Miniatur Teslaspule

Beim Stöbern im Internet bin ich über einen kleinen Teslatransformator gestolpert, der ohne aufwändige Steuerelektronik auskommt.
Zudem besteht nicht die Gefahr eines Stromschlages, da er mit einer Kleinspannung betrieben wird. Die hochfrequente Ausgangsspannung ist weitestgehend ungefählich.
Die Lösung kommt mit lediglich drei Bauteilen aus! (Der Kondensator wäre nicht unbedingt notwendig.)
Als aktives Bauelement kommt ein NPN Kleinleistungstransistor zum Einsatz.
Das Gerät ist ausreichend leistungsstark um z.B. Gas zu ionisieren oder drahtlose Energieübertragung zu demonstrieren.
Bei sorgfältiger Abstimmung treten bei 12V Betriebsspannung sogar kleine Koronaentladungen (Streamer) aus der Spitze aus!

Die hier vorgestellten Spulen können mit einem 12V Steckernetzteil (min. 1 Ampere) oder aus einem Akku versorgt werden.
Das Projekt kann leicht von jedem nachgebaut werden, der über etwas handwerkliches Geschick verfügt.
Messgeräte sind nicht unbedingt erforderlich, der sichere Umgang mit dem Lötkolben ist Voraussetzung.

Die Abmessungen der Sekundärspule sind für die Funktion entscheidend!
Andere Maße als die hier angegebenen sind auch möglich, jedoch ist die simple Ansteuerung nur bei kleinen Spulen sinnvoll einsetzbar.
Für diese kleinen Spulen scheint ein Rohr mit 2-4 cm Durchmesser gut geeignet zu sein.
Tatsächlich funktioniert die Spule mit 3,3 cm Durchmesser etwas besser.
Die Faustformel "2 - 3 fache Höhe des Durchmessers" scheint ein guter Wert für die Höhe der Wicklung zu sein.
Der Wickeldraht sollte möglichst dünn sein, um trotz der kleinen Bauform eine hohe Windungszahl zu erreichen.
Man sollte mindestens 300 Windungen erreichen. Die exakte Windungszahl ist nicht so entscheidend, wie die Maße der Spule.
Ist der Draht zu dünn, ist er kaum mehr handzuhaben (reißt zu leicht) und die Spulengüte nimmt aufgrund des höheren ohmschen Widerstandes ab.

Bei meinem größeren Exemplar befindet sich die Sekundärspule auf einem Kunststoffrohr mit 3,3 cm Durchmesser.
Das Rohr ist auf ca. 5,7 cm Länge mit 0,15mm Kupferlackdraht einlagig bewickelt. Das ergibt ca. 350 Windungen.
Die kleinere Spule hat einen Durchmesser von 2,2 cm und ist auf einer Länge von 4,7 cm bewickelt, was ca. 300 Windungen ergibt.
Wichtig: Die Sekundärspule ist mit Sorgfalt zu bewickeln. Die Windungen müssen eng aneinander liegen und dürfen sich nicht überlappen!
Die Primärspule besteht aus lediglich fünf Windungen dickeren Drahtes. Die Spule wird am am Fußpunkt der Sekundärspule positioniert und muss etwas Abstand zur ihr haben (Bei meinem Exemplar ca. 5mm).
Idealerweise baut man die Primärspule zunächst leicht veränderbar auf und justiert die Position und Größe solange, bis ein optimales Ergebnis erreicht wird.
Das sind auch schon alle Abstimmtätigkeiten, die bei diesem Teslatrafo anfallen!

Funktionsbeschreibung:
Im Wesentlichen handelt es sich bei der Schaltung um einen modifizierten Meißner Oszillator, der den Massepunkt der Sekundärspule zur Rückkopplung verwendet.
Die sonst übliche Arbeitspunkteinstellung des Transistors entfällt. Der Transistor wird "übersteuert", was den Wirkungsgrad verbessert.
Der Widerstand R1 hat die Aufgabe den Transistor beim Einschalten der Spule etwas aufzusteuern, damit die Schaltung zu schwingen beginnt.
Danach wird die Basis des Transistors über das rückgekoppelte Signal der Sekundärspule angesteuert.
Bei meinem Prototyp funktionierte alles zwischen 10 und 100 K-Ohm. Ist der Widerstand zu klein, fließt beim Abriss der Oszillation ein zu hoher Strom durch den Transistor und kann ihn zerstören.
Die Diode D1 hat die Aufgabe die Basis - Emitter Strecke vor zu hohen negativen Spannungen schützen, da ein Transistor an der Basis nur geringe negative Spannungen aushält.
Der Kondensator C1 schließt die Versorgungsspannung hochfrequenzmäßig kurz, anderenfalls würde das Anschlusskabel der Stromversorgung in die Primärspule integriert werden.

