Tesla transformator
Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 19 september 2020; kontroller kräver 40 redigeringar .Tesla transformator , eller Tesla coil ( eng. Tesla coil ) är en enhet som uppfanns av Nikola Tesla och bär hans namn. Det är en resonanstransformator som producerar hög spänning vid hög frekvens. Enheten patenterades den 22 september 1896 som "Apparat för produktion av elektriska strömmar med hög frekvens och potential" [1] .
Hur det fungerar
Tesla-transformatorn är baserad på användningen av resonerande stående elektromagnetiska vågor i spolar. Dess primärlindning innehåller ett litet antal varv och är en del av en gnistoscillerande krets , som också inkluderar en kondensator och ett gnistgap. Sekundärlindningen är en rak trådspole. Om oscillationsfrekvensen för primärlindningens oscillationskrets sammanfaller med frekvensen för en av de naturliga svängningarna (stående vågorna) i sekundärlindningen, på grund av resonansfenomenet i sekundärlindningen, kommer en stående elektromagnetisk våg att uppstå och en hög växelspänning visas mellan spolens ändar [2] .
Funktionen av en resonanstransformator kan förklaras med exemplet på en vanlig svängning. Om de svängs i det forcerade oscillationsläget kommer den maximala uppnådda amplituden att vara proportionell mot den applicerade kraften. Om du svänger i läget för fria svängningar, växer den maximala amplituden många gånger med samma ansträngningar. Så är det med Tesla-transformatorn - den sekundära oscillerande kretsen fungerar som en svängning, och generatorn fungerar som den applicerade ansträngningen. Deras konsistens ("trycker" strikt vid rätt tidpunkt) tillhandahålls av primärkretsen eller masteroscillatorn (beroende på enheten).
Den enklaste Tesla-transformatorn inkluderar en ingångstransformator, en induktor som består av två lindningar - primär och sekundär, ett gnistgap (brytare, den engelska versionen av Spark Gap finns ofta), en kondensator , en toroid (används inte alltid) och en terminal (visas i diagrammet som "output").
Primärlindningen innehåller vanligtvis bara några få varv kopparrör eller tråd med stor diameter, och sekundärlindningen innehåller cirka 1000 varv tråd med mindre tvärsnittsarea. Primärspolen kan vara platt (horisontell), konisk eller cylindrisk (vertikal). Till skillnad från konventionella transformatorer finns det ingen ferromagnetisk kärna här. Således är den inbördes induktansen mellan de två spolarna mycket mindre än i transformatorer med en ferromagnetisk kärna. Den primära spolen, tillsammans med kondensatorn, bildar en oscillerande krets , som inkluderar ett icke-linjärt element - ett gnistgap.
Avledaren, i det enklaste fallet, en vanlig gas, består av två massiva elektroder med ett justerbart gap. Elektroderna måste vara motståndskraftiga mot flödet av höga strömmar genom en elektrisk ljusbåge mellan dem och ha god kylning.
Sekundärspolen bildar också en oscillerande krets , där kondensatorns roll huvudsakligen utförs av toroidens kapacitans och dess egen interturnkapacitans för själva spolen. Sekundärlindningen är ofta belagd med ett lager epoxi eller lack för att förhindra elektriska haverier .
Terminalen kan göras i form av en skiva, en vässad stift eller en sfär och är utformad för att producera förutsägbara gnisturladdningar av stor längd.
Således består Tesla-transformatorn av två sammankopplade oscillerande kretsar, vilket bestämmer dess anmärkningsvärda egenskaper och är dess huvudsakliga skillnad från konventionella transformatorer. För full drift av transformatorn måste dessa två oscillerande kretsar vara avstämda till samma resonansfrekvens. Vanligtvis, under inställningsprocessen, justeras primärkretsen till sekundärens frekvens genom att ändra kondensatorns kapacitans och antalet varv av primärlindningen tills den maximala spänningen erhålls vid transformatorns utgång.
