgfältig beachtet worden. Es ist an mehreren Punkten mittels Schutzleiter geerdet. Die korrekte Erdung wurde durch mehrfache Messung bestätigt. Durch die geschlossene Konstruktion des Kontrollpults wird ein versehentlicher Kontakt mit spannungsführenden Komponenten verhindert. 4. Die Netzspannung wird im Kontrollpult über ein 12 V Relais mittels eines Tasters eingeschaltet. Nur so lange dieser Taster aktiv gedrückt gehalten wird, sind die Hochspannungstransformatoren im Ladekreis über Leistungsschütze eingeschaltet ( normally off Konfiguration). 5. Das Kontrollpult enthält einen Schlüsselschalter zum Ein- und Ausschalten der 12V Spannungsversorgung für das Relais 6. Das Kontrollpult verfügt über Sicherungen, die bei Überlast oder Störung auslösen. 7

8 7. Der Kondensator im Primärkreises ist mit einem fest installierten Entladewiderstand versehen der sicherstellt, dass ca. 7,2 Sekunden nach Ausschalten der Spannungsversorgung keine gefährlichen Spannungen mehr am Kondensator und der Primärspule anliegen. Die aus der Theorie berechnete Entladezeit und die korrekte Funktion des Entladewiderstandes wurden durch Messungen bestätigt. 8. Nach jedem Betrieb der Teslaspule wird die Spannungsversorgung über den Schlüsselschalter verriegelt, der Netzstecker gezogen und mindestens 30 Sekunden gewartet, bevor sich eine Person der Teslaspule nähert. In dieser Zeit entlädt sich der Kondensator vollständig über den beschriebenen Entladewiderstand. Dies wird durch eine Messung der Spannung am Kondensator des Primärkreises überprüft, bevor Eingriffe an der Anlage vorgenommen werden. 9. Zur Erdung der Sekundärspule der Teslaspule wird ein massiver Kupferstab in der Erde versenkt (Fundamenterder) und über einen verschraubten Kupferdraht mit der Teslaspule verbunden. 10. Am oberen Torus ist eine spezielle Elektrode angebracht, die ein kontrolliertes Austreten der Blitze sicherstellt. Eine zusätzlich aufgestellte geerdete Fangelektrode dient ebenfalls der Kontrolle des Blitzverlaufs. 11. Alle Kabel, die Hochspannung führen, sind Spezialkabel mit einer Spannungsfestigkeit von mindestens 30kV. Alle verwendeten Bauteile sind im Hinblick auf ihre Spannungsfestigkeit überdimensioniert. 12. Die elektrischen Verbindungen entsprechen dem Stand der Technik. Alle Kabel wurden sicher fixiert. Überflüssige Kabel oder Provisorien gibt es nicht. 13. Bei der rotierenden Funkenstrecke finden spezielle Wolframelektroden Verwendung, welche sich im Betrieb kaum abnutzen. Daher ist sichergestellt, dass sich keine glühenden Teile lösen und Betreiber oder Dritte verletzen können. 14. Durch den Betrieb im Freien oder durch entsprechende Belüftungsmaßnahmen wird sichergestellt, dass keine Gefährdung durch Stickoxide oder Ozon für Experimentatoren und Zuschauer besteht. 15. Während des Betriebs der Spule werden Gehörschutz und Schutzbrille getragen. 16. Betrieben wird die Teslaspule nur in sicherer Umgebung. Durch geeignete Absperrmaßnahmen wird sichergestellt, dass Dritte beim Betrieb der Teslaspule in ausreichendem Abstand gehalten werden. 4.2 Ladekreis und Primärschwingkreis Die Hochspannungsversorgung Die Hochspannungsversorgung besteht aus 4 Mikrowellentransformatoren (im Folgenden bezeichnet als MOTs, Microwave Oven Transformer, T1 bis T4 in Abbildung 4). Diese haben eine Eingangsspannung von 230VAC und eine Ausgangsspannung von etwas mehr als 2000VAC bei ca. 1.5A. Die Primärspulen der Transformatorenpaare T1/T2 und T3/T4 werden antiparallel verbunden um die Sekundärwindung der äußeren MOTs (T1 und T4) vor internen Überschlägen zu schützen. Die Sekundärspulen werden in Serie geschaltet mit dem Mittelpunkt aus Masse. Dies ergibt eine Ausgangsspannung von ca. 8-9kV zwischen T1 und T4. Aufgrund der Verschaltung befindet sich der Eingang der Sekundärspulen der äußeren MOTs (T1, T4) auf einem Potential +/-2kV relativ zur Erde. T1 und T4 sind deshalb isoliert aufgestellt (3cm hohe Nylonabstandshalter), um Kriechströme zu den geerdeten MOTs T2 und T3 zu vermeiden. Zudem wird bei den äußeren MOTs die Sekundärspule vom Kern getrennt um zusätzlich die Gefahr eines Überschlages vorzubeugen. Die MOTs haben 8

