Tesla-Transformator

Grundprinzip und Bedeutung

Ein Tesla-Transformator, auch Teslaspule genannt, ist ein von Nikola Tesla entwickelter Resonanztransformator. Er erzeugt hochfrequente Wechselspannung und damit sehr hohe elektrische Spannungen. Sein Funktionsprinzip beruht auf der Resonanz zweier magnetisch lose gekoppelter elektrischer Schwingkreise. Ein Schwingkreis ist eine Anordnung aus Spule und elektrischer Kapazität, in der Energie zwischen magnetischem und elektrischem Feld hin- und herschwingt.

Anders als Leistungstransformatoren der elektrischen Energietechnik besitzen Tesla-Transformatoren trotz hoher Momentanleistungen meist nur eine mittlere Leistung von einigen Watt bis einigen Kilowatt. Sie werden deshalb vor allem für Lehr- und Schauexperimente verwendet und haben für die elektrische Energieversorgung keine Bedeutung.

Nikola Tesla wollte mit solchen Anlagen elektrische Energie drahtlos übertragen. Dafür eignet sich der Tesla-Transformator jedoch nur begrenzt: Er erzeugt elektromagnetische Wellen, deren Energie ein Empfangskreis nur in geringer Entfernung und nur teilweise zurückgewinnen kann. Der 1901 zu diesem Zweck errichtete Wardenclyffe Tower auf Long Island wurde wegen Geldmangels 1917 wieder abgerissen.

Aufbau und Hochspannungserzeugung

Ein Tesla-Transformator besteht aus einem Primär- und einem Sekundärschwingkreis mit gleicher Resonanzfrequenz. Beide sind nur lose magnetisch gekoppelt. Sind sie richtig abgestimmt, entsteht an der Sekundärspule durch Resonanzüberhöhung eine Spannung von mehr als 100 kV; große Anlagen erreichen mehrere Megavolt. Die Spannungssteigerung wird daher nicht allein durch das Verhältnis der Windungszahlen verursacht, wie bei einem gewöhnlichen Transformator.

Der Sekundärschwingkreis besteht aus einer langen, einlagigen Zylinderspule mit einigen 100 bis 2000 Windungen, ihrer Eigenkapazität und der Kapazität einer Kopfelektrode gegenüber der Erde. Das untere Spulenende ist geerdet. Das obere, sogenannte „heiße“ Ende führt die hohe Wechselspannung und trägt häufig eine torusförmige Elektrode. Die kurze Primärspule hat einen größeren Durchmesser und nur wenige Windungen. Tesla-Transformatoren arbeiten typischerweise mit Frequenzen zwischen 30 kHz und 500 kHz.

Die gleichmäßige, einlagige Wicklung verteilt das elektrische Feld und vermindert Teilentladungen entlang der Sekundärspule. Eine nach oben konisch weiter werdende Primärspule kann zusätzlich dafür sorgen, dass die Feldstärke zwischen beiden Spulen trotz des nach oben steigenden Potentials unterhalb der Durchbruchfeldstärke bleibt.

Am heißen Ende ionisiert die hochfrequente Spannung die Umgebungsluft. Es entstehen verzweigte Gasentladungen, sogenannte Streamer. Da die Elektrode dabei thermisch relativ wenig belastet wird, bildet sich gewöhnlich kein dauerhafter Lichtbogen. Die sichtbare Erscheinung ist eine Korona- oder Büschelentladung und ähnelt dem Elmsfeuer.

Man unterscheidet Impuls- und Träger-Teslatransformatoren. Beide regen die Eigenresonanz der Sekundärspule an. Beim Impulstyp geschieht dies durch die Entladung eines Kondensators, beim Trägertyp durch einen Hochfrequenzgenerator. Eine Mischform verwendet einen impulsförmig betriebenen Hochfrequenzgenerator.

Impulsbetrieb

Der Impuls-Teslatransformator ist die bekanntere Bauart. Bei einer SGTC, einer „Spark Gap Tesla Coil“, besteht der Primärschwingkreis aus einer Funkenstrecke als Schalter, einem Kondensator mit etwa 5 nF bis mehreren 100 nF und einer kurzen Spule mit ungefähr 5 bis 15 Windungen. Anzapfungen an der Primärspule erlauben es, ihre Induktivität und damit die Resonanzfrequenz einzustellen.

