Micro Tesla Spule

15cm hohes, leicht transportierbares Model

 

Da ich öfters meine Teslaspulen vorführen will, aber es immer soviel arbeit ist, die Teslaspule, den Kondensator, Funkenstrecke, Trafo zusammenzusuchen und aufzubauen, habe ich mir eine Micro tesla Spule gebaut. Diese hat einen Resonanzfrequenz von etwa 3MHz, ist 15cm hoch und hat etwa 250 - 300 Windungen. Sie wird mit 10kV aus einem Zeilentrafo aus einem TV betrieben. Eingangsleistung etwa 25W, bei 12V Betriebsspannung. Lichtbögen bis zu 4cm und schöne Sprühentladungen. Leuchtstofflampen leuchten 50cm im Umkreis.
Das Hauptproblem bei dieser Schaltung ist die hohe Resonanzfrequenz. Dadurch darf man als Primärkondensator nur 500pF nehmen. Und 500pF sind nicht viel Energie. Die einzige Möglichkeit viel Energie zu übertragen, ist eine hohe Zündrate zu nehmen. Die Funkenstrecke zündet bis zu 1000x pro Sekunde.

Die Ansteuerschaltung für den Zeilentrafo besteht auf einem simplen NE555 Oszillator, der direkt eine MOSFET ansteuert. Dieser muss auf einem kleinen Kühlkörper montiert werden. Die Arbeitsfrequenz wird mit einem Kondensator fest je nach Zeilentrafo zwischen 1 und 70kHz eingestellt. Das Tastverhältnis, und damit die Leistung ist mit einem Poti zwischen 50 und 90% einstellbar. Da der Trafo normalerweise mit über 100V betrieben wird, muss man bei 12V das Tastverhältnis um einiges höher wählen, deshalb diese hohen Werte. Meine Schaltung läuft je nach Betriebsspannung mit ca. 65% am besten.
Wichtig bei dieser Schaltung ist eine gute Filterung der Versorgungsspannung, möglichst nahe an der Source des MOSFETs, und am + Pol des Zeilentrafos. Ein 1000uF Elko und parallel dazu ein 100nF Keramikkondensator. Der 470pF 1kV Kondensator und der 12Ohm Widerstand vernichten die hohen Spannungspitzen, die den MOSFET gefährden könnten.

Dieses Diagramm zeigt das Tastverhältnis in Abhängigkeit von der Potieinstellung. Außerdem zeigt es die Frequenz ja nach Tastverhältnis bei verschiedenen Kondensatoren. Für einen TV Zeilentrafo, der normalerweise bei 15625Hz läuft, wäre eine 4,7nF Kondensator das beste, während man für einen Zeilentrafo aus einem Monitor eher einen 2,2nF Kondensator nehmen würde. Den 1nF Kondensator wird man nur brauchen, wenn man den Zeilentrafo mit einer höheren Spannung (>25V) betreibt. Der 10nF Kondensator liefert höhere Spannungen, aber weniger Strom. Ideal für Hochspannungversuche.
Falls der Zeilentrafo selbst bei 50% und 12V mehr als 2,5A zieht, dann muss man die Einschaltzeit weiter verringern, indem man entweder eine höhere Frequenz wählt, oder einen Inverter an den Ausgang schaltet. Damit kann man das Tastverhältnis dann von 10 bis 40% einstellen.

 

 

 

Verbesserte Version der Schaltung:

Der Wirkungsgrad der Ansteuerung war bisher leider nicht sehr hoch, da die nicht verbrauchte Energie im Snubber (R4, C2) verheizt wurde.
Daher wird in der neuen Version die ungenutze Energie in C2 zwischengespeichert und anschließend über D1 wieder zurück an die Spannungsquelle abgegeben.
Weiterhin wurde die Frequenz und die Ausschaltdauer fest eingestellt. Nur die Einschaltdauer bleibt einstellbar.
Somit lässt sich die übertragene Energie und somit den Ausgangsstrom einstellen.
Die Ausschaltdauer muss so eingestellt werden, dass beim Abschalten des MOSFETs eine saubere halbe Sinuskurve ensteht, und der MOSFET sofort einschaltet, sobald die Kurve die Nulllinie wieder erreicht hat.
Die Dauer dieser Schwingungen hängt von der Spuleninduktivität des Zeilentrafos und von C2 ab. Je größer C2 ist, desto länger dauert die Entladung der Spule, umso höher ist daher auch der Ausgangsstrom. Dafür ist aber die Ausgangsspannung geringer. Lässt man C2 ganz weg, erreicht man zwar eine höhere Ausgangsspannung, der Ausgangsstrom wird aber geringer.
Um die Schaltung abzugleichen, verändert man mit C1 und R2 die Frequenz so ein, dass diese im Bereich 5-30kHz liegt, und man eine ausreichende Ausgangsspannung erhält. Die Ausgangsspannung kann man zusätzlich noch mit C2 anpassen.

Der Zeilentrafo wird genauso angeschlossen, wie vorher im Monitor bzw. TV. + an die Plusleitung. Im Monitor muss man nur einen 200V 100uF Kondensator (oder ähnliche Daten) in der Nähe des Zeilentrafos suchen, und die Leitung weiter verfolgen. Den anderen Pol findet man auch einfach durch suchen des großen Transistors auf dem Kühlkörper und weiterverfolgen der Leiterbahnen, die mit dem mittleren Pin verbunden sind.

Da die Orginalwicklung, vor allem bei Monitoren, oft mit über 100V betrieben wird, daher also relativ groß ist, kann es notwendig sein die Frequenz zimlich niedrig einzustellen, um eine ausreichende Ausgangsspannung zu erhalten.
Daher könnte man auf die Idee kommen, eine andere Wicklung mit weniger Windungenen zu verwenden. Warum dies aber nicht gut funktioniert, zeigt ein Blick in einen Diodensplitttrafo:
Auf dem Bild erkennt man gut drei Gruppen von Windungen:
Die Hochspannungswicklung. Diese ist in viele Kammern unterteilt und zusätzlich noch durch Dioden getrennt um die Kapazität der Wicklung weiter zu verringern (Daher auch der Name Diodensplittrafo.)
Direkt darunter, aber sehr gut isoliert, liegt die Primärwicklung mit vielen dicken Windungen, um eine möglichst geringe Streuinduktivität zur Hochspannungswicklung zu erreichen.
Die weiteren Hilfwicklungen (z.B. für die Heizspannung der Bildröhre, oder anderen Spannungen) liegen dagegen dicht zusammengedrängt am unteren Ende des Trafos. Daher haben diese eine relativ hohe Streuinduktivität zur Hochspannungswicklung.

 

 

Dies ist die Schaltung der eigentlichen Teslaspule. Der Widerstand und (oder besser: eine Spule) schützen den Zeilentrafo vor Impulsen aus der Teslaspule. Die Spule kann man aus einem Monitor ausbauen, oder selber wickeln. Es ist eine Spule mit 100uH oder mehr. Die Primärspule hat etwa 5-20 Windungen, 4cm Durchmesser (Toilettenpapierrolle), und die Sekundärspule etwa 100-500 Windungen. Sie ist auf eine 15ch hohe Tablettendose gewickelt, die etwa 3cm Durchmesser hat. An der Spitze befindet sich ein Aluring mit 6cm Durchmesser.
Die Spule wurde durch anpassen der Primärwicklung auf maximale Funkenlänge angepasst.
Da die Beschaffung von HF festen Hochspannungskondensatoren nicht einfach ist, wurden hier 4 MKP (oder andere Impulsfeste Kondensatoren) mit je 2kV in Reihe geschaltet um eine gesamtkapazität von etwa 500pF zu erhalten. Die Frequenz liegt bei etwa 4MHz. Aufgrund der hohen Frequenz schmilzt nach wenigen Minuten der Heißkleber mit der die Spule befestigt ist.

 

 

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