|
De Tesla-generator spreekt al decennialang tot de verbeelding van hobbyisten. Wij testten een van de goedkoopste bouwpakketjes. Voor iets meer dan een tientje hebt u deze mini Tesla-generator, te moduleren met muziek, in huis.
|
Achtergrond-informatie
Wat is een Tesla-generator?
Een Tesla-generator is niets meer dan een speciale transformator, die gekenmerkt wordt door de onderstaande karakteristieken:
- De primaire wikkeling bevat slechts een paar windingen.
- De secundaire wikkeling bevat honderden windingen.
- Eén aansluiting van de secundaire wikkeling eindigt in een zeer smalle naaldvormige elektrode.
- Tussen de primaire en secundaire wikkeling bevindt zich alleen lucht.
- Beide wikkelingen zijn opgenomen in een transistor LC-oscillator, die de primaire wikkeling stuurt met een zeer hoge stroom.
- Het hoogfrequent magnetisch veld dat hierdoor rond de primaire wikkeling ontstaat wekt in de secundaire wikkeling een zeer hoge secundaire spanning op.
- Deze secundaire spanning is zo groot dat zij in staat is de luchtmoleculen rond de punt van de naaldvormige elektrode te ioniseren, waardoor een paarse gloed ontstaat. Dit noemt men de 'ionenwind'.
- Het elektrisch veld dat in de ruimte rond de naaldvormige elektrode wordt opgebouwd is zo sterk dat het mogelijk is de gasontlading in een spaarlamp, een TL-buis of een neonlampje te activeren zonder dat deze onderdelen ergens mee verbonden zijn. Deze lampen lichten dus op wonderbaarlijke wijze op.
Met professionele Tesla-generatoren kunt u spanningen van miljoenen volt genereren, zoals uit onderstaande afbeelding blijkt goed genoeg voor het genereren van meterslange vonken. Voorgesteld is de 'Electrum', de grootste Tesla-generator die is gebouwd als technisch kunstwerk. Deze generator werd ontworpen door de Nieuw-Zeelandse kunstenaar Leonard Charles Huia Lye en is te bewonderen in het open lucht beeldenmuseum Gibbs Farm in Kaipara Harbour, 47 km ten noorden van Auckland. Deze generator heeft een secundaire spoel die 11,5 m hoog is, verbruikt 130 kW en levert een spanning van 3.000.000 V.
 |
| De Electrum, 's werelds grootste Tesla-generator in Nieuw-Zeeland. (© Joe Decker from Wikimedia Commons) |
Nu terug naar de realiteit van het één tientje bouwpakket. In onderstaand schema is de meest eenvoudige schakeling van een Tesla-generator met een transistor getekend. Officieel heet deze schakeling 'single resonant solid state Tesla coil'. U zult het waarschijnlijk, net zoals wij, een vreemdsoortige schakeling vinden. Hoe kan dit werken? Dat kunt u alleen begrijpen als u in overweging neemt dat ieder voorwerp een bepaalde kleine parasitaire capaciteit heeft ten opzichte van de aarde. De secundaire wikkeling van de trafo heeft dat dus ook en het is deze capaciteit Cparasit die zorgt voor de voor een oscillator absoluut noodzakelijke terugkoppeling van de uitgang naar de ingang.
Op het moment dat u de voedingsspanning aanzet loopt er via de weerstand R1 een stroom in de basis van de transistor T1. Deze halfgeleider gaat geleiden en het gevolg is dat er een zeer hoge stroom door de paar windingen van de primaire wikkeling loopt. Het sterkt magnetisch veld rond deze wikkeling wekt in de secundaire wikkeling een hoge spanning op. De onderste aansluiting van de secundaire wikkeling ligt aan de basis van de transistor. De terugkoppellus wordt gesloten via de parasitaire capaciteit van de secundaire spoel. Op de basis wordt een negatieve spanning geïnduceerd die via de diode D1 begrensd wordt op een veilige waarde. Dat kan uiteraard alleen als beide wikkelingen van de trafo op de juiste manier gewikkeld zijn. Vandaar de twee zwarte bolletjes bij de wikkelingen, die aangeven dat u de beide wikkelingen in tegengestelde zin moet wikkelen. De transistor gaat sperren en het wegvallen van de stroom in de primaire wikkeling wekt secundair alweer een hoge spanning op, nu van tegengestelde polariteit. De negatieve spanning die via Cparasit op de basis was terecht gekomen gaat nu snel afvloeien. De transistor wordt weer in geleiding gestuurd en de cyclus herhaalt zich.
