A primer tekercs néhány menetből áll. Ez a primer tekercs vastag drótból kell, hogy készüljön, hogy minél nagyobb legyen a mágneses fluxus, valamint minél nagyobb feszültség indukálódjon a szekunder tekercsben.
A primer tekercs néhány menetből áll. [[Fájl:Helix tekercs.jpg|bélyegkép|250px|Helix szerű primer tekercs]]Ez a primer tekercs vastag drótból kell, hogy készüljön, hogy minél nagyobb legyen a mágneses fluxus, valamint minél nagyobb feszültség indukálódjon a szekunder tekercsben.
A primer tekercs formáját háromféleképpen lehet kialakítani:
A primer tekercs formáját háromféleképpen lehet kialakítani:
*Helical (solenoid): a menetek rugószerűen kerülnek kialakításra, a szekundertől azonos távolságra.[[Fájl:Forgó_szikraköz.jpg|bélyegkép|400px|Forgó szikraköz]]
*Helical (solenoid): a menetek rugószerűen kerülnek kialakításra, a szekundertől azonos távolságra.[[Fájl:Forgó_szikraköz.jpg|bélyegkép|400px|Forgó szikraköz]]
A lap 2009. november 16., 22:14-kori változata
Villámszimulátor
A Tesla-tekercstranszformátor, magasfeszültséget állít elő magasfrekvencián [1] (esetében a magasfeszültség ~ 10 000–10 000 000 V-ig terjed, a frekvencia pedig több MHz is lehet. A Tesla-transzformátor általánosan fogalmazva egy olyan transzformátor, amelynek primer és szekunder tekercse egymással rezonanciában van.
Tesla számtalan különböző rendeltetésű és működésű Tesla-transzformátort épített, így ezek mindegyike egy-egy új felhasználási terület alapjait hozták létre. Tesla volt az első aki az elektromos rezonancia jelenségét a gyakorlatban is megvalósította és felhasználta. Ennek következtében a Tesla-transzformátor vagyis az egymással induktív módon rezonanciában lévő tekercsek a nagyfrekvenciás generátoroknak, az elektromos áram vezeték nélküli továbbításának, az elektroterápiás készülékeknek, valamint az összes ma használatos hírközlő berendezésnek az alapvető alkatrészévé váltak.
Rengeteg kapcsolása ismert a Tesla-tekercsnek. Meghajthatók 12V-9000V-ról, az alapelv viszont ugyanaz. Maga a Tesla-tekercs áll egy primer oldali és egy szekunder oldali rezgőkörből. Nikola Tesla nemcsak Tesla-tekercset épített, hanem egy Tesla adót (magnifiert) is. A kapcsolási rajz hasonló, a működési elv is. Tesla azért készítette el Colorado Springs-ben ezt az úgynevezett "Erősítő adó"-t, mert a Tesla-tekercsnél túl nagy volt a veszteség, nagyon szórt volt a mágneses fluxus a primer tekercsben.
A Tesla-tekercsek fajtái és rövidítései: [2]
CTC (Classical Tesla Coil): a legelső Tesla-tekercs.
DCTC (Direct Current Tesla Coil): 2 utas egyenirányítással, és szűréssel (és esetleg egy hatalmas induktivitással) rendelkező tekercs.
OLTC (Off Line Tesla Coil): egy DCTC a szikraköz helyett IGBT modulokkal vezérelve, 1 vagy 2 menet primer tekerccsel.
SSTC (Solid State Tesla Coil): általános félvezetős megoldású tekercs.
DRSSTC (Double Resonant Solid State Tesla Coil): dupla rezonanciás félvezetős megoldású tekercs, ahol a primer is egy rezgőkör része (az SSTC nél csak szekunder oldali rezgőkör van, a primerben egy nagyfrekvenciás áram folyik)
VTTC (Vacum Tube Tesla Coil): elektroncsöves meghajtással készült tekercs
ISSTC (Interrupted Solid State Tesla Coil): szaggatott SSTC
A Wardenclyffe Erősítő Adó [3] nagyon jól ismert Tesla szabadalmai és a különböző fényképek alapján. Az Erősítő Adó nem ugyanaz, mint a Tesla-tekercs. Az Erősítő Adónak ugyan a Tesla-tekercshez hasonlóan egy rövid primer és egy hosszabb szekunder tekercse volt, de ezek már jóval szorosabban voltak csatolva egymáshoz, így sokkal kisebb volt a veszteség nagyobb lett a hatásfok. Ebből eredően az elsődleges szikra enyhítéséhez jóval szigorúbb szabályokat kellett alkalmazni a primer és szekunder tekercsek között.
