Teslaspulen

Die Teslaspule wurde um die vorletzte Jahrhundertwende von Dr. Nikola Tesla - dem Erfinder des technischen Wechselstromes - entwickelt. Er selbst nannte sie seine wichtigste Erfindung, denn sie legte den Grundstein  für sein "Freie-Energie-Konzept". Dieses Konzept sah eine drahtlose Energieversorgung vor, die er mit Hilfe des "Magnifying Transmitters" bewerkstelligen wollte. Der Magnifying Transmitter - seine Weiterentwicklung der Teslaspule -  war ein sehr leistungsstarker ELF-Sender, der auf einer Oberschwingung der Schumann-Frequenz senden sollte. Diese Frequenz wollte er während eines Gewitters aus einem Resonanzverhalten der Erde ermittelt haben. Es gab auch eine Pressevorführung dieser Installation, bei der er 200 Glühbirnen drahtlos zum Leuchten brachte.

Während konkrete Konstruktionspläne für den Magnifier nicht mehr vorhanden sind, ist ein - stark verkleinerter - Nachbau seiner Teslaspulen problemlos möglich. Es sind hochfrequente Ausgangsspannungen von mehreren Megavolt (1.000.000V) möglich. Die Hochspannung am Output ist verhältnismäßig ungefährlich, da der hochfrequente Strom auf Grund des Skin-Effektes nicht in den Körper eindringen kann. Deshalb führt ein Blitzeinschlag häufig "nur" zu schweren Verbrennungen. (Dies gilt nicht für die Spannung im Primärkreises: Diese sind auf Grund der 50Hz definitiv tödlich!)

typischer Aufbau einer Teslaspule

Der Aufbau einer Teslaspule ist recht simpel: Ein Hochspannungstransformator mit einer Ausgangsspannung von mind. 7500V und 20mA Betriebsstrom lädt einen Hochspannungskondensator. Erreicht dieser eine gewisse Spannung, so zündet eine Funkenstrecke und er entlädt sich über die Primärspule. Diese besteht aus wenigen Windungen dicken Drahtes. Primärspule und Kondensator bilden den Primärschwingkreis. Dieser Schwingkreis induziert nun seine Energie in den Sekundärkreis, der aus der langen Sekundärspule und einer Kopfkapazität besteht. Die Eigenfrequenzen beider Schwingkreise müssen identisch sein, damit es zu einer Kopplung kommt. Die Spannung eines idealen Teslatransformators errechnet sich über das Verhältnis von Primär- zu Sekundärinduktivität. Dies unterscheidet sich meiner Meinung nach nicht wesentlich von einem normalen Trafo mit Kernmaterial, da hier das Windungsverhältnis über die Spannung bestimmt, welches bei identischem Kern und Durchmessern letztlich für das Induktivitätsverhältnis verantwortlich ist.

Nun zu den einzelnen Bauteilen:

Hochspannungstransformator

Als Hochspannungsquelle werden meistens alte Zündtrafos aus Ölheizungen (OBITs) eingesetzt. Sie liefern meistens 10kV und 20mA. Eine Alternative bieten Trafos für Neonreklamen (NSTs) (nicht Leuchtstoff-!!), die eine Ausgangsspannung von ca. 7,5kV bei 60mA haben. Glücklich kann sich schätzen, wer einen kleinen Distributionstransformator (Pole Pig) oder Potential-Transformatoren besitzt, denn diese Trafos haben eine Spannung von 10-15kV und eine Leistung von über 5kW!  Man kann die Leistung seiner Spule erhöhen, indem man die Ausgänge mehrerer Trafos parallel schaltet. Dies erhöht die Stromstärke. Da es zum Teil recht schwierig ist, an diese Trafos zu gelangen, arbeiten viele Coiler auch mit zwei Transformatoren aus Mikrowellen (MOTs), die in Serie geschaltet per Level Shifter (Spannungsverdoppler) ca. 12kV erzeugen. Entsprechende Schaltpläne habe ich unter "MOT-Supply" ins Netz gestellt...

