УДК 537.523.4 Загвоздкин Р. И. Уфимский государственный авиационный технический университет Науч. рук. к.т.н., доцент Фаррахов Р. Г. Уфимский государственный авиационный технический университет ТРАНСФОРМАТОР ТЕСЛА Аннотация: Представлены результаты расчета электронной схемы и реализации действующей модели трансформатора Тесла. Ключевые слова: трансформатор (катушка) Тесла, башня Ворденклиф, высокое напряжение, электрический разряд, электрофлюоресценция. Введение Трансформа́тор Те́сла, также катушка Тесла (англ. Tesla coil) — устройство, изобретённое Николой Тесла и носящее его имя. Является резонансным трансформатором, производящим высокое напряжение высокой частоты. Прибор был запатентован 22 сентября 1896 года как «Аппарат для производства электрических токов высокой частоты и потенциала». Никола Тесла открыл переменный ток, флюоресцентный свет, беспроводную передачу энергии, построил первые электрические часы, турбину, двигатель на солнечной энергии. Он изобрёл радио раньше Маркони и Попова, получил трёхфразный ток раньше Доливо-Добровольского. В 1917 предложил принцип действия устройства для радиообнаружения подводных лодок. Цель работы − обзор электронных схем и реализация действующей модели трансформатора Тесла. 1. Принцип работы трансформатора тесла и его модификации Принцип работы трансформатора Тесла основана на явлении резонанса. Трансформатор состоит из нескольких основных элементов. Первичная обмотка – она содержит небольшое число витков (порядка 5–10 расположенных 1 вертикально, горизонтально или в форме конуса) и является частью искрового колебательного контура, включающего в себя также батарею конденсаторов, которая служит аккумулятором энергии и устройство замыкания цепи, которое в свою очередь и определяет модификацию трансформатора Тесла. Вторичная обмотка представляет из себя прямую катушку без сердечника на конце которой располагается тор, выполняющий функцию конденсатора. При совпадении частоты колебательного контура первичной обмотки с частотой одного из собственных колебаний вторичной обмотки вследствие явления резонанса во вторичной обмотке возникнет электромагнитная волна и между концами катушки появится высокое переменное напряжение. Работу резонансного трансформатора можно объяснить на примере обыкновенных качелей. Если их раскачивать в режиме принудительных колебаний, то максимально достигаемая амплитуда будет пропорциональна прилагаемому усилию. Если раскачивать в режиме свободных колебаний, то при тех же усилиях максимальная амплитуда вырастает многократно. Так и с трансформатором Теслы – в роли качелей выступает вторичный колебательный контур, а в роли прилагаемого усилия – генератор. Их согласованность («подталкивание» строго в нужные моменты времени) обеспечивает первичный контур или задающий генератор (в зависимости от устройства). Существует несколько модификаций трансформатора Тесла и во всех основной элемент – первичный и вторичный контуры – остается неизменным. Однако генератор высокочастотных колебаний может иметь различную конструкцию. На данный момент существуют: SGTC (Spark Gap Tesla Coil) – классическая катушка Тесла – генератор колебаний выполнен на искровом промежутке (разряднике). Для мощных трансформаторов Тесла наряду с обычными разрядниками (статическими) используются более сложные конструкции разрядника. 2 Например, RSG (от англ. Rotary Spark Gap, можно перевести как роторный/вращающийся искровой промежуток) или статический искровой промежуток с дополнительными дугогасительными устройствами. В этом случае частоту работы промежутка целесообразно выбирать синхронно частоте подзарядки конденсатора. В конструкции роторного искрового промежутка используется двигатель (обычно это электродвигатель), вращающийся диск с электродами, которые приближаясь к ответным электродам, замыкают цепь первичного контура. Скорость вращения вала и расположение контактов выбираются исходя из необходимой частоты. Использование вращающегося искрового промежутка сильно снижает вероятность возникновения паразитной дуги между электродами. Иногда обычный статический разрядник заменяют многоступенчатым статическим разрядником. Для охлаждения разрядников их иногда помещают в жидкие или газообразные диэлектрики (например, в масло). Типовой прием для гашения дуги в статическом разряднике – это продувка электродов мощной струей воздуха. Иногда классическую конструкцию дополняют вторым, защитным разрядником. Его задача – защита питающей (низковольтной части) от высоковольтных выбросов. VTTC (Vacuum Tube Tesla Coil) (рус. ЛКТ) – ламповая катушка Тесла. В ней в качестве генератора ВЧ колебаний используются электронные