Úvod do Teslových transformátorů

Teslův transformátor je rezonanční zesilovač postavený kolem transformátoru se vzduchovým jádrem. Vstup zvedne o řády, až se náboj na sekundáru odpuzuje tak silně, že ionizuje vzduch. To je ten výboj.

Sekundár je ta část, kterou nelze přehlédnout: tisíce závitů, stojí venku. Primár má pár závitů, často míň než deset, a snadno se přehlédne. Celý stroj je transformátor. Pořád mu říkáme cívka, protože sekundár je to, co vidíte.

Velká část pověstí o Teslovi je nesmysl. Neměl stroj na energii zdarma a neměl paprsek smrti, který by smazal město na jiném kontinentu. V elektromagnetismu udělal mimořádnou práci — střídavé motory, praktický rozvod energie — a roky také strávil bezdrátovým přenosem výkonu. Stroj, kterému říkáme Teslův transformátor, byl ten pokus.

Výkon na dálku z něčeho takového není otázka větší stavby. Pole rychle slábne, jak odcházíte, a není namířené: odchází všemi směry. Slunce má z našeho pohledu stejný problém. Chytíme zlomek toho, co vyzáří. Cívka, i s moderními spínači, by byla mizerný způsob, jak poslat watty přes louku. Tesla u toho ve Wardenclyffe stejně zůstal. Když to selhalo, peníze přestaly. Později armádě nabídl paprsky smrti, zbraně a sběrače energie, dostal znovu financování a ty peníze utratil za stejnou práci na bezdrátovém výkonu. Úřady si toho nakonec všimly a práce byla zabavena.

Myšlenka nebyla k ničemu. Takhle výkon nepošlete. Informaci ano. První jiskrové rádiové vysílače byly Teslovy cívky s úkolem a telefon pořád posílá energii vzduchem, jen v paprsku, který jsme se obtěžovali namířit a modulovat.

Rezonance je systém, který odpoví mnohem silněji, když ho budíte jedním konkrétním kmitočtem. Ten kmitočet je rezonanční, vlastní, základní.

Většina skutečných předmětů jich má víc. Odpovídají i na násobky prvního. Graf je ten jednoduchý případ: ostrá špička a jinde skoro nic.

Brnkněte na kytarovou strunu a zní na vlastním kmitočtu. Přitlačte strunu a zkrátíte L, takže tón stoupne. Kytara má struny stejné délky, které hrají různé tóny, protože rychlost ve struně závisí na hmotnosti a napětí, ne jen na délce.

Klavír je stejná myšlenka vestavěná do nábytku. Dlouhá strana jsou basy. Krátká strana jsou výšky. Vyšší tóny chtějí kratší struny, takže skříň sleduje struny.

f0 = v / (2 L)

Struna má délku a má i šířku. Uhoďte ji po dlouhé straně a slyšíte v / (2 b). Uhoďte ji po krátké a slyšíte v / (2 a). Skutečné brnknutí udělá obojí a ještě každý další mód, který předmět unese. Většina z nich leží nad tím, co ucho využije. Sluch jde zhruba od 20 Hz do 20 kHz.

Nic v dílně není dokonalý obdélník. Každý vryp a každé zúžení je další místo, kde může žít mód. Proto hotová sestava občas zpívá na kmitočtu, který první výpočet vůbec neměl.

Tacoma Narrows byl hotový v roce 1940 a stál asi čtyři měsíce. Vítr budil mostovku na jejím vlastním kmitočtu. Za větrného dne se hýbala. V listopadu byl vítr dost rychlý na to, aby pohyb ujel a most spadl. Existuje film toho pádu. Stojí za shlédnutí, než se rozhodnete, že rezonance „tak velká nebude“.

Elektrická rezonance není třesoucí se deska. Je to napětí a proud, které si předávají energii. To, co následuje, je schválně zjednodušené. Kondenzátor odmítá náhlou změnu napětí. Indukčnost odmítá náhlou změnu proudu. Nabíjíte kondenzátor a napětí přijde pozdě. Tlačíte proud do cívky a proud přijde pozdě. Když některý dojde tak daleko, jak mu obvod dovolí, říkáme, že je nabitý.

Dejte do smyčky jen tyhle dvě součástky a máte obvod LC. Nabijte kondenzátor, nechte proud indukčnosti na nule a pusťte to.

Na začátku sedí kondenzátor na plném napětí a proud indukčnosti je nula. Kondenzátor se pak vyprázdní do cívky. Napětí klesá, proud roste, až je kondenzátor prázdný a cívka nese špičkový proud.