9 zusammen ca. 10kW Eingangsleistung und müssen deshalb gedrosselt werden um sie am Hausnetz betreiben zu können (16A/230VAC). Zur Drosselung werde ich später kommen. MOTs sind recht einfach zu beschaffen (z.b. von einem Schrottplatz). Leider sind sie recht schlecht verarbeitet und nicht wirklich effizient: aufgrund einer hohen Verlustleistung werden sie nach längerem Betrieb sehr warm. Außerdem ist die Isolation häufig sehr knapp dimensioniert. Als Alternative wären Neonreklametrafos oder Messwandler besser geeignet, da diese besser verarbeitet sind und weniger Verlustleistung aufweisen. Außerdem besitzen sie eine höhere Ausgangsspannung (6kV und darüber), was eine (fehleranfällige) Verschaltung überflüssig machen würde. Aus Kostengründen habe ich mich dennoch für MOTs entschieden. Abbildung 5: die 4 Mikrowellentransformatoren des Ladekreises, mit einem der beiden isoliert aufgestellten Transformatoren im Vordergrund. Gemessene Größen des Ladekreises: Ausgangsspannung 8600V Ausgangsstrom 400mA Wirkungsgrad 93% Strombegrenzung der Hochspannungstransformatoren: Um meine Teslaspule mit der normalen 230VAC Netzspannung betreiben zu können muss eine Begrenzung der Leistungsaufnahme erfolgen. Hierzu verwende ich den Transformator aus einem Schweißgerät, der sich im Kontrollpult befindet. Die Primärspule des Drosseltrafos ist in Reihe zu den Primärspulen der Hochspannungsversorgung (T1 bis T4) angeschlossen. Die Sekundärspule ist kurzgeschlossen, damit im Primärkreis ein Strom größer als der Leerlaufstrom fließen kann. Über das Streujoch am Trafo wird dessen Impedanz verändert, wodurch sich die Leistungsaufnahme stufenlos einstellen lässt Der Gleichrichter: Für die Gleichrichtung der Hochspannung im Ladekreis musste ich einen Brückengleichrichter mit einer Spannungsfestigkeit von 30kV bauen. 9

10 Der Gleichrichter besteht aus insgesamt 92 BY255 Gleichrichterdioden (1300V 3A). Jede der Dioden in Abbildung 4 entspricht in der Wirklichkeit einem Strang aus 23 BY255 Dioden. Diese Dimensionierung des Gleichrichters habe ich folgendermaßen ermittelt: großzügig gerechnet liefern die Hochspannungstransformatoren 10kV Ausgangsspannung. Um den Spitzenwert der Spannung zu berechnen muss der Effektivwert 10kV mit 2 multiplizieren werden; zusätzlich habe ich einen Sicherheitsfaktor 2 angenommen: 10kV 2 2 = 28.3kV D.h. pro Strang ist eine Spannungsfestigkeit von 30kV bei einem Strom von ca. 3A pro Strang erforderlich. Dies entspricht einer Reihenschaltung von 23 Dioden mit jeweils 1300V Spannungsfestigkeit. Die Dioden wurden im Abstand von ca. 5mm zusammengelötet, was eine Gesamtlänge pro Strang von ca. 35cm ergibt. Anschließend wurde jeder Strang mit Schrumpfschlauch überzogen um Überschläge zu vermeiden. Um Platz zu sparen habe ich die Stränge jeweils auf ein PVC Rohr gewickelt (Abbildung 6). Abbildung 6 30kV-3A Brückengleichrichter Die Schutzfunkenstrecken Die Schutzfunkenstrecken dienen dem Schutz des Gleichrichters, der Trafos und des Kondensators vor Überspannungen, die entstehen können, wenn sich der Kondensator nicht rechtzeitig entlädt oder beim Ausschalten Spannungsspitzen aufgrund der Selbstinduktion der Hochspannungstrafos entstehen. Die Funkenstrecke besteht aus 3 Elektroden (Abbildung 7), von denen zwei an die Elektroden des Kondensators angeschlossen sind, während die dritte mit der Erde verbunden ist. Sobald es zu einer Überspannung kommt zündet die Funkenstrecke und baut die schädliche Überspannung über die Erdleitung ab. Die Spannung, ab welcher die Funkenstrecke zündet, kann über den Abstand zwischen den Elektroden und dem Schutzleiter eingestellt werden. Er wird so lange vergrößert, bis die Funkenstrecke im Normalbetrieb gerade nicht zündet. 10

