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 Ніколою Теслою, що носить його ім'я і виконаний у вигляді трансформатора, ввімкнутого обмотками в коливальні контури, які працюють в резонансному режимі та служить для утворення високої електричної напруги (десятки кіловольтів) 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).

Історія створення трансформатора Тесли[ред.ред. код]

Сьогодні трансформатором Тесла називають високочастотний високовольтний резонансний трансформатор.

Історія цього винаходу починається з кінця 19 століття, коли геніальний учений-експериментатор Нікола Тесла, уродженець Хорватії, який працював тоді в Нью-Йорку, розробив новаторський метод передачі електричної енергії на великі відстані без дротів, із застосуванням явища електричного резонансу, вивчення якого вчений приділяв тоді особливу увагу. До цього він вже в достатній мірі вивчив можливості змінного струму, і чітко розумів технічні перспективи його застосування, проте попереду був наступний важливий крок – система бездротової передачі електричної енергії.

Відповідно до уявлень вченого, в такій системі передачі електроенергії планета Земля виступала в ролі електричного провідника, в якому за допомогою електричних осциляторів (електричних коливальних систем) можна було порушувати стоячі хвилі. До даного висновку Тесла прийшов завдяки спостережень за електричними збуреннями, що поширювалися по поверхні землі після розрядів блискавок під час грози.

Тесла зафіксував за допомогою своїх приладів, що довжина хвиль, породжуваних розрядами блискавок, варіюється в діапазоні від 25 до 70 кілометрів, і що ці хвилі поширюються в усіх напрямах земної кулі. Мало того, учений зрозумів, що ці хвилі поширюються не тільки до найвіддаленіших частин планети, але і відображаються звідти, і що довжина хвиль безпосередньо пов'язана з розмірами земної кулі.

Тесла вирішив, що, створюючи подібні електричні збурення штучним шляхом, можна передавати електричну енергію у всіх напрямках планети, використовуючи цю її властивість. Однак, незважаючи на розуміння спостережуваного процесу, технічна реалізація стала складною інженерною задачею.

Потрібно було забезпечити високу швидкість передачі струму в Землю, як це відбувається в природних умовах, адже розміри планети величезні, а можливості експериментатора здавалися просто пилом порівняно з можливостями природи.

Але, удосконалюючи схеми живлення своїх осциляторів, і проводячи дослідження в лабораторії, Тесла, зрештою, знаходить рішення, він раптом розуміє яким чином створити потужні електричні збурення в Землі, щоб швидкість подачі електроенергії не поступалася природним.

Якщо дуже якісно заземлити многовиткову котушку, довжина проводу в якій буде дорівнює чверті довжини хвилі коливань, порушуваних осцилятором, та подати ці коливання на котушку, то в цій заземленій котушці виникнуть коливання максимальної сили, і дія в точці заземлення буде максимально можлива завдяки явищу електричного резонансу.

Якщо другий виток заземленої котушки з'єднати з металевим предметом достатньої кривизни, щоб заряд не втікав в атмосферу, а також підходящої електроємності, і підняти цей предмет на достатню висоту, то заряд в цій верхній точці буде максимально можливим, адже в проводі буде стояча електрична хвиля. Так, експериментуючи з заземленим резонансним контуром, вченому вдалося досягти руху електрики через систему зі швидкістю, яка перевищує природну блискавку.

Приймач цієї енергії представляв собою повітряний (без сердечника) трансформатор, первинна обмотка якого була такою ж, як передаюча котушка, і теж розташовувалася вертикально, також мала піднятий вгору металевий термінал, і теж була заземлена, а вторинна котушка складалася з декількох витків товстого дроту, які розташовувалися поблизу заземленого кінця первинної обмотки, і служили для подачі енергії на споживач.

Кроком удосконалення приймача була розробка своєрідного синхронного випрямляча, що складається з обертового комутатора, метою роботи якого була зарядка конденсатора на виході приймальної котушки, що підвищувало ефективність застосування прийнятої від передавача енергії.

Тесла особливо наголошував у своїх статтях, що розроблений ним метод бездротової передачі електричної енергії заснований на провідності, а не на випромінюванні. Якби система була заснована на випромінюванні, то було б просто неможливим передавати скільки-небудь значну кількість енергії на відстань.

20 травня 1891 року Нікола Тесла виступив з детальною лекцією в Колумбійському університеті, де представив співробітникам Американського інституту електроінженерії свої ідеї, і дещо проілюстрував, показавши наочні експерименти.У 1891 році Нікола Тесла, займаючись дослідженням змінних струмів високої напруги і високої частоти, приходить до висновку, що вкрай важливо для конкретних цілей як підбирати довжину хвилі, так і робочу напругу передавача, і зовсім не обов'язково робити частоту занадто високою.

Вчений зазначає, що нижня межа частот і напруг, при яких йому на той момент вдалося домогтися найкращих результатів, - від 15000 до 20000 коливань в секунду при потенціалі від 20000 вольт. Тесла отримував струм високої частоти і високої напруги, застосовуючи коливальний розряд конденсатора. Він зауважив, що даний вид електричного передавача придатний як для виробництва світла, так і для передачі електроенергії для виробництва світла.

В період з 1891 по 1894 роки вчений багаторазово демонструє бездротову передачу, і світіння вакуумних трубок у високочастотному електростатичному полі, при цьому відзначаючи, що енергія електростатичного поля поглинається лампою, перетворюючись у світло, а енергія електромагнітного поля, що використовується для електромагнітної індукції з метою отримання аналогічного результату, в основному відбивається, і лише мала її частка перетворюється в світло.

