Teslatransformator

Impulsteslatransformator in Betrieb

Ein Tesla-Transformator (auch als Teslaspule bezeichnet) ist ein nach seinem Erfinder Nikola Tesla benannter Transformator zur Erzeugung hochfrequenter Wechselströme mit sehr hoher Spannung. Sein Funktionsprinzip basiert auf der Resonanz magnetisch lose gekoppelter elektrischer Schwingkreise.

Vision

Nikola Teslas Ziel war es, drahtlos elektrische Energie zu übertragen. Dazu eignet sich der Tesla-Transformator jedoch nur begrenzt – er erzeugt zwar elektromagnetische Wellen erheblicher Leistung, die in einem Empfangskreis jedoch nur in geringer Entfernung und nur zu einem Teil zurückgewonnen werden kann. Teslatransformatoren in der hier beschriebenen Form dienen vorwiegend zur Demonstration der Wirkung hoher elektrischer Wechselfelder.

Aufbau

Schematischer Aufbau des Transformators

Teslatrafos arbeiten mit hohen Frequenzen zwischen 30 und 500 kHz, deshalb benötigt man zur Kopplung zwischen den Spulen keinen gemeinsamen Eisenkern wie bei konventionellen Netz-Transformatoren: Die Sekundärspule, eine einlagig gewickelte, lange Zylinderspule geringeren Durchmessers mit einigen 100 bis 1000 Windungen, liegt im Magnetfeld einer kurzen Spule größeren Durchmessers mit wenigen Windungen (Primärspule). Man erreicht dadurch einen ausreichenden Isolationsabstand, insbesondere zum oberen, sogenannten „heißen“ Ende der Sekundärspule, das eine hohe Wechselspannung führt. Das untere Ende der Sekundärspule ist immer geerdet.
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.

Entladung einer Teslaspule (ca. 1,5 KW, Resonanzfrequenz 260 KHz)

Bei großen Anlagen kann die Ausgangsspannung mehrere Megavolt erreichen. Die hochfrequente Wechselspannung (einige 10 bis einige 100 kHz) am „heißen“ Ende (bzw. am daran angebrachten Toroid) der Sekundärspule erzeugt bei großen Anlagen meterlange blauweißliche Entladungen (sogenannte Streamer). Das untere („kalte“) Ende der Sekundärspule muss direkt mit Erdpotential verbunden sein.

Es wird zwischen zwei verschiedenen Bauarten unterschieden: Impuls- und Trägerteslatransformator; der Impulsteslatransformator ist die bekanntere Bauart. 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 Hochfrequenz-Sender.

Impulsteslatransformator

Schaltbild eines Impulsteslatransformators

Zwei sehr unterschiedliche Schwingkreise gleicher Resonanzfrequenz werden magnetisch gekoppelt und wirken als Transformator. Der Primärkreis besteht aus einer Funkenstrecke (Pfeile im Bild; sie verbindet bei Zündung die Komponenten zu einem Schwingkreis), einem Kondensator von etwa 5 nF und einer kurzen Spule mit etwa 15 Windungen und großem Durchmesser. Diese Spule erhält meist einige Abgriffe, damit man die Induktivität und damit die Resonanzfrequenz einstellen kann. Der Kondensator wird durch einen üblichen Hochspannungstrafo (ganz links im Bild) auf etwa 10 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 wird durch die unvermeidbare, recht geringe Eigenkapazität zwischen oberem und unterem Ende zu einem Schwingkreis mit gleicher Resonanzfrequenz wie der Primärkreis ergänzt. Das untere Ende dieser langen Spule muss geerdet sein und befindet sich im Magnetfeld der Primärspule.

Befinden sich Primär- und Sekundärkreis in Resonanz, so entsteht 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 eine Spannungsüberhöhung, die dadurch hervorgerufen wird, dass im sekundären Schwingkreis (gebildet durch die Sekundärspule und deren Eigenkapazität) die Kapazität relativ klein ist. Diese besteht aus der Eigenkapazität der Sekundärspule und dem Toroid gegenüber der Erde gebildet.

Idealerweise verlöscht die Funkenstrecke der primären Erregung nach einigen Mikrosekunden, sobald alle Energie des Kondensators auf die Sekundärspule übertragen wurde. Das lässt sich durch eine gekühlte Löschfunkenstrecke sicherstellen. Bei einfachen Funkenstrecken kann bei ungünstigen Umständen ein Lichtbogen entstehen, der einen zu langen Kurzschluss erzeugt und dadurch den Netztrafo zu heiß werden lässt. Mit einer Löschfunkenstrecke wird jede Funkenentladung kürzer und der Kondensator kann häufiger nachgeladen werden.

Man kann im Schaltbild auch Kondensator und Funkenstrecke vertauschen, so dass der Kondensator parallel zu Spannungsversorgung steht. Diese Variante bringt keinen Vorteil, da die Primärspule des Teslatrafos nur sehr geringen Widerstand besitzt und der speisende Transformator (Wechselspannungssymbol links im Bild) bei Zündung der Funkenstrecke auf jeden Fall für einige Mikrosekunden kurzgeschlossen wird.

Die Aufladung des Kondensators des Primär-Schwingkreises wird üblicherweise mit einem am Stromnetz betriebenen 50-Hz-Hochspannungstransformator vorgenommen, der zunächst eine Spannung zwischen 5 und 30 kV erzeugt. Geeignete Exemplare werden z. B. als Zündtransformator in Ölbrennern eingesetzt. Diese sind so gebaut, dass sie einen kurzzeitigen Kurzschluss aushalten. Eine HF-Drossel zwischen diesem Netztrafo, der für 50 Hz gebaut ist, und der Funkenstrecke kann sinnvoll sein.

