Klasický teslův transformátor - teorie
Autor nenese zodpovědnost za případné škody nebo úrazy způsobené experimenty s tímto přístrojem

Teslův transformátor napájený střídavým proudem

    Kondenzátor C je v tomto zapojení nabíjen střídavě na kladné a záporné napětí. Nabíjecí proud prochází přes tlumivku TL. Ta má za úkol vysokofrekvenčně oddělit transformátor od rezonančního obvodu (na to stačí i pár mH), ale především určuje nabíjecí proud kondenzátoru (na to už je potřeba i desítky H). Pokud je použit transformátor bez limitace proudu, je její použití nezbytné. Při napájení trafem s omezením zkratového proudu (NST, OBIT) ji lze v nouzi i vypustit. Výhodou tohoto uspořádání je relativně jednoduchá konstrukce. Problém nastává při použití rotačního jiskřiště, které je nezbytné pro vyšší výkony. Pro správnou funkci by totiž mělo být použito synchronní rotační jiskřiště (viz. níže). Další nevýhodou tohoto uspořádání je, že k napájení tesláku nelze použít 3-fázový proud.

Teslův transformátor napájený stejnosměrným proudem

    Změna oproti prvnímu zapojení spočívá v usměrnění VN napětí z transformátoru. Za usměrňovačem musí být v případě pouhého usměrnění jedné fáze zapojen filtrační kondenzátor s poměrně velkou kapacitou (vzhledem k napětí až desítek kilovoltů je i pár uF opravdu hodně), jinak by usměrnění nemělo opodstatnění. U stejnosměrného napájení je použití tlumivky TL nezbytné, protože přeskokem v jiskřišti by se zkratovala filtrační kapacita a při oscilacích by se otevíraly diody usměrňovače. Mezi výhody tohoto zapojení patří především možnost použít asynchronní rotační jiskřiště, jehož otáčkami lze plynule řídit počet přeskoků za vteřinu a tím i nastavit optimální příkon. Další výhodou je, že vhodným zapojením usměrňovače je možné použít k napájení i 3-fázový proud. V tomto případě pak filtrační kondenzátor může mít mnohem menší kapacitu, protože napětí za usměrňovačem neklesá k nule (nemusí se vůbec zapojovat).
Stejnosměrné napájení se rovněž hodí pro různé improvizované impulzní zdroje s frekvencí mnohem vyšší než 50Hz. Nevýhodou je složitější konstrukce, nutnost použití tlumivky, filtračního kondenzátoru a VN usměrňovačů.

Vysokonapěťový transformátor

   Vysokonapěťový transformátor má za úkol zvětšit síťové napětí na takovou hodnotu, při které už přeskakují jiskry, což je alespoň nějakých 5kV. Pro tesláky vyšších výkonů se používá běžně i víc než 20kV. Výstupní proudy se většinou pohybují v desítkách až stovkách miliampérů. Tyto požadavky nejlépe splňují rozptylové trafa pro neonové trubice (často se používá zkratka NST - Neon Sign Transformer), které navíc při zkratu dodávají takový proud, že se nezničí. Malé NST, zhruba tak na 100W, se vyskytují v kopírkách, kde slouží jako zdroj elektrostatického náboje. Nové NST však stojí tisíce korun a v šuplíkových zásobách se obvykle nevyskytuje, takže jeho použití téměř nepřipadá v úvahu. Obdobou NST je tzv. OBIT (Oil Burner Ignition Transformer), což je zapalovací tranformátor pro olejové topení.
   Občas se používají trafa z mikrovlnky (MOT - Microwave Oven Transformer). MOT však nemá limitaci výstupního proudu, takže se při delším zkratu zničí a navíc jsou obvykle poddimenzované, protože nejsou určeny k trvalému provozu. Další problém je, že napětí MOTu je jen asi 2kV, a to skoro nestačí k přeskoku jiskry. Pro zvýšení napětí se používají různé násobiče napětí. Výkon MOTů je obvykle něco kolem 1kW. K napájení je také možné použít distribuční transformátory v angličtině někdy označované "pole pig" transformers. Tyto trafa se vyrábějí i v 3-fázovém provedení. Jejich výkon je často v řádu desítek kW a manipulace s nimi je nejen proto velmi nebezpečná. Tento druh transformátorů rovněž nemá omezen zkratový proud. Problém s většími trafy (nad 25kW) může nastat už při připojení k síti, protože už jejich magnetizační proud (naprázdno) může vyhodit pojistky. Na stránce jednoho opravdu hodně výkonného tesláku byl obrázek 100kW trafa (patrně ho ukradli někde ze sloupu :-).
     Pokud je k dispozici několik stejných menších transformátorů, lze je zapojit různě sériovo-paralelně. Zde však varuji před tím, že některé trafa nají jeden konec nebo střed vinutí spojen s kostrou!
     Poslední možností je použití různých improvizovaných měničů napětí s feritovými jádry na vyšších frekvencích. Případně i zapalovací cívky. Napětí těchto měničů se musí usměrnit. Výkon se pohybuje asi do 100W (výkonější se amatérsky realizují dost složitě), takže jde o více méně provizorní zdroje.


