Tesla-Transformator

Ein Tesla-Transformator, auch als Teslaspule bezeichnet, ist ein nach seinem Erfinder Nikola Tesla benannter Resonanztransformator zur Erzeugung hochfrequenter Wechselspannung. Es dient zur Erzeugung von Hochspannung. Sein Funktionsprinzip basiert auf der Resonanz magnetisch lose gekoppelter elektrischer Schwingkreise.

Im Gegensatz zu Leistungstransformatoren, welche im Hochspannungsbereich eingesetzt werden und deren Anwendung im Bereich der elektrischen Energietechnik liegt, bewegt sich trotz hoher Momentanleistungen die mittlere Leistung von Tesla-Transformatoren im Bereich von einigen Watt bis zu einigen wenigen Kilowatt. Tesla-Transformatoren dienen aufgrund der geringen Leistungen als relativ gefahrlose Hochspannungsquelle für verschiedenartige Hochspannungsexperimente; sie besitzen in der elektrischen Energietechnik keine Bedeutung.

Impulsteslatransformator in Betrieb

Geschichte

Ein Ziel Nikola Teslas war es, drahtlos elektrische Energie zu übertragen. Dazu eignet sich der Tesla-Transformator jedoch nur begrenzt – zwar erzeugt er elektromagnetische Wellen; diese können jedoch in einem Empfangskreis nur in geringer Entfernung und nur zu einem Teil zurückgewonnen werden. Der 1901 gebaute Wardenclyffe Tower auf Long Island in den USA wurde nach Geldmangel ^[1] 1917 wieder abgerissen.

Teslatransformatoren in der hier beschriebenen Form dienen vorwiegend zur Demonstration der Wirkung hoher elektrischer Wechselspannungen.

Aufbau

Schematischer Aufbau des Transformators

Zwei sehr unterschiedliche Schwingkreise gleicher Resonanzfrequenz sind lose magnetisch gekoppelt und bilden einen Transformator. Befinden sich Primär- und Sekundärkreis in Resonanz, so entsteht durch die Resonanzüberhöhung an der sekundären Spule eine Hochspannung von mehr als 100 kV. Das Windungszahlverhältnis von primärer und sekundärer Spule beim Teslatransformator allein ist nicht für die Transformation der Eingangsspannung verantwortlich. Es entsteht vielmehr durch die Resonanz eine Spannungsüberhöhung, die dadurch hervorgerufen wird, dass im sekundären Schwingkreis die Kapazität relativ klein ist. Der Schwingkreis wird aus der langen Sekundärspule und ihrer Eigenkapazität sowie der Kapazität der Kopfelektrode gegenüber Erde gebildet. Das untere Ende der langen Spule ist geerdet. Insbesondere der erdnahe Bereich der Spule befindet sich im Magnetfeld der erregenden Primärspule.

Teslatrafos arbeiten mit hohen Frequenzen zwischen 30 kHz und 500 kHz, deshalb benötigt man zur Kopplung zwischen den Spulen keinen gemeinsamen Eisenkern wie bei anderen Transformatoren. Die Sekundärspule ist eine einlagige lange Zylinderspule mit einigen 100 bis 2000 Windungen. Sie liegt im Magnetfeld einer kurzen Primärspule größeren Durchmessers mit wenigen Windungen. Man erreicht dadurch einen ausreichenden Isolationsabstand, insbesondere zum oberen, sogenannten „heißen“ Ende der Sekundärspule, das eine hohe Wechselspannung führt.

Die einlagige gleichmäßige Bewicklung der Sekundärspule bewirkt eine Feldsteuerung (gleichmäßiger elektrischer Feldverlauf), so dass Vorentladungen entlang dieser Spule vermieden werden. Das nach oben ansteigende elektrische Feld bedingt auch die Form der Primärspule, die unten nahe an der Sekundärspule liegen darf, sich nach oben jedoch konisch weitet.

Bei großen Anlagen kann die Ausgangsspannung mehrere Megavolt erreichen. Die hochfrequente Wechselspannung (einige 10 bis einige 100 kHz) am „heißen“ Ende der Sekundärspule (dort ist oft eine Torus-förmige Elektrode angebracht) erzeugt in der umgebenden Luft Gasentladungen, Streamer genannt. Die thermische Belastung der Elektrode bleibt dabei so gering, dass kein Lichtbogen entsteht. Die Erscheinung ist eine Koronaentladung (Büschelentladung) und ähnelt dem Elmsfeuer.

