Funktionsprinzip der klassischen Teslaspule
Die klassische Teslaspule, auch Teslagenerator genannt wurde 1901 von Nikola Tesla erfunden. Er diente zur Erzeugung hochfrequenter Schwingungen mit großer Leistung.  Da Tesla zu diesem Zeitpunkt keinerlei elektronischer Schalter zum Schalten großer Leistungen zur Verfügung stand, benutzte er eine Funkenstrecke als Schalterersatz.
Vom Ansatz war seine Spule ein Schwingkreis aus Kondensator (C) und Primärspule und einem Transformator mit einem großen Übersetzungsverhältnis, der Spannungen von über 100kV ermöglichte. Primärspule und Sekundärspule stehen dabei in Resonanz, was eine maximale Energieübertragung gewährleistet. Da ein HF-Schwingkreis ständig Energie durch die Aussendung verliert, muss diese immer wieder nachgeliefert werden. Damit die Schwingung dabei nicht unterbrochen wird, ist es wichtig, dass die elektrische Energie immer zum richtigen Zeitpunkt nachgeliefert wird. Dies stellte Tesla durch die Funkenstrecke (F) sicher, die immer dann zündet, wenn die Halbwelle der Sinusschwingung ihr Maximum erreicht.


Diese Entdeckung, die ursprünglich von Heinrich Hertz stammt,  wurde auch in den sogenannten Knallfunkensendern genutzt. Mit dem Aufkommen von Elektronenröhre und dem Transistor wurde die Zuführung der elektrischen Energie deutlich effizienter, leiser und sicherer gestaltet.

Für den Bau von Teslaspulen stehen eine Reihe von Bauprinzipien zur Verfügung

1. Klassische Ansätze mit Funkenstrecken, die Leistungen bis zu mehren hundert Kilowatt erreichen können. Nachteil sind die sehr hohen Spannungen von bis zu 10kV im Primärkreis und die nicht unerhebliche Lärm- und Geruchsbelastung (Ozon) der Funkenstrecken. Bei großen Leistungen müssen diese Funkenstrecken rotierend ausgeführt werden und sogar mit Pressluft gekühlt werden.

2. VTTC (Vakuum-Tube-Tesla-Coils) werden mit  Vakuum-Röhren betrieben. Auch hier ist die hohe Spannung von bis zu 2kV im Primärstromkreis von Nachteil. Die Verlustleistung von heute noch zugänglichen Röhren kann 400W betragen, das ermöglicht Teslaspulen bis in den Kilowatt-Bereich zu bauen. Vorteil der VTTCs ist die Unempfindlichkeit von Röhren gegenüber kurzfristigen Überspannungen. Viele Röhren, die mit einer Versorgungsspannung von 300-600V betrieben werden, halten kurzfristig Spannungen von 6-8kV aus.

3. SSTC (Solid-State-Tesla-Coils) verwenden Halbleiter als Schaltelemente. Dies sind heute durchweg nur noch Leistungs-MOSFETs. Dies ermöglicht Spannungen unter 50V zu benutzen. Nachteil ist die große Empfindlichkeit der Halbleiter gegenüber Überspannungen. Dies erfordert ein ausgereiftes Schutzkonzept mit superschnellen Schaltdioden, die Überspannungen  im Bereich von wenigen µs ableiten, bevor der MOSFET Schaden nimmt. Für größere Leistungen werden aber auch hier Spannungen bis zu 500V im Primärstromkreis verwendet, um die Schaltströme klein zu halten.

Eine neue Entwicklung sind Teslaspulen, die mit Audiosignalen moduliert werden. Diese können dann als Hochtonlautsprecher, die auch als Plasmahochtöner bezeichnet werden, eingesetzt werden. Die Modulation kann durch Amplitudenmodulation, Pulsweitenmodulation und Frequenzmodulation erfolgen.

