Transcript Mladý vedec – Teslov transformátor

Spojená škola Tvrdošín
Medvedzie 133/1
02744 Tvrdošín
Teslové transformátory
Mladý vedec
Vypracoval: Dávid Beňuš
Trieda:3.A
Školský rok:2013/2014
Niečo o vynálezcovi
• Toto zariadenie navrhol a skonštruoval v roku 1891 Nikola Tesla
(1856-1943). Bol to geniálny Chorvátsky elektrotechnik v tejto dobe
. Ako priekopník silnoprúdovej elektrotechniky tiež navrhol :
• -systém striedavého prúdu na základe rotačného magnetického
poľa – 1878
• - striedavé točivé stroje (asynchrónny motor- 1882 synchrónny
generátor- 1895)
• - transformátor – 1888
• -trojfázový rozvod elektrickej energie- 1888 (zapojenie hviezdatrojuholník)
• -vf vn bezdrôtovú telegrafiu – 1891
• -vf vn bezdrôtový rádiový prenos informácii – 1900
• -vf vn bezdrôtový prenos veľkých výkonov (neukončení vývoj )
Rozdelenie Teslových transformátorov
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
-SGTC (Spark Gap Tesla Coil) Toto je môj typ Tesloveho transformátora . Je to najjednoduchší typ spomedzi všetkých druhov.
Výhody: -dlhé výboje
-jednoduchšia konštrukcia
Nevýhody : - veľká hlučnosť
- najnebezpečnejší typ
- na kondenzátor sú kladené vysoké nároky
-SSTC (Solid State Tesla Coil) Tento typ transformátora používa zložitý elektronicky obvod ktorý budí primárne vinutie najčastejšie
polomost
Výhody: - ticha prevádzka
-Nie je potrebný VN zdroj
Nevýhody : -elektronika sa často kazí
-VTTC(Vacuum Tube Tesla Coil) Základom je elektrónka .
Výhody: -Výboje sú bezpečne dá sa ich chytiť aj keď sú dlhé niekoľko desiatok centimetrov
Nevýhody : -problém zohnať elektrónku potrebného typu
-elektrónka je krehká súčiastka
- Vn zdroj potrebuje mať ešte reguláciu na plynulý rozbeh
-OLTC- (Off Line Tesla Coil) Podobá sa najjednoduchšiemu Teslovemu transformátoru len s tím rozdielom že iskrište je nahradene veľmi
veľkým IGBT tranzistorom
Výhody: -nemá iskrište tak nie je hlučný
-nepotrebuje VN zdroj
Nevýhody : -IGBT tranzistory sú veľmi drahé
- Pri nedostatočnej ochrane tohto tranzistora môže dôjsť k jeho zničeniu
-je potrebné vytvoriť budiaci obvod na IGBT tranzistor
SGTC-funkcia
Základnou častou je nf (vf) transformátor s ladeným primárom
a sekundárom so vzájomnou voľnou magnetickou väzbou.
Napájanie primárneho kmitavého obvodu je z VN striedavého
transformátora napájaného napríklad striedavým kmitočtom 50 Hz.
Primárne vinutie o indukčnosti L1 o malom počte závitov v spojení
s kondenzátorom C1tvorí po zapálení iskrišťa J paralelní kmitavý
obvod naladení na kmitočet . Na rovnaký kmitočet je naladení aj
sekundárny VN kmitavý obvod. Iskrište plní funkciu VN spínača.
Vstupní vysoké napätie transformátor nabíja cez L1 kondenzátor
C1tak dlho, až napätie U1 dosiahne zapaľovacie napätie iskrišťa.
Iskrový oblúk urobí pripojenie nabitého C1 k L1. V paralelnom
obvode vzniknú tlmené kmity s určitým počtom kmitov, ktoré sa
pretransformujú do sekundára. Po vybití kondenzátora C1 výboj
v iskrišti zanikne a začne opäť proces nabíjania C1 . Kmitočet
Teslovho transformátora sa volí v oblasti f ∈ (104-106) Hz.