Es wird zwischen zwei verschiedenen Bauarten unterschieden: Impuls- und Trägerteslatransformator. Beide beruhen auf der Anregung der Eigenresonanz der Sekundärspule. Sie unterscheiden sich dadurch, dass die Anregung im einen Fall impulsartig durch Kondensatorentladung erfolgt und im anderen kontinuierlich durch einen leistungsstarken Hochfrequenzgenerator. Der Impulsteslatransformator ist die bekanntere Bauart. Eine Mischform arbeitet mit impulsförmig betriebenem Hochfrequenzgenerator.

Impulsteslatransformator

Schaltbild eines Teslatransformators

Löschfunkenstrecke 8 kV für einen Teslatransformator

Zerlegte Löschfunkenstrecke: die massiven Messingscheiben sind im montierten Zustand durch Isolierscheiben voneinander getrennt.

Der Primärkreis besteht aus einem Schalter (meist einer Funkenstrecke, dargestellt durch Pfeile im Schaltbild; sie verbindet bei Zündung die Komponenten zu einem Schwingkreis), einem Kondensator von etwa 5 nF bis mehreren 100 nF und einer kurzen Spule mit etwa 5 bis 15 Windungen und großem Durchmesser. Diese Spule hat oft Anzapfungen, sodass die Induktivität und damit die Resonanzfrequenz angepasst werden kann. Der Kondensator wird durch eine kurzschlussfeste Spannungsquelle (Wechselspannungssymbol links im Bild) auf mindestens 5 kV aufgeladen, bis die Funkenstrecke zündet. In diesem Moment entstehen gedämpfte elektrische Hochfrequenzschwingungen sehr hoher Momentanleistung bis in den Megawattbereich.

Diese Schwingungen werden induktiv an den Tesla-Turm übertragen, der eine lange Zylinderspule mit einigen hundert Windungen ist. Diese Spule bildet durch ihre Eigenkapazität zwischen oberem und unterem Ende beziehungsweise Erde einen Schwingkreis mit gleicher Resonanzfrequenz wie der Primärkreis.

Idealerweise verlischt die Funkenstrecke der primären Erregung nach einigen Mikrosekunden, sobald alle Energie des Kondensators auf die Sekundärspule übertragen wurde. Spätestens beim Nulldurchgang der netzfrequenten Speisespannung sollte sie verlöschen, andernfalls bleibt ein Lichtbogen stehen, der die Speisung überlastet. Das Verlöschen lässt sich durch eine Löschfunkenstrecke (siehe auch Löschfunkensender) sicherstellen, bei der der Funke in Teilstrecken von etwa 0,2 mmn aufgeteilt ist. Durch massive, zueinander plane Metallteile lässt sich das Plasma des Funkens ausreichend schnell kühlen, sodass es nicht neu zündet, wenn die Spannung wieder ansteigt. Weiterhin wird dadurch der Verschleiß auf eine große Fläche verteilt. Es sind auch Konstruktionen mit sich drehenden Sektorscheiben bekannt, wodurch die Zündung periodisch mit der Drehzahl erfolgt (rotierende Funkenstrecke).

Kondensator und Funkenstrecke können im Schaltbild auch vertauscht sein, sodass der Kondensator parallel an der Spannungsversorgung liegt.

Die Aufladung des Kondensators des Primärschwingkreises (Speisung) muss einen kurzzeitigen Kurzschluss aushalten. Sie wird oft mit einem am Stromnetz betriebenen 50-Hz-Transformator (Netztransformator) realisiert, der zunächst eine Spannung zwischen 5 und 30 kV erzeugt. Geeignet sind z. B. die kurzschlussfesten Zündtransformatoren von Ölbrennern. Eine Hochfrequenz-Drossel zwischen dem Netztrafo und der Funkenstrecke kann hochfrequente Netzstörungen etwas verringern.

Es gibt auch Varianten von Tesla-Anlagen, die statt einer Funkenstrecke Thyratrons, IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder Thyristoren verwenden. Diese Bauteile müssen die hohen Ströme von oft mehreren kA schalten und sind daher kostspielig. Eine solche Lösung arbeitet jedoch reproduzierbar, leise und verschleißfrei. Durch die Möglichkeit der elektronischen Steuerung kann man die Schaltvorgänge exakt bestimmen.

