Transformator Tesli - Łukasz Chmura, Tomasz Kisielewicz

Transformator Tesli
Łukasz Chmura, Tomasz Kisielewicz
Politechnika Warszawska, Wydział Elektryczny, Koło Naukowe Faza
Transformator Tesli jest dziełem wybitnego chorwackiego naukowca Nicolasa Tesli.
Urządzenie to powstało ponad 100 lat temu. W środowisku pasjonatów wysokich napięć
widnieje pod kilkoma nazwami jako: transformator Tesli, cewka Tesli, transformator
rezonansowy, generator Tesli.
W budowie tego niesamowitego urządzenia możemy wyróżnić dwa obwody
rezonansowe LC: pierwotny i wtórny, oddzielone galwanicznie od siebie, ale sprzężone
magnetycznie. Pierwszy obwód (pierwotny) LC składa się z iskiernika, kondensatora i cewki,
jego częścią stanowi również uzwojenie wtórne transformatora zasilającego. Uzwojenie
wtórne to cewka o dużej liczbie zwojów 150-300 (w zależności od parametrów urządzenia),
wykonane jednowarstwowo, umieszczone wewnątrz uzwojenia pierwotnego. Uzwojenie takie
już samo w sobie posiada pewną pojemność(rzędu pikofaradów), będącą wypadkową
pojemności międzyzwojowych. Dodatkowo w obwodzie wtórnym umieszcza się toroid w
celu otrzymania odpowiedniej częstotliwości pracy i uzyskania iskier o odpowiedniej
długości. Pojemność toroidu zależy od jego wymiarów geometrycznych i jest rzędu 10-50
mikrofaradów. Całość możemy określić jako transformator bezrdzeniowy (z tzw. rdzeniem
powietrznym).Jego schemat przedstawia rysunek 1:
Zasada działania takiego transformatora opiera się na pracy obwodu w stanie
rezonansu, wykorzystuje się tu również zjawisko sprzężenia magnetycznego dwóch obwodów
elektrycznych. Obwód pierwotny LC zasilany jest uzwojenia wysokonapięciowego
transformatora zasilającego. Napięcie zasilające jest napięciem sinusoidalnym o wysokiej
wartości, zwykle 15 do 20 kV, prąd wyjściowy transformatora zasilającego to od 5 do 100
mA. Wysokie napięcie z transformatora wysokonapięciowego w każdym półokresie ładuje
kondensator do momentu przekroczenia wartości chwilowej przy której nastąpi przebicie
przerwy powietrzej w iskierniku. W chwili przebicia iskiernika, zostaje on zwarty. Zgodnie z
drugim prawem komutacji niemożliwa jest skokowa zmiana wartości prądu płynącego cewce,
di
a każda zmiana jego wartości będzie powodować w cewce indukcję napięć e = − L
które
dt
starać się będą przeciwdziałać zmianom. Indukcyjności i pojemność obwodu pierwotnego LC
są połączone równolegle, tworząc równoległy układ w którym zachodzi zjawisko rezonansu
prądów. Jego istotą jest przepływ prądu o dużym natężeniu pomiędzy cewką a kondensatorem
przy niewielkiej wartości prądu pobieranego z wysokonapięciowego transformatora
zasilającego. W chwili przerwania obwodu następuje bowiem zaindukowanie w cewce siły
elektromotorycznej, wymuszającej ciągły przepływ prądu w cewce i ładowanie kondensatora.
L i2 C u2
Zgodnie z prawem zachowania energii
=
, gdzie u,i to chwilowe wartości napięcia i
2
2
prądu. Proces ten trwa tak długo aż zgromadzona w cewce energia wytraci się, ładując
kondensator. Zaindukowana w cewce siła elektromotoryczna ma przebieg oscylacyjny.
Drgania powstające w obwodzie mają częstotliwość kilkuset kHz. Częstotliwość drgań jak
również ich amplituda w obwodzie zależy od pojemności i indukcyjności obwodu, dobierając
odpowiednie ich wartości można uzyskać duże wartości prądu wymienianego między
pojemnością i indukcyjnością przy stosunkowo niskiej wartości prądu zasilającego układ.
Powyższe wykresy przedstawiają przebiegi oscylacyjne napięcia i prądu w cewce obwodu
pierwotnego .
Wartość częstotliwości uzyskanej w sposób analityczny często poddaje się korekcji. Wynika
to z niewielkich odstępstw od parametrów znamionowych poszczególnych elementów. Duża
wartość prądu wymienianego między kondensatorem a cewką, wytwarza w cewce silne pole
magnetyczne, które indukuje wysokie napięcie w cewce wtórnej. W efekcie czego powstają
wyładowania widoczne w postaci iskier których długość zależy od wartości zaindukowanego
w obwodzie wtórnym napięcia. Zasadę działania obrazuje poniższy rysunek
Należy też zauważyć że zaindukowane w cewce obwodu wtórnego napięcie a więc i ilość
energii przeniesiona z obwodu pierwotnego do wtórnego za pomącą pola magnetycznego
zależy bezpośrednio od częstotliwości drgań powstałych w obwodzie pierwotnym.
Literatura:
[1] „Teoria obwodów” Stanisław Bolkowski
[2] „Podstawy elektromagnetyzmy Henryk Rawa
[3] http://fusion.elektroda.net
[4] http://www.myzlab.pl
[5] http://www.teslacoil.republika.pl/