ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 13.04.2024
Просмотров: 138
Скачиваний: 0
Конструкции генераторов
На наше время существует три типа конструкций:
SGTC (Spark Gap Tesla Coil) - классическая катушка Тесла - генератор колебаний который выполнен на искровом промежутке (разряднике). Для мощных трансформаторов Тесла наряду с обычными разрядниками (статическими) используются более сложные конструкции разрядника. Например, RSG (от англ. Rotary Spark Gap, можно перевести как роторный/вращающийся искровой промежуток) или статический искровой промежуток с дополнительными дугогасительными устройствами. В конструкции роторного искрового промежутка используется электрический двигатель, вращающий диск с электродами, которые приближаются (или просто замыкают) к ответным электродам для замыкания первичного контура. Скорость вращения вала и расположение контактов выбираются, исходя из необходимой частоты следования пачек колебаний. Различают синхронные и асинхронные роторные искровые промежутки в зависимости от управления двигателем. 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 перепадов.
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, например ГУ-81. Однако встречаются и маломощные конструкции. Одна из особенностей - отсутствие необходимости в высоком напряжении. Для получения сравнительно небольших разрядов достаточно 300-600 Вольт. VTTC практически не издает шума, появляющегося при работе катушки Тесла на искровом промежутке. Внешний вид разряда VTTC отличается от SGTC - он даже может меняться в зависимости от рабочей частоты катушки. Например, на частотах менее 1 мГц он принимает вид утончающихся к концам пушистых нитей или мечевидную форму. На более высоких частотах он выглядит, как ветвящееся дерево. На частотах свыше 10 мГц он превращается в тонкий "факельный разряд", напоминающий по своему виду горящую свечу: такой разряд можно получить только в ламповых катушках Тесла.
SSTC (Solid State Tesla Coil) - генератор выполнен на полупроводниках. Самая сложная из всех конструкций. Она включает в себя задающий генератор с регулируемой частотой, формой, длительностью импульсов и силовые ключи (мощные полевые MOSFET транзисторы). Однако данный вид катушек Тесла является самым интересным по нескольким причинам: изменяя тип сигнала на ключах, можно кардинально изменять внешний вид разряда. Кроме того, сигнал генератора можно промодулировать звуковым сигналом, например, музыкой: звук будет исходить из самого разряда. Аудиомодуляция возможна (с небольшими доработками) и в VTTC. К прочим достоинствам можно отнести те же низкое питающее напряжение и отсутствие шума при работе.
В аббревиатурах названий катушек Тесла, питаемых постоянным током, часто присутствуют буквы DC, например DCSGTC.
Трансформатор первоначально был предназначен не для показательного выступления в цирке, а для передачи радиосигналов на большие расстояния. В связи с этим необходимо ознакомиться более подробнее с принципом работы и найти ему практическое применение.
Трансформатор Тесла состоит из двух основных частей (Рис.2а);
1. Генерирующей части, состоящей из высоковольтного источника питания, накопительного конденсатора С1, разрядника и катушки связи L1. Частота колебаний зависит от напряжения питания, емкости конденсатора С1, определяющее время разряда, а также промежутком между электродами разрядника;
2. Резонансной катушки индуктивности L2, заземления и сферы (Рис. 2а).
На схеме показан последовательный колебательный контур, состоящего из катушки индуктивности L2 с открытой емкостью С, образованной между сферой и землей. Это открытый колебательный контур, который был открыт Дж. К. Максвеллом.
Исследуя простейший колебательный контур, катушка которого состоит из одного витка, а конденсатор представляет собой две рядом расположенные металлические пластины. Подадим в разрыв индуктивности контура 1 переменное напряжение от генератора, см. рис.2а. В витке потечет переменный ток и создаст вокруг проводника магнитное поле. Это сможет подтвердить магнитный индикатор в виде витка, нагруженного лампочкой. Для того, что бы получить открытый колебательный контур, раздвинем пластины конденсатора. Мы наблюдаем, что лампа индикатора магнитного поля продолжает гореть (Рис.3а). По витку контура 1 течёт ток проводимости, который вокруг себя создает магнитное поле Н, а между пластинами конденсатора – равный ему, так называемый, ток смещения. Несмотря на то, что между пластинами конденсатора нет тока проводимости, опыт показывает, что ток смещения создаёт такое же магнитное поле, как и ток проводимости.
Магнитное поле порождается не только движением зарядов, но и изменением электрического поля, подобно тому, как электрическое поле порождается не только зарядами, но и изменением магнитного поля. Так был открыт один из фундаментальнейших законов природы, следствием которого является существование электромагнитных волн. В последствии было доказано, что электромагнитное поле излучаемое электрическим вибратором равно полю излучаемое емкостным излучателем.
Рассмотрим
работу трансформатора Тесла, как
последовательный колебательный контур:
- этот контур необходимо рассматривать
как обычный LC – элемент, рис. 2а.б, а так
же рис. 3а, где включены последовательно
индуктивность L, открытый конденсатор
С и сопротивление среды Rср. Угол сдвига
фаз в последовательном колебательном
контуре между напряжением и током равен
нулю (φ=0), если
,
т.е. изменения тока и напряжения в нем
происходят синфазно. Это явление
называется резонансом
напряжений (последовательным
резонансом). Следует отметить, что при
понижении частоты, ток в контуре
уменьшается, а резонанс несёт емкостной
характер. При дальнейшей расстройке
контура и понижении тока на 0,707, его фаза
смещается на 45 градусов. При расстройке
контура вверх по частоте, он приобретает
индуктивный характер. Это явление часто
используют в фазоинверторах.
