Funkeninduktor

Konsequenterweise folgt auf die >>Wimshurst Influenzmaschine<< der Rühmkorff'sche Funkeninduktor. Auch dieses Gerät war ein Meilenstein in der Entwicklung der Hochspannungstechnik. Im Gegensatz zu den Elektrisiermaschinen erlaubt der Funkeninduktor die Erzeugung von hohen Spannungen, im Extremfall einige Hundert Kilovolt, bei gleichzeitig relativ hoher Leistung. Für viele Jahrzehnte waren Funkeninduktoren in jedem physikalischem Labor zu finden. Hittdorf', Lenard, Hertz, Röntgen,Tesla und viele Andere benutzen den Induktor für ihre bahnbrechenden Entdeckungen und Erfindungen.


Theorie: Technisch handelt es sich beim Funkeninduktor um einen Transformator mit einem großen Übersetzungsverhältnis. Auf einen Eisenkern, der zur Verhinderung von Wirbelstromverlusten aus vielen dünnen, voneinander isolierten Eisendrähten besteht, ist die Primärspule mit wenigen Windungen dicken Drahtes gewickelt, darüber liegt die Sekundärspule mit vielen Wicklungen dünnen Drahtes, mit Drahtlängen von einigen Kilometern. Angesteuert wird die Sekundärspule mit zerhacktem Gleichstrom aus einer Batterie. Oft wird der zerhackte Gleichstrom mit einem Wagnerschem Hammer erzeugt. Das Magnetfeld des, durch den Primärstrom erregtem, Eisenkerns öffnet den Stromkreis, das Magnetfeld wird somit abgebaut und der Stromkreis erneut geschlossen, je nach Auslegung des Unterbrecher -systems wird so ein zerhackter Gleichstrom mit einigen Zehn Hertz erzeugt. Der Kondensator
dient zur Vermeidung von Funkenbildung am Unterbrecher, welche eine hohe Induktionspannung verhindern würde. Höhere Ströme als einige Ampere kann der Wagnersche Hammer allerdings nicht verarbeiten, so wurde für größere Einheiten andere Systeme wie elektrolytische Unterbrecher, Quecksilber Unterbrecher verwendet. Eine ganz ähnliche Schaltung findet sich übrigens in der Zündanlage von Ottomotoren. Die Zündspule ist die Induktionsspule und wird vom, fremdgesteuerten Unterbrecher mit zerhacktem Gleichstrom aus der Batterie angesteuert. Alle Verbesserungen der Zündung wie Transistorzündung oder Kondensatorzündung sind mit Erfolg auch beim Funkeninduktor anwendbar.

Aufbau:

Primärspule:
Der Aufbau des Induktors beginnt mit der Primärspule. Diese wurde in 2 Lagen mit 2x1.4 mm CuL Draht auf ein PVC Rohr 20x2 mm gewickelt. Insgesamt sind das etwa 230 Wicklungen. Als Eisenkern wurde in das PVC Rohr ein Bündel 50 Stück, Kunststoff isolierter Eisendrähte ( grüner Bindedraht, 1mm Durchmesser ) eingeführt. Die Länge der Spule beträgt 32 cm. Mit Eisenkern besitzt die Primärspule eine Induktivität von ca. 1mH ( Gemessen nach der Resonanzmethode mit einer Kreiskapazität von 10 µF).

	Unterbrecher: Um beim historischen Vorbild zu bleiben wird als Unterbrecher ein Wagnerscher Hammer verwendet. Als Federelement dient eine Federstahlblättchen. Der Aufbau ist äußerst einfach. Wichtig ist aber, daß der feststehende Kontakt federnd gelagert, damit das Federblatt frei schwingen kann. Aus diesem Grund ist der Kontaktstreifen zu einer U-förmigen Schleife gebogen. Der Dämpfungs- kondensator im Vordergrund hat einen Wert von 10 µF.
Allerdings ist der Wagnersche Hammer durch die offenen Kontakten sehr störanfällig und nur für relativ kleine Ströme zu gebrauchen. Deswegen wurde noch eine Thyristoransteuerung in der Art der bekannten Kondensatorzündung gebaut, doch davon später

