Tesla-Spulen-Rechner: Spulen, Topload, Kopplung, Abstimmung
Von der Sekundärspule bis zur Kondensatorbank: Das Tool rechnet Induktivität, Eigenkapazität und Resonanz, die Kopplung zur Primärspule und die passende Abstimmung. Die Bauarten werden mit ihren Unterschieden und in der Szene bewährten Bauteilen verglichen.
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Abkürzungen und Zeichen auf dieser Seite (21)
- SGTC
- Spark Gap Tesla Coil: Tesla-Spule mit Funkenstrecke als Schalter.
- SSTC
- Solid State Tesla Coil: Tesla-Spule mit Halbleitern (MOSFET oder IGBT) statt Funkenstrecke.
- DRSSTC
- Dual Resonant Solid State Tesla Coil: SSTC mit zusätzlich abgestimmtem Primärkreis.
- QCW
- Quasi Continuous Wave: DRSSTC mit langen, ansteigenden Pulsen für gerade Funken.
- VTTC
- Vacuum Tube Tesla Coil: Tesla-Spule mit Senderöhre als Oszillator.
- NST
- Neon Sign Transformer: Hochspannungstrafo für Leuchtröhren, strombegrenzt, z. B. 10 kV / 30 mA.
- MMC
- Multi Mini Capacitor: Kondensatorbank aus vielen gleichen Folienkondensatoren in Reihe und parallel.
- LTR
- Larger Than Resonant: Primärkondensator größer als die resonante Kapazität des Trafos, meist etwa das 1,5-Fache.
- OCD
- Over Current Detection: Überstromabschaltung im Treiber, schützt die Halbleiter.
- GDT
- Gate Drive Transformer: kleiner Übertrager, der die Gates der Transistoren getrennt ansteuert.
- IGBT
- Insulated Gate Bipolar Transistor: Leistungstransistor für hohe Spannungen und Ströme.
- MOSFET
- Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor: Feldeffekttransistor, wird über die Spannung am Gate geschaltet.
- MIDI
- Musical Instrument Digital Interface: Steuerdaten für Musik; ein MIDI-Unterbrecher lässt die Funken Töne spielen.
- UD2
- Universal Driver 2 von Steve Ward: verbreitete Treiberplatine für DRSSTC.
- HF
- Hochfrequenz: Wechselströme und Felder ab etwa einigen 10 kHz; hier meist 50 kHz bis einige MHz.
- k
- Kopplungsfaktor zwischen zwei Spulen, 0 bis 1: welcher Anteil des Magnetfelds beide Spulen durchsetzt.
- Q
- Güte eines Schwingkreises: 2π f L ÷ R. Hoch = geringe Verluste, schmale Resonanz.
- Lp, Ls
- Induktivität der Primärspule (p) und der Sekundärspule (s).
- Cp
- Kapazität im Primärkreis (Primärkondensator bzw. MMC).
- λ/4
- Viertel der Wellenlänge λ = c ÷ f (c = Lichtgeschwindigkeit). Eine Sekundärspule schwingt ähnlich wie ein Viertelwellen-Strahler.
- Entladung (Bang)
- Ein Zünden der Funkenstrecke; die Energie pro Entladung ist ½ C U².
1. Bauart
Die fünf verbreiteten Bauarten unterscheiden sich im Schalter, in der Abstimmung und in der Art der Funken. Auswahl oben, Vergleich in der Tabelle.
Klassische Bauart mit Funkenstrecke: Ein Hochspannungstrafo lädt den Kondensator, die Funkenstrecke entlädt ihn schlagartig in die Primärspule. Primär- und Sekundärkreis sind auf dieselbe Frequenz abgestimmt, die Energie pendelt hinüber; reißt der Funke ab, bleibt sie in der Sekundärspule.
Neonleuchten-Trafo (NST) mit Schutzfunkenstrecke und Netzfilter; MMC aus Folien-Impulskondensatoren (oft CDE 942C, 0,15 µF / 2 kV); Primärspule aus Kupferrohr; statische Mehrfach- oder rotierende Funkenstrecke; Sekundärspule aus Lackdraht auf Kunststoffrohr, Schlankheit 4–6 : 1; Torus aus Alu-Flexrohr; eigene HF-Erde.
| SGTC | SSTC | DRSSTC | QCW | VTTC | |
|---|---|---|---|---|---|
| Schalter | Funkenstrecke (statisch oder rotierend) | MOSFET- oder IGBT-Brücke | IGBT-Brücke | Brücke + Buck-Wandler | Senderöhre (Triode) |
| Abstimmung | Primär und Sekundär | nur Sekundär | Primär und Sekundär | Primär und Sekundär | Primär (Tank) und Sekundär |
| Kopplung k | 0,1–0,2 | fester als beim SGTC | ähnlich SGTC, etwas fester | über 0,4 | mittel |
| Frequenz | 50–400 kHz | 100 kHz–1 MHz | meist 40–150 kHz | meist über 400 kHz | einige 100 kHz |
| Funken | laut, verzweigt; Richtwert nach Freau | Dauerstrich oder gepulst, kürzer | sehr lang, per MIDI spielbar | gerade „Schwerter“ | leise Flammen, Dauerstrich |
| Vorteile | einfach, robuste Bauteile, lange Funken | ohne Funkenstrecke, mit Unterbrecher musikalisch | längste Funken im Hobbybereich, spielbar | eindrucksvolle gerade Funken | leise, Dauerstrich möglich |
| Nachteile | sehr laut, Ozon, Funkstörungen, Funkenstrecke verschleißt | Halbleiter empfindlich, Funken kürzer als beim DRSSTC | aufwendig, hohe Ströme, Fehler zerstören IGBTs | anspruchsvollste Bauart, hohe Belastung der Halbleiter | hohe Anodenspannung, Röhren selten und teuer, Wärme |
2. Sekundärspule und Topload
Maße der Sekundärspule und des Toploads. Die Zeichnung rechts ist maßstäblich.
