Teslov transformátor

Teslov transformátor je vysokonapäťový rezonančný transformátor so vzduchovým jadrom, ktorý sa využíva na vytváranie vysokofrekvenčného vysokého napätia s nízkym prúdom. Vynašiel ho srbsko-americký elektrotechnik Nikola Tesla v roku 1891.
Transformátor je tvorený dvoma súosími vzduchovými cievkami s rôznym počtom závitov. Rozdiel medzi klasickým transformátorom so železným alebo feritovým jadrom a Teslovým transformátorom, je koeficient magnetickej väzby medzi vinutiami. Keďže Teslov transformátor nepoužíva feritové jadro, musia jeho primárny aj sekundárny obvod tvoriť rezonančné obvody, ladené do vzájomnej rezonancie – ich rezonančné frekvencie by teda mali byť približne rovnaké. Rezonančná frekvencia bežných Teslových transformátorov sa pohybuje v rozsahu 50 kHz až 1 MHz.
Konštrukcia.
Primárne vinutie.
Primárne vinutie cievky transformátora sa skladá z niekoľkých závitov hrubého vodiča. Ten vďaka prítomnosti tzv. „skin efektu“ nemusí mať plný prierez, pretože dochádza k vytlačovaniu elektrického prúdu na povrch vodiča. Vinutie cievky je spravidla ploché, alebo kónické, závisí to najmä od toho, aké parametre sa tým snažíme dosiahnuť, ovplyvňujúc koeficient väzby. Medzi závitmi taktiež vzniká medzizávitová kapacitancia, avšak tá je pomerne nízka, no z dôvodu jej eliminácie sa k primárnemu vinutiu pripája vysokonapäťový kondenzátor.
Sekundárne vinutie.
Sekundárne vinutie pozostáva z niekoľko stoviek až tisícok závitov, navinutých vodičom s veľmi malým prierezom na dutej cylindrickej kostre. Sekundárna cievka nie je pripojená ku kondenzátoru, ale parazitická kapacitancia medzi jednotlivými vinutiami a kapacitancia toroidu vytvára z tohto vinutia LC obvod.
Toroid.
Toroid je kovový/pokovený toroidný objekt, ktorý sa pripája na vrch sekundárneho vinutia a slúži na zvýšenie kapacitancie a zníženie rezonančnej frekvencie. Keďže toroid nemá ostré hrany, znižuje potenciálny gradient (rýchlosť zmeny elektrického potenciálu vzhľadom na vzdialenosť od základne elektrickej konštrukcie), a tým zvyšuje napäťovú hranicu, pri ktorej vzduch ionizuje, čo vo výsledku znamená vyššie napätie na výstupe.
Delenie podľa metódy budenia.
Teslove transformátory vieme rozdeliť podľa obvodov použitých na budenie do niekoľkých kategórii.
SGTC (Teslov transformátor budený iskriskom).
SGTC (z ) využíva na budenie primárneho okruhu iskrisko. Tento systém má hneď niekoľko nevýhod – nie je možná regulácia frekvencie, generovanie ozónu kvôli ionizácii vzduchu, vysoká hlučnosť a v niektorých prípadoch nutnosť použitia aktívneho chladenia.
Poznáme dva hlavné tipy iskrísk využívaných pri stavbe Teslových transformátorov:
Princíp funkcie.
Štandardný vysokonapäťový transformátor premieňa sieťové napätie (230 V), na vysoké napätie (rádovo niekoľko kV). Paralelne s ním je zapojené iskrisko (dve elektródy v dostatočnej vzdialenosti, ktorá je úmerná vstupnému napätiu). Kondenzátor je pripojený sériovo k transformátoru. Keď napätie na kondenzátore dosiahne prierazné napätie vzduchu, vzduch v iskrisku sa zionizuje a vytvorí sa iskra, ktorou sa uzavrie obvod. Energia obsiahnutá v kondenzátore sa vybije cez primárne vinutie a tento proces sa znova opakuje. V okolí primárneho vinutia sa vytvorí elektromagnetické pole, ktoré je absorbované sekundárnym vinutím, pri tomto sa taktiež zvyšuje napätie. Celý tento proces sa rýchlo opakuje, v závislosti na vstupnej frekvencii a parametroch iskriska.
