Одним из самых распространенных изобретений Николы Тесла считается трансформатор Тесла. Работа этого устройства основана на действии резонансных электромагнитных стоячих волн в катушках. Этот принцип лег в основу множества современных вещей: люминесцентные лампы, кинескопы телевизоров, зарядка устройств на расстоянии. Благодаря явлению резонанса в момент совпадения частоты колебаний контура первичной обмотки с частотой колебания стоячих волн вторичной обмотки между концами катушки проскакивает дуга.
Несмотря на всю кажущуюся сложность этого генератора, сделать его можно и самому. Технология того, как сделать катушку Тесла своими руками, содержится ниже.
Составные части и принцип работы
Трансформатор Тесла собирается из первичной, вторичной катушки и обвязки, составляемой из разрядника или прерывателя, конденсатора и терминала, служащего выходом.
Первичная обмотка состоит из небольшого числа витков медного провода большого сечения или медной трубки. Она бывает горизонтальной (плоской), вертикальной (цилиндрической) или конической. Вторичная обмотка состоит из большого числа витков меньшего сечения и является наиболее важным узлом конструкции. Отношение ее длины к диаметру должно составлять 4:1, а в основании должно располагаться заземленное защитное кольцо из медного провода, призванное сохранить электронику установки.
Так как работает трансформатор Тесла в импульсном режиме, его конструкция характеризуется тем, что в нее не входит ферромагнитный сердечник. Это позволяет снизить взаимную индукцию между обмотками. Конденсатор, взаимодействуя с первичной катушкой, создает колебательный контур с включенным в него разрядником, в данном случае газовым. Разрядник собирают из массивных электродов, а для большей износостойкости дополнительно снабжают радиаторами.
Принцип работы катушки Тесла следующий. Конденсатор через дроссель заряжается от трансформатора. Скорость зарядки напрямую зависит от показателя индуктивности. Зарядившись до критического уровня, он вызовет пробой разрядника. После этого в первичном контуре генерируются высокочастотные колебания. Одновременно с этим активируется разрядник, убирающий трансформатор из общего контура, замыкая его.
Если это не произошло, то в первичном контуре могут произойти потери, негативно влияющие на его работу. В стандартной схеме параллельно с источником питания устанавливается газовый разрядник.
Таким образом, катушка Тесла на выходе может выдать напряжение в несколько миллионов вольт. От такого напряжения в воздухе возникают разряды электричества, имеющие вид коронарных разрядов и стримеров.
Крайне важно помнить, что эти изделия генерируют токи высокого потенциала и смертельно опасны для жизни. Даже маломощные устройства способны вызывать сильные ожоги, повреждение нервных окончаний, мышечных тканей и связок. Способны вызывать остановку сердца.
Катушка Теслы: как это работает и сборка своими руками⚡| Проекты Королёва
Что такое трансформатор Тесла
Сегодня трансформатором Тесла называют высокочастотный высоковольтный резонансный трансформатор, и в сети можно найти множество примеров ярких реализаций этого необычного устройства. Катушка без ферромагнитного сердечника, состоящая из множества витков тонкого провода, увенчанная тором, испускает настоящие молнии, впечатляя изумленных зрителей. Но все ли помнят, как и для чего создавался изначально этот удивительный прибор?
История данного изобретения начинается с конца 19 века, когда гениальный ученый-экспериментатор Никола Тесла, работая в США, только поставил перед собой задачу научиться передавать электрическую энергию на большие расстояния без проводов.
Указать конкретный год, когда именно пришла к ученому эта идея, вряд ли можно точно, однако известно, что 20 мая 1891 года Никола Тесла выступил с подробной лекцией в Колумбийском университете, где представил сотрудникам Американского института электроинженеров свои идеи, и кое-что проиллюстрировал, показав наглядные эксперименты.
Целью первых демонстраций было — показать новый способ получения света посредством использования для этого токов высокой частоты и высокого напряжения, а также раскрыть особенности этих токов. Справедливости ради отметим, что современные энергосберегающие люминесцентные лампы работают именно на принципе, который как раз и предложил для получения света Тесла.
Окончательная теория относительно именно беспроводной передачи электрической энергии вырисовывалась постепенно, ученый потратил несколько лет жизни, доводя до ума свою технологию, много экспериментируя и совершенствуя кропотливо каждый элемент схемы, он разрабатывал прерыватели, изобретал стойкие высоковольтные конденсаторы, придумывал и модифицировал контроллеры цепей, но так и не смог воплотить свой замысел в жизнь в том масштабе, в каком хотел.
Однако теория до нас дошла. Доступны дневники, статьи, патенты и лекции Николы Тесла, в которых можно найти исходные подробности относительно данной технологии. Принцип действия резонансного трансформатора можно узнать, прочитав например патенты Николы Тесла №787412 или №649621, уже доступные сегодня в сети.
Если попробовать кратко разобраться в том, как же работает трансформатор Тесла, рассмотреть его устройство и принцип действия, то в этом нет ничего сложного.
Вторичная обмотка трансформатора изготавливается из провода в изоляции (например из эмальпровода), который укладывается виток к витку в один слой на полый цилиндрический каркас, отношение высоты каркаса к его диаметру обычно берут равным от 6 к 1 до 4 к 1.
После намотки вторичную обмотку покрывают эпоксидной смолой или лаком. Первичная обмотка изготавливается из провода относительно большого сечения, она содержит обычно от 2 до 10 витков, и укладывается в форму плоской спирали, либо наматывается подобно вторичной — на цилиндрический каркас диаметром несколько большим, чем у вторичной.
