Richi´s Lab

 

Teslaspule / Primärspule

Die Primärspule muss die hohen Ströme des Primärkreises tragen können. Sie soll möglichst nah an der Sekundärspule sein, um eine relativ hohe Kopplung zu ermöglichen. Gleichzeitig muss der Abstand zwischen Primär- und Sekundärspule groß genug sein, dass es gerade noch nicht zu Überschlägen kommt. Entladungen in die Seite der Sekundärspule führen zwangsläufig zu Schäden in der Isolationsschicht.

 

Die erste, provisorische Primärspule liegt auf Büchern, um ihre Höhe und damit die Kopplung variieren zu können.

 

Idealerweise bildet die Unterkonstruktion eine Teslaspule sowohl den stabilen Fixpunkt für Primär- und Sekundärspule, als auch die Aufnahme für die Elemente des Schwingkreises. Letzteres ist vor allem wichtig, um die Wege für die hohen Ströme im Schwingkreis kurz zu halten.

 

Bei dieser Konstruktion lässt sich die Kopplung über die Höhe der Primärspule einstellen, die über Gewindestangen variiert werden kann.
Die Gewindestangen ermöglichen es außerdem die Primärspule schnell auszutauschen.

Im Moment befindet sich unter der Primärspule nur der Primärkondensator. Für weitere Ausbauten kann man diesen Platz aber sinnvoll nutzen.

Die erhöhte Platzierung der Teslaspule macht nicht nur das Arbeiten am Spulensystem einfacher, sie sorgt auch für einen gewissen Abstand zwischen Primärspule und Untergrund. Die abgestimmte Sekundärspule führt zu einer Konzentration des elektromagnetischen Felds, dennoch dehnt sich ein Teil des Felds nach unten aus. Ein leitfähiger Untergrund kann so zu Verlusten und zur Verstimmung der Resonanzfrequenz führen.

 

   

Der ideale Abstand zwischen Primär- und der Sekundärspule lässt sich nicht berechnen. Ein zu hoher Abstand führt zu einer niedrigen Kopplung und damit zu einer nicht optimalen Energieübertragung. Zwar lässt sich die Kopplung über die Höhe der Primärspule erhöhen, allerdings sind auch diesem Parameter Grenzen gesetzt. Letztlich kommt es ab einer gewissen Nähe zu Überschlägen von der Sekundär- zur Primärspule. Je nach den Eigenschaften des Gesamtsystems ist eine andere Form der Primärspule ideal.
In der hier zu sehenden Konstruktion musste später die innerste Windung der Primärspule zurückgebaut werden, da es laufend zu Überschlägen kam.

Ein geerdeter Ring an der Außenseite der Primärspule soll Entladungen aus der Topelektrode ableiten, so dass sie den Primärkreis nicht beschädigen.

Ein neuralgischer Punkt der Primärspule ist die Konstruktion des Abgriffs, der hohe Ströme tragen und leicht zu verstellen sein muss. Um eine hohe Kopplung erreichen zu können, will man den Abstand zwischen den einzelnen Windungen gering halten. Das erschwert aber wiederum die Konstruktion eines niederohmigen und gut bedienbaren Abgriffs. Hier besteht der Abgriff aus zwei Krokodilklemmen.

Für eine Sekundärspule mit 11cm Durchmesser existiert eine sehr ähnliche Primärspule, die einfach ausgetauscht werden kann. Sie ist mit 4mm²-Draht gewickelt, während die kleinere Primärspule noch aus 2,5mm²-Draht aufgebaut ist.

 

Teslaspule / Sekundärspule

Die Sekundärspule stellt die Induktivität und einen nicht unerheblichen Teil der Kapazität des Sekundärschwingkreises dar. Eine harte Anforderung bei der Planung der Sekundärspule ist die zum Primärkreis passende Resonanzfrequenz. Änderungen der Resonanzfrequenz sind später oftmals nur noch zu einem kleinen Teil über die Topelektrode möglich. Abgesehen von dieser Vorgabe kann die Sekundärspule relativ frei definiert werden.
Es empfiehlt sich eine ausreichende Länge zu wählen, da es ansonsten zu massiven Überschlägen zwischen Sekundär- und Primärspule kommt. Kann man auf Grund der gewünschten Induktivität die Spule selbst nicht so weit verlängern, so ist es möglich beim Wickeln dem Kupferdraht einen isolierenden Faden, zum Beispiel Perlon, zur Seite stellen. Das verschlechtert natürlich ein Stück weit die Kopplung zwischen Primär- und Sekundärkreis. Es ist auch möglich die Sekundärwicklung kürzer auszuführen und nur die Top-Elektrode höher zu platzieren, das kann allerdings je nach Aufbau zu Entladungen aus dem Ende der Sekundärwicklung führen.
Die Topelektrode stellt oft einen Großteil der Sekundärkapazität dar. Je nach benötigter Resonanzfrequenz und Eigenschaften des restlichen Systems kann diese Topelektrode sehr ausladend ausfallen oder aber auch sehr klein sein. Auf jeden Fall ist das hohe Potential zu beachten. Sehr kleine Topelektroden weißen zwangsweise geringe Radien auf, die zu sehr hohen Feldstärken führen. Will man gleichmäßig verteilte Sprühentladungen erzeugen, so stellt das kein Problem dar, legt man allerdings mehr Wert auf definierte Entladungspunkte, so sind große Topelektroden eher von Vorteil.
Bei allen Überlegungen sollte darauf geachtet werden, dass das System auch einfach zerlegt werden kann. Dabei geht es nicht nur um den Transport der Teslaspule, sondern auch um eventuelle Reparaturen von Überschlägen in die Sekundärspule, die immer wieder einmal vorkommen können.