Навіть застосовуючи резонанс під час передачі з допомогою електромагнітної хвилі, значної кількості електричної енергії передати не вдасться, стверджував учений. Його метою в цей період роботи була саме передача великої кількості електричної енергії бездротовим способом.

Аж до 1897 року, паралельно з роботою Тесла, дослідження електромагнітних хвиль ведуть: Джагдіш Боше в Індії, Олександр Попов в Росії, і Гульєльмо Марконі в Італії.

Слідом за публічними лекціями Тесла, Джагдіш Боше виступає в листопаді 1894 року в Калькутті з демонстрацією бездротової передачі електрики, там він запалює порох, передавши електричну енергію на відстань. Енергія в системі Тесла передавалася через землю, а підняті термінали, що заряджаються до дуже високих напруг, взаємодіяли завдяки електричної провідності повітряних шарів, і енергія що передалась  практично була доступна в будь-якому місці планети, завдяки явищу електричного резонансу.

Після Боше, а саме 25 квітня 1895 року, Олександр Попов, використовуючи азбуку Морзе, передав перше радіоповідомлення, і ця дата (7 травня за новим стилем) тепер щорічно відзначається в Росії як «День Радіо».

У 1896 році Марконі, приїхавши до Великої Британії, продемонстрував свій апарат, передавши з допомогою азбуки Морзе сигнал на відстань 1,5 кілометра з даху будівлі поштамту в Лондоні на іншу будівлю. Після цього він удосконалив свій винахід і зумів передати сигнал на Солсберійській рівнині вже на відстані 3 кілометри.

Тесла в 1896 році вдало передає і приймає сигнали на відстані між передавачем і приймачем приблизно в 48 кілометрів. Проте значної кількості електричної енергії передати на велику відстань поки що нікому з дослідників не вдалося.

Експериментуючи в Колорадо-Спрінгс, в 1899 році Тесла напише: «Неспроможність методу індукції є величезною порівняно з методом збудження заряду землі і повітря». Це стане початком досліджень вченого, спрямованих на передачу електроенергії на значні відстані без використання проводів. В січні 1900 року Тесла зробить у своєму щоденнику запис про успішну передачу енергії на котушку, «винесену далеко в полі», від якої була запитана лампа. А самим грандіозним успіхом вченого стане запуск 15 червня 1903 року вежі Ворденкліфф на Лонг-Айленді, призначеної для передачі електричної енергії на значну відстань у великих кількостях без проводів. Заземлена вторинна обмотка резонансного трансформатора, увінчана мідним сферичним куполом, повинна була порушити заряд землі і провідні шари повітря, щоб стати елементом великого резонансного ланцюга. Так вченому вдалося живити 200 ламп по 50 Вт на відстані близько 40 кілометрів від передавача.  Енергія не передавалася випромінюванням, вона практично регенерувалась в приймачі. Вчений стверджував, що, розвинувши його технологію, можна буде бездротовим способом приймати електричну енергію в будь-якій необхідній кількості в будь-якій точці земної кулі. Однак, виходячи з економічної доцільності, фінансування проекту було припинено Морганом, який з самого початку вкладав гроші в проект з метою отримати бездротовий зв'язок, передача безкоштовної енергії в промислових масштабах на відстань його, як бізнесмена, категорично не влаштовувала. В 1917 році вежа, призначена для бездротової передачі електричної енергії, була зруйнована.

Метою перших демонстрацій було — показати новий спосіб отримання світла за допомогою використання для цього струмів високої частоти і високої напруги, а також розкрити особливості цих струмів. Справедливості заради відзначимо, що сучасні енергозберігаючі люмінесцентні лампи працюють саме на принципі, який якраз і запропонував для отримання світла Тесла.

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 осердя. 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, має вигляд двох масивних електродів з регульованим проміжком. 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 коливальні контури мають бути налаштовані на одну резонансну частоту. Зазвичай в процесі налагодження підлаштовують первинний контур під частоту вторинного через зміну 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, зображеної 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, включений паралельно, замикаючи джерело живлення (трансформатор), вимикає 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]

Конденсатор заряджається зовнішнім джерелом високої напруги на базі підвищувального низькочастотного трансформатора T1. Ємність конденсатора вибирається таким чином, щоби разом з індуктором вона становила резонансний контур з частотою резонансу, рівній власній частоті вторинного контура. Але дійсна ємність відрізнятиметься від розрахункової, бо частина енергії витрачається на «накачування» другого контуру. Напруга заряду обмежена напругою пробою розрядника, яку (в разі повітряного розрядника) можна регулювати, змінюючи відстань між електродами чи їх форму. Зазвичай напруга заряду конденсатора лежить у 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, складене з первинної котушки та конденсатора, залишається замкнутим через розрядник, і в ньому виникають високочастотні коливання. Коливання поступово затухають, переважно через втрати в розряднику і віддачу електромагнітної енергії на вторинну котушку, та тривають 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 гарні ефекти, пов'язані з утворенням різних видів газових розрядів.. Часто створюють трансформатори Тесли заради того, щоб подивитися на ці дивовижно гарні явища. Загалом 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 лише 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 є ідеальними, якщо потрібно отримати лише велику довжину стримера.

Різновиди цього типу: ACSGTC — трансформатори, на живлення яких подається невипрямлена 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 як ключі 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]