Teslův transformátor
Autor nenese zodpovědnost za případné škody nebo úrazy způsobené experimenty s tímto přístrojem Jak to funguje?
Teslův transformátor je vysokofrekvenční vzduchový transformátor
generující velmi vysoké napětí. Klasický teslův transformátor vynalezl na konci 19. století
chorvatský fyzik Nikola Tesla. Základní částí je vysokonapěťový transformátor,
dodávající budící napětí. Primární cívka s malým počtem závitů spolu s
kondenzátorem C tvoří paralelní rezonanční obvod, který je naladěn na stejný kmitočet
jako sekundární cívka. Jiskřiště plní funkci spínače. Sekundární cívka s
vysokým počtem závitů je
umístěna v ose primární cívky. Její rezonanční kmitočet závisí na její indukčnosti,
parazitní mezizávitové kapacitě a na případné přídavné kapacitě
v podobě kovového toroidu nebo koule Cs. Jednotlivé součásti pro klasický teslův transformátor OLTC - klasický teslův transformátor bez jiskřiště VTTC - teslův transformátor buzený elektronkovým budičem SSTC - teslův transformátor buzený polovodičovým budičem ISSTC - SSTC s přerušovaným buzením DRSSTC - SSTC s laděným primárním obvodem Moje experimenty
Po nepříliš úspěšných experimentech s klasickým teslákem jsem se rozhodl
postavit SSTC. První SSTC jsem se rozhodl postavit koncem roku 2002. Tuto
verzi jsem sdrátoval ve vzduchu. Byl to poloviční můstek s tranzistory IRF840. V
kapacitním děliči jsem použil metalizované kondenzátory 470nF/1000V DC. K napájení
posloužilo C trafo z nějaké ruské telky s výstupním napětím 90V. K usměrnění
jsem používal jednocestný usměrňovač bez filtračního kondenzátoru. Primární
cívka měla 9 závitů na průměru 125mm. Sekundární cívka: průměr trubky 7,62 cm,
průměr drátu 0,13 mm, počet závitů něco přes 2400, rezonanční frekvence bez
přídavné kapacity 246 kHz. Délka výbojů byla zhruba 8 cm. Když jsem přidal
napětí na asi 180V tak se výboje prodloužily na asi 12 cm. To se však FETům moc
nelíbilo a dosti se zahřívaly. SSTC - poloviční můstek
V březnu 2003 jsem si konečně sehnal dva tranzistory IRFP460
(500V, 20A, 0,22R, kapacita řídící elektrody je u výrobce Internacional
Rectifier (má v logu diodu) 5,6 nF a u firmy ST Microelectronics 4nF). Jsou
sice dosti předimenzované, ale umožňují bezproblémové napájení přímo ze sítě. Všechnu
elektroniku jsem nacpal do plechové bedny od zesilovače.
Výkonové MOSFETy jsou chlazeny menším chladičem s dvěma 4cm
větráčky (jsou tam spíš na ozdobu). Každý z tranzistorů je na dvou silikonových izolačních podložkách. Transily jsou
dál od tranzistorů, protože mají z výše uvedeného důvodu dost vysokou teplotu. Všechny ostatní diody jsou těsně
u tranzistorů. Kapacitní dělič je ze dvou metalizovaných kondenzátorů 470nF 1000V.
