Трансформатор Тесла

Трансформатор Тесла, также катушка Тесла (англ. Tesla coil) — устройство, изобретённое Николой Тесла и носящее его имя. Является резонансным трансформатором, позволяющим получить сверхвысокое напряжение сверхвысокой частоты. Прибор был заявлен патентом США № 568176 от 22 сентября 1896 года, как «Аппарат для производства электрических токов высокой частоты и потенциала».

Описание простейшей конструкции

Простейший трансформатор Тесла состоит из двух катушек — первичной и вторичной, а также разрядника (прерывателя, часто встречается английский вариант (RSG) Rotory Spark Gap), конденсатора, и терминала в качестве которого используется тороид (также тороид служит для увеличения емкости вторичной катушки) (на схеме показан как «выход»).

Виды разрядников

(RSG) Rotory Spark Gap                                       Статика

Первичная катушка обычно содержит несколько витков провода большого диаметра или медной трубки, а вторичная около 1000 витков провода меньшего диаметра. Первичная катушка может быть плоской (горизонтальной), конической или цилиндрической (вертикальной). В отличие от обычных трансформаторов, здесь нет ферромагнитного сердечника. Таким образом взаимоиндукция между двумя катушками гораздо меньше, чем у трансформаторов с ферромагнитным сердечником. Первичная катушка вместе с конденсатором образует колебательный контур, в который включён нелинейный элемент — разрядник.

Разрядник, в простейшем случае обыкновенный газовый, представляет собой два массивных электрода с регулируемым зазором. Электроды должны быть устойчивы к протеканию больших токов через электрическую дугу между ними и иметь хорошее охлаждение.

Вторичная катушка также образует колебательный контур, где роль конденсатора главным образом выполняют ёмкость тороида и собственная межвитковая ёмкость самой катушки. Вторичную обмотку часто покрывают слоем эпоксидной смолы или лака для предотвращения электрического пробоя.

Терминал может быть выполнен в виде диска, заточенного штыря или сферы и предназначен для получения предсказуемых искровых разрядов большой длины.

Таким образом, трансформатор Тесла представляет собой два связанных колебательных контура, что и является главным его отличием от обычных трансформаторов. Для полноценной работы трансформатора эти два колебательных контура должны быть настроены на одну резонансную частоту. Обычно в процессе настройки подстраивают первичный контур под частоту вторичного путём изменения ёмкости конденсатора и числа витков первичной обмотки до получения максимального напряжения на выходе трансформатора.

Модификации трансформаторов Тесла

Во всех типах трансформаторов Тесла основной элемент трансформатора - первичный и вторичный контуры – остается неизменным. Однако одна из его частей - генератор высокочастотных колебаний может иметь различную конструкцию.

На данный момент существуют:
SGTC (Spark Gap Tesla Coil) - классическая катушка Тесла - генератор колебаний выполнен на искровом промежутке (разряднике). Для мощных трансформаторов Тесла наряду с обычными разрядниками (статическими) используются более сложные конструкции разрядника.

Например, RSG (от англ. Rotary Spark Gap, можно перевести как роторный/вращающийся искровой промежуток) или статический искровой промежуток с дополнительными дугогасительными устройствами. В конструкции роторного искрового промежутка используется двигатель (обычно это электродвигатель), вращающий диск с электродами, которые приближаются (или просто замыкают) к ответным электродам для замыкания первичного контура. Скорость вращения вала и расположение контактов выбираются исходя из необходимой частоты следования пачек колебаний. Различают синхронные и асинхронные роторные искровые промежутки в зависимости от управления двигателем. Также использование вращающегося искрового промежутка сильно снижает вероятность возникновения паразитной дуги между электродами. Иногда обычный статический разрядник заменяют многоступенчатым статическим разрядником. Для охлаждения разрядников их иногда помещают в жидкие или газообразные диэлектрики (например, в масло). Типовой прием для гашения дуги в статическом разряднике — это продувка электродов мощной струей воздуха. Иногда для защиты конденсатора колебательного контура применяют статический разрядник, чтобы избежать его перенапряжения, также часто применяют ВЧ фильтры они ставятся сразу после питающего трансформатора и позволяют избежать проникновения вч выбросов за пределы колебательного контура