Fungerar
Tesla-transformatorn av den enklaste designen i fråga, som visas i diagrammet, arbetar i ett pulsat läge. Den första fasen är laddningen av kondensatorn upp till avledarens genomslagsspänning. Den andra fasen är genereringen av högfrekventa oscillationer i primärkretsen. Ett gnistgap kopplat parallellt , stänger strömkällan (transformator), utesluter den från kretsen, annars introducerar strömkällan vissa förluster i primärkretsen och minskar därmed dess kvalitetsfaktor . I praktiken kan denna påverkan reducera längden på urladdningen många gånger, därför, i Teslas transformatorkrets, är avledaren alltid placerad parallellt med strömkällan.
Ladda
Kondensatorn laddas av en extern högspänningskälla baserad på en step-up lågfrekvent transformator. Kapacitansen för kondensatorn väljs så att den tillsammans med induktorn bildar en resonanskrets med en resonansfrekvens lika med högspänningskretsen. Frekvensen kommer dock att skilja sig från den som beräknas med Thomson-formeln , eftersom det finns märkbara förluster i primärkretsen för att "pumpa" den andra kretsen. Laddspänningen begränsas av avledarens genomslagsspänning, som (vid luftgap) kan justeras genom att ändra avståndet mellan elektroderna eller deras form. Typiskt ligger kondensatorns laddningsspänning i intervallet 2-20 kilovolt.
Generation
Efter att ha nått genombrottsspänningen mellan avledarens elektroder uppstår ett lavinliknande elektriskt sammanbrott av gasen i den. Kondensatorn laddas ur genom avledaren till spolen. Efter urladdningen av kondensatorn minskar avledarens genomslagsspänning kraftigt på grund av de återstående laddningsbärarna ( jonerna ) i gasen. Därför förblir kretsen för den oscillerande kretsen , bestående av en primärspole och en kondensator, stängd genom gnistgapet, och högfrekventa oscillationer uppstår i den. Svängningarna dämpas gradvis, främst på grund av förluster i gnistgapet och i sekundärkretsen, men fortsätter tills strömmen skapar tillräckligt många laddningsbärare för att upprätthålla urladdningen. Resonanssvängningar uppstår i sekundärkretsen, vilket leder till uppkomsten av en hög spänning vid terminalen .
Tesla transformator modifieringar
I alla typer av Tesla-transformatorer förblir det huvudsakliga strukturelementet - de primära och sekundära kretsarna - oförändrade. Men en av dess delar - generatorn av högfrekventa svängningar kan ha en annan design. Förkortningarna för DC-drivna Tesla-spolar inkluderar ofta bokstäverna DC, som DCSGTC .
För tillfället finns det:
- SGTC ( eng. spark-gap Tesla coil ) - en klassisk Tesla coil - oscillationsgeneratorn är gjord på ett gnistgap (avledare). För Tesla-transformatorer med hög effekt, tillsammans med konventionella (statiska) avledare, används mer komplexa avledaredesigner. Till exempel kan RSG (från engelska rotary spark gap , översättas som ett roterande/roterande gnistgap) eller ett statiskt gnistgap med extra ljusbågssläckare. I det här fallet är det tillrådligt att välja frekvensen för gapoperationen synkront med frekvensen för att ladda kondensatorn, och kretsen i detta fall är närmare bilden och inte på det sätt som den beskrivs här. Konstruktionen av ett roterande gnistgap använder en motor (vanligtvis en elektrisk motor ) för att rotera en skiva med elektroder som närmar sig (eller helt enkelt stänger) de matchande elektroderna för att slutföra den primära kretsen. Axelns rotationshastighet och kontakternas placering väljs baserat på den erforderliga frekvensen för upprepning av oscillationspaket. Man skiljer på synkrona och asynkrona roterande gnistgap beroende på motorstyrningen. Användningen av ett roterande gnistgap minskar också avsevärt sannolikheten för en parasitisk båge mellan elektroderna . Ibland ersätts ett konventionellt statiskt gnistgap med ett statiskt gnistgap i flera steg. För att kyla avledare placeras de ibland i flytande eller gasformiga dielektrikum, såsom olja. En typisk teknik för att släcka en ljusbåge i ett statiskt gnistgap är att rensa elektroderna med en kraftig luftstråle. Ibland kompletteras den klassiska designen med ett andra, skyddande gnistgap. Dess uppgift är att skydda matningen (lågspänningsdelen) från högspänningsöverspänningar.