Eine besondere Variante der Teslaspule sind die sogenannten Magnifier-Teslaspulen. Bei diesen Systemen stellt die Sekundärspule nur einen Teil des Resonanzsystems dar. Daran angeschlossen ist ein weiteres Spulensystem. Die genauen Hintergründe und Funktionsweisen würden ein eigenes Kapitel füllen.

 

Für die gängigen Größen von Teslaspulen eignen sich Abwasserrohre als Grundkonstruktion sehr gut. Sie sind in den verschiedensten Durchmessern zu bekommen, günstig stabil und gut isolierend. Der notwendige Kupferlackdraht muss sehr lang sein, das Stückeln ist zwar grundsätzlich möglich aber auf Grund der Gefahr von Koronaentladungen nicht zu empfehlen.
Bei der Auswahl des Querschnitts des Kupferlackdrahtes empfiehlt es sich die gewünschten geometrischen Abmessungen und die Induktivität der Sekundärspule im Auge zu behalten. Der Widerstand selbst ist zwar nicht gänzlich unwichtig, die anderen beiden Parameter haben aber Priorität. Hier kommt ein Durchmesser von 0,312mm zum Einsatz.

Die Sekundärspulen per Hand zu wickeln ist sehr zeitaufwendig, führt aber meist zu besseren Ergebnissen als die Nutzung einer Drehbank oder einer ähnlichen Konstruktion. Die Windungen liegen hier ohne Zwischenräume exakt nebeneinander.
Damit sich der Kupferlackdraht nicht wieder abwickelt und um das Bewickeln zu erleichtern, kann man das KG-Rohr auf zwei Seiten mit doppelseitigen Klebeband bekleben
Mehrere Schichten Sprühisolierlack fixieren die Wicklung nach ihrer Fertigstellung.

 

   

Das linke Bild zeigt die erste Sekundärspule, die mit 1040 Windungen Kupferlackdraht bewickelt ist. Auf dem rechten Bild stehen daneben die beiden Nachfolgegenerationen: Die mittlere Sekundärspule ist mit 1400 Windungen, die Große mit 1600 Windungen bewickelt.

 

Die Befestigung der Sekundärspule und der Anschluss der Erdung sind zwei wichtige Punkte.
Als mechanische Befestigung bieten sich im Fall von Kanalrohren die zugehörigen Abschlüsse an, die man auf die Grundplatte schraubt.
Die elektrische Anbindung realisiert hier ein einigermaßen elastisches Lochband und einige Streifen Alufolie. Durch diesen Aufbau kann die Sekundärspule ohne weiteres Zutun in das System gesteckt werden.

Hier nicht dargestellt ist die Erdung selbst. Der Punkt ist nicht zu unterschätzen. Den Potentialausgleich der Steckdose oder der Heizungsanlage zu nutzen ist nicht ratsam. Die Strompfade sind auf Grund der hohen Frequenzen kaum zu überblicken und meist ist die Impedanz sehr viel höher als es wünschenswert ist. Soweit es die Gegebenheiten erlauben, kann man einen Erdspieß in den Boden einschlagen und diesen als Erdung nutzen. Unterstützen lässt sich das Bezugspotential durch die Ausbringung eines sogenannten counterpoints. Das können zum Beispiel Metallrohre sein, die man sternförmig von der Teslaspule nach außen führend auf den Boden legt und elektrisch mit der Erdung verbindet. Ein Teil der hochfrequenten Ströme koppeln sich kapazitiv in den counterpoint ein und können so schnell und effizient abgeleitet werden.

Die Umgebung wirkt sich allgemein stark auf die Resonanzfrequenz der Teslaspule aus. Daher ist es nach einem Umzug immer sinnvoll die Resonanzfrequenz des Primärkreises neu einzustellen.

 

Die Top-Elektrode lässt sich auf viele Arten konstruieren. Das Vorgehen hängt unter anderem stark von der gewünschten Größe ab. Kleine Geometrien lassen sich mit Styroporkugeln aus dem Bastelbedarf realisieren, die man mit Alufolie beklebt. Mittelgroße Kapazitäten konstruiert man am einfachsten mit Lüftungsrohren aus Aluminium, die man zu einem Toroid biegt. Für die große Sekundärspule muss die Kapazität noch etwas größer sein, was sich mit einer Holzunterkonstruktion und Drahtgeflecht gut realisieren lässt. Das Drahtgeflecht ist auf Grund seiner viele Ecken und Kanten für die hohen Spannungen nicht so gut geeignet wie eine komplett glatte Fläche. Durch die relativ großen Radien schirmen sich die leichten Unebenheiten allerdings ein Stück weit gegenseitig ab.

Auf Grund des großen Abstands der Topelektrode von der letzten Windung der Sekundärspule ist hier eine Koronaabschirmung notwendig. Mit weniger Abstand schirmt die Topelektrode den Bereich gut genug ab, hier ist das aber nicht der Fall.

 

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