Obecnie transformator Tesli nazywany jest transformatorem rezonansowym wysokiego napięcia o wysokiej częstotliwości, a w sieci można znaleźć wiele przykładów uderzających realizacji tego niezwykłego urządzenia. Cewka bez rdzenia ferromagnetycznego, składająca się z wielu zwojów cienkiego drutu, zwieńczona torusem, emituje prawdziwe błyskawice, robiąc wrażenie na zdumionych widzach. Ale czy wszyscy pamiętają, jak i dlaczego powstało to niesamowite urządzenie?
Historia tego wynalazku zaczyna się pod koniec XIX wieku, kiedy genialny naukowiec eksperymentalny Nikola Tesla, pracujący w USA, postawił sobie jedynie za zadanie nauczenie się przesyłania energii elektrycznej na duże odległości bez przewodów.
Trudno jest wskazać dokładny rok, w którym dokładnie ten pomysł trafił do naukowca, ale wiadomo, że 20 maja 1891 roku Nikola Tesla wygłosił szczegółowy wykład na Uniwersytecie Columbia, gdzie przedstawił swoje pomysły pracownikom Amerykańskiego Instytutu Inżynierów Elektryków i coś zilustrował. pokazując eksperymenty wizualne.
Celem pierwszych pokazów było pokazanie nowego sposobu pozyskiwania światła z wykorzystaniem do tego celu prądów o wysokiej częstotliwości i wysokim napięciu, a także ujawnienie cech tych prądów. W trosce o uczciwość zauważamy, że nowoczesne energooszczędne świetlówki działają dokładnie na zasadzie, którą zaproponował Tesla, aby uzyskać światło.
Ostateczna teoria dotycząca bezprzewodowego przesyłania energii elektrycznej powstawała stopniowo, naukowiec spędził kilka lat na myśleniu o swojej technologii, dużo eksperymentując i pieczołowicie ulepszając każdy element obwodu, opracował wyłączniki, wynalazł trwałe kondensatory wysokonapięciowe, wynalazł i zmodyfikował kontrolery obwodów, ale tak Nie mogłem zrealizować swojego planu na taką skalę, na jaką chciałem.
Film promocyjny:
Jednak teoria do nas dotarła. Dostępne są dzienniki, artykuły, patenty i wykłady Nikoli Tesli, w których można znaleźć wstępne szczegóły dotyczące tej technologii. Zasadę działania transformatora rezonansowego można znaleźć czytając na przykład patenty Nikoli Tesli # 787412 lub # 649621, które są już dziś dostępne w sieci.
Jeśli spróbujesz krótko zrozumieć, jak działa transformator Tesli, weź pod uwagę jego strukturę i zasadę działania, nie ma nic skomplikowanego.
Uzwojenie wtórne transformatora jest wykonane z izolowanego drutu (na przykład z drutu emaliowanego), który jest obracany w jednej warstwie na wydrążonej cylindrycznej ramie, stosunek wysokości ramy do jej średnicy jest zwykle równy od 6 do 1 do 4 do 1.
Po nawinięciu uzwojenie wtórne jest powlekane żywicą epoksydową lub lakierem. Uzwojenie pierwotne wykonane jest z drutu o stosunkowo dużym przekroju, zwykle zawiera od 2 do 10 zwojów i pasuje do kształtu spirali płaskiej lub nawinięte jest jak uzwojenie wtórne - na ramie cylindrycznej o średnicy nieco większej niż średnica wtórna.
Wysokość uzwojenia pierwotnego z reguły nie przekracza 1/5 wysokości wtórnego. Toroid jest podłączony do górnego zacisku uzwojenia wtórnego, a jego dolny zacisk jest uziemiony. Następnie rozważymy wszystko bardziej szczegółowo.
Przykładowo: uzwojenie wtórne nawinięte jest na ramę o średnicy 110 mm drutem emaliowanym PETV-2 o średnicy 0,5 mm i zawiera 1200 zwojów, stąd jego wysokość wynosi około 62 cm, a długość drutu około 417 metrów. Niech uzwojenie pierwotne zawiera 5 zwojów grubej rury miedzianej, nawiniętej na średnicę 23 cm i mającej wysokość 12 cm.
Następnie powstaje toroid. Idealnie, jego pojemność powinna być taka, aby częstotliwość rezonansowa obwodu wtórnego (uziemiona cewka wtórna wraz z toroidem i otoczeniem) odpowiadała długości drutu uzwojenia wtórnego, tak aby ta długość była równa jednej czwartej długości fali (dla naszego przykładu częstotliwość to 180 kHz) …
Do dokładnych obliczeń przydatny może być specjalny program do obliczania cewek Tesli, na przykład VcTesla lub inca. Do uzwojenia pierwotnego dobierany jest kondensator wysokonapięciowy, którego pojemność, wraz z indukcyjnością uzwojenia pierwotnego, utworzyłaby obwód oscylacyjny, którego częstotliwość własna byłaby równa częstotliwości rezonansowej obwodu wtórnego. Zwykle pobierają kondensator o małej pojemności, a strojenie odbywa się poprzez wybór zwojów uzwojenia pierwotnego.
Istota transformatora Tesli w jego kanonicznej formie jest następująca: kondensator obwodu pierwotnego jest ładowany z odpowiedniego źródła wysokiego napięcia, następnie jest podłączony przełącznikiem do uzwojenia pierwotnego i jest to powtarzane wiele razy na sekundę.
