Tesla cívka. Stručná teorie |
Teslova cívka je vysokofrekvenční rezonanční transformátor bez feromagnetického jádra, se kterým je možné získat vysoké napětí na sekundárním vinutí. Pod vlivem vysokého napětí ve vzduchu dochází k elektrickému průrazu, podobnému výboji blesku. Zařízení vynalezl Nikola Tesla a nese jeho jméno.
Podle typu spínacího prvku primárního okruhu se Teslovy cívky dělí na jiskrové (SGTC – Spark gap Tesla coil), elektronkové (VTTC – Vacuum tube Tesla coil), tranzistorové (SSTC – Solid state Tesla coil, DRSSTC – Dual resonant solid state Tesla coil). Budu zvažovat pouze zapalovací cívky, které jsou nejjednodušší a nejběžnější. Podle způsobu nabíjení obvodového kondenzátoru se jiskrové cívky dělí na 2 typy: ACSGTC – Spark gap Tesla coil, a DCSGTC – Spark gap Tesla coil. V první variantě je kondenzátor nabíjen střídavým napětím, ve druhé je použito rezonanční nabíjení s přívodem konstantního napětí.
Cívka samotná je struktura sestávající ze dvou vinutí a torusu. Sekundární vinutí je válcové, navinuté na dielektrické trubici s měděným drátem vinutí, v jedné vrstvě, závit na závit, a obvykle má 500-1500 závitů. Optimální poměr průměru a délky vinutí je 1:3,5 – 1:6. Pro zvýšení elektrické a mechanické pevnosti je vinutí potaženo epoxidovým lepidlem nebo polyuretanovým lakem. Obvykle jsou rozměry sekundárního vinutí určeny na základě výkonu zdroje energie, to znamená vysokonapěťového transformátoru. Po určení průměru vinutí se délka zjistí z optimálního poměru. Dále se zvolí průměr drátu vinutí tak, aby se počet závitů přibližně rovnal obecně přijímané hodnotě. Kanalizační plastové trubky se obvykle používají jako dielektrické trubky, ale můžete si také vyrobit domácí trubku pomocí listů kreslicího papíru a epoxidového lepidla. Odsud se bavíme o středních cívkách s výkonem 1 kW a průměrem sekundárního vinutí 10 cm.
Dutý vodivý torus, obvykle vyrobený z vlnité hliníkové trubky, je instalován na horním konci trubky sekundárního vinutí pro odvod horkých plynů. V zásadě je průměr trubky zvolen stejný jako průměr sekundárního vinutí. Průměr torusu je obvykle 0,5-0,9 délky sekundárního vinutí. Torus má elektrickou kapacitu, která je určena jeho geometrickými rozměry, a funguje jako kondenzátor.
Primární vinutí je umístěno na spodní základně sekundárního vinutí a má spirálový plochý nebo kónický tvar. Obvykle se skládá z 5-20 závitů silného měděného nebo hliníkového drátu. Ve vinutí protékají vysokofrekvenční proudy, v důsledku čehož může mít kožní efekt významný vliv. Díky vysoké frekvenci je proud distribuován převážně v povrchové vrstvě vodiče, čímž se snižuje efektivní plocha průřezu vodiče, což vede ke zvýšení aktivního odporu a snížení amplitudy elektromagnetických kmitů. Nejlepší možností pro vytvoření primárního vinutí by proto byla dutá měděná trubice nebo plochá široká páska. Otevřený ochranný kroužek (Strike Ring) vyrobený ze stejného vodiče je někdy instalován nad primárním vinutím podél vnějšího průměru a uzemněn. Kroužek je navržen tak, aby zabránil vniknutí výbojů do primárního vinutí. Přerušení je nutné, aby se zabránilo protékání proudu prstencem, jinak magnetické pole vytvořené indukčním proudem oslabí magnetické pole primárního a sekundárního vinutí. Ochranný kroužek lze vynechat uzemněním jednoho konce primárního vinutí a výboj nezpůsobí poškození součástí cívky.
Koeficient vazby mezi vinutími závisí na jejich vzájemném uspořádání, čím blíže jsou, tím větší je koeficient. Pro zapalovací cívky je typická hodnota koeficientu K=0,1-0,3. Napětí na sekundárním vinutí závisí na tom, čím vyšší je vazební koeficient, tím vyšší je napětí. Nedoporučuje se však zvyšovat koeficient vazby nad normu, protože výboje začnou přeskakovat mezi vinutími a poškodí sekundární vinutí.
