Transformator Tesla
Un transformator Tesla , cunoscut și sub numele de bobină Tesla , este un transformator de rezonanță numit după inventatorul său Nikola Tesla pentru generarea tensiunii alternative de înaltă frecvență . Este folosit pentru a genera tensiune ridicată . Principiul său funcțional se bazează pe rezonanța circuitelor oscilante electrice cuplate magnetic .
Spre deosebire de transformatoarele de putere , care sunt utilizate în zona de înaltă tensiune și a căror aplicare este în domeniul tehnologiei energiei electrice , puterea medie a transformatoarelor Tesla variază de la câțiva wați la câțiva kilowați , în ciuda puterii instantanee ridicate . Datorită puterii în mare parte reduse, ele servesc ca o sursă de înaltă tensiune relativ sigură pentru diferite experimente de spectacol; acestea nu au nicio importanță pentru ingineria electrică.
istorie
Unul dintre obiectivele lui Nikola Tesla a fost transmiterea energiei electrice fără fir. Transformatorul Tesla este potrivit doar într-o măsură limitată în acest scop - generează unde electromagnetice; cu toate acestea, acestea pot fi recuperate doar pe o distanță scurtă și doar parțial într-un circuit de recepție. Turnul Wardenclyffe de pe Long Island din SUA, construit în acest scop în 1901, a fost demolat din nou în 1917 din cauza lipsei de bani.
Transformatoarele Tesla în forma descrisă aici sunt utilizate în principal pentru a demonstra efectul tensiunilor electrice alternative de înaltă frecvență.
constructie
Două circuite rezonante foarte diferite cu aceeași frecvență de rezonanță sunt cuplate magnetic slab și formează un transformator. Dacă circuitele primare și secundare sunt în rezonanță , apare o tensiune înaltă mai mare de 100 kV din cauza rezonanței crescute pe bobina secundară. Numărul raportului spire al bobinei primare și secundare în monoterapie transformatorul Tesla este nu responsabil pentru transformarea tensiunii de intrare. Mai degrabă, cuplarea liberă poate duce la o creștere a rezonanței. Circuitul rezonant este format din bobina secundară lungă și capacitatea sa proprie, precum și capacitatea electrodului de cap față de pământ. Capătul inferior al bobinei secundare este împământat. În special, zona bobinei aproape de pământ este situată în câmpul magnetic al bobinei primare interesante.
Transformatoarele Tesla funcționează cu frecvențe cuprinse între 30 kHz și 500 kHz. Bobina secundară este o bobină cilindrică cu un singur strat, cu câteva 100 până la 2000 de rotații. Se află în câmpul magnetic al unei bobine primare scurte, cu diametru mai mare, cu câteva spire. Aceasta atinge o distanță de izolație suficientă, în special până la capătul superior, așa-numitul „fierbinte” al bobinei secundare, care poartă o tensiune alternativă ridicată.
Înfășurarea uniformă cu un singur strat a bobinei secundare determină controlul câmpului (profil uniform al câmpului electric), astfel încât descărcările parțiale de -a lungul acestei bobine sunt evitate. Potențialul electric în creștere ascendentă determină, de asemenea, forma bobinei primare, care poate fi aproape de bobina secundară din partea de jos, dar de multe ori se extinde conic în sus. Ca rezultat, intensitatea câmpului electric dintre cele două bobine rămâne sub intensitatea câmpului de defalcare .
În sistemele mari, tensiunea de ieșire poate atinge câțiva megavolți. Tensiunea alternativă de înaltă frecvență (câteva 10 până la câțiva 100 kHz) la capătul „fierbinte” al bobinei secundare (un electrod toroidal este adesea atașat acolo) generează descărcări de gaze , numite streamere , în aerul înconjurător . Sarcina termică a electrodului rămâne atât de mică încât nu apare arc electric. Fenomenul este o descărcare coronală (descărcare de smocuri) și este similar cu Elmsfeuer .