Высота первичной обмотки, как правило, не превышает 1/5 высоты вторичной. К верхнему выводу вторичной обмотки подключают тороид, а нижний ее вывод заземляют. Далее рассмотрим все более подробно.
Например: вторичная обмотка навита на каркас диаметром 110 мм, эмальпроводом ПЭТВ-2 диаметром 0,5 мм, и содержит 1200 витков, таким образом высота ее получается равной примерно 62 см, а длина провода составляет около 417 метров. Пусть первичная обмотка содержит 5 витков толстой медной трубки, навитых на диаметр 23 см, и имеет высоту 12 см.
Далее изготавливают тороид. Его емкость в идеале должна быть такой, чтобы резонансной частоте вторичного контура (заземленная вторичная катушка вместе с тороидом и окружающей средой) соответствовала бы длина провода вторичной обмотки так, что эта длина равнялась бы четверти длины волны (для нашего примера частота получается равной 180 кГц).
Для точного расчета полезной может стать специальная программа для рассчета катушек Тесла, например VcTesla или inca. К первичной обмотке подбирается высоковольтный конденсатор, емкость которого вместе с индуктивностью первичной обмотки образовывала бы колебательный контур, собственная частота которого была бы равна резонансной частоте вторичного контура. Обычно берут близкий по емкости конденсатор, а настройку осуществляют подбором витков первичной обмотки.
Суть работы трансформатора Тесла в каноническом виде заключается в следующем: конденсатор первичного контура заряжается от подходящего источника высокого напряжения, затем он соединяется коммутатором с первичной обмоткой, и так повторяется много раз в секунду.
В результате каждого цикла коммутации возникают затухающие колебания в первичном контуре. Но первичная катушка является для вторичного контура индуктором, поэтому электромагнитные колебания возбуждаются соответственно и во вторичном контуре.
Поскольку вторичный контур настроен в резонанс с первичными колебаниями, то на вторичной обмотке возникает резонанс напряжений, а значит коэффициент трансформации (соотношение витков первичной обмотки и охваченных ею витков вторичной обмотки) нужно умножить еще и на Q – добротность вторичного контура, тогда получится значение реального соотношения напряжения на вторичной обмотке к напряжению на первичной.
А так как длина провода вторичной обмотки равна четверти длины волны индуцируемых в ней колебаний, то именно на тороиде будет находиться пучность напряжения (а в точке заземления — пучность тока), и именно там может иметь место максимально эффектный пробой.
Для питания первичной цепи используют разные схемы, от статичного искрового промежутка (разрядника) с питанием от МОТов (МОТ — высоковольтный трансформатор от микроволновой печи) до резонансных транзисторных схем на программируемых контроллерах с питанием выпрямленным сетевым напряжением, однако суть от этого не меняется.
Вот самые распространенные типы катушек Тесла в зависимости от способа управления ими:
SGTC (СГТЦ, Spark Gap Tesla Coil) – трансформатор Тесла на искровом промежутке. Это классическая конструкция, подобную схему изначально применял сам Тесла. В качестве коммутирующего элемента здесь используется разрядник. В конструкциях малой мощности разрядник представляет собой два куска толстого провода, расположенных на некотором расстоянии, а в более мощных применяются сложные вращающиеся разрядники с использованием двигателей. Трансформаторы этого типа изготавливают если требуется лишь большая длинна стримера, и не важна эффективность.
VTTC (ВТТЦ, Vacuum Tube Tesla Coil) – трансформатор Тесла на электронной лампе. В качестве коммутирующего элемента здесь используется мощная радиолампа, например ГУ-81. Такие трансформаторы могут работать в непрерывном режиме и производить довольно толстые разряды. Данный тип питания чаще всего используют для построения высокочастотных катушек, которые из-за типичного вида своих стримеров получили название “факельники”.
SSTC (ССТЦ, Solid State Tesla Coil) – трансформатор Тесла, в котором в качестве ключевого элемента применяются полупроводники. Обычно это IGBT или MOSFET транзисторы. Данный тип трансформаторов может работать в непрерывном режиме. Внешний вид стримеров, создаваемых такой катушкой может быть самым разным. Этим типом трансформаторов Тесла проще управлять, например можно играть на них музыку.
DRSSTC (ДРССТЦ, Dual Resonant Solid State Tesla Coil) – трансформатор Тесла с двумя резонансными контурами, здесь в качестве ключей используются, как и в SSTC, полупроводники. ДРССТЦ – наиболее сложный в управлении и настройке тип трансформаторов Тесла.
Для получения более эффективной и эффектной работы трансформатора Тесла применяют именно схемы топологии DRSSTC, когда мощный резонанс достигается и в самом первичном контуре, а во вторичном соответственно — более яркая картина, более длинные и толстые молнии (стримеры).
Сам Тесла как мог пытался добиться именно такого режима работы своего трансформатора, и зачатки этой идеи можно увидеть в патенте № 568176, где применяются зарядные дроссели, Тесла потом развивал схему именно по этому пути, то есть стремился максимально эффективно использовать первичную цепь, создавая в ней резонанс. Об этих экспериментах ученого можно прочитать в его дневнике (в печатном виде уже изданы записи ученого об экспериментах в Колорадо-Спрингс, которые он проводил с 1899 по 1900 год).
