Как работает трансформатор Тесла на пальцах. Часть 1.

Опубликовано в рубрике "Высоковольтное", 28 сентября, 2009.

Трансформатор Тесла – прекрасная игрушка для тех, кто хочет сделать что-то эдакое. Это устройство не перестает поражать окружающих мощью своих огромных разрядов. Более того, сам процесс конструирования трансформатора очень увлекателен – не часто так много физических эффектов сочетаются в одной несложной конструкции.

Несмотря на то, что сама по себе “Тесла” очень проста, многие из тех, кто пытаются ее сконструировать не понимают принцип ее работы.

Я планирую целый цикл статей по поводу устройства и работы трансформатора теслы. В этой части я помогу вам разобраться – какие виды тесел бывают, что у них общего и в чем они отличаются.

image

Как читать эту статью.

Эта статья предполагает, что вы знаете, что такое электрический ток и чем конденсатор отличается от катушки. Я буду стараться излагать все, как можно проще, но, к сожалению, я не всесилен. Если какие-либо моменты останутся непонятными, прошу прочитать еще раз, если и это не поможет, прошу оставить комментарий.

Для того, чтобы не прерывать рассказ ненужными подробностями, но оставаться политкорректным, я буду делать сноски. Сноска будет обозначаться таким образом — [12].

 

Как правильно называть это устройство

Существует много названий для трансформатора Тесла. Все они обозначают одно и то-же устройство. Самое корректное название по моему мнению — “Трансформатор Тесла”, хотя я не стесняюсь использовать и другие, такие как

  • Трансформатор Тесла
  • Катушка Тесла
  • Тесла

Замечу, что имя Тесла не склоняется, тоесть грамматически не верно говорить “Трансформатор Теслы”, хотя, если вы так скажите, все вас поймут.

Также существуют сленговые названия трансформатора Тесла, некоторые из них

  • Катуха (Котуха)
  • Койл

Часто трансформатор называют его типом – СГТЦ, ССТЦ итп.

 

Принцип работы Трансформатора Тесла.

Трансформатор Тесла состоит из двух обмоток[1] – первичной (Lp) и вторичной (Ls) (их чаще называют “первичка” и “вторичка”). К первичной обмотке подводится переменное напряжение и она создает магнитное поле.  При помощи этого поля энергия из первичной обмотки передается во вторичную. В этом трансформатор тесла очень похож на самый обычный “железный” трансформатор.

image

Вторичная обмотка вместе с собственной паразитной (Cs) емкостью образуют колебательный контур, который накапливает переданную ему энергию. Часть времени вся энергия в колебательном контуре храниться в виде напряжения. Таким образом, чем больше энергии мы вкачаем в контур, тем больше напряжения получим.

image

Подробнее про колебательный контур можно почитать по ссылкам: Статья, очень просто описывающая колебательный контур, Wikipedia, Yandex, Google.

Тесла обладает тремя основными характеристиками – резонансной частотой вторичного контура, коэффициентом связи первичной и вторичной обмоток, добротностью вторичного контура.

Что такое резонансная частота колебательного контура, читателю должно быть известно. Я же подробнее остановлюсь на коэффициенте связи и добротности.

Коэффициент связи определяет насколько быстро энергия из первичной обмотки передается во вторичную, а добротность – насколько долго колебательный контур может сохранять энергию.

Есть одна очень хорошая аналогия -

 

Аналогия с качелями

Для того, чтобы лучше понять, как колебательный контур накапливает энергию, и откуда в тесле берется такое большое напряжение, представим качели, которые раскачивает здоровенный мужик. Качели – это колебательный контур, мужик– это первичная обмотка. Скорость качель – это ток в во вторичной обмотке, а высота подъема  – наше долгожданное напряжение.

Мужик толкает качели, и, таким образом передает в них энергию. И вот, за несколько толчков, качели раскачались и подлетают так высоко, как это только возможно – они накопили много энергии. Тоже самое происходит и с теслой, только когда энергии становится слишком много, происходит пробой воздуха и мы видим наши красивущий стример.

Естественно, раскачивать качели нужно не абы-как, а в точном согласии с их собственными колебаниями.  Количество колебаний качель в секунду называется “резонансная частота”.

