Teslatrafo 3

Zu Beginn des Jahres 2014 begann ich mit der Konstruktion eines weiteren Teslatrafos im mittleren Leistungsbereich. Der Trafo entstand als Demonstrationsgerät zu meiner Physik-Facharbeit. Eigentlich ist es ja eher unüblich einen Schritt zurück zu gehen und einen kleineren Teslatrafo zu bauen (insbesondere wenn dieser dann nicht richtig klein ist), in diesem Fall sollte jedoch eine Anordnung her die auch mit Sicherheit funktionieren wird. Ein Totalausfall mit einschließender Komponentenröstung wäre nicht zuletzt aufgrund des Zeitplans recht ärgerlich gewesen. Des weiteren sind Sicherheitsbedenken in schulischen Einrichtungen stets nicht weit also sollte das Projekt eine angemessene Größe haben. Da ich einen "Beweis" erbringen sollte, dass ich das Gerät denn auch selber konstruieren würde entschloss ich mich den gesamten Bauprozess aufzunehmen und später zu ein paar Zeitraffern zu verarbeiten.

Die Dimensionierung der Anordnung richtet sich hauptsächlich an Nummer 1 aus, da sich dieser recht nett auf Resonanz abstimmen ließ und auch ganz gut und zuverlässig lief. Als Trafo nahm ich das was gerade verfügbar war, in diesem Fall ein 6,3kV 65mA Neontrafo. Dieser hat etwas mehr Leistung als der kleine 5kV-Trafo von Nummer 1, ist aber mit grob 400VA (Normalleistung) trotzdem nicht allzu leistungsstark. Ich ließ es mir trotzdem nicht nehmen den Streukern auszubauen, also dürfte die tatsächliche Leistung etwas höher liegen.

Nenndaten

Bezeichnung Wert Einheit
Primärkreis    
Resonanzfrequenz 292 kHz
Primärkapazität 36,6 nF
Primärinduktivität 8,88 uH
Sekundärkreis    
Resonanzfrequenz 325 kHz
Sekundärkapazität 19 pF
Sekundärinduktivität 21,5 mH
Sekundärspule    
Radius 55 mm
Wicklungslänge 450 mm
Ratio 4,09  
Drahtstärke 0,5 mm
Windungszahl 900  
Parasit. Kapazität 8 pF
Topload    
Radius 100 mm
Kapazität 11,13 pF
Primärspule    
Radius [innen] 90 mm
Radius [außen] 144 mm
Drahtstärke 6 mm
Wicklungsabstand 6 mm
Windungszahl 5  
Speisetrafo    
Spannung(eff) <6,3 kV
Strom ~120 mA
Leistung ~750 VA

Die Primärfrequenz lässt sich problemlos durch den Abgriff einer kleineren Primärinduktivität auf die nötigen 325kHz steigern. (weniger L ist ja normalerweise kein Problem)
Die Kopplung wird dadurch natürlich beeinflusst, bleibt aber aufgrund der eher kleinen Änderungen im normalen Bereich.

Aufbau

Der Teslatrafo wurde klassisch auf 2 Ebenen aufgebaut. Jede Ebene hat eine 400mm x 400mm Grundplatte aus Buchen-Leimholz. Massivholz ist eher schlecht geeignet, da sich dieses durch das hohe Gewicht der Komponenten (insbesondere des Trafos) sehr schnell verzieht (und ich zu faul bin dieses zu verstärken).
Die einzelnen Module wurden auf PS(Polystyrol)-platten aufgebaut um Kriechströme durch die Holzplatten zu vermeiden. Das Polystytol lässt sich sehr gut verarbeiten und polieren und lässt sich leicht und recht billig in Form der sich "Bastlerglas" nennenden Platten beschaffen. Polystyrol weist laut Wikipedia eine Leitfähigkeit von etwa 10^−16 S/m auf. laut dieser Tabelle liegt der Wert für PMMA(Plexiglas) bei 10^15 Ω/cm, dies entspricht 10^-13 S/m, das Polystyrol dürfte also ähnlich gut wie Plexiglas geeignet sein.