Ezen kívül a fő oszcillátort alkotó két nagy tekercsen kívül Tesla egy harmadik tekercset is alkalmazott, amit "extra tekercs"-nek nevezett. Tesla az Erősítő Adóval folytatott kísérletei során folyamatos és megszakított hullámokkal dolgozott.
Extra tekercs
Az Extra tekercset vagy más néven gömbrezonátort[4] fizikailag el lehet különíteni a két szorosan csatolt tekercstől, melyek a fő oszcillátor szerepét látják el.
A fő oszcillátorból a teljesítmény az extra tekercs alsó végébe egy hatalmas átmérőjű elektromos vezetőn vagy csövön keresztül jut, ezáltal minimalizálva a koronakisülés eshetőségét. Az Erősítő Adó extra tekercse lassúhullámú gömbrezonátorként viselkedik, ahol a sugárirányú gerjesztés a fény sebességének 1-10 %-ával terjed a szabad térben.
Az Erősítő Adó sugárirányú elektromágneses mezejének a sebességét a tekercs csúcsa és az elektromos töltés áramlás sebessége határozza meg az áramkörön keresztül.
Érdemes megjegyezni, hogy a Tesla féle Erősítő Adó működésének pontos matematikai leírását csak a Tesla úttörő munkásságát követő 50-100 évben sikerült megalkotni. Az alacsonyfrekvenciás Maxwell féle harmonikus rezgéseket alkalmazva Tesla megpróbált alacsonyfrekvenciás állóhullámokat előállítani a Föld elektromágneses "áramkörében".
Az eszközei által történt megfigyeléseiből [5] kiindulva Tesla észrevette, hogy a Föld elektromágneses rezgéseit fel lehet erősíteni. (A Föld elektromágneses rezgéseinek példája a Schumann frekvenciák.)
Tesla azt állította, hogy olyan eszközt sikerült készítenie, mely a Föld rezgéseit tudja felerősíteni.
Ez az Erősítő Adó volt, mely álló elektromágneses hullámokat keltve megnövelte a rezgések potenciális energiáját.
Normális működés esetén az eszköz viszonylag halk volt, miközben nagyteljesítményű elektromos mezőt generált, de mikor a kimeneti feszültség meghaladta a tervezett maximális értéket, akkor magasfeszültségű ívek lövelltek ki az elektródákból a levegőbe. Tesla volt az első, aki a villámok nagyságrendjébe sorolható elektromos hatásokat ért el. Cripple Creek lakosai számára úgy tűnt, mintha a laboratórium felől vihar közeledne.
A Colorado Springs-iek közül nem egy mesélte [6] , hogy a laboratórium közelében a talaj és a lábuk között gyakran ívkisülések jelentek meg.
Ezek az ívkisülések megfigyelhetőek voltak néha a helyi víztározóban is. A laboratórium körüli terület koronaszerűen fénylett, a Szent Elmo tüzéhez hasonlóan.
Tesla egyik kísérlete tönkretette a Colorado Springs-i Elektromos Társaság generátorát, mivel a nagyfrekvenciás hullámok betáplálódtak a városi energia elosztó rendszerbe.
A primer oldali rezgőkör áll egy transzformátorból, egy vagy több kondenzátorból, valamint egy primer tekercsből és egy szikraközből, a szekunder oldal egy nagy menetszámú szekunder tekercsből.
A működési elv egyszerű, mindegyiknél ez alapján működik a kapcsolás.
Vannak korábbi és későbbi Tesla-tekercsek. Mindegyiknél nagyjából hasonló a működési elv.
Amikor megkapja a transzformátor a feszültséget, elkezdi tölteni a kondenzátort.
Mikor eléri a kondenzátor a szikraköz átütéséhez szükséges feszültséget, a szikraköz két elektródája közötti levegőn átfolyó hatalmas áram ionizál, így a levegőben egy rövidzárt képező ioncsatorna keletkezik, és megindul a nagyfrekvenciás rezgés.