Cívka ten proud udržuje v pohybu. Nabíjí kondenzátor opačně: proud, který odešel z kladné desky, se vrací na zápornou, takže se polarita napětí obrátí. Na druhém konci toho kyvu je kondenzátor zase plný, v opačné polaritě, a proud cívky je zpátky na nule.

Kondenzátor se teď vybíjí druhou stranou, cívka se nabíjí a dvojice se vrátí do polarity, ve které začala. Napětí i proud jsou sinusovky a kmitočet nebloudí. Drží ho L a C. Změňte jedno z nich a tón se změní. Nechte je být a nezmění.

Skutečná smyčka má odpor. Každá perioda promění kousek uložené energie v teplo, takže amplituda klesá. Kmitočet zůstává. Výška ne, pokud něco tank pořád nekrmí.

Buďte jeden LC obvod na jeho rezonančním kmitočtu a hází elektromagnetické pole. Druhý LC obvod to pole může chytit. Chytí ho nejvíc, když je jeho vlastní rezonanční kmitočet stejný jako u vysílače.

Minete kmitočet a přenos spadne. Na schématu můžete být blízko a pořád nepřenést skoro žádnou energii. Důvod je impedance.

Impedance je odpor, který obvod klade, jakmile v něm jsou kondenzátory a cívky. Reaktance je ta část, která pochází z těch součástek — střídavý odpor. Induktivní reaktance roste s kmitočtem: XL = 2 π f L. Na stejnosměru je cívka zkrat. Pošlete kmitočet do nekonečna a reaktance jde s ním. Kondenzátor dělá opak: XC = 1 / (2 π f C), na stejnosměru nekonečná, s kmitočtem menší. Reaktance, která v obvodu zbude, je XL minus XC.

Impedance je tahle reaktance dohromady s obyčejným odporem.

Zafixujte R, L a C a přelaďte zdroj. Vždycky existuje kmitočet, kde se XL rovná XC. V tom bodě se reaktance vyruší, impedance spadne na R a proud omezuje už jen odpor. Ten kmitočet je rezonanční.

f0 = 1 / (2 π √(L · C))

Řekněme, že vysílač je na 100 MHz a přijímač má vzít největší proud, jaký může. Autorádio je tenhle obvod: pevná indukčnost, proměnný kondenzátor a kondenzátorem otáčíte, dokud se neobjeví stanice. Aby šla aritmetika přečíst, předpokládejme, že indukované napětí zůstane 1 V na každém kmitočtu a že jediná ztráta je R1.

Proud vrcholí v rezonanci, protože se reaktance vyruší a zbude 100 Ω. S 1 µH a kondenzátorem v krajních polohách ladí tahle součástka od 15,92 MHz do 159,16 MHz, takže 100 MHz je v rozsahu. Řešení pro C na 100 MHz dá 2,533 pF. Pak I = 1 V / 100 Ω = 10 mA.

Posuňte kondenzátor na 3 pF a tank chce 91,88 MHz. To je 8,2 % mimo 100 MHz a proud už je dole skoro o 30 %. Dvacet procent mimo ho srazí o víc než 60 %. Příklad je schválně zjednodušený. Pointa zjednodušení přežije: malá chyba ladění je velká chyba výkonu.

I = 1 V / 100 Ω = 10 mA

V rezonanci energie sedí v kmitání, místo aby odcházela každou periodu. Přitlačte dovnitř ještě trochu a přičte se k tomu, co už tam je. Napětí na tanku může vylézt nad zdroj, který ho krmí. Na tabuli bez ztrát roste pořád.

Ztráta je vždycky, takže amplituda najde strop. Stejné hromadění utrhlo mostovku v Tacomě. Rezonance s vysokým Q je vysoká úzká špička: víc napětí a ladění, které neodpouští. Špička s nízkým Q je nižší a širší.

Tohle stačí jako teorie pro původní stroj, Teslův transformátor s jiskřištěm. Obyčejný transformátor nastaví napětí sekundáru jen z poměru závitů. Teslův transformátor ještě násobí činitelem Q, kvalitou rezonance. Vysoké Q znamená vyšší amplitudu a ladění, které musíte trefit. Tohle jsou systémy s vysokým Q. Jakmile jsou na kmitočtu, sekundár dosáhne stovek kilovoltů a na velké cívce i jednotek megavoltů.

Síť se transformuje nahoru a to vysoké napětí nabíjí primární kondenzátor C1. Jiskřiště je spínač, který se zavře sám: když napětí prorazí vzduch mezi elektrodami, oblouk je horká cesta s malým odporem a C1 se vyprázdní do primáru rezonátoru. Primár a C1 jsou tank. Zvoní, dokud odpor a energie předaná sekundáru náboj nespotřebují. Proud primáru v tom zvonění jsou stovky ampér, někdy tisíce. Na síti 50 Hz se kondenzátor nabije dvakrát za periodu, takže dávky přicházejí asi stokrát za sekundu, v obou polaritách.

