Richi´s Lab

 

Teslaspule / Hochspannungsversorgung

Die Hochspannungsversorgung einer Teslaspule legt die Grundlage für die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems. Viele Parameter des restlichen Aufbaus beeinflussen die Länge der Entladungen, die Ausgangsspannung und die Leistung der Hochspannungsversorgung legen allerdings die Grundlage für eine imposante Teslaspule.
Wünschenswert ist sowohl eine hohe Leistung als auch eine hohe Ausgangsspannung. Eine nicht durchdachte Erhöhung der Parameter führt aber nicht unbedingt zu besseren Ergebnissen. Sehr hohe Spannungen (>>30kV) können zu Problemen in den nachgelagerten Komponenten führen. Deren Spannungsfestigkeit muss dann entsprechend hoch sein und es kann zu Koronaentladungen im System kommen. Ist der Strom der Hochspannungsversorgung hoch (>>100mA) und die Spannung eher klein (<6kV), so wird es schwierig eine Funkenstrecke zu konstruieren, die mit diesen Parametern arbeiten kann.
Neben der Ausgangsspannung und der verfügbaren Leistung sind bei der Auswahl der Hochspannungsversorgung auch andere Eigenschaften relevant. Vor allem die leistungsstarken Transformatoren sind nicht kurzschlussfest, wodurch eine induktive oder resistive Strombegrenzung notwendig wird. Sehr hohe Leistungen führen zu großen Transformatoren und einem hohen Gewicht. Auch die Anschlussleistung kann zu Problemen führen. Zum einen muss der Netzanschluss entsprechend ausgelegt sein, zum anderen ist eine Spannungsregelung wünschenswert, die bei höheren Leistungen einen entsprechend höheren Aufwand darstellt. Die Filterung der hochfrequenten Signalanteile muss ebenso robuster ausgeführt werden.

 

Die Hochspannungsquelle stellt meist das Teil einer Teslaspule dar, das am schwersten aufzutreiben ist. Erste Versuche mit einer Kfz-Zündspule waren wenig Erfolg versprechend, was aber auch an einer ungenügenden Ansteuerung lag. Transformatoren aus Mikrowellenöfen, sogenannte MOTs, stellen eine günstige und leicht aufzutreibende Hochspannungsversorgung dar. Die Leistungsfähigkeit dieser Transformatoren ist recht brauchbar (500W bis 1,5kW), die Ausgangsspannung leider relativ niedrig (~2kV). Die Sekundärspulen sind üblicherweise einseitig geerdet. Schaltet man zwei Transformatoren primär antiparallel und so stellen sich zwischen den beiden Hochspannungsausgängen 4kV ein.
Hier handelt es sich um kleinere Transformatoren mit einer Leistung von 600W, womit sich ungefähr 1,2kW ergeben (4kV/300mA).

Da diese Transformatoren nicht kurzschlussfest sind, benötigt man eine Strombegrenzung. Am einfachsten ist die Verwendung eines dritten Transformator mit kurzgeschlossener Sekundärwicklung als Ballast.
In dem Metallkästchen rechts befindet sich ein Netzfilter.

 

Die geringe Spannung begrenzt nicht nur die Entladungslänge der Teslaspule, sie führt in Kombination mit dem relativ hohen Strom zu Problemen in der Funkenstrecke.

Eine einfache Verbesserung bringt die Integration eines Spannungsverdoppler, einer Einpulsverdopplerschaltung. Die selbe Schaltung kommt auch in den Mikrowellenöfen zum Einsatz. Mit nur einem Kondensator und einer Diode lassen sich so aus zwei Mikrowellentransformatoren 8kV erzeugen.
Der hier zu sehende Aufbau besteht aus vier alten 1µF/2kV-Kondensatoren und zwölf 1N4007-Dioden in Serienschaltung. Die Dioden sind mit Quetschverbindern verbunden und befinden sich in einem Kunststoffrohr. Es ergibt sich eine Kapazität von 0,25µF, die eigentlich etwas zu klein ist, um der Leistung der Transformatoren gerecht zu werden. Die Diodenkette ist rechnerisch in der Lage 12kV zu sperren und 1A zu tragen, was vollkommen ausreichend sein sollte.

