Nikola Tesla a teória Teslovho transformátora

NIKOLA TESLA

      Nikola Tesla (1856 - 1943) je jeden s najdôležitejších vedcov a vynálezcov všetkých dôb. Narodil sa v noci s 9. na 10.7.1856 v rodine pravoslávneho kňaza Milutina Tesly v dedine Smiljan blízko mesta Gospič v dnešnom Chorvátsku. Od detstva vynikal talentom na prírodné vedy, študoval na univerzitách v Grazi a v Prahe. Svoj intelekt uplatnil hneď v niekoľkých samostatných odboroch. Navrhol základné vynálezy súvisiace s osvetlením, rozvodom elektriny, strojnými zariadeniami, časticovými zbraňami, aerodynamikou a umelou inteligenciou. Vďaka jeho vynálezom, patentom a zdokonaleniu mohlo dôjsť ku skutočnému plnému využitiu potenciálu elektrickej energie a elektromagnetizmu. Práve on aj keď nebol primárnym objaviteľom striedavého prúdu, či vynálezcom úplných základov príslušnej technológie, bol ako prvý schopný v 80.-90. rokoch 19. storočia túto technológiu efektívne použiť. Tesla navrhol a zostrojil prvé úspešné elektromotory na striedavý prúd a zvládol po prvý krát (pomocou transformátorov a vedeniu vysokého napätia) účinne prenášať veľké výkony na veľké vzdialenosti. Týmto odsunul na vedľajšie miesto do tej doby dominujúcu technológiu jednosmerného prúdu, ktorá toho nebola schopná. Neskôr sa venoval hlavne bezdrôtovému prenosu informácií a pokusne aj energie (Teslov transformátor). Jeho vízia bola prenášať elektrickú energiu v podstate kdekoľvek na Zemi bezdrôtovo pomocou ionosféry a telurických prúdov cez jadro Zeme. Raz sa mu podarilo rozsvietiť 200 žiaroviek na vzdialenosť 42km a to bez akýchkoľvek prevodov, ale nikdy nebol použitý v praxi. Tiež sa Tesla púšťal do rady bizarných a nekonvenčných pokusov a špekulácií, ktoré často neviedli k fungujúcim prístrojom či reálnym výsledkom.

TESLOV TRANSFORMÁTOR

      Náhodne som našiel aj takéto fotky. Fotky zo zjazdu iluzionistov z roku 1951 v USA.  

      Je to vzduchový transformátor, ktorý pracuje na svojej vlastnej rezonančnej frekvencii a slúži na výrobu veľmi vysokého napätia o vysokej frekvencii rádovo stoviek kHz. Primárnu cievku tvorí niekoľko závitov vodičom s veľkým prierezom a sekundárnu cievku niekoľko sto až tisíc závitov vinuté tenkým drôtom v jednej vrstve na valcovej kostre. Jedná sa vlastne o dva induktívne viazané rezonančné obvody. Sekundárna cievka svojou indukčnosťou a medzizávitovou kapacitou prípadne kapacitou toroidu/disku/gule určujú rezonančnú frekvenciu Teslovho transformátora. Aby dochádzalo k najväčšiemu prenosu energie, čiže aby boli čo najväčšie výboje, je potrebné naladiť primárny rezonančný obvod na rovnakú frekvenciu akú má sekundárna cievka. Pretože medzizávitová kapacita primárnej cievky je nepatrná treba pripojiť ďalšiu kapacitu C. Tu je principiálna schéma Teslovho transformátora (TC – Tesla Coil).

      Z mäkkého zdroja vysokého napätia (VN transformátora) sa začne nabíjať kondenzátor až pokiaľ nenastane preskok výboja v iskrišťu, teda napätie na kondenzátore nedosiahne elektrickej pevnosti vzduchu medzery iskrišťa. Vtedy nastáva preskok výboja a výboj spojí na krátku dobu kondenzátor paralelne s primárnou cievkou. Kondenzátor sa začne vybíjať a vznikajú tlmené kmity o vysokej frekvencii niekoľko desiatok až stoviek kHz až kým sa skoro úplne nevybije kondenzátor a výboj zanikne, to sa opakuje stále dokola. Frekvenciu tlmených kmitov určuje primárny rezonančný obvod, ktorý sa ladí do rezonancie so sekundárnym rezonančným obvodom. Opakovacia frekvencia preskokov výboja v iskrišti je niekoľko desiatok, stoviek až tisícky Hz (alebo aj inak BPS = Breaks Per Second). Opakovacia frekvencia záleží od veľkosti Teslovho transformátora a od výkonu zdroja, čiže aký veľký prúd dokáže VN zdroj dodať pre nabitie kondenzátora. Pochopiteľne jedná sa o statické iskrišťa, pri rotačných si mi určíme otáčky a tým aj počet preskokov = BPS. Tlmené kmity sa indukujú v sekundárnej cievke a ak je napätie dostatočne veľké tak začnú sršať výboje do vzduchu. Hladký toroid alebo guľa na vrchu sekundárnej cievky ako pridávna kapacita, tiež môže o niečo predĺžiť výboje. Je to aj vďaka rozloženiu elektrického poľa okolo toroidu, tiež nevzniká žiadny vysoký gradient napätia a vysoká nehomogenita poľa na hrotoch a nerovnostiach (pravdaže ak je hladký toroid/guľa). Vďaka tomu sa na toroide zvýši napätie ešte na vyššiu hodnotu, kým nastane prieraz vzduchu a tým dochádza aj k predlženiu výbojov na o niečo väčšiu vzdialenosť.