Участок траектории полета качели, на протяжении которого мужик их толкает определяет коэффициент связи. Если мужик будет постоянно держать качели своей здоровенной ручищей, то он раскачает их очень быстро, но качели смогут отклониться только на длину руки мужика. В таком случае говорят, что коэффициент связи равен единице.  Наши качели с большим коэффициентом связи — это аналог обычного трансформатора.

Теперь рассмотрим ситуация, когда мужик только немного подталкивает качели. В этом случае коэффициент связи мал, а качели отклоняются намного дальше – мужик теперь их не держит. Качели придется раскачивать дольше, но с этим справится даже очень хилый мужик, чуть-чуть толкая их каждый период колебаний.

Такие качели и есть аналогом трансформатора Тесла.

Итак, чем больше коэффициент связи, тем быстрее во вторичный контур накачивается энергия, но при этом выходное напряжение теслы получается меньше.

Теперь рассмотрим добротность. Добротность – это противоположность трению в качелях. Если трение очень большое (низкая добротность), то мужик своими слабенькими толчками не сможет их раскачать. Таким образом, коэффициент связи и добротность контура должны быть согласованны для достижения максимальной высоты качель (максимальной длинны стримера).

Так-как добротность вторичной обмотки в трансформаторе Тесла – величина не постоянная (она зависит от стримера), то согласовать эти две величины очень не просто, и поэтому просто подбирают опытным путем.

 

Основные виды катушек тесла

Сам Тесла изготавливал Трансформатор только одного типа – на разряднике (СГТЦ). С тех пор элементная база сильно улучшилась, и появилось множество разных типов катушек, по аналогии их продолжают называть катушками Тесла. Типы катушек принято называть из английскими аббревиатурами. Если название необходимо сказать на русском языке, английские аббревиатуры просто говорят русскими буквами без перевода.

Самые распространенные типы катушек тесла:

  • SGTC (СГТЦ, Spark Gap Tesla Coil) – трансформатор тесла на разряднике. Самая первая и “классическая” конструкция (ее использовал сам Тесла). В качестве ключевого элемента использует разрядник. В маломощных конструкциях разрядник – просто два куска провода, находящихся на некотором расстоянии, а в мощных – сложные вращающиеся разрядники. Трансформаторы этого типа идеальны если вам нужна только большая длинна стримера.
  • VTTC (ВТТЦ, Vacuum Tube Tesla Coil) – трансформатор тесла на лампе. В качестве ключевого элемента используется мощная радиолампа. Такие трансформаторы могут работать в непрерывном режиме и выдавать толстые, “жирные” стримеры. Этот тип чаще всего используют для высокочастотных тесел, которые из-за характерного вида своих стримеров получили название “факельник”.
  • SSTC (ССТЦ, Solid State Tesla Coil) – трансформатор тесла, в котором в качестве ключевого элемента используются полупроводники. Обычно это MOSFET или IGBT транзисторы. Этот тип трансформаторов может работать в непрерывном режиме. Внешний вид стримеров, создаваемых этой катушкой может быть самый различный. Этим типом Тесел проще всего управлять (играть музыку, к примеру).
  • DRSSTC (ДРССТЦ, ДРка, Dual Resonant Solid State Tesla Coil) – трансформатор с двумя резонансными контурами, в котором в качестве ключей используются полупроводники, в подавляющем большинстве случаев, это IGBT транзисторы. ДРССТЦ – самый сложный в изготовлении и настройке тип трансформаторов тесла. Характерная длинна стримеров трансформатора этого типа немного меньше чем у SGTC, а управляемость немногим хуже, чем у SSTC.

Для управления внешним видом стримеров придумали так называемый прерыватель. Изначально с помощью этого устройства останавливали катушку для того, чтобы дать возможность зарядится конденсатором и остыть разрядному терминалу, и, засчет этого, увеличить длину стримеров. Но в последнее время в прерыватели начали встраивать дополнительные функции, к примеру, научили катушки Тесла играть музыку.

 

 

Основные детали катушки тесла

Не смотря на то, что существует несколько видов катушек тесла, у всех них есть общие черты. Расскажу о основных деталях теслы сверху вниз.

image

  • Тороид – выполняет три функции.

    Первая – уменьшение резонансной частоты – это актуально для SSTC и DRSSTC, так как силовые полупроводники плохо работают на высоких частотах.

