Oggi il trasformatore di Tesla è chiamato trasformatore risonante ad alta tensione ad alta frequenza e molti esempi di implementazioni sorprendenti di questo insolito dispositivo possono essere trovati sulla rete. Una bobina senza nucleo ferromagnetico, costituita da tante spire di filo sottile, sormontate da un toroide, emette veri e propri fulmini, impressionando gli spettatori sbalorditi. Ma tutti ricordano come e perché questo fantastico dispositivo è stato originariamente creato?
La storia di questa invenzione inizia alla fine del XIX secolo, quando il geniale scienziato sperimentale Nikola Tesla, che lavora negli USA, si è posto solo il compito di imparare a trasmettere energia elettrica su lunghe distanze senza fili.
È quasi impossibile indicare l'anno esatto in cui esattamente questa idea venne allo scienziato, ma è noto che il 20 maggio 1891 Nikola Tesla tenne una conferenza dettagliata alla Columbia University, dove presentò le sue idee allo staff dell'American Institute of Electrical Engineers e illustrò qualcosa. mostrando esperimenti visivi.
Lo scopo delle prime dimostrazioni era di mostrare un nuovo modo di ottenere la luce utilizzando per questo correnti ad alta frequenza e ad alta tensione, e anche di rivelare le caratteristiche di queste correnti. Per ragioni di correttezza, notiamo che le moderne lampade fluorescenti a risparmio energetico funzionano proprio sul principio che Tesla proponeva per ottenere la luce.
La teoria finale riguardante la trasmissione wireless di energia elettrica stava emergendo gradualmente, lo scienziato ha trascorso diversi anni della sua vita perfezionando la sua tecnologia, sperimentando molto e migliorando scrupolosamente ogni elemento del circuito, sviluppò interruttori, inventò condensatori ad alta tensione durevoli, inventò e modificò controllori di circuito, ma così Non potevo realizzare il mio piano nella scala in cui volevo.
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Tuttavia, la teoria ci ha raggiunto. Sono disponibili i diari, gli articoli, i brevetti e le conferenze di Nikola Tesla, in cui è possibile trovare i primi dettagli riguardanti questa tecnologia. Il principio di funzionamento di un trasformatore risonante può essere trovato leggendo, ad esempio, i brevetti di Nikola Tesla # 787412 o # 649621, già disponibili oggi sulla rete.
Se provi a capire brevemente come funziona il trasformatore di Tesla, considera la sua struttura e il principio di funzionamento, allora non c'è nulla di complicato.
L'avvolgimento secondario del trasformatore è costituito da un filo isolato (ad esempio da filo smaltato), che viene posato girare per girare in uno strato su un telaio cilindrico cavo, il rapporto tra l'altezza del telaio e il suo diametro è solitamente considerato uguale da 6 a 1 a 4 a 1.
Dopo l'avvolgimento, l'avvolgimento secondario viene rivestito con resina epossidica o vernice. L'avvolgimento primario è costituito da un filo di sezione trasversale relativamente grande, di solito contiene da 2 a 10 spire e si inserisce nella forma di una spirale piatta, o è avvolto come un secondario - su un telaio cilindrico con un diametro leggermente più grande di quello del secondario.
L'altezza dell'avvolgimento primario, di regola, non supera 1/5 dell'altezza del secondario. Un toroide è collegato al terminale superiore dell'avvolgimento secondario e il suo terminale inferiore è collegato a terra. Successivamente, considereremo tutto in modo più dettagliato.
Ad esempio: l'avvolgimento secondario è avvolto su un telaio del diametro di 110 mm, con un filo di smalto PETV-2 del diametro di 0,5 mm, e contiene 1200 spire, quindi la sua altezza è pari a circa 62 cm, e la lunghezza del filo è di circa 417 metri. Lascia che l'avvolgimento primario contenga 5 spire di uno spesso tubo di rame, avvolto su un diametro di 23 cm, e abbia un'altezza di 12 cm.
Successivamente, viene realizzato un toroide. La sua capacità, idealmente, dovrebbe essere tale che la frequenza di risonanza del circuito secondario (bobina secondaria messa a terra insieme al toroide e all'ambiente) corrisponderebbe alla lunghezza del filo dell'avvolgimento secondario in modo che questa lunghezza sarebbe uguale a un quarto della lunghezza d'onda (per il nostro esempio, la frequenza è 180 kHz) …
Per un calcolo accurato, può essere utile un programma speciale per il calcolo delle bobine di Tesla, ad esempio VcTesla o inca. All'avvolgimento primario viene selezionato un condensatore ad alta tensione, la cui capacità, insieme all'induttanza dell'avvolgimento primario, formerebbe un circuito oscillatorio, la cui frequenza naturale sarebbe uguale alla frequenza di risonanza del circuito secondario. Di solito prendono un condensatore vicino alla capacità e la sintonizzazione viene eseguita selezionando le spire dell'avvolgimento primario.
L'essenza del trasformatore di Tesla nella sua forma canonica è la seguente: il condensatore del circuito primario viene caricato da una fonte di alta tensione adatta, quindi è collegato da un interruttore all'avvolgimento primario e questo viene ripetuto molte volte al secondo.
Come risultato di ogni ciclo di commutazione, si verificano oscillazioni smorzate nel circuito primario. Ma la bobina primaria è un induttore per il circuito secondario, quindi le oscillazioni elettromagnetiche sono eccitate, rispettivamente, nel circuito secondario.
