Die tönende Teslaspule – Musik aus dem Blitz

Sicherheitshinweis

Warnsymbol HochspannungEs werden extrem hohe Spannungen erzeugt, die lebensgefährlich sind. Daher ist die Berührung der Anlage im Betrieb zu vermeiden. Ein Sicherheitsabstand von mindestens 50cm einschließlich der Stromversorgungszuleitung muss daher unbedingt eingehalten werden!

Herr Nikola Tesla

Zu Herrn Tesla (10.07.1856 – 07.01.1943), einem Visionär und Erfinder ist im Internet viel an Material zu finden. Eine seiner vielen Erfindungen ist neben dem Wechselstrommotor die nach ihm benannte Teslaspule.

Die Teslaspule (Quelle der Abbildung: Wikipedia)

Der Resonanzkreis besteht hier aus einer stabilen Primärspule mit wenigen Windungen Kupferdraht und einem parallel zum Schalttransistor liegenden spannungsfesten Kondensator. Durch Quelle-Wikipedia-Teslatrafo-Aufbaudiesen Parallelschwingkreis wird ein kräftiger Wechselstrom auf der Resonanzfrequenz des Primärkreises mit mehreren Ampere geschickt. Der sekundäre Teil der Teslaspule dagegen besteht üblicherweise aus rund 1000 Windungen säuberlich nebeneinandergewickeltem sehr dünnen Kupferlackdraht. Für eine gute Teslaspule ist es entscheidend keine Überlappungen der Windungen zu wickeln. Jede Windung der Spule ist Teil der Gesamtinduktivität wie auch jede einzelne Windung der Spule genauso eine Kapazität zur jeweils benachbarten Windung bildet. Die Teslaspule hat daher in erhöhtem Maße nicht nur eine Induktivität sondern auch eine von Windung zu Windung bedeutende gleichbleibende Kapazität. Dadurch bildet jede Windung einen eigenen Schwingkreis. Sind diese Windungen entsprechend gleichmäßig durchgeführt, ist die ResonTeslaspule_Fertiggerät_CIMG3874anzfrequenz jeder Windung wiederum nahezu identisch. Dadurch ergibt sich eine Spule hoher Güte mit einer ausgeprägten Resonanz. Der Trick ist nun beide Schwingkreise auf der gleichen Resonanzfrequenz abzustimmen, damit es zu den gewünschten Spannungsüberhöhungen einer Teslaspule kommt.

Der Klasse-E SSTC-Verstärker

SSTC ist das Synonym für Solid State Tesla Coil, also einer Halbleiter Teslaspule. Der Klasse-E Verstärker ist eine Teilmenge aus Mischung der Klasse-D und Klasse-C Verstärkertechnik. Im einfachsten Fall eine Schaltstufe, die einen Schwingkreis auf der sehr schmalbandigen Resonanzfrequenz damit sehr effizient treibt. Ähnlich den aus früherer Zeit bekannten Phasenanschnittsteuerschaltungen mit Thyristoren oder Triacs bzw. den in der Elektrotechnik besser bekannten Gebrauchsform in Form der etwas teureren Dimmer, schaltet der Transistor, heutzutage üblicherweise ein Power-MOSFET, hier nur im Nulldurchgang der Wechselspannung und verringert dadurch Schaltverluste und Störspannungen. Im richtigen Arbeitspunkt betrieben, ist der Class-E Verstärker eine hocheffiziente Schaltung.

Digital Audio

Durch Tastung (Ein- und Ausschalten) der durch die SSTC erzeugten hochfrequenten Hochspannung von etwa 1MHz über ein im hörbaren Bereich liegendes niederfrequentes Signal, wird die Hochspannung rhythmisch ein- und ausgeschaltet. Die Lautstärke kann hier nicht direkt beeinflusst werden. Es ist jedoch ein sehr triviales Verfahren um ein monophones NF-Signal (Niederfrequenz) mit dem Teslagenerator akustisch zu generieren. Die technischen Zusammenhänge hierzu werden weiter unten beschrieben.

Analog Audio

Bei der Einspeisung eines analogen Audiosignales, z. B. über einen handelsüblichen MP3 Player, weicht das benötigte Verfahren dazu deutlich von obigem ab und ist auch wesentlich aufwändiger. Es wird nun ein Dauerträger der HF benötigt, hier in Form der sichtbareFrequenzmodulationn Hochspannung. Der Träger wird jetzt in der Frequenz durch das Audiosignal manipuliert. Das Verfahren ist vom UKW-Rundfunk bestens bekannt und heißt dort FM oder auch Frequenzmodulation. In diesem Beispiel hier wird der Teslagenerator dazu minimal außerhalb des optimalen Arbeitspunktes betrieben und über den intern verwendeten VCO (Voltage Controlled Oscillator) dazu etwas neben der eigentlichen Resonanzfrequenz betrieben. Über den Steuereingang des VCOs wird das Audiosignal eingespeist und manipuliert darüber die Ausgangsfrequenz der hochfrequenten Hochspannung. Durch die leichte Fehlabstimmung des Teslagenerators ist die erzeugte Hochspannung etwas geringer als im rein digitalen Betrieb und die Wärmentwicklung deutlicher höher. Der Wirkungsgrad verschlechtert sich damit natürlich auch, wie sich auch die erzeugte Lautstärke verringert.