11 Abbildung 7 Schutzfunkenstrecke Die rotierende Funkenstrecke Die Funkenstrecke dient als Schalter zum Kurzschließen von Kondensator und Spule im Primärkreis, wodurch dieser anfängt zu schwingen. Mit einer rotierenden Funkenstrecke kann die Funkenstrecke kontrolliert an und ausgeschaltet werden (siehe Diskussion oben). Die Funkenstrecke soll im Idealfall mit derselben Frequenz zünden, mit welcher der Kondensator über den Ladekreis geladen und bei optimalem Energietransfer in die Sekundärspule entladen wird. Da die Entladezeit im Primärkreis im Vergleich zur Ladezeit sehr klein ist, genügt für eine Abschätzung der Frequenz der Funkenstrecke die Berechnung nur mit der Ladezeit des verwendeten Kondensators (88nF): 1 T = 1 5τ = 1 5RC = 1 5 U = I C V 0.4A 88nF = ms 530Hz Dies bedeutet eine hohe Drehzahl des Motors. Zur Verringerung der erforderlichen Drehzahl habe ich auf der rotierenden Scheibe insgesamt 8 Elektroden angebracht. Daraus ergibt sich folgende Drehzahl n M für den Motor: n M = 530Hz 8 60 = 3975Umin 1 Wegen dieser hohen Drehzahl war die Herstellung der rotierenden Funkenstrecke der insgesamt anspruchsvollste Teil der Konstruktion. Die Abstände der Elektroden müssen ausreichend klein sein, damit sie bei 8-9kV zuverlässig zündet. Schon eine kleine Unwucht kann zu mechanischem Kontakt der Elektroden und damit zur Zerstörung der Funkenstrecke führen. Deshalb musste ich bei der Herstellung der Teile für die Funkenstrecke mechanisch sehr präzise arbeiten, insbesondere bei der Verbindung der Scheibe mit der Motorwelle. Den Motor habe ich aus einer Gras-Sense ausgebaut. Zur Steuerung der Drehzahl verwende ich einen Stelltrafo (0-230VAC), der ebenfalls im Kontrollpult untergebracht wurde. Die rotierende Scheibe besteht aus temperaturbeständigem Pertinax. Die 8 Elektroden werden in der Scheibe durch Gewindemaden von der Seite festgeklemmt und bestehen aus 4mm Wolframstangen (Schweißelektroden), um die Abnutzung aufgrund der hohen Temperatur 11

12 des Lichtbogens zu verringern. Die stationären Gegenelektroden sind mittels massiven Aluhalterungen auf der Grundplatte befestigt, die eine gute Wärmeableitung gewährleisten. Abbildung 8 Die rotierende Funkenstrecke Der Primärkondensator: Der Primärkondensator wird durch die hohe Spannungen, hohen Frequenzen und die Impulsentladung im Primärkreis extrem beansprucht und muss deshalb sorgfältig ausgewählt werden. In Ebay habe ich einen Kondensator aus einem Lasernetzgerät mit 90 nf (88nF gemessen) und 35kV Spannungsfestigkeit entdeckt, der für mich erschwinglich war (18 ). Um sicher zu gehen, dass der Kondensator ausreichend impulsfest ist, habe ich folgenden Versuch zur Simulation der Belastung im Primärkreis einer Teslaspule durchgeführt: Die Elektroden des Kondensators wurden an eine Funkenstrecke mit 20mm Elektrodenabstand angeschlossen. Aus Sicherheitsgründen wurde zusätzlich ein 16MΩ Entladewiderstand parallel zum Kondensator installiert. Dann wurde der Kondensator mit einem Diodensplitt-Transformator aus einem alten Röhrenfernseher auf ca. 20 kv geladen. Diese Spannung ist ausreichend, um eine impulsartige Entladung des Kondensators über die Funkenstrecke zu erreichen. Diese Entladungen wurden mehrmals hintereinander durchgeführt und anschließend überprüft, ob sich der Kondensator wesentlich erwärmt hat (durch Leckströme zwischen den Elektroden) oder gar beschädigt wurde. Zum Glück war dies nicht der Fall. Deshalb konnte ich auf die mühsame Alternative verzichten, hochspannungsfeste Kondensatoren selbst herzustellen (z.b. Leidener Flaschen oder Multi Mini Caps aus mehreren Kondensatoren kleinerer Kapazität und Spannungsfestigkeit). Gemessene Größen des Kondensators: Kapazität Impulsstrom Spannungsfestigkeit 88nF 20kA 35kV 12

