Home

Teslaspule mit IGBT (OLTC)

Teslaspulen mit einer relativ niedrigen Primärspannung von einigen Hundert bis etwas über Tausend Volt werden erst seit einiger Zeit beschrieben. Erfunden und zuerst gebaut hat sie der Amerikaner Terry Fritz, bekannt in der Teslagemeinde sind sie unter dem Begriff OLTC Off Line Tesla Coil.
Im Aufbau entsprechen sie einer SGTC, eine Primärkapazität wird auf eine Spannung geladen und mittels eines Schalter über die Primärspule entladen, dieser Puls regt dann die Sekundärspule zu den bekannten gedämpften Schwingungen an. Im Gegensatz zur SGTC die als Schalter eine Funkenstrecke verwendet kann bei der OLTC ein Halbleiterelement verwendet werden. Alle mir bekannten OLTC's verwenden als Schaltelement einen IGBT (isolated gate transistor). Dieses Bauelement, eine Kombination von FET und Bipolar Technologie wird für , für Halbleiter,ungewöhnlich, hohe Spannungen und Ströme gefertigt.
Eine kurze >>EBAY<< Recherche forderte folgendes Angebot zutage -
2 Stück IGBT Module FZ 1200 R 16 KF1- diese Bauelemente des Siemensablegers EUPEC haben folgende Daten

Kollektor-Emitter Sperrspannung 1600V
Kollektor Dauergleichstrom 1200A
periodischer Kollektor Spitzenstrom 2400A
Verlustleistung 7800W
Auf dem rechten Bild ist das Transistormonster zu sehen (das 2-Euro Stück dient als Größenvergleich).
Halbleiter mit solchen Daten, bis vor einigen Jahren nur mit langsamen Thyristoren erreichbar, fordern geradezu zum Bau einer OLTC heraus. Ein Nachteil dieser Halbleiter ist die große Gatekapazität von, bei diesem Typ, 80nF, welche eine kräftige Treiberschaltung erfordert, um die notwendigen kurzen Pulszeiten zu erreichen
Teslatrafo: um trotz der niedrigen Primärspannung eine hohe Sekundärspannung zu erzielen wir für den Teslatrafo ein hohes Übersetzungsverhältnissgewählt, zudem kann durch die niedrige Primärinduktivität eine große Primärkapazität und somit hohe Pulsenergie gewählt werden
Primärkreis
Wicklung 1 Wdg 12mm CuRohr
Durchmesser 190mm
Induktivität 0.3H
Kapazität 2.1F
Frequenz 200 kHz
Sekundärkreis
Wicklung 1350 Wdg 0.2mm CuL
Durchmesser 150mm
Länge 270mm
Induktivität 45 mH
   
Das rechte Bild zeigt den Primärkreis. Im Vordergrund der Kühlkörper mit dem großen Transistormodul. Darüber das Kondensatorarray, 60 Einzelkondensatoren a 0.15F 630V, jeweils 2 Stück in Reihe sodaß sich eine Gesamtkapazität von 2.25F ergibt. Die beiden roten Knöpfe, links im Bild, sind VDR Widerstände, welche die Kollektor-Emitterspannung auf ungefährliche Werte begrenzen. Die Primärspule aus einer Wicklung 12mm Kupferrohr ist verlustarm über eine Bandleitung angekoppelt. Zur Erreichung einer großen Wiederholrate werden die Primärkondensatoren nicht über einen Widerstand geladen, sondern es wird, die aus der Radartechnik bekannte, Resonanzladung angewandt. Als Ladeglied wird eine Drossel/Dioden Kombination verwendet. Das unteren Oszillogramme zeigen die Ladekurve und die gedämpfte Schwingung in der Sekundärspule bei einer Wiederholrate von 330Hz
Das Netzteil, auf dem linken Bild, ist als Vollwegspannungs- verdoppler aufgebaut. So erhält man eine maximale Lade- spannung von 600V, die durch die Resonanzladung weiter erhöht wird, so stellt sich bei der höchsten Wiederholrate von 2 kHz eine Kondensator- spannung von etwa 850 V ein
Die Wiederholrate ist mit einen Poti fein und mittels Drehschalter in Bereichen 3..30Hz, 30..300Hz ,300Hz..3kHz einstellbar. Der höchste Bereich kann allerdings nur bis ca. 2 kHz ausgenützt werden, da dann Zeitkonstante der Ladedrossel den Zyklus bestimmt. Bei einer Wiederholrate von 2 kHz und einer Ladespannung beträgt die Energie im Kondensatorarray 0.8 Ws, die aufgenommene Leistung also 1.6 kW

Der Aufbau gestattet die vollständige Trennung von Primär-und Sekundärspule. Auf der Deckplatte des Gerätes befinden sich nur die Sekundärspule und der geerdete große Kühlkörper des Transistors. So ist auch eine galvanische Trennung des auf Netzpotential liegenden Primärkreises vom Sekundärkreis gewährleistet was der Sicherheit des Gerätes zugute kommt. Auch Funkenüberschläge zwischen Primär- und Sekundärspule werden so sicher vermieden. Die dadurch entstehende lose Kopplung der Kreise scheint in diesem Fall keinen Einfluß auf die Funkenlänge zu haben.
Wie alle Teslaspulen verlangt auch diese Ausführung eine gute Erdung des Fußpunktes der Sekundärspule. Möglich, aber nicht unbedingt empfehlenswert, ist die Erdung über den Schutzleiter des Lichtnetzes. Allerdings kann dies zu unkontrollierbaren HF-Spannungen im Netz und lästigen Störstrahlungen und somit Ärger mit den Nachbarn und sogar der RegTP führen. Überhaupt sollte man sich darüber im Klaren sein, daß jede Teslaspule ein Hochfrequenzgenerator hoher Leistung auf einem relativ breiten Frequenzband darstellt und somit unter das Fernmeldegesetz fällt

Betrieb:  
Bei kleiner Speisespannung entsteht ein Streamer an der Spitze der Dachkapazität
Bei höherer Spannung wandern die Streamerentladungen entlang des Koronaringes
Bei Annäherung einer geerdeten Elektrode gehen die Streamer in eine lautstarke Funkenentladung über deren Ton natürlich der in weiten Grenzen einstellbaren Wiederholrate entspricht.
Film der Entladung im Flash Format (180 kByte)
Schaltplan PDF Datei Flash Film 180kByte