Tesla trafo

Tesla trafo ehk Tesla transformaator ehk Tesla generaator (ingl Tesla coil, lühend SGTC, sõnadest Spark Gap Tesla Coil) on resonantstransformaator, mille leiutas Nikola Tesla umbes 1891. aastal. Sellega saab toota kõrge pinge ja kõrge sagedusega vahelduvvoolu. Tesla trafod olid võimelised tekitama kõrgemat pinget kui varasemad elektrostaatilised masinad.
Tesla valmistas erineva skeemiga trafosid ja kasutas  neid eksperimentideks niisugustes valdkondades, nagu näiteks röntgenikiirguse tekitamine ja elektrienergia traadita ülekanne. Tesla valmistas 1901. aastal trafod kasutamiseks meditsiiniaparatuuris elektroteraapia otstarbel ja traadita telegraafside raadiosaatjates. Tänapäeval kasutatakse Tesla trafot peamiselt kõrgsagedusliku kõrgepinge toime demonstreerimiseks.

Ehitus

Tesla trafo erineb tavalisest trafost nii ehituse kui ka otstarbe poolest. Tavalise trafo ülesanne on teatavasti kanda elektrivõrgus elektrienergiat ettenähtud pingel primaarpoolelt sekundaarpoolele võimalikult suure kasuteguriga. Tesla trafo  primaar- ja sekundaarahelad töötavad kui resonantsvooluringid, mis lisaks pinge muundamisele ka salvestavad võnkeenergiat vaheldumisi induktiivsuse (mähise) magnetvälja ja mahtuvuse (kondensaatori) elektrivälja.
Tesla trafo jämedast traadist väheste keerdude arvuga (5–15) primaarmähis L1  moodustab primaarvõnkeringi koos kondensaatoriga C1 (mahtuvus enamasti vahemikus 10–100 nF).
Trafo sekundaarahela induktiivpool L2 on mähitud ühekihiliselt peenest traadist pikale poolialusele ja sellel võib olla kuni tuhat keerdu. Kuigi sekundaarahelas kondensaator kui füüsiline komponent puudub, kujuneb siin võnkeringi moodustumiseks vajalik mahtuvus C2 mähise keerdude summaarsest hajumahtuvusest (vt Induktiivpool). Nimelt on trafo mähisel ka omamahtuvus, tulenevalt keerdude omavahelisest mahtuvusest ja keerdude mahtuvusest maa suhtes; sellele summaarsele hajumahtuvusele lisandub sekundaarpooli ülaotsa ühendatud  toroidi (pöördkeha) kujulise metallist  väljundelektroodi E mahtuvus maa suhtes. Niisiis toimib ka trafo sekundaarahel võnkeringina.
Primaarvõnkering häälestatakse sekundaarvõnkeringi omavõnkesagedusega resonantsi, s.t samale sagedusele kondensaatori C1 mahtuvuse ja primaarmähisest L1 tehtud harundite (väljavõtete) valikuga. Seeläbi osutub võimalikuks võnkeenergia (voolu ja pinge) maksimaalse intensiivsusega  vahetus trafo primaar- ja sekundaarmähise vahel.
Kui tavalises trafos on mähised ferromagnetilisel südamikul omavahel tugevalt sidestatud, millega kaasnevad ümbermagneetimis- ja pöörisvoolukaod ning mis kasvavad koos sagedusega, siis Tesla trafol on mähised vaid lõdvalt teineteisega sidestatud, nii et ainult 5–10% primaarmähise magnetvoost aheldub sekundaarmähise keerdudega. Nõrga sidestuse tõttu ei summuta primaarahel eriti võnkumisi sekundaarvõnkeringis. Seetõttu on selle võnkeringi hüvetegur küllaltki kõrge ja pinge tõuseb resonantsisagedusel selle teguri kordselt (lisaks keerdude arvu suhtest tulenevale pingetõusule).
Tesla trafo töösagedus valitakse harilikult vahemikus 30 kHz kuni 500 kHz, mille juures energiavahetus trafo mähiste vahel toimub piisavalt tõhusalt ka ilma ferromagnetilise südamikuta.
Tesla trafo primaarmähis valmistatakse jämedast vasktraadist, sageli ka vasktorust, et vähendada pinnaefektist tingitud energiakadu (soojusena) kõrgetel sagedustel. Primaarmähis paikneb pika sekundaarpooli alumise otsa ümber, sest seal on sekundaarahela potentsiaal kõige madalam ning ei teki ülelöögi ohtu.
Kirjeldatud skeemi kõrval on levinud ka variant, kus primaarahelas on kondensaatori ja sädemiku kohad vahetatud. Sel juhul lühistab säde toiteallika ja see ei jää võnkeringile lisakoormuseks.

Kõrgepinge tekitamine

Vahelduvvooluallikast (näiteks 230 V elektrivõrgust) toidetav ja pinget 10 kuni 100 korda kõrgendav trafo T laeb kondensaatorit C1 pingeni, mille  juures sädemikus (sädevahemikus) SG tekib läbilöök (säde) ja kondensaator tühjeneb kiiresti läbi primaarmähise L1. See lühike tugev vooluimpulss, mis on suure hetkvõimsusega (mõõdetav kilo- või isegi megavattides) ja koosneb erisuguse sagedusega võngetest, indutseerib suure keerdude arvuga sekundaarmähises L2 resonantsisagedusel vahelduvpinge, mille amplituud kasvab sekundaarvõnkeringi hüveteguri kordselt. Võnkeamplituud hakkab võnkeringis paratamatult esinevate kadude tõttu siiski vähenema ja kui sekundaarahelast primaarvõnkeringi tagasitransformeeruv võnkevool nõrgeneb sel määral, et ei suuda enam sädemikus õhku ioniseerida, siis vool sädemikus ja primaarahelas katkeb. Nüüd hakkab toitetrafo taas primaarahela kondensaatorit laadima ja kogu protsess kordub.
Iga sädelahendus sädemikus kutsub väljundelektroodil esile sinusoidaalse kõrgepinge, mis ei jõua veel sumbuda, kui järgneb uus läbilöök sädemikus. Võrgutoite korral toimub see 50 korda sekundis (selles protsessis võib näha analoogiat  näiteks kiigele hoo andmisega). Tulemusena tõuseb elektripotentsiaal nii kõrgeks, et elektrilaeng ei püsi enam toroidelektroodi pinnal, vaid eraldub sellelt ümbritsevasse õhku gaaslahendusena.  Suurtes seadmetes ulatub pinge väljundelektroodil mitme miljoni voldini ja toroidi ümber tekib koroona helendus.

Tesla trafo tänapäevaseid modifikatsioone

Sädemikuga Tesla trafo (SGTC) kõrval on välja töötatud mitmesuguseid erikujusid, kus sädemiku asendab elektrooniliselt tüüritav türatron, türistor või isoleeritud paisuga transistor, mis peab olema võimeline lülitama mitme kiloampri tugevust voolu. Niisugune kõrgepingeallikas töötab müratult, on kulumiskindel ning pika tööeaga.
Toiteallikana kasutatakse ka kõrgsagedusgeneraatorit, mis annab impulsse vahetult trafo primaarmähisesse, nii et langeb ära vajadus kasutada kondensaatorit (ja selle tühjendusimpulsse); seda tüüpi on näiteks trafo SSTC (ingl solid state tesla coil).