Es gibt auch Varianten von Tesla-Anlagen, die zur Speisung keinen netzfrequenten Hochspannungstransformator benötigen. Sie bestehen beispielsweise aus einem mit Thyratrons, IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder Thyristoren realisierten Impulsgenerator. Diese Technik ist sehr aufwendig und kostspielig, verspricht aber reproduzierbaren, verschleißfreien Betrieb. Durch die Möglichkeit der elektronischen Steuerung kann man die Schaltvorgänge exakt bestimmen und so eine sehr viel höhere Effizienz als mit Funkenstrecken erreichen.

Träger-Teslatransformator

Träger-Teslatransformatoren sind prinzipiell genauso aufgebaut wie Impuls-Teslatransformatoren. Zur Speisung dient jedoch keine Kondensatorentladung, sondern ein kontinuierlich arbeitender Hochfrequenzgenerator in Halbleiter- oder Röhrentechnik. Er muss auf die Eigenresonanz der Hochspannungsspule abgestimmt sein, oder sein Rückkopplungssignal muss aus dieser gewonnen werden.
Trotz kontinuierlichen Betriebs lassen sich weniger lange Büschelentladungen erzeugen - der Leistungsbedarf zur Ionisierung und Erzeugung der Entladungen steigt mit der Spannung erheblich an und lässt sich leichter im Impulsbetrieb aus einem Kondensator bereitstellen.
Ein weiterer Grund für die geringere Verbreitung ist das Risiko einer Fehlanpassung des Generators bei wechselnden Resonanzbedingungen und damit die Gefahr seiner Überlastung.

Anwendungen

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 für Teslatransformatoren gibt es aktuell kaum, so dass sie in der Ingenieurausbildung meist nicht erwähnt werden. Ein kleines Anwendungsgebiet findet sich in der Vakuumstechnik. Bei nicht-leitenden Vakuua-Behältnissen (z.B. Glas) lassen sich so Lecks schnell finden, weil dort die Luft zu leuchten beginnt. Im wesentlichen handelt es sich aber (nur) um einen eindrucksvollen, lehrreichen Apparat aus der Pionierzeit der neuzeitlichen Elektrotechnik.

Das Prinzip der drahtlosen Übertragung von Energie, das Tesla vorschwebte, wird jedoch durchaus angewendet. 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 zu speisen^[1].

Experimente

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

Die hohen Feldstärken am Teslatransformator führen zu Koronaentladungen (Büschelentladungen oder streamer). Dort wird Luft ionisiert und gelangt in den Plasmazustand. Es entstehen freie Radikale und Ozon. 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.

Schöne Lichteffekte entstehen auch in möglichst großen Glühlampen, deren Stromanschluss man der Spitze des Teslastrafos so weit nähert, dass Funken überspringen. Man kann sie dabei gefahrlos am Glaskolben anfassen, wenn man einen genügenden Abstand zu den Anschlüssen einhält. Im Füllgas entstehen Plasmaentladungen ähnlich wie in einer Plasmalampe.

Hochfrequente Ströme (unter anderem die eines Teslatrafos) können 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 auch ohne elektrischen Kontakt statt, denn der Körper besitzt eine Elektrische Kapazität von einigen 100 Picofarad, die durch die Wechselspannung des Teslatrafos ständig umgeladen wird. Die ohne thermische Schädigung ertragbare Stromstärke ist erheblich und kann eine zwischen Körper und Transformator geschaltete 100-mA-Glühlampe zum Leuchten bringen. Die Kontaktierung zur Haut muss dabei großflächig sein, ansonsten können schmerzhafte punktuelle Verbrennungen entstehen.

Bekannte Tesla-Anlagen

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 Metern. Unter voller Leistung entstehen Blitze mit einer Länge von 15 Metern. 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 Megavolt erzeugen.

Ende August 2007 wurde der etwa 4 m hohe EnergyTower im Science Center phæno in Wolfsburg eingeweiht. Dieser in Europa größte im Dauerbetrieb befindliche Tesla-Transformator erzeugt über 5 m lange Blitzkaskaden (notariell beglaubigt am 17. August 2007).

Eine weitere Tesla-Anlage kann auch im Technorama in Winterthur (Schweiz) besichtigt werden.

In Wien (Technisches Museum, Hochspannungslabor) werden jeden Tag um 11 Uhr div. Versuche vorgeführt.

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

Kirlianfotografie

Für die Kirlianfotografie wird gerne ein kleiner Tesla-Transformator bemüht, von dessen Stärke angenommen wird, dass sie für das Zielobjekt ungefährlich ist.

Gefahren

Teslaspulen erzeugen hohe Spannungen und starke elektromagnetische Felder. 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 Film und Fiktion

Erwähnung findet der Teslatransformator in den Filmen Coffee and Cigarettes, The Prestige, xXx - Triple X, ebenso in den Computerspielen Command & Conquer: Alarmstufe Rot I/II/Yuri's Rache/III, dem Videospiel "Tomb Raider: Legend", Blazing Angels 2 "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, gibt es einen Vergnügungspark, der Tesla-Park heißt.

Literatur

Fachbücher

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

Einzelnachweise

1. ↑ Deutschlandfunk, Forschung aktuell, ca. 09/2007

Siehe auch

• Erzeugung und Verwendung von Hochspannung
• Hochspannungskaskade
• Zündspule
• Funkeninduktor

Weblinks

• Projektdokumentationen von vielen Träger-Teslatransformatoren
• JavaScript zur Berechnung eigener Teslaspulen
• "Spielereien" vom Peter Terren
• Kreatives Experiment - Singende Tesla-Spule von Steve Ward