Eine kurzschlussfeste Spannungsquelle lädt den Kondensator auf mindestens 5 kV. Sobald die Funkenstrecke zündet, wird der Primärschwingkreis von der Spannungsquelle getrennt. Der geladene Kreis führt dann freie, gedämpfte Schwingungen mit hoher Momentanleistung aus. Diese Energie wird induktiv auf die Sekundärspule übertragen. Bei passender Abstimmung haben beide Kreise dieselbe Resonanzfrequenz, sodass die Energie zwischen ihnen hin- und herpendelt.

Idealerweise verlischt die Funkenstrecke nach einigen Mikrosekunden, wenn die Energie des Kondensators auf die Sekundärspule übertragen wurde. Bleibt ionisiertes Gas zurück, kann ein Lichtbogen bestehen bleiben und die Spannungsversorgung überlasten. Eine Löschfunkenstrecke teilt den Funken deshalb in Teilstrecken von etwa 0,2 mm und kühlt das Plasma an massiven Metallflächen. Rotierende Funkenstrecken zünden dagegen periodisch mithilfe drehender Sektorscheiben.

Das Schalten erzeugt Sägezahn- oder kurze Nadelimpulse und zahlreiche Oberschwingungen. Diese können die Umgebung elektromagnetisch stören; wegen der kurzen Anstiegszeiten können Frequenzen bis in den GHz-Bereich entstehen. Hochfrequenz-Drosseln oder Streukerntransformatoren vermindern leitungsgebundene Störungen, nicht aber immer die abgestrahlten Störungen. Diese sind bei geerdeten Teslaspulen besonders ausgeprägt.

Anstelle einer Funkenstrecke können Thyratrons, IGBTs oder Thyristoren eingesetzt werden. Sie müssen Ströme von oft mehreren kA schalten und sind daher kostspielig, ermöglichen aber einen reproduzierbaren, leisen, verschleißfreien und genau steuerbaren Betrieb.

Trägerbetrieb

Beim Träger-Teslatransformator entspricht die Hochspannungsspule grundsätzlich derjenigen des Impulstyps. Die Energie stammt jedoch aus einem kontinuierlich arbeitenden Hochfrequenzgenerator. Dieser verwendet Transistoren bei der SSTC („solid state Tesla coil“) oder Elektronenröhren bei der VTTC („vacuum tube Tesla coil“). Der Generator muss auf die Eigenresonanz der Hochspannungsspule abgestimmt sein oder sein Rückkopplungssignal daraus gewinnen; dafür kann eine zusätzliche Hilfswicklung vorhanden sein.

Bei der DRSSTC („dual resonant solid state Tesla coil“) bildet auch der Primärkreis einen Reihenschwingkreis. Er wird wirksam mit einer Rechteckschwingung gespeist, sodass bereits auf der Primärseite eine Resonanzüberhöhung auftritt.

Kontinuierlich arbeitende Geräte erzeugen meist kürzere Büschelentladungen als Impulsanlagen, weil der Leistungsbedarf für Ionisierung und Entladung mit der Spannung stark steigt und sich hohe Leistung leichter kurzzeitig aus einem Kondensator bereitstellen lässt. Veränderungen der Resonanzbedingungen können außerdem den Generator fehlanpassen und überlasten. Elektronenröhren vertragen eine solche Überlastung besser als Transistoren. Daher werden manche Trägeranlagen ebenfalls gepulst, häufig mit jeder zweiten Halbwelle der Netzspannung und somit mit 50 Hz.

Ein Vorteil des Trägerbetriebs ist, dass sich breitbandige Störungen vermeiden lassen, wenn eine geeignete Arbeitsfrequenz gewählt wird, die keine relevanten Frequenzbänder beeinträchtigt.

Anwendungen, Experimente und Anlagen

Tesla-Transformatoren sind heute vor allem eindrucksvolle Lehr- und Demonstrationsgeräte aus der Pionierzeit der Elektrotechnik. Ihr Aufbau ähnelt frühen Funkanlagen wie Knallfunken- und Löschfunkensendern, die wegen ihrer großen Bandbreite in den 1920er Jahren verboten wurden. Funkenentladungen und die resonante Grundwelle im Langwellenbereich können Funkempfang stören; kurze Funken erzeugen Knackstörungen bis in den Bereich der Dezimeterwellen.

