Трансформатор Тесла - своими руками

Никола Тесла родился 10 июля 1856 в Смиляне (Хорватия). Окончил Политехнический институт в Граце (1878) и Пражский университет (1880). Работал инженером в Будапеште и Париже. В 1884 приехал в Нью-Йорк, организовал собственную электротехническую лабораторию и вскоре создал первый генератор двухфазного переменного тока. Вслед за этим Тесла разработал несколько конструкций многофазных генераторов, электродвигателей и трансформаторов, а также системы передачи и распределения многофазных токов.

Позже в такую систему была включена гидроэлектростанция на Ниагарском водопаде мощностью 11 тыс. кВт. В 1888 он открыл (независимо от Г.Феррариса) явление вращающегося магнитного поля, на основе которого построил электрогенераторы высокой и сверхвысокой частот. В 1891 сконструировал резонансный трансформатор (трансформатор Тесла), позволяющий получать высокочастотные колебания напряжения с амплитудой до 10 6 В, и первым указал на физиологическое воздействие токов высокой частоты.

Он исследовал возможность беспроволочной передачи сигналов и энергии на значительные расстояния, в 1899 публично продемонстрировал лампы и двигатели, работающие на высокочастотном токе без проводов. Построил радиостанцию в Колорадо и радиоантенну в Лонг-Айленде. На свои изобретения Тесла получил более 100 патентов. Его именем названа единица измерения плотности магнитного потока (магнитной индукции). Среди наград ученого - медали Э.Крессиана, Дж.Скотта, Т.Эдисона.

Трансформатор Тесла - прекрасная игрушка для тех, кто хочет сделать что-то эдакое. Это устройство не перестает поражать окружающих мощью своих огромных разрядов. Более того, сам процесс конструирования трансформатора очень увлекателен - не часто так много физических эффектов сочетаются в одной несложной конструкции.

Принцип работы Трансформатора Тесла

Трансформатор Тесла состоит из двух обмоток[1] - 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.

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 качель - 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 наш красивущий стример.

Естественно, раскачивать качели нужно не абы-как, а в точном согласии с их собственными колебаниями. Количество колебаний качель в секунду называется "резонансная частота".

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.

Теперь рассмотрим ситуация, 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.

Итак, чем больше коэффициент связи, тем быстрее во вторичный контур накачивается энергия, но при этом выходное напряжение теслы получается меньше.

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 качель (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.

Основные виды катушек тесла

Сам Тесла изготавливал Трансформатор только одного типа - 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.). 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 английскими аббревиатурами

Основные детали катушки тесла.

Не смотря на то, что существует несколько видов катушек тесла, у всех них есть общие черты..

Тороид - выполняет три функции.

Первая - уменьшение резонансной частоты.

Вторая - накопление энергии перед образованием стримера. Чем больше тороид, тем больше в нем накоплено энергии и, в момент, когда воздух пробивается, тороид отдает эту энергию в стример, таким образом, увеличивая его. Для того, чтобы извлечь выгоду из этого явления в теслах с непрерывной накачкой энергии, используют прерыватель.

Третья - формирование электростатического поля, которое отталкивает стример от вторичной обмотки теслы. От части, эту функцию выполняет сама вторичная обмотка, но тороид может ей хорошо помочь. Именно по причине электростатического отталкивания стримера, он не бьет по кратчайшему пути во вторичку.

Вторичка - основная деталь теслы.

Типичное отношение длинны обмотки теслы к ее диаметру намотки 4:1 - 5:1.

Диаметр провода для намотки теслы обычно выбирают так, чтобы на вторичке помещалось 800-1200 витков. Витки на вторичке нужно располагать как можно плотнее друг к другу [5].

Для защиты от царапин и от разлезания витков, вторичные обмотки обычно покрывают лаками. Чаще всего для этого применяются эпоксидная смола и полиуретановый лак. Лакировать стоит очень тонкими слоями. Обычно, на вторичку, наносят минимум 3-5 тонких слоев лака.

Мотают вторичку на воздуховодных (белых) или, что хуже, канализационных (серых) ПВХ трубах. Найти эти трубы можно в любом строительном магазине.

Защитное кольцо - предназначено для того, чтобы стример, попав в первичную обмотку не вывел электронику из строя. Эта деталь устанавливается на теслу, если длинна стримера больше длинны вторичной обмотки. Представляет собой незамкнутый виток медного провода (чаще всего, немного толще, чем тот из которого изготавливается первичка). Защитное кольцо заземляется на общее заземление отдельным проводом.

Первичная обмотка - обычно изготавливается из медной трубы для кондиционеров. Должна обладать очень маленьким сопротивлением для того, чтобы по ней можно было пропускать большой ток. Толщину трубки обычно выбирают на глаз, в подавляющем большинстве случаев, выбор падает на 6 мм трубку. Также в качестве первички используют провода большего сечения.

Относительно вторичной обмотки устанавливается так, чтобы обеспечить нужный коэффициент связи.