Говоря о практическом применении трансформатора Тесла не стоит ограничиваться лишь восхищением эстетическим характером получаемых разрядов, и относиться к устройству как к декоративному. Напряжение на вторичной обмотке трансформатора может достигать миллионов вольт, это в конце концов — эффективный источник сверхвысокого напряжения.
Сам Тесла разрабатывал свою систему для передачи электроэнергии на большие расстояния без проводов, используя проводимость верхних воздушных слоев атмосферы. Предполагалось наличие и приемного трансформатора аналогичной конструкции, который бы понижал принятое высокое напряжение до приемлемого для потребителя значения, об этом можно узнать, прочитав патент Тесла №649621.
Особого внимания заслуживает характер взаимодействия трансформатора Тесла с окружающей средой. Вторичный контур является открытым контуром, и система термодинамически отнюдь не является изолированной, она даже не закрытая, это — открытая система. Современные исследования в этом направлении ведутся многими исследователями, и точка на этом пути еще не поставлена.
- Летающие скейтборды — технологии магнитного подвеса скейтбордов
- Редкие металлы в электронике и электроэнергетике
- Высокотемпературная сверхпроводимость: история открытия, физика явления и перспективы использования
Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » Интересные факты
Подписывайтесь на наш канал в Telegram: Домашняя электрика
Принцип работы
Трансформатор Тесла состоит из двух обмоток – первичной (Lp) и вторичной (Ls) (их чаще называют “первичка” и “вторичка”). К первичной обмотке подводится переменное напряжение, и она создает магнитное поле. При помощи этого поля энергия из первичной обмотки передается во вторичную. В этом трансформатор тесла очень похож на самый обычный “железный” трансформатор.
Вторичная обмотка вместе с собственной паразитной (Cs) емкостью образуют колебательный контур, который накапливает переданную ему энергию. Часть времени вся энергия в колебательном контуре храниться в виде напряжения. Таким образом, чем больше энергии мы вкачаем в контур, тем больше напряжения получим.
Тесла обладает тремя основными характеристиками – резонансной частотой вторичного контура, коэффициентом связи первичной и вторичной обмоток, добротностью вторичного контура.
Что такое резонансная частота колебательного контура, читателю должно быть известно. Я же подробнее остановлюсь на коэффициенте связи и добротности.
Коэффициент связи определяет, насколько быстро энергия из первичной обмотки передается во вторичную, а добротность – насколько долго колебательный контур может сохранять энергию.
Аналогия с качелями
Для того, чтобы лучше понять, как колебательный контур накапливает энергию, и откуда в тесле берется такое большое напряжение, представим качели, которые раскачивает здоровенный мужик. Качели – это колебательный контур, мужик– это первичная обмотка. Скорость качели – это ток во вторичной обмотке, а высота подъема – наше долгожданное напряжение.
Мужик толкает качели, и, таким образом передает в них энергию. И вот, за несколько толчков, качели раскачались и подлетают так высоко, как это только возможно – они накопили много энергии. Тоже самое происходит и с теслой, только когда энергии становится слишком много, происходит пробой воздуха, и мы видим наши красивущий стример.
[stextbox раскачивать качели нужно не абы как, а в точном согласии с их собственными колебаниями. Количество колебаний качелей в секунду называется “резонансная частота”.[/stextbox]
Участок траектории полета качели, на протяжении которого мужик их толкает определяет коэффициент связи. Если мужик будет постоянно держать качели своей здоровенной ручищей, то он раскачает их очень быстро, но качели смогут отклониться только на длину руки мужика. В таком случае говорят, что коэффициент связи равен единице. Наши качели с большим коэффициентом связи — это аналог обычного трансформатора.
Будет интересно➡ Как проверить диодный мост мультиметром?
Теперь рассмотрим ситуацию, когда мужик только немного подталкивает качели. В этом случае коэффициент связи мал, а качели отклоняются намного дальше – мужик теперь их не держит. Качели придется раскачивать дольше, но с этим справится даже очень хилый мужик, чуть-чуть толкая их каждый период колебаний. Такие качели и есть аналогом трансформатора Тесла. Чем больше коэффициент связи, тем быстрее во вторичный контур накачивается энергия, но при этом выходное напряжение теслы получается меньше.
Теперь рассмотрим добротность. Добротность – это противоположность трению в качелях. Если трение очень большое (низкая добротность), то мужик своими слабенькими толчками не сможет их раскачать. Таким образом, коэффициент связи и добротность контура должны быть согласованны для достижения максимальной высоты качелей (максимальной длинны стримера).
Так-как добротность вторичной обмотки в трансформаторе Тесла – величина не постоянная (она зависит от стримера), то согласовать эти две величины очень не просто, и поэтому просто подбирают опытным путем. Кратко о принципе работы трансформатора можно посмотреть в видеоролике.
Основные виды катушек
Сам Тесла изготавливал Трансформатор только одного типа – на разряднике (СГТЦ).
С тех пор элементная база сильно улучшилась, и появилось множество разных типов катушек, по аналогии их продолжают называть катушками Тесла.
Типы катушек принято называть из английских аббревиатур. Если название необходимо сказать на русском языке, английские аббревиатуры просто говорят русскими буквами без перевода. Самые распространенные типы катушек тесла рассмотрим ниже.
SGTC (СГТЦ, Spark Gap Tesla Coil)
Трансформатор тесла на разряднике. Самая первая и “классическая” конструкция (ее использовал сам Тесла). В качестве ключевого элемента использует разрядник. В маломощных конструкциях разрядник – просто два куска провода, находящихся на некотором расстоянии, а в мощных – сложные вращающиеся разрядники. Трансформаторы этого типа идеальны если вам нужна только большая длинна стримера.
