Tesla trafo

Allikas: Vikipeedia

Tesla trafo ehk Tesla transformaator ehk Tesla generaator on elektroonilise resonants transformaatori vooluring, mille leiutas Nikola Tesla umbes 1891.[1] aastal. Sellega saab toota kõrgepingelist, madala voolutugevusega, kõrge sagedusega vahelduvvoolu elektrit[2][3][4][5][6][7][8].

Tesla trafod võivad toota kõrgemat pinget kui teised tehis kõrgvoolu allikad, elektrostaatilised masinad. Tesla eksperimenteeris, erineva konfiguratsiooniga, üksteisega ühendatud resonantselektri vooluringidega.

Tesla kasutas neid trafosid, et läbi viia uuenduslikke eksperimente erinevates valdkondades: valgus, helendamine, röntgenikiirguse tekitamine, kõrge sagedusega vahelduvvoolu nähtus, elektroteraapia ja elektrienergia traadita ülekanne. Tesla trafo vooluringe kasutati kaubanduslikult sädelahendustega raadiosaatjates traadita telegraafia jaoks kuni aastani 1920[1][9][10] ja meditsiinilises varustuses elektroteraapias. Tänapäeval kasutatakse tesla coili meelelahutuse eesmärgil, kuigi väiksemaid seadeldisi kasutatakse kõrgvaakum süsteemides[8].

Tööpõhimõte[muuda | redigeeri lähteteksti]

Tesla transformaator töötab traditsioonilisest transformaatorist teisiti. Tavalises transformaatoris on juhtmekeerud väga tihedalt üksteisega seotud (kokku tõmmatud) ja pinge muundumine sõltub keerdude arvust. See moodus toimib madalatel pingetel, kuid kõrgetel pingetel kahe keerukomplekti isolatsioon katkeb. See omakorda ei lase rauatuumalistel transformaatoritel töötada kõrgetel pingetel kahju tekitamata.

Erinevalt tavapärastest transformaatoritest (mille keerukomplektid võivad katta 97% kogu seadme alast) on Tesla trafo keerud "lõdvalt" seotud. Nende vahel on suur õhuvahe, seega primaar- ja sekundaarmähis jagavad ainult 10–20% üksteise magnetväljadest. Tiheda siduvuse asemel kandub energia üle ühelt resonants vooluringilt (primaarne) teisele (sekundaarne) üle mitme raadiosagedustsükli.

Primaarmähise energia kandumisel üle sekundaarmähisele, sekundaarmähise väljundpinge tõuseb, kuni kõik primaarmähise energia on kandunud üle sekundaarmähisele. Isegi suurte õhupilude korral võib korralikult ehitatud Tesla trafo üle kanda 85% algselt primaarkondensaatorisse salvestatud energiast sekundaarsesse vooluringi. Saavutatav elektripinge võib olla märgatavalt suurem kui tavalisel transformaatoril, sest sekundaarmähis on pikk ühekihiline solenoid, mis on kõigest ümbritsevast hästi isoleeritud. Lisaks on pinge igas mähise keerus kõrgem, sest magnetvoog muutub kõrgetel sagedustel.

Lõdva sidususe tõttu on pinge tõus võrdeline sekundaar- ja primaarmähise induktiivsuste suhte ruutjuurega. Kuna sekundaarmähise resonantssagedus on võrdne primaarmähise omaga, siis pinge tõus on võrdeline ka primaar kondensaatori ja sekundaar kondensaatori parasiitmahtuvuse suhte ruutjuurega.

Praktilised konstruktsiooni aspektid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kõrgepinge tootmine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Tänapäeva ehitusega suured Tesla trafod töötavad väga kõrgetel võimsustel, kuni paljude megavattideni (miljonite vattideni, mis on võrdne sadade tuhandete hobujõuga). Seega seda reguleeritakse ja juhitakse ettevaatlikult mitte ainult efektiivsuse ja säästlikkuse, vaid ka ohutuse tõttu. Kui ebasobiliku seadistuse tõttu saadakse maksimum pinge kätte enne väljalasketerminali sekundaarmähisel, siis võib liiga kõrge pinge tõttu lennata seadeldisest välja elektrisäde, mis võib kahjustada või hävitada pooli mähise, selle toed või muud lähedased esemed.