      Takéto VF napätie s Teslovho transformátora sa správa inak, ako bežné VN zdroje. Dajú sa s ním robiť zaujímavé pokusy, ako napr. rozsvecovať aj vypálené úsporné žiarivky alebo žiarivkové trubice na diaľku. Môžete vytvoriť plazmovú guľu s obyčajnej žiarovky len priblížením sa k sekundárnej cievke, kedy dochádza k ionizácii plynu v banke žiarovky (argónu) aj bez preskoku výboja do banky. Rozsvecovať aj rôzne iné banky plnené plynmi na určitú vzdialenosť. Pri tak vysokej frekvencii dochádza ku zaujímavému javu takzvanému skin-efektu, kedy prúd sa šíri po povrchu vodičov, prúd je vytláčaný na povrch vodiča v závislosti od frekvencie a odporu vodiča. Preto ani výboje s Teslovho transformátora “nekopú”, lebo prúd sa šíri po povrchu tela a nezasahuje svaly ani orgány, preto nezabije, ale môže popáliť. VF prúd ma tepelné účinky. Ono tiež tu nedochádza k úplne dokonalému skin-efektu pri TC s nižšími frekvenciami alebo všeobecne pri TC a časť prúdu aj tak zasahuje svaly, ale tiež nervy „nereagujú“ na tak vysoké frekvencie prúdu a nedochádza ku kŕčom ani nič nie je cítiť. Ale aj tak treba dávať veľký pozor lebo v primárnom obvode je zvyčajne nebezpečné až smrteľné napätie v závislosti od použitého VN zdroja !

      Dole na fotkách rôzne moje klasické iskrišťové Teslove transformátory. Prvý je zatiaľ môj najväčší, ktorý dáva 1,3m do zeme. No vzhľadom na nedostatok priestorov a miesta zrejme ešte aj nejaký čas najväčším ostane :).



      Okrem klasických iskrišťových TC s ktorými pracoval Tesla, poznáme aj iné typy TC, ako sú s polovodičovým budením a elektrónkovým. Pri elektrónkach je výhoda jednoduchosť a ich odolnosť, keďže znesú aj krátkodobé preťaženie. Pri polovodičovom zasa treba fakt vedieť ho dobre navrhnúť a oživiť, inak rýchlo nastane výbuch mosfetov. Nižšie sú bližšie rozobraté a rozpísané jednotlivé typy TC.

Typy Teslovho transformátora:

SGTC (Spark Gap Tesla Coil)
SSTC (Solid State Tesla Coil)
ISSTC (Interrupted Solid State Tesla Coil)
DRSSTC (Dual Resonant Solid State Tesla Coil)
QCW DRSSTC (Quasi Continuous-Wave Dual Resonant Solid State Tesla Coil)
VTTC (Vacuum Tube Tesla Coil)
OLTC (Off Line Tesla Coil)

Meranie rezonančnej frekvencie f0 sekundárnej cievky


SGTC (Spark Gap Tesla Coil)

      Prvý asi najznámejší a najrozšírenejší typ Teslovho transformátora je klasický iskrišťový (SGTC) na ktorom pracoval aj Nikola Tesla. Pravdaže tie dnešné už nie sú tie pravé originálne, len vychádzajú s toho konceptu. Tento typ už bol popísaný stručne v úvode aj celý princíp funkcie tak tu si už len rozpíšem jednotlivé časti. Tiež čo sa týka zložitosti a financií tak tento je práve ten najjednoduchší a najlacnejší. Pravdaže pokiaľ sa bavíme o improvizácií a normálnych rozmeroch a výkonoch, nie nejaké veľké výkonné s rotačným iskrišťom napájané X kW zdrojom a pod. pochopiteľne. Nehrozia tu žiadne vybuchujúce drahé polovodiče ani zháňanie nie práve lacných výkonových elektrónok. Jedine kondenzátory zvyknú horieť a strieľať ak sa použijú šmejdy čo tam nemajú čo hľadať. Ak sa spáli iskrište, proste sa len očistí zo šmirgľom a ide sa ďalej. Vysokonapäťový zdroj sa dá ľahko spraviť napríklad s transformátorov s mikrovlniek (MOT) či horšie zohnateľných transformátorov pre neónové reklamy (NST), ktoré môžu pracovať aj do skratu, čo je veľmi dôležité. Najproblematickejšia časť a aj pravdepodobne najdrahšia na SGTC je práve rezonančný kondenzátor, na ktorý sú kladené veľmi vysoké nároky (veľké dU/dt a malý tg delta) a zvyčajne sa skladá s veľa malých kondenzátorov do tzv. MMC (Multi Mini Capacitor).



Primárna cievka

      Primárna cievka ma malý počet závitov (zvyčajne do 20) vodičom s veľkým prierezom. Používa sa medená trubka alebo pásovina, v núdzi sa dá použiť aj koaxial (použiť tienenie aj jadro), ale pri väčších výkonoch sa po pár sekundách slušne ohreje. Primárna cievka môže byť konštruovaná a uložená rôznymi spôsobmi. Vo všeobecnosti sa na TC používa plochý, kónický a valcový primár. U SGTC sa valcový primár nedá použiť a nepoužíva, pretože budú skákať výboje s toroidu do primárnej cievky alebo ešte skôr pravdepodobnejšie priamo so sekundárnej cievky cez izolant ak tam je do primárnej cievky a nezabráni tomu žiadna izolácia (!). Lak na sekundárnej cievke je len pre fixáciu vodiča a mechanickú odolnosť nie pre izoláciu. Preto sa používa kónická alebo plochá primárna cievka vďaka ktorej je väzba medzi primárnou a sekundárnou cievkou pomerne slabá a účinnosť prenosu nízka. Primárna cievka by mala byť umiestená u päty sekundárnej cievky pretože tento koniec je uzemnený. Najlepšie je použiť kónickú primárnu cievku pretože tá ma výhody valcovej aj plochej cievky. S kónickou cievkou sa dosiahne silnejšia väzba, ako s plochou a tým sa aj zvýši účinnosť prenosu oproti plochej cievke a zasa naopak, nie je tak vysoká väzba, ako pri valcovej cievke, čo by spôsobilo preskoky výbojov do primárnej cievky (tiež ide aj o výšku primárnej cievky). Ak výboje s toroidu sú dlhšie ako celý sekundár, nastáva tú problém s preskokmi výbojov do primárnej cievky (aj keď je plochá alebo kónická primárna cievka), to sa rieši tzv. ochranným závitom nad primárnou cievkou, ktorý je uzemnený. Ochranný závit nesmie byť spojený, aby to nebol závit nakrátko (!). Ďalšia vec na ktorú si treba dávať pozor je, aby napr. kónický primár nebol vinutý tesne závit vedľa závitu, ale musí byť roztiahnutý. Pretože tým závitom vedľa závitu (za predpokladu, že to znesie izolácia) sa zväčší väzba, čo môže mať zasa za následok preskoky výbojov po vinutí sekundárnej cievky (proste s nejakého závitu vybehne výboj, plazí sa po vinutí a skočí do iného závitu). Je to spôsobené silným magnetickým poľom pri dolnej časti vinutia, čo spôsobí nerovnomerne rozloženie napätia, čiže bude dole pri primárnej cievke veľmi veľké napätie na malom počte závitov. Tento problém som mal na tomto SGTC, keď som najprv takto navinul primárnu cievku a ešte som netušil, že to môže spôsobiť problémy.

