SGTC-Theorie
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In ArbeitIch versuche hier mal auf eine einfache und verständliche Weise die physikalischen Zusammenhänge zu erklären, die in einem Teslatrafo, bzw in einer SGTC (Spark-gap Tesla Coil, dt. etwa "Funkenstrecken-Teslaspule") ablaufen, da ich früher solche Erklärungen selbst immer verzweifelt gesucht habe.
Das ganze ist mittlerweile etwas ausgeufert. Deswegegen am Anfang erst einmal eine kleine Zusammenfassende Erklärung. In der detailierten erklärung fehlen noch massenhaft Formeln. Diese werden wir mit der zeit ergänzen.
Bei Fragen Unverständlichkeiten aller Art, Vorschlägen, oder gefundenen Fehlern schreibt uns bitte eine Mail an admin@fpgames.de.
kleine Erklärung
Nach obenWie funktioniert eine Tesla-spule denn jetzt eigentlich?
Ein Teslatrafo besteht aus 2 Schwingkreisen: dem Primär und dem Sekundärkreis. Die beiden Schwingkreise befinden sich in Resonanz (ergo, haben beide die selbe Eigenfrequenz).
Der Primärkreis besteht aus einem Kondensator, der von einem hochspannungstrafo aufgeladen wird, und der Primärspule, die mit einer funkenstrecke in serie geschaltet ist. Der Trafo lädt nun den Kondensator auf, die Spannung über den Kondensator steigt. Ist sie hoch genug, wird die Funkenstrecke zünden. Die Luft zwischen der Funkenstrecke wird ionisiert, und damit leitfähig, auch wenn die Spannung wieder zündspannung sinkt. der Kondensator und die Spule sind nun Parallel geschaltet, und bilden somit einen Schwingkreis. Der Hochspannungstrafo wird über die Funkenstrcke kurzgeschlossen, und so vom weiteren geschehen ausgeschlossen.
Die Beiden Schwingkreise sind miteinander gekoppelt. Das bedeutet, es kann ein Energieaustausch stattfinden. Mann kann sich das wie 2 Schaukeln vorstellen, zwischen denen ein Gummiband gespannt ist.
Durch die Kopplung wandert nun langsam die gesammte Energie aus dem Primärkreis in den Sekundärkreis, bis im Primärkreis keine Energie mehr vorhanden ist.
Die Funkenstrecke Erlischt, weil kein Strom mehr über sie fliesst. Die Ionisierte Luft wird wieder neutral, Kondensator und Spule sind wieder getrennt, der Schwingkreis unterbrochen. Da es nun keinen Schingkreis mehr gibt, mit dem der Sekundärkreis gekoppelt sein könnte, ist die Energie in ihm gefangen, und wird dort in ohmschen verlusten Verbraten, als Elektromagnetische Strahlung abgegegeben (---> Funksender!), oder auf andere art und weise (Streamer, Energieübertragung in z.B. eine Leuchstoffröhre ) verheizt.
Wärenddessen wir der Primärkondensator wieder neu geladen.
Schwingkreise
Nach obenUm einen Teslatrafo zu Verstehen, muss man sich zuerst etwas mit Schwingungen und Schwingkreisen auseinandersetzten, da alles weitere darauf aufbaut.
Was ist das?
Nach obenBei einem Schwingkreis handelt es sich einfach um die Parallelschaltung eines Kondensators und einer Spule. Er dient meist zum erzeugen von Elektrischen Sinusschwingungen.
Um einen Schwingkreis gut erklären zu können, greife ich mal auf ein kleines Beispiel zurück: ein Federpendel, oder Feder-Masse-Schwinger, wie es ein echter Physiker wahrscheinlich bezeichnen würde.
Wenn wir das Gewicht an der Feder nach unten ziehen und loslassen, fängt das Gespann in seiner Resonanzfrequenz an zu schwingen. Es ist ohne Beihilfe nicht möglich, die Frequenz zu ändern, sie wird von der Masse des Gewichts und der Federkonstante (= Stärke) der Feder festgelegt.
Eine Schwingung findet immer dort statt, wo Rückstellkräfte wirken. Diese müssen jedoch nicht immer Sinusschwingungen sein.