Usměrňovače pro stejnosměrně napájený teslák

   Jednofázové usměrňovače lze zapojit podle schémat níže. Obě varianty musí být doplněny poměrně velkým filtračním kondenzátorem, jinak nemá smysl je používat. Na prvním schématu je klasický můstkový usměrňovač. Druhé schéma Lze použít pro trafo s vyvedeným středem, případně pro 2 trafa v sérii. Ušetří se tak 2 VN diody. Graf vpravo platí pro obě zapojení. Zelený průběh patří napětí bez filtrace, červený s filtračním kondenzátorem. Maximální výstupní napětí je 1,41-krát větší než než efektivní hodnota na výstupu trafa.

     U 3-fázových usměrňovačů, lze použít jednak 3-fázové trafo zapojené do hvězdy, ale také 3 samostatné transformátory. Další schéma je 3-pulzní usměrňovač pro 3-fázový transformátor. Zvlnění je zde mnohem menší než při jednofázovém usměrnění. Maximální napětí dosahuje hodnoty 1,41 x efektivní fázové napětí.

     Následující zapojení je 6-pulzní usměrňovač pro 3-fázové napětí. Zvlnění napětí by i bez filtrace bylo minimální. Další výhodou tohoto zapojení je, že maximální výstupní napětí je maximální hodnota sdruženého napětí, tedy 1,41 x 1,73 x efektivní fázové napětí, takže lze použít trafa s menším výstupním napětím.


Tlumivka

    Indukčnost se volí podle požadovaného nabíjecího proudu, podle vzorců pro induktivní odpor (reaktanci). Cívka musí být provedena tak, aby izolace drátu odolala příslušnému napětí. Vhodnou metodou je třeba koupit celou cívku instalačního drátu a rovnou ho na ní nechat. Pouze pak nějak dostat ven vnitřní konec drátu a případně odvíjením drátu upravit indukčnost.
    U stejnosměrně napájených TC nebo TC napájených zdrojem bez limitace proudu musí být indukčnost opravdu velká (až desítky H). Lze použít třeba několik tlumivek s ocelovým jádrem v sérii.
    Důležitou vlastností tlumivek je také to, že se spolu s jiskřištěm chovají jako zvyšující měnič napětí. To se sice může hodit třeba u MOTů, ale pokud si to člověk neuvědomí, tak může přijít o kondenzátory. Proto také není od věci vybavit kondenzátory ochranným jiskrištěm.     Tlumivku pro limitaci proudu trafa lze rovněž zapojit do série s primárním vinutím.