Se face distincția între două tipuri diferite: transformator Tesla cu impuls și purtător. Ambele se bazează pe excitația rezonanței naturale a bobinei secundare. Ele diferă prin faptul că într-un caz excitația are loc într-o manieră pulsată prin descărcarea condensatorului și în cealaltă continuu printr-un puternic generator de înaltă frecvență. Transformatorul de impuls este tipul mai cunoscut. O formă mixtă funcționează cu un generator de înaltă frecvență acționat în mod pulsat.
Transformator Tesla de impuls
Circuitul primar constă dintr-un comutator (în așa-numita SGTC (Spark Gap Tesla Coil) o scânteie , reprezentată de săgeți în diagrama circuitului), un condensator de la aproximativ 5 nF la câțiva 100 nF și o bobină scurtă cu aproximativ 5 ... 15 spire și un diametru mare. Această bobină are adesea robinete, astfel încât inductanța și, astfel, frecvența de rezonanță pot fi ajustate. Condensatorul este încărcat de o sursă de tensiune rezistentă la scurtcircuit (simbolul tensiunii AC în stânga din imagine) la cel puțin 5 kV până când comutatorul se închide sau se aprinde distanța de scânteie. În acest moment, oscilațiile electrice de înaltă frecvență amortizate cu o putere instantanee foarte mare până la gama de megawați apar în circuitul oscilant primar acum închis .
Aceste vibrații sunt transmise inductiv către turnul Tesla, care este o bobină cilindrică lungă, cu câteva sute de rotații. Datorită capacității sale proprii între capătul superior și cel inferior sau sol, această bobină formează un circuit oscilant cu aceeași frecvență de rezonanță ca și circuitul primar.
În mod ideal, decalajul scânteii excitației primare dispare după câteva microsecunde, de îndată ce toată energia din condensator a fost transferată în bobina secundară. Dacă spațiul de scânteie este încă ionizat atunci când condensatorul este reîncărcat de o sursă puternică de tensiune de alimentare, poate rămâne un arc care suprasolicită alimentarea. Stingerea rapidă poate fi asigurată printr-un spațiu de stingere (vezi și emițătorul de scânteie de stingere ), în care scânteia este împărțită în secțiuni de aproximativ 0,2 mm. Plasma scânteii poate fi răcită suficient de rapid prin intermediul unor piese metalice masive, plate, astfel încât să nu se reaprindă atunci când tensiunea crește din nou. Mai mult, uzura este astfel distribuită pe o suprafață mare. Sunt de asemenea cunoscute construcțiile cu discuri sectoriale rotative, prin care aprinderea are loc periodic cu viteza (distanța rotativă a scânteii).
După cum se poate vedea în schema a 2-a, condensatorul și distanța de scânteie pot fi, de asemenea, schimbate, astfel încât, în loc de distanța de scânteie, condensatorul este paralel cu sursa de tensiune.
Alimentarea cu tensiune a circuitului oscilant primar trebuie să reziste la un scurtcircuit scurt la încărcarea condensatorului. Este adesea implementat cu un transformator de 50 Hz (transformator de rețea) acționat pe rețea, care inițial generează o tensiune între 5 și 30 kV. Potrivite sunt de ex. B. transformatoarele de aprindere rezistente la scurtcircuit ale arzătoarelor de ulei. Sufocările de înaltă frecvență dintre transformatorul de rețea și decalajul de scânteie pot reduce oarecum interferențele de rețea de înaltă frecvență.
În locul fantei de scânteie, se folosesc, de asemenea , tironii , IGBT (tranzistor bipolar cu poartă izolată) sau tiristoare . Aceste componente trebuie să schimbe curenții mari, adesea de câțiva kA și, prin urmare, sunt scumpe. Cu toate acestea, o astfel de soluție funcționează reproductibil, în liniște și fără uzură. Controlul electronic permite determinarea exactă a proceselor de comutare.