- Tesla tube coil (LCT) ( Engelsk vakuum-tube Tesla coil, VTTC ). Den använder elektronrör som en generator för RF-svängningar . Vanligtvis är dessa kraftfulla generatorlampor, som GU-81, men det finns också lågeffektsdesigner. En av funktionerna är frånvaron av behovet av högspänning. För att få relativt små urladdningar räcker det med 300-600 V. Dessutom avger VTTC praktiskt taget inte brus som uppstår när Tesla-spolen arbetar på gnistgapet.
- SSTC ( solid-state Tesla coil ) - generatorn är gjord på halvledare . Den innehåller en masteroscillator (med justerbar frekvens, form, pulslängd) och strömbrytare (kraftfulla MOSFET -transistorer med fälteffekt). Denna typ av Tesla-spolar är den mest intressanta av flera skäl: genom att ändra typen av signal på tangenterna kan du radikalt ändra utseendet på urladdningen. Dessutom kan generatorns RF-signal moduleras med en ljudsignal, till exempel musik - ljudet kommer från själva urladdningen. Ljudmodulering är dock möjlig (med mindre modifieringar) i VTTC. Andra fördelar inkluderar låg matningsspänning och frånvaron av ett bullrigt gnistgap, som i SGTC.
- DRSSTC ( eng. dual resonant solid-state Tesla coil ) - på grund av dubbel resonans är urladdningarna från denna typ av spolar mycket större än de för konventionella SSTC. För att pumpa primärkretsen används en halvledarnyckelgenerator - IGBT- eller MOSFET- transistorer.
- QCW DRSSTC ( eng. quasi-continious wave ) är en speciell typ av Tesla-transistorspolar, kännetecknad av den så kallade mjuka pumpningen: gradvis och jämn (snarare än en skarp stöt, som i konventionella spolar), en ökning av ett antal parametrar, (nämligen: spänning primärkrets och primärkretsström, och eventuellt sekundärkretsspänning). I en klassisk Tesla-impulsspole sker strömtillväxten i primärlindningen vanligtvis under en tidsperiod som är jämförbar med varaktigheten av perioden (från 2–3 till 7–10 eller fler perioder) av resonansfrekvensen, det vill säga över en tid i storleksordningen tiotals till hundratals mikrosekunder. I QCW är stigtiden tiotals millisekunder, det vill säga mer med ungefär två storleksordningar. Ett enkelt exempel på nära QCW är Teslas rörskiftarspolar. På grund av den sinusformade signalen med en frekvens på 50 hertz uppstår en halvjämn pumpeffekt vid dess utgång, vilket ger en ganska imponerande ökning av urladdningens längd i förhållande till ett typiskt hårt avbrott (längs katoden, eller gallret). Som ett resultat av denna teknik uppnås en karakteristisk typ av blixt i form av långa och nästan raka svärdsformade urladdningar, vars längd är många gånger större än längden på lindningen av sekundärlindningen. Faktum är att den totala spänningen vid QCW DRSSTC-terminalen aldrig når nedbrytningsspänningen för sekundärlindningen: den förblir alltid ganska liten, tiotals kilovolt. En streamer som har uppstått vid låg spänning fortsätter att matas med energi under hela pumptiden, och växer därför uppåt längs fältkraftslinjerna, istället för att bryta igenom sidan av toroid till anslaget. Det är för detta som smidig pumpning görs i Tesla-spolar. På grund av denna teknik uppnås följande effekt: till en början uppträder en liten urladdning, som sedan växer inte med hög hastighet och bryter igenom plasmakanalen i en slumpmässig riktning, men i en låg (så att denna utvecklingsprocess kan till och med filmas med vanliga videokameror), vilket gör att den inte grenar och är enorm i förhållande till längden på den sekundära lindningslängden. Faktum är att vi hela tiden värmer upp en liten urladdning som har uppstått, som förlängs i takt med att energi pumpas in i sekundärlindningen. Men spänningen vid utgången av en sådan Tesla-spole är liten och överstiger inte tiotals kilovolt.
Teslas förstoringsspolar ingår också i en separat kategori.
Använda Tesla Transformer
Utspänningen från en Tesla-transformator kan nå flera miljoner volt . Denna spänning vid frekvensen av luftens minsta elektriska styrka kan skapa imponerande elektriska urladdningar i luften, som kan vara många meter långa. Dessa fenomen fascinerar människor av olika anledningar, så Tesla-transformatorn används som ett dekorativt föremål.