лампы. Обычно это мощные генераторные лампы, такие как ГУ-81, однако встречаются и маломощные конструкции. Одна из особенностей – отсутствие необходимости в высоком напряжении. Для получения сравнительно небольших разрядов достаточно 300–600 Вольт. Также VTTC практически не издает шума, появляющегося при работе катушки Тесла на искровом промежутке. SSTC (Solid State Tesla Coil) – генератор выполнен на полупроводниках. Она включает в себя задающий генератор (с регулируемой частотой, формой, длительностью импульсов) и силовые ключи (мощные полевые MOSFET транзисторы). Данный вид катушек Тесла является самым интересным по нескольким причинам: изменяя тип сигнала на ключах, можно кардинально 3 изменять внешний вид разряда. Также ВЧ сигнал генератора можно промодулировать звуковым сигналом, например, музыкой — звук будет исходить из самого разряда. Впрочем, аудиомодуляция возможна (с небольшими доработками) и в VTTC. К прочим достоинствам можно отнести низкое питающее напряжение и отсутствие шумного искрового разрядника, как в SGTC. DRSSTC (Dual Resonant Solid State Tesla Coil) – за счет двойного резонанса, разряды у такого вида катушек значительно больше чем у обычной SSTC. Для накачки первичного контура используется генератор на полупроводниковых ключах – IGBT или MOSFET транзисторах. В аббревиатурах названий катушек Тесла, питаемых постоянным током, часто присутствуют буквы DC, например, DCSGTC. В отдельную категорию также относят магниферные катушки Тесла. 2. RSG TC или катушка Тесла с вращающимся разрядником Была изготовлена модель катушки Тесла на с вращающемся искровым промежутком. Данная конструкция имеет конусовидную первичную обмотку круглой алюминиевой жилой диаметром 4мм, в 4,7 витков под углом 10 градусов с внутренним и внешним диаметрами 260 мм и 340 мм соответственно. Вторичная обмотка вертикальная, содержит 800 витков проводом ПЭТВ-0,8 и имеет диаметр катушки 110 мм. Батарея конденсаторов состоит из 105 конденсаторов. Из 7 последовательно соединенных батарей конденсаторов, соединенных по 15 штук параллельно, имеет емкость 47,1 нФ и рассчитана на 11200 В. 4 Заключение В заключение работы следует отметить следующее: разность потенциалов на вторичной обмотке трансформатора Тесла может достигает миллионов вольт, что формирует большие электрические разряды длиной в несколько метров, и как следствие данному эффекту нашли применение в показательных шоу и в медицине. В начале прошлого века больных обрабатывали маломощными токами высокой частоты, которые протекали по поверхности кожи, оказывая оздоравливающее и тонизирующее влияние, не причиняя при этом никакого вреда организму человека. Однако мощные токи высокой частоты оказывают негативное влияние. Катушка Тесла применяется в военной технике для оперативного уничтожения электронной техники в наземных сооружениях и различных суднах за счет кратковременного мощного импульса электромагнитных волн. В результате в радиусе нескольких десятков метров сгорают транзисторы, микросхемы и другие электронные компоненты. Преимущество, что данное оружие действует абсолютно бесшумно, а частота тока может достигать 1 ТГц. Также нашел применние трансформатор Тесла для розжига газоразрядных ламп и поиска течи в вакууме. Эффекты катушки Тесла иногда используют в съемках фильмов и компьютерных играх, однако в настоящее время катушка Тесла не нашла широкого применения на практике в быту. В настоящее время остаются актуальными вопросы, которыми занимался Никола Тесла. Изучение этих вопросов дает возможность студентам и инженерам институтов взглянуть на современные проблемы науки с новой точки зрения, структурировать и обобщатать материал, а главное отказаться от шаблонных мыслей. Некоторые работы Николы Тесла остаются для нас загадкой и по сей день, на даром говорят: Тесла опередил свое время на сотню лет, и тем самым он заложил основы новейшей цивилизации для третьего тысячелетия. 5 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Электронный ресурс: http://ru. wikipedia.org/wiki/Переменный_ток Дата обращения 16.12.2019 2. Электронный ресурс: http://kuasar.narod.ru/library/tesla/transf.htm Дата обращения 25.12.2019 3. Электронный ресурс: https://patents.google.com/patent/US568176 Дата обращения 3.01.2020 4. http://kuasar.narod.ru/library/tesla/transf.htm «Трансформатор Тесла», Проект «Освоение Космоса», владелец сайта - Виталий Германович, © Copyright 2000-2014 Kuasar, Б/г. 5. http://prometheus.al.ru/phisik/tungus.htm «Беспроволочная технология передачи энергии Н.Тесла и Тунгусский взрыв», Журнал-путеводитель неофициальных знаний для любознательных или заочная школа нового человека. Б/г, Б/а. 6
