Tesla transformer
Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 19. september 2020; checks kræver 40 redigeringer .Tesla transformer eller Tesla coil ( eng. Tesla coil ) er en enhed opfundet af Nikola Tesla og bærer hans navn. Det er en resonanstransformator, der producerer højspænding ved høj frekvens. Enheden blev patenteret den 22. september 1896 som "Apparat til produktion af elektriske strømme med høj frekvens og potentiale" [1] .
Sådan virker det
Tesla-transformatoren er baseret på brugen af resonansstående elektromagnetiske bølger i spoler. Dens primære vikling indeholder et lille antal vindinger og er en del af et gnistoscillerende kredsløb , som også inkluderer en kondensator og et gnistgab. Den sekundære vikling er en lige trådspole. Hvis oscillationsfrekvensen af primærviklingens oscillationskredsløb falder sammen med frekvensen af en af de naturlige svingninger (stående bølger) i sekundærviklingen, vil der på grund af resonansfænomenet i sekundærviklingen opstå en stående elektromagnetisk bølge og en høj vekselspænding vil fremkomme mellem enderne af spolen [2] .
Driften af en resonanstransformator kan forklares ved at bruge eksemplet med en almindelig svingning. Hvis de svinges i tvungen oscillationstilstand, vil den maksimale opnåede amplitude være proportional med den påførte kraft. Hvis du svinger i tilstanden med frie svingninger, vokser den maksimale amplitude mange gange med samme indsats . Sådan er det med Tesla-transformatoren - det sekundære oscillerende kredsløb fungerer som et sving, og generatoren fungerer som den anvendte indsats. Deres konsistens ("skubber" strengt på det rigtige tidspunkt) leveres af det primære kredsløb eller masteroscillatoren (afhængigt af enheden).
Den enkleste Tesla-transformator inkluderer en inputtransformator, en induktor bestående af to viklinger - primær og sekundær, et gnistgab (afbryder, den engelske version af Spark Gap findes ofte), en kondensator , en toroid (ikke altid brugt) og en terminal (vist i diagrammet som "output").
Den primære vikling indeholder normalt kun nogle få vindinger kobberrør eller tråd med stor diameter, og den sekundære vinding indeholder omkring 1000 vindinger tråd med et mindre tværsnitsareal. Den primære spole kan være flad (vandret), konisk eller cylindrisk (lodret). I modsætning til konventionelle transformere er der ingen ferromagnetisk kerne her. Således er den indbyrdes induktans mellem de to spoler meget mindre end i transformere med en ferromagnetisk kerne. Den primære spole danner sammen med kondensatoren et oscillerende kredsløb , som inkluderer et ikke-lineært element - et gnistgab.
Aflederen, i det enkleste tilfælde, en almindelig gas, består af to massive elektroder med et justerbart mellemrum. Elektroderne skal være modstandsdygtige over for strømmen af høje strømme gennem en elektrisk lysbue mellem dem og have god afkøling.
Den sekundære spole danner også et oscillerende kredsløb , hvor kondensatorens rolle hovedsageligt udføres af toroidens kapacitans og dens egen interturnkapacitans af selve spolen. Sekundærviklingen er ofte belagt med et lag epoxy eller lak for at forhindre elektrisk nedbrud .
Terminalen kan laves i form af en skive, en slebet stift eller en kugle og er designet til at producere forudsigelige gnistudladninger af stor længde.
Tesla-transformatoren består således af to forbundne oscillerende kredsløb, som bestemmer dens bemærkelsesværdige egenskaber og er dens væsentligste forskel fra konventionelle transformere. For fuld drift af transformeren skal disse to oscillerende kredsløb indstilles til samme resonansfrekvens. Normalt under tuningsprocessen justeres det primære kredsløb til frekvensen af det sekundære ved at ændre kondensatorens kapacitans og antallet af omdrejninger af primærviklingen, indtil den maksimale spænding opnås ved transformerens output.