      Príklady primárnych cievok, prvé dva hore valcové sú pre VTTC, tretia dole je nevhodná pravé kvôli spomínanej silnej väzbe (tesnosti závitov) a posledná je už prerobená a v poriadku s ktorou fungujem do dnes. Pravdaže nie je to vždy podmienka a za každých okolností, no treba brať vedomie na rôzne možné problémy. Na poslednej fotke nakoniec detail na ochranný závit, ktorý musí byť nejako takto ukončený v dostatočnej vzdialenosti (!). Pretože aj na tomto jednom závite sa môže pri väčšom SGTC naindukovať niekoľko kV a bude tam preskakovať výboj a skratovať závit. S čím som tiež už mal problém.



Sekundárna cievka

      Je vinutá niekoľko sto až niekoľko tisíc závitmi tenkého drôtu vinutého v jednej vrstve na valcovej kostre. Jeden koniec cievky je uzemnený a druhý zakončený toroidom alebo kapacitnou guľou. Závity sa vinú tesne vedľa seba alebo môžu mať tiež medzi jednotlivými závitmi medzeru, ktorá je potrebná pre určitú medzizávitovú kapacitu - pre určitú rezonančnú frekvenciu f0. To sa robí napríklad súčasným navíjaním drôtu a silonu. Ideálny je drôt s teflonovou izoláciou. Teflonová izolácia vyniká svojou mechanickou a elektrickou pevnosťou. Dá sa použiť pravdaže aj smaltovaný vodič, ktorý sa bežne a najčastejšie používa, ale v žiadnom prípade nesmie byť popraskaný. Preto je najlepšie kúpiť nový drôt, lebo popraskaný smalt môže pri napätí niekoľko sto voltov na závit robiť vážne problémy. Výrobe sekundárnej cievky je treba venovať trocha času a úsilia. Jednotlivé závity treba vinúť tesne vedľa seba a nesmú sa nikde krížiť. Ak sa náhodou pretrhne drôt či chceme napojiť ďalší kvôli nedostatočnej dĺžke, tak áno dá sa to, ale podmienka je pravdaže okrem presne rovnakého drôtu aj dokonalá rovnosť a precíznosť zacínovania drôtov bez jediného výčnelku a nejakého mini hrotu s cínu. Čo by spôsobilo silnú nehomogenitu poľa a nastal by prieraz výboja zo spájaného miesta uprostred cievky. Potom dané miesto lepšie nalakovať alebo nakvapkať na dané miesto sekundové lepidlo. Navinutú cievku treba aspoň 3-4x nalakovať hlavne kvôli mechanickej odolnosti a fixácií vodiča na kostre. Postačí nám nato napríklad aj lodný lak na drevo, ktorý mám v obľube na tieto sekundárne cievky. O elektrickú izoláciu tu ani tak nejde, ak tam bude nejaký problém, tak výboj prerazí bez ohľadu nato, či tam vôbec nejaký lak bude. Ako kostra sa používa PVC trubka resp. novodurová odpadová rúra a u väčších sekundárnych cievok je kostra zložená s drevených alebo plastových dielov. Sekundárna cievka by mala mať okolo 1000 - 1500 závitov. Je úplne jedno, či sa jedná o veľkú alebo malú sekundárnu cievku, počet závitov by mal byť rovnaký, pretože tu nie je dôležitý pomer závitov ku primárnej cievke, ako u bežných transformátorov. Ide tu o princíp rezonancie oboch rezonančných obvodov, primárnej aj sekundárnej cievky, ktoré sa ladia na rovnakú frekvenciu pre maximálnu účinnosť prenosu energie. Vhodný drôt na sekundárnu cievku sa dá nájsť napríklad aj v mikrovlnnej rúre vo ventilátore, ktorý stačí len rozobrať. Drôt zhruba vystačí na sekundárnu cievku o dĺžke 25cm a priemeru 6,3cm. Potom s rôznych elektromagnetov a väčších cievok, netreba však zabúdať, že vodič musí byť v dobrom stave pre použitie na sekundárnu cievku, inak radšej kúpiť nový.

      Rezonančná frekvencia f0 sekundárnej cievky sa dá zistiť celkom jednoducho s generátorom a dvoma anti-paralelne zapojenými LEDkami alebo osciloskopom. Jednotlivé metódy merania f0 cievky mam bližšie rozpísané v nasledujúcom článku tu - Meranie rezonančnej frekvencie f0 sekundárnej cievky.

Napájanie TC

      Vysokonapäťový transformátor má za úlohu zvýšiť sieťové napätie na takú hodnotu, pri ktorej už preskakuje výboj a zároveň je už vzdialenosť v iskrišti dostatočne veľká nato, aby naopak tam výboj neostal horieť a nespálilo úplne medzeru, čo je aspoň tých 4kV AC 50Hz. Môže byť napätie aj nižšie, ale je problém s konštrukciou a precíznosťou iskrišťa práve kvôli nutnosti spomínanej priveľmi malej medzere. Pre Teslove transformátory väčších a veľkých výkonov sa bežne používajú aj 20kV a viac VN transformátory. Výstupné prúdy sa pohybujú v desiatkach až stovkách mA. VN transformátor by mal byť mäkký ak je tvrdý, tak je potrebné prúd obmedziť napríklad tlmivkami inak sa po chvíli spáli a zničí. Teslov transformátor môžeme napájať ako striedavým napätím tak aj jednosmerným. Striedavé napätie len o sieťovej frekvencií 50Hz ak máme vysokofrekvenčný zdroj napríklad s VN transformátora s TV, tak je nutné takýto VN zdroj usmerniť. Potom však pri DC napätí väčších výkonov nastáva problém s iskrišťom a zapaľovaním oblúka. Preto sa už používa nie statické, ale rotačné iskrište no o tom neskôr nižšie. Niektoré VN transformátory dole v popise.

