mini|Tesla-Transformator im Nikola-Tesla-Gedenkzentrum in Smiljan (Kroatien) Ein Tesla-Transformator, auch als Teslaspule bezeichnet, ist ein nach seinem Erfinder Nikola Tesla benannter Resonanztransformator zur Erzeugung hochfrequenter Wechselspannung. Er 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 Kilowatt. Aufgrund der meist geringen Leistungen dienen sie als relativ gefahrlose Hochspannungsquelle für verschiedenartige Schauexperimente; für die elektrische Energietechnik haben sie keine Bedeutung.
Geschichte Das Ziel von Nikola Tesla war es, elektrische Energie drahtlos zu übertragen. Dazu eignet sich der Tesla-Transformator jedoch nur begrenzt – er erzeugt zwar elektromagnetische Wellen; jedoch können diese in einem Empfangskreis nur in geringer Entfernung und nur zum Teil zurückgewonnen werden. Der 1901 zu diesem Zweck gebaute Wardenclyffe Tower auf Long Island in den USA wurde wegen Geldmangels"Tesla - Man Out Of Time", Margaret Cheney, 1981 1917 wieder abgerissen.
Teslatransformatoren in der hier beschriebenen Form dienen vorwiegend zur Demonstration der Wirkung hoher hochfrequenter elektrischer Wechselspannungen.
Aufbau mini|Schematischer Aufbau eines Tesla-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. Vielmehr kann aufgrund der losen Kopplung eine Resonanzüberhöhung stattfinden. Der Schwingkreis wird aus der langen Sekundärspule und ihrer Eigenkapazität sowie der Kapazität der Kopfelektrode gegenüber Erde gebildet. Das untere Ende der Sekundärspule ist geerdet. Insbesondere der erdnahe Bereich der Spule befindet sich im Magnetfeld der erregenden Primärspule.
Teslatrafos arbeiten mit Frequenzen zwischen 30 kHz und 500 kHz. 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 Feldsteuerung des elektrischen Felds erfolgt hier einerseits durch die einlagige gleichmäßige Bewicklung der Sekundärspule, die durch den gleichmäßigen Feldverlauf Teilentladungen entlang dieser Spule vermeidet und andererseits dadurch, dass die sich nach oben konisch weitende Form der Primärspule, durch welche, trotz des nach oben ansteigenden elektrischen Potentials, die elektrische Feldstärke zwischen beiden Spulen unterhalb der Durchbruchfeldstärke bleibt.
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 torusförmige 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 Träger-Teslatransformator. 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.
Impuls-Teslatransformator mini|Schaltbild einer SGTC mini|2. Möglichkeit, eine SGTC zu verschalten Der Primärschwingkreis besteht aus einem Schalter (bei der so genannten SGTC (Spark Gap Tesla Coil) einer Funkenstrecke (Spark Gap), dargestellt durch Pfeile im Schaltbild), einem Kondensator von etwa 5 nF bis mehreren 100 nF und einer kurzen Spule mit etwa 5…15 Windungen und großem Durchmesser. Diese Spule hat oft Anzapfungen, sodass die Induktivität und damit die Resonanzfrequenz angepasst werden kann. Der Kondensator des Primärschwingkreises wird durch eine kurzschlussfeste Spannungsquelle (Wechselspannungssymbol links im Bild) auf mindestens 5 kV aufgeladen, bis die Funkenstrecke zündet und die Spannungsquelle kurzschließt. Durch den entstandenen Kurzschluss wird der Primärschwingkreis von der Spannungsquelle getrennt und der jetzt aufgeladene Schwingkreis sich selbst überlassen. Dadurch werden freie Schwingungen mit hoher Momentanleistung erzeugt, welche idealerweise durch die Dämpfung abklingen, bevor die Funkenstrecke erneut zündet.
Diese Schwingungen werden induktiv an den Sekundärschwingkreis übertragen, der in der Regel aus einer langen Zylinderspule mit einigen hundert bis tausend Windungen besteht. Diese Spule bildet durch ihre Eigenkapazität zwischen oberem und unterem Ende beziehungsweise Erde bei guter Abstimmung einen Schwingkreis mit gleicher Resonanzfrequenz wie der Primärkreis. Durch die induktive Kopplung entstehen gekoppelte Schwingungen, bei welchen die Energie zwischen Primär- und Sekundärschwingkreis hin und her pendelt.