Eine Feder hat die Eigenschaft, dass die Kraft (Rückstellkraft) die sie ausübt proportional zur Strecke ist, die ich sie auseinander gezogen habe. Für unser Federpendel bedeutet das, dass sich die Kraft der Feder ebenfalls proportional zur Auslenkung des Pendels verhält (d.h, doppelte Auslenkung des Pendels => doppelte Kraft). Schwingungen, die diese Eigenschaft aufweisen, nennt man harmonisch. Harmonische Schwingungen haben immer eine Sinusform. Es gibt noch die Nichtharmonische, Gedämpfte und Erzwungene Schwingungen.
Übertragen auf den elektrischen Schwingkreis:
Eine elektrische Spule hat ganz ähnliche Eigenschaften wie ein Gewicht. Eine Spule mag keine schnellen Stromänderungen (Selbstinduktion. Die Spule induziert durch das sich aufbauende Magnetfeld eine Spannung in die entgegengesetzte Richtung), legen wir z.B. schlagartig einen Strom an eine Spule an, wird dieser nur sehr langsam ansteigen.
Große Massen haben ebenfalls eine solche Eigenschaft: wenn man z.B. ein Auto anschiebt, wird dieses nicht sofort anfangen zu rollen, sondern erst mal am Platz verharren, bis es langsam Geschwindigkeit aufnimmt (Trägheit). Die Arbeit, die wir aufgebracht haben, um das Auto zum rollen zu bringen, wird als kinetische Energie gespeichert. Hören wir allerdings auf zu schieben, rollt das Auto trotzdem noch ein Stück weiter, bis es die gesamte kinetische Energie aufgebraucht hat. Die alte Bewegung wird also auch ein kurzes Stück aufrecht erhalten.
Genauso verhält es sich wieder mit der Spule: die verbrauchte elektrische Energie wurde im Magnetfeld der Spule gespeichert. Schalten wir den Strom ab, baut die Spule ihr Magnetfeld wieder ab - und induziert damit eine Spannung. So wird dann der alte Stromfluss noch einen kurzen Moment aufrecht erhalten, bis das Komplette Magnetfeld wieder abgebaut ist.
Dementsprechend ist das mechanische Äquivalent zum Kondensator die Feder. Ein Kondensator will, sobald er geladen ist, immer den Ladungsunterschied sofort ausgleichen (also ebenfalls eine Rückstellkraft), und in seinen Ausgangszustand zurückkehren. Die in seinem elektrischen Feld gespeicherte Energie kann dabei auf einem Schlag freigesetzt werden. Genauso verhält es sich mit einer Feder: einmal gespannt, will sie in ihren Ausgangszustand zurückkehren, und kann auch die gesamte, in ihr gespeicherte Energie auf einem Schlag freisetzten.
[ BILDER! unbedingt ganz viele Bilder! Schwingungsablauf Federpendel vs Schwingkreis]
Resonanz
Nach obenDie Resonanzfrequenz ist die Frequenz, mit der man eine Schwingung am effektivsten zum Schwingen anregen kann. Bei dieser Frequenz benötigt man nämlich die geringste Energie, um die Schwingungen aufrecht zu erhalten.
Ein recht einfaches Beispiel wäre hier eine Schaukel. Idealerweise stößt man eine Schaukel natürlich am höchsten Punkt an, da man so seine Kraft am sinnvollsten verwendet. Die bereits aufgebrachte Energie ("Kraft") wird dabei in den schwingenden Teilen gespeichert, ist also nicht verloren. Wenn wir jetzt immer weiter anstoßen, steigt die Energiemenge immer weiter an, die Amplitude der Schwingung wird größer. Die Frequenz ändert sich dabei aber nicht! Irgendwann wird die Amplitude so groß geworden sein, dass sich die Schaukel überschlägt. Die Schwingung ist so stark geworden, dass sich das schwingende System selber Zerstört, weil irgendein Bauteil der geballten Energie nicht mehr Standhalten konnte. Das nennt man Resonanzkatastrophe.
Übertragen auf den elektrischen Schwingkreis könnte z.B. der kondensator wegen überspannung durchschlagen, oder der Draht der Spule wegen zu hohem Strom Schmelzen.