Zkratováním D7 se zapíná napájení oběma půlvlnami. Filtrační kondenzátor
nepoužívám, protože by se koncáky dost zahřívaly. Ještě před usměrňovač jsem zařadil
fázový regulátor s tuzemským obvodem MAA436 a triakem BT138. Pojistka v silové
části je více méně zbytečná (byly by to zbytečné 3 Kč, jelikož odejde až po
proražení koncáků). Rozhodně by nebylo
od věci použít vhodný síťový filtr. Na jedné zahraniční stránce jsem nedávno
zahlédl zajímavý princip automatického dolaďování kmitočtu budiče. Okamžité
napájecí napětí koncového stupně se v důsledku nevyhlazeného napájení stále mění
v rytmu síťového kmitočtu. Jelikož délka výboje je v podstatě přímo úměrná napájecímu napětí, tak se i
délka výboje mění v rytmu síťového kmitočtu. Výboj je však do jisté míry vodivý,
a tak se s jeho měnící se délkou dynamicky rozlaďuje rezonanční kmitočet sekundáru. Při krátkých výbojích
jsem tuto skutečnost řešil tím, že jsem na budiči nastavil o něco nižší než
rezonanční kmitočet, což není zrovna ideální. Mimo fázový závěs lze dolaďování realizovat i následujícím způsobem. Budu-li k ladícímu napětí vhodně přidávat přiměřeně zmenšené napětí z napájení koncového stupně, bude se i budič dynamicky rozlaďovat v rytmu sítě a rezonance zůstane zachována. Tím vhodně mám na mysli otočení fáze o 180°, protože při vyšším napětí (delším výboji) potřebuji nižší kmitočet. Zjednodušeně řečeno, kmitočet budiče je frekvenčně modulován síťovým kmitočtem. Na schématu výše je konkrétní zapojení. Signál pro dolaďování z důvodů galvanického oddělení raději odebírám z pomocného vinutí transformátoru. Střídavé napětí je usměrněno můstkem a přes dělič R4 a P1 a oddělovací kondenzátor C1 je superponováno na ladící napětí. Diodový můstek je zapojen "plusem" na zem, čímž je zajištěno zmiňované otočení fáze o 180°. Potenciometrem P1 se musí nastavit vhodná úroveň modulačního napětí. Výboje jsou nyní o něco málo tišší a jsou rovnější. Délka se o něco málo zvětšila. Poruchy
29.4.2003 - První pár tranzistorů to schytal průrazem izolační podložky. Z toho vyplývá, že
by bylo vhodnější umístit každý tranzistor na vlastní chladič. To se mi ale
nechtělo, takže jsem koupil nové podložky a dal je po dvou na sebe. Zároveň s
tranzistory to schytal triak. Schottkyho diody to kupodivu přežily, ale pro
jistotu jsem ke každé zapojil ještě jednu paralelně. SSTC - poloviční můstek, menší provedení Účel byl postavit malé, levné a dobře přenosné zařízení. Všechno jsem vměstnal do krabice od počítačového zdroje, ve které jsem nechal konektory a větrák. Dále jsem chtěl použít levnější tranzistory. Rozhodl jsem se pro IRF840 (stojí jen 25 Kč). Schéma je v podstatě identické s předchozím teslákem, ale jelikož mají IRF840 podstatně menší kapacitu gejtů, vypustil jsem rezistory 10 ohmů v gejtech. Kondenzátory C1 a C2 jsem vykuchal z nějakého vraku a mají 150 nF na 630 V. Některé součástky jsem vykuchal i z toho zdroje. Všechno včetně napájecího trafa pro budič je na jedné desce. Protože jsou tranzistory dimenzovány na menší výkon, navinul jsem primár tenčím drátem s asi 24 závity. Sekundár jsem chtěl co nejmenší, takže jsem navinul nový (2115 závitů, 0,1mm drát na trubku 76,2mm, rezonanční frekvence je asi 230 kHz). Při napájení oběma půlvlnami je příkon jen asi 300 VA. Výboje jsou asi 10 cm dlouhé. Na předním panelu je síťový vypínač, přepínač napájení jednou nebo oběma půlvlnami, ladění a výkon. Když jsem to měl volně loženo na stole tak to fungovalo bez problémů přímo ze sítě. To bylo však proto, že jsem nejdříve zapnul budič a až pak silovou část. Když se však oboje připojí zároveň, tak se na výstupu budiče objeví v první chvíli těžko říct co, koncáky se nějak pofiderně otevřou a prorazí. Tomu měl zabránit triak. Triak však má tu vlastnost, že se při prudkém zvýšení blokovacího napětí (sepnutí spínače je téměř skoková změna) i bez impulsu na řídící elektrodě otevře. IRFP460 ve větším SSTC tuto špičku přežijí patrně díky větším kolektorovým proudům, ale už na to doplatily dva páry IRF840. Problém jsem prozatím (spíš na pořád) vyřešil vložením dalšího vypínače zvlášť pro silovou část. Přední panel teď sice vypadá spíš jak palubní deska letadla, ale hlavní je, že to funguje (zatím). 