Трансформатор Тесли

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Електричний розряд з терміналу у формі стрижня
Трансформатор Тесли з тороїдальним терміналом в Австралійському Національному Музеї у Канберрі
Принципова електрична схема трансформатора Тесли
Трансформатор Тесли в оригінальному виконанні

Трансформа́тор Те́сли, також, коту́шка Те́сли (англ. Tesla coil) — пристрій, винайдений Ніколо Теслою, що носить його ім'я і виконаний у вигляді трансформатора, включеного обмотками в коливальні контури, які працюють в резонансному режимі та служить для утворення високої електричної напруги (десятки кіловольт) високої частоти (зазвичай, 20...100 кГц). Прилад було запатентовано 22 вересня 1896 року, як «Апарат для вироблення електричних струмів високої частоти і потенціалу»[1]

Головний принцип роботи[ред.ред. код]

Роботу резонансного трансформатора можна пояснити на прикладі звичайної гойдалки. Якщо її розгойдувати в режимі вимушених коливань, то максимально досягнута амплітуда буде пропорційною до прикладеного зусилля. Якщо ж розгойдувати в режимі вільних, резонансних коливань, то при незначних зусиллях максимальна амплітуда зростає багатократно.

Так і з трансформатором Тесли — в ролі гойдалок виступає вторинний коливальний контур, а в ролі джерела прикладеного зусилля — генератор. Їх узгодженість («підштовхування» строго у потрібні моменти часу) забезпечує первинний контур або задає генератор (залежно від конструкції).

Будова трансформатора Тесли[ред.ред. код]

Найпростіший трансформатор Тесли складається з двох котушок — первинної LP та вторинної LS, а також розрядника F1 (часто зустрічається англійський варіант назви Spark Gap), конденсатора CP і терміналу F2. Подача живлення здійснюється від джерела змінної напруги через низькочастотний трансформатор високої напруги T1.

Первинна котушка зазвичай містить декілька витків дроту великого діаметра або мідної трубки, а вторинна близько 1000 витків дроту меншого діаметра. Первинна котушка може бути плоскою (горизонтальною), конічною або циліндричною (вертикальною). На відміну від звичайних трансформаторів, тут немає феромагнітного сердечника. Таким чином, взаємоіндукція між двома котушками є набагато меншою, ніж у трансформаторів з феромагнітним осердям. Первинна котушка разом з конденсатором утворює коливальний контур, в який включено нелінійний елемент — розрядник.

Розрядник, в простому випадку звичайний газовий, виконується у вигляді двох масивних електродів з регульованим зазором. Електроди повинні бути стійкими до проходження значних струмів через електричну дугу між ними і мати ефективне охолодження.

Вторинна котушка також утворює коливальний контур, де роль конденсатора головним чином виконують ємність терміналу і власна міжвиткова ємність самої котушки. Вторинну обмотку часто покривають шаром епоксидної смоли або лаку для запобігання виникненню електричного пробою.

Термінал може бути виконаний у вигляді диска, заточеного штиря, тороїда або сфери і призначений для утворення іскрових розрядів великої довжини.

Таким чином, основою трансформатора Тесли є два взаємопов'язаних коливальних контури, що і визначає його особливі властивості та є головною його ознакою. Для повноцінної роботи трансформатора ці два коливальних контури повинні бути налаштовані на одну резонансну частоту. Зазвичай в процесі відлагодження підналаштовують первинний контур під частоту вторинного шляхом зміни ємності конденсатора і числа витків первинної обмотки до отримання максимальної напруги на виході трансформатора.

Фази роботи трансформатора[ред.ред. код]

Трансформатор Тесли розглянутої (найпростішої) конструкції, що зображена на принциповій схемі, працює в імпульсному режимі. Перша фаза — це зарядження конденсатора до напруги пробою розрядника. Друга фаза — генерування високочастотних коливань у первинному контурі. Розрядник, що включений паралельно, замикаючи джерело живлення (трансформатор), виключає його з контуру, інакше джерело живлення вноситиме певні втрати в первинний контур і цим знижуватиме його добротність. На практиці цей вплив може в рази зменшити довжину розряду, тому у схемі трансформатора Тесли завжди паралельно до джерела живлення ставиться розрядник.

Зарядження[ред.ред. код]

Зарядження конденсатора проводиться зовнішнім джерелом високої напруги на базі підвищувального низькочастотного трансформатора T1. Ємність конденсатора вибирається таким чином, щоб разом з індуктором вона становила резонансний контур з частотою резонансу рівній власній частоті вторинного контура. Однак дійсна ємність відрізнятиметься від розрахункової оскільки частина енергії витрачається на «накачування» другого контуру. Напруга заряду обмежена напругою пробою розрядника, яку (у разі повітряного розрядника) можна регулювати, змінюючи відстань між електродами чи їх форму. Зазвичай напруга заряду конденсатора лежить в діапазоні 2…20 кіловольт.

