Mini-Teslaspule

Im Rahmen der Projekttage 2016 am Kurfürst-Friedrich-Gymnasium in Heidelberg haben der Physiklehrer Thomas Konnowski und ich (Christoph G. Baumann) das "Tesla-Projekt" durchgeführt. Teil des Projekts war der Bau einer einfachen und ungefährlichen Tesla-Spule durch die teilnehmenden Schüler.
Dazu bot sich ein sogenanntes "Slayer Exciter" Design an. Ausgangspunkt war eine Schaltung von Ludic Science [1]:
Slayer Exciter © Ludic Science

Wie sich in eigenen Test zeigte, war diese Schaltung noch nicht ganz für das Projekt geeignet. Je nach verwendeter LED kann der Transistor sehr heiß und auch die LED überlastet werden. Bei weiteren Recherchen zu diesem Design stieß ich auf die Variante von Chip Fixes [3]. Diese verwendet zwei normale Gleichrichterdioden statt der LED. Die resultierende Schaltung ist diese:

Die LED dient hier nur noch als Betriebsanzeige und hat keine Funktion in der eigentlichen Schaltung.

Theorie der Schaltung

Genau genommen handelt es sich bei der Schaltung nicht um eine Tesla-Spule. Eine Tesla-Spule besteht aus zwei durch Luftspulen gekoppelte Schwingkreise. Die hier verwendete Schaltung verwendet einen Ferritkern und es besteht eine direkte Rückkopplung aus dem Sekundärkreis.
Im Wesentlichen funktioniert die Schaltung so, dass nach dem Einschalten über den Widerstand R1 Strom in die Basis des Transistors fließt. Dieser schaltet durch und es fließt Strom durch die Primärspule. Es baut sich ein Magnetfeld auf, das wiederum einen Strom in der Sekundärspule induziert. Am unteren Ende der Sekundärspule baut sich eine negative Spannung auf. Sobald diese die Vorwärtsspannung der Dioden D2+D3 übersteigt, wird die Basis auf den negativen Pol der Batterie durchgeschaltet und der Transistor sperrt wieder. Das Magnetfeld in der Spule baut sich ab und die induzierte Spannung ändert ihre Polarität. Sobald der Strom über R1 wieder eine positive Spannung an der Basis anliegen lässt, beginnt der Vorgang von Vorne. Unter [2] findet sich eine ausführliche Diskussion.

Aufbereitung als Schülerprojekt

Anhand der Erfahrungen von Herrn Konnowski mit ähnlichen Schülerprojekten, bei denen es um erste "Gehversuche" mit Transistorschaltungen ging, wurde von einem Aufbau mit herkömmlichen Lochrasterplatinen abgesehen. Statt dessen wurde die Platine aus MDF-Platten hergestellt. Als Lötpunkte dienen Aderendhülsen, die in entsprechende Bohrlöcher geschlagen werden. Hierbei können die Schüler zusätzlich handwerkliche Erfahrungen sammeln.

Platinenlayout

Das Layout für MDF-Platten mit den Maßen 10cm x 10xm x 19mm wurde von Herrn Konnowski in drei Varianten erstellt (Klick auf die Bilder für größere Darstellung).

Mit den Werten der Bauteile beschriftet:

Mit den Bezeichnungen der Bauteile beschriftet:

Mit Farbcodierungen für die Bauteile:

Und alle drei Varianten in einem PDF fertig zum Ausdrucken

Stückliste

Material/Bauteil	Menge/Größe
MDF-Platte	10 cm x 10 cm x 19 mm
Aderendhülsen 2,5 mm x 8 mm (ohne Isolierung)	mind. 16
Kupferdraht, versilbert	d = 0,8 mm, l = 30 cm
Ferritstab	d = 8 mm; l = 50 mm
Transistor BC337	1
Diode 1N4004	2
Widerstand 820 Ω	1
Widerstand 22 kΩ	1
Standard-LED, ca. 2,2 V	1
Kupferlackdraht	d = 0,15 mm, l = 7 m
Kupferdraht/-litze, isoliert	d(Leiter) = 0,8 mm, l = 15 cm
Kippschalter (Rastermaß 4,7 mm)	1
Batterieclip für 9V-Block	1
9V-Blockbatterie	1
Glimmlampe, Zündspannung 60 V	1

Werkzeuge und weitere Materialien

Teflonband 12 mm, ca. 30 cm pro Schüler
schnell härtender Zweikomponentenkleber
Tesafilm
Hammer, 100 g
Lötkolben
Spitzzange
Seitenschneider
Stichel/Ahle