Diagram ukazuje nejjednodušší verzi Tesla cívky typu ACSGTC.
Princip činnosti Teslovy cívky je založen na rezonančním jevu dvou indukčně vázaných oscilačních obvodů. Primární oscilační obvod se skládá z kondenzátoru C1, primárního vinutí L1 a je spínán jiskřištěm, čímž vzniká uzavřený obvod. Sekundární oscilační obvod je tvořen sekundárním vinutím L2 a kondenzátorem C2 (torus s kapacitou musí být uzemněn); Když se vlastní frekvence primárního oscilačního obvodu shoduje s frekvencí sekundárního oscilačního obvodu, dojde k prudkému nárůstu amplitudy napětí a proudu v sekundárním obvodu. Při dostatečně vysokém napětí dochází k elektrickému průrazu vzduchu ve formě výboje vycházejícího z torusu. Je důležité pochopit, co je uzavřený sekundární okruh. Proud sekundárního obvodu protéká sekundárním vinutím L2 a kondenzátorem C2 (torus), dále vzduchem a zemí (protože je vinutí uzemněno), uzavřený obvod lze popsat následovně: zem-vinutí-torus-výboj-zem. Zachycující elektrické výboje tedy představují část proudu smyčky. Při vysokém odporu uzemnění budou výboje vycházející z torusu zasahovat přímo sekundární vinutí, což není dobré, proto je třeba provést kvalitní uzemnění.
Po určení rozměrů sekundárního vinutí a torusu lze vypočítat vlastní frekvenci sekundárního obvodu. Zde je nutné počítat s tím, že sekundární vinutí má kromě indukčnosti určitou kapacitu pro své značné rozměry, které je nutné při výpočtu zohlednit ke kapacitě torusu; Dále potřebujeme odhadnout parametry cívky L1 a kondenzátoru C1 primárního okruhu tak, aby se vlastní frekvence primárního okruhu blížila frekvenci sekundárního okruhu. Kapacita kondenzátoru primárního okruhu je obvykle 25-100 nF, na základě toho se vypočítá počet závitů primárního vinutí, v průměru by to mělo být 5-20 závitů. Při výrobě vinutí je nutné zvýšit počet závitů oproti vypočtené hodnotě pro následné doladění cívky do rezonance. Všechny tyto parametry lze vypočítat pomocí standardních vzorců z učebnice fyziky, na internetu jsou také knihy o výpočtu indukčnosti různých cívek. Existují také speciální kalkulačkové programy pro výpočet všech parametrů budoucí Tesla cívky.
Nastavení se provádí změnou indukčnosti primárního vinutí, to znamená, že jeden konec vinutí je připojen k obvodu a druhý není nikde připojen. Druhý kontakt je vytvořen ve formě svorky, kterou lze přenášet z jednoho závitu na druhý, takže není využito celé vinutí, ale pouze jeho část, tudíž se mění indukčnost a vlastní frekvence primárního obvodu. Nastavení se provádí během předběžných spouštění cívky; rezonance se posuzuje podle délky emitovaných výbojů. Existuje také metoda studeného ladění rezonance pomocí RF generátoru a osciloskopu nebo RF voltmetru, aniž by bylo nutné spouštět cívku. Je důležité si uvědomit, že elektrický výboj má kapacitu, v důsledku čehož se může vlastní frekvence sekundárního obvodu během provozu cívky mírně snížit. Uzemnění může mít také malý vliv na sekundární frekvenci.
Jiskřiště je spínací prvek v primárním oscilačním obvodu. Při poruše jiskřiště vlivem vysokého napětí v něm vznikne oblouk, který uzavře primární okruh a vznikají v něm vysokofrekvenční tlumené kmity, při kterých postupně klesá napětí na kondenzátoru C1. Po zhasnutí oblouku se obvodový kondenzátor C1 opět začne nabíjet ze zdroje a při dalším průrazu jiskřiště začíná nový oscilační cyklus.
