Richi´s Lab

 

Teslaspule / Primärkondensator

Der Primärkondensator einer Teslaspule bestimmt nicht nur die Resonanzfrequenz des Primärkreises. Die Kapazität definiert in Kombination mit der Stromlieferfähigkeit der Hochspannungsversorgung auch die Anzahl der Überschläge pro Sekunde in der Funkenstrecke, die sogenannten BPS (Bangs per second). Ist die Kapazität relativ klein, so wird sie schnell aufgeladen und zündet die Funkenstrecke. Die Funkenstrecke kann allerdings nicht beliebige Unterbrechungsraten darstellen. Vor allem statische Funkenstrecken haben bei hohen BPS Probleme das Plasma des Lichtbogens schnell genug abzukühlen oder aus dem Brennraum abzutransportieren. Es ist daher empfehlenswert, den Kondensator so groß auszulegen, dass er die komplette Energie einer 50Hz-Halbwelle aufnehmen kann. Bei einer induktiven Strombegrenzung bedeutet das, dass die Kapazität des Primärkondensators mit der Streuinduktivität der Transformator-Ballast-Kombination eine Resonanzfrequenz von 50Hz aufweist. Durch eine solche Auslegung kann man die Kondensatoren sogar auf eine höhere Spannung als die Spitzenspannung der Hochspannungsversorgung aufladen. Der sogenannten "inductive kick effect" ist auf die Resonanz zurückzuführen, durch die die Induktivität der Hochspannungsversorgung nach der Netzspannungsspitze noch weiter Ladestrom in den Primärkondensator fließen lässt. Eine Auslegung auf 50Hz kann so aber auch zu Schäden im System führen, weswegen gewissenhaft eingestellte Sicherheitsfunkenstrecken absolut zu empfehlen sind.

 

Der Primärkondensator muss hohe Ströme bei hohen Frequenzen liefern können. Bei größeren Systemen sind das Kiloampere, die nach Mikrosekunden ihre Polarität wechseln. Entsprechend sind nur Kondensatoren mit einem geringen Verlustfaktor für den Einsatz in Teslaspulen geeignet.

Die ersten Experimente erfolgten mit MKT-Kondensatoren. Das erste Foto ist qualitativ recht schlecht, auf dem zweiten Foto sind sie aber noch einmal im Detail zu sehen. Die Entladungen, die damit erreicht werden konnten, waren ganz respektabel. Allerdings explodierten nach einigen Sekunden bereits die ersten Kondensatoren. MKT-Kondensatoren haben einen sehr hohen Verlustfaktoren. Sie können für Hochspannungskaskaden genutzt werden, aber sind nicht für Teslaspulen geeignet.

Eine günstige und ebenfalls nicht optimale Art von Kondensatoren sind Keramikkondensatoren. Die hier links zu sehenden Kondensatoren weisen jeweils eine Kapazität von 1nF bei einer Spannungsfestigkeit von 15kV auf.
Mit diesen Kondensatoren sind bereits kurze Betriebszeiten ohne Weiteres möglich. Aber auch Keramikkondensatoren haben hohe Verlustfaktoren und erwärmen sich entsprechend relativ schnell.

 

Will man nicht auf professionelle und damit teure, impulsfeste Hochspannungskondensatoren zurückgreifen, so empfehlen sich sogenannte MMCs (Multi-Mini-Caps), die aus vielen kleineren und vor allem gebräuchlicheren Kondensatoren aufgebaut sind.

Bei der Auswahl kommt es auf eine möglichst hohe Kapazität und Spannungsfestigkeit und natürlich einen niedrigen Verlustfaktor an. Ein gängiger Typ ist der WIMA FKP-1. Diese qualitativ hochwertigen Kondensatoren verkraften auch eine gewisse Überlastung relativ problemlos. Die Variante mit einer Kapazität von 100nF und einer Spannungsfestigkeit von 1600V=/650V~ ist meist gut verfügbar. Die einzelnen Kondensatoren sind nicht teuer, da aber die notwendige Stückzahl mit Seriell- und Parallelschaltungen schnell ansteigt, kann sich ein MMC in eine größere Investition auswachsen.

 

In diesem Fall bieten zehn Kondensatoren in Serie eine Kapazität von 10nF und eine Spannungsfestigkeit von 16kV=/6,5kV~.
Belastet wird dieser MMC mit ungefähr 11kV Spitzenspannung, was problemlos funktioniert.

 

Vier solcher MMCs montiert auf einer Sperrholzplatte ermöglichen es über Serien- und Parallelschaltungen verschiedene Kapazitäten und Spannungsfestigkeiten einzustellen.

Die dünnen Verbindungsdrähte sind für den primären Schwingkreis natürlich absolut nicht geeignet.

Im Vergleich zum ersten Versuch mit den Keramikkondensatoren macht sich der Umstieg auf die MMCs bei der erreichbaren Funkenlänge stark bemerkbar. Da die Hochspannungsversorgung mit den Mikrowellentransformatoren sehr viel Strom liefern kann, ist es sehr wichtig, dass sich im Primärkreis eine hohe Kapazität befindet. 40nF sind dabei immer noch bei Weitem nicht ausreichend. Es erfolgt später noch eine kleine Aufstockung mit 68nF-Kondensatoren auf insgesamt 53,6nF.

 

Die nächste Ausbaustufe entsteht durch 80 weitere WIMA-FKP1-100nF-Kondensatoren. Die Verkabelung ist nun massiver ausgeführt, um den hohen Strömen Rechnung zu tragen.
Insgesamt befinden sich nun im Primärkreis bis zu 134nF, was bereits ausreichen sollte, um in die 50Hz-Resonanz mit der Hochspannungsversorgung zu kommen. Ganz genau lässt sich das nicht berechnen und auch nur schwer vermessen. Das sind Effekte, die sich fast nur über Tests bestimmen lassen.

An dieser Stelle macht sich allerdings bemerkbar, dass das elektromagnetische System der Teslaspule nicht auf die optimale Primärkapazität ausgelegt wurde. Mit den vollen 134nF muss der Abgriff der Primärwicklung sehr weit innen erfolgen, damit sich die Resonanzfrequenz der Sekundärspule von ungefähr 208kHz erreichen lässt. Sehr kleine Primärinduktivitäten setzen aber wiederum die Effizienz des Gesamtsystems herab, weswegen sich 94nF als ideale Primärkapazität ergeben.

Rechnerisch sollte bei 94nF und 208kHz ein Spitzenstrom von 1,5kA durch die Primärspule fließen. Bei längerem Betrieb macht sich der hohe Primärstrom durch eine starke Erwärmung der Primärspule und der Anzapfung bemerkbar. Bei 134nF ergäbe sich theoretisch ein Spitzenstrom von 2,1kA.
Die maximal mögliche Spannungsanstiegszeit der Kondensatoren beträgt 3,5kV/µs wodurch jede Reihe einen maximalen Strom von 360A liefern kann. Bei den 94nF ergibt sich so ein maximal möglicher Spitzenstrom von 3,6kA.

 

Mit dem Umstieg auf die Messwandlertrafos ist auch die Spannungsfestigkeit des MMCs anzupassen. 100 neue FKP1-Kondensatoren bilden einem 16nF-MMC mit einer Spannungsfestigkeit von 40kV=/16,3kV~. Der alte MMC ergänzt weitere 16nF, so dass sich insgesamt 32nF ergeben.

 

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