Transformator Tesla cu grinzi
Bobina transformatoarelor Tesla purtătoare este construită în același mod ca și transformatoarele Tesla cu impuls. Cu toate acestea, nu se folosește descărcarea condensatorului pentru alimentare, ci un generator de înaltă frecvență care funcționează continuu, care funcționează cu tranzistoare (prescurtarea SSTC din bobina tesla în stare solidă engleză ) sau cu tuburi de electroni (prescurtat VTTC din bobina Tesla în limba engleză ) Acesta trebuie să fie adaptat la rezonanța naturală a bobinei de înaltă tensiune sau semnalul său de feedback trebuie obținut din aceasta. Pentru aceasta, structura transformatorului are uneori o înfășurare suplimentară (auxiliară).
În așa-numitul DRSSTC (abrevierea DRSSTC din bobina Tesla în stare solidă cu rezonanță dublă engleză ) circuitul primar este un circuit rezonant în serie care este alimentat efectiv cu o undă pătrată. Ca urmare, o creștere a rezonanței este deja eficientă pe partea primară.
Cu dispozitivele care funcționează continuu, este de obicei mai puțin posibil să se genereze descărcări lungi de perii decât cu transformatoarele Tesla cu impuls - puterea necesară pentru ionizare și generarea descărcărilor crește semnificativ odată cu tensiunea și este mai ușor de furnizat de la un condensator în modul impuls.
Dacă se schimbă condițiile de rezonanță, există riscul unei nepotriviri a generatorului și, prin urmare, riscul supraîncărcării acestuia. Tuburile de electroni pot rezista la suprasarcină mai bine decât tranzistoarele.
Ambele concluzii de mai sus au dus la transformatoare Tesla purtătoare în care generatorul generează o putere mai mare în modul impuls. Adesea, fiecare a doua jumătate de undă a tensiunii de rețea este utilizată, astfel încât dispozitivele să impulsioneze la 50 Hz.
Aplicații
Importanța tehnică
Structura transformatorului Tesla este foarte asemănătoare cu conceptul de sisteme radio timpurii conform Marconi și alții, în special transmițătorul de scânteie popping și transmițătorul de scânteie de stingere , care au fost interzise în anii 1920 datorită lățimii lor de bandă mari. Transformatoarele Tesla conduc la interferențe în recepția radio din cauza descărcărilor de scânteie și a undei fundamentale rezonante în domeniul undelor lungi, durata scurtă a scânteii duce la zgomote de fisurare într-o gamă largă până la undele decimetrice.
În prezent, există aproape nicio aplicație utilă pentru transformatoarele Tesla în forma descrisă mai sus. În esență, este un dispozitiv impresionant și instructiv din zilele pionierilor ingineriei electrice.
Scurgerile pot fi găsite pe recipiente de vid neconductive (de exemplu, sticlă), deoarece aerul începe să strălucească acolo când interiorul evacuat în mare parte este excitat cu înaltă frecvență de înaltă tensiune.
Principiul transmiterii fără fir a energiei propagate de Tesla este utilizat pentru transmiterea unor puteri foarte mici în intervalul de la microwați la câțiva milliwați, dar nu necesită tensiune ridicată. Există cipuri și senzori RFID care sunt alimentați de un câmp electromagnetic de înaltă frecvență. Câmpul este generat de bobine toroidale care sunt aduse mai aproape de senzori și în același timp servesc pentru a primi semnalele de la senzori. Există, de asemenea, încercări de a genera un câmp corespunzător ridicat într-o cameră întreagă pentru a alimenta senzori de putere redusă localizați acolo.
Un principiu funcțional similar cu cel al transformatorului Tesla este dat în convertoarele de rezonanță , care, pe lângă alte părți ale circuitului, constau și dintr-un transformator de rezonanță. Convertoarele de rezonanță sunt utilizate, printre altele, pentru a furniza energie tuburilor fluorescente și sunt utilizate pentru a genera tensiuni electrice în intervalul de câțiva 100 V pentru a opera tuburi cu catod rece . Unele balasturi electronice pentru lămpi fluorescente se bazează, de asemenea, pe principiul convertoarelor de rezonanță, deoarece tensiunile electrice ridicate pot fi generate cu un efort relativ mic.