Tesla eksperimenteeris paljude erinevalt konfigureeritud vooluringidega (all pildil). Tesla trafo primaarmähis, õhupilu ja kondensaator on ühendatud jadamisi. Igas vooluringis vahelduvvoolu varustustransformaator laeb rööbiti ühendatud kondensaatoreid, kuni nende pinge on piisavalt kõrge, et ületada õhupilu. Õhupilus tekib välk, lastes samal ajal täislaetud kondensaatoritel vabastada energia primaarmähisesse. Kui õhupilus tekib välk, siis elektriline käitumine on mõlemas vooluringis identne. Eksperimendid on näidanud, et kumbki vooluring ei toimi märgatavalt teisest paremini.

Tesla coil 3 et.svg Tesla coil 4 et.svg

Tüüpilises vooluringis õhupilu lühise tekitamine takistab kõrgsageduslikel võnkumistel "taganeda" varustustransformaatorisse. Alternatiivsel vooluringel kõrge amplituudiga kõrgesageduslikud võnkumised, mis esinevad ka kondensaatoril, satuvad ka varustustransformaatorisse. See võib tekitada pärgmahalaadimisi keerdude vahel, mis nõrgendavad ja lõpuks hävitavad transformaatori isolatsiooni. Kogenumad Tesla trafode valmistajad kasutavad peaaegu alati ülemisel vooluringil varustustransformaatori kaitseks õhupilu ja varustustransformaatori vahel madalpääsfiltrit. See on eriti oluline, kui kasutada neoonlamp transformaatoreid, millel on nõrgad kõrgepinge keerud.

Seadistuse ettevaatusabinõud[muuda | redigeeri lähteteksti]

Primaarmähise resonantssagedus seadistatakse võrdseks sekundaarsega, kasutades madala võimsusega võnkumisi. Peale seda lisatakse võimu nii palju, kuni lõpuks seadeldis on kontrolli alla saadud. Seadistamise ajal lisatakse terminali tippu väike kera või poolkera, mille abil saab stimuleerida terminalist välja lendavaid sädemeid. Selle abil on võimalik üles leida kindel võimutase, mis vastab primaarsele ja sekundaarsele mähisele, et tekitada pikim säde.

Õhu kaudu mahalaadimine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Mahalaadimise ajal kantakse elektrienergia sekundaarmähiselt ja mahalaadimisterminalilt ümbritsevasse õhku elektrilaengutena, soojusena, valgusena ja häälena. Protsess on sarnane kondensaatori mahalaadimisega. Vool, mis tõuseb muutuvatelt laengutelt kondensaatoris kutsutakse nihkevooluks. Tesla trafo sädemed moodustatakse nihkevoolu tulemusena samal ajal kui elektrilaengu impulsid kantakse üle kõrgepinge mahalaadimisterminalilt ümbruses olevasse õhku.

Kui õhupilus toimub ülekanne, siis laetud kondensaator vabastab endas oleva energia primaarmähisesse, mis põhjustab primaarse vooluringi võnkumist. Võnkuv primaarvool loob magnetvälja, mis seob ennast sekundaarmähisega, kandes üle energia Tesla trafo sekundaarsesse vooluringi. See põhjustab võnkumist sekundaarse vooluringi ja mahalaadimisterminali elektrimahutavuse vahel. Energia ülekanne toimub mitme tsükli vältel ja enamik primaarvooluringi energiast kandub üle sekundaarsele. Mida suurem on magnetiline sidusus mähiste vahel, seda vähem aega kulub energia ülekandeks. Samal ajal kui energia laekub võnkuvas sekundaarses vooluringis, mahalaadimisterminali raadiosageduspinge kasvab kiiresti ja mahalaadimisterminal ümbritsev õhk läbib dielektrilise languse, luues sähvatuse.

Samal ajal kui sekundaarpooli energia tõuseb, nihkevool ioniseerib ja kuumutab õhku dielektrilise languse alguses. See loob niiöelda "juure" kuumast plasmast, mida kutsutakse liidriks, mis lendab välja mahalaadimisterminalist. Liidris olev plasma oma märgatavalt suurem pärgmahalaadimisest ja ka tema elektrijuhitavus on suurem.