Träger-Teslatransformator

Der Transformatorteil von Träger-Teslatransformatoren ist ebenso aufgebaut wie der von Impuls-Teslatransformatoren. Zur Speisung dient jedoch keine Kondensatorentladung, sondern ein kontinuierlich arbeitender Hochfrequenzgenerator, der mit Transistoren (Abk. SSTC von engl. solid state tesla coil) oder Elektronenröhren (Abk. VTTC von engl. vacuum tube tesla coil) arbeitet. Er muss auf die Eigenresonanz der Hochspannungsspule abgestimmt sein oder sein Rückkopplungssignal muss aus dieser gewonnen werden. Hierzu besitzt der Transformatoraufbau eine weitere (Hilfs-)Wicklung.

Es gibt noch weitere Unterarten, unter anderem die sogenannte DRSSTC (Abk. DRSSTC von engl. dual resonant solid state tesla coil), die eine Weiterentwicklung der SSTC darstellt. Sie besitzt zwei lose gekoppelte Reihenschwingkreise (Primär- und Sekundärschwingkreis), die in Resonanz zueinander stehen. Mit einem solchen Aufbau können beachtliche Funkenlängen erzielt werden.

Mit kontinuierlich arbeitenden Geräten lassen sich meist weniger lange Büschelentladungen erzeugen als mit Impulstransformatoren – der Leistungsbedarf zur Ionisierung und Erzeugung der Entladungen steigt mit der Spannung erheblich an und lässt sich leichter im Impulsbetrieb aus einem Kondensator bereitstellen.

Bei wechselnden Resonanzbedingungen besteht das Risiko einer Fehlanpassung des Generators und damit die Gefahr seiner Überlastung. Eine Überlastung wird von Elektronenröhren besser ertragen als von Transistoren.

Beide vorgenannten Erkenntnisse führten zu Träger-Teslatrafos, bei denen der Generator im Impulsbetrieb höhere Leistungen erzeugt. Oft wird dazu eine Halbwelle der Netzspannung genutzt, sodass die Geräte mit 50 Hz pulsen.

Anwendungen

Schnittdarstellung eines Tesla-Transformator aus Teslas Patentschrift

Technische Bedeutung

Der Aufbau des Tesla-Transformators ähnelt stark dem Konzept von frühen Funkanlagen nach Marconi und anderen, insbesondere dem Knallfunkensender und dem Löschfunkensender, die aufgrund ihrer großen Bandbreite in den 1920er Jahren verboten wurden. Teslatransformatoren führen durch die Funkenentladungen und die resonante Grundwelle im Langwellenbereich zu Störungen des Funkempfanges, die kurze Funkendauer führt zu Knackgeräuschen in einem weiten Bereich bis zu Dezimeterwellen.

Nutzbringende Anwendungen der Teslatransformatoren der oben beschriebenen Form gibt es aktuell kaum, so dass sie in der Ingenieurausbildung meist nicht erwähnt werden. Im Wesentlichen handelt es sich um einen eindrucksvollen, lehrreichen Apparat aus der Pionierzeit der Elektrotechnik.

An nicht-leitenden Vakuumbehältnissen (z. B. Glas) lassen sich Lecks finden, weil dort die Luft zu leuchten beginnt, wenn das weitgehend evakuierte Innere mit hochfrequenter Hochspannung erregt wird.

Das von Tesla propagierte Prinzip der drahtlosen Übertragung von Energie wird zur Übertragung sehr kleiner Leistungen im Bereich von Mikrowatt bis zu einigen Milliwatt zwar angewendet, erfordert aber keine Hochspannung. So gibt es RFID-Chips und Sensoren, die sich aus einem hochfrequenten elektromagnetischen Feld speisen. Das Feld wird durch Ringspulen erzeugt, die an die Sensoren angenähert werden und zugleich dem Empfang der Signale der Sensoren dienen. Es gibt auch Versuche, in einem ganzen Raum ein entsprechend hohes Feld zu erzeugen, um darin befindliche Sensoren geringer Leistung zu speisen ^[2].

Ein ähnliches Funktionsprinzip wie das des Tesla-Transformators ist bei Resonanzwandlern gegeben, welche neben anderen Schaltungsteilen auch aus einem Resonanztransformator bestehen. Resonanzwandler werden unter anderem zur Stromversorgung von Leuchtröhren eingesetzt und dienen zur Erzeugung von elektrischen Spannungen im Bereich einiger 100 V zum Betrieb der Kaltkathodenröhren. Auch manche elektronische Vorschaltgeräte für Leuchtstofflampen basieren auf dem Prinzip von Resonanzwandlern, da sich dabei mit verhältnismäßig geringem Aufwand hohe elektrische Spannungen erzeugen lassen.

