Experimente mit Tesla-Energie           


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Das neue Tesla-Lernpaket 2013

Auszüge aus dem Handbuch:
 
Für die folgenden Versuche wird mehr Hochfrequenzleistung benötigt, als der Oszillator allein liefern kann. Deshalb sorgt ein zweiter Transistor für die erforderliche Leistungsverstärkung. Zugleich werden durch die Endstufe auch Rückwirkungen vom Ausgang auf den Quarzoszillator vermindert. Die  Endstufe verwendet einen PNP-Transistor BC557. Ein Emitterwiderstand mit 470 Ohm bewirkt eine Gleichstrom-Gegenkopplung und einen definierten Ausgangsstrom. Der Ausgang ist damit sicher gegen Kurzschluss und Fehlanpassung. Der Strom ist auf ca. 20 mA begrenzt und schont damit die Batterie. Ein Kondensator zwischen Emitter und Masse hebt die Gegenkopplung für HF-Signale auf, sodass der PNP-Transistor voll durchgesteuert wird.
 

 
Beim Aufbau des HF-Leistungsoszillators kommt es auf möglichst kurze Verbindungen an. Insbesondere die beiden 100-nF-Kondensatoren nach Masse sollen die entsprechenden Punkte der Schaltung HF-mäßig an Masse legen. Längere Verbindungen bringen zusätzliche Leitungsinduktivitäten und HF-Spannungsabfälle mit sich. Der extrem enge Aufbau verhindert einerseits mögliche HF-Energieverluste und ist andererseits wichtig um ungewollte HF-Abstrahlungen auf Oberwellen der Nutzfrequenz zu verhindern.
 
Durch volle Aussteuerung der Transistoren entstehen Abweichungen von der reinen Sinusform, wobei besonders die Endstufe im C-Betrieb arbeitet und einen annähernd rechteckförmigen Verlauf des Kollektorstroms mit entsprechenden Oberwellenanteilen hat. Zu lange Leitungslängen könnten deshalb ungewollte Antennen für die höheren Frequenzanteile oberhalb 30 MHz und bis in den UKW-Bereich mit sich bringen. Die erlaubten Grenzwerte für solche Abstrahlungen werden mit dem gezeigten engen Aufbau sicher eingehalten. Achten Sie daher darauf, sich genau an diese Vorlage zu halten. Damit halten Sie die CE-Richtlinien ein und vermeiden ungewollte Empfangstörungen bei Ihren Nachbarn.



   
 
Für den ersten Versuch wird die Koppelspule nahe dem „kalten Ende“, also an der Masseseite der Schwingkreisspule eingesteckt. Jede Windung der Koppelspule soll zwischen die Windungen der Schwingkreisspule geschoben werden. Die Länge der Kreisspule wird durch den Aufbau auf etwa 25 mm festgelegt. Schalten Sie die Betriebsspannung ein und beobachten Sie die LED parallel zur Koppelspule.
 
Variieren Sie nun vorsichtig die Länge der Schwingkreisspule. Sie werden ein eindeutiges Maximum der LED-Helligkeit bei einer ganz bestimmten Länge feststellen. Der Schwingkreis hat dann seine maximale Schwingungsamplitude. Kreisspule und Koppelspule bilden einen Transformator. Daher ist das Maximum auch an der Primärseite über die Helligkeit der LED erkennbar.
 
Die Einstellung der Resonanz ist nicht ganz einfach und erfordert einiges Geschick. Versuchen Sie eine permanente Justierung der Spule durch vorsichtiges Auseinanderziehen oder Zusammendrücken der Anschlussdrähte. Die Berührung mit der Hand führt zu einer gewissen Verstimmung des Kreises. Berühren Sie nur die letzte Windung an der Masseseite des Schwingkreises oder verwenden Sie für den Feinabgleich einen isolierenden Gegenstand wie z.B. ein Zündholz oder einen Zahnstocher.
 