VTTC (ВТТЦ, Vacuum Tube Tesla Coil
Трансформатор тесла на лампе. В качестве ключевого элемента используется мощная радиолампа. Такие трансформаторы могут работать в непрерывном режиме и выдавать толстые, “жирные” стримеры. Этот тип чаще всего используют для высокочастотных тесел, которые из-за характерного вида своих стримеров получили название “факельник”.
SSTC (ССТЦ, Solid State Tesla Coil)
Трансформатор тесла, в котором в качестве ключевого элемента используются полупроводники. Обычно это MOSFET или IGBT транзисторы. Этот тип трансформаторов может работать в непрерывном режиме. Внешний вид стримеров, создаваемых этой катушкой, может быть самый различный. Этим типом Тесел проще всего управлять (играть музыку, к примеру).
DRSSTC (ДРССТЦ, ДРка, Dual Resonant Solid State Tesla Coil)
Трансформатор с двумя резонансными контурами, в котором в качестве ключей используются полупроводники, в подавляющем большинстве случаев, это IGBT транзисторы. ДРССТЦ – самый сложный в изготовлении и настройке тип трансформаторов тесла. Характерная длинна стримеров трансформатора этого типа немного меньше, чем у SGTC, а управляемость немногим хуже, чем у SSTC.
Для управления внешним видом стримеров придумали так называемый прерыватель. Изначально с помощью этого устройства останавливали катушку для того, чтобы дать возможность зарядится конденсатором и остыть разрядному терминалу, и, засчет этого, увеличить длину стримеров. Но в последнее время в прерыватели начали встраивать дополнительные функции, к примеру, научили катушки Тесла играть музыку.
Катушка Тесла. Краткая теория
Катушка Тесла представляет собой высокочастотный резонансный трансформатор без ферромагнитного сердечника, с помощью которого можно получить высокое напряжение на вторичной обмотке. Под действием высокого напряжения в воздухе происходит электрический пробой, подобно разряду молнии. Устройство изобретено Николой Теслой, и носит его имя.
По типу коммутирующего элемента первичного контура, катушки Тесла подразделяются на искровые (SGTC – Spark gap Tesla coil), ламповые (VTTC – Vacuum tube Tesla coil), транзисторные (SSTC – Solid state Tesla coil, DRSSTC – Dual resonant solid state Tesla coil). Я буду рассматривать только искровые катушки, являющиеся самыми простыми и распространенными. По способу заряда контурного конденсатора, искровые катушки делятся на 2 типа: ACSGTC – Spark gap Tesla coil, а также DCSGTC – Spark gap Tesla coil. В первом варианте, заряд конденсатора осуществляется переменным напряжением, во втором используется резонансный заряд с подведением постоянного напряжения.
Сама катушка представляет собой конструкцию из двух обмоток и тора. Вторичная обмотка цилиндрическая, наматывается на диэлектрической трубе медным обмоточным проводом, в один слой виток к витку, и имеет обычно 500-1500 витков. Оптимальное соотношение диаметра и длины обмотки равно 1:3,5 – 1:6. Для увеличения электрической и механической прочности, обмотку покрывают эпоксидным клеем или полиуретановым лаком. Обычно размеры вторичной обмотки определяют исходя из мощности источника питания, то есть высоковольтного трансформатора. Определив диаметр обмотки, из оптимального соотношения находят длину. Далее подбирают диаметр обмоточного провода, так чтобы количество витков примерно равнялось общепринятому значению. В качестве диэлектрической трубы обычно применяют канализационные пластиковые трубы, но можно изготовить и самодельную трубу, при помощи листов чертежного ватмана и эпоксидного клея. Здесь и далее речь идет о средних катушках, мощностью от 1 кВт и диаметром вторичной обмотки от 10 см.
На верхний конец трубы вторичной обмотки устанавливают полый проводящий тор, обычно выполненный из алюминиевой гофрированной трубы для отвода горячих газов. В основном диаметр трубы подбирают равным диаметру вторичной обмотки. Диаметр тора обычно составляет 0,5-0,9 от длины вторичной обмотки. Тор имеет электрическую емкость, которая определяется его геометрическими размерами, и выступает в роли конденсатора.
Первичная обмотка располагается у нижнего основания вторичной обмотки, и имеет спиральную плоскую или коническую форму. Обычно состоит из 5-20 витков толстого медного или алюминиевого провода. В обмотке протекают высокочастотные токи, вследствие чего скин-эффект может иметь значительное влияние. Из-за высокой частоты ток распределяется преимущественно в поверхностном слое проводника, тем самым уменьшается эффективная площадь поперечного сечения проводника, что приводит к увеличению активного сопротивления и уменьшению амплитуды электромагнитных колебаний. Поэтому лучшим вариантом для изготовления первичной обмотки будет полая медная трубка, или плоская широкая лента. Над первичной обмоткой по внешнему диаметру иногда устанавливают незамкнутое защитное кольцо (Strike Ring) из того же проводника, и заземляют. Кольцо предназначено для предотвращения попадания разрядов в первичную обмотку. Разрыв необходим для исключения протекания тока по кольцу, иначе магнитное поле, созданное индукционным током, будет ослаблять магнитное поле первичной и вторичной обмотки. От защитного кольца можно отказаться, если заземлить один конец первичной обмотки, при этом попадание разряда не причинит вреда компонентам катушки.
