Teslaspulen

Teslaspulen sind cool und deswegen wollen wir unsere eigene. In der c't Hacks 2/2014 gab es zu diesem Thema einige Beiträge, was der Anstoßer für dieses Projekt war.
Der Apparat, den wir bauen ist eine Continuous Wave Tesla Coil. Diese sendet eine kontinuierliche sinusförmige elektromagnetische Schwingung aus. Zwar ist die Funkenstrecke nicht allzu lang, dafür werden Leuchstoffe (z.B. Neon-Röhren) in der Nähe der Spule angeregt.

Die Schaltung

Die original Schaltung ist in der c't Hackst 2/2014 auf Seite 42 zu finden. Wir haben jedoch ein paar Modifikationen vorgenommen. Statt eines 24V Trafos benutzen wir einen 2x12V Transformator. Wir haben zwei weitere Schalter eingeplant, die alle nacheinander eingeschaltet werden müssen, damit die Spule funktioniert. An die 12V und 24V Wechselspannungsleitungen sind zwei Diodenvierecke angeschlossen.

Original:

Unsere Version:

Bauteil Wert & Info Woher?
R1 1k-10k Conrad, 0.09€
R2 10k wie R1
C1, C2 2200µF 35V Conrad, 0,85€
C3 2200µF 100V Conrad, 3,78€
C4 500pF In alten Radios zu finden
oder wie ich Physiklehrer fragen.
C5 10µF 100V Conrad, 0,07€
C6 100µF 50V Conrad, 0,12€
C7 100µF 35V Conrad, 0,05€
D1-D10 1N4007 Conrad, 0,07€
S1 Netzschalter (230VAC)
S2 Ent-/Laden, Vorglühen, Lüfter (24VAC)
S3 FEUER! (eig. 80VDC, jedoch schwer
zu besorgen, daher bei uns 12VDC)
V1 PL504, PL36, PL81, PL509,
PL519, GP5, QB 3.5/750
ebay

Novalsockel (z.B. für PL81):
Conrad, 1,37
Magnovalsockel (z.B. für PL504):
Conrad, 4,71€
L1 18 Windungen d=8cm aus 0,75mm
dickem Kupferlackdraht
Conrad, 8,30€
L2 1000-1400 Windungen d=3-4cm
aus 0,22mm dickem Kupferlackdraht
Auf Vorrat:
Conrad, 14,60€
Für eine Spule:
Conrad, 9,39€
die „Antenne“
an L2
2 Windungen d=8cm aus 0,75mm
dickem Kupferlackdraht parallel zu L1
wie L1
LMP1 12V Glühlampe (optional)
F1 250mA, 230VAC, träge Halterung:
Conrad, 1,20€
Sicherungen:
Conrad, 1,92€
TR1 2x12V Trafo, (z.B. 2,08A) Conrad, 17,85€
(Montagezubehör:
Conrad, 1,44€)
230VAC Netzfilter (z.B. 250 VAC 1 A 3.7 mH) Conrad, 3,63€

Funktionsweise

Stromversorgung

Die Schaltung kann direkt ans Netz angeschlossen werden. Dabei schütz der Netzfilter vor HF-Rückkopplungen der Spule. Über den Trafo wird die Spannung auf 12V bzw. 24V gewandelt. Über die zwei Diodenvierecke stehen die beiden Spannungslevel auch als Gleichspanunng zur Verfügung. Die Kondensatoren C6 und C7 an den Vierecken glätten die Spannung. 12VDC werden für die LED in dem Schalter S3 und für einen Lüfter (nicht im Schaltplan) benötigt. Die Heizspirale der Spule und ein cooles, dekoratives Voltmeter werden mit 24VDC betrieben.

D1, D2, C1 und C2 bilden einen Spannungsverdoppler nach Delon. In der einen Hälfte der Phase wird über D1 der Kondensator C1 aufgeladen, D2 sperrt. In der anderen Hälfte der Phase wird C2 über D2 geladen. Ergo sind C1 und C2 auf die Scheitelspannung der Wechselspannung geladen. Da die Kondensatoren in Reihe geschalten sind, liegt nun von oben nach unten die doppelte Scheitelspannung an. C3 glättet die Spannung.

Liegt die Netzspannung am Trafo und ist S2 im „An“-Zustand, so ist die Stromversorgung aktiv. Da C1-C3 auf eine relativ hohe Spannung geladen werden (bis zu 80V), werden diese im „Aus“-Zustand von S2 über den Widerstand R1 entladen.