Stößt man die Schaukel allerdings vor dem höchsten Punkt an, bremsen wir die Schwingung aus, um die selbe Höhe zu erreichen, müssten wir die doppelte kraft aufwenden, und gegen die Schwingung arbeiten. Erwischt man genau den richtigen Zeitpunkt zum anstossen, befindet man sich in Resonanz mit der Schaukel.
So, jetzt hab ich schon soviel geschrieben, aber wir wissen immer noch nicht, wie man diese Frequenz denn überhaupt bestimmt.
Bei L handelt es sich um die Induktivität der Spule, C ist die Kapazität des Kondensators. f0 ist die Resonanzfrequenz. Diese Formel hört in Fachkreisen auf den Namen "Thompsonsche Schwingungsformel", und begegnet einem im Themenbereich an sehr vielen Stellen wieder. Deswegen sollte man sich diese gut einprägen.
Beispielrechnung:
Im Primärkreis ist ein Kondensator mit 100 nF, sowie eine Spule mit 15 µH verbaut. Nun wollen wir die Resonanzfrequenz berechnen ( Eigenfrequenz).
Würden wir nun eine Sinusförmige Spannung mit 130kHz an diesen Schwingkreis anlegen, dann würde die Anordnung in Resonanz schwingen. Je exakter wir diese Frequenz erreichen, desto effizienter wird der Trafo später arbeiten. Allerdings gibt es noch ein paar zusätzliche Effekte, wie die Bandbreite - diese gibt an wie weit man von der Resonanzfrequenz abweichen darf. Oder die Schwingkreisgüte. Das kommt aber später...
Der Teslatrafo
Nach obenWer (wie ich einmal 
) glaubt, ein Teslatrafo würde nach dem klassischen Trafoprinzip arbeitet, hat weit gefehlt. Meine Erklärung für die hohe Spannung und die hohen Ströme war damals: großer Kondensator hohe Spannung = ein großer kurzer Stromstoß. Sobald die Spannung groß genug ist, zündet die Funkenstrecke, und der Kondensator entlädt sich in die Primärspule - die durch den starken Strom ein starkes Magnetfeld aufbaut. Durch ein hohes Windungsverhältnis der beiden Spulen und einer sowieso schon hohen Spannung muss die Ausgangsspannung nun wirklich Astronomisch sein!
Die Funkenstrecke diente meiner Ansicht nach nur als Zerhacker (um aus Gleichspannung eine Wechselspannung zu machen), und der Kondensator allein dazu, um einen möglichst starken Strom in die Primärspule zu ballern.
Ich habe es versucht, und glaubt mir, es funktioniert nicht.
Ein Teslatrafo besteht im Grunde genommen nur aus zwei lose gekoppelten Schwingkreisen, dem Primärkreis und dem Sekundärkreis. Damit der Transformator arbeitet, sollten beide Schwingkreise die selbe Resonanzfrequenz aufweisen (sie befinden sich in Resonanz). Wie sich diese Frequenz berechnet, haben wir oben ja bereits herausgefunden.
Was eine gekoppelte Schwingung ist, erkläre ich im weiteren Verlauf des Textes, unter der Überschrift Funktionsprinzip.
Hier erstmal das Schaltbild einer SGTC. der linke Block ist der Primärkreis, der rechte der Sekundärkreis.
Sekundärkreis
Nach obenDer Sekundärschwingkreis besteht aus einer Sekundärspule, einer einlagig gewickelten Luftspule, und einer Sekundärkapazität. Viele Teslatrafos haben eine zusätzliche Kapazität in Form eines Toploads, meist einer Kugel oder einem Toroid.
Vielleicht fragt ihr euch in diesem Moment, wie denn der Topload ein Kondensator darstellen soll - wenn er nur eine einzige Kondensatorplatte besitzt? Darauf gibt es eine ganz einfache Antwort: Die andere Platte ist die gesamte Umgebung des Trafos (und damit auch ihr)! Jetzt gibt es allerdings auch Teslatrafos, die keinen Toplad besitzen. Laut der Thompsonschen Schwingungsformel müsste die Resonanzfrequenz dann allerdings unendlich groß sein?
Ist sie aber nicht.