Kondensator

Kondensatoren, die eine Spannung von mehreren Kilovolt und Hochfrequenz vertragen, sind praktisch unbezahlbar. Deshalb kommt man auf die erforderliche Spannungsfestigkeit durch das serielle Verschalten vieler kleiner MKP-Kondensatoren. Diese Variante nennt man "Multi-Mini-Cap". Für 50nF und 15kV Spannungsfestigkeit muss man mit 50€ rechnen. Da die Firmen meistens nur die DC-Spannungsfestigkeit angeben, sollte man seine MMC um mindestens 4kV überdimensionieren. Und selbst dann kann man keinen zuverlässigen Dauerbetrieb garantieren... Die Vorteile sind ein geringer Platzbedarf und praktisch keinerlei Verluste durch Erwärmung oder Koronabildung.

Wesentlich einfacher und billiger kommt man zu seinem Kondensator durch Leydener-Flaschen: Man umwickelt viele 1l Glasflaschen bis zum Halsanfang mit Alufolie und füllt die Flaschen mit einer gesättigten Salzwasserlösung. Diese Flaschen stellt man in eine passende Kiste, deren Boden mit Alufolie oder einer Metallplatte ausgelegt ist. Der Boden stellt auf diese Weise eine el. Verbindung mit den umwickelten Flaschen her. Lange Nägel in den Flaschen dienen als zweite Elektrode. Das Glas ist das Dielektrikum des Kondensators. Stören einen die Koronaeffekte an den Flaschenrändern, so gibt man einen Schuss Speiseöl als Isolationsschicht ins Salzwasser. Eine 1l Flasche hat eine Kapazität von ungefähr 1nF und eine Spannungsfestigkeit von >30kV. Eine Alternative sind 1L PET-Colaflschen mit einer Spannungsfestigkeit von 20kV und 2,2nF. Hierbei ist das Öl wichtig, da die Korona den Kunststoff zerstört. Obwohl Tesla sämtliche Versuche mit Leydener-Flaschen durchgeführt hat, soll Glas  angeblich ein schlechteres Dielektrikum als Kunststoff oder Keramik sein.

Für maximale Leistung sollte die Impedanz des Kondensators der Trafoimpedanz entsprechen:

X_T  =  X_C

X_T = U   &  X_C =        1
                    I                    (2π·f·C)     

U = Ausgangsspannung des Trafos; I = Ausgangsstrom des Trafos; f = Netzfrequenz; C = Kondensatorkapazität

MMC-Cap 6*3,5nF / 16kV

Funkenstrecke

Die Funkenstrecke ist das einzige aktive Bauteil einer Teslaspule. Deshalb existieren auch unzählige Bauvorschläge dafür. Am häufigsten werden serielle Funkenstrecken - viele kleine Einzelfunkenstrecken hintereinander - und rotierende Funkenstrecken eingesetzt. Bei letzterer Variante springt der Funke von einer statischen Elektrode auf ein rotierendes Rad mit vielen Elektroden über und von da aus wieder auf eine statische Elektrode. Man betreibt diesen Aufwand damit der Funke möglichst schnell wieder abreißt, sobald die Energie aus dem Primärkreis in den Sekundärkreis übertragen worden ist. Regt die Sekundärspule die Primärspule wieder an und diese dann wieder die Sekundärspule (usw.), spricht man von einem "quench failure". Die optimale Funkenstrecke reißt nach der ersten Energieübertragung zur Sekundärspule ab (first notch quench). Folgendes Beispiel zeigt, wie wichtig eine gute Funkenstrecke ist: Mit einer simplen Einzelfunkenstrecke aus zwei Schrauben bekam ich nur einen Streamer von 8cm Länge aus meiner Sekundärspule. Mit einer Serienfunkenstrecke aus vier Einzelfunkenstrecken erzielte ich schon hellblaue Entladungen von 35cm Länge. (6"-TC mit einem OBIT)

statische Serienfunkenstrecke (4fach-Sucker-Gap)