Alte astfel de aplicații sunt transformatoare electronice de aprindere pentru lămpi cu arc, arzătoare cu petrol și gaz și splicers arc și cu arc și sudarea cu plasma dispozitive .
În unele modele de tweetere cu plasmă , transformatoarele Tesla sunt utilizate pentru a genera tensiunea înaltă.
Experimente
Cu transformatoarele Tesla, o serie de relații fizice pot fi demonstrate impresionant în experimentele demonstrative. Sunt folosite în predare și în spectacole.
Deoarece transformatoarele Tesla nu sunt încapsulate ca transformatoarele convenționale de testare și sunt proiectate fără ulei de transformator și sunt izolate doar de aerul înconjurător, forțele mari ale câmpului de margine electrică în punctele expuse conduc la descărcări de coroană (descărcări cu perii sau streamere ). Acolo aerul este ionizat și devine plasmă. A produs radicali liberi , ozon și oxizi de azot în secvență. Expansiunea termică creează zgomote caracteristice. Temperatura ridicată a serpentinelor este suficientă pentru a aprinde obiecte inflamabile.
Dacă vă apropiați de piesele de înaltă tensiune cu o lampă fluorescentă sau altă lampă cu descărcare de gaz, lămpile cu descărcare pe gaz se aprind fără a fi conectate electric. Aceasta este o consecință a curentului de deplasare . Un efect similar apare și sub liniile aeriene , care sunt acționate cu tensiune maximă și pot fi observate mai ales în întuneric. Nikola Tesla a folosit acest efect, care stârnește reacții uimitoare mai ales în rândul laicilor, în demonstrațiile sale, cum ar fi Conferința Columbia din New York, în mai 1891. În acel moment a folosit tuburi Geissler .
Descărcările cu plasmă, asemănătoare cu cele dintr-o lampă cu plasmă , apar și în gazul de umplere al lămpilor mari incandescente , a căror conexiune de alimentare este adusă atât de aproape de vârful transformatorului Tesla, încât scânteile sar peste. De obicei, este sigur să atingeți becul de sticlă dacă păstrați o distanță suficientă de conexiuni și sistemul utilizat nu are prea multă putere electrică . Componentele becului de sticlă fluoresc adesea atunci când sunt excitate de radiația ultravioletă a plasmei.
Curenții de înaltă frecvență (inclusiv cei de la un transformator Tesla) pot curge nedureros prin corpul uman într-o anumită măsură, deoarece reacția durerii se bazează pe conducerea ionică și aceasta nu poate urma câmpul alternativ suficient de repede. Fluxul de curent prin corp are loc deja fără contact electric, deoarece o persoană care stă lângă sistemul de pe pământ are o capacitate electrică de câțiva 10 pF în raport cu acesta , care este reîncărcată constant de tensiunea alternativă a transformatorului Tesla. Puterea curentă, care poate fi tolerată fără deteriorări termice, poate aprinde o lampă incandescentă de 100 mA conectată între corp și transformatorul Tesla. Contactul cu pielea trebuie să fie extins în astfel de experimente, altfel pot apărea arsuri punctuale dureroase . Cu toate acestea, oamenii nu trebuie să stabilească niciodată o legătură directă între pământ și sarcina superioară sau între bornele unui transformator bipolar Tesla, deoarece transformatorul Tesla este atât de deconectat încât frecvența de rezonanță poate deveni prea mică. În plus, se poate stabili o conexiune la sursa de alimentare și astfel curenții de 50 Hz ar circula prin corp. Prin urmare, astfel de experimente se efectuează de obicei numai în câmpul transformatorului Tesla cu izolație galvanică (vezi cuplarea capacitivă ).
Descărcarea coroanei la vârfuri creează un vânt ionic .
Cunoscute sisteme Tesla
Electrum , cea mai mare fabrică încă în funcțiune, se află în Auckland, Noua Zeelandă. Are o putere de 130 kW și o înălțime de aproximativ 12 m. La putere maximă, trăsnetele cu o lungime de 15 m. Electrum se află în proprietate privată și, prin urmare, nu mai poate fi vizualizat.