4.10.2012 - Včera jsem se konečně dokopal zase něco udělat se svým SSTC - změřil jsem si frekvenční a fázovou charakteristiku rezonátoru pro mini-SSTC. Měření bylo provedeno mostem Wayne Kerr 6530A v rozsahu 100kHz až 1MHz. Most sice jede až do 50MHz ale tam už mě charakteristika nijak zvlášť nezajímala. Nejistoty měření jsou pro tento typ definovány dost mizerně, takže se dá říct pouze tak <1%, ale to nemá vzhledem k velikosti změn žádný význam (kéž by se to dalo říct i o těch podstatných měřeních s tímto mostem :-). Změřené průběhy ukazují následující dva grafy: Na průběhu impedance je celkem pěkně vidět sériová a paralelní rezonance a jejich harmonické. Z fázové je zase dobře vidět, s čím se musí potýkat budiče s PLL. Pokud kmitočet ustřelí mimo oblast rezonance, je zátěž tvořená prakticky jen indukčností primáru (proto 90°). Detail pro základní harmonickou: Důvodem k tomuto měření je mimo jiné to, že bych rád vytvořil nějaký ten PLL budič, ale rád bych ho navrhl pořádně. K tomu se docela hodí znát konkrétní hodnoty fázové závislosti. Takto si to mohu zkusit nasimulovat. Někdy je to lepší, než hora mrtvých koncáků - tranzistory by jistě souhlasily. :-) Mini TC Konečně se mi povedlo postavit klasický teslák. Řekl jsem si, že když to nešlo ve velkém, tak zkusím v menším provedení. Sekundár jsem namotal na tubu od šumáku novým drátem 0,1mm a jeho rezonanční kmitočet je asi 1100 kHz. Primár je kónický na plastové kostře přišroubené ke krabičce od 5,25" disket. Jeho indukčnost je asi 5,5 μH. Rezonance se sekundárem jsem dosáhl sériovou kombinací obou fóliových kondenzátorů (8,5 a 13nF což je asi 4,5 nF). K napájení používám prozatím trafo z televize s usměrňovačem (sériově 50x BA159), protože ještě nemám NST, ale pracuje se na tom. Jiskřiště používám statické - dvě kuličky připájené na drátě zavřené do plastové krabice. Sice se v ní hromadí ozón, ale je to tiché. Výboje jsou asi 5-6cm dlouhé a při zásahu prstu nebo dlaně to opravdu hodně bolí. Audio SSTC Jak je asi patrné z nadpisu, jedná se o teslák modulovaný zvukem. V několika zahraničních návodech se píše o této možnosti, ale vždy se používá PWM - modulace střídy budícího signálu, což je ovšem právě to, co se snažím minimalizovat. Se střídou se logicky mění i tzv. "dead time" a tak proud teče mnohem delší dobu přes rychlé diody a zahřívá je. Už při prvních experimentech se SSTC mě napadlo, že když budič naladím mírně stranou od rezonance sekundáru (asi tak na poloviční délku výbojů) a budu NF signálem modulovat budící kmitočet, tak se bude jeho kmitočet střídavě vzdalovat nebo přibližovat k rezonanci a tím se bude měnit délka výbojů, čímž dosáhnu podobného efektu jako u PWM modulace. Napájení koncového stupně musí být vyhlazené a rozhodně ne plné síťové napětí, jinak se koncáky upečou. Při mých experimentech jsem koncáky napájel z trafa asi 100V DC. Pro filtraci jsem použil kondenzátor 1000μF na 200V z počítačového zdroje. Reprodukovaný zvuk je relativně hlasitý, ale chybí basy. Zároveň se zvukem je slyšet syčení výbojů. Budič je zapojen podle schématu níže. Frekvenční modulace je dosaženo přivedením modulačního signálu do ladícího napětí. Jde v podstatě o stejné zapojení jako dynamické dolaďování kmitočtu, ale místo trafa s usměrňovačem je tam připojen zvuk. Při jednom z prvních experimentů se mi to tak líbilo, že jsem to nějak zapomenul vypnout a FETy se upekly, protože střední odebíraný proud je při DC napájení mnohem větší. Ale to byly IRF840 a s IRFP460 se to asi hned tak nestane. SSTC - plný můstek
Po několika dlouhých měsících od smrti SSTC polomostu jsem konečně
dokončil plný můstek.
Navrhl jsem ho tak, aby bylo možné koncový stupeň přepnout do i do polomostu.
Předělal jsem všechnu elektroniku včetně fázového regulátoru, protože původní, narychlo vyrobené,
plošné spoje (škrábáním) byly zdrojem poruch.
Tu a tam třeba zapadla pilina mezi spoje a byl z toho docela solidní ohňostroj.
Budící transformátory jsem tentokrát vyrobil z koupeného feritu.