NST (Neon Sign Transformer)

      Je to rozptylový transformátor určený pre napájanie neónových reklám, jeden z najlepších zdrojov pre napájanie SGTC. Problém je, že sa zháňa dosť ťažko a nový je veľmi drahý. Jediná jeho nevýhoda je jedine asi hmotnosť, napr. také 1kW NST môže vážiť aj 30kg. Transformátor je mäkký a môže pracovať trvale do skratu, čo je jeho nesmierna výhoda. Takže netreba používať žiadne tlmivky na obmedzenie prúdu, jedine nejaké malé s niekoľko uH pre VF oddelenie primárneho rezonančného obvodu od napájacieho VN zdroja. Malé NST tak okolo 100W sa nachádzajú v kopírkach, kde slúžia ako zdroj elektrostatického náboja. Napätie týchto rozptylových transformátorov sa pohybuje zhruba okolo 4-15kV a výkony 100W - 1,5kW (tiež v závislosti USA/EU). Zvyčajne majú hlavne nové transformátory vyvedený stred sekundárneho vinutia, takže dávajú napr. +3kV a -3kV voči zemi. To spôsobuje tiež problém v ich spájaní do série. Jediná možnosť je zohnať jedno poriadne NST s dostatočným napätím a výkonom alebo napríklad 2-3ks presne identických pre paralelné spojenie. Viac podrobnosti sa dočítate aj v tomto článku:

NST - Neon sign transformer

OBIT (Oil Burner Ignition Transformer)

      Je to zapaľovací transformátor, ktorý sa dá nájsť v olejových a plynových topeniach, kde sa používa na výrobu výboja pre zapálenie plameňa. Je priamo pripojený na 230V sieť a na sekundárnom vinutí dáva cca 10kV medzi dvoma VN výstupmi, kde stred vinutia je uzemnený. Takže máme s transformátora +-5kV voči zemi. Stred vinutia je spojený zo železným jadrom transformátora, ktorý sa musí uzemniť na kolík PE. OBIT je prúdovo limitovaný na zhruba 25mA medzi VN výstupmi, ktoré môžu byť priamo skratované. Doba skratu sa však musí udržať pod 1 minútu a potom musí transformátor 2 minúty chladnúť do ďalšieho skratu. Presne identické transformátory je tiež možné spájať paralelne, ako v prípade NST, ale rovnako nie do série (!).

MOT (Microwave Oven Transformer)

      Transformátor s mikrovlnnej rúry alebo inak MOT (Microwave Oven Transformer). Je to asi najčastejšie používaný VN transformátor pre napájanie TC, ktorý sa dá aj najjednoduchšie zohnať pre jeho relatívne ľahkú dostupnosť. Keďže mikrovlniek je dnes všade veľa a zberné dvory sú nimi preplnené. Avšak tento transformátor je tvrdý zdroj VN, nemá obmedzený prúd, takže sa pri dlhšom skrate zničí na rozdiel od predošlých VN transformátorov. Preto je nutné použiť tlmivky na obmedzenie prúdu, ako tlmivky sa tiež dajú v núdzi použiť aj ďalšie MOTy s vyskratovanou primárnou cievkou na sekundárnej VN strane VN zdroja. MOTy sú dosť poddimenzované pretože nie sú konštruované a určené pre trvalú záťaž, takže aj po takej hodine naprázdno sa tak rozpáli, že je problém na ňom udržať ruku. Ďalší problém je, že napätie MOTu je v rozmedzí iba 2 – 2,3kV čo ani poriadne nestačí na preskok iskri, ale má výborný prúd 0,5A. Preto sa používajú rôzne násobiče napätia alebo najčastejšie a najjednoduchšie sa zapoja 2 do série. Výkony MOTov sa pohybujú v rozmedzí cca 650W – 1kW. Ďalší problém je, že izolácia je dosť slabá a jeden koniec sekundárneho vinutia je spojený s kostrou, čo robí problémy pri spájaní MOTov. Kostra sa u MOTu musí uzemniť na kolík PE, nesmie ostať kostra MOTu visieť neuzemnená vo vzduchu. Preto tu nastáva dosť problém ak by sme chceli spojiť viac ako 2 MOTy do série. Dva MOTy nie je problém spojiť kostrami, ktoré sa uzemnia na kolík PE a dostávame cca +-2,1kV na živých koncoch voči zemi a medzi živými koncami máme cca 4,2kV. Je možné spojiť aj viac ako 2 MOTy do série, ale krajné MOTy je nutné odzemniť a nedá sa takto upraviť a použiť každý MOT. Ďalšie informácie a fotky v článkoch aj tu:

MOT - Microwave Oven Transformer

Zapaľovacia cievka

      Nič moc, malý výkon, malý prúd. Vhodná len na malé TC, používať asi len v krajnom prípade. Napätie okolo snáď aj do 50kV ak to prežije cievka.

VN zdroj - Indukčné cievky 85kV

Improvizované meniče

      Opäť nič extra výkon, vhodné na malé TC. Používajú sa VN transformátory s TV s feritovými jadrami na vysokých frekvenciách 15-30kHz. Tieto zdroje je nutné usmerniť, nedá sa napájať TC vysokofrekvenčným prúdom. Výkonne VN zdroje sa amatérsky realizujú dosť zložito a ďalší problém je, ako dlho výdrží taký VN transformátor s televízora pri veľkom výkone. Keďže je určený pre výkony niekoľko desiatok W a nie stovky W pre napájanie Teslovho transformátora. Ideálne je použiť polomost na sieťové napätie a napr. IHVT, VN transformátor s CRT televízora alebo monitora. Sú to nové VN transformátory s dobrou izoláciou no ich nevýhoda pre SGTC, že sú na veľké napätia a nedodajú až také prúdy. Vhodnejší by bol špecifický VN transformátor ešte zo starých už s farebných TESLA televízorov, ktorý je určený pre napájanie VN kaskadného násobiča. Takže dodáva malé napätie o hodnote cca 6-8kV, ale je dosť náchylné na prepätie a ľahko sa môže preraziť pri snahe dostať s neho vyššie napätie alebo nepozornosti pri stavbe VN zdroja. Takže, ako prvé som uviedol nové ľahko zohnateľné IHVT, potom staré transformátory určené pre napájanie násobičov a nakoniec najvhodnejšia voľba no najzložitejšia, je proste si navinúť vlastný VN transformátor, napríklad na nejaké väčšie feritové jadro od VN transformátora s TV (či iný ešte väčší ferit). Ak sa vhodne navinie, tak bude aj omnoho odolnejší ako VN transformátor s televízora. Otázka je, či má zmysel stráviť toľko času pri riešení improvizovaného VN meniča alebo radšej použiť napríklad transformátory s mikrovlniek – MOTy. To si už myslím, že namiesto riešenia improvizovaného polovodičového VN zdroja pre napájanie SGTC, radšej rovno postaviť poriadny polovodičový Teslov transformátor SSTC. Viac o týchto VN zdrojoch sa dočítate aj v týchto článkoch:

VN zdroj - IGBT polomost 22,5kV
Budiče VN transformátorov (TV a CRT monitory) s IO
VN transformátor vlastnej výroby 2 - 25kV
VN transformátor vlastnej výroby - 3kV
ZVS Driver
ZVS Driver 2 - experimentálny
ZVS Driver 3 - Modifikované zapojenie


PTN - Prístrojové transformátory napätia

      Posledné popísané VN zdroje budú PTN, sú to meracie transformátory zo zvyčajne 100V výstupom pre meracie prístroje vo VN rozvodniach. Transformátory napätia sa do 35kV skoro výhradne zalievajú do epoxidových živíc pre vnútornú montáž. Výkony zvyknú byť okolo 500-800VA a zvyčajne hlavne tie staré sú dosť predimenzované, ako napäťovo tak aj výkonovo. Takže nie je problém ho krátkodobo preťažiť či napäťovo alebo výkonovo. Pre napájanie SGTC by bol najvhodnejší pravdaže ten s čo najnižším vstupným napätím (primárna cievka je VN pre sieť a sekundárna cievka je 100V pre meracie prístroje). Sú to najnebezpečnejšie s tu popísaných VN zdrojoch pre napájanie SGTC. Majú vysoké napätia a dodajú smrteľné prúdy, tiež sú to veľmi tvrdé zdroje, ktorým je nutné obmedziť výkon tlmivkami pre napájanie SGTC. Tiež je problém zapojiť jedno PTN priamo na sieť, keďže sekundárna cievka je na 100V. Viac o týchto typoch transformátoroch sa dočítate v nasledujúcom článku alebo v druhom aj nejaké experimenty.

PTN - Prístrojové transformátory napätia
Pokusy s VN pri 50Hz (PTN) – čiastkové výboje

Tlmivka

      Tlmivku je nutné zapojiť do série s VN transformátorom. Takto chránime transformátor pred skratovým prúdom a vysokofrekvenčne oddeľuje transformátor od primárneho rezonančného obvodu, nato stačí aj pár mH, ale hlavne určuje nabíjací prúd kondenzátora a nato je už potrebné desiatky H. Pokiaľ je použitý transformátor bez obmedzenia prúdu (napr. MOT, PTN) je nutné použiť tlmivky. Pri napájaní transformátorom s obmedzeným prúdom (napr. NST, OBIT) sa dá v núdzi aj vypustiť. Dôležitou vlastnosťou tlmiviek je, že sa spolu s iskrišťom chovajú ako zvyšujúci menič napätia. To sa síce môže hodiť napr. pri MOTe, ale pokiaľ si to človek neuvedomí môže prísť o kondenzátory. Preto taktiež nie je od veci, dať na kondenzátory ochranné iskrište.

Iskrište

      Pri SGTC máme dva typy iskríšť a to statické a rotačné. Najjednoduchšie je statické iskrište s dvoma elektródami napr. guľôčkami alebo proste len dva skrutky. Nevýhoda je, že elektródy sa veľmi rýchlo ohrievajú a opaľujú, preto sa dá použiť jedine pre fakt malé výkony, inak sa veľmi rýchlo spáli. Ďalšia možnosť je použiť také statické iskrište, kde sa výboj rozdelí na niekoľko menších výbojov v sérii. Najčastejšie sa to rieši medenými trubkami naukladanými vedľa seba, ktoré sa dajú lepšie chladiť. Trubky nech majú na dĺžku aj 15-20cm a čím hrubšia stena trubky tým lepšie. Trubky je treba ukladať presne rovnako vedľa seba s presne rovnakou medzerou po celej dĺžke trubiek, aby výboj skákal rovnomerne náhodne po celej dĺžke medzery. Ak nebudú medzery presne rovnomerné, tak sa bude automaticky výboj sústrediť do jedného miesta, kde sa bude dané miesto priveľmi ohrievať, opaľovať až sa celé to miesto prehreje a spáli. Čo bude mať za následok zapaľovanie oblúka v iskrišti a automaticky zmenšovanie výkonu, vynechávanie iskrišťa a zmenšovanie výbojov s TC. U statických iskríšť je doba i rýchlosť preskokov viac menej náhodná.

      Ďalší typ iskrišťa je rotačné, to sa potom delí ešte na synchrónne a asynchrónne. Výhodou týchto iskríšť je, že sa nemôže vytiahnuť oblúk respektíve nezostane trvale horieť. Používajú sa pre veľké výkony. U obidvoch typov rotačných iskríšť je konštrukcia nasledujúca. Na hriadeľ motora sa izolovane pripevní vodivý kotúč s niekoľko pármi elektród. Na konštrukcii ku ktorej je pripevnený motor sú izolovane pripevnené ďalšie dva elektródy. Tie sú umiestnené tak, že pri určitom natočení hriadeľa je príslušní pár elektród na kotúči naproti nim, preskočí výboj a na krátku dobu sú statické elektródy výbojom cez kotúč spojené. Vzdialenosť medzi elektródami má byť čo najmenšia. V súvislosti s iskrišťom sa používa skratka BPS (Breaks Per Second), ktorá udáva počet preskokov za sekundu.

      Synchrónnym rotačným iskrišťom sa myslí, že jeho otáčky a okamžitý uhol natočenia hriadeľa je rovnaký s frekvenciou siete. K tomuto účelu sa používajú synchrónne motory, ktoré tuto podmienku spĺňajú. U synchrónnych iskríšť sa počíta s tým, že k preskoku výboja dôjde vždy v rovnakom okamžiku. Ideálne pri 100BPS vždy v maxime sínusu.