Nalaďte sekundár na stejný kmitočet a dejte mu mnohem víc závitů než primáru a napětí sekundáru uteče. Srovnejte L a C na obou stranách a máte umělé blesky. Série DiodeGoneWild o cívce s jiskřištěm je pečlivá verze tohohle výkladu: youtube.com/watch?v=wSp1IzmRUk8

U2 = U1 · (N2 / N1) · Q

Statické jiskřiště má obyčejné problémy. Oblouk nemusí zhasnout, elektrody se vaří a cívka nerada běží dlouho. Rotační jiskřiště dá elektrody na točící se kotouč. Víc elektrod si rozdělí teplo a opotřebení. Otáčky nastavují, jak často jiskřiště pálí. Protože elektrody od sebe odcházejí, oblouk zhasne.

Vynucené zhášení má účet. Přetrhnete-li oblouk, dokud je proud pořád velký, ten skok proudu naindukuje špičku v primáru a špička dopadne na síťový transformátor. Ten transformátor to zabije. Rotační cívka proto drží obyčejné ochranné jiskřiště paralelně, aby stáhlo špičku, kterou kolo občas udělá. Tahle topologie je pro výkonné stroje s jiskřištěm. Ventilátor na elektrodách je součást návrhu, ne ozdoba: chladí je a pomáhá oblouku zemřít.

Koncem dvacátého století si mohl koupit spínací tranzistory i amatér. Tam začínají solid-state Teslovy transformátory. Jiskřiště nepřijímá rozkazy. Kadence přeskoků bloudí, rána je hlasitá a rušení stačí zabít elektroniku, která sedí poblíž. Účinnost je často sporná. Moderní stavba chce kadenci a výkon na knoflíku a chce mikrokontrolér nebo logiku, která tomu velí.

Jiskřiště nechá primár zvonit samotný. Tranzistory se musí budit na správném kmitočtu a musí ze stejnosměru udělat střídavý proud. Jedna cesta je H-můstek, plný můstek. Vezměte usměrněnou síť, asi 325 V DC, jako Vcc. Sepněte zároveň Q1 a Q4 a proud jde zátěží jedním směrem. Ty vypněte, sepněte Q3 a Q2 a proud se vrací druhým směrem. Střídejte obě dvojice a zátěž vidí střídavý proud. Buzení hradel nastaví kmitočet, v mezích toho, co tranzistory opravdu stihnou sepnout. Výsledek je obdélník udělaný ze stejnosměrné větve. Stejná myšlenka, s primárem transformátoru místo rezistoru, je ve všem od nabíječky telefonu po serverový zdroj na mnoho kilowattů.

Sekundár jde změřit jednou a ten kmitočet natvrdo zapsat. Funguje to, dokud se nezmění místnost. Samotný výboj je kondenzátor pověšený na sekundár, takže velký streamer stáhne rezonanční kmitočet a budič je najednou mimo.

Obvyklá oprava je zpětná vazba ze sekundáru. Spodní konec sekundáru jde přes feritový transformátor s N závity, proudový transformátor 1:N, a ten signál řídí budič. Táhněte těžký výboj do země, posuňte sekundár o hodně a můstek je pořád na novém kmitočtu. Cívka s jiskřištěm to neumí. Její primární tank je pevný tón.

U SSTC primár není rezonanční obvod. V rezonanci s můstkem je jen sekundár. Primár je indukčnost, která omezuje proud, a proto opatrná cívka může jet dlouhé pulzy, nebo trvale. Dá se navinout i primár s malou impedancí a pálit krátké tvrdé pulzy, jako to dělá jiskřiště. Buzení máte v ruce, takže jiskry unesou zvuk: změňte kadenci přerušování a modulujete výkon.

SSTC je mnohem větší obvod než jiskřiště a chce víc elektroniky, než první cívka obvykle potřebuje. Jiskřiště skoro nejde zabít. Tranzistor umře na přepětí nebo na teplo bez obřadu.

Druhá strana toho obchodu je řízení. Přerušovaně, trvale, krátké pulzy s velkým proudem, nebo cívka, která hraje. Trvale běžící cívku s čistým zvukem na výbojích jsem popsal zvlášť: uhvlab.org/ctu-sstc

Přerušovaná SSTC od Kaizera, cívka DiodeGoneWild bez smyčky zpětné vazby a přerušovaná cívka od Loneoceans. Stejná myšlenka, tři různé odpovědi na to, jak tvrdě ji budíte a jestli necháte sekundár odpovídat.