Idealerweise verlischt die Funkenstrecke der primären Erregung nach einigen Mikrosekunden, sobald alle Energie des Kondensators auf die Sekundärspule übertragen wurde. Ist nämlich beim Nachladen des Kondensators durch eine kräftige Speisespannungsquelle noch eine Restionisierung der Funkenstrecke vorhanden, kann ein Lichtbogen stehenbleiben, der die Speisung überlastet. Das schnelle Verlöschen lässt sich durch eine Löschfunkenstrecke (siehe auch Löschfunkensender) sicherstellen, bei der der Funke in Teilstrecken von etwa 0,2 mm 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. Auch Konstruktionen mit sich drehenden Sektorscheiben sind bekannt, wodurch die Zündung periodisch mit der Drehzahl erfolgt (rotierende Funkenstrecke). Durch die Funkenstrecke wird das Signal des Primärkreises „zerhackt“, so dass ein Sägezahnsignal, oder in manchen Fällen auch ein Nadelimpuls (Exponentieller Impuls mit kurzer Anstiegszeit), entsteht. Dadurch entstehen zahlreiche Oberschwingungen, die sich störend auf die Umgebung auswirken und im Rahmen der elektromagnetischen Umweltverträglichkeit eine Rolle spielen können.
Kondensator und Funkenstrecke können, wie im 2. Schaltbild zu sehen ist, auch vertauscht sein, sodass statt der Funkenstrecke der Kondensator parallel zur Spannungsquelle liegt. Dabei wird die Spannungsquelle jedoch stärker belastet und muss entsprechend ausgelegt sein.
Die Spannungsversorgung des Primärschwingkreises muss bei der Aufladung des Kondensators einen kurzzeitigen Kurzschluss aushalten. Oft wird sie 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 für Neonreklame. Hochfrequenz-Drosseln zwischen dem Netztrafo und der Funkenstrecke können hochfrequente Netzstörungen etwas verringern. Wenn ein Streukerntransformator verwendet wird, ist dies jedoch nicht erforderlich, da ein solcher die kabelgebundenen Störungen ins Netz ausreichend vermindert. Die Strahlungsgebundenen Störungen können auf diese Weise jedoch nicht immer reduziert werden, da die Anstiegszeiten der Funkenstrecke Frequenzen bis in den GHz-Bereich erzeugen, welche dann leicht in umgebende Leitungen einkoppeln können und so die Umgebung stören. Besonders ausgeprägt ist dieser Effekt bei geerdeten Teslaspulen, während er bei ungeerdeten, z. B. bipolaren, Spulen weniger ausgeprägt ist.
Statt der Funkenstrecke werden auch Thyratrons, IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder Thyristoren verwendet. 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 mini|right|Prinzip Schaltbild einer DRSSTC Die Spule von Träger-Teslatransformatoren ist ebenso aufgebaut wie die von Impuls-Teslatransformatoren. Zur Speisung dient jedoch keine Kondensatorentladung, sondern ein kontinuierlich arbeitender Hochfrequenzgenerator, der mit Transistoren (Abk. SSTC von ) oder Elektronenröhren (Abk. VTTC von ) arbeitet. Er muss auf die Eigenresonanz der Hochspannungsspule abgestimmt sein oder sein Rückkopplungssignal muss aus dieser gewonnen werden. Dafür besitzt der Transformatoraufbau manchmal eine weitere (Hilfs-)Wicklung.
Bei der sogenannten DRSSTC (Abk. von ) ist der Primärkreis ein Reihenschwingkreis, der effektiv mit einer Rechteckschwingung gespeist wird. Dadurch wird bereits primärseitig eine Resonanzüberhöhung wirksam.
Mit kontinuierlich arbeitenden Geräten lassen sich meist weniger lange Büschelentladungen erzeugen als mit Impuls-Teslatransformatoren – 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-Teslatransformatoren, bei denen der Generator im Impulsbetrieb höhere Leistungen erzeugt. Oft wird dazu jede zweite Halbwelle der Netzspannung genutzt, sodass die Geräte mit 50 Hz pulsen.
Ein Vorteil des Trägerbetriebs ist, dass auch die breitbandigen Störungen (wie oben beim Impulsbetrieb beschrieben) vermieden werden können, wenn man eine entsprechende Frequenz wählt, die keine Störungen in relevanten Frequenzbändern bewirkt.
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 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. 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.