Jiskřiště

    Nejjednodušší je tzv. statické jiskřiště. Jsou to dvě elektrody (třeba kuličky, ale není to podmínkou) upevněné na izolantu a mezi nimi přeskakují jiskry. Jejich vzdálenost se nastaví tak aby začaly přeskakovat jiskry. Nesmí se však zapálit elektrický oblouk. Toto řešení se dá použít jen pro menší výkony, protože se elektrody dosti zahřívají.
    Jinou variantou statického jiskřiště je, taková konstrukce, kde se jiskra rozdělí na několik menších v sérii. Často se to řeší několika Cu trubkami naskládanými vedle sebe, přičemž napětí se připojuje na ty krajní. Velká plocha trubek se pak dá snadno chladit. U statických jiskřišť je doba i rychlost přeskoků více méně náhodná.
    Pro větší výkony je lepší použít rotační jiskřiště. Tento typ jiskřiště se pak dělí na 2 základní skupiny a to je synchronní a asynchronní jiskřiště. V obou případech může být konstrukce následovná. Na hřídel motoru je izolovaně nasazen vodivý kotouč s několika páry elektrod. Na konstrukci, ke které je připevněn motor, jsou izolovaně připevněny další dvě elektrody. Ty jsou umístěny tak, že při určitém natočení hřídele je příslušný pár elektrod na kotouči naproti nim, přeskočí jiskra a po krátkou dobu jsou statické elektrody výbojem přes kotouč spojeny. Vzdálenost mezi elektrodami má být co nejmenší. Výhodou rotačního jiskřiště je, že se nemůže vytáhnout oblouk, resp. nezůstane trvale hořet. V souvislosti s jiskřišti se používá zkratka BPS (Breaks Per Second), která udává počet přeskoků za vteřinu.
     Synchronním rotačním jiskřištěm se myslí, že jeho otáčky i okamžitý úhel natočení hřídele je spjat s frekvencí sítě. K tomuto účelu se používají synchronní motory, které tuto podmínku splňují. U synchronního jiskřiště se počítá s tím, že k přeskoku dojde vždy ve stejnou chvíli. V ukázkových grafech je tento okamžik označen křížkem.

     Levý graf naznačuje jiskřiště nastavené na 100 BPS a k přeskokům dochází vždy při maximálním napětí. Vpravo je jiskřiště pro 200 BPS, kde k přeskoku dochází vždy při 0,7-násobku maximální hodnoty napětí. Pokud trafo stíhá dobíjet kondenzátor, může být počet přeskoků i mnohem větší. Graf dole naznačuje situaci, kdy sice má motor synchronní otáčky, ale kotouč s elektrodami je pootočen. Díky tomu je kondenzátor nabíjen na menší napětí a výboje jsou pak kratší. S upevněním kotouče s elektrodami na rotor motoru je pak třeba trochu experimentovat. Elektrody na kotouči také nemusí být rozmístěny pravidelně. Třeba u jiskřiště na 200 BPS lze příslušné dvojice elektrod posunout směrem k sobě tak, aby se kondenzátor nabíjel třeba 0,85-másobek maximální hodnoty.

   Místo synchronního motoru lze použít i klasický stejnosměrný s regulátorem otáček udržujícím otáčky v synchronismu se sítí. Mezi nevýhody synchronního jiskřiště patří těžko sehnatelný motor a nutnost seřízení vzájemného postavení statických a rotujících elektrod.
     Asynchronní jiskřiště naproti synchronnímu může mít libovolný asynchronní nebo komutátorový motor. Lze je sice použít i pro střídavě napájený teslák, ale především jsou vhodné pro stejnosměrné napájení. Při použití ve střídavě napájeném tesláku může nastat situace, kdy k přeskokům dochází při minimálním napětí nebo k nim nedojde vůbec, takže je jiskření nepravidelné (viz. graf). Při střídavém napětí se dá použít prakticky jen pro vyšší BPS.

Při použití ve stejnosměrném tesláku lze otáčkami motoru plynule řídit počet přeskoků za vteřinu a tím i regulovat příkon.