Fungerer
Tesla-transformatoren af det enkleste design under overvejelse, vist i diagrammet, fungerer i en pulserende tilstand. Den første fase er opladningen af kondensatoren op til aflederens gennembrudsspænding. Den anden fase er genereringen af højfrekvente oscillationer i det primære kredsløb. Et gnistgab forbundet parallelt , der lukker strømkilden (transformator), udelukker det fra kredsløbet, ellers introducerer strømkilden visse tab i det primære kredsløb og reducerer derved dets kvalitetsfaktor . I praksis kan denne påvirkning reducere længden af udladningen mange gange, derfor er aflederen i Tesla-transformatorkredsløbet altid placeret parallelt med strømkilden.
Oplad
Kondensatoren oplades af en ekstern højspændingskilde baseret på en step-up lavfrekvent transformer. Kapacitansen på kondensatoren er valgt således, at den sammen med induktoren danner et resonanskredsløb med en resonansfrekvens svarende til højspændingskredsløbet. Frekvensen vil dog afvige fra den, der beregnes af Thomson-formlen , da der er mærkbare tab i det primære kredsløb til at "pumpe" det andet kredsløb. Ladespændingen er begrænset af aflederens gennemslagsspænding, som (i tilfælde af luftspalte) kan justeres ved at ændre afstanden mellem elektroderne eller deres form. Typisk ligger kondensatorens ladespænding i området 2-20 kilovolt.
Generation
Efter at have nået nedbrydningsspændingen mellem aflederens elektroder, sker der en lavinelignende elektrisk nedbrydning af gassen i den. Kondensatoren aflades gennem aflederen til spolen. Efter afladningen af kondensatoren falder aflederens gennembrudsspænding kraftigt på grund af de resterende ladningsbærere ( ioner ) i gassen. Derfor forbliver kredsløbet af det oscillerende kredsløb , der består af en primær spole og en kondensator, lukket gennem gnistgabet, og højfrekvente svingninger forekommer i det. Svingningerne dæmpes gradvist, hovedsageligt på grund af tab i gnistgabet og i det sekundære kredsløb, men fortsætter indtil strømmen skaber et tilstrækkeligt antal ladningsbærere til at opretholde udladningen. Resonansoscillationer forekommer i det sekundære kredsløb, hvilket fører til udseendet af en højspænding ved terminalen .
Tesla transformer modifikationer
I alle typer Tesla-transformatorer forbliver det primære strukturelle element - de primære og sekundære kredsløb - uændret. Men en af dens dele - generatoren af højfrekvente oscillationer kan have et andet design. Forkortelserne for DC-drevne Tesla-spoler inkluderer ofte bogstaverne DC, såsom DCSGTC .
I øjeblikket er der:
- SGTC ( eng. spark-gap Tesla coil ) - en klassisk Tesla coil - oscillationsgeneratoren er lavet på et gnistgab (afleder). Til højeffekt Tesla-transformatorer anvendes sammen med konventionelle (statiske) afledere mere komplekse aflederdesigns. For eksempel kan RSG (fra det engelske rotary spark gap , oversættes til et roterende/roterende gnistgab) eller et statisk gnistgab med ekstra lysbueslukkere. I dette tilfælde er det tilrådeligt at vælge frekvensen af spalteoperationen synkront med frekvensen for genopladning af kondensatoren, og kredsløbet i dette tilfælde er tættere på billedet og ikke på den måde, det er beskrevet her. Designet af et roterende gnistgab bruger en motor (normalt en elektrisk motor ) til at rotere en skive med elektroder , der nærmer sig (eller blot lukker) de tilhørende elektroder for at fuldende det primære kredsløb. Akslens rotationshastighed og placeringen af kontakterne vælges baseret på den nødvendige gentagelsesfrekvens af oscillationspakker. Der skelnes mellem synkrone og asynkrone roterende gnistgab afhængigt af motorstyringen. Brugen af et roterende gnistgab reducerer også i høj grad sandsynligheden for en parasitbue mellem elektroderne . Nogle gange erstattes et konventionelt statisk gnistgab med et flertrins statisk gnistgab. For at køle afledere placeres de nogle gange i flydende eller gasformige dielektrikum, såsom olie. En typisk teknik til at slukke en lysbue i et statisk gnistgab er at rense elektroderne med en kraftig luftstråle. Nogle gange suppleres det klassiske design med et andet beskyttende gnistgab. Dens opgave er at beskytte forsyningen (lavspændingsdelen) mod højspændingsoverspændinger.