Besluit: de schakeling gaat op een vrij hoge frequentie oscilleren. In de secundaire spoel wordt een hoge spanning gegenereerd die via de naaldvormige bovenste aansluiting van de secundaire spoel onder het genereren van gasontladingen in de lucht kan ontsnappen.
 |
| Het fundamentele schema van een 'single resonant solid state Tesla Coil'. (© 2018 Jos Verstraten) |
Kennismaking met het geleverde bouwpakket
De levering
Vrijwel alle bekende Chinese elektronica postorderbedrijven leveren deze miniatuur Tesla-generator. Wij bestelden ons exemplaar bij Banggood, die er weliswaar € 12,64 voor vraagt, maar voor die paar extra euro's een plexiglazen behuizing meelevert en dat is niet bij alle aanbiedingen het geval. Let daar dus op!
Het bouwpakket wordt, zoals gebruikelijk, is een klein plastic zakje geleverd met als gevolg dat alle onderdelen nogal opgepropt zitten en het een wonder mag heten dat er niets defect gaat bij het transport. Een handleiding ontbreekt compleet en op de product-pagina van Banggood wordt ook geen link naar een bouwbeschrijving aangeboden. Een mailtje naar Banggood met het dringende verzoek een link naar een bouwbeschrijving retour te mailen levert als antwoord op dat er geen bouwbeschrijving bestaat, 'het is immers een doe-het-zelf pakket'. Onbegrijpelijk uiteraard, maar dat is niet de eerste keer dat wij zo'n situatie bij Chinese bouwpakketten aantreffen. Er liggen minstens drie bouwpakketjes ergens in een kast te verstoffen omdat er geen bouwbeschrijving beschikbaar is en wij, ondanks onze decennia lange ervaring met elektronica schakelingen bouwen, er geen touw aan vast kunnen knopen. Dat wordt uitzoeken, dus!
 |
| De levering van alle onderdelen in één plastic zakje en het eindresultaat na een paar uren geknutsel. (© 2018 Jos Verstraten) |
Na uitpakken van het zakje blijkt dat de geleverde onderdelen van uitstekende kwaliteit zijn. De secundaire spoel is reeds kant-en-klaar gewikkeld op de spoelkoker en volledig verzegeld met plastic folie, zodat de windingen muurvast zitten. De twee uiteinden van deze wikkeling steken onbeschermd uit de koker en zijn dus heel fragiel. Oppassen dat deze draadjes niet afbreken! Heel fraai is een koelplaat met geïntegreerde 12 V ventilator, die u blijkbaar onder het printje moet bevestigen. Een zakje warmtegeleidende pasta wordt meegeleverd alsmede een isolatieplaatje dat u onder een van de twee transistoren kunt plakken. Voor het wikkelen van de twee windingen van de primaire wikkeling is een stukje van ongeveer 50 cm wikkeldraad meegeleverd.