Tipps zum Wickeln der Spule:
Der Wickelkörper muss aus einem nicht leitenden und hochfrequenztauglichem Material sein. Kunststoff ist gut geeignet.
Man bohrt an beiden Enden des Spulenkörpers ein kleines Loch, durch welches man die Drahtenden stecken kann.
Man steckt ein Drahtende durch und fixiert den Draht INNEN mit etwas Klebeband.
Ich habe die Spule am Bohrfutter eines Akkuschraubers befestigt, um die Windungen nicht manuell wickeln zu müssen.
Hierzu habe ich das Bohrfutter so lange mit Papier umwickelt, bis sich die Spule straff aufschieben ließ. Hier ist Kreativität gefragt :-).
Nun wird der Draht mit einer Hand geführt, während man mit der anderen Hand vorsichtig den Akkuschrauber auf Drehzahl bringt.
Wenn man alles richtig macht, legt sich Windung neben Windung. Das erfordert etwas Übung!
In regelmäßigen Abständen fixiert man die Wicklung mit etwas Klebeband. Das verhindert, dass sich bei einem Missgeschick die ganze Wicklung verabschiedet.
Hat man das andere Ende erreicht, schiebt man den Draht auch hier durch das gebohrte Loch und fixiert ihn INNEN mit etwas Klebeband.
Nun werden VORSICHIG die provisorisch aufgeklebten "Sicherungen" entfernt und der Spulenkörper satt mit Klarlack getränkt.
Ich benutze hierzu einen schnell trocknenden Klarlack aus der Sprühdose. Der Lack fixiert die Wicklung auf dem Spulenkörper.
Die Sekundärspule ist nun fertig.
Ein "Topload" ist nicht notwendig, die Spule arbeitet ohne besser.
Es wurde lediglich ein Stück 1,5 mm² Kupferdraht angebracht, welches oben schräg abgeschnitten wurde, um eine scharfe Spitze zu erhalten.

Aufbau:
Die Elektronik benötigt keine Leiterplatte, die wenigen Bauteile können direkt an die Beine des Transistors angelötet werden.
Die Dimensionierung der Bauteile ist unkritisch.
Der Transistor sollte nach Möglichkeit eine hohe Stromverstärkung (hFE) haben und sollte halbwegs hochfrequenztauglich sein.
Richtig "dicke" Leistungstransistoren sind aufgrund schlechter Hochfrequenzeigenschaften und einem zu kleinen hFE weniger geeignet.
Darlington Transistoren funktionieren überhaupt nicht.
Der hier eingesetzte BD139 ist mit einer Grenzfrequenz von 250 MHz ideal geeignet.
Er ist sehr preiswert und für den Betrieb bei 12V Versorgungsspannung ausreichend leistungsstark.
Der Transistor muss unbedingt auf einen Kühlkörper montiert werden!
Zwischen den Transistor und dem Kühlkörper wird entweder ein Wärmeleitpad oder eine Glimmerscheibe mit Wärmeleitpaste gelegt.
Da wir hier mit Hochfrequenz hantieren, sollten alle Verbindungen kurz gehalten werden.
WICHTIG: Die Spule muss auf einem nicht leitenden Material montiert werden.
Baut man die Spule auf einem Blechgehäuse auf, wäre das eine Kurzschlusswicklung!

Der Schaltplan:	Aufbau auf dem Kühlkörper:

Inbetriebnahme:
Nach der Sichtkontrolle wird die Versorgungspannung angelegt, idealerweise über ein Labornetzgerät mit einstellbarer Strombegrenzung.
Sollte die Spule nicht anschwingen, muss vermutlich die Primärspule umgepolt werden.
Die Stromaufnahme liegt bei meinem Exemplar bei ca. 500mA, das hängt aber von den Dimensionen der Spule ab.
Wird der Spule zu viel Energie entzogen (z.B. Berührung der Spitze der Sekundärspule), bricht die Schwingung ab, da der Transistor nicht mehr gesteuert werden kann.
Achtung: Ist der Widerstand R1 zu klein gewählt, kann der Transistor sich in diesem Zustand stark erwärmen!

Optimierungsmöglichkeiten:
Wählt man einen leistungsfähigeren Transistor aus, kann man die Versorgungsspannung erhöhen.
Der Transistor sollte etwa die dreifache Höhe der Versorgungspannung aushalten.
Schaltet man einen kleinen Kondensator parallel zur Primärspule, erhält man eine DRSSTC.
Der Wert des Kondensators muss experimentell ermittelt werden, da er auf die Resonanzfrequenz des Trafos abgestimmt werden muss.
Wenn man die Resonanzfrequenz des Transformators kennt, kann man den Wert annährend berechnen.
Bei meinem Exemplar wären etwa 500pF notwendig.

Gefahren:
Dieser Teslatrafo ist gegenüber der mit 230V betriebenen Variante ungefährlich, da er mit einer Schutzkleinspannung betrieben wird.
Die austretenden Entladungen sind jedoch sehr heiß und können bei Berührung zu Verbrennungen führen und auch Gegenstände in Brand setzen.
Ein Stromschlag ist jedoch ausgeschlossen.
Da die Spule ein starkes elektrisches und magnetisches Feld erzeugt, können Elektrogeräte gestört werden.
Besondere Vorsicht gilt bei medizinischen Geräten (Herzschrittmacher etc.).