Transformatorn användes av Tesla för att generera och sprida elektriska svängningar som syftar till att kontrollera enheter på avstånd utan ledningar ( radiokontroll ), trådlös dataöverföring ( radio ) och trådlös kraftöverföring . I början av 1900-talet fann Tesla-transformatorn också populär användning inom medicin . [3] [4] Patienterna behandlades med svaga högfrekventa strömmar, som, som flödade genom ett tunt lager av hudytan, inte skadade de inre organen (se: hudeffekt , Darsonvalization ), samtidigt som de utövade en "tonic" och "läkande" effekt.
Det är fel att anta att Tesla-transformatorn inte har en bred praktisk tillämpning. Den används för att tända gasurladdningslampor och för att hitta läckor i vakuumsystem. Dess huvudsakliga användning idag är dock kognitiv och estetisk. Detta beror främst på betydande svårigheter när det är nödvändigt att kontrollera valet av högspänningskraft, eller ännu mer att överföra den till ett avstånd från transformatorn, eftersom enheten i detta fall oundvikligen går ur resonans och kvaliteten faktorn för sekundärkretsen och spänningen på den reduceras också avsevärt.
Effekter som observerats under driften av Tesla-transformatorn
Under drift skapar Tesla-spolen vackra effekter förknippade med bildandet av olika typer av gasutsläpp . Många människor samlar på Tesla-transformatorer för att titta på dessa imponerande, vackra fenomen. I allmänhet producerar Tesla-spolen 4 typer av urladdningar:
- Streamer (från engelska Streamer ) - svagt glödande tunna grenade kanaler som innehåller joniserade gasatomer och fria elektroner splittras från dem. Den strömmar från spolens terminal (eller från de skarpaste, krökta BB-delarna) av spolen direkt i luften, utan att gå ner i marken, eftersom laddningen strömmar jämnt från utloppsytan genom luften till marken. Streamern är i själva verket den synliga joniseringen av luft (glöd av joner) som skapas av transformatorns HV-fält.
- Spark (från engelska Spark ) är en gnistanladdning . Går från terminalen (eller från de skarpaste, krökta BB-delarna) direkt ner i marken eller in i ett jordat föremål. Det är ett knippe av ljusa, snabbt försvinnande eller ersätter varandra filamentösa, ofta mycket grenade remsor - gnistkanaler. Det finns också en speciell sorts gnisturladdning - en glidande gnisturladdning.
- Koronaurladdning är glöden av luftjoner i ett högspännings elektriskt fält . Skapar ett vackert blåaktigt sken runt BB-delarna av strukturen med en kraftig ytkrökning.
- Bågarladdning - bildas i många fall. Till exempel, med tillräcklig effekt på transformatorn, om ett jordat föremål förs nära dess terminal, kan en ljusbåge antändas mellan den och terminalen (ibland måste du röra objektet direkt till terminalen och sedan sträcka ut bågen, dra tillbaka föremål för ett större avstånd). Detta gäller särskilt för Tesla-rörspolar. Om spolen inte är tillräckligt stark och pålitlig nog, kan den provocerade bågarladdningen skada dess komponenter.
Du kan ofta observera (särskilt nära kraftfulla spolar) hur urladdningar går inte bara från själva spolen (dess terminal, etc.), utan också mot den från jordade föremål. Dessutom kan koronaurladdning förekomma på sådana föremål . I sällsynta fall kan en glödurladdning också observeras . Det är intressant att notera att vissa joniska kemikalier som appliceras på urladdningsterminalen kan ändra färgen på urladdningen. Till exempel ändrar natriumjoner den vanliga gnistfärgen till orange och bor ändras till grönt.
Driften av en resonanstransformator åtföljs av ett karakteristiskt elektriskt knaster. Utseendet på detta fenomen är förknippat med omvandlingen av streamers till gnistkanaler (se artikeln gnistanladdning ), vilket åtföljs av en kraftig ökning av strömstyrkan och mängden energi som frigörs i dem. Varje kanal expanderar snabbt, trycket stiger abrupt i den, som ett resultat av vilket en stötvåg uppstår vid dess gränser . Kombinationen av stötvågor från de expanderande gnistkanalerna genererar ett ljud som uppfattas som en "spricka" av en gnista.