 |
| De kwaliteit van de geleverde onderdelen is uitstekend. (© 2018 Jos Verstraten) |
Gelukkig is de dubbelzijdige print voorzien van een componentenopdruk, zodat het niet erg veel moeite kost om het schema te reconstrueren. Dat is voorgesteld in onderstaande figuur en blijkt dus in grote lijnen het reeds besproken fundamentele schema van de 'single resonant solid state Tesla Coil' te volgen. Het enige verschil is dat tussen de 24 V voeding en de eigenlijke Tesla-generator een als regelbare weerstand geschakelde MOSFET is geschakeld. Deze wordt met twee weerstanden ingesteld op een bepaalde rustgeleiding die groot genoeg is om de Tesla-oscillator aan de praat te krijgen. U kunt echter de basisspanning variëren door er een (vrij fors) audiosignaal op te moduleren. Daardoor gaat de geleiding en dus de inwendige weerstand van de MOSFET variëren en dus ook de stroom die ter beschikking staat voor het voeden van de primaire wikkeling van de Tesla-transformator. Op die manier kunt u de gegenereerde vonkjes laten dansen op de maat van de muziek die u aan de gate van de MOSFET aanlegt. Weerstand R5 is bedoeld om de 12 V op te vangen, het verschil tussen de voedingsspanning van 24 V en de ventilatorspanning van 12 V.
 |
| Het volledig schema van dit bouwpakketje. (© 2018 Jos Verstraten) |
De bouw van de Tesla-generator
Waarschuwingen vooraf
De Tesla-generator moet gevoed worden met een gestabiliseerde gelijkspanning van 24 V en trekt maximaal 3 A stroom. Die voedingsspanning is nogal kritisch. Als u een voeding gebruikt die een lagere stroombegrenzing heeft en dus zijn uitgangsspanning reduceert is de kans groot dat de oscillator afslaat, transistor T2 continu in geleiding wordt gestuurd en een vroegtijdige hittedood sterft.
Als u de Tesla-spoel aan de praat krijgt moet u absoluut alle elektronische apparatuur uit de buurt verwijderen. Laptops, tablets, oscilloscopen, universeelmeters ... weg ermee! Het gegenereerde hoogfrequente elektrisch veld gedraagt zich nogal onvoorspelbaar en kan schade aanrichten in de gevoelige chip's in dergelijke apparatuur. Wij adviseren u dus ook niet in de schakeling te gaan meten. Uw meetapparaten zijn niet bestand tegen dergelijk hoge HF-ingangsspanningen.
Het voorbereiden van de Tesla-spoel
In het bouwpakket zitten twee plexiglazen plaatjes die u van het schutpapier moet bevrijden en die de boven- en onderzijde van de Tesla-spoel vormen. In onderstaande figuur ziet u hoe u die twee plaatjes aan weerszijden van de spoel moet lijmen. Zorg ervoor dat een van de draadjes door het centrale gat naar buiten wordt gevoerd alvorens u het onderste plaatje op de spoel lijmt. De ronde plaat vormt de bovenzijde van de spoel. Hierop bevestigt u met twee M3 boutjes een koperen afstandsbusje van 15 mm. De tweede aansluiting van de spoel draait u een paar keer rond het bovenste moertje en het restant laat u uitsteken. Denk erom dat de wikkeldraad slechts 0,2 mm dik is en dus gemakkelijk afbreekt. Wees dus uiterst voorzichtig!
 |
| Het voorbereiden van de Tesla-spoel. (© 2018 Jos Verstraten) |
Dat is de gemakkelijkste klus van de bouw. In onderstaande foto hebben wij beide zijden van de compleet bestukte print voorgesteld. Let op de positie van de blauwe LED: de kathode (- op de print) zit aan de kant van het kortste aansluitdraadje. U moet de twee transistoren aan de andere zijde van de print solderen. Zorg ervoor dat de twee warmte-afvoer vlakken op dezelfde afstand van de print zitten en bovendien volstrekt evenwijdig aan de print staan. Alleen dan kunt u nadien beide halfgeleiders in goed thermisch contact met de koelplaat brengen. Soldeer de zes aansluitingen van de twee transistoren op beide zijde van de print vast op de soldeereilandjes. Vertin tot slot het soldeereilandje J8 aan beide zijden. Hier moet u in een later stadium de vrije draad van de secundaire spoel op vast solderen.
 |
| De compleet bestukte print. (© 2018 Jos Verstraten) |
In de volgende stap moet u beide halfgeleiders met de vlakke onderkant in goed thermisch contact brengen met de vlakke onderzijde van het koelprofiel. Smeer de onderkant van de twee halfgeleiders in met de thermisch geleidende pasta en druk het isolatieplaatje in de koelpasta op de IRFP260. Smeer de andere kant van het isolatieplaatje in met de restanten van de koelpasta. In onderstaande foto ziet u hoe u vervolgens het koelprofiel samenbouwt met de print. Tussen het profiel en de print moet u vier maal twee moertjes op de lange M3x25 boutjes schroeven.
