Kleine Teslatrafo

Obwohl Teslatrafos selten zum Betrieb von Lasern (abgesehen von sehr kleinen Einheiten zum Zünden von Ionenlasern) verwendet werden, ist es doch lehrreich und interessant einen zu aufzubauen. Die Grundelemente wie Funkenstrecke und Speicherkondensatoren werden auch für Impulslaser verwendet und die beim Bau eines Teslatrafos gesammelten Erfahrungen sind auch beim Laserbau hilfreich.

Wie wohl bekannt handelt es sich beim Teslatrafo um einen lose-gekoppelten Lufttransformator der in Resonanz bei Frequenzen von einigen Hundert Kilohertz bis einigen Megahertz betrieben wird. Zur Erzeugung der Hochfrequenzschwingung dient meist ein Funkensender. Durch die Resonanzbedingung und die hohe Güte des Sekundärkreises können leicht ungewöhnlich hohe Spannungen von einigen Hunderttausend Volt erreicht werden.

Sekundärspule:

Für die Funktion des Trafos ist die Konstruktion der Sekundärspule von großem Einfluß. Um unnötige, zeitraubende Wickelarbeit zu vermeiden lohnt es sich vor dem Beginn des Baus einige Berechnungen anzustellen. Die Resonanzfrequenz des durch die Induktivität der Spule mit der Eigenkapazität und der Dachkapazität gebildeten Schwingkreises muß mit der durch die Drahtlänge erzielten Lambdaviertel Resonanz übereinstimmen. Für den Spulenkörper wird ein gut isolierendes Rohr (Hartpapier, Plexiglas u.s.w) und für die Dachkapazität am besten eine Metallhohlkugel (z.B. bei Ikea gibt es halbkugelförmige Edelstahlsalatschüsseln 20 und 40 cm Durchmesser) verwendet. Anhand eines Hartpapierrohres ( 7 cm Durchmesser) und einer Ikeakugel ( 20 cm Durchmesser) wird die Berechnung der Spulendaten gezeigt. Zur Verfügung stand außerdem aussreichend (einige Hundert Meter) CuL Draht mit 0.6 mm mmt Durchmesser.

Die Induktivität einer einlagigen Zylinderspule errechnet sich einfach nach der Formel 1 berechnet, wobei L die Induktivität (H), m0 die Permentabilitäts Konstante mit 1.2566x10^-6, n die Anzahl der Windungen, d der Durchmesser der Spule (m) und l die Spulenlänge (m) sind

Die Eigenkapazität der Spule kann mit der Medhurst Formel (2) näherungs- weise bestimmt werden, mit C ist die Kapazität (pF), l die Spulenlänge (cm) und d der Spulendurchmesser (cm)

Die Kapazität einer Kugel errechnet sich nach Formel 3, mit C der Kapazität (pF) und d der Durchmesser der Kugel (cm)

Die Kreisfrequenz des aus Spule, Eigenkapazität und Dachkapazität errechnet sich dann nach der bekannten Thompson Formel 4, mit f ist die Kreisfrequenz (Hz), L die Induktivität (H) und C die Summe von Kreis- und Dachkapazität (F)

Die Lamdaviertelresonanz Frequenz errechnet sich näherungsweise nach Formel 4 mit c0 die Lichtgeschwindigkeit (300x10⁶ m/s), d der Spulendurchmesser (m) und n die Anzahl der Wicklungen

Mit obigen Formeln kann die benötigte Wicklungszahl errechnet werden. So erhält man bei ungefähr 500 Wicklungen eine Induktivität von 3 mH, eine Eigenkapazität von 5 pF, zusammen mit der Kugel (20 cm Durchmesser -> 11 pF) eine Resonanzfrequenz von ~ 700 kHz. 500 Wicklungen ergeben eine Drahtlänge von ~ 100 m und somit eine Lambdaviertel Resonanz von ebenfalls 700 kHz.
Also wurden 500 Windungen gewickelt und nach Fixierung der Wicklung mit farblosem Bootslack zum eigenen Erstaunen mit Generator und Oszillographen tatsächlich eine Resonanzfrequenz von 720 kHz gemessen

Primärkreis,Primärspule, Primärkapazität und Funkenstrecke:

Die erforderliche Primärspule richtet sich nach der Resonanz der Sekundärspule und nach der zur Verfügung stehenden Primärkapazität. Die Primärkapazität sollte nicht zu klein gewählt werden um genügend Energie zu speichern muß aber hoch belastbar sein da auch im Primärkreis hohe Spannungen und Ströme entstehen, einige Zehntausend Volt und einige Hundert Ampere. In diesem Fall wurden vier keramische Kondensatoren ( 2.7 nF 40 kV) parallel geschaltet und die Spule aus 6 mm Kupferrohr mit 6 Windungen und 22 cm Durchmesser gewickelt. Die erforderliche endgültig Wicklungszahl wurde dann experimentell mit Generator und Oszillographen ermittelt und später im Betrieb mit einer verschiebbaren Abgreifklemme abgestimmt

Als Funkenstrecke wurde eine motorisch betriebene rotierende Funkenstrecke gewählt. Diese Art gewährt im Gegensatz zu einer Löschfunkenstrecke einen sehr großen Betriebsspannungsbereich, was beim Testbetrieb sehr hilfreich ist, da nicht sofort mit der vollen Betriebsspannung gearbeitet werden muß. Betrieben wird die Funkenstrecke mit einem 12 V Gleichstrommotor, dessen Drehzahl über die Betriebsspannung eingestellt wird. Die Drehzahl muß natürlich in einem bestimmten Verhältnis zur Netzfrequenz stehen, damit der Kreis im Spannungsmaximum geschlossen wird und so ergeben sich beim Hochfahren des Motors interessante Schwebungseffekte

Auf dem Bild ist rechts die Primär- und Sekundärspule, links die Funkenstrecke und dahinter die Primärkapazität zu sehen

Netztransformator:

Betrieben wird die Anlage mit einem vorhandenem Neon Streufeldtrafo 2x3.5 kV und 50 mA. Zum Schutz des Trafos wurde HF-Sperrdrosseln und eine Sicherheitsfunkenstrecke in die Hochspannungsleitungen eingeschleift

Bedienteil:

Im Bedienteil befinden sich die zum Betrieb nötigen Zusatzschaltungen, wie ein regelbares 12 V Netzteil für die Funkenstrecke, ein Schlüsselschalter zum Einschalten der Gesamtschaltung, Tastschalter zum Einschalten der Hochspannung, eine Betriebsanzeige und eine Netzsicherung

Schaltung

Aufbau und Betrieb

Kompletter Aufbau des Teslatrafos	Erster Probebetrieb

Wesentlich eindrucksvoller sind die Entladungen bei abgedunkeltem Raum und Langzeitbelichtung (1 sec) zu sehen. Die maximale Streamerlänge auf eine geerdete Elektrode beträgt etwa 25 - 30 cm, in den freien Raum etwa 20 cm. Leuchtstarke Spitzen-Entladungen (linkes Bild) können durch das Auflegen einer Reisszwecke auf die Dachkapazität erzielt werden