Brückenschaltungen

Es gibt zwei Arten von Brückenschaltungen, die Halbbrücken und die Vollbrücken. Halbbrücken bestehen aus einem MOSFET oder auch einem normalen bipolarenTransistor, Vollbrücken benötigen immer zwei  Transistoren  (bipolar oder MOSFET). Das Schaltprinzip ist sehr einfach. Der Transistor kennt nur zwei Zuständen, offen oder geschlossen. Dadurch wird die Verlustleistung auf ein Minimum reduziert, trotzdem können sehr große Leistungen geschaltet werden. Die Halbbrücke ist deutlich einfachen zu realisieren als die Vollbrücke.  Nachteil der Brückenschaltung ist, dass das Timing, also das Schalten der Transistoren genau zum richtigen Zeitpunkt erfolgen muss. Ist das Schaltsignal nicht sauber, kommt es zum Kurzschluß in der Brücke und damit zur Zerstörung der Transistoren. Mosfets ermöglichen Schaltleistungen bis in den kA-Bereich.

Power-MOSFET

Schaltnetzteile wurden zuerst als Massenware in Computern eingesetzt. Problem war, dass der Computer große Leistungen bei kleinen Spannungen benötigt. Hätte man dies mit normalen Trafos realisiert, wäre das Gewicht eines PCs um 15kg  bis 20kg angestiegen. Auch die verwendete Kupfermenge hätte den Preis deutlich steigen lassen. Alternative sind Schaltnetzteile, die bei 20kHz arbeiten und daher nur sehr kleine Trafos mit wenigen Windungen benötigen und die gleiche Leistung bereitstellen. Dazu muss aber erst die 50Hz-Wechselspannung in eine 20kHz-Wechselspannung umgewandelt werden. Dafür waren dann leistungsfähige MOSFETs unabdingbar. Da diese als Massenware produziert werden, ist ihr Preis sehr niedrig. Gute MOSFETs gibt es schon für unter einem Euro.


Das Bild zeigt das Prinzip eines einfachen Schaltnetzteils. Die Netzspannung wird zuerst gleichgerichtet. Die Gleichspannung wird durch eine Brückenschaltung in eine Wechselspannung mit der Frequenz 20kHz umgewandelt. Diese wird mit einem kleinen Trafo der auf der Primärseite ungefähr 40 Windungen und auf der Sekundärseite eine Windung hat in 5V Wechselspannung transformiert. Diese wird gleichgerichtet und steht dann als 5V Gleichspannung zur Verfügung. Das Gewicht des Trafos kann bei wenigen 100g liegen, trotzdem kann eine Leistung von 50-100W entnommen werden. Ein vergleichbarer normaler Trafo wiegt um die 10kg.

Bessere Schaltnetzteile verwenden die Pulsweitenmodulation. Vom Prinzip funktioniert das wie bei einer Taschenlampe mit Taster. Wird der Taster langsam an und aus geschaltet, leuchtet die Glühlampe nur schwach. Je schneller man den Taster drückt, umso heller leuchtet die Lampe. Dieses Prinzip wird ebenfalls durch MOSFETs elektronisch realisiert. Vorteil sind noch kleinere Trafos und eine regelbare oder eine lastangepasste Spannung. Nachteil der höhere Schaltungsaufwand.

Resonanzfrequenz und Abstimmung

Bei der Teslaspule gibt es zwei Schaltprinzipien. Teslaspulen, die mit einer festen Frequenz betrieben werden und Teslaspulen mit regelbarer Frequenz. Bei der Teslaspule wird maximale Energie übertragen, wenn Primärschwingkreis (Primärspule + Kondensator) und der Sekundärschwingkreis (Sekundärspule und Kapazität zwischen Spitze und Erde) die gleiche Frequenz haben. Wird der Primärschwingkreis mit einer festen Frequenz betrieben, so muss  die  Frequenz der Sekundärspule dazu passend gewählt werden. Die erfordert einen z.T. schwierigen Abgleich. Ein anderes Prinzip verwendet die Rückkopplung. Dabei wird die Schwingfrequenz der Sekundärspule zurm Primärschwingkreis rückgekoppelt, der dann automatisch auf der gleichen Frequenz schwingt. Eine solche Spule muss nicht abgeglichen werden. Beide Schaltprinzipien haben Vor- und Nachteile und werden deshalb je nach Anwendung eingesetzt.