Коэффициент связи между обмотками зависит от их взаимного расположения, чем они ближе, тем больше коэффициент. Для искровых катушек типичное значение коэффициента равно K=0,1-0,3. От него зависит напряжение на вторичной обмотке, чем больше коэффициент связи, тем больше напряжение. Но увеличивать коэффициент связи выше нормы не рекомендуется, так как между обмотками начнут проскакивать разряды, повреждающие вторичную обмотку.
На схеме представлен простейший вариант катушки Тесла типа ACSGTC.
Принцип действия катушки Тесла основан на явлении резонанса двух индуктивно связанных колебательных контуров. Первичный колебательный контур состоит из конденсатора С1, первичной обмотки L1, и коммутируется разрядником, в результате чего образуется замкнутый контур. Вторичный колебательный контур образован вторичной обмоткой L2 и конденсатором С2 (тор обладающий емкостью), нижний конец обмотки обязательно заземляется. При совпадении собственной частоты первичного колебательного контура с частотой вторичного колебательного контура, происходит резкое возрастание амплитуды напряжения и тока во вторичной цепи. При достаточно высоком напряжении происходит электрический пробой воздуха в виде разряда, исходящего из тора. При этом важно понимать, что представляет собой замкнутый вторичный контур. Ток вторичного контура течет по вторичной обмотке L2 и конденсатору С2 (тор), далее по воздуху и земле (так как обмотка заземлена), замкнутый контур можно описать следующим образом: земля-обмотка-тор-разряд-земля. Таким образом, захватывающие электрические разряды представляют собой часть контурного тока. При большом сопротивлении заземления разряды, исходящие из тора будут бить прямо по вторичной обмотке, что не есть хорошо, поэтому нужно делать качественное заземление.
После того как размеры вторичной обмотки и тора определены, можно посчитать собственную частоту колебаний вторичного контура. Здесь надо учитывать, что вторичная обмотка кроме индуктивности обладает некоторой емкостью из-за немалых размеров, которую надо учитывать при расчете, емкость обмотки необходимо сложить с емкостью тора. Далее надо прикинуть параметры катушки L1и конденсатора C1первичного контура, так чтобы собственная частота первичного контура была близка к частоте вторичного контура. Емкость конденсатора первичного контура обычно составляет 25-100 нФ, исходя из этого, рассчитывают количество витков первичной обмотки, в среднем должно получиться 5-20 витков. При изготовлении обмотки необходимо увеличить количество витков, по сравнению с расчетным значением, для последующей настройки катушки в резонанс. Рассчитать все эти параметры можно по стандартным формулам из учебника физики, также в сети есть книги по расчету индуктивности различных катушек. Существуют и специальные программы калькуляторы для расчета всех параметров будущей катушки Тесла.
Настройка осуществляется путем изменения индуктивности первичной обмотки, то есть один конец обмотки подсоединен к схеме, а другой никуда не подключается. Второй контакт выполняют в виде зажима, который можно перекидывать с одного витка на другой, тем самым используется не вся обмотка, а только ее часть, соответственно меняется индуктивность, и собственная частота первичного контура. Настройку выполняют во время предварительных запусков катушки, о резонансе судят по длине выдаваемых разрядов. Существует также метод холодной настройки резонанса при помощи ВЧ генератора и осциллографа или ВЧ вольтметра, при этом катушку запускать не надо. Необходимо взять на заметку, что электрический разряд обладает емкостью, вследствие чего собственная частота вторичного контура может немного уменьшаться во время работы катушки. Заземление также может оказывать небольшое влияние на частоту вторичного контура.
Разрядник является коммутирующим элементом в первичном колебательном контуре. При электрическом пробое разрядника под действием высокого напряжения, в нем образуется дуга, которая замыкает цепь первичного контура, и в нем возникают высокочастотные затухающие колебания, в течение которых напряжение на конденсаторе С1 постепенно уменьшается. После того как дуга гаснет, контурный конденсатор С1 вновь начинает заряжаться от источника питания, при следующем пробое разрядника начинается новый цикл колебаний.
Разрядник подразделяется на два типа: статический и вращающийся. Статический разрядник представляет собой два близко расположенных электрода, расстояние между которыми регулируют так чтобы электрический пробой между ними происходил в то время, когда конденсатор С1 заряжен до наибольшего напряжения, или немного меньше максимума. Ориентировочное расстояние между электродами определяют исходя из электрической прочности воздуха, которая составляет около 3 кВ/мм при стандартных условиях окружающей среды, а также зависит от формы электродов. Для переменного сетевого напряжения, частота срабатываний статического разрядника (BPS – beats per second) составит 100Гц.
Вращающийся разрядник (RSG – Rotary spark gap) выполняется на основе электродвигателя, на вал которого насажен диск с электродами, с каждой стороны диска устанавливаются статические электроды, таким образом, при вращении диска, между статическими электродами будут пролетать все электроды диска. Расстояние между электродами делают минимальным. В таком варианте можно регулировать частоту коммутаций в широких пределах управляя электродвигателем, что дает больше возможностей по настройке и управлению катушкой. Корпус двигателя необходимо заземлить, для защиты обмотки двигателя от пробоя, при попадании высоковольтного разряда.
