B. Kainka/ G. Wahl, aus dem Lernpaket Tesla-Energie
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 angefügte Endstufe verwendet einen PNP-Transistor BC557.
Ein Emitterwiderstand mit 470 Ohm bewirkt eine Gegenkopplung und einen definierten Ausgangsstrom. Der Ausgang ist sicher gegen Kurzschluss und Fehlanpassung, weil die Ausgangsstufe als gesteuerte Stromquelle arbeitet. Zwar lässt sich mit anderen Schaltungen mehr Ausgangsleistung erzielen, die gezeigte Endstufe ist jedoch für die experimentelle Arbeit gut geeignet. Der Strom ist auf ca. 20 mA begrenzt und schont damit die Batterie. Außerdem hat der Ausgang einen hohen Innenwiderstand und bringt damit kaum zusätzliche Dämpfung in den Ausgangskreis.
Die Senderschaltung mit Endstufe
Für die Ankopplung an den Resonanzkreis wird eine Koppelspule mit vier Windungen verwendet. Wickeln Sie die Spule mit ca. 50 mm langen Enden auf eine Mignon-Batterie als Wickeldorn und verdrillen sie die Zuleitungsdrähte nahe der Spule. So erhalten Sie eine langfristig stabile Koppelspule, die sich zwischen die Windungen der Schwingkreisspule stecken lässt.
Wickeln der Koppelspule
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.
Aufbau mit Endstufe und Schwingkreis
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.
Im Resonanzfall ist der induktive Widerstand der Spule exakt gleich groß wie der kapazitive Widerstand des Schwingkreiskondensators. Bei 13,56 MHz gilt: L = 0,9 µH, RL = 80 Ohm, C = 150 pF, RC = 80 Ohm. Der Resonanzkreis hat einen hohen Resonanzwiderstand, der stark von der Dämpfung anhängt. Für den nicht angeschossenen Schwingkreis kann man mit einer Güte von 50 rechnen, d.h. der Resonanzwiderstand erreicht ca. 80 Ohm * 50 = 4 kOhm. In der vorliegenden Schaltung wird der Kreis hauptsächlich durch die LED an der Koppelspule gedämpft, wobei man von einer Arbeitsgüte von ca. 20 ausgehen kann. Damit ergibt sich eine Bandbreite von ca. 13,56 MHz / 20 = 0,7 MHz. Die Resonanzfrequenz muss genauer als 5% eingehalten werden, um das Maximum der Helligkeit einzustellen.
Der Aufbau zeigt bereits das Prinzip eines 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.
Messungen mit einem Oszilloskop zeigen folgende Werte: An der Primärspule liegt mit LED eine Spannung von 4 Vss, ohne die LED ca. 6 Vss. Entsprechend dem Wicklungsverhältnis 4:9 sollte man sekundär eine Spannung von 9 Vss bis 13,5 Vss ohne die LED erwarten. Tatsächlich findet man eine höhere Spannung bis über 15 Vss, weil die magnetische Kopplung zwischen den Spulen relativ lose ist. Dabei muss noch beachtet werden, dass die Tastspitze eines Oszilloskops schon eine erhebliche Zusatzdämpfung verursacht. Tatsächlich ist also noch wesentlich mehr Spannung zu erwarten.
Zusatzversuch 1: 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 2: 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 3: 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.
Literatur: Hochfrequenz Messpraxis
