Richi´s Lab

 

Teslaspule / Funkenstrecke

Die Funkenstrecke einer klassischen Teslaspule soll zünden wenn der Primärkondensator auf die gewünschte Spannung aufgeladen ist. Die leitende Funkenstrecke schließt den Schwingkreis aus Primärkondensator und Primärspule, wodurch eine hochfrequente Schwingung einsetzt und Energie vom Primär- in den Sekundärkreis übertragen wird. Ist die Energie komplett übertragen, so ist der Strom im Primärkreis minimal und die Funkenstrecke löscht idealerweise den Lichtbogen, der jetzt am kältesten ist. Das kann durch schlichtes Kühlen der Funkenstrecke erfolgen, durch den Abtransport der ionisierten Luft mittels Druckluft oder durch das verlängern der Strecke, die der Lichtbogen überbrücken muss. Ist die Funkenstrecke nicht in der Lage den Lichtbogen nach der erstmaligen Energieübertragung in den Sekundärkreis zu löschen, dann fließt die Energie wieder zurück in den Primärkreis, was zu unnötigen Verlusten führt.

 

Der erste Versuch einer Funkenstrecke setzt sich aus zweimal zwei Stahlwinkeln zusammen, die mit Polklemmen zwischen zwei großen Lüftern befestigt sind.

Die Stahlwinkel sind massiv genug, um den hohen Temperaturen stand zu halten. Die Lüfter kühlen die Stahlwinkel und sorgen für einen Abtransport der ionisierten Luft.

 

Die Leistungsfähigkeit lässt sich erhöhen, indem man die Wärmeableitung und damit die Lichtbogenlöschung verbessert. Eine weit verbreitete und einfach zu realisierende Funkenstreckenvariante ist eine Reihe aus Kupferrohren. Die Aufteilung auf mehr einzelne Funkenstrecken erleichtert die Kühlung ebenso wie die große Oberfläche der Rohre.

Wählt man die Abstände der einzelnen Rohre mit Bedacht, so kann man über den Abgriff komfortabel die maximale Primärspannung der Teslaspule einstellen. Je höher der Gesamtabstand der Funkenstrecke ist, desto höher ist die Spannung bei der die Funkenstrecke zündet.

 

Die Kühlung der Kupferrohre lässt sich mit einem forcierten Luftstrom weiter verbessern.

 

 

Eine sehr leistungsfähige Variante ist die rotierende Funkenstrecke. In der einfachsten Variante handelt es sich um einen asynchronen Motor. Hier entspringt dieser einer Messerschleifmaschine. Die Scheibe, die die vier Elektroden trägt, besteht aus vier zusammengeklebten Pertinaxplatten. Das Material ist gut bearbeitbar und äußerst zäh. Kleine Unwuchten, die sich kaum vermeiden lassen, kann man mit zusätzlichen Beilagscheiben an den Elektroden kompensieren.

Ein Kupferring verbindet vier Elektroden, die viermal pro Umdrehung über zwei weitere, feststehende Elektroden den Stromkreis schließen. So ergeben sich nicht ganz 200BPS (bangs per second), was doppelt so viele Zündungen sind als bei einem 50Hz-resonanten System. Die ideale Primärkapazität muss somit nur noch halb so groß sein.
Die Länge der Entladungen reduziert sich mit dieser Funkenstrecke allerdings im Vergleich zum vorherigen Modell. Das dürfte unter anderem daran liegen, dass die verwendete Primärkapazität von 54nF für die Hochspannungsversorgung relativ klein war und deswegen eine noch höhere Unterbrechungsrate notwendig gewesen wäre. Eine statische Funkenstrecke passt zudem ihre Unterbrechungsrate an die Umgebungsbedingungen an. Sie arbeitet dabei oft nicht mehr optimal, aber die Unterbrechungsrate ist zumindest besser an den Rest des Systems angepasst. Versuche mit größeren Primärkondensatoren und der rotierenden Funkenstrecke erfolgten nicht mehr.

Ein weiterer Nachteil dieser Funkenstrecke ist der Asynchronmotor. Da dessen Rotationsfrequenz immer minimal unter der Netzfrequenz liegt, zündet die Funkenstrecke selten zum optimalen Zeitpunkt, sondern an gleichmäßig verteilten Phasenlagen der Netzspannung. Das bedeutet, dass die Funkenstrecke auch zündet, wenn der Primärkondensator bei weitem noch nicht voll geladen ist oder viel zu spät. Erhöht man den Abstand der Elektroden, so dass sie nur zünden, wenn die Spannung im Primärkreis ausreichend hoch ist, dann kann es passieren, dass der Primärkondensator durch die versorgende Wechselspannung schon wieder entladen wird oder die Spannung so weit ansteigt, dass die Sicherheitsfunkenstrecke oder eine Subkomponente durchschlägt.
Um diese Probleme zu umgehen, kann man einen Synchronmotor einsetzen. Eine günstigere Möglichkeit ist der Umbau eines einfach zu beschaffenden Asynchronmotors zu einem Reluktanzmotor. Fräst man zwei gegenüberliegende Seiten des Rotors plan, so zwingt man den Motor nach dem Hochlauf in einen netzsynchronen Betrieb. Eine synchrone, rotierende Funkenstrecke bringt einen weiteren Freiheitsgrad. Über die Anordnung der Elektroden kann man kontrollieren wann genau im Laufe der Netzspannung die Funkenstrecke zünden soll.

 

Die verbesserte Hochspannungsversorgung mit ihrer höheren Spannung benötigt eine längere Gesamtfunkenstrecke. Die beste Leistung bei einem vertretbaren Aufwand verspricht für diesen Aufbau eine statische Funkenstrecke.

Die Kühlung der Kupferrohre ist in diesem Aufbau etwas schlechter, dafür erzeugen die vier große Lüfter einen nicht unerheblichen Volumenstrom durch die aktiven Bereiche der Funkenstrecke.

Über die Schraubkontakte auf der Gehäuseaußenseite lässt sich die Gesamtlänge der Funkenstrecke und damit die maximale Spannung im System komfortabel einstellen.

 

Bei offener Funkenstrecke zeigt sich die Verteilung der Lichtbögen. Die vier Lichtbögen ganz rechts müssen größere Abstände überbrücken. Der Abstände sind nicht gleichmäßig, um sowohl eine grobe, als auch eine feine Einstellung der Zündspannung zu ermöglichen.

 

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