Часто играет роль построечного элемента в тех теслах, где первичный контур является резонансным. Точку подключения к первичке делают подвижной и ее перемещением изменяют резонансную частоту первичного контура.

Первичные обмотки обычно делают цилиндрическими, плоскими или коническими.

Заземление - как не странно, тоже очень важная деталь теслы.

Стримеры бьют в землю, и таким образом они замыкают ток, показанный на картинке

синим цветом. Таким образом, если заземление будет плохое, стримерам будет некуда деваться и им придется бить в теслу (замыкать свой ток), вместо того, чтобы извергаться в воздух.

История и описание

Трансформатор Тесла на разряднике (или, что то же самое, на искровом промежутке) - это исторически самый первый вид трансформаторов Тесла. Сам Никола изготавливал только такие трансформаторы. В том числе и знаменитый "Уорденклиф" был построен по этой ж технологии.

Если взглянуть на схему, то этот вид трансформаторов покажется довольно простым. Однако практическая реализация этой схемы требует довольно труднодоступных и дорогих деталей. Тем не менее, сегодня этот тип остается самым распространенным. Причиной тому - очень красивые "ветвистые" и длинные стримеры. Этот вид обладает самым высоким отношением длина разряда/сложность изготовления.

Принцип функционирования

Изначально ток, отдаваемый высоковольтным трансформатором T1 заряжает конденсатор Cp через дроссель L1. Чем меньше индуктивность дросселя и емкость конденсатора, тем быстрее происходит заряд.

Со временем, напряжение на конденсаторе становится настолько высоким, что происходит пробой разрядника. Дуга в разряднике - прекрасный проводник, поэтому конденсатор Cp и катушка Lp оказываются соединены, образуя параллельный колебательный контур (Как только дуга разрывается, колебательный контур перестает существовать). Благодаря энергии, которая содержалась в конденсаторе, в этом контуре происходят колебания.

Во время этих колебаний, конденсатор и катушка обмениваются энергией, часть которой рассеивается в виде тепла в обмотке Lp, а часть создает светошумовые эффекты в разряднике.

Первичная и вторичная обмотки расположены рядом и поэтому, между ними существует магнитная связь. Благодаря этой связи, колебания тока в первичной обмотки наводят ток во вторичной обмотке.

Индуктивность Ls и емкость Cs ( Cs - сумма собственной емкости вторичной обмотки и тороида ) образуют еще один параллельный колебательный контур. Этот контур называется вторичным. Номиналы всех компонентов выбираются так, чтобы резонансные частоты первичного и вторичного контуров совпадали.

Энергия передается из первичного контура во вторичный, и, со временем, вся она окажется там. Этот момент называется "узел энергии первичной обмотки". Амплитуда колебаний и тока и напряжения первичной обмотки в этот момент становятся равной нулю. Однако процесс обмена энергии на этом не заканчивается.

В идеальной ситуации когда ток через первичную обмотку прекращается, разрядник G1 перестает проводить ток. К сожалению, на практике этого очень сложно добиться, разрядник продолжает проводить. Из-за этого, энергия возвращается обратно из вторичной обмотки в первичную. Так-же, как и в предыдущем абзаце, существует такой момент, когда вся энергия вторичной обмотки возвратиться обратно (этот момент называется узлом энергии вторичной обмотки). Энергия будет переходить из одного контура в другой до тех пор пока дуга в разряднике G1 не погаснет.

Когда дуга погаснет, оставшаяся энергия окажется "запертой" во вторичном контуре и постепенно рассеется, а конденсатор Cp начнет опять заряжаться через дроссель L1.

Дальше все повториться снова. Чем сильнее связаны контура (чем ближе одна катушка к другой), тем быстрее контура будут обмениваться энергией. Сильно маленький коэффициент связи ( меньше 0.05 ) приведет к тому, что вся энергия рассеется в первичном контуре, так и не добравшись во вторичный. Большой коэфицент связи потребует расположить первичную и вторичную обмотки рядом, из-за чего между ними будут проскакивать стримеры.

Разделение частот

Даже если оба контура (и первичный и вторичный) по отдельности имели одинаковую резонансную частоту, все меняется при появлении между контурами магнитной связи. Каждая катушка "видит" часть емкости противоположного контура, из-за этого резонансные частоты контуров расползаются. Чем больше коэффициент связи, тем большую часть емкости видит противоположная катушка и тем больше расползаются резонансные частоты.

Для чего нужен балласт?

Многие начинающие не понимают, для чего нужен балласт. Итак, балласт предназначен для того, чтобы:

Дать возможность дуге в разряднике G1 потухнуть. Если убрать балласт, разрядник будет замыкать высоковольтный трансформатор и тесла работать не будет.

Уменьшить ток зарядки емкости Cp. Если этого не сделать, ток через высоковольтный трансформатор может стать совсем неприличным и разрушить его.

Балласт так-же часто играет роль сетевого фильтра и не позволяет помехам из теслы вернуться в сеть и вывести из строя бытовую технику.

Как видно, балласт очень важная штука.