      Asynchrónne iskrište oproti synchrónnemu môže mať ľubovoľný asynchrónny alebo komutátorový motor. Dá sa síce použiť aj pre striedavo napájaný TC, ale predovšetkým sú vhodné pre jednosmerne napájane TC. Pri použití v striedavo napájanom TC sa môže stať situácia, keď k preskoku dochádza pri minimálnom napätí alebo k nim nedochádza vôbec, takže je iskrenie nepravidelné. Pri použití v jednosmernom TC sa potom dá otáčkami motora plynule riadiť počet preskokov za sekundu a tým aj regulovať príkon.



Kondenzátor

      Vysokonapäťový rezonančný kondenzátor sa zháňa dosť ťažko. Na tento prvok zapojenia v rezonančnom obvode sú kladené najväčšie nároky a bude to najskôr aj tá najdrahšia časť TC. Musí znášať veľké zmeny napätia za krátku dobu, čiže mať veľký činiteľ dU/dt a mať malý stratový činiteľ tg delta. Preto sa zvyčajne používa sériovo-paralelná kombinácia veľa impulzných malých kondenzátorov, niekoľko desiatok až stoviek kusov pre dosiahnutie určitej kapacity, tzv. MMC (Multi Mini Capacitor). Najviac však asi tak 200ks kondenzátorov, pretože opäť pri veľkých počtoch kondenzátorov narastá na nich strata a zvyšuje sa stratový činiteľ tg delta. To bude mať aj za následok o niečo menších výbojov, ako s rovnakou kapacitou, ale menším počtom kondenzátorov, teda s lepším stratovým činiteľom tg delta. Podľa možnosti kondenzátorov teda čo najmenší počet, ale dostatočne dimenzované s rezervou pre daný zdroj napájania TC. Najlepšie skúsenosti mám s fóliovými impulznými TESLA kondenzátormi TC343. Tie sú skvelé, najviac vydržia zo všetkých čo som skúšal. Veľmi zlé skúsenosti mám s kondenzátormi WIMA MKP 100nF/1600V, tie mi začali strieľať asi po 2-3 sekundách po zapnutí TC (MMC – 50 kusov na 12,8 kV). Ak WIMA tak jedine FKP (určené pre vysokofrekvenčné obvody, práca s veľkými prúdmi, impulzné obvody), kde je však už aj ich cena zaujímavá, no iné od WIMI nemá zmysel kupovať. Alebo potom taká špecialitka a to sú Maxwell kondenzátory, bohužiaľ pre väčšinu ľudí nedostupné, keďže ich cena sa pohybuje na ebay medzi 300 – 1000€ a to je len ebay a nie priamo od predajcu, kde bude cena ešte zaujímavejšia. Sú to špeciálne bez indukčné impulzné vysokonapäťové kondenzátory, ktoré zvládajú desiatky kA a napätia 25kV, 50kV a bežne aj 100kV. To asi skôr len informácia pre zaujímavosť, ako reálne použitie týchto kondenzátorov.

      Ďalšou možnosťou je kondenzátor vyrobiť, napr. použiť sklenenú alebo plastovú fľašu a tú naplniť nasýteným roztokom vody a soli (vodu zohrejeme a do nej sypeme soľ pokým sa neprestane rozpúšťať). Fľašu zatkáme korkom a prepichneme ho drôtom do vody čo je jedná elektróda a druhu vytvoríme obalením fľaše alobalom (5-6 vrstvy alobalu). Nezabudnúť na dostatočnú vzdialenosť elektród kvôli preskokom výboja, teda medzera od omotaného alobalu ku vodiči v korku. Takto vznikne kondenzátor s kapacitou okolo 0,9-1nF. Nevýhoda je v nie práve malom odpore slanej vody a tým sa zmenšuje aj maximálny prúd čím sa zhoršuje stratový činiteľ tg delta. Takýto kondenzátor nie je veľmi vhodný pre TC, ale môže poslúžiť ako posledná možnosť ak nebude práve nič iné k dispozícií.

      Lepšia možnosť je už spraviť kondenzátor s linolea alebo ešte lepšie s hrubého igelitu a alobalu stočeného do valca. S linoleom bude kondenzátor dosť veľký a ťažký preto je lepšie použiť práve igelit, prípadne aj viac vrstiev igelitu, aby zniesol potrebné napätie. Takto sa dá vyrobiť kondenzátor s kapacitou aj niekoľko desiatok nF, len je potrebné kondenzátor čo najviac stlačiť, aby v ňom bolo čo najmenej vzduchu a tým sa zväčší aj kapacita. Prípadne sa dá kondenzátor vyrobiť aj zo skla prekladaným alobalom, takto vznikne dosť rozmerný a ťažký kondenzátor s nie veľmi veľkou kapacitou.



Toroid

      Zvyčajne sa vyrába s plechového husieho krku stočeného do kruhu alebo s polystyrénovým vencom prípadne guľou obaleným alobalom (lepšie je použiť hrubý, ako klasický tenký alobal). Pri toroide s polystyrénového venca sa však môže boriť pri ťahaní oblúku aj preto je lepšie použiť ten hrubý alobal namiesto klasického tenkého. Toroid prípadné guľa svojou kapacitou voči okoliu znižujú rezonančnú frekvenciu f0 sekundárnej cievky. Tiež sa výboje mierne predlžia, súvisí to s iným rozložením elektrického poľa a pokiaľ je toroid či guľa hladká tak nastáva prieraz vzduchu pri trocha vyššom napätí, čo tiež mierne predlží výboje. Kapacita toroidu sa pre výpočet rezonancie nedá iba sčítať s parazitnou kapacitou sekundárnej cievky. Výsledná kapacita je vplyvom vzájomného ovplyvňovania sa sekundárnej cievky s toroidom asi o 20% menšia.

      Ja som napr. robil toroid s polystyrénového venca obaleného alobalom (použil som hrubý alobal nie ten klasický tenký). Nastrihal som pásiky alobalu, ktoré som potom so silikónom lepil na veniec. Predtým som tie nastrihané pásiky alobal poriadne vyhladil, aby bol toroid čo najhladší. Medzi obe polystyrénové vence môže dať napr. veľkú DPS či iný vhodný materiál a cez stred dieru a upevniť na vrch sekundárnej cievky. Tento toroid bol použitý na tomto SGTC. Druhý toroid na fotke nie je určený pre SGTC, ale SSTC, preto má na vrchole vyvedený vymeniteľný hrot, ktorý sa však dá tiež úplne odstrániť a použiť toroid aj pre SGTC. A nakoniec veľký toroid s husieho krku pre môj zatiaľ najväčší SGTC IV.