В качестве контурного конденсатора С1 применяют конденсаторные сборки (MMC – Multi Mini Capacitor) из последовательно и параллельно соединенных высоковольтных высокочастотных конденсаторов. Обычно применяют керамические конденсаторы типа КВИ-3, а также пленочные К78-2. В последнее время намечен переход на бумажные конденсаторы типа К75-25, которые неплохо показали себя в работе. Номинальное напряжение конденсаторной сборки для надежности должно быть в 1,5-2 раза больше амплитудного напряжения источника питания. Для защиты конденсаторов от перенапряжения (высокочастотные импульсы) устанавливают воздушный разрядник параллельно всей сборке. Разрядник может представлять собой два небольших электрода.
В качестве источника питания для зарядки конденсаторов используется высоковольтный трансформатор Т1, или несколько последовательно или параллельно соединенных трансформаторов. В основном начинающие тесластроители используют трансформатор из микроволновой печи (MOT – Microwave Oven Transformer), выходное переменное напряжение которого составляет ~2,2 кВ, мощность около 800 Вт. В зависимости от номинального напряжения контурного конденсатора, МОТы соединяют последовательно от 2 до 4 штук. Применение только одного трансформатора не целесообразно, так как из-за небольшого выходного напряжения зазор в разряднике будет очень малым, итогом будут нестабильные результаты работы катушки. Моты имеют недостатки в виде слабой электропрочности, не рассчитаны для работы в длительном режиме, сильно греются при большой нагрузке, поэтому часто выходят из строя. Более разумно использовать специальные масляные трансформаторы типа ОМ, ОМП, ОМГ, которые имеют выходное напряжение 6,3 кВ, 10 кВ, и мощность 4 кВт, 10 кВт. Можно также изготовить самодельный высоковольтный трансформатор. При работе с высоковольтными трансформаторами не следует забывать о технике безопасности, высокое напряжение опасно для жизни, корпус трансформатора необходимо заземлить. При необходимости последовательно с первичной обмоткой трансформатора можно установить автотрансформатор, для регулировки напряжения зарядки контурного конденсатора. Мощность автотрансформатора должна быть не меньше мощности трансформатора T1.
Дроссель Lд в цепи питания необходим для ограничения тока короткого замыкания трансформатора при пробое разрядника. Чаще всего дроссель находится в цепи вторичной обмотки трансформатора T1. Вследствие высокого напряжения, необходимая индуктивность дросселя может принимать большие значения от единиц до десятков Генри. В таком варианте он должен обладать достаточной электропрочностью. С таким же успехом дроссель можно установить последовательно с первичной обмоткой трансформатора, соответственно здесь не требуется высокая электропрочность, необходимая индуктивность на порядок ниже, и составляет десятки, сотни миллигенри. Диаметр обмоточного провода должен быть не меньше диаметра провода первичной обмотки трансформатора. Индуктивность дросселя рассчитывают из формулы зависимости индуктивного сопротивления от частоты переменного тока.
Фильтр низких частот (ФНЧ) предназначен для исключения проникновения высокочастотных импульсов первичного контура в цепь дросселя и вторичной обмотки трансформатора, то есть для их защиты. Фильтр может быть Г-образным или П-образным. Частоту среза фильтра выбирают на порядок меньше резонансной частоты колебательных контуров катушки, но при этом частота среза должна быть намного больше частоты срабатывания разрядника.
При резонансном заряде контурного конденсатора (тип катушки – DCSGTC), используют постоянное напряжение, в отличии от ACSGTC. Напряжение вторичной обмотки трансформатора T1 выпрямляют с помощью диодного моста и сглаживают конденсатором Св. Емкость конденсатора должна быть на порядок больше емкости контурного конденсатора С1, для уменьшения пульсаций постоянного напряжения. Величина емкости обычно составляет 1-5 мкФ, номинальное напряжение для надежности выбирают в 1,5-2 раза больше амплитудного выпрямленного напряжения. Вместо одного конденсатора можно использовать конденсаторные сборки, желательно не забывая про выравнивающие резисторы при последовательном соединении нескольких конденсаторов.
В качестве диодов моста применяют последовательно соединенные высоковольтные диодные столбы типа КЦ201 и др. Номинальный ток диодных столбов должен быть больше номинального тока вторичной обмотки трансформатора. Обратное напряжение диодных столбов зависит от схемы выпрямления, по соображениям надежности обратное напряжение диодов должно быть в 2 раза больше амплитудного значения напряжения. Возможно изготовление самодельных диодных столбов путем последовательного соединения обычных выпрямительных диодов (например 1N5408, Uобр = 1000 В, Iном = 3 А), с применением выравнивающих резисторов.
Вместо стандартной схемы выпрямления и сглаживания можно собрать удвоитель напряжения из двух диодных столбов и двух конденсаторов.
Принцип работы схемы резонансного заряда основан на явлении самоиндукции дросселя Lд, а также применения диода отсечки VDо. В момент времени, когда конденсатор C1 разряжен, через дроссель начинает течь ток, возрастая по синусоидальному закону, при этом в дросселе накапливается энергия в виде магнитного поля, а конденсатор при этом заряжается, накапливая энергию в виде электрического поля. Напряжение на конденсаторе возрастает до напряжения источника питания, при этом через дроссель течет максимальный ток, и падение напряжения на нем равно нулю. При этом ток не может прекратиться мгновенно, и продолжает течь в том же направлении из-за наличия самоиндукции дросселя. Зарядка конденсатора продолжается до удвоенного значения напряжения источника питания. Диод отсечки необходим для предотвращения перетекания энергии от конденсатора обратно в источник питания, так как между конденсатором и источником питания появляется разность потенциалов равная напряжению источника питания. На самом деле напряжение на конденсаторе не достигает удвоенного значения, из-за наличия падения напряжения на диодном столбе.