13 Da der Kondensator recht hoch ist, habe ich ihn in das untere Stockwerk gestellt und in dem mittleren Stockwerk ein entsprechendes Loch ausgesägt (siehe Bild auf der Titelseite). Parallel zum Kondensator wurde ein 17MΩ Entladewiderstand fest installiert, damit sich der Kondensator nach Abschalten der Spannungsversorgung der MOTs entladen kann Die Primärspule Die Geometrie der Primärspule bestimmt ihre Induktivität und den Kopplungsfaktor für den Energieübertrag in die Sekundärspule. Zur optimalen Abstimmung mit dem Sekundärschwingkreis habe ich die Primärspule so gebaut, dass die Windungen beliebig abgegriffen werden können. Zudem ist die Primärspule höhenverstellbar, um den Kopplungsfaktor zwischen Primärkreis und Sekundärkreis variabel einstellen zu können. Die Primärspule besteht aus 8mm dickem Kupferrohr, das in 9.5 Windungen flach auf einer Plexiglasscheibe befestigt ist; der Abstand zwischen den Windungen beträgt 15mm. In der Plexiglasplatte befinden sich 5 Löcher, durch die M12 Plastikgewindestangen geführt wurden um die Primärspule in der Höhe verstellbar zu machen. Gemessene Größen der Primärspule: Innendurchmesser Außendurchmesser Drahtdurchmesser Lücken zwischen Windungen 300mm 730mm 8mm 15mm Anzahl der Windungen Induktivität µh Die Verkabelung: Da im Primärschwingkreis sehr hohe Ströme fließen (mehrere ka) müssen die einzelnen Komponenten eng zusammen aufgebaut und möglichst verlustfrei verbunden werden. Außerdem sollten parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten möglichst gering gehalten werden. Um den Leitungswiderstand klein zu halten, hab ich Kupferkabel mit 10mm 2 Querschnittsfläche und dicke Kabelschuhe verwendet Der Sekundärschwingkreis: Die Sekundärspule: Die Sekundärspule ist das auffälligste Bauteil der gesamten Teslaspule: sie besteht aus dünnem Kupferlackdraht, der in mehreren hundert Windungen auf einen langen Spulenkörper gewickelt ist (siehe Abbildung auf dem Titelblatt). Wie eingangs beschrieben, muss sie eine hohe Induktivität und eine kleine Kapazität besitzen. Allerdings ist die Kapazität der Spule allein so klein, dass wegen der daraus resultierenden extrem hohen Spannung das Risiko von unkontrollierten Überschlägen und Beschädigungen der Sekundärspule besteht. Das ist einer der Gründe für die Einführung eines sogenannten Topload ) zur Erhöhung der Kapazität im Sekundärkreis. 13