DRSSTC (Dual Resonant Solid State Tesla Coil) - почти то же что и SGTC, только здесь отсутствует разрядник, а для накачки первичного контура используется генератор на полупроводниковых ключах - IGBT транзисторах или тиристорах. Более продвинутый вариант КТ.

VTTC (Vacuum Tube Tesla Coil) (рус. ЛКТ) - ламповая катушка Тесла. В ней в качестве генератора ВЧ колебаний используются электронные лампы. Обычно это мощные генераторные лампы, такие как ГУ-81, однако встречаются и маломощные конструкции. Одна из особенностей - отсутствие необходимости в высоком напряжении. Для получения сравнительно небольших разрядов достаточно 300-600 Вольт. Также VTTC практически не издает шума, появляющегося при работе катушки Тесла на искровом промежутке. На ней я и остановился.

SSTC (Solid State Tesla Coil) - генератор выполнен на полупроводниках. Самая сложная из всех конструкций. Она включает в себя задающий генератор (с регулируемой частотой, формой, длительностью импульсов) и силовые ключи (мощные полевые MOSFET транзисторы). Однако данный вид катушек Тесла является самым интересным по нескольким причинам: изменяя тип сигнала на ключах, можно кардинально изменять внешний вид разряда. Также ВЧ сигнал генератора можно промоделировать звуковым сигналом, например музыкой - звук будет исходить из самого разряда. Впрочем, аудио модуляция возможна (с небольшими доработками) и в VTTC. К прочим достоинствам можно отнести те же низкое питающее напряжение и отсутствие шума при работе.

В аббревиатурах названий катушек Тесла, питаемых постоянным током, часто присутствуют буквы DC, например DCSGTC.

В отдельную категорию также относят магниферные катушки Тесла.

Схема

Устройство представляет собой мощный высокочастотный автогенератор, выполненный на мощном прямонакальном пентоде ГУ-81М, колебательный контур которого индуктивно связан с вторичным контуром, настроенным в резонанс. Конденсатор С2 задаёт частоту генерации. При данном значении, частота составляет около 400 кГц. Этот конденсатор должен быть высокочастотным керамическим (КВИ-2, КВИ-3,ТГК-У-3, К15У-1(2,3), другие типы не подойдут! Рабочее напряжение конденсатора должно быть не менее 10 кВ, но лучше всего ставить К15У на большие КВАРы (Кило Вольт Ампер Реактивной мощности).

В качестве анодного трансформатора используется МОТ

Современный МОТ

Советские МОТ

МОТ Microwave Oven Tranformer
Современный

Работает в режиме «насыщения» магнитопровода, но при том имеет меньшие габариты, но сильно греется, и работать без принудительного охлаждения может только очень короткое время.

Выходное напряжение MOTа составляет 2кВ (а пиковое 2.8кВ). Такие трансформаторы выпускаются на мощность от 500 до 2000Вт. Кроме первичной и высоковольтной вторичной обмотки, в моте присутствует накальная обмотка. Эта обмотка обычно выдает напряжение 3В и ток 10 ампер. Моты имеют шунты, металлические прямоугольные вставки между вторичной и первичной обмотками которые замыкают часть магнитного потока на себя, тем самым ограничивают ток через обмотки, не давая ему быстро перегреться, если его удалить, то мощность значительно возрастёт, но возрастёт и нагрев.

Советский

От этих недостатков свободен так называемый совмот (Советский МОТ). Как следует из названия, это трансформатор из микроволновок Советского (или Российского) производства. Совмоты рассчитаны на работу без принудительного охлаждения.