Auf der unteren Ebene wurden alle Komponenten des Primärkreises und der Steuerung montiert (mit Außnahme der Primärspule natürlich):

Die Primärspule besteht aus 5 3/4 Windungen 6mm Kupferrohr, abgegriffen werden etwa 3 3/4:

Der Primärkondensator besteht aus 2 parallelen Kondensatorsträngen mit je 12 der üblichen FKP-1 220nF Impulskondensatoren. Das macht insgesamt eine Kapazität von etwa 36,6nF bei 15kV- Spannungsfestigkeit. Vorgesehen ist somit eine Reserve von etwa 50%. Über jeden Kondensator wurde ein 1M-Widerstand platziert um verbleibende Teilladungen und Sicherheitsbedenken schnell abzubauen.

Als Funkenstrecke kommen drei Kupferrohrabschnitte mit einem Innendurchmesser von 20mm zum Einsatz.
Zum Abtransport ionisierter Luft und zum Kühlen ist darüber ein kleiner 230V-Lüfter angebracht:

Um den Trafo vor Überspannungen zu schützen und durch die Hochfrequenz bedingte Korona in der Trafowicklung zu vermeiden sind eine Schutzfunkenstrecke und 2 kleine Drosseln verbaut. Diese finden alle auf einer kleinen Platte platz. Ich habe diesmal so einen "Seidenmatten Klarlack" verwendet der im Gegensatz zu den anderen Produkten mit dieser Bezeichnung tatsächlich mal matt ist, sodass die Spulen fast schon etwas antik anmuten, sieht auf jeden Fall nicht schlecht aus. Die Sicherheitsfunkenstrecke besteht aus einer geerdeten 5mm V2A-Hutmutter und zwei V2A 4mm Hutmuttern welche auf Kupferstäbe geschraubt wurden. Diese werden von zwei V2A-Distanzbolzen gehalten welche in der Mitte mit einem passenden Loch versehen wurden.

Verbunden ist alles mit recht starker Kupferlitze und 5mm / 6mm Kabelschuhen. Die Steuerelemente sind auf ein Stück Alublech montiert. Damit sich dieses beim Bedienen nicht durchbiegt wurde dieses mit zwei weiteren Alublechen an den Seiten verstärkt. Das Gerät ist mit 10A abgesichert, nach dem Anschalten läuft zunächst der Lüfter an, die Hochspannung wird über einen Fernauslöser zugeschaltet. Der Trafo wird über einen 16A-Netzfilter mit dem Stromnetz verbunden (vielleicht etwas überdimensioniert, ich hatte aber gerade keinen passenderen).

Um die Anlage jederzeit ohne großen Werkzeugaufwand zerlegen zu können wurden für alle Verbindungen zur oberen Ebene Steckverbindungen verwendet. Interessanterweise schaffte ich es fast jedes Mal zu vergessen die Erdung wieder anzuschließen, normalerweise fällt das dann ja bei einer kurzen Sichtprüfung vor dem Betrieb auf - wenn man diese jedoch einmal auch noch vergisst sieht das in etwa so aus:

Das "Gröbste" wurde in diesem Fall schon entfernt. Der gemäß der üblichen (durch Murphy beeinflussten) Naturgesetze mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit erwartete Einschlag in die Wicklung des Netztrafos mit dessen inbegriffener Vernichtung blieb glücklicherweise aus. Glücklicherweise war die Erdung ja darauf ausgelegt "zur Erdung" zu führen, daher gab es einen recht günstigen Weg zum Anschlussblech des Trafos, wo die entstehenden Blitze dann auch einschlugen.

Betrieb

Aufgrund sicherheitstechnischer Bedenken sollte der First-light der Anordnung in der Schule durchgeführt werden. Seitdem war die Anlage leider nicht mehr in Betrieb, ich muss das Teil also dringend nochmal vernünftig abgleichen und ein paar Runs durchführen. Später habe ich bemerkt dass die Funkenstrecke falsch eingestellt war und somit die Zündschwelle zu schnell erreicht wurde.


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