14 Für die Sekundärspule wurde 0.5mm Kupferlackdraht in ~ 1600 Windungen über eine Länge von 800mm auf ein PVC-Rohr von 160mm Durchmesser aufgewickelt. Um die Sekundärspule vor mechanischer Beschädigung zu schützen und zusätzlich zu isolieren, wurde sie mehrmals mit Kunstharzlack überzogen. Gemessene Größen der Sekundärspule: Spulendurchmesser 160mm Spulenlänge 800mm Drahtdurchmesser 0.5mm Lücke zwischen den Windungen 0.001mm Anzahl der Windungen 1600 Induktivität 45.5mH Kapazität 12.7pF Der Topload Der Topload dient als zusätzliche Kapazität, um die Resonanzfrequenz der Sekundärspule soweit zu verkleinern, dass sie zu einer Primärspule mit vernünftiger Geometrie passt (d.h. nicht zu kleinem Radius). Am besten eignen sich hierfür Kugeln oder Tori, da sie überall denselben Krümmungsradius haben und somit lokale Feldüberhöhungen und die damit verbunden ungewollten Korona-Entladungen vermieden werden können. Ich habe mich für einen Aufbau mit 2 Tori als Topload entschieden. Sie bestehen aus flexiblem Aluschlauch, dessen Ende zusammengeführt sind. Die Einkerbungen des Aluflexschlauches stellen hinsichtlich Korona-Entladungen kein Problem dar, weil sie sehr nah beieinander liegen und sich die Feldlinien damit aufheben Das Kontrollpult: Die Bedienung der Teslaspule erfolgt von einem Kontrollpult aus. Dieses ist ein wesentlicher Bestandteil des Sicherheitskonzeptes, da es einen ausreichenden räumlichen Abstand zwischen dem Experimentator und den hochspannungsführenden Teilen der Teslaspule erlaubt. Die sicherheits-technischen Aspekte des Kontrollpultes wurden bereits in Kapitel 4.1 beschrieben. Deshalb soll hier nur auf die Komponenten eingegangen werden, die für die eigentliche Funktion der Teslaspule wichtig sind. Das Kontrollpult enthält einen Stelltrafo zur Drehzahlregelung des Motors für die rotierende Funkenstrecke (linke Seite) und einen Schweissgerät-Transformator mit verstellbarer Impedanz zur Regelung der Leistung im Ladekreis (rechte Seite, Handrad zur Verstellung der Position des Streujochs). Für beide Komponenten wird Strom und Spannung angezeigt (oben). In zusätzlich sichtbar ist in der Mitte der Schlüsselschalter zur Freigabe der Kontrollpults und auf der rechten Seite der Taster ( normally off ) zum Einschalten der Spannungsversorgung für die Hochspannungstransformatoren. 14

15 Abbildung 9: Kontrollpult 5. Daten der Teslaspule 5.1. Primärschwingkreis Innendurchmesser Spule 300mm Außendurchmesser Spule 730mm Lücke zwischen Windungen 15mm Drahtdurchmesser 8mm Windungszahl 9.5 Induktivität Spule 51.9µH Höhe oberhalb Sekundärspulenanfang 0-100mm Primärkapazität 88nF Minimal erreichbare Resonanzfrequenz* 74.6kHz 5.2. Sekundärschwingkreis Spulendurchmesser 160mm Wicklungslänge 800mm Drahtdurchmesser 0.5mm Lücke zwischen Windungen 0.005mm Windungszahl ~1600 Toruskapazität 43.5pF Induktivität 45.5mH Spulenkapazität 12.7pF Resonanzfrequenz 78.6kHz *Resonanzfrequenz des Primärkreises abstimmbar durch variable Induktivität der Primärspule 15

16 6. Versuchsdurchführung Versuche mit Teslaspulen müssen wegen der damit verbundenen Gefahren sehr sorgfältig geplant und umsichtig durchgeführt werden! Die in Kapitel 4.1 beschriebenen Sicherheitsvorkehrungen wurden in allen Testläufen beachtet. Versuche mit Hochspannung wurden nur in Gegenwart entweder des betreuenden Lehrers oder meines Vaters durchgeführt. Diese überwachten die strikte Einhaltung der beschriebenen Sicherheitsvorschriften. Die ersten Versuche erfolgten in unserer Garage. Ein geerdetes Metallstativ diente als Fangelektrode. Der Abstand der Fangelektroden zur Spule wurde allmählich bis zu einem Abstand von ca. 80cm erhöht; bei noch höherem Abstand erfolgten die Blitze überwiegend in die Decke der Garage (Abbildung 10). Selbst bei nicht perfekt abgestimmter Resonanzfrequenz (aus Zeitgründen, wegen der noch zu erstellenden schriftlichen Arbeit) und nicht angepasster Leistung (in der ersten Version wurde noch ein MOT mit unveränderlicher Leistungsaufnahme als Drosselspule verwendet) ließen sich bereits beeindruckende Blitze von knapp 1m Länge (gegen die Decke) erzeugen. Abbildung 10 First Light am Abbildung 11 Betrieb der optimierten Teslaspule Beim zweiten Test (Abbildung 11), der im Freien durchgeführt wurde, war die Resonanzfrequenz besser abgestimmt und zusätzlich ein regelbarer Drossel-Trafo (Schweissgerät-Trafo) eingebaut. Damit betrug die Blitzlänge bereits mehr als 2m. 7. Ergebnisse Die beschriebene Teslaspule mit rotierender Funkenstrecke wurde Spitz-auf-Knopf fertig: First Light war am , 5 Tage vor Abgabetermin der schriftlichen Ausarbeitung. Deshalb habe ich die Wirksamkeit meiner Ideen zur Erhöhung der Leistung 16