A primerben ennek hatására nagyáramú rezgés keletkezik, ami áttevődik a második rezgőkörre, azaz a szekundert tekercsre, és a tetőkapacitásra.
A nagyfrekvencia, és nagy áram a szekunderben köráramot indít meg.
Az első rezgéskor a tetőkapacitásra jutó feszültség eléri a primer szekunder menetszámarány maximumát, így feltöltődik.
A következő nagyfrekvenciás lökéskor pedig a feltöltött tetőkapacitásban elkezd nőni a feszültség, így - mivel már maximumra volt feltöltve – koronakisülést eredményez (megfelelő alakú, és méretű kapacitás esetén).
Így a szekunder rezonancia frekvencia éppen a fele lesz a primer oldali rezgőkör frekvenciájának. Tetőkapacitástól függően lehetnek teljes, fél vagy negyed hullámhosszúságú rezonanciák a szekunder oldali rezgőkörben (a legjobb hatásfokkal üzemelő tetőkapacitás-alak a toroid).
Ez befolyásolja a koronakisülés nagyságát, teljesítményét, és a hangját is.
Transzformátor
A transzformátor feszültségének minimum 1kV-fölött kell lennie, hogy megfelelő méretű ívkisüléseket kapjunk. Legegyszerűbb a hálózatot feltranszformálni, csak vigyázni kell, mert a hálózat 50Hz-es, magas amperszámú váltóáram, ami az emberre nézve a legveszélyesebb tartomány.
Kondenzátor:
A kondenzátornak mindig legalább akkora feszültségűnek kell lennie, amekkora a szekunderből kijövő feszültség, de célszerű nagyobb feszültségű kondenzátorral dolgozni, mert a tekercs önindukciója tönkreteheti azt.
Érdemes fóliakondenzátort használni, mert az hatalmas feszültséget bír el és nincs polarizálva, mint az elektrolit kondenzátor.
Ez a primer tekercs vastag drótból kell, hogy készüljön, hogy minél nagyobb legyen a mágneses fluxus, valamint minél nagyobb feszültség indukálódjon a szekunder tekercsben.
A primer tekercs formáját háromféleképpen lehet kialakítani:
Helical (solenoid): a menetek rugószerűen kerülnek kialakításra, a szekundertől azonos távolságra.Fájl:Forgó szikraköz.jpgForgó szikraköz
Spiral: a menetek vízszintesen, csigavonalban vannak létrehozva.
Helix: az előző kettő ötvözete, x fokos szögben, tölcsérszerűen van megoldva.
A szikraköz a legkönnyebben kialakítható rész az áramkörben.
Két fajtája van a szikraköznek:
Forgó szikraköz
Álló szikraköz
A forgó szikraközt úgy alakítják ki, hogy egy gyors fordulatszámú motor forgó tengelye egy ékszíjjal hozzá van erősítve egy tárcsához, ami nagyon gyorsan forog. Ezen a tárcsán vannak az érintkezők.
Az álló szikraközt úgy is meg lehet csinálni, hogy egy drótot kettévágunk.
Azonban nagyon kell vigyázni, mert az elektródok között akár 100A-es impulzusok is lehetnek. Ezért tilos hozzáérni. Nem célszerű szénből elkészíteni az elektródokat, mert az ívkisülésekkor keletkező ózon egy része széndioxiddá alakul, így "elfüstölnek az elektródok".
Az ívkisülések gyakran fehér fényűek, ami azt jelenti, hogy erősen UV-s így a szikraköz tartós nézése szemfájást okozhat.
Szekunder tekercs
A szekunder tekercs egy viszonylag nagy menetszámú tekercs. A menetek nagyon vékony drótból készülnek, a tekercselés módja solenoid. Az ideális menetszám 200-4000 között van. Természetesen ez sok mindentől függ (a primer tekercs induktivitásától, a teljesítménytől, a tekercsek átmérőjétől, magasságától, a drótok vastagságától...). Csupán egy sorban helyezkednek el a menetek. Ez nagyon fontos. Csupán az a kitétel, hogy a szekunder nagysága ne legyen nagyobb a primer háromszorosánál (kivéve, ha a primer tekercselési módja a spiral). A szekunderből kijövő áramerősség nagyon kicsi, a feszültség több kV-os, a frekvencia pedig több kHz-es.
