Teslamuuntaja

Rakenne ja toiminta

Alkuperäinen teslamuuntajan ensiöpiiri koostuu kondensaattorin ja kelan muodostamasta LC-oskillaattorista, jonka taajuus on viritetty vastaamaan toisiopiirin resonanssitaajuutta, ja kipinävälikytkimestä, joka kytkee värähtelypiirin päälle ja pois. LC-oskillaattoriin syötetään sähköverkosta energiaa suurjännitemuuntajan avulla. Toisiopiiri koostuu toisiokäämistä ja toroidin muotoisesta elektrodista, joka sijaitsee toisiokäämin yläpuolella. Toroidielektrodin tehtävänä on lisätä toisiovärähtelypiiriin kapasitanssia. Toisiopiiriä kutsutaan usein resonoijaksi.
Kun teslamuuntajaan kytketään virta, ensiöpiirin suurjännitekondensaattori varautuu suurjännitemuuntajan kautta kunnes kondensaattorin saavuttaessa ennalta asetetun jännitteen (usein 8–12kV) kipinävälikytkin laukeaa, mikä kytkee voimakkaan virran ensiökäämiin. Tällöin ensiökäämin ja kondensaattorin muodostama värähtelypiiri alkaa voimakkaasti värähdellä resonanssitaajuudellaan. Ensiökäämin korkeataajuinen magneettikenttä saa myös toisiokäämin ja toroidielektrodin muodostaman sarjaresonanssipiirin resonoimaan. Toisiopiirin yli syntyy hyvin suuri jännite ja sen noustua kyllin korkeaksi toroidielektrodi ei enää pysty pitämään varausta pinnallaan vaan toisiopiiriin varastoitunut energia purkautuu suurena kipinänä toroidielektrodin ja maan välillä.
Harrastelijat ovat kehittäneet useita elektronisia korvikkeita perinteisessä muuntajassa (SGTC, Spark Gap Tesla Coil tai Static Gap Tesla Coil) käytetylle kipinävälikytkimelle. Jokaiselle topologialle on annettu oma kirjainlyhenne. Näitä ovat esimerkiksi DRSSTC (Dual Resonant Solid State Tesla Coil), ISSTC (Interrupted Solid State Tesla Coil), SSTC (Solid State Tesla Coil), OLTC (Off Line Tesla Coil), ARSG/SRSG (Asynchronous/synchronous rotary spark gap) ja VTTC (Vacuum Tube Tesla Coil). Yleisimmin ensiöpiirin kytkemiseen näissä käytetään joko H-siltaa, tai puoli-siltaa. VTTC käyttää suurtehoisia elektroniputkia ja OLTC suuritehoista IGBT-transistoriharkkoa.

SSTC

SSTC / Solid State Tesla Coil on yksinkertaisin elektroninen teslamuuntaja. Siinä ensiöpiirin kytkemiseen käytetään MOSFET- tai IGBT-transistoreista koostuvaa H- tai puolisiltaa. Sillan ajamiseen tarvittu ohjaussignaali otetaan joko antennin avulla toision muodostamasta elektromagneettisesta kentästä, tai joskus harvoin virtamuuntajan avulla joko ensiö- tai toisiopiirin maajohtimesta. Varsinkin alkuaikoina sillan ohjaaminen suoritettiin kiinteällä oskillaattorilla. Tässä tavassa ongelmana on se, että jos oskillaattorin ja ajettavan resonaattorin taajuusero on suuri, ei silta enää kytkekään ensiöpiirin virran nollakohdissa (ZCS, Zero Current Switching). Tällöin ensiöpiirin jännite saattaa nousta niin korkeaksi, että se ylittää kytkemiseen käytettyjen transistorien jännitteenkeston. Tällöin on seurauksena sillan tuhoutuminen.
SSTC:ssä on vain yksi resonanssipiiri, toisiopiiri. Koska ensiöpiiri ei sisällä kondensaattoria, ei se myöskään värähtele. Tämän vuoksi SSTC onkin jokseenkin rajoittunut, koska ensiöpiiri ei pysty suuremmilla tehoilla hyvin siirtämään energiaa toisiopiiriin. Parhaimmat SSTC:t pystyvät noin 50 cm:n kipinöihin 1 kW syötöstä.