- Tesla tube coil (LCT) ( engelsk vakuumrør Tesla coil, VTTC ). Den bruger elektronrør som en generator af RF-oscillationer . Normalt er disse kraftige generatorlamper, såsom GU-81, men der er også laveffektdesigns. En af funktionerne er fraværet af behovet for højspænding. For at opnå relativt små udladninger er 300-600 V tilstrækkeligt. Desuden udsender VTTC praktisk talt ikke støj, der opstår, når Tesla-spolen opererer på gnistgabet.
- SSTC ( solid-state Tesla coil ) - generatoren er lavet på halvledere . Den inkluderer en masteroscillator (med justerbar frekvens, form, pulsvarighed) og strømafbrydere (kraftfulde MOSFET -transistorer med felteffekt). Denne type Tesla-spoler er den mest interessante af flere grunde: Ved at ændre typen af signal på tasterne kan du radikalt ændre udseendet af udledningen. Også generatorens RF-signal kan moduleres med et lydsignal, for eksempel musik - lyden kommer fra selve udledningen. Lydmodulation er dog mulig (med mindre ændringer) i VTTC. Andre fordele omfatter lav forsyningsspænding og fraværet af et støjende gnistgab, som i SGTC.
- DRSSTC ( eng. dual resonant solid-state Tesla coil ) - på grund af dobbelt resonans er udladningerne af denne type spoler meget større end konventionelle SSTC. For at pumpe det primære kredsløb bruges en halvledernøglegenerator - IGBT- eller MOSFET - transistorer.
- QCW DRSSTC ( eng. quasi-continious wave ) er en speciel type Tesla-transistorspoler, kendetegnet ved den såkaldte glatte pumpning: gradvis og jævn (snarere end et skarpt stød, som i konventionelle spoler), en stigning i et antal parametre, (nemlig: spændings primærkreds og primærkredsstrøm, og eventuelt sekundærkredsspænding). I en klassisk Tesla-impulsspole sker den nuværende vækst i primærviklingen normalt over en periode, der kan sammenlignes med varigheden af perioden (fra 2-3 til 7-10 eller flere perioder) af resonansfrekvensen, dvs. en tid i størrelsesordenen ti til hundredvis af mikrosekunder. I QCW er stigningstiden titusinder af millisekunder, det vil sige mere med omkring to størrelsesordener. Et simpelt eksempel på næsten QCW er Teslas rørskifter-spoler. På grund af det sinusformede signal med en frekvens på 50 hertz opstår der en semi-glat pumpeeffekt ved dens udgang, hvilket giver en ret imponerende stigning i længden af udladningen i forhold til en typisk hård afbrydelse (langs katoden eller gitteret). Som et resultat af denne teknik opnås en karakteristisk type lyn i form af lange og næsten lige sværdformede udladninger, hvis længde er mange gange større end længden af viklingen af sekundærviklingen. Faktum er, at den samlede spænding ved QCW DRSSTC-terminalen aldrig når nedbrudsspændingen for sekundærviklingen: den forbliver altid ret lille, titusinder af kilovolt. En streamer , der er opstået ved lav spænding, bliver ved med at blive tilført energi under hele pumpetiden, og vokser derfor opad langs feltkraftlinjerne, i stedet for at bryde gennem siden af toroiden til anslaget. Det er for dette, at glat pumpning udføres i Tesla-spoler. På grund af denne teknik opnås følgende effekt: i første omgang opstår der en lille udledning, som derefter vokser ikke med høj hastighed og bryder gennem plasmakanalen i en tilfældig retning, men i en lav (så at denne udviklingsproces kan endda blive filmet med almindelige videokameraer), hvilket forårsager dens ikke-forgrenede og enorme i forhold til længden af den sekundære viklingslængde. Faktisk opvarmer vi hele tiden en lille udledning, der er opstået, som forlænges i takt med, at energi pumpes ind i sekundærviklingen. Men spændingen ved udgangen af en sådan Tesla-spole er lille og overstiger ikke snesevis af kilovolt.
Teslas forstørrelsesspoler er også inkluderet i en separat kategori.
Brug af Tesla Transformer
Udgangsspændingen på en Tesla-transformer kan nå op på adskillige millioner volt . Denne spænding ved frekvensen af luftens mindste elektriske styrke er i stand til at skabe imponerende elektriske udladninger i luften, som kan være mange meter lang. Disse fænomener fascinerer mennesker af forskellige årsager, så Tesla-transformatoren bruges som en dekorativ genstand.