Doma mám sice spoustu jader, ale nevím z jakých materiálů. Toroidy jsem koupil v
GESu, mají označení FT 82-43 a stojí asi 100 Kč.
(mají ještě s o málo větším průměrem za 150 Kč). Pro můj budič jsou třeba 4 vinutí,
takže jsem stočil se stoupáním asi 1cm 4 vodiče z telefonního kabelu
(smaltové izolaci na drátech do trafa prostě nevěrím) a navinul "4-filárně" na jádro
co se vešlo - 12 závitů. Fázový regulátor je zapojen jako u původního polomostu, ale za usměrňovačam je zapojen filtr. Bez filtru mi odešlo několik triaků. Regulátor je opět s tuzemským MAA436 a triakem BT138-800 na 800V. Před můstkem jsou zapojeny diody, jejichž přemostěním se zapne napájení oběma půlvlnami. Napájení koncového stupně se zapíná zvlášť vypínačem až po rozběhnutí budiče, jinak by to mohlo dopadnout jako u mini SSTC.
Nastavení je velmi jednoduché, nejdříve jsem nastavil napětí pro budič
na asi 14,5V. Pak jsem už jen kroutil deadtime trimry tak, abych našel kompromis mezi odběrem
a tvarem výstupního signálu. Při asi 300 kHz a buzení všech 4 MOSFETů byl odběr asi 700mA
a hrany signálu na gejtech měly méně než 100ns (od -10 do +10V), a to je na budič z
diskrétních součástek docela ucházející. Tlumící rezistory sice pěkně topí, ale jinak
je zbytek součástek budiče jen mírně zahřátý. Po nastavení budiče jsem připojil koncový stupeň
na stabilizovaný zdroj, abych se přesvedčil, že mám správně zapojeny vinutí budících
traf. Když to fungovalo, tak jsem to připojil na trafo s výstupem 90V a pak už přímo
na síť.
Dále jsem zkoušel měřit činný výkon pomocí klasického ferodynamického
wattmetru a vyšel prakticky shodný se zdánlivým výkonem, takže SSTC pracuje s účiníkem přibližně 1. Další fotky zde. Následující videa byly natočeny jen foťákem, takže kvalita nic moc, ale pro představu jak to vypadá snad stačí. Další videa SSTC (a jiné nesmysly) jsou ke shlédnutí zde. Micro TC
Po docela úspěšných pokusech s mini TC jsem se rozhodl vyzkoušet ještě menší verzi. Sekundár je navinut na bývalý fix o průměru 11,5mm. Vinutí je dlouhé 53mm a má 500 závitů drátem 0,1mm. Rezonanční frekvenci jsem změřil na nějakých 6,5MHz. Do spodního i vrchního konce trubičky sekundáru je vlepen šroub, na který je připájen konec vinutí. Primár je kónický, vinutý měděným drátem průměru 1,4mm, má 4,5 závitu a indukčnost jsem změřil na nějakých 0,75uH. Je to dost málo a asi jsem měl navinout jěště tak 3 závity a tenčím drátem, ale předělávat se mi to už nechce. Kondenzátor vychází podle výpočtu na 800pF, takže jsem použil jeden z fóliových. K napájení používám jednocestně usměrněné trafo z TV při příkonu asi 40W (nic moc účinnost). Jiskřiště jsou v podstatě jen 2 dráty asi 0,5mm od sebe, takže se kondenzátor nabíjí jen asi na 1-2kV, ale zase ho trafo stíhá dostatečně rychle dobíjet, takže jiskřiště jede asi na 1000-2000BPS a občas při ještě bližším přiblížení elektrod už jede tak na 5000BPS. Nabíjecí tlumivka je z nějakého zálohovacícho zdroje pro tel. ústřednu a má asi 0,5H, což je tak akorát. Výboje jsou relativně krátké - do vzduchu asi 1cm, ale dá se táhnout asi 2cm oblouk na uzemněný předmět. Při experimentech jsem si všiml, že TC je sice citlivý na naladění, ale ne zase tak, jak je to u nižších frekvencí. Při posouvání odbočky po primáru se výboje mění celkem nepatrně. VF pole rozsvítí na pár cm malou zářivku a při přiblížení žárovky v ní vytvoří docela solidní výboje. Jen mě zarailo, že vzniklá plazma má dost nazelenalou barvu. Když jsem budil tutéž žárovku SSTC, tak ta zelená skoro vidět nebyla.
Poslední aktualizace: 4.10.2012 |