Experimente mit Tesla-Energie
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