2nd notch quench

Primärspule

Es gibt drei verschiedene Arten von Primärspulen:

• die normale Helix (wie bei der Sekundärspule): Diese Form ist bei erfahrenden Coilern ziemlich unbeliebt, da leicht Funken aus der Sekundärspule in die Primärspule überschlagen können, was zur Zerstörung des Kondensators führen kann. Außerdem soll sie ein "hässliches" elektro-magnetisches Feld besitzen - was immer das auch heißen mag...

• die flache Spirale: bei dieser Spule kann es zu keinen Überschlägen mehr kommen. Sie wird sehr häufig auch in größeren Teslaspulen verwendet. Ihr Nachteil ist das sehr starke em. Feld in ihrer Mitte, das nach außen hin sehr schnell abnimmt. Das hat bei den Windungen der Sekundärspule, die in der Mitte der Primärspule liegen, eine sehr starke Beanspruchung der Isolationsschicht zur Folge, während die obersten Windungen der Sekundärspule kaum noch angeregt werden...

• Der Königsweg ist die sog. "inverse helical saucer": diese Spule ist im Wesentlichen wieder eine Spirale, deren Windungen aber mit 15-30° ansteigen. Diese Bauform gewährleistet ein gleichmäßiges Feld und verhindert Überschläge.  Skizze:

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Als Material eignet sich entweder dicker Draht oder dünnes Kupferrohr aus dem Baumarkt. Je geringer der Widerstand, desto besser ist der Wirkungsgrad. Der Leiter darf auf Grund des Skin-Effektes hohl sein.

Im Zuge immer höherer Trafoleistung stiegen auch die Kapazitäten der Kondensatoren immer weiter. Um dieselbe Frequenz beizubehalten, wurden die Primärspulen immer kleiner. Dies hat bei vielen aktuellen Spulen einen ungeheuren Energieverlust zur Folge, da eine winzige Spule kein kraftvolles und gleichmäßiges Magnetfeld erzeugen kann. Dieses Phänomen nennt man "Unterkopplung". Eine "Überkopplung" erkennt man an ausbrechenden Funken mitten auf der Sekundärspule trotz Isolierung und einer sichtbaren Ionisation der Luft in der Nähe der Teslaspule. In diesem Fall entfernt man die Sekundärspule so weit von der Primärspule, bis man den kritischen Punkt erreicht hat: nun arbeitet man mit optimaler Kopplung!! Also nehmt besser eine zu hohe Induktivität als eine zu niedrige... (12-15 Windungen sind ein guter Richtwert.)

Ihre Induktivität lässt sich durch folgende Formel errechnen:

L =     µ_r · µ_o ·n² · A
                    l            

L = Induktivität; µ_r = 1; µ₀ = magn. Feldkonstante; n = Anzahl der Windungen; A = Querschnittsfläche der Spule; l = Länge der Spule

Primärspule (Testversion) 10Wndg.

Sekundärspule

Die Induktivität der Sekundärspule lässt sich mit derselben Formel berechnen. Sie besteht aus 1000 - 1600 Windungen dünnen Kupferlackdrahtes. Das Verhältnis von Höhe zu Durchmesser sollte ca. 4:1 betragen, um eine möglichst große Induktivität bei möglichst geringer Drahtlänge zu erreichen. Dies ist notwendig, um den ohmischen Widerstand der Spule so klein wie möglich zu halten und somit eine geringe Schwingungsdämpfung in der Sekundärspule zu gewährleisten.