Der Schwingkreis

Der Schwingkreis wird durch S3 (der letze Schalter der Aktivierungsreihenfolge) mit Strom versorgt.

Die Spule L1 und der Stell-Kondensator C4 bilden den Primärschwingkreis. Dessen Frequenz lässt sich ermitteln durch f = 1/(2*pi*sqrt(L*C))
L1 ist eine Luftspule mit einem Durchmesser von 8cm und n = 18 Windungen. Der Flächeninhalt der Spule entspricht A = pi*r² = pi*0,04m² = 0.00503m². Der Draht der Spule ist 0,75mm dick, wodurch die Spule eine Länge von 13,5mm erhält. Die Induktivität der Spule ist zu errechnen mit L = µ0*n²*A/l , wobei µ0 die magnetische Feldkonstante ist.
Setz man die Werte ein, kommt man aus L = 41,2µH.
Die Kapazität des Stellkondensators läss sich ungefähr zwischen 50pF und 500pF einstellen. Nun lassen sich die maximale und minimale Eigenfrequenz des Schwingkreises ermitteln.

fmax = 3,5MHz
fmin = 1,1MHz

Die Spule L2 bildet den Sekundärschwingkreis, befindet sich innerhalb von Spule L1 und ist daher mit dieser magnetisch gekoppelt. An L2 ist kein Kondensator eingebaut. Den Kondensator bilden die Enden der Spule. Die Kapazität ist dem entsprechend gering, dafür ist die Induktivität der Spule sehr hoch (2,75H - 9,5H). Das Ziel ist es nun, den Primärschwingkreis mit der Eigenfrequenz des Sekundärschwingkreises schwingen zu lassen. Ist dies erreicht, so resoniert der Sekundärschwingkreis, d.h., dass dieser sich immer weiter „aufschaukelt“ und die Spannung immer höher wird. Wünschenswert ist hierbei die „Resonanzkatastrophe“. Was sich erst sehr schlimm anhört bedeutet nur, dass die Spannung so hoch ist, dass Elektronen austreten. Diese sind dann als Lichtbogen zu sehen.

Die Primärschwingung kommt jedoch nicht nur durch das Anlegen von Spannung zu stande. Deswegen ist die eine Pentoden-Elektronen-Röhre als aktives Bauelement verbaut. In einer Elektronenröhre fließt der Strom von der Kathode (PK) zur Anode (PA) und wird dabei vom Steuergitter (G1) reguliert. Die Gitter G2 und G3 sorgen für ein besseres verhalten des Stromes in der Röhre. Die an das Steuergitter angeschlossene „Antenne“ bildet einen Koppelkondensator mit den Schwingkreisen. Dadurch kommt es zur Rückkopplung des Signals. Diese Rückkopplung sorgt einerseits für den erhalt der Schwingung, andererseits für deren Sinusform.

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Fortschritt

i.imgur.com_15p7ko7.jpg
Primärspule um PET-Flaschen-Zylinder gewickelt

i.imgur.com_loifktk.jpg
Bauteile von Conrad

i.imgur.com_qnlhcty.jpg
Primärschwingkreis fertig, jedoch ungetestet.

i.imgur.com_1jqghdg.jpg
Die Skundärspule haben wir mit hilfe eines Lego NXTs gewickelt, da dieser die Umdrehung zählen kann. Alternativ kann man in einem Ende des Rohres ein Holzstück mit einer Achsen-Schraube fixieren und die Spule mit einem Akkuschrauber, in welchen die Achsen-Schraube eingespannt ist, drehen. Um die Anzahl der Wicklungen abzuschätzen, kann mann 100 Windungen fertig stellen und deren Breite messen. Danach lässt sich errechnen, wie lang die Spule mit der gewünschten Wicklungszahl wäre.


Notiz an mich - Messen mit dem Oszi:

erstmal kanäle erden (input coupling auf gnd stellen), dann intensity, focus und h- und v-position fixen, gucken dass die magnification aus ist
gucken, dass nur die relevanten kanäle eingeschaltet sind, dann verstärkung runterdrehen (zu hohen spannungen), kanal einkoppeln und dann nach und nach die verstärkung wieder hochdrehen
seit bitte insbesondere mit der intensity etwas vorsichtig, wenn man die zu hoch einstellt kann man sich schnell die bildröhre einbrennen (außerdem blendet es dann)
der find beam-knopf ist i.Ü. so gebaut, dass du sehen kannst, woher der strahl in den schirm geflitzt kommt und somit in welche richtung du kurbeln musst.
~jaseg

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