Kondenzátor

    Sehnat vysokonapěťový kondenzátor není zrovna snadné. Na tento prvek, zapojený v rezonančním obvodu, jsou kladeny asi největší nároky. Musí snášet velké změny napětí za velmi krátkou dobu, neboli mít velký činitel dU/dt. Například při frekvenci 500kHz a SS napětí 10kV se musí při rezonanci napětí na kondenzátoru změnit o 20kV/us. Takový kondenzátor se shání dost špatně. Při překročení tohoto parametru se mnohonásobně zkracuje životnost. V praxi to tedy znamená, že kondenzátor na napětí 1000V DC lze bezpečně a dlouhodobě provozovat třeba jen při 100V AC. Další důležitý parametr kondenzátorů je takzvaný činitel tg delta, který musí být rovněž co nejnižší.
    Nejlepších výsledků lze dosáhnout s polypropylenovymi impulzními kondenzátory, jejichž cena je ale celkem vysoká (47nF, 1000V DC, 1000V/us za asi 30KC). Pro dosažení potřebné kapacity a napětí se musí použít různé sériovo-paralelní zapojení z několika desítek nebo i stovek kondenzátorů. Tomuto uspořádání se říká MMC neboli Multi Mini Capacitor.
    Vysokonapěťový kondenzátor však lze naštěstí poměrně snadno vyrobit, a to mnoha způsoby. Parametry jsou sice podstatně horší a výsledek slabší, ale v nouzi se holt nic jiného dělat nedá. Osvědčila se mi např. skleněná nebo PET láhev naplněná slanou vodou. Vnitřní elektrodu (slanou vodu) jsem vyvedl na šroub ve vršku. Vnější elektroda může být vytvořena ponořením láhve do další nádoby se slanou vodou nebo obalením láhve alobalem. První varianta má díky vlhkosti větší svodový odpor. Elektrická pevnost kondenzátoru z PET i ze skla byla v mém případě více než 30kV (při vyšším napětí se ozvala rána a bylo po PET lahvi). Problém tohoto druhu kondenzátorů spočívá v ne zrovna malém odporu slané vody, díky kterému je omezen maximální proud a výrazně se zhoršuje ztrátový činitel tg d (delta).
    Další možností je použít pásy alobalu prokládané sklem. Vznikne tak docela rozměrný kondenzátor s ne zrovna velkou kapacitou a ani dielektrikum není zrovna nejlepší. Mnohem lepších výsledků lze dosáhnout s dnes běžně dostupnými plastovými fóliemi. V případě použití fólie se to nakonec celé může svinout a vložit do trubky.
     Zkusil jsem experimentálně vyrobit kondenzátor z klasické a hlavně levné fólie z materiálu LD-PE. Jelikož jsem sehnal maximálně tloušťku 0,2mm naskládal jsem 3 a v druhém případě 4 vrstvy na sebe. Po srolování a utáhnutí svitku vznikl docela malý kondenzátor. V prvním případě měly pásy rozměry 100x30cm a výsledná kapacita je 13nF/30kV DC. Délka svitku je o něco delší než šířka alobalu, aby nepřeskakovaly jiskry. Druhý vzorek má pásy dlouhé jen 60cm při stejné šířce a naměřil jsem kapacitu 8,5nF/40kV DC. Když jsem tento svitek vyrobil ještě jednou s jen o málo širším pásem alobalu a nacpal ho do trubky, zvětšila se jeho kapacita na 14,5nF. Asi jsem ho víc utáhl, vymačkal vzduch a ztenčil tak dielektrikum. Na obrázcích jsou ukázky některých mých kondenzátorů.


Primární cívka

    Pro klasický teslák by měla být navinuta měděným vodičem s co největším průřezem. Běžně se používá měděná trubka nebo měděná pásovina. Používá se ploché nebo kónické provedení, díky kterému je vazba mezi sekundárem a primárem velmi slabá a účinnost přenosu poměrně nízká. Plochý a kónický primár se umisťuje těsně k patě tesláku. Válcovou cívku pro klasický TC nelze použít, protože by na ni ze sekundáru přeskakovaly jiskry a nezabrání tomu žádná izolace. Primární cívky se u klasických TC využívá k vyladění rezonance, a to zkusmým připojováním odbočky na jednotlivé závity.
    Válcové cívky na obrázcích jsou použitelné spíše jen pro SSTC a VTTC, kde je nutná silná vazba.


