Как работает трансформатор Тесла на пальцах. Часть 2. SGTC

Опубликовано в рубрике "Высоковольтное", 1 ноября, 2009.

Первая часть этой статьи была обзорной. Теперь пора перейти к чему-то более практическому. В этой части я расскажу про принцип работы Трансформатора Тесла на разряднике  — SGTC.

 sgtc

История и описание

SGTC (Spark Gap Tesla Coil), СГТЦ, Трансформатор Тесла на разряднике (или, что то же самое, на искровом промежутке) – это исторически самый первый вид трансформаторов Тесла. Сам Никола изготавливал только такие трансформаторы. В том числе и знаменитый “Уорденклиф” был построен по топологии SGTC.

Если взглянуть на схему, то этот вид трансформаторов покажется довольно простым. Однако практическая реализация этой схемы требует довольно труднодоступных и дорогих деталей. Тем не менее, сегодня этот тип остается самым распространенным. Причиной тому – очень красивые “ветвистые” и длинные стримеры. Этот вид обладает самым высоким отношением длина разряда/сложность изготовления.

 

Принцип функционирования

Изначально ток, отдаваемый высоковольтным трансформатором T1 заряжает конденсатор Cp через дроссель L1. Чем меньше индуктивность дросселя и емкость конденсатора, тем быстрее происходит заряд.

image

 

 

Со временем, напряжение на конденсаторе становится настолько высоким, что происходит пробой разрядника. Дуга в разряднике — прекрасный проводник, поэтому конденсатор Cp и катушка Lp оказываются соединены, образуя параллельный колебательный контур (Как только дуга разрывается, колебательный контур перестает существовать). Благодаря энергии, которая содержалась в конденсаторе, в этом контуре происходят колебания.

image

Во время этих колебаний, конденсатор и катушка обмениваются энергией, часть которой рассеивается в виде тепла в обмотке Lp, а часть создает светошумовые эффекты в разряднике. 🙂

Первичная и вторичная обмотки расположены рядом и поэтому, между ними существует магнитная связь. Благодаря этой связи, колебания тока в первичной обмотки наводят ток во вторичной обмотке.

Индуктивность Ls и емкость Cs ( Cs – сумма собственной емкости вторичной обмотки и тороида ) образуют еще один параллельный колебательный контур. Этот контур называется вторичным. Номиналы всех компонентов выбираются так, чтобы резонансные частоты первичного и вторичного контуров совпадали.

Энергия передается из первичного контура во вторичный, и, со временем, вся она окажется там. Этот момент называется “узел энергии первичной обмотки”. Амплитуда колебаний и тока и напряжения первичной обмотки в этот момент становятся равной нулю. Однако процесс обмена энергии на этом не заканчивается.image

В идеальной ситуации когда ток через первичную обмотку прекращается, разрядник G1 перестает проводить ток. К сожалению, на практике этого очень сложно добиться, разрядник продолжает проводить. Из-за этого, энергия возвращается обратно из вторичной обмотки в первичную. Так-же, как и в предыдущем абзаце, существует такой момент, когда вся энергия вторичной обмотки возвратиться обратно (этот момент называется узлом энергии вторичной обмотки). Энергия будет переходить из одного контура в другой до тех пор пока дуга в разряднике G1 не погаснет.

Когда дуга погаснет, оставшаяся энергия окажется “запертой” во вторичном контуре и постепенно рассеется, а конденсатор Cp начнет опять заряжаться через дроссель L1.

Дальше все повториться снова. Частоту повторений этого цикла называюти BPS (Beats Per Second, Разрядов в секунду).

Чем сильнее связаны контура (чем ближе одна катушка к другой), тем быстрее контура будут обмениваться энергией. Сильно маленький коэффициент связи ( меньше 0.05 ) приведет к тому, что вся энергия рассеется в первичном контуре, так и не добравшись во вторичный. Большой коэфицент связи потребует расположить первичную и вторичную обмотки рядом, из-за чего между ними будут проскакивать стримеры.