Sekundärspule:
Für den Aufbau der Sekundärspule wurde eine Scheibenwicklung verwendet. D.h. die gesamte Spule ist in sechs 4 cm breite Kammern aufgeteilt, die durch Polystyrolscheiben (CD's mit entfernter Aluschicht) voneinander getrennt sind. So erschien es einfacher die erforderliche Hochspannungsisolation zu erreichen als mit einer Lagenwicklung. In einer Kammer haben etwa 18 000 Wicklungen 0.2 mm starker CuL Draht Platz. Insgesamt also 110 000 Wicklungen, d.h. etwa 24 km Draht. Von Hand ist so eine Spule in absehbarer Zeit kaum zu erstellen, deshalb wurde eine einfache, motorisierte Wickelvorrichtung improvisiert. Damit können etwa 10 Windungen pro Sekunde gewickelt werden. Während des Wickelns wird die Wicklung mit geschmolzenen Paraffin ( aus Teelichtern ) imprägniert um die erforderliche Hochspannungsfestigkeit zu erreichen .Primär- und Sekundärspule haben ein Wicklungsverhältnis von 110 000 : 230 ~ 480. Erste Messungen (siehe obiges Oszillogramm) ergeben ein Verhältnis von 15 000 V : 30 V = 500, also eine recht gute Übereinstimmung mit dem errechneten Wert

Nicht fehlen darf natürlich eine Funkenstrecke, eine Spitze als negative Elektrode, eine Platte als positive.

Betrieb:

Der erste Betrieb des Induktors war etwas enttäuschend. Die erzielte Funkenlänge entsprach nicht den hochgespannten Erwartungen. Bei einer Batteriespannung von 10 V und einem Primärstrom von 10 A wurde gerade Mal eine Funkenlänge von 25 mm erzielt. Zehn Ampere Primärstrom sind auch das Äußerste was der Wagnersche Hammer ohne allzu starken Kontakt Abbrand verarbeiten kann. Gleichzeitig ist in diesem Strombereich (8..10 A) eine Sättigung der Funkenlänge zu sehen. Möglicherweise ist eine beginnende magnetische Sättigung des Eisenkerns dafür verantwortlich. Um diese Hypothese zu überprüfen wurde die Primärspule mit 50 Hz Wechselstrom gespeist und der Primärstrom und die Sekundärspannung oszillographiert.
Auf den Schirmbildern ist deutlich die mit dem Strom ansteigenden

Nichtlinearität des Eisenkerns zu sehen. Auch der FFT-Analysator zeigt die Ausbildung von Oberwellen

Aus diesen Gründen wurde ein neuer Eisenkern gefertigt. Durch die Verwendung von wesentlich dünneren Eisendrähten (450 Stück, 0.9 mm Durchmesser) kann ein deutlich größerer Eisenquerschnitt erzielt und so die Sättigungserscheinungen zu höheren Strömen hin verschoben werden
	Das linke Oszillogramm zeigt die deutliche Verbesserung der Situation mit dem neuen Eisenkern. Selbst bei hohen Strömen bleiben die Kurven sinusförmig. Lediglich in den Amplituden der Sekundärspannung sind Störungen erkennbar, die aber von Sprüherscheinungen und nicht von einer Sättigung des Eisenkerns herrühren. Auch beim realen Betrieb mit dem Wagnerschen Hammer Unterbrecher ist die Verbesserung dramatisch. Ein Strom von 10A wird nun erst bei 20V Batteriespannung erreicht und die Schlagweite der Entladung beträgt nun 65 mm. Noch höhere Spannungen und längere Entladungen erhält man durch die Anwendung eines Triac-Pulser

Triac Pulser:

Der Pulser ist sehr einfach aufgebaut. Während der positiven Netzhalbwelle wird ein 25 uF Kondensator auf bis zu 300V aufgeladen und während der negativen Halbwelle mittels eines Triac über den Induktor entladen. Die Ladespannung kann mit einem Regeltrafo

	von 0 bis 300 V eingestellt werden. So werden stromstarke Pulse mit einer Wiederholrate von 50Hz erzeugt. Auf dem linken Oszillogramm ist unten die primäre Spannung und oben die Sekundärspannung dargestellt. Die Sekundärspannung erreicht Werte von 100kV Uss. Möglicherweise sind diese Werte aber zu optimistisch,
	da ein Übersprechen im hochohmigen Spannungsteiler (1000 MOhm) zu hohe Spannungsmesswerte ergeben könnte. Immerhin werden aber bei 300V
Primärspannung Funkenlängen von über 8 cm erreicht. Ein Nachteil des Pulsers sei nicht verschwiegen, durch die fehlende Netztrennung kann nun die Primärspule auf hohem Potential liegen so daß vorsichtiger Umgang anbracht ist. Diese Vorsicht ist aber, auch im Hinblick auf die hohe Sekundärspannung auf jeden Fall geboten