Spojená škola Tvrdošín Medvedzie 133/1 02744 Tvrdošín Teslové transformátory Mladý vedec

1. Spojená škola TvrdošínMedvedzie 133/102744 TvrdošínTeslovétransformátoryMladý vedec Vypracoval: Dávid Beňuš Trieda:3.AŠkolský rok:2013/2014

2. 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 hviezda- trojuholník) • -vfvn bezdrôtovú telegrafiu – 1891 • -vfvn bezdrôtový rádiový prenos informácii – 1900 • -vfvn bezdrôtový prenos veľkých výkonov (neukončení vývoj )

3. Rozdelenie Teslovýchtransformátorov • -SGTC (SparkGapTeslaCoil) 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 TeslaCoil) 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 TeslaCoil) 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- (OffLineTeslaCoil) Podobá sa najjednoduchšiemu Teslovemutransformátoru 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

4. 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.

5. Principiálna schéma Teslovho transformátora

6. Jednotlivé časti SGTCVN transformátor • Úlohou VN transformátora je zväčšiť sieťové napätie 230 V na 2-20 kV podľa požiadaviek na výkon TC možnosti sú nasledovné: • -NST „Neonsingtransformer“ VN transformátor pre neónové trubice. Ide o rozptylový typ umožňujúci činnosť do skratu. • -Obit „Oilburnerignitiontransformer“ – zapaľovací transformátor pre olejové kúrenie. • -MOT „microwareowertransformer“ 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

7. 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

8. 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 Teslovtransformátor pracuje na vysokých frekvencia vzniká skin efekt. Elektricky prúd sa nám šíri po povrchu vodiča a tím na výrazné zmenšuje vodivosť. Pri veľkých Teslovychtransformátorov sa často na primárne vinutie používa medená trubka. Tá ma výborné vlastnosti pri vedení vysokofrekvenčných prúdov.

9. 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.

10. 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 zvíšielektricku pevnosť.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. VN zdroj -5 menších zdrojov zapojených paralelne -8kV a prúd na krátko 220mA

16. VN kondenzátor Vyrobený zo skla a hliníkových fólii. Celková kapacita je 30nF . Prierazne napätie odhadujem na 50 KV

17. 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

18. Isktišťe Iskrište je plynulo nastaviteľné pomocou drážok v nosnej doske.

19. Krátke video

20. Ďalšie videa Skúška iskrišťa Výboje z plechovnice Test vn zdroja Výboje do uzemneného predmetu

21. Ďalšie fotografie <- meranie rezonančnej frekvencie RC generátorom -schéma-> Na RC generátore som prelaďoval frekvenciu a keď sa rozsvietili LEDky tak to signalizovalo rezonančnú frekvenciu <- navíjanie cievky

22. 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.

23. 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.

24. 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.