 

Квенчинг

Быстрое размыкание разрядника (в течении нескольких узлов) является индикатором хорошо настроенной теслы, оно означает, что вся энергия буквально сразу-же уходит в стример, а не расходуется на разрушение деталей теслы и создание шума в разряднике.

Затухание дуги разрядника англоязычные коллеги называют quenching (“квенчинг“).

Добиться хорошего квенчинга можно:

  • Выбором подходящего размера тороида, положения и размера разрядника
  • Посредством изготовления разрядника из массивных деталей с большей рассеиваемой мощностью, принудительным его разрыванием.
  • Понижением тока в первичном контуре. Это можно сделать, используя большую Lp, и маленькую Cp. Правда, в таком случае, для сохранения мощности придется увеличить напряжение трансформатора T1.

 

Разделение частот

Даже если оба контура (и первичный и вторичный) по отдельности имели одинаковую резонансную частоту, все меняется при появлении между контурами магнитной связи. Каждая катушка “видит” часть емкости противоположного контура, из-за этого резонансные частоты контуров расползаются. Чем больше коэффициент связи, тем большую часть емкости видит противоположная катушка и тем больше расползаются резонансные частоты.

image

Скомпенсировать этот эффект можно уменьшением коэффициент связи обмоток. Дополнительно почитать про это можно тут. Гугл тоже очень много знает про связанные контура

 

…на пальцах
Связанные контура удобно представлять “на пальцах” как связанные маятники. Более подробно про такую аналогию можно почитать тут http://physics.nad.ru/Physics/Cyrillic/link_txt.htm

link

Для чего нужен балласт?

Многие начинающие не понимают, для чего нужен балласт. Итак, балласт предназначен для того, чтобы:

  • Дать возможность дуге в разряднике G1 потухнуть. Если убрать балласт, разрядник будет замыкать высоковольтный трансформатор и тесла работать не будет.
  • Уменьшить ток зарядки емкости Cp. Если этого не сделать, ток через высоковольтный трансформатор может стать совсем неприличными и разрушить его.
  • Балласт так-же часто играет роль сетевого фильтра и не позволяет помехам из теслы вернуться в сеть и вывести из строя бытовую технику.

Как видно, балласт очень важная штука. Не забывайте про него!

 

Типы SGTC

Трансформаторы Тесла на разряднике делятся на несколько подклассов

  • ACSGTC – Трансформаторы, которые питаются невыпрямленным сетевым напряжением.

image

  • DCSGTC – Отличается от ACSGTC  тем, что на конденсаторы подается выпрямленное напряжение. Это позволяет увеличить КПД (получать при той-же мощности более длинные стримеры) и сделать трансформатор более стабильным, однако требует более сложных расчетов, и нескольких дополнительных дефицитных компонентов.

image

 

Рекомендую почитать еще

  1. Знаменитый сайт Ричи http://www.richieburnett.co.uk

 

Благодарности

Помощь в написании этой статьи оказали

Anton_111 – рецензия. Огромное спасибо!
Skywarrior – правка правописания. Спасибо!




Комментарии
  1. Lincoln написал(а) 3 ноября, 2009 в 7:09

    Отличная статья! 🙂 Только в последней схеме вместо моста со сглаж. кондёром можно было заюзать умножитель…

  2. zaq написал(а) 10 ноября, 2009 в 23:22

    Осциллограммы из «Разделения частот» — с какой точки схемы?
    Два пика — это частота рез. на первичке и на вторичке соответственно?
    На какое положение переключить мой тестер, чтоб помереть k_связи? 🙂
    Я типа «литературный-кролик-критик».

    BSVi Reply:

    Из «разделения частот» это не осциллограмма, а передаточная характеристика, тоесть отношение напряжения на вторичной обмотке теслы к напряжению на первичной обмотке в зависимости от частоты.