W wyniku każdego cyklu przełączania w obwodzie pierwotnym występują tłumione oscylacje. Ale cewka pierwotna jest cewką indukcyjną dla obwodu wtórnego, dlatego oscylacje elektromagnetyczne są odpowiednio wzbudzane w obwodzie wtórnym.
Ponieważ obwód wtórny jest dostrojony do rezonansu z oscylacjami pierwotnymi, to na uzwojeniu wtórnym występuje rezonans napięcia, co oznacza, że współczynnik transformacji (stosunek zwojów uzwojenia pierwotnego i zwojów uzwojenia wtórnego pokrytego przez niego) należy również pomnożyć przez Q - współczynnik jakości obwodu wtórnego, a następnie wartość współczynnika rzeczywistego napięcie na uzwojeniu wtórnym do napięcia na uzwojeniu pierwotnym.
A ponieważ długość drutu uzwojenia wtórnego jest równa jednej czwartej długości fali indukowanych w nim oscylacji, to na toroidzie zostanie zlokalizowana anty-węzeł napięcia (aw punkcie uziemienia - aktualna anty-węzeł) i tam może nastąpić najskuteczniejsza awaria.
Do zasilania obwodu pierwotnego wykorzystywane są różne obwody, od iskiernika statycznego (iskiernika) zasilanego przez MOT (MOT to transformator wysokiego napięcia z kuchenki mikrofalowej) do rezonansowych obwodów tranzystorowych na programowalnych sterownikach zasilanych wyprostowanym napięciem sieciowym, ale istota pozostaje ta sama.
Oto najczęstsze typy cewek Tesli, w zależności od sposobu ich napędzania:
SGTC (SGTTS, Spark Gap Tesla Coil) - transformator Tesli na iskierniku. To klasyczny projekt, podobny schemat pierwotnie zastosował sam Tesla. Jako element przełączający zastosowano tu ogranicznik. W konstrukcjach małej mocy ogranicznik składa się z dwóch kawałków grubego drutu rozmieszczonych w pewnej odległości, podczas gdy w konstrukcjach o większej mocy stosowane są złożone ograniczniki obrotowe z silnikami. Transformatory tego typu powstają, gdy wymagana jest tylko duża długość streamera, a wydajność nie jest ważna.
VTTC (VTTC, cewka Tesli z lampą próżniową) - transformator Tesli na lampie elektronicznej. Jako element przełączający zastosowano tu potężną lampę radiową, na przykład GU-81. Takie transformatory mogą pracować w sposób ciągły i wytwarzać raczej grube wyładowania. Ten typ zasilacza jest najczęściej wykorzystywany do budowy cewek wysokoczęstotliwościowych, zwanych „pochodniami” ze względu na typowy wygląd ich streamerów.
SSTC (SSTC, Solid State Tesla Coil) to transformator Tesli, w którym półprzewodniki są używane jako kluczowy element. Zwykle są to tranzystory IGBT lub MOSFET. Ten typ transformatora może pracować w trybie ciągłym. Wygląd serpentyn tworzonych przez taką cewkę może być bardzo różny. Ten typ transformatorów Tesli jest łatwiejszy do kontrolowania, na przykład można na nich odtwarzać muzykę.
DRSSTC (DRSSTC, Dual Resonant Solid State Tesla Coil) to transformator Tesli z dwoma obwodami rezonansowymi, tutaj półprzewodniki są używane jako przełączniki, tak jak w SSTC. DRSSTTS to najtrudniejszy do sterowania i konfiguracji typ transformatorów Tesli.
Aby uzyskać bardziej wydajną i efektywną pracę transformatora Tesli, stosuje się obwody topologii DRSSTC, gdy uzyskuje się silny rezonans w samym obwodzie pierwotnym, aw drugim odpowiednio, jaśniejszy obraz, dłuższe i grubsze pioruny (serpentyny).
Sam Tesla starał się najlepiej jak mógł osiągnąć właśnie taki tryb pracy swojego transformatora, a podstawy tego pomysłu można zobaczyć w patencie nr 568176, gdzie zastosowano dławiki ładujące, Tesla następnie opracował obwód wzdłuż tej ścieżki, to znaczy starał się jak najbardziej efektywnie wykorzystać obwód pierwotny, tworząc w nim rezonans. O tych eksperymentach naukowca można przeczytać w jego dzienniku (notatki naukowca o eksperymentach w Colorado Springs, które przeprowadził w latach 1899-1900, zostały już opublikowane w formie drukowanej).
Mówiąc o praktycznym zastosowaniu transformatora Tesli, nie należy ograniczać się tylko do zachwytu nad estetycznym charakterem uzyskiwanych wyładowań, a urządzenie traktować jako ozdobne. Napięcie na uzwojeniu wtórnym transformatora może sięgać milionów woltów, jest przecież wydajnym źródłem bardzo wysokiego napięcia.
Sam Tesla opracował swój system do przesyłania energii elektrycznej na duże odległości bez przewodów, wykorzystując przewodnictwo górnych warstw powietrza w atmosferze. Założono, że istnieje transformator odbiorczy o podobnej konstrukcji, który obniżyłby akceptowane wysokie napięcie do wartości akceptowalnej dla konsumenta, o czym można się przekonać czytając patent Tesli nr 649621.
Charakter interakcji transformatora Tesli ze środowiskiem zasługuje na szczególną uwagę. Obwód wtórny jest obwodem otwartym, a układ nie jest w żaden sposób izolowany termodynamicznie, nawet nie jest zamknięty, jest to układ otwarty. Nowoczesne badania w tym kierunku prowadzą wielu badaczy, a punkt na tej drodze nie został jeszcze wyznaczony.
Autor: Andrey Povny