Eine Spule besitzt nämlich auch eine Kapazität. Und die ist sogar relativ groß. Und zwar bilden sich zwischen den einzelnen Windungen der Spule kleine Kapazitäten - und außerdem wieder von der Spulenoberfläche gegen die gesamte Umgebung. Das darf man sich in etwa so vorstellen:
Primärkreis
Nach obenDer Primärkreis besteht aus einem verhältnissmässig großem Kondensator, der Primärspule , einer funkenstrecke und einem Hochspannungstrafo. Der Trafo lädt im Betrieb den kondensator auf, bis die Spannung am Kondensator ausreicht, um die Funkenstrecke zu Zünden. Sobald das Geschieht, wird der Trafo über sie kurzgeschlossen, also vom weiteren Geschehen ausgeschlossen. Der (geladene) Kondensator wird mit der Spule Parallel geschaltet. Das bedeutet, die beiden bilden einen Schwingkreis - den Primärschwingkreis.
Leistungsanpassung
Die Zeit, die der Trafo braucht, um den Kondensator bei vollem Kurzschlussstrom aufzuladen ist von großer Bedeutung: Ein zu kleiner Kondensator (und ein für diesen Kondensator zu Starker Strom) könnte dafür sorgen das die Funkenstrecke gar nicht mehr erlischt, und einfach weiter brennt.
Ein zu großer Kondensator, und ein Trafo mit sehr hoher Ausgangsspannung wiederum sorgen dafür, dass der Trafo sehr lange braucht um den Kondensator aufzuladen. ein richtiger SGTC-betrieb ist dann natürlich nicht mehr möglich ;)
Ein Prachtbeispiel für den letzten Fall habe ich auf dem Tag der offenen Tür der HEMS gesehen: eine Gruppe Schüler wollte für den Unterricht eine Teslaspule (genauer, eine SGTC) bauen, und hatte sich an die TU gewendet. Diese haben den Leuten einen 5.7µF(!) Kondensator und einen Trafo mit den Eckdaten 15kV, 20mA gegeben. Zugegeben, der Knall WAR beeindruckend, wenn die Funkenstrecke dann alle 5-10 Sekunden gezündet hat, aber das ist ja auch nicht Sinn der Sache, oder xD
Das f ist die Netzfrequenz, also in Europa 50Hz. Mit dieser Formel kann man sich die maximale Kapazität berechnen, die man verwenden kann.
VORSICHT:
Mit dieser Formel macht man eine Impedanzanpassung, dh, es wird die Kapazität ausgerechnet, die Nötig ist, um bei 50Hz den kompletten Blindwiderstand auszugleichen. Es gibt dann nur noch den ohmschen Widerstand. Hochspannungstrafos begrenzen allerdings mit der Induktivität ihren maximalen Ausgangsstrom. Fällt dieser weg, sind um einiges größere Ströme möglich. Ein 500W Neontrafo kann dann auch mal 16A Ziehen, im Fall von Big-SGTC hatten wir Spitzen von über 30A(!) gemessen. Und der Stelltrafo war auf (Achtung, jetzt kommts) nur 50V Ausgangsspannung eingestellt.
Gleichzeitig hat man mit dieser Kapazität einen Schingkreis mit der Resonanzfrequnz von 50Hz. Über die Induktivität des Kreises (der Trafo) wird nun genau wie bei einem Teslatrafo immer mehr Energie in den Kreis gepumpt. Die Spannung und der Strom können sich gefährlich Aufschaukeln, was zur Zerstörung des Trafos oder des Kondensators führen kann (Einer der Trafos von BIG-SGTC hat seine Sekundärwindung geschmissen). Im Prinzip hat man sich dann einen Teslatrafo im Teslatrafo gebaut ;)
Funktionsprinzip
Nach obenDie Funkenstrecke kann man als Schalter betrachten. Damit die Funkenstrecke zündet (dh. leitend wird), muss an ihr eine bestimmte Spannung anliegen. Diese Spannung beträgt etwa 1kV pro mm Abstand der Elektroden. Sobald diese Spannung erreicht wird, schlägt die Funkenstrecke durch. Die Luft zwischen den Elektroden wird ionisiert, und damit leitfähig. Deswegen Leitet die Funkenstrecke auch weiterhin Strom, auch wenn die Zündspannung schon lange wieder unterschritten wurde. Während die Funkenstrecke brennt, schlisst sie den Trafo Kurz, und den Kondensator mit der Spule Parallel - Die beiden bilden einen Schwingkreis.