Svodič se dělí na dva typy: statický a rotační. Statický vybíječ se skládá ze dvou blízko sebe umístěných elektrod, jejichž vzdálenost je nastavena tak, aby k elektrickému průrazu mezi nimi došlo v době, kdy je kondenzátor C1 nabit na své maximální napětí, nebo o něco menší než maximum. Přibližná vzdálenost mezi elektrodami je určena na základě elektrické síly vzduchu, která je za standardních podmínek prostředí přibližně 3 kV/mm, a také závisí na tvaru elektrod. Pro střídavé síťové napětí bude frekvence odezvy statického výboje (BPS – tepů za sekundu) 100 Hz.
Rotační jiskřiště (RSG) je vyrobeno na bázi elektromotoru, na jehož hřídeli je namontován kotouč s elektrodami, na každé straně kotouče jsou instalovány statické elektrody, takže při otáčení kotouče budou všechny elektrody kotouče létat mezi statickými elektrodami. Vzdálenost mezi elektrodami je minimální. U této verze je možné regulovat spínací frekvenci v širokém rozsahu ovládáním elektromotoru, což poskytuje více možností pro nastavení a ovládání cívky. Těleso motoru musí být uzemněno, aby bylo chráněno vinutí motoru před poruchou při vystavení vysokonapěťovému výboji.
Jako obvodový kondenzátor C1 jsou použity kondenzátorové sestavy (MMC – Multi Mini Capacitor) sériově a paralelně zapojených vysokonapěťových vysokofrekvenčních kondenzátorů. Obvykle se používají keramické kondenzátory typu KVI-3 a také filmové kondenzátory typu K78-2. V poslední době se plánuje přechod na papírové kondenzátory typu K75-25, které se v provozu docela osvědčily. Pro spolehlivost by jmenovité napětí sestavy kondenzátoru mělo být 1,5-2krát vyšší než špičkové napětí zdroje energie. Pro ochranu kondenzátorů před přepětím (vysokofrekvenční impulsy) je paralelně k celé sestavě instalována vzduchová mezera. Svodičem mohou být dvě malé elektrody.
Jako zdroj energie pro nabíjení kondenzátorů se používá vysokonapěťový transformátor T1 nebo několik transformátorů zapojených do série nebo paralelně. V zásadě začínající stavitelé Tesly používají transformátor do mikrovlnné trouby (MOT – Microwave Oven Transformer), jehož výstupní střídavé napětí je ~2,2 kV, výkon cca 800 W. V závislosti na jmenovitém napětí obvodového kondenzátoru jsou sériově zapojeny 2 až 4 MOTy. Použití pouze jednoho transformátoru se nedoporučuje, protože kvůli malému výstupnímu napětí bude mezera v svodiči velmi malá, což má za následek nestabilní výsledky činnosti cívky. Motory mají nevýhody, jako je nízká elektrická pevnost, nejsou určeny pro dlouhodobý provoz a při velkém zatížení se velmi zahřívají, proto často selhávají. Rozumnější je použití speciálních olejových transformátorů typu OM, OMP, OMG, které mají výstupní napětí 6,3 kV, 10 kV a výkon 4 kW, 10 kW. Můžete si také vyrobit domácí vysokonapěťový transformátor. Při práci s vysokonapěťovými transformátory by se nemělo zapomínat na bezpečnostní opatření, vysoké napětí je životu nebezpečné, tělo transformátoru musí být uzemněno. V případě potřeby lze instalovat autotransformátor do série s primárním vinutím transformátoru pro regulaci nabíjecího napětí obvodového kondenzátoru. Výkon autotransformátoru nesmí být menší než výkon transformátoru T1.
Tlumivka Lд v napájecím obvodu je nezbytná pro omezení zkratového proudu transformátoru při poruše svodiče. Nejčastěji je tlumivka umístěna v obvodu sekundárního vinutí transformátoru T1. Díky vysokému napětí může požadovaná indukčnost tlumivky nabývat velkých hodnot od jednotek až po desítky Henry. V této verzi musí mít dostatečnou elektrickou pevnost. Se stejným úspěchem může být tlumivka instalována v sérii s primárním vinutím transformátoru, takže zde není vyžadována vysoká elektrická pevnost, potřebná indukčnost je o řád nižší a činí desítky, stovky milihenrie. Průměr drátu vinutí nesmí být menší než průměr drátu primárního vinutí transformátoru. Indukčnost tlumivky se vypočítá ze vzorce pro závislost indukčního odporu na frekvenci střídavého proudu.