Streamer

Der Kopfpunkt der Teslaspule bildet mit ihrer Dachkapazität einen wichtigen Teil der sekundären Gesamtkapazität des Schwingkreises. Ohne diese Kapazität ist die Teslaspule nicht optimal auf ihrer Resonanzfrequenz abgestimmt und wird nicht ordentlich funktionieren. Die Form des Kopfpunktes dagegen ist unerheblich und eher Geschmacksfrage. Oftmals sind am Kopfpunkt auch noch ein oder mehrere „Breakout“ Punkte vorgesehen. An diesen Spitzen wird die Koronaentladung bei entsprechend hoher Wechselspannung forciert. Es bilden sich Streamer. Als grobe Daumenregel kann bei einer Punkt- zu- Punkt-Entladung der Hochspannung etwa 1kV je 1mm Funkenlänge angenommen werden. Mit dieser Anlage können derzeit etwa 30kV erzeugt werden also 30.000Volt.

Der Plasmalautsprecher

Die umgebende Luft bildet die eigentliche Lausprechermembran. Der Teslagenerator erzeugt dazu ein hochfrequentes Wechselfeld mit Hochspannung. Ist dieses Feld kräftig genug, kommt es zu Ionisierungen und wie beim Blitz auch zu kleineren Entladungen. Diese Koronaentladungen erwärmen die direkt umgebende Luft deutlich. Erwärmte Luft dehnt sich aus und bedingt eine lokale Luftdruckänderung. Diese kleinen Luftdruckänderungen dehnen sich wellenförmig aus und entsprechen im akustischen Bereich den Schallwellen, welche wir hören können. Im Extremfall kommt es übrigens zu einem enormen Knall wie bei dem einem Blitz folgenden Donner.

Die Wirtschaftlichkeit des Projektes

Ein wirtschaftlicher Nutzen durch die Verwendung der Teslaspule als Plasmalautsprecher ist heutzutage nicht gegeben. Mit einer Eingangsleistung von 100W und mehr lässt sich gerade mal Zimmerlautstärke erreichen. Ich sehe es aber als nette technische und etwas mystische Spielerei.

 

 

 

4 Gedanken zu „Die tönende Teslaspule – Musik aus dem Blitz

  1. Pingback: Der Arduino Treffpunkt Hannover auf der letzten hannoverschen Interradio | Arduino-Hannover

  2. Kann der Arduino eigentlich auch verwendet werden um die Hochfrequenz, die zum ansteuern einer H-Brücke nötig ist, bereitzustellen?
    Meine Idee sähe vor, den Arduino grob auf die Frequenz der SSTC zu programmieren mit möglichkeit das PWM-Signal mittels Poti auf die genaue Frequenz der Teslaspule zu tune.

    Das Signal würde ich dann mit Mosfettreiber-ICs oder GDTs zur H-Brücke geben.

    Besten Dank für die Antwort und
    viele Grüße
    Matthias

    • Hallo Matthias,
      das ist sicher erst einmal eine Frage der Resonanzfrequenz Deiner SSTC. Ein Arduino Uno wird mit 16 MHz getaktet, über Portmanipulation können an einem IO max. 8 MHz generiert werden. Von Nick Gammon gibt es dazu sogar einen Codeschnipsel für den Counter, der Dir vielleicht weiterhilft.
      https://arduino.stackexchange.com/questions/19961/maximum-frequency-of-digital-signal-in-arduino-uno
      Ohne passende Treiberschaltung wird sich ein MOSFET jedoch mit dem mickrigen Ausgangssignal nicht überzeugen lassen einen kräftigen Strom schnell genug zu treiben. Im einfachsten Fall schaltest Du daher erst einmal ein Flipflop als Signalformer an den IO-Pin, hast dann aber nur noch 4 MHz max. wenngleich die Signalform dann zumindest sauber mit geraden Flanken sein wird. Bei größeren Leistungen der Spule würde ich mit dem ausgangssignal des FFs immer auf einen industriell gefertigten Chip als MOSFET-Treiber zurückgreifen. Auf die Schnelle würde ich schätzen, dass Du im Bereich bis zu einigen 100 kHz diesen Weg versuchen kannst. Auf weiteres schmückendes Beiwerk im Sketch oder gar der Nutzung weiterer Interrupt-Routinen würde ich allerdings abraten, bis klar ist was überhaupt passiert und wie stabil das Ganze funktioniert.

      Schneller kommst Du vermutlich mit der dunklen Seite der Macht ans Ziel. Mit einem kleinen 8-pinnigen IC wie den NE555 für 0,20 € kannst Du spielend einfach einige 100 kHz erzeugen, mit einem 74HC4046 sogar einige MHz.Hierzu gibt es millionenfach bewährte Schaltungsvorschläge im Internet und Dein Arduino kann andere wichtige Dinge übernehmen wie z. B. Schutzmechanismen überwachen (Spannung, Strom, Temperatur).

      Gruß Olaf

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