Poiché il circuito secondario è sintonizzato sulla risonanza con le oscillazioni primarie, si verifica una risonanza di tensione sull'avvolgimento secondario, il che significa che il rapporto di trasformazione (il rapporto tra le spire dell'avvolgimento primario e le spire dell'avvolgimento secondario coperto da esso) deve essere moltiplicato anche per Q - il fattore di qualità del circuito secondario, quindi il valore del rapporto reale la tensione sul secondario alla tensione sul primario.
E poiché la lunghezza del filo dell'avvolgimento secondario è pari a un quarto della lunghezza d'onda delle oscillazioni indotte in esso, è sul toroide che si troverà l'antinodo di tensione (e nel punto di messa a terra - l'antinodo corrente), ed è lì che può avvenire la rottura più efficace.
Per alimentare il circuito primario, vengono utilizzati diversi circuiti, da uno spinterometro statico (spinterometro) alimentato da MOT (MOT è un trasformatore ad alta tensione da un forno a microonde) a circuiti a transistor risonanti su controller programmabili alimentati da una tensione di rete raddrizzata, ma l'essenza rimane la stessa.
Ecco i tipi più comuni di bobine di Tesla, a seconda di come le guidi:
SGTC (SGTTS, Spark Gap Tesla Coil) - Trasformatore di Tesla sullo spinterometro. Questo è un design classico, uno schema simile è stato originariamente utilizzato dallo stesso Tesla. Uno scaricatore viene utilizzato qui come elemento di commutazione. Nei modelli a bassa potenza, lo scaricatore è costituito da due pezzi di filo spesso distanziati a una certa distanza, mentre nei modelli più potenti vengono utilizzati arrestatori rotanti complessi che utilizzano motori. Trasformatori di questo tipo vengono realizzati se è richiesta solo una lunga lunghezza dello streamer e l'efficienza non è importante.
VTTC (VTTC, Vacuum Tube Tesla Coil) - Trasformatore Tesla su un tubo elettronico. Un potente tubo radio, ad esempio GU-81, viene qui utilizzato come elemento di commutazione. Tali trasformatori possono funzionare in continuo e produrre scariche piuttosto spesse. Questo tipo di alimentatore è più spesso utilizzato per costruire bobine ad alta frequenza, che vengono chiamate "torce" per l'aspetto tipico delle loro stelle filanti.
SSTC (SSTC, Solid State Tesla Coil) è un trasformatore di Tesla in cui i semiconduttori vengono utilizzati come elemento chiave. Di solito si tratta di transistor IGBT o MOSFET. Questo tipo di trasformatore può funzionare in modalità continua. L'aspetto delle stelle filanti create da una tale bobina può essere molto diverso. Questo tipo di trasformatori Tesla è più facile da controllare, ad esempio, puoi riprodurre musica su di essi.
DRSSTC (DRSSTC, Dual Resonant Solid State Tesla Coil) è un trasformatore di Tesla con due circuiti risonanti, qui i semiconduttori sono usati come interruttori, come in SSTC. DRSSTTS è il tipo più difficile di trasformatori Tesla da controllare e configurare.
Per ottenere un funzionamento più efficiente ed efficace del trasformatore Tesla, sono i circuiti di topologia DRSSTC che vengono utilizzati, quando si ottiene una potente risonanza nel circuito primario stesso e nel secondario, rispettivamente, un'immagine più luminosa, lampi più lunghi e più spessi (stelle filanti).
Lo stesso Tesla ha cercato come meglio poteva per ottenere proprio una tale modalità di funzionamento del suo trasformatore, ei rudimenti di questa idea possono essere visti nel brevetto n. 568176, dove vengono utilizzati induttanze di carica, Tesla ha quindi sviluppato il circuito proprio lungo questo percorso, cioè ha cercato di utilizzare il circuito primario nel modo più efficiente possibile, creando in esso risonanza. Puoi leggere di questi esperimenti dello scienziato nel suo diario (le note dello scienziato sugli esperimenti a Colorado Springs, che condusse dal 1899 al 1900, sono già state pubblicate in forma stampata).
Parlando dell'applicazione pratica del trasformatore Tesla, non ci si deve limitare solo all'ammirazione per la natura estetica delle scariche ottenute, e trattare il dispositivo come decorativo. La tensione sull'avvolgimento secondario del trasformatore può raggiungere milioni di volt, dopotutto è una fonte efficiente di altissima tensione.
Lo stesso Tesla ha sviluppato il suo sistema per trasmettere l'elettricità su lunghe distanze senza fili, utilizzando la conduttività degli strati d'aria superiori dell'atmosfera. Si presumeva la presenza di un trasformatore di ricezione di un design simile, che avrebbe abbassato l'alta tensione accettata a un valore accettabile per il consumatore, è possibile scoprirlo leggendo il brevetto di Tesla n. 649621.
La natura dell'interazione del trasformatore Tesla con l'ambiente merita un'attenzione particolare. Il circuito secondario è un circuito aperto e il sistema non è affatto isolato termodinamicamente, non è nemmeno chiuso, è un sistema aperto. La ricerca moderna in questa direzione è condotta da molti ricercatori e il punto su questa strada non è ancora stato fissato.
Autore: Andrey Povny