ISSTC

ISSTC / Interrupter Solid State Tesla Coil toimii kuten yksinkertainen puolijohdeteslakäämi, mutta siinä on keskeytin (engl. interrupter), eli esimerkiksi mikropiireillä toteutettu oskillaattori, joka antaa virtaa lyhyissä pulsseissa. Keskeyttimen avulla on mahdollista tuottaa pidempiä purkauksia, koska lyhyiden pulssien aikana on mahdollista syöttää enemmän tehoa. Keskeyttimellä saadaan myös aikaan erilaisia efektejä.

OLTC

OLTC / Off Line Tesla Coil toimii kuten tavallinen teslakäämi, mutta siinä virran kytkemiseen käytetään kipinävälin sijaan suuritehoisia IGBT-transistoreja.

DRSSTC

DRSSTC / Dual Resonant Tesla Coil on SSTC:stä kehittyneempi versio, joka vastaa toimintatavaltaan perinteistä teslamuuntajaa. Siinäkin ensiöpiiriä ajetaan H-sillalla tai puolisillalla, mutta tärkeänä erona siinä on se, että sen ensiöpiiriin on lisätty kondensaattori sarjaan käämin kanssa. Tämän seurauksena ensiökin muodostaa värähtelypiirin. Kun ensiö- ja toisiopiirit viritetään värähtelemään samalla taajuudella, saadaan mahdollisimman tehokas energiansiirto. Parhaat DRSSTC:t pystyvät noin 3 metrin mittaisiin purkauksiin (tosin vain usean kilowatin syöttöteholla).
Koska DRSSTC:n ensiö on värähtelypiiri, nousevat siinä sekä virta että jännite hyvin korkeiksi. Tämän takia niissä käytetäänkin lähes pelkästään IGBT-transistoreja, sillä korkea virta, usein yli 600 ampeeria, tuhoaa useimmat teho-Mosfetit välittömästi. Teoriassa ensiöpiirin virta voi nousta kymmenkertaiseksi, jos piirin annetaan värähdellä vapaasti. Tästä syystä näissä järjestelmissä käytetäänkin keskeytintä joka antaa ensiöpiirille virtaa lyhyissä, muutamien millisekuntien pulsseissa. Keskeyttimessä on tärkeää, että se kytkee virran pois vain kun ensiön virta on nollassa (ZCS), tai muuten syntyvä induktiivinen piikki voi tuhota transistorit.

VTTC

VTTC / Vacuum Tube Tesla Coil käyttää suuritehoisilla elektroniputkilla toteutettua oskillaattoria ajamaan ensiöpiiriä. Yleensä käytetään keskeytintä, jota putkiteslamuuntajan yhteydessä kutsutaan usein staccato-ohjaimeksi. Putkilla on monia epäkohtia verrattuna nykyaikaisiin puolijohteisiin, mutta VTTC:llä pystyy tuottamaan hyvin mielenkiintoisia kipinäefektejä.

Turvallisuus

Toiminnassa olevan teslamuuntajan lähelle ei kannata mennä. Vaikka toisiosta tuleva sähkönpurkaus ei välttämättä aiheutakaan mitään vakavia vaurioita, ainakaan heti, voi se silti vahingoittaa hermoratoja tai aiheuttaa palovammoja. Suurin vaara on sen sijaan perinteisen teslamuuntajan virtalähteinä käytetyissä suurjännitemuuntajissa, jotka pystyvät antamaan useiden kymmenien milliampeerien virtoja, jotkut jopa satojen. Tämä yhdistettynä korkeaan jännitteeseen on tappava yhdistelmä. Lisäksi DRSSTC-, SSTC- ja OLTC- järjestelmissä käytetty verkkojännite (115 V AC tai 230 V AC) on eristettävä huolellisesti.
Sähköturvallisuusnäkökohtien lisäksi on huomioitava se, että kaikki teslamuuntajat ovat pohjimmiltaan suuritehoisia radiolähettimiä, eli tehokkaan muuntajan käyttäminen saattaa häiritä radioviestintää, TV-lähetyksiä ja tietoliikennettä yleensä. Tämän takia varsinkin suurimpia teslakäämejä kannattaa käyttää Faradayn häkissä. Lisäksi muuntajan sähköverkkoon aiheuttamat korkeataajuushäiriöt voivat tuhota herkkiä elektronisia laitteita. Siksi resonoijan eli toision alkupää usein maadoitetaan paksulla johdolla maapalloon, eikä sähköverkon maahan ainakaan ilman asianmukaista RF-suodinta.