    Вторая – накопление энергии перед образованием стримера. Чем больше тороид, тем больше в нем накоплено энергии  и, в момент, когда воздух пробивается, тороид отдает эту энергию в стример, таким образом,  увеличивая его. Для того, чтобы извлечь выгоду из этого явления в теслах с непрерывной накачкой энергии, используют прерыватель.

    Третяя – формирование электростатического поля, которое отталкивает стример от вторичной обмотки теслы. От части, эту функцию выполняет сама вторичная обмотка, но тороид может ей хорошо помочь. Именно по причине электростатического отталкивания стримера, он не бьет по кратчайшему пути во вторичку.

    От использования тороидоа больше всего выиграют теслы с импульсной накачкой – SGTC, DRSSTC и теслы с прерывателями. Типичный внешний диаметр тороида – два диаметра вторички [4].

    Тороиды обычно изготавливают из алюминиевой гофры, хотя есть множество других технологий, ознакомиться с которыми можно тут.
  • Вторичка – основная деталь теслы.

    Типичное отношение длинны обмотки теслы к ее диаметру намотки 4:1 – 5:1. 

    Диаметр провода для намотки теслы обычно выбирают так, чтобы на вторичке помещалось 800-1200 витков. ВНИМАНИЕ, повторюсь еще раз. Не стоит мотать слишком много витков на вторичке тонким проводом. Витки на вторичке нужно распологать как можно плотнее друг к другу [5].

    Для защиты от царапин и от разлезания витков, вторичные обмотки обычно покрывают лаками. Чаще всего для этого применяются эпоксидная смола и полиуретановый лак. Лакировать стоит очень тонкими слоями. Обычно, на вторичку, наносят минимум 3-5 тонких слоев лака.

    Мотают вторичку на воздуховодных (белых) или, что хуже, канализационных (серых) ПВХ трубах. Найти эти трубы можно в любом строительном магазине.

    С нюансами вторичных обмоток можно ознакомиться тут
  • Защитное кольцо – предназначено для того, чтобы стример, попав в первичную обмотку не вывел электронику из строя. Эта деталь устанавливается на теслу, если длинна стримера больше длинны вторичной обмотки. Представляет собой незамкнутый виток медного провода (чаще всего, немного толще, чем тот из которого изготавливается первичка). Защитное кольцо заземляется на общее заземление отдельным проводом.
  • Первичная обмотка – обычно изготавливается из медной трубы для кондиционеров. Должна обладать очень маленьким сопротивлением для того, чтобы по ней можно было пропускать большой ток. Толщину трубки обычно выбирают на глаз, в подавляющем большинстве случаев, выбор падает на 6 мм трубку. Так-же в качестве первички используют провода большего сечения.

    Относительно вторичной обмотки устанавливается так, чтобы обеспечить нужный коэффициент связи.

    Часто играет роль построечного элемента в тех теслах, где первичный контур является резонансным. Точку подключения к первичке делают подвижной и ее перемещением изменяют резонансную частоту первичного контура.

    Первичные обмотки обычно делают цилиндрическими, плоскими или  коническим. Обычно, плоские первички используются в SGTC, конические- в SGTC  и DRSSTC, а цилиндрические — в SSTC, DRSSTC и VTTC.

      image

    Тема на форуме про первичные обмотки
  • Заземление – как не странно, тоже очень важная деталь теслы.

    Очень часто мне задают вопрос – куда же бьют стримеры? Я эту картинку я уже показывал в статье про плазменный шар, но покажу еще раз, и отвечу на этот вопрос — стримеры бьют в землю! И таким образом они замыкают ток, показанный на картинке синим цветом.
    imageТаким образом, если заземление будет плохое, стримерам будет некуда деваться и им придется бить в теслу (замыкать свой ток), вместо того, чтобы извергаться  в воздух. Меня спрашивали – обязательно ли заземлять теслу? Итак, ответ: заземление для теслы – обязательно [2][3].

[1]: Существуют трансформаторы Тесла без первичной обмотки. У них питание подается прямо на “земляной” конец вторички. Такой метод питания называется “бэйзфид” (basefeed).