Генерування[ред.ред. код]

Після досягнення між електродами розрядника напруги пробою в ньому виникає лавиноподібний електричний пробій газу. Конденсатор розряджається через розрядник на котушку. Під час розряду конденсатора напруга пробою розрядника різко зменшується через надлишок у газі носіїв заряду (іонів). Тому коло коливального контура, що складається з первинної котушки і конденсатора, залишається замкнутим через розрядник і в ньому виникають високочастотні коливання. Коливання поступово затухають, в основному через втрати в розряднику і віддачу електромагнітної енергії на вторинну котушку, та продовжуються доти, поки струм створює достатню кількість носіїв заряду для підтримання напруги пробою розрядника істотно меншої від амплітуди коливань напруги у цьому контурі. У вторинному колі виникають резонансні коливання, що призводить до появи на терміналі високої напруги.

Ефекти, що спостерігаються при роботі трансформатора Тесли[ред.ред. код]

Стримери
Демонстрація Лабороаторія освітлення Невади прототип з розміром 1:12 подвійної котушки Тесли на Ярмарку інновацій 2008 року.
Спарк на трансформаторі Тесли

Під час роботи котушка Тесли створює візуально красиві ефекти, пов'язані з утворенням різних видів газових розрядів.. Часто створюють трансформатори Тесли заради того, щоб подивитися на ці вражаюче красиві явища. В цілому котушка Тесли може спричиняти 4 види розрядів:

  1. Стримери (від англ. Streamer) — тьмяно світяться тонкі розгалужені канали, що містять іонізовані атоми газу й відщеплені від них вільні електрони. Протікає від термінала (або від найбільш гострих чи суттєво викривлених високовольтних частин) котушки прямо в повітря, не йдучи в землю, так як заряд рівномірно стікає з поверхні розряду через повітря в землю. Стример — це, по суті справи, видима іонізація повітря (свічення іонів), що створюється високовольтним полем трансформатора.
  2. Спарк (від англ. Spark) — це іскровий розряд. Йде з терміналу (або з найбільш гострих, викривлених високовольтних частин) безпосередньо в землю або в заземлений предмет. Являє собою пучок яскравих, що швидко зникають або змінюють одна одну ниткоподібних, часто сильно розгалужених смужок — іскрових каналів. Також має місце особливий вид іскрового розряду — ковзний іскровий розряд.
  3. Коронний розряд — світіння іонів повітря в електричному полі високої напруги. Створює гарне блакитнувате світіння навколо високовольтних частин конструкції із великою кривиною поверхні.
  4. Дуговий розряд — утворюється у декількох випадках. Наприклад, при достатній потужності трансформатора, якщо до його терміналу близько піднести заземлений предмет, між ним і терміналом може загорітися дуга (іноді потрібно безпосередньо доторкнутися предметом до терміналу і потім розтягнути дугу, відводячи предмет на більшу відстань). Особливо це властиво ламповим конструкціям апаратів. Якщо котушка недостатньо потужна і надійна, то спровокований дуговий розряд може пошкодити її компоненти.

Часто можна спостерігати (особливо поблизу потужних котушок), як розряди йдуть не тільки від самої котушки (її терміналу), але і від заземлених предметів в її бік. Також на таких предметах може виникати і коронний розряд. Інколи можна спостерігати також тліючий розряд. Цікаво зауважити, що деякі іонні хімічні речовини, нанесені на розрядний термінал, здатні міняти колір розряду. Наприклад, іони натрію змінюють звичайний колір спарка на помаранчевий, а бору — на зелений.

Робота резонансного трансформатора супроводжується характерним електричним тріском. Поява цього явища пов'язана з перетворенням стримерів в іскрові канали (див. статтю іскровий розряд), який супроводжується різким зростанням сили струму та кількості енергії, що виділяється в них. Кожен канал швидко розширюється, в ньому стрибкоподібно підвищується тиск, внаслідок чого на його границях виникає ударна хвиля. Сукупність ударних хвиль від іскрових каналів, що розширюються, породжує звук, що сприймається як «тріск» іскри.

Основні види котушок Тесли[ред.ред. код]

У всіх типах трансформаторів Тесли основний елемент трансформатора — первинний і вторинний контури — залишається незмінним. Проте одна з його частин — генератор високочастотних коливань може мати різну конструкцію.