Применение резонансного заряда позволяет более эффективно и равномерно передавать энергию на первичный контур, при этом для получения одинакового результата (по длине разряда), для DCSGTC требуется меньшая мощность источника питания (трансформатор Т1), чем для ACSGTC. Разряды приобретают характерный плавный изгиб, вследствие стабильного питающего напряжения, в отличии от ACSGTC, где очередное сближение электродов в RSG может приходиться по времени на любой участок синусоидального напряжения, включая попадание на нулевое или низкое напряжение и как следствие переменная длина разряда (рваный разряд).
Ниже на картинке представлены формулы для расчета параметров катушки Тесла:
Предлагаю ознакомиться с моим опытом постройки катушки Тесла своими руками.
Часть пятая. Пусконаладка
Конструкция практически готова, остается только изготовить торроид. Я мог бы конечно выложить чертежи фирменного торроида имени Зерга, но боюсь он придет ко мне в дом и убьет мою собаку(хоть у меня и нет собаки, но вдруг притащит!). Так что например его можно изготовить из вент.трубы диаметром 150мм и притянуть его сверху металлическим диском через шпильку на верх вторички.
В результате получается вот такая, местами даже симпатичная конструкция. Нижний отвод со вторичной катушки в силиконовом проводе пропускаем под витками первички и припаиваем к разрядному кольцу из медной трубки. От этого кольца спускаем провод заземления, который нужно повесить на хорошую, годную землю.
Второй шиной от конденсаторов нужно поискать тот виток вторичной обмотки, при подключении которого разряды мощнее, я просто подключил к 6 витку и припоял так, понадеявшись на расчеты.
И так включаем мотор вращающегося разрядника, проверяем отсутствие дребезга и вибрации, включаем питание.
Если все хорошо, то девайс выдаст годные, длинной в пару метров, разряды с очень специфическим и громким шумом. Если нет — проверьте фазировку трансформаторов, возможно они включены в противофазе.
По идее нужно было облагородить блок трансформаторов, сделать автоматику на реле времени для включения разрядника, а только затем уже подачи напряжения, но на тот момент у меня не нашлось нормальных реле (эта штука кушает от 2 до 4 кВт за милую душу), да и было лень.
В последствии девайс мною был перевезен в МСК, презентован, а оттуда уже на дачу к товарищу, где был заново собран и запущен.
Правда в последствии или сырой погоды или фигового покрытия вторичной обмотки или всего вместе она прогорела к чертям собачьим и недавно мне пришлось вновь вылетать, дабы перемотать катушку, а старая была торжественно разбита к чертям собачьим (на самом деле нет, просто снимать эпоксидку при помощи ударов доской — очень фиговая идея, лол)
Девайс с новой катушкой по прежнему успешно работает и радует товарища, который правда пихает на торроид всякоэ, но иногда прикольно получается.
- Физика
- DIY или Сделай сам
ПРОСТЕЙШАЯ КАТУШКА ТЕСЛА
Простейший трансформатор Тесла состоит из двух катушек без общего сердечника, а также разрядника, конденсатора и тороида. Принцип его работы таков: Конденсатор заряжается от высоковольтного источника питания, затем разряжается через искровой промежуток на первичную катушку. Таким образом, на вторичную катушку передается часть энергии, и возникают резонансные колебания, что приводит к возникновению на выходе высокого напряжения.
Разряды с тороида могут достигать длины в несколько метров, но расстояние пробоя зависит от мощности и напряжения первичного контура. В нынешнее время катушки Тесла приобрели популярность благодаря создаваемым эффектам и используются как декоративное изделие. Сегодня существует множество модификаций, которые в отличие от оригинальной конструкции Николы Тесла имеют меньшие размеры, низкий уровень шума и более высокую управляемость.
Катушка Тесла – одна из тех вещей, которые наиболее привлекают с сборке и экспериментам из-за своих уникальных свойств. При запуске устройства, может чувствоваться запах озона. Это и наводит на мысль использовать трансформатор Тесла в качестве озонатора воздуха. Кстати искра не только озонирует воздух, но и обеззараживает его. Поэтому применение устройство может найти в больницах, а так же на различных предприятиях. Единственный недостаток – высокочастотное электромагнитное излучение, которое может влиять на работу некоторых приборов.
Теперь перейдём к предлагаемой для сборки схеме катушки Тесла:
Она представляет собой обычный LC генератор, максимальный стример был с нее 35 см.
Детали: так как тансформатор от микро волновки не нашол, а он был-бы наиболее предпочтительным для схемы, то пришлось тащить с работы целый бп от трансляционого передатчика на гу-33б чтоб извлечь анодный трансформатор ТА282-127/220-50. На схеме он обозначен Tr1.
Накальный трансформатор типа тн-46-127/220-50, на схеме Tr2, был взят от туда-же.
Анализ проблемы
Имя Николы Теслы известно многим. Его предки были из Сербии, родился он в 1856 году в деревне Смилян на территории нынешней Хорватии, а большинство изобретений создал, будучи гражданином США.