Cel mai mare transformator conic Tesla din lume poate fi văzut la Mid America Science Museum din Hot Springs , Arkansas . Acest aranjament transformator poate genera tensiuni de până la 1,5 MV.
Din august până în noiembrie 2007, un transformator Tesla de aproximativ 4 m înălțime de la EnBW (EnergyTower) a fost prezentat în Phæno Science Center din Wolfsburg. Acest transformator Tesla, cel mai mare din Europa, generează cascade de trăsnet de peste 5 m lungime (notarizat la 17 august 2007).
Sistemele Tesla sunt, de asemenea, situate în Technorama din Winterthur (Elveția), în Viena (muzeu tehnic, laborator de înaltă tensiune), la Universitatea Tehnologică din Graz din Nikola-Tesla-Halle și în multe alte muzee tehnice sau expoziții experimentale numite centre științifice .
Există mai multe proiecte de transformatoare Tesla de către pasionații de hobby-uri (engleză tesla coiler ) și, de asemenea, expoziții publice comerciale care utilizează transformatoare Tesla .
pericole
Transformatoarele Tesla generează tensiuni electrice ridicate și câmpuri electromagnetice alternante. Acest lucru creează următoarele pericole în timpul funcționării unui sistem Tesla:
- Șocuri electrice care pun viața în pericol ( accidente electrice ) dacă distanța până la piesele de înaltă tensiune este prea mică.
- Arsuri punctuale la apropiere și scântei pe piele.
- Deteriorarea radiațiilor ultraviolete din descărcări.
- Iritare și dificultăți de respirație datorate formării de ozon și oxizi de azot.
- Interferența cu stimulatoare cardiace sau defibrilatoare cardioverter implantabile .
- Arsurile severe și șocurile electrice sunt posibile cu design-uri mai moderne de înaltă performanță.
Testele cu tensiune înaltă ar trebui, prin urmare, să fie efectuate în încăperi protejate corespunzător, cum ar fi un câmp de testare de înaltă tensiune sau un laborator de înaltă tensiune .
În funcție de designul lor, transformatoarele Tesla generează câmpuri electrice și magnetice alternante în intervalul de frecvență sub unde lungi până la unde decimetrice , care sunt emise sau emise ca interferență condusă datorită conexiunii la rețeaua electrică . Funcționarea poate interfera cu dispozitivele electronice, comunicațiile radio și recepția radio .
Sistemele Tesla în cultură
Violeta baghetă bazată pe transformatorul Tesla a fost populară pe scena BDSM pentru stimularea electrică erotică încă din anii '90 .
Transformatorul Tesla este menționat în filmele Coffee and Cigarettes , Duell der Magier , The Prestige , xXx - Triple X și în clasicul Metropolis , precum și în jocurile pe computer Command & Conquer: Red Alert I / II / Yuri's Rache / III sub numele Tesla coil , jocul video Tomb Raider: Legend , Blazing Angels 2, un supliment din Fallout 3 (Broken Steel), Grand Theft Auto II (Electro Gun), Secret Missions of WW II , Tremulous , Return to Castle Wolfenstein , seria de jocuri radio Revelation 23 , episodul 11: "Die Hindenburg" și jocul smartphone Clash of Clans .
Vezi si
literatură
- Günter Wahl: pachet de învățare Tesla Energy . Franzis, 2005, ISBN 3-7723-5210-3 .
- Günter Wahl: energia Tesla . Franzis, 2000, ISBN 3-7723-5496-3 .
- E. Nicolas: Cum mă construiesc eu - vol. 26 - dispozitive pentru curenții Tesla . Survival Press, 2011, pp. 32 (reeditare a ediției originale din jurul anului 1900).
Link-uri web
- Proiecte DRSSTC
- Documentația proiectului multor transformatoare Tesla purtătoare
- JavaScript pentru a calcula propriile bobine Tesla
- „Spielerien” de la Peter Terren