Weitere derartige Anwendungen sind elektronische Zündtransformatoren für Bogenlampen, Öl- und Gasbrenner und Lichtbogen-Spleiß- und Schweißgeräte.

Experimente

Schauexperimente mit Tesla-Transformatoren

Mit Teslatransformatoren können in Schauexperimenten eindrucksvoll eine Reihe physikalischer Zusammenhänge demonstriert werden. Sie werden in der Lehre und in Shows eingesetzt.

Die hohen elektrischen Feldstärken am Teslatransformator führen zu Koronaentladungen (Büschelentladungen oder streamer). Dort wird Luft ionisiert und gelangt in den Plasmazustand. Es entstehen freie Radikale, Ozon und in der Folge Stickoxide. Durch die thermische Ausdehnung entstehen charakteristische Geräusche. Die hohe Temperatur der streamer reicht aus, um brennbare Gegenstände zu entzünden.

Das elektrische Feld ruft in benachbarten Gegenständen Verschiebungsströme von mehreren Milliampere hervor. Nähert man eine Leuchtstofflampe oder andere Gasentladungslampen, leuchten diese, ohne irgendwo angeschlossen zu sein.

Plasmaentladungen ähnlich wie in einer Plasmalampe entstehen auch im Füllgas großer Glühlampen, deren Stromanschluss man hierzu der Spitze des Teslastrafos so weit nähert, dass Funken überspringen. Man kann sie dabei meist gefahrlos am Glaskolben anfassen, wenn man einen genügenden Abstand zu den Anschlüssen einhält und die verwendete Anlage eine nicht zu große elektrische Leistung besitzt. Oft fluoreszieren Bestandteile des Glaskolbens, angeregt durch die Ultraviolett-Strahlung des Plasmas.

Hochfrequente Ströme (unter anderem die eines Teslatrafos) können bis zu einem gewissen Grad schmerzfrei durch den menschlichen Körper fließen, da die Schmerzreaktion auf Ionenleitung beruht und diese dem Wechselfeld nicht ausreichend schnell folgen kann. Stromfluss durch den Körper findet bereits ohne elektrischen Kontakt statt, denn ein neben der Anlage auf der Erde stehender Mensch hat gegenüber dieser eine Elektrische Kapazität von einigen 10 pF, die durch die Wechselspannung des Teslatrafos ständig umgeladen wird. Die ohne thermische Schädigung ertragbare Stromstärke kann eine zwischen Körper und Transformator geschaltete 100-mA-Glühlampe zum Leuchten bringen. Die Kontaktierung zur Haut muss bei solchen Experimenten großflächig sein, ansonsten können schmerzhafte punktuelle Verbrennungen entstehen.

Die Koronaentladung an Spitzen erzeugt einen Ionenwind.

Für die Kirlianfotografie und bestimmte Schauvorführungen, bei denen der menschliche Körper selbst Koronaentladungen zeigt, werden Tesla-Transformatoren verwendet, die in der Lage sind, den von der Erde isolierten menschlichen Körper mit Hochfrequenz zu beaufschlagen.

Bekannte Tesla-Anlagen

Große Teslatransformatoren im Aufbau (San Mateo/Kalifornien)

Electrum, die größte noch in Betrieb stehende Anlage, steht in Auckland, Neuseeland. Sie hat eine Leistung von 130 kW und eine Höhe von ca. 12 m. Unter voller Leistung entstehen Blitze mit einer Länge von 15 m. Electrum steht auf Privatgrund und kann daher nicht mehr besichtigt werden.

Der größte konische Tesla-Transformator der Welt ist im Mid America Science Museum in Hot Springs, Arkansas zu besichtigen. Diese Trafo-Anordnung kann Spannungen bis zu 1,5 MV erzeugen.

Von August bis November 2007 wurde ein etwa 4 m hoher Tesla-Transformator der Firma EnBW (EnergyTower) im Science Center phæno in Wolfsburg gezeigt. Dieser in Europa größte Tesla-Transformator erzeugt über 5 m lange Blitzkaskaden (notariell beglaubigt am 17. August 2007).

