Physik | Technik

 

Maz Wegmüller, 2001 | Habsburg, AG

 

Ein Teslatransformator ist ein Hochspannungsgenerator, der Entladungen von mehreren Metern erzeugen kann. Die in dieser Arbeit entwickelte Dual Resonant Solid State Tesla Coil (DRSSTC) kann so angesteuert werden, dass hörbare Druckwellen, und somit auch Musik, durch die elektrischen Entladungen an der Hochspannungselektrode erzeugt werden können. Interessant ist es, die Spannung dieser Entladungen zu analysieren. Normale Hochspannungsmessgeräte können für dieses sensible System nicht verwendet werden, da sie den Ausgang zu stark belasten und so die gemessene Spannung stark verfälschen würden. Deshalb wurden im Rahmen dieser Arbeit zwei neue Messmethoden entwickelt, die die Spannungen «kontaktlos» und belastungsfrei messen können. Mit der ersten Methode (Stromtransformator) wurden Spannungen von 200 kV ermittelt, was für die beobachtete Entladungslänge einem realistischen Wert entspricht. Bei der zweiten Messmethode (kapazitive Sonde) wurde mit einer eigenentwickelten Messelektrode eine unrealistisch hohe Spannung von 760 kV gemessen. Die Gründe für die zu hohe Spannung werden diskutiert, und eine Kalibrierungsmethode wird vorgeschlagen. Die eigenentwickelte Messelektrode kann auch ohne Kalibrierung als simples Messgerät für zukünftige Untersuchungen relativer Spannungsverläufe an Teslatransformatoren verwendet werden.

Fragestellung

(I) Wie wird eine DRSSTC entwickelt und gebaut? (II) Wie misst man eine elektrische Spannung von 200 000 V, die mehr als 100 000-mal pro Sekunde das Vorzeichen wechselt?

Methodik

Die Entwicklung des Teslatransformators ist in der schriftlichen Arbeit umfassend und detailliert beschrieben. Um die Entladungsspannungen zu ermitteln, wurden zwei Ansätze verfolgt. Die Einstellungen des Teslatransformators waren für beide Messungen identisch. Der Strom der Entladungen fliesst gegen die Erdung und kann dort mit einem Current-Sense-Transformer gemessen werden (Methode 1). Die Stromamplitude und die Resonanzfrequenz wurden der Messung entnommen. Über die Energiebilanz eines idealen Kondensators und einer idealen Spule konnte die Formel für die Entladungsspannungen hergeleitet werden. Die kapazitive Messelektrode (Methode 2) wurde für die Messung in einer Distanz von 3,5 m auf einem Stativ und auf gleicher Höhe wie die Entladungselektrode platziert. Über dem Oszilloskopeingang wurde ein Überspannungsableiter eingefügt, um das Oszilloskop vor möglichen kurzzeitigen Überspannungen zu schützen. Das Teilerverhältnis wurde über den Strom hergeleitet, der durch den Schaltkreis von der Entladungselektrode des Transformators über die Messelektrode bis zur Erdung fliesst. Die gemessene Spannung an der Messelektrode wird mit dem Teilerverhältnis multipliziert, um die Entladungsspannungen zu erhalten.

Ergebnisse

Die berechnete Entladungsspannung aus der Strommessung (Methode 1) beträgt bei einer Resonanzfrequenz von 130 kHz etwa 200 kV. Das berechnete Teilerverhältnis (Methode 2) zwischen der Entladungsspannung und der Messspannung beträgt etwa 31 666. Bei einer Messspannung von etwa 24 V entspricht das einer Entladungsspannung von etwa 760 kV.

Diskussion

Die Berechnung von 200 kV durch die erste Methode ist realistisch bei Entladungslängen von rund 1 m. Die Spannungsmessung von 760 kV durch die Messelektrode ist ein zu hoher Wert. Die Fehlerquelle liegt wahrscheinlich im angenommenen Wert der Kopplungskapazität zwischen Toroid und Messelektrode, die im Rahmen dieser Arbeit nur näherungsweise bestimmt werden konnte. Um die Messelektrode trotzdem für die Spannungsmessung zu benutzen, kann das Teilerverhältnis über die 200 kV kalibriert werden. Für eine eigenständige Messmethode müsste die Kopplungskapazität mit einer 3-D-E-Feldsimulation bestimmt werden.

Schlussfolgerungen

Es wurden zwei grundlegend unterschiedliche Methoden vorgestellt, um Entladungen eines Teslatransformators zu messen, die mehr als 100 000-mal pro Sekunde das Vorzeichen wechseln. Das ursprüngliche Problem (dass normale Hochspannungsmessgeräte nicht verwendet werden können) wurde mit diesen Methoden gelöst. Abgesehen von der absoluten Spannungsmessung kann die Messelektrode auch für die Untersuchung relativer Spannungsverläufe verwendet werden, die keine absoluten Grössen benötigen. Mit der Entwicklung eines solchen Transformators und der zugehörigen Messtechnik wurde erst der Grundstein für viele weitere interessante Untersuchungen und Messungen gelegt.

 

 

Würdigung durch den Experten

Raphael Färber

Herr Wegmüller entwickelt und realisiert in der vorgelegten Arbeit einen leistungselektronisch angesteuerten musikalischen Teslatransformator und setzt sich intensiv mit der Frage der Messbarkeit der erzeugten hochfrequenten Hochspannung auseinander. Die Arbeit überzeugt durch ihre fachliche, methodische und handwerkliche Qualität, welche das Engagement und die Begeisterung des Autors für das Thema widerspiegeln. Die wissenschaftlich kritische und kreative Auseinandersetzung mit der möglichen Bestimmung der Sekundärspannung verleiht der Arbeit einen besonderen Wert.

Prädikat:

hervorragend

Sonderpreis Odd Fellows – Taiwan International Science Fair (TISF)

 

 

 

Kantonsschule Wettingen
Lehrer: Dr. Heinz Anklin