Erläuterung zu den verwendeten Bauteilen

Elkos oder Elektrolytkondensatoren
Elkos dienen zur Glättung von Gleichspannungen und zum Zwischenspeichern von elektrischer Energie. Die Kapazität ist ein Maß dafür, wie viel Energie in einem Elko gespeichert werden kann. Die Speicherkapazität von Elkos ist bei vergleichbarer Baugröße um den Faktor 100-1000 größer als bei normalen Kondensatoren. Durch das Prinzip der Brückenschaltung fließt kurzfristig ein sehr großer Strom im Primärstromkreis. Diesen kann der Trafo so nicht liefern. Folge wäre, dass die Spannung stark einbrechen würde, die Schaltung funktioniert nicht mehr. Daher wird die Energie den Elkos entnommen und in der Zeit, wo kein Strom fließt werden diese wieder über den Trafo aufgeladen.  So bleibt die Spannung nahezu konstant. Aufgrund der hohen Ströme sind insgesamt 3 Elkos mit jeweils 4700µF erforderlich. Der kleine Tantalkondensator dient zur Stabilisierung der 15V-Spannung, gleiche Funktion hat der 1000µF-Kondensator.

100nF-Kondensatoren und 4,7µF_Kondensator
In der Schaltung enstehen hochfrequente Schwingungen. Diese stören die empflindlichen Bauteile. Durch die 100nF-Kondensatoren wird die hochfrequente Wechselspannung kurzgeschlossen und damit die Bauteile geschützt.  Der 4,7µF Kondensator schließt alle Störspannungen, die über die Netztleitung kommen sicher kurz und schützt zusätzlich den Brückengleichrichter vor Störsignalen aus dem Gerät.

Dioden
Bei den Dioden sind vierTypen im Einsatz. Die Dioden 1N4007 sind normale Dioden. Sie dienen in der Schaltung zur Erzeugung einer geregelten Gleichspannung für das Gate der MOSFETS.  
Die verwendeten Zenerdioden dienen dazu, eine konstante Spannung zu erzeugen. Bis zu ihrer Zenerspannung verhalten sie sich wie normale Dioden. Wird die Zenerspannung überschritten, werden sie auch in Sperrrichtung durchlässig. Somit begrenzen sie die Spannung genau auf ihre Zenerspannung. Damit sie dabei durch Kurzschluß nicht zerstört werden, muß der Strom mit einem Widerstand begrenzt werden.
Die Diode SF18 (SuperFast Diode) ist eine extrem schnelle Schaltdiode. Die den vollen Stromfluß in weniger als 1µs bereitstellt. Eine solche Diode diet als Schutzdiode für die Gates der MOSFETs.
Die Dioden 1N5819 sind sogennannte Schottky-Dioden. Ihre Arbeitsweise entspricht den Zehnerdioden in etwa.

Transistoren
Es werden in der Schaltung MOSFETs , Power-MOSFETs undnormale bipolare Transistoren verwendet. Der BUZ11 ist ein MOSFET, die IRF3205 sind die beiden POWER-MOSFETs der Brückenschaltung. Dier BD912 ist ein xxx-Bipolar-Transistor.

Brückengleichrichter KBU8A
Damit die Schaltung direkt an den Wechselspannungsausgang des Ringkerntrafos angeschlossen werden kann, muß die Wechselspannung noch gleichgerichtet werden. Dazu wird ein Brückengleichrichter mit einem Maximalstrom von 8A verwendet. Der Strom in der Schaltung liegt bei ungefähr 5-6A, daher ist ein Kühlkörper auch bei Dauerbetrieb nicht erforderlich.

Metallschichtwiderstände
In der Schaltung werden Metallschichtwiderstände verwendet. Diese haben bei kleiner Bauform eine deutlich größere Belastbarkeit und eine bessere Temperaturstabilität gegenüber Kohleschichtwiderständen. Der Farbcode entspricht nicht dem der normalen Kohleschichtwiderständen. Weitere Infos dazu findet man hier.

Ringkernübertrager auch Balun genannt
Die Ansteuerung der Gates der beiden POWER-MOSFETs muß zur richtigen Zeit erfolgen. Gleichzeitig stören dabei übergelagerte Gleichspannungen. Der Ringkernübertrager entkoppelt die Ansteuerungselektronik von den  POWER-MOSFETs.
Durch das Windungsverhältnis kann die Zündspannung der MOSFETs genau eingestellt werden. Alternativ gibt es fertige Ansteuerungs-ICs, diese sind aber relativ teuer und erfordern mehr Schaltaufwand.