Ladenie

      Pre čo najdlhšie výboje a teda najvyššiu účinnosť prenosu energie s primárnej cievky do sekundárnej cievky alebo inak s primárneho rezonančného obvodu do sekundárneho rezonančného obvodu. Je potrebné obe rezonančné obvody naladiť na ich rovnakú rezonančnú frekvenciu f0. Najprv teda musíme vedieť f0 sekundárnej cievky, ktorá bude určovať prevádzkovú f0 SGTC. Upraviť resp. znížiť f0 obvodu sa dá potom ešte zmenou toroidu. Buď máte už dopredu navrhnutú sekundárnu cievku (odporúčam kalkulátor JavaTC na ktorý je link nižšie) alebo máte navinutú neznámu, ktorej f0 musíte ešte zistiť. V oboch prípadoch odporúčam si tú f0 odmerať a aj v prípade výpočtov či výpočte v JavaTC si ju overiť meraním. Ako na meranie f0 sekundárnej cievky sa dočítate viac v tomto článku – Meranie rezonančnej frekvencie f0 sekundárnej cievky. Z tejto frekvencie f0 sekundárnej cievky a indukčnosti primárnej cievky a určí približná hodnota primárneho kondenzátoru. Opäť primárnu cievku si môžeme dopredu vypočítať a skúsiť vhodne navrhnúť alebo odhadnúť jej veľkosť a závity a potom odmerať jej indukčnosť. Všetko sa tiež dá prepočítať už dopredu v JavaTC. Potom dolaďovanie SGTC, keďže nikdy to nevypočítame úplne presne sa robí buď pripojovaním odbočky na primárnej cievke alebo zmenou kapacity rezonančného kondenzátora (rôzne sériovo-paralelné kombinácie - MMC). Nejaké tie vzorce pre výpočty sú aj tu dole.

      Pokiaľ je výboj dlhý, ako celý sekundár tak nastáva problém, keďže samotný výboj teda plazma je vodivá a má svoju vlastnú kapacitu, tak tá sa potom pridáva ku kapacite toroidu a sekundárnej cievky (opäť sa to len tak nesčítava, ale ide o geometriu voči okoliu ako celok a vzájomné sa ovplyvňovanie) a tým sa znižuje výsledná f0 sekundárneho obvodu. Vďaka tomuto sa sekundárna cievka/obvod výbojom dolaďuje na nižšiu frekvenciu, ako je primárny rezonančný obvod a tým sa výboje skracujú. Pomerne lepšieho zlepšenia sa dosiahne naladením primárneho rezonančného obvodu mierne pod rezonančnú frekvenciu sekundárnej cievky/obvodu. Výbojom sa tak sekundár doladí do rezonancie a výboj sa predlží asi až o 25%.

Linky

JavaTC - Hlavný kalkulátor pre TC
Coil Inductance Calculator - Výpočet indukčnosti cievky

elektronika.kvalitne.cz - teória okolo TC, napájanie DC napätím, rotačné iskrištia...
RayeR - rozsiahla teória okolo rôzných typov TC


SSTC (Solid State Tesla Coil)

      Teslov transformátor budený polovodičmi MOSFET alebo IGBT. Napája sa priamo zo siete čiže odpadá použitie VN transformátora. Existujú rôzne topológie zapojenia ako flyback, oscilátor v triede E (Class E), polomost, plný most (H-most) s rôznymi výkonmi od niekoľko desiatok W až po niekoľko kW. Veľmi zaujímavý efekt sa dá docieliť použitím audio modulácie, kedy výboje hrajú hudbu. Áno priamo výboje vydávajú zvuk, ako reproduktor. Pre malé SSTC a pre SSTC na vysokých frekvenciách (napr. robia sa aj mini SSTC na 4MHz) sa veľmi dobre hodí Class E s jedným tranzistorom, ktorý má veľmi dobrú účinnosť a pri správnom naladení spína tranzistor v nule s minimálnymi stratami. Budiace obvody môžu byť ako s ručne nastaviteľnou frekvenciou oscilátora tak aj s automatikou, čiže s feedback (spätnou väzbou) s antény alebo prúdového transformátora (CT), kedy sa elektronika sama naladí a dolaďuje na f0 sekundárneho obvodu. Rôzne konštrukcie polovodičových TC nájdete tu. Viac informácií a nejaká ta teória snáď neskôr v budúcnosti...


ISSTC (Interrupted Solid State Tesla Coil)

      Ďalším typom polovodičového SSTC alebo skôr taká pod kategória aj keď dnes už sa to skôr radí všetko všeobecne pod SSTC je teslák s použitím interrupteru (prerušovača) – ISSTC. Na ktorom si nastavujeme ON-time a OFF-time alebo frekvenciu a BPS. To už závisí od použitého zapojenia interruptera. Týmto prerušovačom sa nastavuje doba zapnutia a doba vypnutia oscilátora TC, zvýši sa impulzný špičkový výkon a zníži sa stredný výkon, čo môže spôsobiť aj predlženie výbojov (nie za každých okolnosti a použitia prerušovača) a hlavne sa zníži oteplenie tranzistorov a stresovanie súčiastok. Výboje s prerušovaného ISSTC už dosť kopú v závislosti od frekvencie prerušovania. Viac informácií a nejaká ta teória snáď neskôr v budúcnosti...