Arbeitsablauf

(Klick auf die Bilder für größere Darstellung)

	Schaltplan auf der MDF-Platte befestigen (Reißzwecken) an den mit schwarzen Punkten markierten Stellen mit einem Nagel oder Ahle Markierungen in die MDF-Platte drücken
	an den Markierungen mit einem 2,5mm-Bohrer Löcher für die Aderendhülsen bohren (ca. 1 cm tief) die oberen 3 mm der Löcher durch vorsichtiges "Rühren" mit dem Bohrer etwas erweitern (Vorsicht: der Bohrer kann leicht abbrechen) mit einem dickeren Bohrer oder Senker die Löcher leicht ansenken mit einem 8mm-Bohrer an Stelle der dicken Markierung ca. 3 mm tief bohren
	die Aderendhülsen in die Bohrungen stecken und mit einem Hammer vorsichtig einschlagen
	den versilberten Kupferdraht ablängen und an den Enden ca. 3 mm umbiegen, so dass er in die Aderendhülsen gesteckt werden kann die bedrahteten Bauteile ebenfalls zurechtbiegen und ggF. ablängen
	die Drähte in den Aderendhülsen festlöten den Schalter an der vorgesehenen Stelle festlöten (ggF. mit einer Verlängerung aus Draht oder leicht gekippt, um mit dem Lötkolben unter den Schalter zu kommen) den Batterieclip festlöten erster Test: Batterie anschließen und Schalter betätigen → LED an/aus? (nach dem Test die Batterie wieder entfernen) Lötstellen ggF. mit einem Multimeter messen
	den Ferritstab mit Teflonband umwickeln (mit einem Überlapp von der Hälfte der Breite des Bandes, so dass der Stab am Ende mit einer doppelten Lage umwickelt ist); an einem Ende ca. 2 mm Ferrit unbedeckt lassen
	7 m Kupferlackdraht abmessen (Bandmaß) und auf z.B. eine Papprolle wickeln den Ferritstab mit Kupferlackdraht umwickeln, dabei am Ende mit dem freiliegenden Ferrit beginnen (evtl. den Anfang mit Tesafilm fixieren) sorgfältig mit möglichst kleinen Lücken und ohne Überkreuzungen wickeln an beiden Enden der Spule ca. 5 cm Draht überstehen lassen das Ende mit Tesafilm fixieren
	die Spule mit dem freiliegenden Ferrit im vorgesehenen Loch in der MDF-Platte festkleben (Zweikomponentenkleber) den Draht am unteren Ende an der Basis des Transistors anlöten
	mit dem isolierten Draht 3 Windungen um die Spule legen und zwischen +9V und Kollektor des Transistors anlöten Batterie anschließen und mit Glimmlampe testen: Glimmlampe leuchtet → alles OK Glimmlampe leuchtet nicht → abschalten(!) und Anschlüsse der Primärspule vertauschen; Test wiederholen

Fehlersuche/Hinweise

Es sollten einige Bauteile (besonders LEDs und Transistoren) in Reserve gehalten werden.
Zur Fehlersuche empfiehlt sich ein Multimeter.
Vor dem Einbau der Spulen sollte die Funktionstüchtigkeit der bisherigen Schaltung getestet werden (Schalter betätigen: LED an/aus?).
Ungeübte produzieren beim Löten leicht kalte Lötstellen → Kontakte mit Multimeter messen
Beim ersten Einschalten der fertigen Schaltung sollte die Glimmlampe bereitgehalten werden. Leuchtet diese in der Nähe der Sekundärspule nicht auf, muss sofort abgeschaltet werden, da sonst der Transistor durchbrennen kann. Die häufigste Fehlerquelle ist in diesem Fall die Polung der Primärspule. Dies kann durch ablöten und vertauschen der Anschlüsse behoben werden.

Ergebnisse

Glimmlampe	kleine Neonröhre	Leuchtstoffröhre

Quellen:

[1] https://www.youtube.com/watch?v=iMoDAspGPPc (Ludic Science YouTube Video)
[2] http://www.andreadrian.de/High_Voltage_Generator/ (theoretische Besprechung der Ludic Science Miniature Tesla Coil)
[3] http://www.instructables.com/id/How-to-Build-a-Slayer-Exciter/ (alternatives, größeres Design von Chip Fixes)

zur Tesla-Spulen Seite (englisch)