Aus diesem Schwingkreis wird - abhängig vom Kopplungsfaktor - immer ein bisschen Energie aus dem Primär in den Sekundärkreis übertragen. Der Kopplungsfaktor bestimmt dabei die menge der Energie die bei jeder Schwingung übertragen wird. Diese Energie wird dem Primärkreis natürlich entnommen ;). Das Spiel geht solange, bis sich die gesammte Energie im Sekundärkreis befindet. Im Idealfall erlischt jetzt die Funkenstrecke (quencht) - dadurch wird der Kondensator wieder von der Spule getrennt, der Schwingkreis ist unterbrochen. Da es jetzt keine Schwingung mehr gibt, die mit dem Sekundärkreis gekoppelt sein könnte, gibt es auch keine Energieübertragung mehr - die Energie ist im Sekundärkreis gefangen. Dort entlädt sie sich meist in Form eines Streamers, wird in ohmschen Verlusten verheizt (Drahtwiderstand, --> Schwingkreis-Güte) oder wird als HF-Energie Abgestrahlt (der Trafo fungiert dann als Funksender).
Leider erlischt die Funkenstrecke nicht immer im ersten "Nulldurchgang" - der Primärschwingkreis ist also noch offen. Die Ursache liegt häufig darin, dass sich noch ionisierte Gase zwischen der Funkenstrecke befinden. In diesem Fall wird wieder Energie vom Sekundärkreis zurück in den Primärkreis übertragen - das Spiel geht dann solange weiter, bis die Ohmschen Verluste die Energie soweit aufgebraucht hat, dass die Funkenstrecke erlischt.
Das ist natürlich nicht wünschenswert, da auf diese weise eine menge Energie in Wärme umgesetzt wird, die dann im Sekundärkreis nicht mehr zur Verfügung steht. Außerdem dauert so der gesammte Zyklus länger - der Kondensator hätte in der Zeit schon wieder geladen werden können.
Diese Nulldurchgänge nennt man Notches. Den Vorgang der Energieübertragung bzw die daraus resultierende Schwinung Schwebung. Das Ziel eines jeden Tesla-Coilers, der eine gute Effizienz und Funkenlänge wünscht ist es, dass die Funkenstrecke gleich im ersten Nulldurchgang (First Notch) erlischt - denn andernfalls wird die Energie wieder einmal zurück in den Primärkreis und wieder zurück übertragen.
Hier mal der Graph einer solchen Schwebung, ohne dass die Funkenstrecke erlischt. Der untere, rote Graph ist die Primär, der obere, blaue die Sekundärspule. Der Kopplungsfaktor ist 0,1.
Deswegen ist die Funkenstrecke auch ein Kritisches Bauteil eines Teslatrafos, das genau abgestimmt werden muss. Um das Quenchen einer Funkenstrecke zu erleichtern werden auch gerne Lüfter verbaut - zur Kühlung, aber auch um die Ionisierten Gase wegzublasen.
Andere Schwören auf "Rotary Sparc-gaps" - eine Funkenstrecke, die aus einem sich schnell drehendem Rad mit Kontakten besteht.Liegen die Kontakte gegenüber, zündet die Funkenstrecke. Idealerweise hat sich das Rad bis zum ersten Nulldurchgang weiter gedreht, sodass die Funkenstrecke erlischt. Die Berechnung solcher Funkenstrecken bedeutet allerdings auch viel Aufwand. Statische Funkenstrecken (also ohne bewegliche Teile) sind dagegen anfällig gegen Änderungen in der Luftfeuchtigkeit.
Das linke Pendel ist als der Primärkreis zu sehen, das rechte als der Sekundärkreis. Sobald eins der Pendel steht, war das ein Nulldurchgang, oder auch Notch. Der First Primary Notch lässt sich bei 00:26 beobachten, der First Secondary Notch bei 00:48. der Second Primary Notch ist bei 01:10.