Principiálna schéma Teslovho
transformátora
Jednotlivé časti SGTC
VN transformátor
• Úlohou VN transformátora je zväčšiť sieťové napätie 230 V na 2-20
kV podľa požiadaviek na výkon TC možnosti sú nasledovné:
• -NST „Neon sing transformer“ VN transformátor pre neónové
trubice. Ide o rozptylový typ umožňujúci činnosť do skratu.
• -Obit „Oil burner ignition transformer“ – zapaľovací transformátor
pre olejové kúrenie.
• -MOT „microware ower transformer“ VN transformátor
z mikrovlnky. Je to typ s tesnou väzbou , nie je to skratuvzdorný.
-Veľmi sa hriali
-Veľmi veľký odber zo siete . Jeden MOT odoberá zo siete cca 20A
keď je sekundár na krátko
-Napätie na výstupe dvoch MOTov pri spojení do série
sekundárnych vinutí dosahovalo cca 4 kV
Vn kondenzátor
• Najlepšia možnosť je kúpiť kondenzátory a pospájať ich do sériovo –
paralelného zapojenia. Takémuto kondenzátoru sa tiež vraví MMC (multi
mini capacitor)
• Viacerí stavitelia TC sa zhodujú že najlepšie kondenzátory na tento účel sú
TC 344 s napätím 2kV. Už ich je aj problém zohnať lebo sa nevyrábajú tak
sa dajú použiť napríklad MKP kondenzátory . Sú to pulzne metalizované
polypropylénové kondenzátory.
• Okrem priemyselne vyrábaných kondenzátorov sa dajú použiť aj
kondenzátory domácej výroby. Tato možnosť je lacnejšia ale nemôžeme od
nich požadovať výsledky ako od kúpnych kondenzátorov.
• Typy domácich kondenzátorov:
• Alobal prekladaný sklom
• Alobal prekladaný plastovými fóliami
• Obalená PET fľaša plastovými fóliami (do 30 kV)
• Zvitkový kondenzátor s namotaným linoleom hrúbky 3-5mm obalený
alobalom
Primárne vinutie
• Je v tvare špirály. Môže sa aj použiť primárne vinutie ploche vzhľadom na
rovinu ale tento typ ma horšie vlastnosti tak sa používa zriedkavo. Od
primárneho vinutia sa požaduje aby malo čo najväčšiu väzbu zo
sekundárom to znamená aby čo najväčšie množstvo siločiar ktoré sa
vytvoria v primárnom vinutí sa aj dostali do sekundára. Mali by sme si dať
pozor aby sa výboj nedostal z toroidu do primárneho vinutia . Rieši sa to
napríklad použitím ochranného závitu ktorí sa nachádza tesne nad
primárnym vinutím je uzemnení a musí byť prerušení aby to nebol závit na
krátko v ktorom by sa potom zbytočne indukovala energia. Malo by byť
vinuté z hrubého medeného drôtu aby malo čo najmenšiu rezistivitu.
Keďže Teslov transformátor pracuje na vysokých frekvencia vzniká skin
efekt. Elektricky prúd sa nám šíri po povrchu vodiča a tím na výrazné
zmenšuje vodivosť. Pri veľkých Teslovych transformátorov sa často na
primárne vinutie používa medená trubka. Tá ma výborné vlastnosti pri
vedení vysokofrekvenčných prúdov.
Iskrište
• Musí byť v ňom taká medzera aby mohla
preskočiť iskra pri nabití kondenzátora. Na
začiatok sa môže odhadnúť jeho medzera pričom
platí 1kV≈1mm. Iskrište môže byt statické alebo
rotačne. Najbežnejšie sa používa statické. Tvoria
ho niekoľko medených trubiek usporiadaných
vedľa seba. Iskra sa tak môže v iskrišti rozdeliť na
viacero menších a tím dosiahneme lepši účinok. V
iskrišti pri prevádzke vznikajú rôzne jedovaté
plyny ktoré môžu znížiť zápalné napätie a tím sa
počas prevádzky zmenšia výboje so sekundára.