    Тестер можно переключить в режим измерения индуктивности и измерять индуктивность первичной обмотки при разомкнутой вторичной. Назовем полученное значение индуктивности Lxx, далее, необходимо закоротить вторичную обмотку и опять измерять индуктивность первичной. Это измерение назовем Lкз.

    Теперь можно вычеслить коэффициент связи

    k = sqrt( 1-Lкз/Lxx). sqrt — это квадратный корень.

    zaq Reply:

    Спасибо, за внимание.
    Как я понял идея написания данной статьи состоит в популярном изложении
    вопроса, так?
    Да, провокация с осцилограммой ни к чему хорошему не привела…, извиняюсь.
    Картинки, наглядность это хорошо, но все же, ИМХО, они не облегчают понимание абзатца «разделения частот», а наоборот, т.е., если ось Y это U2/U1 и при определенной компоновки L1 и L2 c соответствующими Fрез.L1=Fрез.L2, могут появится еще пара Fрез. с НЕМЕНЬШЕМ отношением U2/U1, отсюда можно сделать вывод, что ТТ может одинаково работать на разных частотах, т.е. чем больше k_связи, тем лучше во всех отношениях (кроме пробоя). Дальше хуже — берем резкий фронт импульса в котом (ряд Фурье) до дури частот и ТТ резонирует СРАЗУ на нескольких f? — Возникают не здоровые фантазии… 😉
    2. Измерение k_связи, если все так, то это то, что нужно — лаконично и понятно!
    В таком виде хотелось прочитать и про «Зависимость от геометрии ТТ», т.е., например о расчете, по отдельности каждой катухи, написано доступно, но на практике возникают вопросы — а почему плоская, коническая, конусная, а первичкой заматывать всю вторичку, если нет то почему, а можно первичку под вторичку, а почему у вторички лучше отношение 1:5 (D/H) и т.д.???

    К сожалению, не могу дискутировать с Вами на http://flyback.org.ru – не авторизуется регистрация, так можно я здесь, пользу принесу, надеюсь.

    BSVi Reply:

    >отсюда можно сделать вывод, что ТТ может одинаково работать на разных частотах
    Совершенно верно. Так как обычно к. связи небольшой, КТ ( назовет Катушку тесла так, чтобы не путать с ТТ — токовым трансформатором) может хорошо работать в некотором диапазоне частот — нету узкого резонансного пика — на рисунке эта связь обозначена как критическая.

    > чем больше k_связи, тем лучше во всех отношениях
    Это не так. Во-первых, очень большой К. связи сделает резонансную накачку невозможной. Во-вторых большой к связи означает очень быструю передачу энергии между контурами — при этом минимум энергии в первичном контуре будет очень короткое время и дуга в разряднике не сможет погаснуть. Но, вы правы, главный фактор из всех — пробой между первичкой и вторичкой.

    >ТТ резонирует СРАЗУ на нескольких f?
    И это тоже верно, точнее тесла переключается между резонированиями на этих «горбах» которые на передаточной характеристике. Переключение происходит при полной передаче энергии между контурами.

    2. Ответы на большинство этих вопросов я постараюсь оформить в виде статей в будущем. Кроме сайта у меня достаточно других занятий.

    zaq Reply:

    >Кроме сайта у меня достаточно других занятий.
    Да, конечно, я и не жду моментального ответа, качество важнее скорости.
    Считаю, это очень полезным делом. Лично я хоть и могу отличить транзистор от резистора и начинал, наверное, как многие, с детекторных приемников, но так до конца и не понимаю «Как работает трансформатор Тесла на пальцах». Надоело шерстить по Инету — мегабайты перечитывать, все как-то размежевано, и все какие-то крайности либо кефир, либо Ландау с уравнениями Максвелла… Так что я бы КУПИЛ журнал+кит набор. Кит набор на качере — 2 батарейки по 12в, кондер, 2 резистора, транзистор, кан. труба 300х50, кусок провода, ~30гр ПЭВ, все, итого себестоимость мах 100р+полиграфия. А от плагиата защитят авторские права на печатное издание. И, пожалуй, не стоит углубляться в схемотехнику — интересен принцип.

