Tesla-Transformator
Ein Tesla-Transformator ist ein nach seinem Erfinder Nikola Tesla benannter Transformator zur Erzeugung hochfrequenter Wechselströme mit sehr hoher Spannung. Sein Funktionsprinzip basiert auf den Resonanzgesetzen in Form eines Schwingkreises. Nikola Teslas Ziel war es, drahtlos Energie zu übertragen. Dazu eignet sich jedoch der Tesla-Transformator nicht.
Funktionsweise
Die Kopplung erfolgt bei Tesla-Transformatoren nicht über einen Eisenkern wie bei konventionellen Transformatoren, sondern über Luft: eine einlagig gewickelte lange Spule geringeren Durchmessers mit einigen 100 bis 1000 Windungen (Sekundärspule) liegt im Feld einer kurzen Spule größeren Durchmessers mit wenigen Windungen (Primärspule). Man erreicht dadurch einen ausreichenden Isolationsabstand insbesondere zum "heißen" Ende der Sekundärspule. Die einlagige gleichmäßige Bewicklung der Sekundärspule bewirkt eine gesteuerte Feldverteilung, sodass Vorentladungen entlang dieser Spule vermieden werden. Die gesteuerte Feldverteilung bedingt die Form der Primärspule, die daher meist unten nahe der Sekundärspule beginnt und sich nach oben konisch weitet.
Bei großen Anlagen kann die Ausgangsspannung mehrere Megavolt erreichen, so dass meterlange blauweißliche Entladungen (Streamer) ermöglicht werden, durch die hochfrequente Wechselspannung (mehrere kHz) vom "heißen" Spulenende (bzw. aus dem daran angebrachten Toroid) der Sekundärwicklung austreten. Das kalte Ende muss mit einer höheren Kapazität an die Umgebung angekoppelt sein (Erdung), damit es kalt bleibt. Die Sekundärwicklung am unteren Ende an die Primärwicklung oder das Hausnetz anzuschließen ist umstritten.
Es wird zwischen zwei verschiedenen Bauarten unterschieden: Impuls- und Trägerteslatransformator; der Impulsteslatransformator ist die bekanntere Bauart. Beide beruhen auf Resonanz, die wiederum für die gesteuerte Feldverteilung benötigt wird.
Impulsteslatransformator
In einem Schwingkreis, bestehend aus einer Funkenstrecke, einem Kondensator und einer primären Spule mit wenigen Windungen, erzeugt man gedämpfte elektrische Hochfrequenzschwingungen. Befinden sich Primär- und Sekundärkreis in Resonanz, so entsteht an der sekundären Spule eine Hochspannung, jedoch ist das Windungszahlverhältnis von primärer und sekundärer Spule beim Teslatransformator nicht für die Transformation der Eingangsspannung verantwortlich. Es entsteht vielmehr eine Spannungsüberhöhung, die dadurch hervorgerufen wird, dass im sekundären Schwingkreis (gebildet u.a. durch die sekundäre Spule) die Kapazität relativ klein ist. Diese wird allein durch die Kapazität der sekundären Spule (und dem Toroid) gegenüber der Erde gebildet. Idealerweise wird die Funkenstrecke gelöscht, sobald alle Energie auf die Sekundärspule übertragen wurde.
Man kann im Schaltbild auch Kondensator und Funkenstrecke vertauschen, so dass der Kondensator parallel zu Spannungsversorgung steht. Diese Variante hat den Vorteil, dass der Transformator nicht ganz kurzgeschlossen wird.
Impulsteslatransformatoren werden üblicherweise mit einem Hochspannungstransformator betrieben, eine Spannung zwischen 5kV und 30kV ist hier üblich. Es gibt mittlerweile auch viele andere Variationen von Teslatransformatoren, die keinen Hochspannungstransformator mehr benötigen, da sie mit starken Bipolaren Transistoren betrieben werden, sogenannte IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor). Diese Technik ist sehr aufwendig und kostspielig aber lohnend. Durch die vielen Möglichkeiten der modernen Halbleitertechnologie kann man die Schaltvorgänge exakt steuern und so nahezu 100% Effizienz erreichen, welche mit konventionellen Teslatrafos mit Funkenstrecken nicht zu erreichen wäre.
Trägerteslatransformator
Trägerteslatransformatoren sind prinzipiell ebenso aufgebaut wie Impulsteslatransformatoren. Zur Speisung dient jedoch keine Kondensatorentladung, sondern ein kontinuierlich arbeitender Hochfrequenzgenerator (Halbleiter- oder Röhrentechnik). Dieser muss auf die Eigenresonanz der Hochspannungsspule abgestimmt sein oder sein Rückkopplungssignal muss aus dieser gewonnen werden.
Trotz kontinuierlichem Betrieb 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.
Bekannte Tesla-Anlagen
Electrum, die größte noch in Betrieb stehende Anlage steht in Auckland, Neuseeland. Sie hat eine Leistung von 130kW 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.
Eine der weltweit größten Anlagen befindet sich im Bundesgymnasium und Bundesrealgymnasium Wien 12 (Österreich), sie existiert seit 1995 und wurde unter der Leitung von Mag. Erwin Kohaut und einigen Schülern und Absolventen dieser Schule erbaut.
Eine weitere Tesla-Anlage kann auch im Technorama in Wintherthur CH besichtigt werden.
Erwähnung findet der Teslatransformator im Film Coffee and Cigarettes, ebenso in den Computerspielen Command & Conquer: Alarmstufe Rot / Alarmstufe Rot 2 und dem Videospiel "Tomb Raider: Legend".
Es gibt etliche Teslatrafoprojekte von Hobbyenthusiasten (engl. tesla coiler), aber auch professionelle Shows.
Auch die im Rahmen von Erotische Elektrostimulation häufig eingesetzten und ursprünglich von Tesla selbst entwickelten und vertriebenen Violet Wands basieren auf dieser Technik.
Literatur
- 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