Изобретения Теслы в области электротехники и радиотехники имели инновационное значение и заложили основы развития современной науки и техники. В возрасте 25 лет учёный работал над использованием вращающегося магнитного поля в электродвигателе. В 1882 году Тесла создал модель асинхронного электродвигателя. В 1885 году он усовершенствовал машину Томаса Эдисона. В то время электростанции Эдисона передавали постоянный электрический ток низкого напряжения только на очень короткие расстояния из-за значительных потерь энергии в процессе. Тесла тщетно пытался убедить своего Эдисона в необходимости использовать переменный ток, который не был столь зависим от протяжённости проводов. В 1888 году Тесла все же удалось запатентовать первые двигатели переменного тока.
1888—1895 годы считаются самыми плодотворными в его карьере: Тесла запатентовал большинство своих изобретений (а их было более 700 ), одним из которых был «аппарат для производства электрических токов высокой частоты и потенциала» или же «катушка Тесла». В своей лаборатории в Колорадо-Спрингс Тесла построил мощный генератор, в нескольких сотнях метров от которого все лампы накаливания светились чистой беспроводной энергией. Но в то время беспроводная передача энергии была экономически невыгодной из-за того, что требовалось слишком большое количество энергии.
В 2008 году сотрудники фирмы Intel смогли воспроизвести опыты Николы Тесла 1894 года по беспроводной передаче энергии для свечения ламп накаливания с КПД , равным 75 %.
В 2015 году учёные из Вашингтонского университета выяснили, что электричество можно передавать посредством технологии Wi-Fi .
Но основная проблема последующих исследований в этой области заключалась в потерях большей части энергии. Первую в мире функциональную систему беспроводной передачи энергии на большие расстояния разработали в 2020 году в Новой Зеландии. Учёный Рэй Симпкин по заказу предпринимателя Грега Кушнира разработал прототип устройства беспроводной передачи электроэнергии, который в отличие от разработок Теслы, передаёт энергию напрямую между двумя антеннами. Он имеет также специальную лазерную систему безопасности. Она защищает периметр луча, отключая его в случае необходимости, например, если птица пересечёт периметр. Эта разработка может стать ключевой технологией в ближайшем будущем.
Устройство и принцип работы катушки Тесла
Простейший трансформатор или катушка Тесла состоит из двух катушек без общего сердечника, а также разрядника, конденсатора и тороида.
Принцип работы таков: конденсатор заряжается от высоковольтного источника питания, затем разряжается через искровой промежуток на первичную катушку. Таким образом, на вторичную катушку передается часть энергии, и возникают резонансные колебания, что приводит к возникновению на выходе высокого напряжения. Разряды с тороида могут достигать длины в несколько метров, но расстояние пробоя зависит от мощности и напряжения первичного контура. Трансформатор Тесла основан на использовании резонансных стоячих электромагнитных волн в катушках. Его первичная обмотка содержит небольшое число витков и является частью искрового колебательного контура, включающего в себя также конденсатор и искровой промежуток. Вторичной обмоткой служит прямая катушка провода. При совпадении частоты колебаний колебательного контура первичной обмотки с частотой одного из собственных колебаний (стоячих волн) вторичной обмотки вследствие явления резонанса во вторичной обмотке возникнет стоячая электромагнитная волна и между концами катушки появится высокое переменное напряжение.
Работу резонансного трансформатора можно объяснить на примере обыкновенных качелей. Если их раскачивать в режиме принудительных колебаний, то максимально достигаемая амплитуда будет пропорциональна прилагаемому усилию. Если раскачивать в режиме свободных колебаний, то при тех же усилиях максимальная амплитуда вырастает многократно. Так и с трансформатором Тесла — в роли качелей выступает вторичный колебательный контур, а в роли прилагаемого усилия — генератор. Их согласованность («подталкивание» строго в нужные моменты времени) обеспечивает первичный контур или задающий генератор (в зависимости от устройства).Простейший трансформатор Тесла состоит из двух катушек — первичной и вторичной, а также разрядника, конденсаторов, тороида и терминала. Первичная катушка обычно содержит несколько витков провода большого диаметра или медной трубки, а вторичная около 1000 витков провода меньшего диаметра. Первичная катушка вместе с конденсатором образует колебательный контур, в который включён нелинейный элемент — разрядник. Вторичная катушка также образует колебательный контур, где роль конденсатора главным образом выполняют ёмкость тороида и собственная межвитковая ёмкость самой катушки. Вторичную обмотку часто покрывают слоем эпоксидной смолы или лака для предотвращения электрического пробоя.
Во всех типах трансформаторов Тесла основной элемент трансформатора — первичный и вторичный контуры — остается неизменным. Однако одна из его частей — генератор высокочастотных колебаний может иметь различную конструкцию. Если к нему поднести катушку с медной проволокой, то на его концах появится напряжение. А если поднести люминесцентные лампы, то они загораются сами по себе. Это происходит из-за того что вокруг катушки образуется мощное магнитное поле.
Сейчас существуют следующие виды катушек Тесла:
1) SGTC (Spark Gap Tesla Coil) – классическая катушка, созданная Теслой, которая использует разрядник;
2) VTTC (Vacuum Tube Tesla Coil) – трансформатор Тесла на лампе, ключевой элемент которого – мощная радиолампа. Такие трансформаторы могут работать непрерывно;
3) SSTC (Solid State Tesla Coil) – трансформатор Тесла, в котором в качестве ключевого элемента используются полупроводники. Этот тип трансформаторов может работать в непрерывном режиме;
4) DRSSTC (Dual Resonant Solid State Tesla Coil) – трансформатор с двумя резонансными контурами, в котором в качестве ключей используются полупроводники ДРССТЦ – самый сложный в изготовлении и настройке тип трансформаторов Тесла.