Ez azt jelenti, hogy nem halálos a Tesla-tekercsből kijövő áram, mert az elektronok olyan gyorsan rezegnek, hogy a test ionjai nem képesek vezetni az áramot (ez a Skin-effektus, vagy Skin hatás). Az elektronok így nem haladnak keresztül a szívünkön, hanem a bőrünkön keresztül megy le a földbe.
Tetőkapacitás
A tetőkapacitás a szekunder tekercs tetején található legtöbbször, ami sokszor alumíniumból készül. A tetőkapacitás nem más, mint egy toroid formát felvevő fém. Az elkészítése egyszerű. Alufóliát kell feltekercselni olyan formájúra, így megnő a szekunder kapacitása. Ezt gyakran alumíniummagnak hívják. Ha tetőkapacitásnak egy hegyes tárgyat használunk, akkor megfigyelhetjük az úgynevezett koronakisülést.
Tesla a váltóáram népszerűsítésével, és használatával lett leginkább népszerű.
Az eredeti tesla tekercs is váltóárammal működött, nem valami jó hatásfokkal. Ma már léteznek a félvezetős FET-es, illetve IGBT-s tekercsek, amiknek sokkal jobbnak mondható a hatásfokuk. A kettő között foglalja el helyét az egyenáramú, de nem félvezetőkből megépített meghajtással rendelkező, alapvetően nagyfeszültséget igénylő DCTC.
A legegyszerűbb DCTC meghajtása áll egy nagyfeszültségű transzformátorból (esetleg egy hozzá készített feszültség sokszorozóból), egy egyutas, vagy kétutas (graetz) egyenirányításból, és egy hozzá tartozó nagyfrekvenciás fojtásból. Fontos, hogy ha az egyenirányítás diódái nem nagyfrekvenciások, akkor teljes mértékben árnyékolni kell őket, hiszen a szekunder körül hatalmas a nagyfrekvenciás elektromágneses tér, ami veszélyes a félvezetőkre nézve. A hálózat irányában pedig zavarszűrőket kell elhelyezni, hogy egyrészt a hálózat felé se legyen semmiféle nagyfrekvenciás komponens, másrészt a kimeneten lévő nagyfrekvencia, ami esetleg a hálózati kábel közelében van, ne juthasson vissza a diódákra. Itt a legjobb megoldás, ha az egész meghajtást trafóstul, diódástul belerakjuk egy faraday ketrecbe (legjobb földelt acélfalú doboz), illetve nagyobb áramú, és nagyfrekvenciás diódát használunk. A DCTC-nél kötelező a forgó szikraköz használata, mivel ha statikus szikraközünk van, nem fogja feltölteni a kondenzátort, mivel egyenáram szempontjából a kondenzátor szakadást jelent. De a forgó szikraköznél van olyan pillanat, amikor a szikraköz teljesen szakadásként viselkedik, így az egyenáram fel fogja tölteni a kondenzátort, és a megfelelően kiszámolt sebességgel üzemelő forgó szikraköz épp akkor süti ki, mikor maximum feszültségre töltődött fel a primerköri kondenzátor. Van egy nagy előnye a DCTC-nek, mégpedig az, hogy akármekkora lehet a kondenzátor, a forgó szikraköz sebességétől, és a meghajtó áram nagyságától függően.
Fajtái
Két típusú DCTC létezik, egy a fentebb említett még néhány kiegészítő elemmel, a második az un. charging reaktoros. Itt ugyan csak 1 elemmel bővül a rajz, mégis hatalmas jelentősége van. Ha az egyenáram útjába rakunk egy hatalmas induktivitást, akkor ahogy áthalad rajta az áram, létrehoz egy bizonyos méretű mágneses teret. A mágneses tér pedig képes feszültséget indukálni másik tekercsben, de akár a saját induktivitásán is képes hatalmas feszültséget előidézni, ha hirtelen nagyot változik rajta a mágnesesség (ez az önindukció). Így, ha a kondenzátor elé rakunk egy nagy induktivitást, áthalad rajta a kondenzátor töltőárama, ami létrehoz egy mágneses teret, és amint feltöltődött teljesen a kondenzátor, viszonylag hirtelen megszűnik a töltőáram, ami önindukciót hoz létre a tekercsben, amin egy x feszültség fog keletkezni, és a kondenzátor feszültségéhez fog hozzáadódni a tekercsen keletkezett önindukciós feszültség. A szikraköznek ilyenkor kell kisütő állásban állnia, és akkor kisütni a kondenzátort, mikor az maximálisan fel van töltve. A tekercs elé viszont kell rakni egy újabb egyenirányítást, hogy megelőzzük, hogy visszafelé szétrobbantsa a meghajtó trafó egyenirányítására berakott diódákat.