Dabei muss beachtet werden, dass die Spannung zwischen zwei benachbarten Windungen max. 1kV betragen darf. Eine Spule die Sparks von 1m Länge erzeugen soll (ca. 1MV), benötigt aus diesem Grund also mindestens - schon auf Grund kleinster Unregelmäßigkeiten beim Wickeln - 1300 Windungen!!

Der geeignete Drahtdurchmesser lässt sich errechnen durch:

d_D = 200
          √f   

d_D = Drahtdurchmesser (in mm); f = Frequenz der Teslaspule

Als Spulenträger eignen sich PP- oder notfalls auch PVC-Rohre  aus dem Baumarkt.

Als erstes wird das Rohr mit Aceton von Schmutz und Beschriftungen befreit.  Auf eine Beschichtung des Rohres  sollte unbedingt verzichtet werden!!

Nachdem das Rohr getrocknet ist, wird die Wicklung aufgebracht. Damit dies gleichmäßig geschieht, sollte das Rohr automatisch gedreht werden. Viele nehmen dazu Drehbänke ich hab nur eine Bohrmaschine, in die ich ein passendes Fitting einspanne. Das ist nicht perfekt, aber besser als per Hand gewickelt... Die Wicklung muss absolut gleichmäßig ohne Abstände und vor allem ohne Überlappungen sein!

Nach dem Wickeln wird die Wicklung mit mehreren Schichten Isolierlack-Spray oder Epoxid-Gießharz fixiert.

4"-Sekundärspule (ca.  1300Wndg./ Verhältnis 4 : 1)

Kopfkapazität

Da die Eigenfrequenz der Sekundärspule auf Grund der geringen Eigenkapazität sehr viel höher als die des Primärkreises ist, braucht man zur Anpassung eine Kopfkapazität. Hierfür eignen sich alle Sorten von Metallkugeln. Ansonsten gibt es auch noch die Torus-Bauform, bei dem die Kapazität aus einem Ring aus "Aluflex" besteht. Die Kapazität einer Kugel ergibt sich durch die Formel:

C = 4πe₀ · R

C = Kapazität; R = Kugelradius; e_o = el. Feldkonstante

Es werden meistens Toroide eingesetzt, da sie durch ihr em. Feld ein Ausbrechen von Funken aus den letzten Sekundärspulenwindungen verhindern sollen. Da die Sekundärspule durch ihre lose Kopplung frei schwingen kann, sollte man ihr ruhig eine große Kopfkapazität gönnen, damit sie ihre Leistung voll erbringen kann. Richard Hull - der Konstrukteur der berühmten Nemesis-Spule - meint: je größer, desto besser!

Die Frequenz der beiden Schwingkreise lässt sich durch die Thomson'sche Schwingungsformel berechnen:

f =       1
             2π √L·C

f = Frequenz; L = Induktivität; C = Kapazität

In der Praxis hat es sich bewährt, den tatsächlichen Resonanzpunkt beider Schwingkreise durch Anzapfen verschiedener Primärspulenwindungen zu ermitteln. Wenn die Spule funktioniert, hat man den Resonanzpunkt gefunden.

Vermeidet möglichst Holz und Metallplatten Spulennähe, da sonst Energie in nutzlosen Wirbelströmen verbraten wird!

Die einzige Spule, die meiner Meinung nach alle Bedingungen erfüllt, ist die "Nemesis" von Richard Hull, die alle Rekorde in Sachen Effizienz gebrochen hat...

unsere erste Version der Teslaspule

(max. 10cm Output...)

Jegliche Justagen der Spule sollten nur bei gezogenem Netzstecker erfolgen.

Außerhalb des Betriebes sollte man die Kondensatoren kurzschließen. Andernfalls bauen sie während der Ruhephase eine tödliche Ladung auf (Dielectric Memory Effect).

Der Nachbau meiner Teslaspule sowie eigene Experimente auf der Grundlage dieser Homepage erfolgen auf eigene Gefahr.

Tesla-Entladungen sind zwar beeindruckend, aber auch gefährlich!!!