Transformatoren blev brugt af Tesla til at generere og udbrede elektriske svingninger rettet mod at kontrollere enheder på afstand uden ledninger ( radiokontrol ), trådløs datatransmission ( radio ) og trådløs strømtransmission . I begyndelsen af det 20. århundrede fandt Tesla-transformatoren også populær anvendelse i medicin . [3] [4] Patienterne blev behandlet med svage højfrekvente strømme, som strømmede gennem et tyndt lag af hudoverfladen ikke skadede de indre organer (se: hudeffekt , Darsonvalization ), mens de udøvede en "tonic" og "helbredende" effekt.
Det er forkert at antage, at Tesla-transformatoren ikke har en bred praktisk anvendelse. Det bruges til at antænde gasudladningslamper og til at finde utætheder i vakuumsystemer. Dens hovedanvendelse i dag er dog kognitiv og æstetisk. Dette skyldes hovedsageligt betydelige vanskeligheder, når det er nødvendigt at kontrollere valget af højspændingseffekt, eller endnu mere at overføre det til en afstand fra transformeren, da enheden i dette tilfælde uundgåeligt går ud af resonans, og kvaliteten faktor for det sekundære kredsløb og spændingen på det reduceres også betydeligt.
Effekter observeret under driften af Tesla-transformatoren
Under drift skaber Tesla-spolen smukke effekter forbundet med dannelsen af forskellige typer gasudledninger . Mange mennesker samler på Tesla-transformere for at se på disse imponerende, smukke fænomener. Generelt producerer Tesla-spolen 4 typer udladninger:
- Streamer (fra engelsk Streamer ) - svagt glødende tynde forgrenede kanaler, der indeholder ioniserede gasatomer og frie elektroner spaltet fra dem. Det strømmer fra spolens terminal (eller fra de skarpeste, buede BB-dele) af spolen direkte ud i luften uden at gå i jorden, da ladningen flyder jævnt fra udledningsfladen gennem luften ned i jorden. Streameren er faktisk den synlige ionisering af luft (glød af ioner) skabt af transformatorens HV-felt.
- Spark (fra engelsk Spark ) er en gnistudladning . Går fra terminalen (eller fra de mest skarpe, buede BB-dele) direkte ned i jorden eller ind i en jordet genstand. Det er et bundt af lyse, hurtigt forsvindende eller erstattende hinanden filamentøse, ofte stærkt forgrenede strimler - gnistkanaler. Der er også en speciel form for gnistutladning - en glidende gnistutladning.
- Corona-udladning er gløden af luftioner i et elektrisk højspændingsfelt . Skaber en smuk blålig glød omkring BB-delene af strukturen med en kraftig overfladekrumning.
- Bueafladning - dannes i mange tilfælde. For eksempel, hvis en jordet genstand bringes tæt på sin terminal med tilstrækkelig kraft fra transformeren, kan en lysbue antændes mellem den og terminalen (nogle gange er du nødt til at røre objektet direkte til terminalen og derefter strække lysbuen, trække objekt til en større afstand). Det gælder især Tesla-rørspoler. Hvis spolen ikke er stærk nok og pålidelig nok, kan den provokerede lysbueudledning beskadige dens komponenter.
Du kan ofte observere (især i nærheden af kraftige spoler), hvordan udladninger går ikke kun fra selve spolen (dens terminal osv.), men også mod den fra jordede genstande. Der kan også forekomme koronaudladning på sådanne genstande . Sjældent kan der også observeres en glødeflod . Det er interessant at bemærke, at visse ioniske kemikalier påført udledningsterminalen er i stand til at ændre farven på udledningen. For eksempel ændrer natriumioner den sædvanlige gnistfarve til orange, og bor ændres til grøn.
Driften af en resonanstransformator er ledsaget af en karakteristisk elektrisk knitren. Udseendet af dette fænomen er forbundet med omdannelsen af streamere til gnistkanaler (se artiklen gnistudladning ), som er ledsaget af en kraftig stigning i strømstyrken og mængden af frigivet energi i dem. Hver kanal udvider sig hurtigt, trykket stiger brat i den, som et resultat af, at der opstår en stødbølge ved dens grænser . Kombinationen af chokbølger fra de ekspanderende gnistkanaler genererer en lyd, der opfattes som en "knæk" af en gnist.