Képletekkel ki lehet számolni az adatokat:
Kondenzátor energiája: W = (C / 2) * U ² [ J ] Joule
Rezonancia frekvencia (Thompson-képlet): F0 = 1 / [ 2 π * √ ( L * C ) ]
Ezekből a képletekből már meghatározható egy sima DCTC primerköri kondenzátor kapacitása. Példa:
Van egy 10kV feszültségű nagyfeszültségű trafó, ami 100mA-t képes leadni. Egyenirányítás után a feszültség :
Ucs = 10 000 V * 1,41
Ucs= 14 100V
Tehát a primerköri kondenzátort kb. dupla ekkora feszültség elviselésére kell méretezni.
A kondenzátor és a motor tulajdonságai
A kondenzátor tulajdonképpen a forgó szikraközön múlik, mennyire gyorsan képes azt kisütni, illetve mi mekkorát szeretnénk csinálni. PL: 3000rpm fordulatú (1-1 álló elektróda közt forgó) fordulatú motorral meghajtott 8 elektródás tárcsának a bps értéke (átütés/másodperc)
3000/60 = 50 fordulat/másodperc a motor sebessége.
Mivel két forgóelektródás szikraköznél csak fél fordulat szükséges 1 átütés eléréséhez, ezért 8 forgó elektródásnál a bps érték (50*2) * 2 *2 = 400 bps (a 4, illetve 8 elektróda miatt kell 2x megszorozni kettővel)
Ha 1 másodperc alatt 400 x sül ki a kondenzátor, akkor a meghajtásnak 1/400, azaz 0,0025 másodperce van, hogy feltöltse a kondenzátort.
0,1 amper = 0,1 Coulomb/másodperc, viszont 0,0025 másodperc alatt
0,1 * 0,0025 Coulombot tud leadni a meghajtás, ami azt jelenti, hogy a kondenzátornak is MAXIMUM annyi lehet a töltéskapacitása. Ha a feszültség 14 100V, és tudjuk, hogy
0,00025 C töltést tud tárolni, ki lehet számolni a kapacitását :
C = Q / U = 0, 00025 C / 14 100 V == > 0,000 000 017 7 F = 17,7 nF
Komoly, halálos, áramütés érheti az embert. Sokszor még a magasfrekvenciás részek érintése is halálos, csak Faraday ketrecben lehet biztonságosan megközelíteni a nagyobb frekvenciájú és feszültségű Tesla-tekercseket.
A tekercs működés közben hatalmas mennyiségű ózont termel, ami mérgező gáz. Ezért csak jól szellőztetett teremben, vagy szobában lehet működtetni.
A szikraköz és a kijövő magasfeszültségű áram (Tesla-áram) is rengeteg UV fényt bocsát ki, így ezek hosszas nézése működés közben szemfájást okoz.
Zavart kelt a rádióhullámokban, és más elektromágneses hullámokban, így (a teljesítménytől, feszültségtől és frekvenciától függően) a Tesla-tekercs körzetében, ami lehet 10-100m-ig, nem lehet rádiót hallgatni, rádióhullámokat sugározni, valamint TV-t nézni.
Komoly számításokat kell végezni ahhoz, hogy elkészítsük ezt a Tesla-tekercset, mert különben nagy a veszteség, felrobbanhat a kondenzátor, megnő az áramerősség, rövidzárlat keletkezik. Azonkívül a frekvenciát is ki kell számolni, a feszültséggel együtt, ugyanis az ilyen értékeket már nem lehet multiméterrel megmérni.