Иногда, в качестве источника бэйзфидного питания используется другой трансформатор Тесла, такой метод питания называют “магниферным” (Magnifier).

[2]: Существуют так называемые биполярные теслы, они отличаются тем, что разряд происходит не в в воздух, а между двумя концами вторичной обмотки. Таким образом, путь тока легко может замкнуться и заземление не нужно.
image


[3]: теоретически, для теслы можно вместо заземления использовать так называемый противовес – искусственное заземление в виде большего проводящего предмета. Практических конструкций с противовесами очень мало.  Внимание! Изготовление тесел с противовесами представляет намного большую опасность, чем тесел с простым заземлением, потому как вся конструкция находится под высоким относительно земли потенциалом. А относительно большая емкость между противовесом и окружающими предметами способна негативно на них повлиять.

[4]: Это правило справедливо для “пней” – вторичных обмоток с отношением длинны к диаметру до 5:1

[5]: Это правило справедливо для тесел с мощностью меньше 20кВА

Задать вопросы по статье можно, оставив комментарий, методические-же вопросы обсуждаются в Этой ветке форума flyback.org.ru. 

 

Следующая часть >>




Комментарии
  1. GigaShadow написал(а) 28 сентября, 2009 в 12:08

    Неплохо. Теслу в массы :)
    Еще про биполярную катушку напиши.. Кстати, им «противовес» не нужен, так что про обязательность заземления в любой тесле можно можно поспорить :)

    BSVi Reply:

    Спасибо за дельный совет. Описал.

  2. TeslaChild написал(а) 19 октября, 2009 в 12:58

    Напиши ещё про резонанс, ато слишком мало вышло.
    P.S.: Да и схемы к каждому варианту не помешали бы.

    BSVi Reply:

    Про резонанс вроде уже написанно много, а про конкретные схемы в следующих сериях.

  3. vagon написал(а) 9 июня, 2011 в 21:09

    Цитата:
    Вторичка – основная деталь теслы.
    Типичное отношение длинны обмотки теслы к ее диаметру намотки 4:1 – 5:1.
    На flyback прочитал, что рекомендуется соотношение — это 5 — 10 диаметров. Да и внешне там в конструкциях у людей побольше будет чем 5:1.
    Где правда?

    BSVi Reply:

    У меня, естественно.

    vagon Reply:

    :))) И все же. Люди там добиваются неплохих результатов… И если все же следует использовать 5:1… Это справедливо для любых типов, (DRSSTC, SGTC, SSTC, VTTC)?

    BSVi Reply:

    Скажем так, можно экспериментировать с любым соотношением, но те, что я привел — это готовый, хороший рецепт.

    Естественно, для рызных типов отношение разное, но нет никакого канонического.

  4. vagon написал(а) 9 июня, 2011 в 21:13

    И еще вопрос…. Народ там использует здоровые движки от стиралок в качестве разрядников… Зачем такая моща? Не верю, что нельзя юзать движки поменьше и потише, в плане шума…

    BSVi Reply:

    Не нужна там такая моща — юзать можно любые движки, которые тянут разрядник.

  5. vagon написал(а) 10 июня, 2011 в 21:56

    BSVi, подскажи какой диаметр трубы и провода для вторички предпочтительнее брать при использовании одного мота? Кондеры и провод стоят нехило, не хотелось бы ошибиться.

    BSVi Reply:

    Тут проблема в том, что кучу параметров связанны между собой и сказать один рецепт на все случаи невозможно.

    Думаю, тебе подойдет труба 11см диаметром 50см длинной, провод — 0.25

    vagon Reply:

    В принципе трубу и собирался использовать подобную, но в проводом 0,5. На длину намотки в пол-метра как раз уместится 1000 витков. Слишком толстый? Может повлиять отрицательно на что-то?
    И еще… Присмотрел в Чип и Дип конденсатор на ММС К75-15-16кВ-0.5 10%. Емкость не слишком большая? Стоит ли набирать из мелких длинные цепочки на меньшую емкость, или все же остановиться на этом?
    И еще вопрос… Сразу после мота нужно ставить баласт. Видел схему, на которой были 2 конденсатора по 1мкф х 2кВ последовательно, и вдобавок к ним (тоже последовательно с ними) 2 дросселя, описанные как «140 витков на феррите от строчника». А на фото у народа никаким ферритом и «не пахнет». Пользуют простые полые трубы из картона, (довольно приличных размеров). Что же все-таки стоило бы использовать в качестве баласта?