СОВМОТ также имеет шунты, и мощность, от полу (маленький квадратный, до 4 (с радиаторами) киловатт, выходное напряжение 2100-4 киловольта (тысячи вольт), и ток в районе полутора ампер, МОТ опасен, для примера привожу дуговой разряд с 2Х киловаттного МОТа

Контуры

Первичная обмотка L1 наматывается первой и находится внизу. Она содержит 35 витков медного провода диаметром 1-1,5 мм и наматывается виток к витку. Обмотка L2 обратной связи наматывается выше на расстоянии от первички не менее 2 см, во избежание пробоя, и содержит 22 витка 0,5 мм провода, намотка также виток к витку. Вторичка L3 намотана на трубе диаметром 7.5см и высотой 45 см проводом 0.4мм. Наверху вторички необходимо установить разрядный терминал в виде металлического штыря.

Генераторный пентод ГУ-81М

Предназначен для работы в режимах автогенерации и усиления мощности радиотехнических устройств.

Общие сведения:
Катод - вольфрамовый тарированный, карбидированный прямого накала.
Оформление - стеклянное с цоколем.
Высота не более 260 мм.
Диаметр не более 202 мм.
Масса не более 1 кг.

Максимальные предельно допустимые эксплуатационные данные:
Напряжение накала 11,6-13,4В
Напряжение анода на длине волны, В
- на частоте не более 6 МГц     3В
- на частоте не более 24 МГц   2,5В
- на частоте не более 50 МГц   1,5В
Напряжение второй сетки, В:  600

Ток, А
-анода (среднее значение)                  0,6А
- первой сетки (среднее значение)    0,02А
- второй сетки (среднее значение)    0,2А

Рассеиваемая мощность, Вт:
- анодом  450
- анодом кратковременно  600
- второй сеткой  120
- первой сеткой  10

Температура оболочки, °С  350

Сборка конденсаторов контурного, ОС, шифтёра, составного диода

Составной диод состоит из соединённых последовательно-параллельно диодных столбов КЦ201А на 2КВ 1А , в результате мы имеем составной диодный столб на 6КВ 2А, конденсаторы шифтёра (однополупериодного удвоителя состоит из 2х конденсаторов 3КВ 1МФ соединённых параллельно в результате мы имеем конденсатор на 3кв, 2МФ, контурный конденсатор состоит из конденсаторов К15У-1 на 12 КВ 750ПФ, ВЧ конденсатор ОС (гридлика) из К15У-1 на 4кв 5НФ. В колебательный контур лучше подходят К15У…. из за их большой КВАР(Кило Вольт Ампер Реактивной мощности)

Результаты с первой схемы

Добавил параллельный гридлик

Измененная схема

Во время изготовления и пробных пусков я понял, что старая схема – никуда не годится и она претерпела несколько существенных изменений.

1-ое триодное включение (все 3 сетки лампы соединены параллельно)
2-ое параллельный гридлик
3-тье добавлены ВЧ фильтры после шифтёра, состоящий из конденсаторов - С5, С6 и дросселей – L5 и L6, который защищает МОТ, и диод шифтёра от ВЧ выбросов

Новая конструкция

После более близкого приближения резонанса, сгорело половина схемы, (диодная сборка, первичный контур, резистор гридлика) после чего, катушка была собрана по новой схеме.

Шифтёр - 3 конденсатора по 3КВ 1МФ соединённые параллельно (3кв 3МФ) диод состоит из 6-ти диодов Д1006 каждый на 12КВ 250МА каждый, (1.5А 12КВ).

Дросселя и конденсаторы (сероватые диски) защищают питание от высокочастотных выбросов.

Результаты с новой схемы

Работа катушки по новой схеме меня обрадовала, при грубой настройке резонанса, разряды стали до 30см (если считать 1см=10кВ, то довольно таки неплохо), но цель 70-80см.