Der Aufbau zeigt bereits das Prinzip jedes Teslagenerators. Eine kleine Koppelspule regt einen Schwingkreis mit vielen Windungen zu Schwingungen auf der Resonanzfrequenz an. Am heißen Ende des Schwingkreises erhält man eine stark erhöhte Spannung.  
 
Zusatzversuch: Berühren Sie die optimal eingestellte Spule mit der Hand. Die LED leuchtet schwächer. Ihre Hand bewirkt sowohl eine Verstimmung als auch eine zusätzliche Dämpfung des Kreises. Die Dämpfung hängt stark von der Hautfeuchtigkeit ab. Alternativ können Sie auch einen Schraubendreher in die Spule halten und so eine starke Dämpfung durch Eisen-Wirbelströme erreichen. 
 
Zusatzversuch:  Ziehen Sie die Koppelspule halb aus der Kreisspule. So erreichen Sie eine geringere Kopplung. Der Schwingkreis wird weniger gedämpft und hat eine höhere Güte und kleinere Bandbreite. Das Resonanzmaximum ist nun noch schärfer und erfordert einen besonders genauen Abgleich. 
 
Zusatzversuch:  Ziehen Sie die Koppelspule ganz aus der Schwingkreisspule. Die LED leuchtet nicht mehr. Die Induktivität der Koppelspule ist mit ca. 0,4 µH so gering, dass sie praktisch einen Kurzschluss darstellt. Der induktive Widerstand bei 13,56 MHz beträgt nur ca. 30 Ohm. 
 
Zusatzversuch:  Verbessern Sie die Güte des Schwingkreises durch Anlöten des Kondensators. Wenn der Kondensator zusammen mit der Spule auf die Steckplatine gesteckt wird, hat man insgesamt vier Kontaktstellen. Jeder dieser Kontakte kann einen gewissen Übergangswiderstand aufweisen. Wenn z.B. in einem besonders ungünstigen Fall jede Kontaktstelle einen Übergangswiderstand von 2 Ω hat, addieren sich die Verlustwiderstände auf 8 Ω, was die Kreisgüte bei einem induktiven Widerstand von 80 Ω auf den Faktor 10 reduzieren würde. Außerdem besteht dann die Gefahr, dass die Übergangswiderstände sich beim Abstimmen der Spule immer wieder ändern. All diese Probleme können vermieden werden, wenn Sie den Kondensator direkt an die Spule löten. Der Schwingkreis wird damit nun als ein komplettes Bauteil behandelt. Der Umbau lohnt sich, denn alle folgenden Versuche gelingen damit wesentlich leichter.
 
 


   
Zwei Schwingkreise mit gleicher Resonanzfrequenz besitzen auch bei schwacher Kopplung einen großen Energieaustausch. Dies war die Grundidee von Nikola Tesla, der über gekoppelte Kreise extrem hohe Resonanzspannungen erzeugte und Energie auch über relativ große Distanzen übertragen konnte. 
Bauen Sie einen zweiten Schwingkreis auf einer eigenen Steckplatine auf. Der Kondensator kann gesteckt werden, besser ist es jedoch, wenn beide Schwingkreise mit angelöteten Kondensatoren verwendet werden.
 
Ordnet man zwei Schwingkreisspulen parallel an, besteht hauptsächlich eine magnetische Kopplung. Magnetfeldlinien des einen Kreises durchdringen teilweise auch den zweiten Kreis und regen diesen zu Schwingungen an. Der zusätzliche Schwingkreis ist nicht direkt mit der Schaltung verbunden, sondern ist elektrisch vollständig isoliert. Der Grad der magnetischen Kopplung hängt stark vom Abstand ab.
 
 

 
 
Stellen Sie die erste Spule zunächst auf ein Maximum der Helligkeit ein. Bauen Sie dann erst den zusätzlichen Resonanzkreis auf. Stimmen Sie nun den zweiten Kreis auf die Resonanzfrequenz ab. Sie erkennen, dass die LED schwächer leuchtet oder ganz erlischt. Bei Resonanzabstimmung des lose gekoppelten Kreises ist deutlich ein Minimum der Helligkeit zu erkennen. An diesem Punkt wird dem Sendekreis besonders viel Energie entzogen. Die vom zweiten Schwingkreis übernommene Energie wird letztlich im ohmschen Drahtwiderstand der Spule fast vollständig in Wärme umgesetzt.
 