Eine praktische Anwendung ist die Lecksuche an nicht leitenden Vakuumbehältern aus beispielsweise Glas: Bei einem Leck beginnt die Luft im weitgehend evakuierten Inneren unter hochfrequenter Hochspannung zu leuchten. Tesla-Transformatoren werden außerdem in einigen Plasmahochtönern zur Hochspannungserzeugung eingesetzt.

Verwandte Resonanzwandler erzeugen mit einem Resonanztransformator unter anderem einige 100 V für Kaltkathodenröhren. Ähnliche Anwendungen finden sich in elektronischen Vorschaltgeräten für Leuchtstofflampen, Zündtransformatoren für Bogenlampen, Öl- und Gasbrenner sowie in Lichtbogen-Spleiß-, Lichtbogen- und Plasmaschweißgeräten. Die drahtlose Energieversorgung von RFID-Chips und Sensoren nutzt zwar hochfrequente elektromagnetische Felder für Leistungen von Mikrowatt bis einigen Milliwatt, benötigt aber keine Hochspannung.

Bei Schauexperimenten entstehen an exponierten Stellen Streamer, weil die Anlagen meist nicht gekapselt, nicht mit Transformatorenöl isoliert und nur von Luft umgeben sind. Die ionisierte Luft wird zum Plasma; dabei entstehen freie Radikale, Ozon und anschließend Stickoxide. Die thermische Ausdehnung verursacht charakteristische Geräusche, und die Streamer können brennbare Gegenstände entzünden.

Leuchtstoff- und andere Gasentladungslampen können in der Nähe der Hochspannungsteile ohne Kabelanschluss leuchten. Ursache ist der Verschiebungsstrom. Tesla demonstrierte diesen Effekt im Mai 1891 bei der Columbia Lecture in New York mit Geißlerröhren. Im Füllgas großer Glühlampen lassen sich ebenfalls Plasmaentladungen erzeugen; ultraviolette Strahlung des Plasmas kann Bestandteile des Glases zur Fluoreszenz anregen. Koronaentladungen an Spitzen erzeugen außerdem einen Ionenwind.

Zu den bekannten Anlagen zählt Electrum in Auckland: Die größte noch betriebene Anlage ist etwa 12 m hoch, leistet 130 kW und erzeugt unter voller Leistung 15 m lange Blitze. Der größte konische Tesla-Transformator steht im Mid America Science Museum in Hot Springs, Arkansas, und erreicht bis zu 1,5 MV. Ein etwa 4 m hoher EnBW-EnergyTower erzeugte 2007 im Science Center phæno in Wolfsburg über 5 m lange Blitzkaskaden. Der Tesla-Transformator im Nikola-Tesla-Museum in Belgrad erreicht etwa 500 kV.

Gefahren und Schutzmaßnahmen

Tesla-Transformatoren erzeugen hohe Spannungen sowie elektrische und magnetische Wechselfelder. Trotz teilweise geringer mittlerer Leistung sind alle Bauweisen gefährlich. Bereits Anlagen mit geringer Leistung können Verbrennungen und Stromschläge verursachen.

Zu den Gefahren gehören lebensgefährliche Stromschläge bei unzureichendem Abstand, punktuelle Verbrennungen durch Funkenschlag und innere Verbrennungen bei hohen Strömen, großer Leistung oder längerer Kontaktdauer. Die Ultraviolettstrahlung der Entladungen kann Haut und Augen ähnlich wie ein Sonnenbrand schädigen. Ozon und Stickoxide können Reizungen und Atembeschwerden auslösen. Die elektromagnetischen Felder können Herzschrittmacher und implantierbare Kardioverter-Defibrillatoren stören.

Je nach Bauart reichen die erzeugten und abgestrahlten Frequenzen vom Bereich unterhalb der Langwellen bis zu den Dezimeterwellen. Über den Netzanschluss können zusätzlich leitungsgebundene Störungen entstehen. Dadurch können elektronische Geräte, der Funkverkehr und der Rundfunkempfang beeinträchtigt werden.

Hochspannungsversuche sollen deshalb nur in entsprechend abgeschirmten Räumen durchgeführt werden, etwa in einem Hochspannungsprüffeld oder Hochspannungslabor.