Sekundárne vinutie
• Je to cievka v ktorej sa indukuje veľmi vysoké napätie . Je vinuté na
PVC trubke závit vedľa závitu. Závity sa nesmú krížiť aby ich
navzájom neprerazilo. Dôležite je pri výrobe zachovať pomer vinutia
t. j. dĺžka/priemer. Pri SGTC sa odporúča pomer 5/1. Navíja sa
lakovaním medeným drôtom hrúbky 0,1-0,5mm Na celej dĺžke
sekundára môže byť 500-3000zavitov. Aby sme dosiahli čo najdlhšie
výboje je nutnosťou spodný koniec sekundára uzemniť. Uzemnenie
by malo byť kvalitne. Použijeme taký druh uzemnenia aby mame
k dispozícii. Neodporúča za uzemňovať veľké TC do uzemňovacieho
kolika v zásuvke, keďže hrozí poškodenie iných zariadení v sieti
vysokými frekvenciami. Vyrobený sekundár sa odporuča nalakovať
aby ochranilo drôt pred mechanickým poškodením a ešte to zvíši
elektricku pevnosť.
Toroid
• Hovorí sa mu aj prídavná kapacita. V spojení
s parazitnou kapacitou sekundára sa dosiahne
vyššia kapacita sekundárneho LC obvodu. Jeho
použitie alebo nepoužitie nám môže ovplyvniť
kvalitu výbojov. Ak je hladký tak výboje budú
veľmi rozptýlene po celom toroide . Keď na
ňom vytvoríme značnú nerovnosť napríklad na
vrch toroida upevníme ostrý hrot tak výboje
budú smerovať len z tohto bodu do okolitého
prostredia.
MOJA KONŠTRUKCIA
•
Keď som sa z internetu dozvedel o tomto zariadení tak ma to začalo zaujímať.
Rozhodol som sa že si niečo také postavím. Z rôznych typov sa výber som sa
rozhodol pre Teslov transformátor s iskrišťom čiže SGTC. Zdal sa mi najjednoduchší.
Väčšinu materiálu čo som potreboval na stavbu tak som mal doma alebo som
zohnal. Ak to mam zhodnotiť tak ma to nestalo takmer žiadne financie ale veľa
hodín usilovnej práce.
Výroba jednotlivých prvkov
• Začal som ako prvé s navíjaním sekundárnej cievky. Použil som dva rôzne
druhy drôtu lebo som nemal jeden taký dlhý aby som navinul celu cievku.
Drôty som používal z rôznych malých elektromotorčekov na 230 V . Na
cele navíjanie som si vyrobil prípravok kde som upevnil PVC trúbku a
zapnutím motorčeka som mohol jednoducho navíjať.
• Kondenzátor som si vyrobil zo starého okenného skla, ktoré som narezal
na tabuľky a prekladal hrubšou hliníkovou fóliou. Keby som mal kvalitnejší
kondenzátor tím myslím že niečo kúpne tak by som určite dosiahol lepší
konečný výsledok.
• Iskrište som vyrobil z 4 ks vodovodných medených trubiek . Na začiatku
som mal s ním veľké problémy ale som to vyriešil celkovým prerobením
na iné ktoré má na každej trúbke šrob a tak môžem plynulo nastaviť
vzdialenosť na preskočenie iskry.
• Vn zdroj som najprv používal transformátory z mikrovlnky ale mali vysoký
odber na nízke výstupne napätie tak som potom zohnal zdroj s vyšším
výstupným napätím a odber mi klesol na 1,5kW.