    BSVi Reply:

    >Слишком толстый?
    Да, не стоит сильно высоко загонять резонанс, темболее с одним мотом. Вообще-то, я — не очень большой спец по SGTC, поэтому тебе лушче обратиться на flyback.org.ru

    >в Чип и Дип
    Фуууу

    >конденсатор на ММС К75-15-16кВ-0.5
    Читай:
    http://flyback.org.ru/viewtopic.php?t=5003&sid=aeeddefd412d880efc5436af7a2a2a30

    >Что же все-таки стоило бы использовать в качестве баласта?
    Именно те трубки лучше всего. Можно и на феррите сделать, но там придется приложить много усилий, изолируя сердечник.

    vagon Reply:

    Спасибо за разъяснение по поводу провода вторички и балласта и Не очень въехал, » >Фуууу относилось в данном случае к «Чип и Дип» или к конденсатору для ММС К75-15-16кВ-0.5?
    Информацию по данной Вами ссылке прочитал, эта, с позволения сказать «матчасть» — слишком громкое название для такой не слишком хорошо упорядоченной мешанины. Да и по поводу применения в искровиках для ММС К75-15-16кВ-0.5 там нет ни слова, но рекомендован для «маркса».

    Spark Reply:

    то есть вы хотите сказать что для для обмотки высотой 50 см, и диаметром 11 см с проволкой в 0.25 мм, получится:
    4 витка 1 см, т.е. для 50 см — 2000 витков,
    учитывая что длинна витка составляет 2*5,5*3,14=34,54 см
    понадобится 2000*34,54/100=690,80 м проволки ?

    BSVi Reply:

    Примерно так.

    Spark Reply:

    просчитался немного, 200 витков, от сюда 69,08 м

  6. Alexander Amelkin написал(а) 14 июня, 2011 в 13:18

    Категорически не согласен с утверждением о том, что фамилия Тесла не склоняется. По правилам русского языка любые мужские фамилии склоняются. Штраус-Штрауса-Штраусом, Ньютон-Ньютона-Ньютоном, Тесла-Теслы-Теслой…

    Другое дело, если бы Никола Тесла был бы Николь Тесла (то есть женщиной). Вот тогда бы, согласно правилам русского языка, фамилия Тесла действительно бы не склонялась.

  7. vagon написал(а) 4 июля, 2011 в 18:09

    BSVI, подскажи пожалуйста адресок интернет-магазина где можно купить эмальпровод для вторички теслы. У нас в городе в принципе купить можно, но от 20 кг…

    BSVi Reply:

    Я покупал на рунке, у старъевщиков, поэтому ничего порекомендоавть не могу. Поставщиков эмальпровода Гугль должен знать.

  8. Nikola Tesla написал(а) 21 января, 2012 в 17:59

    Уважаемый BSVi, спасибо за эту замечательную статью, но, к сожалению, описанный Вами принцип работы трансформатора Теслы в корне НЕ ВЕРЕН. Вторичная обмотка данного трансформатора + тороид колебательным контуром НЕ ЯВЛЯЕТСЯ. Она представляет собой СПИРАЛЬНЫЙ ОБЪЁМНЫЙ ВОЛНОВОЙ РЕЗОНАТОР С РАСПРЕДЕЛЁННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ, для которого тороид является лишь РЕАКТИВНОЙ НАГРУЗКОЙ. Конечно же, это не Ваша вина, а вина современного образования, которое, начиная с 1940 года убрала рассмотрение принципов работы трансформатора Теслы из всех учебников, а также практически любое упоминание о Тесле. Вот есть статья 30-х годов прошлого века, в которой даётся правильное понимание работы этого трансформатора (который правильнее будет назвать ЛАЗЕРОМ): http://halerman.narod.ru/TT_in_phisics.pdf Также есть более современная статья на эту тему: http://halerman.narod.ru/Failure_of_Classic_Theory.htm

  9. Roman написал(а) 25 февраля, 2012 в 20:18

    Подскажите, обязательно ли частота колебаний в первичном контуре должна совпадать с резонансной частотой вторичного? К чему может привести сильная разница?