 

Die gebrauchten Hochspannungskondensatoren fielen schließlich aus. Ersetzt werden sie durch zwei Kondensatoren, die normalerweise in Mikrowellenöfen die Spannungsverdopplung realisieren. Sie sind mit 0,85µF und 2,3kV~ angegeben. Diese Kondensatoren verrichten ihren Dienst tadellos.

Die hochfrequenten Spannungen aus dem Primärkreis setzen den Dioden allerdings sehr zu, was zu regelmäßigen Ausfällen führt.
Geht man von einer idealen Spannungsaufteilung aus, liegen an jeder Diode 800V an. Die Sperrschichtkapazität ist dann zwar mit ungefähr 1pF sehr gering, dennoch erzeugt die hohe Frequenz von 200kHz zusätzliche Verluste von fast 1W je Diode. Bei einer nicht ganz symmetrischen Spannungsaufteilung ist die Situation für die einzelne Diode noch kritischer.

Tests mit verschiedenen Hochspannungsdioden (10kV/100mA, 4kV/1A) liefern eher noch schlechtere Ergebnisse. Die 1N4007 scheinen an sich schon eine sehr gute Wahl zu sein.

 

Ein sehr provisorischer Filter aus den ramponierten 1nF-Keramikkondensatoren parallel zur Diodenkette wirkt sich bereits äußerst positiv auf die Standfestigkeit der Diodenkette aus.

 

Es folgt noch eine großzügige Erweiterung von 12 auf 25 Dioden und die Integration von 10MOhm-Widerständen parallel zu den Dioden, um die Spannungsaufteilung zu verbessern. Mit diesem Aufbau sind keine Ausfälle mehr zu verzeichnen.

 

  

Aus einem alten Regal entsteht ein provisorisches Steuerpult. Es enthält einen Hauptschalter, einen Schalter zur Aktivierung der Hochspannungsversorgung, einen Netzfilter, eine Anlaufstrombegrenzung, eine Phasenanschnittsteuerung für die rotierende Funkenstrecke, Spannungs- und Strommessungen.

 

Zum Schutz der Hochspannungsversorgung vor den hochfrequenten Spannungen des Primärkreises empfiehlt sich die Integration eines ordentlichen Filters anstatt des Provisoriums aus den alten Keramikkondensatoren.

Es handelt sich um ein RCR-Filter bestehend aus vier 235Ohm-Widerständen und einem 4,7nF-Kondensator. Die Verluste im Filter lassen sich mit 7,5% abschätzen (bei 8kV/300mA).

 

Die Leistung der Hochspannungsversorgung lässt sich mit zusätzlichen Mikrowellentransformatoren relativ gut ausbauen, indem man vier Transformatoren in Serie betreibt.
Dazu muss bei den äußeren Transformatoren die Erdung der Sekundärwicklung vom Gehäuse isoliert werden. Das führte dazu, dass die Isolation der äußeren Transformatoren mit 2kV mehr belastet wird als bei der ursprünglichen Auslegung. Durch einen Verzicht auf einen Potentialausgleich ist die Gefahr von Überschlägen zum Gehäuse zwar geringer, die Primärwicklungen sind aber dennoch gefährdeter als mit einseitig geerdeter Hochspannungswicklung. Die größeren Transformatoren sind hoffentlich robuster konstruiert und daher auf der Außenseite platziert.

Während die kleinen Transformatoren auf eine Leistung von je 600W ausgelegt sind, können die größeren Typen 1,3kW beziehungsweise 1,4kW übertragen.
Die Strombegrenzung stellen nun zwei parallel geschaltete Mikrowellentransformatoren mit kurzgeschlossener Sekundärwicklung dar. Im Betrieb mit der Teslaspule nimmt der Aufbau ungefähr 3,6kVA auf.
Die Hochspannungsversorgung liefert bei 221V Eingangsspannung 8,6kV (12kVs), der Kurzschlussstrom beträgt circa 350mA.