Das Prinzip wird im so genannten Dipmeter verwendet, um Resonanzfrequenzen zu messen. Ein abstimmbarer Oszillator wird lose mit dem Messobjekt gekoppelt und zeigt einen maximalen Abfall (Dip) der Schwingkreisspannung im Resonanzfall. Das Dipmeter ist ein beliebtes Messgerät zum Auffinden und Einstellen von Resonanzfrequenzen.
 
Zusatzversuch:  Stimmen Sie den zweiten Kreis auf Resonanz ab, sodass die LED minimale Helligkeit erreicht. Schließen Sie dann den zweiten Kreis mit einem zusätzlichen Draht kurz. Die LED erreicht wieder ihre volle Helligkeit. Hier hat man die paradoxe Situation, dass ein Kurzschluss eine Spannung ansteigen lässt. Genau nach diesem Prinzip arbeiten RFID-Systeme (Radio Frequency Identification). Eine Sendespule erzeugt ein Wechselfeld mit 13,56 MHz und induziert eine Spannung im Schwingkreis des RFID-Transponders. Die aufgefangene Energie versorgt einen Chip, der nun Daten sendet, indem er den Schwingkreis in einem zeitlich definierten Muster bedämpft. Der Sender erkennt, wann ihm Energie entzogen wird und kann so das Signal lesen.
 
Zusatzversuch: Schließen Sie eine LED an den zweiten Kreis an. Im Resonanzfall wird die zusätzliche LED ein Helligkeitsmaximum zeigen, die erste dagegen ein Minimum. Im Extremfall kann hier der Fall auftreten, dass die erste LED am Sender-Ausgang aus ist, während die am zweiten Schwingkreis maximale Helligkeit erreicht. Ein Schwingkreis mit kleiner Spannung regt also einen anderen Schwingkreis zu einer größeren Spannung an. Im Gleichstromkreis ist etwas vergleichbares nicht bekannt, d.h. eine leere Batterie könnte niemals einen Akku mit bereits höherer Spannung aufladen. Im Wechselstromkreis kommt jedoch noch die Phasenbeziehung hinzu. Ein Schwingkreis kann von einer kleinen Spannung aus angeregt werden, wenn deren Phase um 90 Grad voreilt. Der Vorgang ist vergleichbar mit dem Anregen eines Pendels. Sie können ein Pendel mit sehr geringer Bewegung Ihrer Hand zu großen Schwingungen anregen, indem Sie Ihre Bewegung so koordinieren, dass Sie der Pendelschwingung immer um eine Viertel-Schwingung voraus sind. Genau dieser Fall kann auch bei der Anregung eines elektrischen Schwingkreises auftreten.
 


 
 

 
Korrekturen:

In den ersten beiden Schaltbildern (Abb.3.1 und Abb. 4.2) gab es noch keinen Abblockkondensator mit 1oo nF. Er ist auch dort nicht erforderlich, war aber auf den zugehörigen Einbaubildern schon eingebaut.

Der PNP-Transistor der HF-Endstufe war in vielen Schaltbildern falsch gezeichnet (Emitterpfeil nach außen).  Das ist nun hier korrigiert.

Allgemein gilt der Ratschlag, dass man nach Schaltbildern, nicht nach Aufbaubildern arbeiten sollte. Das Lernpaket setzt schon Grundkenntnisse der Schaltungstechnik voraus und eignet sich kaum als erstes Elektronik-Projekt. Trotzdem habe ich auf speziellen Wunsch einiger Leser alle Bilder in hoher Auflösung und in Farbe zusammengestellt: Experimente mit Tesla-Energie - Bilder      


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