Experimentovanie s konečným
vyhotovením
• Pri samotnom testovaní som musel veľa
experimentovať. Odbočkami som pridával a uberal
počet platní a tým sa zároveň menila aj kapacita. Teslov
transformátor som týmto spôsobom naladil na
rezonančnú frekvenciu. Teraz je rezonančná frekvencia
cca 270KHz. Výboje do vzduchu mohli dosahovať
približne 25 cm. Mohlo by sa dosiahnuť aj niečo viac
keby sa použili kvalitnejší kondenzátor. Cely Teslov
transformátor som musel uzemniť tak že som ho spojil
s bleskozvodom budovy. Naposledy sa mi stalo že
napätie bolo také vysoké že mi začali plaziť výboje po
sekundárnom vinutí tak to bude ešte potrebné
nalakovať.
VN zdroj
-5 menších zdrojov
zapojených
paralelne
-8kV a prúd na
krátko 220mA
VN kondenzátor
Vyrobený zo skla a
hliníkových fólii. Celková
kapacita je 30nF .
Prierazne napätie
odhadujem na 50 KV
Primárne a sekundárne vinutie s
plechovkou
Sekundárne vinutie:
-priemer 63mm
-výška vinutia 45cm
-cca 2400z
Primárne vinutie:
-priemer drôtu 3,5mm
-8,5 závitov
-vonkajší priemer 30cm
Isktišťe
Iskrište je plynulo
nastaviteľné pomocou
drážok v nosnej doske.
Krátke video
Ďalšie videa
Skúška iskrišťa
Test vn zdroja
Výboje z plechovnice
Výboje do uzemneného predmetu
Ďalšie fotografie
<- meranie
rezonančnej
frekvencie RC
generátorom
-schéma->
<- navíjanie
cievky
Na RC generátore
som prelaďoval
frekvenciu a keď
sa rozsvietili
LEDky tak to
signalizovalo
rezonančnú
frekvenciu
Bezpečnostné opatrenia
• Najdôležitejšia zásada pri hraní s týmto veľmi
nebezpečným zariadení je dodržiavať
bezpečnú vzdialenosť počas prevádzky. V
jednotlivých častiach zariadenia sa nachádza
veľmi nebezpečne napätie, ktoré má aj
dostatočný smrteľný prúd. Vždy keď som ho
prevádzkoval tak som mal pri sebe pomocníka
keby sa niečo stalo. Pri poruche zariadenia sa
mohlo stať, že by ostal kondenzátor na VN
preto som ho ešte pre istotu vyskratoval.
Samotné experimentovanie
• S týmto zariadením som sa hral veľa krát. Pri prvom
pokuse to ani poriadne nešlo. Výboje vôbec nesršali do
vzduchu. Celé to bolo rozladené. Postupným
pridávaním a odoberaním platní kondenzátora sa mi
podarilo dostať to terajšieho stavu ako je teraz. Taktiež
som zdokonaľoval viaceré časti tohto zariadenia.
Experimentoval som s rôznymi priemermi primárneho
vinutia. Na kondenzátore som potom použil dvojitú
hliníkovú fóliu a hrubšie prívodne vodiče za
dosiahnutím nižšieho odporu. Taktiež som prešiel na
zdroj s vyšším napätím. Prerábal som aj sekundárne
vinutie tak, že som odvinul a navinul tenší drôt.
Záver
• Pri tejto konštrukcii som dosiahol požadovaný
efekt. Bol som s ním jednej strany s ním spokojní,
že to išlo a na druhej strane nespokojní , že by
mohol byť ten efekt lepši. Ešte do budúcna by
som chcel toto zariadenie zdokonaliť. Bude k
tomu potrebné ho najpresnejšie naladiť čo mi
neumožňuje kondenzátor, ktorý má odbočky po
určitých hodnotách kapacity. Konštruovanie tohto
zariadenia mi dalo veľa praktických zručností a
teoretických skúsenosti.