Nízkofrekvenční filtr (LPF) je navržen tak, aby zabránil pronikání vysokofrekvenčních impulsů z primárního okruhu do obvodu tlumivky a sekundárního vinutí transformátoru, tedy k jejich ochraně. Filtr může mít tvar L nebo U. Mezní frekvence filtru je zvolena tak, aby byla řádově menší než rezonanční frekvence oscilačních obvodů cívky, ale mezní frekvence musí být mnohem větší než pracovní frekvence jiskřiště.
Při rezonančním nabíjení obvodového kondenzátoru (typ cívky DCSGTC) se na rozdíl od ACSGTC používá konstantní napětí. Napětí sekundárního vinutí transformátoru T1 je usměrněno pomocí diodového můstku a vyhlazeno kondenzátorem Cv Kapacita kondenzátoru by měla být řádově větší než kapacita obvodového kondenzátoru C1, aby se snížily pulzace stejnosměrného napětí. Hodnota kapacity je obvykle 1-5 μF, jmenovité napětí pro spolehlivost se volí 1,5-2krát větší než amplitudově usměrněné napětí. Místo jednoho kondenzátoru můžete použít kondenzátorové sestavy, pokud možno nezapomenout na vyrovnávací odpory při zapojení více kondenzátorů do série.
Jako můstkové diody se používají sériově zapojené vysokonapěťové diodové sloupky typu KC201 a další Jmenovitý proud diodových sloupků musí být větší než jmenovitý proud sekundárního vinutí transformátoru. Zpětné napětí sloupců diod závisí na usměrňovacím obvodu, z důvodu spolehlivosti by mělo být zpětné napětí diod 2x větší než hodnota amplitudy napětí. Je možné vyrobit si podomácku vyrobené diodové sloupky zapojením konvenčních usměrňovacích diod do série (např. 1N5408, Uобр = 1000 V, Iном = 3 A) pomocí vyrovnávacích odporů.
Místo standardního usměrňovacího a vyhlazovacího obvodu můžete sestavit zdvojovač napětí ze dvou diodových sloupků a dvou kondenzátorů.
Princip činnosti rezonančního nabíjecího obvodu je založen na jevu samoindukce tlumivky Lд a také na použití omezovací diody VD®. V okamžiku, kdy je kondenzátor C1 vybitý, začne tlumivkou protékat proud zvyšující se podle sinusového zákona, přičemž se v tlumivce akumuluje energie ve formě magnetického pole a kondenzátor se nabíjí, přičemž akumuluje energii ve formě elektrického pole. Napětí na kondenzátoru stoupne na napětí napájecího zdroje, přičemž maximální proud protéká tlumivkou a úbytek napětí na ní je nulový. V tomto případě se proud nemůže okamžitě zastavit a pokračuje v toku ve stejném směru kvůli přítomnosti samoindukce tlumivky. Kondenzátor pokračuje v nabíjení, dokud se napětí zdroje nezdvojnásobí. Oddělovací dioda je potřebná k zabránění toku energie z kondenzátoru zpět do zdroje energie, protože mezi kondenzátorem a zdrojem energie se objevuje rozdíl potenciálů rovný napětí zdroje. Ve skutečnosti napětí na kondenzátoru nedosahuje dvojnásobné hodnoty, kvůli přítomnosti poklesu napětí na sloupci diody.
Použití rezonančního náboje umožňuje efektivnější a rovnoměrný přenos energie do primárního okruhu, přičemž pro získání stejného výsledku (z hlediska délky vybití) vyžaduje DCSGTC méně energie ze zdroje energie (transformátor T1) než ACSGTC. Výboje získávají charakteristický plynulý ohyb díky stabilnímu napájecímu napětí, na rozdíl od ACSGTC, kde k další konvergenci elektrod v RSG může dojít v čase v libovolném úseku sinusového napětí, včetně dopadu na nulové nebo nízké napětí a v důsledku toho i proměnná délka výboje (trhaný výboj).
Níže na obrázku jsou vzorce pro výpočet parametrů Teslovy cívky:
Navrhuji, abyste se seznámili s mými zkušenostmi se stavbou Tesla cívky vlastníma rukama.