Entladungen
Nach obenWieso entladen sich eigentlich Funken in die Luft? Es gibt keinen Gegenstand, in die sie einschlagen. Die Spannung, die ein Teslatrafo erzeugt, ist zu gering, um solche großen Entladungen zu erzeugen. Des weiteren sind die Entladungen noch frequenzabhängig: Bei sehr niedrigen Frequenzen gibt es überhaupt keine Entladungen; Bei mittleren bilden sich sehr lange Streamer; bei hohen bis sehr hohen frequenzen 'schrumpft die Entladung schliesslich auf eine Flamme shr ähnlich einer Kerzenflamme zusammen'.
Bei den Entladungen handelt es sich um Korona-Entladungen. Sobald die elektrische Feldstärke groß genug ist, entsteht an einem Breakout-Point eine Korona-Entladung. Durch die hohe Frequenz mit der ein Teslatrafo arbeitet, und der (zugegeben, sehr geringen) Kapazität dieses ionisierten Luftkanals kann ein dauerhafter Strom aufrechterhalten werden, der weitere Korona-Entladungen hervorruft. Durch diese ionisierte Luft kann nun wieder Strom fließen, und eine weitere Korona hervorrufen. Das Spiel geht solange, bis irgendwann die volle Länge des Streamers erreicht ist, oder die nächste Zündung der Funkenstrecke zu lange braucht. Die Ionisierte Luft wird wieder neutral, der Prozess beginnt von vorne.
Dies erklärt auch, warum die Bildung von Streamern durch spitze Stellen am Topload begünstigt wird (wiki: Koronaentladung).
Über das Video :
Das Video wurde mit 1200 fps aufgenommen, also 1200 Bildern pro Sekunde. Es soll verdeutlichen, dass sich Streamer nicht "schlagartig" ausbreiten, sondern sich "langsam" entwickeln. Leider sieht man es nicht sonderlich gut, da dieser Vorgang immer noch zu schnell stattfindet. Trotzdem ist dieses Phänomen an manchen Stellen im Video zu beobachten. Wie euch sicherlich aufgefallen ist "blinkt" die Hintergrundbeleuchtung. Dies liegt daran, dass die Lampe mit Wechselspannung betrieben wird. Deshalb flackert das Licht mit 100Hz. Die Spule an sich flackert auch, da die Spule mit halbgleichgerichteter Wechselspannung versorgt wird. Allerdings nicht mit 100Hz sondern mit 25Hz.
Warum in Resonanz
Nach obenDie Resonanzfrequenz ist die Frequenz, mit der man einen Schwingkreis am effektivsten zum Schwingen anregen kann. Bei dieser Frequenz benötigt man nämlich die geringste Energie, um die Schwingungen aufrecht zu erhalten.
Warum ist der Energieverbrauch in Resonanz am geringsten ?
In einem Teslatrafo haben wir es mit Parallelschwingkreisen zutun - der Kondensator wird also parallel zur Spule geschaltet. Im Wechselstromkreis weisen eine Spule und ein Kondensator einen Widerstand auf, den sogenannten Blindwiderstand. Dieser ist frequenzabhängig: ein Kondensator hat bei hohen Frequenzen einen sehr niedrigen Widerstand, blockt aber niedrige Frequenzen ab. Bei der Spule verhält es sich andersherum: sie leitet niedrige Frequenzen besonders gut, blockt aber die hohen.
Dieser Blindwiderstand von Spule und Kondensator ist im Resonanzfall gleich groß, es werden also zwei gleich große Widerstände parallel geschaltet - der Gesamtstrom teilt sich also in zwei gleich große Teilströme auf. Erhöht man jetzt die Frequenz, dann wird der Kondensator niederohmiger und die Spule hochohmiger. Der Strom fließt jetzt durch den Kondensator. Dies hat zur Folge, dass der Gesamtwiderstand kleiner ist, als bei Resonanz - und damit wächst der Energiebedarf. Verringert man die Frequenz, dann wird der Kondensator hochohmiger und die Spule niederohmiger - hier fließt der Strom logischerweise durch die Spule. Auch dies hat zur Folge, dass der Gesamtwiderstand kleiner wird, als bei Resonanz und damit steigt wiederum der Energiebedarf, um einen gleichen output zu erzeugen.