Sekundární cívka

    Její výrobě je třeba věnovat trochu času a úsilí. Jednotlivé závity je třeba klást těsně vedle sebe a v žádném případě se nesmí křížit. Na vinutí je vhodné použít nový nepoužitý vodič. Starší použitý vodič může mít popraskanou izolaci a navíc není zrovna rovný. Hotovou cívku je vhodné nalakovat třeba izolačním lakem na plošné spoje. U menších cívek se obvykle jako kostra používá PVC trubka. Pro velké sekundáry se používá kostra složená z dřevěných nebo plastových dílů.
    Rezonanční kmitočet sekundární cívky je určen její indukčností a parazitní mezizávitovou kapacitou. Program pro návrh sekundární cívky naleznete třeba zde.
                                                                             
      Rezonanční kmitočet hotové cívky se dá zjistit pomocí generátoru a dvou LED diod. Výstup generátoru se připojí přes dvě anti-paralelně zapojené diody na spodní konec sekundární cívky. LED diody by měly být nízkopříkonové. Na generátoru se nastaví max. amplituda a kmitočet se přelaďuje dokud se diody nerozsvítí, což znamená že je cívka v rezonanci. Není-li k dispozici generátor, lze použít zapojení na obrázku. Výslednou frekvenci lze změřit čítačem nebo osciloskopem. Má-li být cívka provozována s toroidem, musí být při měření připojen.

Toroid

    Vyrábí se obvykle z plechového husího krku stočeného do kruhu. Případně lze použít i plastový, který se obalí alobalem, případně ještě vodivým tmelem. Toroid případně koule svou kapacitou vůči okolí snižuje rezonanční kmitočet sekundární cívky. Dále se (alespoň při mých experimentech) mírně prodlouží výboje. Souvisí to patrně s jiným rozložením elektrického pole. Jeho kapacita se spočítá podle docela složitého vzorce ve kterém figurují "bulharské konstanty" o jejichž původu v textu není ani zmíňka. Jak je z grafu vidět, nejvetší kapacity se dosáhne jen při určitém poměru rozměrů d a D. Konkrétně je to asi d = 30% D. Za zmíňku ještě stojí, že kapacita toroidu se pro výpočet rezonance nedá pouze sečíst s parazitní kapacitou sekundáru. Výsledná kapacita je vlivem vzájemného ovlivňování sekundáru s toroidem asi o 20% nižší.

C - kapacita v pF
D - vnější průměr toroidu v cm
d - průměr trubky v cm

    Moje toroidy mají kostru z polystyrenových věnců, protože jsem nějak nesehnal plechovou trubku vhodných rozměrů. Na kostru jsem ve dvou vrstvách přilepil pásy alobalu. Střed jsem vystřihl z vykuchaného plošňáku a rovněž obalil alobalem. Nevýhodou polystyrenu je, že se tažením oblouku roztaví a zmenší, takže někde na toroidu musí být hrot, ze kterého budou sršet výboje.

  

Ladění

    Pro nejdelší výboje je třeba naladit primární rezonanční obvod na stejnou frekvenci, na které rezonuje sekundární cívka. Nejprve se změří, případně spočítá rezonanční kmitočet sekundáru. Z tohoto kmitočtu a indukčnosti primární cívky se určí přibližná hodnota primárního kondenzátoru. Jemné ladění se pak provádí zkusmým připojováním odbočky na primární cívce, případně změnou kapacity kondenzátoru (různé sériovo-paralelní kombinace).

    Pokud je použita malá sekundární cívka a výboje jsou hodně dlouhé (třeba stejně jako vlastní cívka), vyskytuje se následující problém. Výboj je vodivý a tudíž přidává k parazitní kapacitě sekundáru další kapacitu a snižuje tak její rezonanční kmitočet. Díky tomu se sekundár výbojem odlaďuje na nižší frekvenci než primární obvod a výboj se zkracuje. Poměrně značného zlepšení se dosáhne naladěním primárního obvodu mírně pod rezonanční kmitočet sekundáru. Výbojem se pak sekundár doladí do rezonance a výboje se prodlouží asi až o 25%.

Poslední aktualizace: 20.5.2004

webzdarma.cz