Traadita ülekanne ja vastuvõtt[muuda | redigeeri lähteteksti]

Tesla trafo saab ka kasutada traadita ülekandeks. Optimiseeritud Tesla trafo edastaja on pidev laineostsillaator, mille murdemäär on võrdne töötamissagedusega. Spiraalse resonaatori ja kõrgendatud mahalaadimisterminali kombinatsiooni kasutatakse traadita vastuvõtuks[11][12][13][14][15][16]. Tesla trafo vastuvõtja peaks vastu võtma mittekiirgavate elektromagnetiliste väljade energiat, mis on toodetud Tesa trafo saatja poolt. Tesla ehitas ja kasutas mitmeid seadeldisi, et kätte saada elektrimagnetilise välja energiat. Tema varajane traadita seadeldis töötas Hertziani lainete või raadiolainete baasil, elektromagnetlained, mis levivad kosmoses ilma elektrit juhtivate kõrvalmõjudeta.[17] Nikola Tesla töö ajal Colorado Springsis uskus Tesla, et ta oli tuvastanud Maa resonantsi, kasutades Tesla trafo saatjad oma "Eksperimentaalses jaamas".[18]

Tesla väitis, et üks nõuetest Maailma Võrguta Süsteemi jaoks oli resonantsvastuvõtjate ehitamine.[19] Seotud mõisted ja meetodid olid osa tema traadita ülekandesüsteemist (US1119732 – Apparatus for Transmitting Electrical Energy – 1902 Jaanuar 18). Tesla tegi ettepaneku, et vaja oleks olnud üle 30 ülekande-vastuvõtmis jaama ülemaailmselt.[20] Ühte moodi oleks vastuvõtmis vooluring töötanud nii, et 2 sisestusterminal on kumbki ühendatud mehaanilise impulss-laius modulatsiooni seadmega kohandatud ümber pöörama polaarsust ettemääratud ajavahemikul ja laadima kondensaatorit.[21] Sellisel vormil Tesla süsteemi vastuvõtjal on olemas võimalus muuta voolu impulsse laadivas vooluringis nii, et nad oleksid võimelised laadima salvestusmasinaid, nimelt masin vastuvõtja vooluringi sulgemiseks ja vastuvõtja töötamiseks, kasutades kogunenud energiat.[22]

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. 1,0 1,1 Uth, Robert (December 12, 2000). "Tesla coil". Tesla: Master of Lightning. PBS.org. Vaadatud 20.05.2008.
  2. Dommermuth-Costa, Carol (1994). Nikola Tesla: A Spark of Genius. Twenty-First Century Books, 75. ISBN 0822549204. 
  3. "Tesla coil". Museum of Electricity and Magnetism, Center for Learning. National High Magnetic Field Laboratory website, Florida State Univ. (2011). Vaadatud September 12, 2013.
  4. "Instruction and Application Manual, p. 2". Model 10-206 Tesla Coil. Science First, Serrata, Pty. educational equipment website (2006). Vaadatud September 12, 2013.
  5. Cheney, Margaret (2011). Tesla: Man Out of Time. Simon and Schuster, 87. ISBN 1451674864. 
  6. Constable, George; Bob Somerville (2003). A Century of Innovation: Twenty Engineering Achievements that Transformed Our Lives. Joseph Henry Press, 70. ISBN 0309089085. 
  7. Smith, Craig B. (2008). Lightning: Fire from the Sky. Dockside Consultants Inc. ISBN 0615248691. 
  8. 8,0 8,1 Plesch, P. H. (2005). High Vacuum Techniques for Chemical Syntheses and Measurements. Cambridge University Press, 21. ISBN 0521675472. 
  9. Tilbury, Mitch (2007). The Ultimate Tesla Coil Design and Construction Guide. New York: McGraw-Hill Professional, 1. ISBN 0-07-149737-4. 
  10. Ramsey, Rolla (1937). Experimental Radio, 4th Ed.. New York: Ramsey Publishing, 175. 
  11. Tesla, Nikola, "The True Wireless". Electrical Experimenter, May 1919. (Available at pbs.org)
  12. USA patent nr 645576
  13. USA patent nr 725605
  14. USA patent nr 685957, Apparatus for the utilization of radiant energy, N. Tesla
  15. USA patent nr 685958, Method of utilizing of radiant energy, N. Tesla
  16. Apparatus for Transmitting Electrical Energy, Jan. 18, 1902, U.S. Patent 1,119,732, December 1, 1914 (leitav: USA patent nr 1,119,732 ja 21st Century Books' Apparatus for Transmitting Electrical Energy)
  17. Definition of "Hertzian"
  18. John J. O'Neill, Prodigal Genius: The Life of Nikola Tesla. Page 192.
  19. Marc J. Seifer, Wizard: The Life and Times of Nikola Tesla. Page 228.
  20. Marc J. Seifer, Wizard: The Life and Times of Nikola Tesla. Page 472. (cf. "Each tower could act as a sender or a receiver. In a letter to Katherine Johnson, Tesla explains the need for well over thirty such towers".)
  21. USA patent nr 0685956
  22. USA patent nr 0685955 Apparatus for Utilizing Effects Transmitted From A Distance To A Receiving Device Through Natural Media