Tesla-Anlagen befinden sich auch im Technorama in Winterthur (Schweiz), in Wien (Technisches Museum, Hochspannungslabor) und in vielen anderen technischen Museen oder science center genannten Experimental-Ausstellungen.

Es gibt etliche Teslatrafoprojekte von Hobbyenthusiasten (engl. tesla coiler), aber auch professionelle Shows.

Gefahren

Teslaspulen erzeugen hohe elektrische Spannungen und elektromagnetische Wechselfelder. Folgende Gefahren bestehen während des Betriebes einer Teslaanlage:

• Lebensgefährliche Stromschläge bei Berühren von Teilen, die Gleichspannung oder niederfrequente Wechselspannung (50 Hz) führen
• Punktuelle Verbrennungen bei Annäherung und Funkenschlag auf die Haut
• Schäden durch Ultraviolettstrahlung der Entladungen (Bindehautentzündung, Sonnenbrand, Gefahr von Hautkrebs aufgrund kurzwelliger Ultraviolettstrahlung)
• Reizung und Atembeschwerden aufgrund der Bildung von Ozon und Stickoxiden
• Durch ungünstige Umstände können HF-Ströme auch durch die Herzgegend geleitet werden. Dann besteht die Gefahr vom Kammerflimmern und Tod (Siehe auch HF-Chirurgie, hier wird auf die physischen Gefahren von hochfrequenten Strömen genau eingegangen).

Deshalb sollte eine Teslaanlage nur von erfahrenen Personen betrieben werden, und Zuschauer müssen einen hinreichenden Sicherheitsabstand zu einer Teslaanlage einhalten.

Siehe auch: Gefährliche Ströme

Teslatrafos erzeugen Hochspannung mit Frequenzen im Lang- und Mittelwellenbereich und strahlen diese Frequenzen auch in Form elektromagnetischer Wellen erheblicher Leistung ab. Ihr Betrieb kann den Funkverkehr und den Rundfunkempfang stören und ist daher nicht gestattet.

Tesla-Anlagen in der Kultur

Erotec Violet Wand, circa 2000

Seit den 1990er Jahren ist der der auf dem Tesla-Transformator basierende Violet Wand in der BDSM-Szene zur erotischen Elektrostimulation beliebt.

Erwähnung findet der Teslatransformator in den Filmen Coffee and Cigarettes, Duell der Magier, The Prestige, xXx – Triple X und in dem Klassiker Metropolis. Ebenso in den Computerspielen Command & Conquer: Alarmstufe Rot I / II / Yuri's Rache / III, dem Videospiel Tomb Raider: Legend, Blazing Angels 2, einem AddOn von Fallout 3 (Broken Steel), Secret Missions of WW II, Tremulous, Return to Castle Wolfenstein und der Hörspielserie Offenbarung 23, Folge 11: »Die Hindenburg«.

In der Zeichentrickserie Disneys Wochenend-Kids trägt ein Vergnügungspark den Namen Tesla-Park.

Die amerikanische Band ArcAttack macht mit Tesla-Spulen Musik:

Die Tesla-Spule kann sehr schnell ein- und ausgeschaltet werden. Man sieht dabei einen durchgehenden Blitz, tatsächlich aber wird der Blitz einige hundertmal pro Sekunde ein- und ausgeschaltet, nach dem selben Prinzip, nach dem sich auch eine Lautsprecher-Membran hin- und herbewegt.

Die Spule kann per MIDI angesteuert werden. So werden Töne hörbar; dabei entsprechen zum Beispiel ca. 440 Blitze pro Sekunde dem Kammerton A.^[3]

Einzelnachweise

1. ↑ "Tesla - Man Out Of Time", Margaret Cheney, 1981
2. ↑ Deutschlandfunk, Forschung aktuell, ca. 09/2007
3. ↑ Creators of the original Singing Tesla Coils

Literatur

• Günter Wahl: Lernpaket Tesla-Energie. Franzis, Januar 2005, ISBN 3-7723-5210-3.
• Günter Wahl: Tesla-Energie. Franzis, 2000, ISBN 3-7723-5496-3.

Siehe auch

• Hochspannungskaskade
• Zündspule
• Funkeninduktor

Weblinks

• DRSSTC Projekte
• Projektdokumentationen von vielen Träger-Teslatransformatoren
• JavaScript zur Berechnung eigener Teslaspulen
• „Spielereien“ vom Peter Terren
• Kreatives Experiment – Singende Tesla-Spule von Steve Ward