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.