DRSSTC (Dual Resonant Solid State Tesla Coil)

      Ďalším typom polovodičového TC je s ladenou primárnou cievkou, ako sériový rezonančný obvod. Do série s primárnou cievkou sa dá kondenzátor takej kapacity, aby kmital primárny rezonančný obvod na rovnakej frekvencii, ako sekundárna cievka resp. sekundárny rez. obvod. To tiež znamená, že je nutné rátať aj s dĺžkou výboja, ako prídavnou kapacitou ku sekundárnej cievke, ktorá znižuje výslednú f0. S toho hľadiska sa dnes už riešia výlučne zapojenia s feedback (spätnou väzbou) cez anténu alebo prúdový transformátor (CT) a žiadne nastavovania frekvencie oscilátora ručne potenciometrom. V sériovom rezonančnom obvode je na cievke väčšie napätie, ako na celom rezonančnom obvode, takže sa v sekundárnej cievke indukuje väčšie napätie. Tento kondenzátor je namáhaný pomerne veľkými prúdmi a zmenami napätí, preto musí byť zložený z viacerých menších impulzných kondenzátorov – MMC (Multi Mini Capacitor). Týmto sa dosiahne rapídne predĺženie výbojov oproti klasickému polovodičovému SSTC. Tento typ sa zvyčajne používa spolu s interrupterom DRISSTC (Dual Resonant Interrupted Solid State Tesla Coil) čím sa ešte viacej predlžia výboje a pri použitia plného mostu je to už iný masaker, ale hlavne tu opäť ide o zníženie príkonu a zníženie oteplenia tranzistorov a v poslednom rade aj napr. o impulzný chod DRSSTC. Problém už len môže byť potom v cene výkonových polovodičov. Pre menšie DRSSTC a na vyšších frekvenciách sa používajú skôr MOSFETy a pre veľké výkony a nižšie frekvencie už výlučne IGBT tranzistory v bežných puzdrách alebo aj ešte výkonnejšie v ISOTOP puzdre. Potom už pri veľkých DRSSTC sú to IGBT tehly, kde je priamo celý polomost plus spájanie IGBT tehál do H-mostu. Viac informácií a nejaká ta teória snáď neskôr v budúcnosti...


QCW DRSSTC (Quasi Continuous-Wave Dual Resonant Solid State Tesla Coil)

      Možno niekedy v budúcnosti... 


VTTC (Vacuum Tube Tesla Coil)

      Je to Teslov transformátor budený výkonovou elektrónkou. Vhodné sú pentoda, tetroda alebo trioda. U menších elektrónok ako napr. PL500PL504 sa používa na napájanie väčšinou sieťové napätie a násobič, prípadne aj ztrojovač, to záleží aké napätie zvládne elektrónka. U väčších elektrónok, ako GU-81M (ruská vojenská vysielacia pentoda – pozri aj VTTC X) sa používa na napájanie MOT (transformátor s mikrovlnky), ktorého sa napätie pohybuje v rozmedzí 2 – 2,2 kV. Na MOT sa potom ešte zvykne dávať aj násobič. Za zmienku ešte stoja elektrónky ako PL509 a ruská 6P45S s ktorou mám veľmi dobré skúsenosti, ako napr. pri tomto VTTC III. Výhodou elektrónkových TC je, že sú pomerne jednoduché, ľahko sa hľadá chyba a elektrónka sa dá krátkodobo preťažiť aj o 200% a viac. Výboje vôbec nekopú a nepália, iba potom cítiť spálenú kožu :). Filtrácia sa na napájací VN zdroj nepoužíva, takže VTTC dáva 50 pripadne 100 výbojov za sekundu. Výboje sú oproti SGTC tiché, hrubé, rovné a obalené plazmou, čo je spôsobené postupným nárastom výboja. Výboj sa predlžuje s nárastom napätia podľa sínusu na rozdiel od SGTC, kde s preskokom výboja v iskrišti dochádza k okamžitému nárastu dĺžky výboja s toroidu. Pre VTTC existuje veľa zapojení, najčastejšie sú flyback. Toto zapojenie je založené na kladnej spätnej väzbe so spätnoväzbového (feedback) vinutia. Spätnou väzbou sa obvod rozkmitá netlmenými kmitmi, ktorými je budené primárne vinutie. Je možné použiť aj zvukovú moduláciu. Ešte sa dá u VTTC použiť staccato (prerušovač), ktorý odpája katódu elektrónky proti zemi a tým znižuje stredný výkon, čím sa elektrónke značne uľaví. Potom sa tak elektrónka nepreťažuje a môže VTTC bežať oveľa dlhšie. Okrem klasického staccata sú ešte zaujímavé prerušovače so sledovaním nuly, ktoré prepúšťajú každú X-tú polvlnu prípadne sa mení fáza odseknutia s polvlny. Druhá možnosť využitia prerušovača u VTTC je spraviť s neho impulzný VTTC, ideálne ak máme k dispozícií aj impulznú elektrónku. Potom sa VTTC ladí pre impulznú prevádzku a takýto VTTC nesmie bežať kontinuálne, lebo by došlo k preťaženiu a poškodeniu elektrónky. Viac informácií a nejaká ta teória snáď neskôr v budúcnosti...


OLTC (Off Line Tesla Coil)

      V princípe ide o rovnaké zapojenie ako u klasického SGTC, ale iskrište je nahradené vhodným polovodičom. Výborne sa tu hodia tranzistory IGBT. Tieto prvky sa vyrábajú na napätia viac ako 1kV a prúdy až stovky A. K napájaniu sa používa priamo usmernená sieť, takže odpadá použitie ťažko zohnateľného VN transformátora. Primárna cievka má obvykle iba jeden závit a niekedy niekoľko závitov paralelne. Nízka indukčnosť primárneho vinutia dovoľuje použiť veľkú kapacitu C1, čo je pri nízkom napätí výhodné. Na kondenzátor C1 sú v OLTC kladené veľmi vysoké nároky. Musí to byť paralelná kombinácia impulzných metalizovaných kondenzátorov. Filtračný kondenzátor C2 sa nabije sieťovým napätím na zhruba 300V. Cez tlmivku TL s vhodnou indukčnosťou a primárnym vinutím sa nabije rezonančný kondenzátor C1. Po zopnutí tranzistoru sa rezonančný obvod uzatvorí a začne kmitať. Pri jednej pol perióde tečie prúd cez tranzistor a pri druhej cez paralelnú diódu. Tlmivka zabraňuje vybitia kondenzátoru C2 cez zopnutý tranzistor. Tranzistor je v jednoduchšom prípade spínaný voľnobežným generátorom impulzov. Frekvencia impulzov určuje počet preskokov za sekundu a volí sa asi do 5kHz. Dĺžka pulzu by mala byť taká, aby nepresahovala dobu trvania tlmených kmitov. Zložitejšie budiče detekujú zaniknutie kmitu a ukončí impulz automaticky.