OLTC (Teslov transformátor budený polovodičom typu IGBT).
OLTC (z ) Teslov transformátor je funkčnosťou veľmi podobný SGTC Teslovmu transformátoru. Rozdiel spočíva v tom, že namiesto iskriska využíva na spínanie IGBT tranzistor. Toto zapojenie taktiež nevyužíva vysokonapäťový transformátor. Po zapojení sa nabije filtračný kondenzátor. Pri prvej pol perióde sa cez tlmivku začne nabíjať rezonančný kondenzátor. Tranzistor sa zopne, zatiaľ čo tlmivka bráni vybitiu a rezonančný obvod začne kmitať. V druhej polperióde prúd preteká cez diódu tranzistora. Budič zväčša pozostáva z generátora impulzov.
VTTC (Teslov transformátor budený elektrónkou).
VTTC (z ) využíva na spínanie výkonovú elektrónku. Ako môžme vidieť na schéme, transformátor T1 je pripojený k rezonančnému LC obvodu (C1, L1), ktorý ďalej vedie do anódy elektrónky. Pri zapojení obvodu cez C1, L1 a mriežku elektrónky začne pretekať prúd, ktorý vybudí sekundárnu cievku L3 a cievku L2 pripojenú na mriežku elektrónky. L2 prenesie pulz do mriežky elektrónky, ktorý elektrónku zapína a vypína a vzniká oscilácia.
SSTC (Teslov transformátor budený polovodičmi).
SSTC (z ) využíva polovodičové súčiastky (MOSFET/IGBT), ktoré sú spínané oscilátorom. Toto riešenie ponúka oproti SGTC mnoho výhod a veľkú kontrolu nad rôznymi parametrami. SSTC je v jednoduchosti výkonový zosilňovač, ktorý napája primárne vinutie na rezonančnej frekvencii sekundárnej cievky. Sekundárny obvod pozostáva z vinutia, ktoré je na jednej strane uzemnené a na druhej strane pripojené k toroidu. Toroid poskytuje sekundárnemu obvodu kapacitanciu v sérii s induktanciou a medzizávitovou kapacitanciou sekundárnej cievky.
Princíp funkcie.
Sieťové napätie je usmernené a uložené vo veľkom zbernicovom kondenzátore (zväčša rádovo stovky až tisícky μF). Použitím polovičného, alebo plného mostíka obvod zopneme a vytvoríme na primárnom vinutí striedavé obdĺžnikové napätie, ktorého frekvencia by mala byť zhodná s rezonančnou frekvenciou sekundárneho vinutia, čoho výsledkom je sínusoidný priebeh napätia na primárnom vinutí. Ak budeme sekundárnu cievku napájať na jej rezonančnej frekvencii, začne nám vznikať vysoké napätie na toroide a dôjde k ionizácii vzduchu, vybitiu sekundárneho obvodu a vzniku iskier vo vzduchu.
ISSTC (Teslov transformátor budený polovodičmi s prerušovaním).
ISSTC (z ) je v princípe SSTC, ale s pridaným prerušovačom, ktorým dokážeme regulovať frekvenciu spínania výkonových tranzistorov. Týmto dokážeme zvýšiť impulzný špičkový výkon a znížiť stredný výkon, čo má dopad aj na veľkosť výstupného napätia a opotrebovanie súčiastok.
DRSSTC (Teslov transformátor budený polovodičmi s ladeným primárnym okruhom).
DRSSTC (z ) v podstate funguje na rovnakom princípe ako SSTC. Rozdiel medzi DRSSTC a SSTC je v tom, že DRSSTC využíva v sérii s primárnym vinutím rezonančný kondenzátor. Vďaka tomuto vieme napájať sekundárnu aj primárnu cievku na rovnakej rezonančnej frekvencii, čo znamená, že cievky sú lepšie impedančne viazané. DRSSTC topológia taktiež využíva spätnoväzobnú slučku.