    Вопросы по статье:
    Аналогия с качелями не совсем вяжется, ведь качели выбьют зубы с обоих сторон качель, а КТ только с одной (в не биполярных).
    Потом не совсем раскрыт вопрос, кстати, пожалуй самый мистический, «куда же бьют стримеры?», т.е. «откуда», ведь если избыток заряда на терминале образует факел от себя, аналогичный должен бить в направлении к КТ от заземленной иглы. (особо в гальванически развязанных с сетью (на батарейках))

    BSVi Reply:

    Какраз вопрос про то, куда бьют стриммеры я считаю, что описал достаточно хорошо. Аналогичный стриммер действительно бьет из земли, но его размер во столько раз меньше во сколько земля больше тороида. Это как в механике — если прыгнуть, то ты отталкнешь всю землю от себя. Но земля намного тяжелее, и она сместиться совсем чуть-чуть.

    zaq Reply:

    Извиняюсь за назойливость, но уж для пользы дела — думаю, что на пальцах надо объяснять так: КТ это насос электронов, «всасываются»- приходят они из атмосферы ионизируя воздух на тороид, а выходят они из…
    Т.е. если запихать трансформатор Тесла (ТТ) на батарейках в банку, а свободный конец ВВ катухи высунуть через дырку в крышке (герметично), то работать не будет. Не будет стримеров от стекла в герметичной лампе накаливания. 🙂
    Вот где начинается винегрет в головах, нужно в таких вещах пояснять, что такое стример и почему он только на одном конце ВВ катухи.
    Я выше употребил «избыток заряда на терминале», Вы не заметили, а ведь от такой терминологии и возникает подобная чушь.
    Эх, порой надо прикинуться дураком, чтоб учителя научить объяснять.

    zaq Reply:

    BSVi>Голубым обозначен контур, по которому должен протечь ток. Куда утекает ток, мы знаем – он через емкость шар-земля утекает в землю. Нужно теперь придумать как его из земли забирать (замыкать контур). Проще всего для этого использовать заземление, однако заземление не всегда доступно в наших суровых пост-советских реалиях. Поэтому нужно сделать свое, виртуальное, заземление.
    Ну, это кому угодно башню снесет. Вы может подотрете «голубой контур», а вместо нарисуйте две разнонаправленных стрелки около кондера.

    BSVi Reply:

    Во-первых, прошу писать комментарии на странице комментируемой статьи. Во-вторых, с конденсаторами все верно и понятно, исправлять не буду.

    Не усердсвтуйте. Статьи раcсчитаны на новичков, а не на дебилов.

  3. Alexsandr81 написал(а) 28 января, 2010 в 22:28

    Отличная статья, спасибо за сайт.
    Вопрос по принципу функционирования.
    смотрю на схему второй половины цикла работы SGTC: G1 шнутирует через первичку Lp емкость Cp образуя клебательный контур.
    Из пояснения следует, что в этот момент L1 бездействует.
    А если из схемы исключить Т1 и фильтр и организовать цикл работы следующим образом:
    работа цепи начинается при замыкании, в первой четверти фазы сети 220V, ключа G1 который шнутирует конденсатор Ср через Lp и подключает L1 к сети.
    В дросселе L1 начинает нарастать ток и соответственно магнитное поле. Далее, во второй четверти фазы сети, ключ G1 размыкается и энергия накопленная
    в дросселе преобразуется в потенциал на конденсаторе Ср. Дальше третья четверть. G1 снова замыкается подключая дроссель к цепи и шнутируя
    конденсатор Ср через Lp. В четвёртой четверти G1 снова разомкнут, происходит разряд L1 на Ср. И так далее.
    Если вопрос синхронизации ключа G1 и фазы сети исключить, то такой вариант работы возможен или нет?

    BSVi Reply:

    То, что вы придумали уже извесно и называется резонансным зарядом. Про него можно почитать тут

    http://www.richieburnett.co.uk/resonant.html

    Трансформатор исключить не удастся — без него искровой промежуток не пробьется.