Virkninger på den menneskelige krop
Som en kilde til højspænding kan Tesla-transformatoren være dødbringende. Dette gælder især for kraftige installationer på lamper eller felteffekttransistorer. Under alle omstændigheder er selv laveffekt Tesla-transformere kendetegnet ved frigivelse af højspændings højfrekvent energi, som kan forårsage lokal skade på huden i form af dårligt helende forbrændinger. For Tesla-transformatorer med medium effekt (50-150 watt ) kan sådanne forbrændinger forårsage skader på nerveenderne og betydelig skade på de subkutane lag, herunder skader på muskler og ledbånd. Tesla-transformere med gnist-excitation er mindre farlige med hensyn til forbrændinger, dog forårsager højspændingsudladninger efterfulgt af pauser mere skade på nervesystemet og kan forårsage hjertestop (hos mennesker med hjerteproblemer). Under alle omstændigheder er den skade, der kan forårsages af højfrekvente kraftige generatorer, som inkluderer Tesla-transformatorer, rent individuel og afhænger af organismens egenskaber og en bestemt persons mentale tilstand.
Det er en kendsgerning, at kvinder reagerer mest akut på stråling fra henholdsvis kraftige radiofrekvensapparater, og reaktionen hos kvinder er mere akut end hos mænd. Til Tesla-transformatoren, såvel som til ethvert elektrisk apparat, bør børn ikke tillades uden opsyn af en voksen.
Der er dog en anden mening om nogle typer Tesla-transformatorer. Da højfrekvent højspænding har en hudeffekt , på trods af potentialet på millioner af volt, kan en udladning i den menneskelige krop ikke forårsage hjertestop eller anden alvorlig skade på kroppen, som er uforenelig med liv.
I modsætning hertil kan andre højspændingsgeneratorer, såsom højspændings-tv-multiplikatoren og andre højspændings-DC-generatorer i hjemmet, som har en uforlignelig lavere udgangsspænding (i størrelsesordenen 25 kV), være dødelige. Alt dette skyldes, at ovenstående konvertere bruger en frekvens på 50 hertz (i en klassisk tv-multiplikator er frekvensen ca. 15 kHz, i skærme endnu højere), derfor er der ingen skin-effekt, eller den er forsvindende svag, og den nuværende vil strømme gennem en persons indre organer (livsfarlig betragtes som en strøm på titusinder af mA).
Et lidt anderledes billede med statisk elektricitet , som meget følsomt kan støde ved afladning (ved berøring af metal), men det er ikke fatalt, da den statiske ladning er relativt lille. En anden fare, der lurer, når du bruger en Tesla-transformator, er et overskud af ozon i blodet, hvilket kan føre til hovedpine , da store dele af denne gas produceres under driften af enheden.
Se også
Noter
- ↑ U.S. patent nr. 568.176, 22. september 1896. Apparat til frembringelse af elektriske strømme med høj frekvens og potentiale . Beskrivelse af patentet på webstedet for US Patent and Trademark Office .
- ↑ Kalashnikov S. G. , Electricity, M., GITTL, 1956, kap. XII "Elektromagnetiske bølger langs ledninger", s. 261 "Stående bølger i spoler", s. 592-593.
- ↑ Tesla transformer // Bibliotek. Rumudforskningsprojekt.
- ↑ Rzhonsnitsky B.N. Nikola Tesla .
Links
- Tesla transformer som en pumpe af ladninger fra Jorden. Parameterberegning
- Demidov Pavel. Gør-det-selv Tesla transformer (russisk) ? . Intellektuel klub Kalejdoskop . // intelogic.ru (13. november 2018). Dato for adgang: 19. april 2021.
 Ordbøger og encyklopædier | |
|---|---|
| I bibliografiske kataloger |
| Nikola Tesla | ||
|---|---|---|
| Karriere og opfindelser |
| |
| Andet |
| |
| Relaterede artikler |
| |
| Højspændingsgeneratorer | ||
|---|---|---|
| Elektrostatisk | ||
| elektromagnetisk | ||
| Elektronisk |
| |