Teslův transformátor
Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Teslův transformátor je vysokofrekvenční transformátor vynalezený Nikolou Teslou. Pracuje na rezonančním principu, proto je třeba jeho obvody ladit pro dosažení nejlepšího výkonu. Slouží k získávání velmi vysokých napětí. Teslův transformátor je v podstatě zjednodušená verze tesla coil magnifieru, se kterým Nikola Tesla rád experimentoval.
Transformátor je tvořen dvěma souosými vzduchovými cívkami s různým počtem závitů. Zdrojem primárního vysokofrekvenčního napětí je tlumený jiskrový oscilátor (na pricipu jiskřiště), napájený např. z vysokonapěťového induktoru. Na sekundární cívce se běžně dosahuje napětí jednotek až desítek megavoltů (MV), podle velikosti transformátoru, jeho uspořádání, vyladění a zdroje primárního napětí.
Sekundární napětí uvedené velikosti se projevuje zřetelnými optickými jevy v podobě sršení, výbojů a také světélkováním blízkých (i zcela odpojených) výbojek, zářivek, atd.
Tesla zamýšlel využít transformátor pro dálkový přenos energie. Vzhledem k obtížím se zpětnou přeměnou vysokofrekvenční energie, složitostí jejího směrování, nízké účinnosti přenosu a velkým ztrátám vlivem vyzařování, silnému rušení veškerého rádiového spektra atd. se tento přenos průmyslově nevyužívá. Dosti je však oblíbené jeho využívání ve formě speciálního efektu - například na některých koncertech.
Obsah |
[editovat] Vysokonapěťová část
Sekundární vinutí je tvořeno velkým počtem závitů, realizovaných tenkým izolovaným vodičem na izolačním jádře. Spodní konec je uzemněný, na horní konec se pro zvýšení účinnosti nasazuje hladký kapacitní prvek, nejlépe kovový torus (v amatérských podmínkách se užívá i tenisový míček obalený staniolem).
Na spodní části je okolo sekundárního vinutí navinuto několik závitů primárního vinutí z tlustého drátu (s dostatečným odstupem proti probíjení). Toto vinutí s málo závity je připojené ke zdroji vysokofrekvenčního proudu. Díky tomu se okolo primárního vinutí tvoří střídavé magnetické pole, indukující v sekundárním vinutí vysoké napětí. Toto napětí je ještě znásobeno díky rezonanci.
Existuje několik druhů napájení, které se liší napájecím napětím, výkonem, složitostí, účinností a cenou. Mají ale jeden společný cíl: budí v primární cívce střídavé kmity.
[editovat] Způsoby napájení primárního obvodu
[editovat] Klasická TC s jiskřištěm (SGTC – Spark Gap Tesla Coil)
Jde o klasické zapojení, jaké používal Nikola Tesla. Je jednoduché na stavbu a dá se použít jak na miniaturní modely, tak i na zdroje s velkými výkony.
Nejsložitější součástí jiskřišťové TC je zdroj. Od zdroje se očekává, aby dával vysoké napětí – 5 až 20 kV. Může být střídavé s nízkou frekvencí, lepší výsledky poskytuje stejnosměrné. Existuje mnoho různých typů zdrojů, například:
- zapalovací cívka z auta (do 50 kV, malý proud, rychle střídavé a spojené se sítí)
- zdroj z televize nebo CRT monitoru (30 kV, stejnosměrné, malý proud)
- rozptylový transformátor na neonové trubice (5 kV, vysoký pracovní proud - asi 50 mA, drahý)
- transformátor z mikrovlnné trouby, tzv. MOT (3 kV, výborný proud 0,5 A)
- Villardův násobič (do 5 kV, velmi malý proud, možno zapojit za VN transformátor)
- transformátor ze sloupu (30 kV, desítky A, nevýhoda je v tom, že se pak o pokusy většinou zajímá i policie)
[editovat] TC s rotačním jiskřištěm
Pro vyšší požadované výkony a napětí normální jiskřiště ze šroubů nebo trubek přestává výkonově vyhovovat. Jednak se na něm ztrácí energie – primární obvod kmitá kratší dobu – a jednak se zahřívá. Tomu se předchází pohybem jiskřiště. Jedním z nejčastěji užívaných způsobů „nuceného jiskření“ je použití kotouče z plexiskla, na kterém je na okraji v pravidelných rozestupech několik kovových nýtů. Kotouč je namontovaný na motorek, který s ním otáčí stálou rychlostí (tzv. synchronní motor) a jak nýty procházejí těsně mezi kontakty jiskřiště, přeskakují jiskry, které rychle uhasnou, když se nýt vzdálí.
Na schématu nahoře je celé zapojení. Vlevo je zmíněný MOT z mikrovlnné trouby, ze síťových 230 V tvoří cca 2,5 kV (AC), je možné samozřejmě zapojit dva za sebe, tak získáme 5 kV. V kladné půlvlně prochází vysokonapěťovou diodou a nabíjí kondenzátor, v záporné je pochopitelně odpojené. (V tomto způsobu nabíjení je výhoda, že na výstupu z MOTu stoupá napětí plynule od nuly do 2,5 kV, takže diodou teče mírný nabíjecí proud a zdroj není na začátku nabíjecího cyklu zkratován, jako je tomu většinou u trvale běžících DC zdrojů zvykem.)