    BSVi Reply:

    Как не странно, ничего не будет работать.

  10. Roman написал(а) 26 февраля, 2012 в 11:07

    Как думаете можно ли определить величину частоты резонанса вторички по следующей схеме:

    1) замкнуть тор с «землёй», тем самым эмитировать электрическую цепь в время разряда;

    2) к первичной обмотке (без подключения конденсатора) подключить какой-ниб лабораторный генератор синусоидального напряжения;

    3) менять частоту генератора и отслеживать величину тока в первичном контуре. Частота, при которой ток максимален и будет являться частотой резонанса вторичного контура. Зная эту частоту и индуктивность первички можно подобрать ёмкость конденсатора.

    BSVi Reply:

    Тор замыкать не нужно. Остальное — верно.

    Roman Reply:

    Но ведь при питании от генератора (типичный генератор, выдающий амплитуду 15-25 V) не получится создать разряда во вторичке, а значит вторичка не будет замкнута. Это сильно повлияет на частоту резонанса. Может быть всё же замкнуть?

    BSVi Reply:

    Ты всеравно не проэмулируешь разряд. Кроме частоты плывет еще и добротость и связь. Измеряй просто при неподключенной вторичке. Более того. тебе не нужно знать точную резонансную частоту из-за низкой добротности.

    Roman Reply:

    Связь не поплывёт, я же не буду менять конструкцию трансформатора. А вот добротность, если не замкнуть, как раз будет значительно отличаться. Без замыкания будет большая ширина полосы пропускания и сделает затруднительным определение частоты резонанса.

  11. ServaProntiy написал(а) 29 февраля, 2012 в 14:26

    Доброго времени суток! Не могли бы вы подсказать мне, я хочу собрать трансформатор Тесла/катчер, на основе акамулятора 12В-7Ah вот по этой схеме — http://www.youtube.com/watch?v=P2BR6T0rnMw&feature=related. Хотел бы уточнить, можно ли поставить дополнительно трансформатор на входе питания? Так же хочу спросить, можно ли будет использовать в качестве тора металлический подшипник?

    TheWhitescar Reply:

    Если не возражаете, отвечу я, по собственному опыту, т. к. такую игрушку делал. Трансформатор не нужно, т. к. во-первых, напряжение должно быть постоянным, а во-вторых, если вы его даже и поднимете, спалите транзюк.
    Тор здесь можно поставить только для уменьшения частоты резонанса. В принципе, поставить можно многое, даже подшипник. Но вы будете терять драгоценную мощность на ионизацию воздуха на всех выступах подшипника. Я бы использовал что либо с меньшим количеством выступов, более монолитное: шар, эллипсоид и т. д. А подшипник лучше бы не трогал.

  12. budapest написал(а) 17 марта, 2013 в 11:06

    Tollko shto registrirovalsja. Moji studenti hotjat sdelatj moshnij Tesla generator.

    Oni zastrjali na kondensatore — 100 nF impulsnij — 35 kV — eto ishut.

    Kto nibudj mozhet sovetovatj kak reshatj?

    ( Gyorgy Morva iz Obuda University Budapest)

  13. Zhukich написал(а) 23 мая, 2013 в 9:05

    А какой максимальный диаметр медной проволоки, для вторички можно взять?Если например нет проволоки 0.3-0.8

  14. kolenet написал(а) 19 ноября, 2013 в 5:25

    Здравствуйте, собирал по схеме :
    http://flyback.org.ru/viewtopic.php?t=6991&postdays=0&postorder=asc&start=0

    Результат- нагрев дросселей и транзистора, предохранитель не сгорает, автомат не вырубает. Менял транзистор- Стимера нет( не могу понять в чем дело. Возможно плохая вторичка ?

  15. sppixx написал(а) 12 февраля, 2016 в 15:58

    Возник вопрос. Вы пишите про DRSSTC

    ДРССТЦ – самый сложный в изготовлении и настройке…
    длинна стримеров трансформатора этого типа немного меньше…
    управляемость немногим хуже.. чем у SSTC.

    а чем эта конструкция привлекательна, что в ней лучше чем у сстц?

Создать новую ветку комментариев


Вы должны войти или зарегистрироваться чтобы оставить комментарий.