Im Hintergrund ist die Schutzfunkenstrecke der Hochspannungsversorgung zu sehen.

 

Der Ballast aus Mikrowellentransformatoren wird bei längerem Betrieb recht warm. Hier ist der Testaufbau eines alternativen Ballasts zu sehen. Die Wicklung eines alten, großen Transformators wurde angepasst, um die gewünschte Leistungsaufnahme einzustellen.

 

Im einstelligen Kilowattbereich sind Messwandlertransformatoren die ideale Hochspannungsquelle für eine Teslaspule. Sie sind sehr robust, haben hohe Ausgangsspannungen und können relativ viel Leistung abgeben. Man muss allerdings das Glück ein gutes Angebot zu finden.

Hier handelt es sich um einen einseitig geerdeten 20kV-Messwandlertransformator. Mit diesen Transformatoren werden die Spannungen des 20kV-Mittelspannungsnetzes umgewandelt um sie mit normaler Messtechnik messen zu können. Bei 20kV gibt dieses Modell 100V aus. Man kann den Leistungsfluss natürlich auch umkehren. Verschaltet man zwei Messwandler primärseitig seriell, so kann man sie sehr gut an 230V betreiben.

 

Öffnet man das Gehäuse des Messwandlertransformators, so kann man gut erkennen wie massiv und robust der Aufbau ist. Auf dem Typenschild ist überraschenderweise nur eine Nennleistung von 180VA angegeben. Dabei handelt es sich allerdings um die Leistung innerhalb derer der Transformator die gewünschte Messgenauigkeit einhält, schließlich ist das Messen und nicht die Energieübertragung dessen ursprüngliche Aufgabe. Den Erfahrungsberichte nach zu schließen liegt die thermische Dauergrenzleistung beim sieben bis zehnfachen der Nennleistung. Im Kurzzeitbetrieb sollte noch einmal ein Faktor drei bis vier der thermischen Dauergrenzleistung möglich sein. Das würde bedeuten, dass jeder der Messwandlertransformatoren kurzzeitig 3-5kW liefern kann.

 

Sekundärseitig arbeiten die Transformatoren parallel und erzeugen so etwas mehr als 20kV.

Mit etwas mehr Aufwand auf der Primärseite könnte man die Transformatoren sekundärseitig auch in Serie schalten und so 40kV erzeugen. Derartig hohe Spannungen sind allerdings nicht mehr so einfach zu beherrschen und können zu Problemen bei der weiteren Auslegung der Teslaspule führen.

 

 Auch Messwandlertransformatoren benötigen einen Ballast zur Strombegrenzung. Mit leichten Modifikationen lässt sich auch hier der große Ballasttransformator nutzen.

Mit einer Jakobsleiter als Last nimmt der Aufbau bis zu 6,6kVA auf. Für eine normale Schuko-Steckdose ist diese Belastung schon viel zu hoch, ein Kurzzeitbetrieb ist aber durchaus möglich, solange die Absicherung der Leitung das zulässt.

Leider funktioniert die Teslaspule nur sehr schlecht mit dem neuen Ballast. Mit dem mittlerweile doch recht stark überlasteten MOT-Ballast sind die Ergebnisse sehr viel überzeugender.

 

Die neue Hochspannungsversorgung erfordert natürlich auch ein angepasstes RCR-Filter.

 

Beim Filter zeigt sich, dass derart hohe Spannungen nicht zu unterschätzen sind. Vom Anschluss des Filters aus kam es zu Überschlägen in den Pflasterboden.

Aber auch seitlich war die Isolationsstrecke nicht groß genug, hier rechts mittig und oben zu sehen.

Vier historische Isolatoren sorgen von da an für den notwendigen Abstand.

 

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