Hier sieht man nochmal die Kurve des Widerstandes(Cap. Grün, Ind. Blau, ges. Rot) und des fließenden Stromes(Hellblau). Man sieht deutlich, dass die benötigte Leistung bei Resonanz (~500KHz) am geringsten ist. (Die Skala ist Logarithmisch, deswegen erscheinen die Linien gerade). Leider hab ich es noch nicht geschafft, LTSPICE eine andere Scala anzugewöhnen als dB... als Bezugspunkt muss man dann wohl Werte ala 1W und 1Ohm einsetzten....
[Die Rechnung habe ich vorläufig rausgenommen. BU ist vorhanden ;)]
Ausgangsspannung
Nach obenDie folgende Frage wird mir persönlich immer regelmäßig an den Kopf geworfen: "Wie hoch ist die Ausgangsspannung deines Teslatrafos?" Darauf kann ich nur antworten: "Tut mir leid, ich kann ihnen diese Frage nicht beantworten, da ich die Ausgangsspannung nicht messtechnisch ermitteln kann" Natürlich folgt darauf gleich die Gegenfrage: "Kann man die Ausgangsspannung nicht berechnen?" Meine Antwort dazu: "ja und nein"
Warum gibt ein E-Techniker eine solch unpräzise Antwort? Weil er es nicht weiß!
Natürlich lässt sich die Ausgangsspannung eines Teslatrafos wie folgt berechnen:
Die Energie im Primärkreis wird relativ Verlustfrei (Funkenstrecke, Ohmsche Verluste) in den Sekundärkreis übertragen. Man kann also davon ausgehen, dass die Energien fast gleich bleiben. Die Energie eines Kondensators berechnet sich folgendermaßen:
W = Energie; in unserem Falle die des Kondensators
Beispiel:
Kondensator C = 100 nF; Spannung U = 8000 V
Da die Energie fast verlustfrei in den Sekundärkreis übertragen wird, geht wenig Energie verloren. In unserem Sekundärkreis stellt die Eigenkapazität der Sekundärspule und die Kapazität des Topload die gesamt Kapazität da. Da die Gesamtkapazität sehr kleine ist muss die Spannung dem entsprechend groß sein, damit die Energie ungefähr gleich bleibt. Durch umstellen der Formel in:
bei einer Sekundärkapazität von 26,67pF würde die Ausgangsspannung
betragen.
Da dieser Vorgang jedoch nicht ganz verlustfrei stattfinden, sollte man das Endergebnis noch mal mit 0.9 multiplizieren. Dies ist allerdings nur gültig, wenn man beide Schwingkreise sehr gut auf Resonanz abgestimmt hat.
Jetzt kann es allerdings durchaus vorkommen, dass sich das Topload erst nach "X" Ladezyklen entlädt und da wir die Variable "X" nicht berechnen können, können wir auch nicht zuverlässig die Ausgangsspannung einer Teslaspule berechnen. Des weiteren können Streamer auch schon aus dem Topload brechen, bevor es die 0,45 MV erreicht hat, was dazu führen würde, dass die Spannung im Topload zusammenbricht. Die einzige sichere Methode wäre, die Ausgangsspannung zu messen, da dies allerdings nicht ohne weiteres realisierbar ist, bleibt die Ausgangsspannung einer Teslaspule ein Mysterium.
Hardcore Theorie
Nach oben[Wie gesagt... "Hardcore" ist nur das, was man nicht Versteht ]
Wer immer noch nicht genug von SGTC Theorie hat, der kann sich das folgende PDF zur Ergänzung mal durchlesen.
Dieses PDF ist NICHT von uns, sondern von Barton B. Anderson!
Des weitern gibt es noch die Seite von Richard Burnett, die sich mehr als ausführlich mit verschiedenen Arten von Funkenstrecken befasst. Nur für absolute Profis zu empfehlen. Wer es bis hierhin ohne Hirnblutung geschafft hat, braucht aber nichts zu fürchten...
Natürlich kann man sich noch viel mehr mit der Theorie einer SGTC befassen, allerdings sind unsere Schreib (und auch Wissens ;) ) Kapazitäten beschränkt...