17 sowie die durchgeführten Feineinstellungen bislang hauptsächlich qualitativ anhand der Länge der Blitz-Entladungen bewertet. In der Reihenfolge ihrer Wichtigkeit waren das: - die Optimierung des Energieübertrags von der Primär- in die Sekundärspule durch Abgleich der Resonanzfrequenz (Variation der Induktivität der Primärspule) - Variation der Frequenz der rotierenden Funkenstrecke zur Synchronisierung der Zündrate mit der Kondensatorladezeit - Leistungsanpassung des Ladekreises durch Variation der Impedanz des Drosseltrafos (Position Streujoch) - Vergrößerung des Elektrodenabstands der rotierenden Funkenstrecke zur Erhöhung der Spannung im Primärschwingkreis - Variation der Kopplung zwischen Primär- und Sekundarschwingkreis über die vertikale Position der Primärspule Mit diesen Maßnahmen habe ich das Ziel erreicht, Spannungen im Megavolt Bereich zu erzeugen. Die qualitative Bewertung über eine Abschätzung der Blitzlänge möchte ich in der Zeit bis zum Landeswettbewerb durch quantitative Messungen ergänzen. 8. Zusammenfassung und Ausblick: Mit relativ begrenzten finanziellen Mitteln ist es mir gelungen, einen leistungsfähigen Teslatransformator mit rotierender Funkenstrecke zu bauen. Die zugrundeliegenden Überlegungen zur Erhöhung der Leistung und Effizienz der Energieübertragung habe ich im Experiment bestätigt. Während ich bislang hauptsächlich mit den technischen Tücken der Hochspannung gekämpft habe, möchte ich in Zukunft auch physikalische Fragestellungen untersuchen. So interessiert mich besonders, welche Möglichkeiten es geben könnte, die Entladungen (Zeitpunkt, Richtung) gezielt zu beeinflussen. 9. Danksagung Ich danke - meinem Physiklehrer Herrn Dannecker für die Anregung zum Projekt, intensive Betreuung und vielfältige Hilfeleistung - der Ferdinand - von - Steinbeis - Schule für Material und die Möglichkeit zur Nutzung der Werkstatt - Florian Zellmer für die Bereitschaft, seine langjährige Erfahrung auf dem Gebiet der Hochspannung mit mir zu teilen, Fragen geduldig zu beantworten und mir bei den ersten Schritten in der Welt der Teslaspulen zur Seite zu stehen - der Firma Neue Arbeit Betzingen für kostenlos zur Verfügung gestellte Teile (Mikrowellen-Transformatoren, Motor etc.) - der Eppler&Co GmbH für die kostenlose Überlassung von Plexiglas 17

18 10. Quellen- und Literaturverzeichnis Quellen im Internet , Sheme-It, Erstellung der Schaltpläne , Richie Burnett, Diagramme zur Funkenstrecke , Autor unbekannt, allgemeine Information zur induktiven Resonanz-Kopplung ulas.html#lcres Datum unbekannt, Matt Behrend, Formeln zur Berechnung der Teslaspule. mages%2f4pack2.gif&imgrefurl=http%3a%2f%2fkb3ewy.com%3a8000%2fold%2fmotpsu. htm&h=344&w=459&tbnid=sev3_ym5dge5bm%3a&docid=2pele5lbdqtm6m&ei=prsdvsq KLMGePqizqJAK&tbm=isch&iact=rc&uact=3&dur=1159&page=1&start=0&ndsp=17&ved=0a hukewikneuw5bpkahvbjw8khagzcqiqrqminjah&biw=1366&bih=657 Datum unbekannt, Autor unbekannt, Idee für die Hochspannungsversorgung. 18