Типи котушок прийнято називати абревіатурою з назви англійською. Якщо назву необхідно сказати українською, англійську абревіатуру просто транслітерують без перекладу.

Найпоширеніші типи котушок Тесли:

SGTC (Spark Gap Tesla Coil) — трансформатор Тесли на розряднику. Найперша і «класична» конструкція (її використовував сам Н. Тесла). Як ключовий елемент використовується розрядник. У малопотужних конструкціях розрядник — просто два шматки дроту, що знаходяться на деякій відстані, а в потужних — складні обертові (роторні) розрядники. У конструкції роторного іскрового розрядника використовується електродвигун, що обертає диск з електродами, які наближаються (або просто замикають) до відповідних електродів для замикання первинного контуру. Швидкість обертання валу і розташування контактів вибираються виходячи з необхідної частоти проходження пачок коливань. Також використання обертового іскрового розрядника суттєво знижує ймовірність виникнення паразитної дуги між електродами. Трансформатори цього типу ідеальними, якщо потрібно отримати лише велику довжину стримера.

Різновиди цього типу: ACSGTC — трансформатори, на живлення яких подається не випрямлена мережева напруга (наприклад, 220В, 50 Гц) і DCSGTC — на конденсатори подається випрямлена напруга. Це дозволяє збільшити ККД (отримати при тій-же потужності довші стримери) і зробити роботу трансформатора стабільнішою, однак потребує складніших розрахунків і ускладнює схему.

VTTC (Vacuum Tube Tesla Coil) — трансформатор Тесли на електровакуумній лампі. У цій конструкції як генератор високочастотних коливань використовуються електронні лампи. Зазвичай це потужні генераторні лампи, такі як ГУ-81, проте зустрічаються і малопотужні конструкції. Одна з особливостей — відсутність потреби у високій напрузі. Для отримання порівняно невеликих розрядів достатньо 300…600 В. Також VTTC практично не видає шуму, що з'являється при роботі котушки Тесла на іскровому розряднику. Такі трансформатори можуть працювати у неперервному режимі і утворювати товсті («жирні») стримери.

SSTC (Solid State Tesla Coil) — трансформатор Тесли, у якому як ключовий елемент використовуються напівпровідникові компоненти. Конструкція включає в себе задаючий генератор (з регульованою частотою, формою та тривалістю імпульсів) і силові ключі (потужні польові КМОН-транзистори). Даний вид котушок Тесли є найцікавішим з декількох причин: змінюючи тип сигналу на ключах, можна кардинально змінювати візуальний вигляд розряду. Також, високочастотний сигнал генератора можна модулювати звуковим сигналом, наприклад музикою — звук буде випромінюватись із самого розряду. Втім, аудіомодуляція можлива (після незначних доробок) і в VTTC конструкціях. До інших переваг можна віднести потребу у відносно низькій напрузі живлення і відсутність шуму при роботі.

DRSSTC (Dual Resonant Solid State Tesla Coil) — трансформатор з двома резонансними контурами, в якому в якості ключів використовуються напівпровідникові елементи, у переважній більшості випадків, це IGBT-транзистори. DRSSTC — найскладніший у виготовленні і налаштуванні тип трансформаторів Тесли. Характерна довжина стримерів для трансформатора цього типу трохи менша ніж у SGTC, а керованість трохи гірша, ніж у SSTC.

Патенти Тесли[ред.ред. код]

  • "Electrical Transformer Or Induction Device". U.S. Patent No. 433,702, August 5, 1890[2]
  • "Means for Generating Electric Currents", U.S. Patent No. 514,168, February 6, 1894
  • "Electrical Transformer", Patent No. 593,138, November 2, 1897
  • "Method Of Utilizing Radiant Energy", Patent No. 685,958 November 5, 1901
  • "Method of Signaling", U.S. Patent No. 723,188, March 17, 1903
  • "System of Signaling", U.S. Patent No. 725,605, April 14, 1903
  • "Apparatus for Transmitting Electrical Energy", January 18, 1902, U.S. Patent 1,119,732, December 1, 1914

Див. також[ред.ред. код]

Примітки[ред.ред. код]

  1. Патент США № 568 176 від 22 вересня 1896. Apparatus for producing electric currents of high frequency and potential. Опис патенту на сайті Бюро по реєстрації патентів і торгових марок США.
  2. History of Wireless By Tapan K. Sarkar, et al. ISBN 0-471-78301-3

Джерела[ред.ред. код]

Посилання[ред.ред. код]