Knip tot slot het snoertje van de ventilatormotor op de juiste lengte en verbind de twee draadjes met de twee soldeereilandjes naast de 100 Ω weerstand op de print. Let op de polariteit!
 |
| Het monteren van de print op het koelprofiel. (© 2018 Jos Verstraten) |
U kunt nu de Tesla-spoel met het er op gelijmde plaatje plexiglas op de print monteren. U moet echter eerst de vrije draad van de secundaire spoel op soldeereilandje J8 op de print solderen. De wikkeldraad is geïsoleerd met lak die zich niet laat wegbranden met de hete soldeerbout. U moet dus, heel voorzichtig, met een stukje schuurpapier de lak van de wikkeldraad verwijderen en het koperen draadje vertinnen. Deze montagestap is in onderstaande foto extra benadrukt door het wikkeldraadje wat dikker en rood gekleurd in te tekenen. Vervolgens kunt u de spoel op de vier koperen afstandsbusjes monteren met M3x6 boutjes. Zorg ervoor dat de twee gaatjes in het plexiglazen plaatje boven de twee soldeereilandjes zitten waarop u nadien de draden van de primaire spoel moet solderen.
 |
| Het monteren van de Tesla-spoel op de print. Het wikkeldraadje van de secundaire spoel is extra benadrukt. De primaire spoel is op deze foto al aanwezig. (© 2018 Jos Verstraten) |
Tot slot moet u van het stuk meegeleverde stevige koperen wikkeldraad de primaire wikkeling rond de Tesla-spoel aanbrengen. Deze wikkeling bestaat uit twee windingen die u op de in onderstaande foto getekende zin rond de koker moet wikkelen. Voer de draden door de twee gaatjes in het plexiglazen plaatje en soldeer deze vast op de print.
 |
| Het aanbrengen van de primaire wikkeling beëindigt de montage van dit bouwpakket. (© 2018 Jos Verstraten) |
Als u een bouwpakket inclusief behuizing hebt gekocht kunt u tot slot van de werkzaamheden deze behuizing rond uw Tesla-generator bouwen. U begint met het los schroeven van de vier boutjes waarmee u de Tesla-spoel op de print hebt vast geschroefd. Schuif dan de bovenste plaat van de behuizing, die met het grote ronde gat, voorzichtig over de koker en de primaire wikkeling. U kunt vervolgens de vier boutjes weer aanbrengen, zodat u nu twee plexiglazen plaatjes over elkaar hebt aangebracht. Vervolgens monteert u de vier zijpaneeltjes op de bovenste plaat met vier M3x10 boutjes en vier M3 moertjes. Op dezelfde manier verbindt u de vier zijplaatjes met elkaar. Tot slot is de bodemplaat aan de beurt met de laatste vier M3x10 boutjes en M3 moertjes.
 |
| Het in elkaar schroeven van de zes plaatjes van de behuizing. (© 2018 Jos Verstraten) |
Conclusie
Dit bouwpakketje van een mini Tesla-generator is een leuke eerste kennismaking met het verschijnsel 'zeer hoge hoogfrequente spanningen en hun rare gedrag'. Het is bovendien een leuk object als opsmuk van uw boekenkast. Dat u er geen centimeters lange vonken mee kunt trekken zal duidelijk zijn, dat kunt u ook niet verwachten van een bouwpakketje van een tientje. De enige jammerlijke en eigenlijk niet te tolereren nalatigheid van de leverancier is dat zo'n best wel ingewikkeld in elkaar te sleutelen apparaatje wordt geleverd zonder bouwbeschrijving.
Tesla Coil Modules