Toto zapojení funguje jako klasická jiskřišťová TC, s tím rozdílem, že se dá použít i pro obrovské výkony (viz [1] – přes 300 kW). Je možné na točení kotoučem použít i normální asynchronní motor, ale ten spíná v různých nevhodných fázích (kdy napětí na kondenzátoru je často dost malé).
[editovat] Klasická TC spínaná výkonovým tranzistorem (OLTC – Off-line Tesla Coil)
Jiskřiště je sice součástka jednoduchá, nastavitelná a prakticky nezničitelná, má ovšem i pár vad: při provozu vytváří dost elektromagnetického šumu na všech možných frekvencích a ozón, a hlavně je ztrátové.
Bylo by tedy záhodno nahradit jiskřiště nějakou výkonnou polovodičovou součástkou, která by spínala obvod místo něj.
Jako nejlepší kandidát by se mohl zdát tyristor – je to součástka přímo k podobnému účelu stavěná. (Je to víceméně spínač – má tři nožičky, dvě výkonnové, jednu řídicí, ze začátku je úplně nevodivý. Když se na řídicí nožičku přivede asi šest voltů, tak najednou úplně (tzv. lavinovitě) sepne a zůstává sepnutý, dokud je na silových nožičkách nějaký proud. Jeho jedinou nevýhodou tedy je, že se pořádně nedá vypnout, což by ovšem moc nevadilo.)
Tyristor se ale na OLTC použít nedá. Je tomu tak proto, že přece jenom nesepne úplně okamžitě. V primárním obvodu není skoro žádná zátěž a proud dosáhne maxima během pár milióntin vteřiny. Za tu dobu se nestačí „lavinovité sepnutí“ rozšířit po celém objemu křemíku, takže proud teče jen úzkým kanálem. Tyristor se může zničit, aniž bychom překročili jeho maximální proud. Takže ačkoli jsou tyristory při stejné ceně několikrát výkonnější spínače než tranzistory, k OLTC je použít nelze.
Rychleji spínají tranzistory IGBT.
OLTC se vyznačuje hlavně tímto:
- V primárním obvodu teče hodně velký proud, napětí je výrazně nižší než u SGTC. Kondenzátor má tedy vysokou kapacitu (několik uF) a na primární cívce naopak namotáme jen dva až tři závity.
- Je nutné doplnit diodu paralelně k IGBT. Ve skutečnosti je podobná dioda do každého IGBT zabudovaná, ale není dělaná na takový proud. Musíme ji tedy „nahradit“ jinou, vysokoproudou a vysokofrekvenční, aby se nepoškodilo IGBT. V kladné půlvlně tedy teče proud skrz IGBT, v záporné skrz diodu.
- Tranzistor IGBT je nutné nějak spínat. Nejlepší je k tomu použít nějaký generátor impulzů s regulovatelnou frekvencí (1 - 20 imp./s). Impulzy stačí dost krátké, jen na dobu zakmitání primárního obvodu. Před zdroj je dobré opět zařadit cívku - tlumivku.
Můžeme to tedy shrnout tak, že OLTC jsou oproti SGTC účinnější, neprská v nich jiskřiště a nejsou tak náročné na zdroj, jsou ovšem i výrazně méně odolné, dražší a nedají se použít na moc vysoké výkony. Moc se nepoužívají.
[editovat] SSTC jednočinná
[editovat] SSTC dvojčinná – mostové a polomostové zapojení
[editovat] VTTC
Je to Teslův transformátor, buzený výkonnou elektronkou - vhodná je pentoda,tetroda nebo trioda).
U větších elektronek, jako je například GU-81M (ruská vysílací pentoda), se používá k napájení MOT - transformátor z mikrovlné trouby. Pro VTTC existuje mnoho zapojení,nejčastější je však zapojení flyback. Toto zapojení je založeno na kladné zpětné vazbě ze zpětnovazebního (feedback) vinutí, zpětnou vazbou se obvod rozkmitá netlumenými kmity,kterými je buzeno primární vinutí. Je možno použít i hlasovou modulaci, ale jsou větší nároky na napájení.
[editovat] Twin TC
Twin TC je druh Teslova transformátoru obsahující dvojci samostatných transformátorů buzených společným jiskřišťovým obvodem. Pokud jsou sekundární vinutí těchto transformátorů navzájem opačně orientované, budou se výboje z toroidů navzájem přitahovat. Dosahuje zpravidla až dvojnásobné učinnosti.
[editovat] Napájení vysokým napětím
Klasické a elektronkové TC vyžadují napájení vysokým napětím (2 až 10 kV). Existuje řada přístupů, jak je získat:
MOT
Transformátor z mikrovlné trouby
+ 2 100 V při 0,5 A, výkon okolo 900W
- poddimenzováný- nutno použít tlumivku
VN trafo z televize
+ jednoduchost, bezpečnýsnadno sehnatelný(v každý televizi se "starou" obrazovkou)
- Malý výkon, až 30kV, proud je řádově v mikroA, nutnost budit na vysoké frekvenci, využití pro malé TC o malém výkonu.
NST
Rozptylové trafo pro neonové reklamní trubice
+ 10kV při 0,3 A, omezení proudu (není potřeba používat tlumivku jako u MOTu),
- při výkonu cca 1kW může vážít i 30 kg