При резонансе энергия передается из первичного контура во вторичный, и со временем, вся она окажется там. Этот момент называется "узел энергии первичной обмотки". Амплитуда колебаний и тока и напряжения первичной обмотки в этот момент становятся равной нулю. Однако процесс обмена энергии на этом не заканчивается.
В идеальной ситуации когда ток через первичную обмотку прекращается, разрядник перестает проводить ток. На практике этого очень сложно добиться, разрядник продолжает проводить. Из-за этого, энергия возвращается обратно из вторичной обмотки в первичную. Также, существует такой момент, когда вся энергия вторичной обмотки возвратится обратно (этот момент называется узлом энергии вторичной обмотки). Энергия будет переходить из одного контура в другой до тех пор пока дуга в разряднике не погаснет.
Когда дуга погаснет, оставшаяся энергия окажется "запертой" во вторичном контуре и постепенно рассеется, а конденсатор C начнет опять заряжаться через дроссель L.
Дальше все повторится снова. Чем сильнее связаны контура (чем ближе одна катушка к другой), тем быстрее контура будут обмениваться энергией. Если коэффициент связи меньше 0.05, то это приведет к тому, что вся энергия рассеется в первичном контуре, так и не повлияв на вторичную. Большой коэффициент связи потребует расположить первичную и вторичную обмотки рядом, из-за чего между ними будут возникать небольшие электрические разряды.
Даже если оба контура (первичный и вторичный) по отдельности имели одинаковую резонансную частоту, все меняется при появлении между контурами магнитной связи. Каждая катушка реагирует емкость противоположного контура, из-за этого резонансные частоты контуров расходятся. Чем больше коэффициент связи, тем большую часть емкости реагирует противоположная катушка и тем больше расходятся резонансные частоты.
Для того что бы схема работала без каких-либо сбоев, необходимо применение балласта, который предназначен для того, чтобы: 1) дать возможность дуге в разряднике G1 потухнуть. Если убрать балласт, разрядник будет замыкать высоковольтный трансформатор и тесла работать не будет.
2) уменьшить ток заряда емкости Cp. Если этого не сделать, ток через высоковольтный трансформатор может стать совсем не входящим в рамки расчётов и разрушить его.
При
рассмотрении схемы изображенную на
рисунке 4, то можно произвести простые
расчеты, из которых видно, что напряжение
на пластинах излучателя вычисляется
исходя из добротности контура Q, которая
реально может находиться в пределах 20
– 50 и много выше.
Пропускания определяется добротностью контура:
Тогда напряжение на пластинах излучателя будет выглядеть согласно следующей формуле:
В таблице 1 расчетные данные приведены для частоты 7.0 МГц не случайно, это позволяет на коротких волнах провести радиолюбительский эксперимент в эфире.
Таблица 1.
|
f ( МГц) |
L (мкГн) |
XL (Ом) |
C (пФ) |
- XC(Ом) |
Δf (кГц) |
Q |
U 1/U 2 (В.) |
|
7 |
30,4 |
1360 |
17 |
1340 |
270 |
26 |
100/2600 |
Напряжение U2 согласно расчетам составляет 2600В, что подтверждается практической работой трансформатора Тесла. Данное утверждение приемлемо в тех случаях, когда отсутствует изменение частоты или сопротивления нагрузки данного контура. В трансформаторе Н. Тесла оба фактора постоянны.
Полоса пропускания трансформатора Тесла зависит от нагрузки, т.е., чем выше связь открытого конденсатора С (сфера-земля) со средой, тем больше нагружен контур, тем шире его полоса пропускания. Тоже происходит с контуром, нагруженным активной нагрузкой. Таким образом, площадь пластин излучателя антенны определяет его емкость С и определяет ширину полосы пропускания. Тем не менее, здесь нужно понимать, что чрезмерное увеличение полосы пропускания за счет увеличения объема излучателей приведет к снижению добротности контура и соответственно приведет к уменьшению эффективности резонансного трансформатора и всего устройства в целом.
Подводя итог, что излучает не индуктивность трансформатора Тесла L2, а элементы открытого конденсатора (сфера-земля Рис.2а.) являющегося частью резонансной системы. Это емкостной излучатель с двумя полюсами, который создает вокруг себя мощное и концентрированное электромагнитное излучение. Трансформатор Тесла обладает особенностью накопления энергии, что характерно только для последовательного LC – контура, где суммарное выходное напряжение значительно превосходит входное, что наглядно видно из результатов таблицы. Данное свойство давно практикуют в промышленных радиоустройствах для повышения напряжения в устройствах с большим входным сопротивлением.
Таким образом, можно сделать следующий вывод: трансформатор Тесла - это высокодобротный последовательный колебательный контур, где сфера является открытым элементом, осуществляющим связь со средой. Индуктивность L является лишь закрытым элементом и резонансным трансформатором напряжения, не участвующим в излучении.