    Alexsandr81 Reply:

    а если искрового промежутка нет: или замкнуто накоротко или разомкнуто.
    будет работать?
    а за ссылку спасибо

    BSVi Reply:

    Да, только учти что на ключе который делает замкнуто-разомкнуто будет такое-же напряжение, как и на конденсаторе, те тысячи вольт.

  4. alex160375 написал(а) 25 июля, 2010 в 9:44

    существует и другая версия принципа работы трансформатора теслы
    у меня есть видео с лекцией одного российского профессора хотел скинуть ее сюда но что то не нашел куда скидывать файлы
    если сравнить вашу версию и версию того профессора то профессор просто «псих полный» или вы «тормоз полный» или «я не дочитал вашу версию и пропустил кое что мимо ушей»

    BSVi Reply:

    Видео можно скинуть на youtube или как файл на любой файлообменник (к примеру, http://www.onlinedisk.ru/)

    «Моя» версия совподает с общепринятой в электронике.

  5. ukm написал(а) 31 мая, 2011 в 14:55

    Внимательно прочитал всю статью и комментарии. Кто-нибудь пробовал пристроить к тесле 3-ю катушку, с которой можно было бы снимать полезную нагрузку?
    А если с неё еще и запитать сам генератор?

    BSVi Reply:

    Пробовали — нагрузку запитать без проблем. Сам Тесла этим еще занимался.

    ukm Reply:

    Если с 3-й катушки запитаь первичку теслы после выхода на режим и отключить внешнее питание — если будет работать, то получится «вечный» генератор! Зачем тогда нефть и прочее?

    BSVi Reply:

    Вечного не получится. Это — бред. У Теслы оочень большие потери.

    ukm Reply:

    Тогда получается, что этот трансформатор — не более, чем игрушка, эдакое шоу молний управляемых….

    Но Н.Тесла, якобы, писал, что в условиях резонанса на вторичной обмотке генерируется мощность, значительно превышающая подводимую. Он относил это явление к реакции окружающей среды («Мирового эфира»). Закон сохранения в этих условиях не работает (условия другие…).

    BSVi Reply:

    >Тогда получается, что этот трансформатор – не более, чем игрушка, эдакое шоу молний управляемых
    Именно так оно и есть, а еще это — прикольное занятие для самодельшиков.

    >Но Н.Тесла, якобы, писал
    Покажи, где он это писал?

    >Закон сохранения в этих условиях не работает
    Закон сохранения работает всегда. Это следует не из физики даже, а из математики. 2+2 никогда не будет 10.

    >Мирового эфира
    Это другое дело, называется свободная энергия. Принципиально это — возможно, но никакого подтверждения ее существованию нет. А искали ее оочень много и очень умные люди, поэтому не стоит терять на это времени, если ты не нашел чего-то, что не делали другие.

    ukm Reply:

    Спасибо за диалог, я серьезно заинтересовался работами Теслы — это очень необычный взгляд на физику и электричество. Насчет 2х2 я как бы в курсе…
    Как насчет этого?
    http://www.glubinnaya.info/science/tesla/radiant.htm
    еще вот этого:http://kuasar.narod.ru/library/tesla/energ.htm
    и вот этого:http://elementy.ru/lib/430490 ?
    Я сейчас рою в инете материалы по этой теме, пытаясь понять, что среди этого есть шарлатанство, а что — непознанное или засекреченное.

    Мне действительно, интересно Ваше мнение…

  6. vagon написал(а) 20 января, 2012 в 19:45

    BSVI, на флае кто-то писал, что смысла в питании теслы постоянным током нет без правильно рассчитанного индуктора… А как же увеличение действующего значения выпрямленного, сглаженного напряжения, по идее пойдет на пользу…

    BSVi Reply:

    Ну дак и спросите у того, кто писал 🙂

Создать новую ветку комментариев


Вы должны войти или зарегистрироваться чтобы оставить комментарий.