| Windungen | 1000 |
| Schlankheit (Länge : Durchmesser) | 4,55 : 1 |
| Induktivität (Lundin) | 22 mH (Wheeler 21,9 mH) |
| Eigenkapazität (Medhurst) | 8 pF |
| Topload-Kapazität | 21,7 pF |
| Resonanz ohne Topload | 379 kHz |
| Resonanz mit Topload | 197 kHz |
| Drahtlänge | 347 m (0,913 × λ/4) |
| Widerstand DC / bei Resonanz | 34,4 Ω / 35,8 Ω |
| Güte (theoretisch) | 761 |
3. Primärspule, Kopplung und Abstimmung
Flache Spirale (0°), Konus (z. B. 20–30°) oder Helix (90°). Die Kopplung wird Windung für Windung aus der Gegeninduktivität gerechnet.
| Induktivität Primär (Wheeler) | 20,1 µH |
| Außen-Ø · Höhe · Leiter | Ø 33 cm · 3,47 cm · 6,16 m Leiter |
| Kopplungsfaktor k | 0,156 |
| Nötige Primärkapazität | 32,4 nF |
3.2 Schwingungen bis zur ersten vollständigen Übergabe nach 16,2 µs. Festere Kopplung = schnellere Übergabe, aber die Funkenstrecke muss dann schneller löschen.
4. Speisung und Kondensatorbank
Für Funkenstrecken-Spulen: Neonleuchten-Trafo (NST), passende Kapazität und MMC aus Einzelkondensatoren.
| Resonante Kapazität (NST) | 9,55 nF |
| LTR-Kapazität (statische Funkenstrecke) | 14,3 nF |
| Energie pro Entladung | 1,43 J · bei 14,1 kV Spitze |
| MMC-Aufbau | 15 in Reihe × 1 parallel = 15 Stück, 10 nF, 30 kV |
| Funkenlänge (Richtwert nach Freau) | ≈ 74,8 cm |
Formel
Sekundär: L = µ0 N² A K ÷ l (Nagaoka-Koeffizient K nach Lundin), Vergleich Wheeler L = r² N² ÷ (9 r + 10 l). Eigenkapazität nach Medhurst C = 0,29 l + 0,41 r + 1,94 √(r³ ÷ l) (Zoll, pF). Torus C = 2,8 (1,2781 − d ÷ D) √(π (D − d) d ÷ 4) (Zoll, pF), Kugel 4πε0 r. f = 1 ÷ (2π √(L C)). Primär nach Wheeler: Spirale r² N² ÷ (8 r + 11 w), Konus √((L_Helix sin θ)² + (L_Spirale cos θ)²). Kopplung k = M ÷ √(Lp Ls), M aus der Gegeninduktivität koaxialer Ringe (elliptische Integrale). NST: C_res = I ÷ (2π f U), LTR ≈ 1,5 C_res. Funke nach Freau ≈ 1,7 √P Zoll.
Beispiel
Rohr 110 mm, 50 cm Wicklung mit 0,5-mm-Lackdraht: 1000 Windungen, 22 mH, ohne Topload 379 kHz. Mit Torus 120 × 500 mm 197 kHz. Primärspule 8 Windungen 6-mm-Rohr, Innendurchmesser 160 mm, 20° Konus: 20 µH, k ≈ 0,16, zur Abstimmung 32 nF. Ein NST 10 kV / 30 mA an 50 Hz hat 9,5 nF resonante Kapazität, LTR etwa 14 nF.
Hinweise
- Alle Formeln sind Näherungen für frei stehende Spulen. Wände, Boden, Primärspule und Funken verschieben die Resonanz; endgültig wird mit dem Abgriff an der Primärspule abgestimmt.
- Die Torus-Formel ist empirisch (±10–20 %). Für genaue Werte die Frequenz messen: Signalgenerator an die Spule, Maximum mit dem Oszilloskop oder einer Antenne suchen.
- Die Güte ist theoretisch (Kupfer und Skin-Effekt). Gemessen liegt sie wegen Spulenkörper, Lack und Umgebung meist deutlich niedriger.
- Kopplung: SGTC meist 0,1–0,2. Zu fest koppeln führt zu Überschlägen an der Sekundärspule und zu schlechtem Löschen der Funkenstrecke.
- Lebensgefahr: Netzspannung, Hochspannungstrafo und geladene Kondensatoren töten. Kondensatoren mit Entladewiderständen, vor jedem Anfassen kurzschließen. HF-Funken verbrennen, stören Funk und Elektronik; nur mit eigener HF-Erde und fern von Herzschrittmachern und Geräten betreiben.