Effekter på människokroppen
Som en källa till högspänning kan Tesla-transformatorn vara dödlig. Detta gäller särskilt för tunga installationer på lampor eller fälteffekttransistorer. Hur som helst kännetecknas även Tesla-transformatorer med låg effekt av frigöring av högspänningsenergi med hög frekvens, vilket kan orsaka lokala skador på huden i form av dåligt läkande brännskador. För Tesla-transformatorer med medeleffekt (50-150 watt ) kan sådana brännskador orsaka skador på nervändarna och betydande skador på de subkutana lagren inklusive skador på muskler och ligament. Tesla-transformatorer med gnistexcitation är mindre farliga vad gäller brännskador, däremot orsakar högspänningsurladdningar följt av pauser mer skada på nervsystemet och kan orsaka hjärtstopp (hos personer med hjärtproblem). Hur som helst är den skada som kan orsakas av högfrekventa kraftfulla generatorer, som inkluderar Tesla-transformatorer, rent individuella och beror på organismens egenskaper och det mentala tillståndet hos en viss person.
Det är ett faktum att kvinnor reagerar mest akut på strålningen från kraftfulla radiofrekvensapparater respektive, och reaktionen hos kvinnor är mer akut än hos män. Till Tesla-transformatorn, såväl som till alla elektriska apparater, bör barn inte tillåtas utan vuxens uppsikt.
Det finns dock en annan åsikt angående vissa typer av Tesla-transformatorer. Eftersom högfrekvent högspänning har en hudeffekt , trots potentialen på miljontals volt, kan en urladdning i människokroppen inte orsaka hjärtstopp eller andra allvarliga skador på kroppen som är oförenliga med liv.
Däremot kan andra högspänningsgeneratorer, såsom högspännings-TV-multiplikatorn och andra inhemska högspänningslikströmsgeneratorer, som har en ojämförligt lägre utspänning (i storleksordningen 25 kV), vara dödliga. Allt detta beror på att ovanstående omvandlare använder en frekvens på 50 hertz (i en klassisk TV-multiplikator är frekvensen cirka 15 kHz, på bildskärmar ännu högre), därför finns det ingen hudeffekt, eller så är den försvinnande svag, och den nuvarande kommer att flöda genom en persons inre organ (livsfarligt anses vara en ström på tiotals mA).
En något annorlunda bild med statisk elektricitet , som kan chocka mycket känsligt vid urladdning (vid beröring av metall), men det är inte dödligt, eftersom den statiska laddningen är relativt liten. En annan fara som lurar när du använder en Tesla-transformator är ett överskott av ozon i blodet, vilket kan leda till huvudvärk , eftersom stora delar av denna gas produceras under driften av enheten.
Se även
Anteckningar
- ↑ U.S. Patent No. 568,176, September 22, 1896. Apparat för att producera elektriska strömmar med hög frekvens och potential . Beskrivning av patentet på US Patent and Trademark Offices webbplats .
- ↑ Kalashnikov S. G. , Electricity, M., GITTL, 1956, kap. XII "Elektromagnetiska vågor längs ledningar", s. 261 "Stående vågor i spolar", sid. 592-593.
- ↑ Tesla transformator // Bibliotek. Rymdutforskningsprojekt.
- ↑ Rzhonsnitsky B.N. Nikola Tesla .
Länkar
- Tesla transformator som en pump av laddningar från jorden. Parameterberäkning
- Demidov Pavel. Gör-det-själv Tesla-transformator (ryska) ? . Intellektuell klubb Kalejdoskop . // intelogic.ru (13 november 2018). Tillträdesdatum: 19 april 2021.
 Ordböcker och uppslagsverk | |
|---|---|
| I bibliografiska kataloger |
| Nikola Tesla | ||
|---|---|---|
| Karriär och uppfinningar |
| |
| Övrig |
| |
| Relaterade artiklar |
| |
| Högspänningsgeneratorer | ||
|---|---|---|
| Elektrostatisk | ||
| elektromagnetiska | ||
| Elektronisk |
| |