Teslův transformátor

Teslův transformátor, známý také jako Teslova cívka, lidově "teslák", je vysokofrekvenční transformátor vynalezený Nikolou Teslou. Pracuje na rezonančním principu, proto je třeba jeho obvody ladit pro dosažení nejlepšího výkonu. Slouží k získávání velmi vysokých napětí. Teslův transformátor je v podstatě zjednodušená verze tesla coil magnifieru, se kterým Nikola Tesla rád experimentoval.

Transformátor je tvořen dvěma souosými vzduchovými cívkami s různým počtem závitů. Zdrojem primárního vysokofrekvenčního napětí je tlumený jiskrový oscilátor (na principu jiskřiště), napájený např. z vysokonapěťového transformátoru. Na sekundární cívce se běžně dosahuje napětí stovek kilovoltů až jednotek megavoltů (MV), podle stavby transformátoru, jeho uspořádání, vyladění a zdroje primárního napětí. Sekundární napětí uvedené velikosti se projevuje zřetelnými optickými jevy v podobě sršení, výbojů a také světélkováním blízkých (i zcela odpojených) výbojek, zářivek atd.

Tesla zamýšlel využít transformátor pro dálkový přenos energie. Vzhledem k obtížím se zpětnou přeměnou vysokofrekvenční energie, složitostí jejího směrování, nízké účinnosti přenosu a velkým ztrátám vlivem vyzařování, silnému rušení veškerého rádiového spektra atd. se tento přenos průmyslově nevyužívá. Dosti je však oblíbené jeho využívání ve formě speciálního efektu – například na některých koncertech.

Vysokonapěťová část

Sekundární vinutí je tvořeno velkým počtem závitů, navinutých tenkým izolovaným vodičem na nevodivém jádře (např. na PVC trubce). Spodní konec je uzemněný, na horní konec se pro zvýšení účinnosti nasazuje přídavná kapacita – toroid (v amatérských podmínkách se užívá i polystyrénový věnec obalený staniolem).

Na spodní části je okolo sekundárního vinutí navinuto několik závitů primárního vinutí z tlustého drátu (s dostatečným odstupem proti probíjení). Toto vinutí s málo závity je připojené ke zdroji vysokofrekvenčního proudu. Díky tomu se okolo primárního vinutí tvoří střídavé magnetické pole, indukující v sekundárním vinutí vysoké napětí. Toto napětí je ještě znásobeno díky rezonanci.

Existuje několik druhů napájení, které se liší napájecím napětím, výkonem, složitostí, účinností a cenou. Mají ale jeden společný cíl: budí v primární^[zdroj?] cívce střídavé kmity.

Způsoby napájení primárního obvodu

Klasická TC s jiskřištěm (SGTC – Spark Gap Tesla Coil)

Jde o klasické zapojení, jaké používal Nikola Tesla. Je jednoduché na stavbu a dá se použít jak na miniaturní modely, tak i na zdroje s velkými výkony.

Nejsložitější součástí jiskřišťové TC je zdroj. Od zdroje se očekává, aby dával vysoké napětí – 5 až 20 kV. Může být střídavé s nízkou frekvencí, lepší výsledky poskytuje stejnosměrné. Existuje mnoho různých typů zdrojů, například:

zapalovací cívka z auta (do 50 kV, malý proud, rychle střídavé a spojené se sítí)
transformátor pro olejové topení (10 kV, 150 VA)
zdroj z televize nebo CRT monitoru (30 kV, nutné usměrnit, malý proud)
rozptylový transformátor na neonové trubice (5-10 kV, vysoký pracovní proud – asi 20-150 mA, drahý)
transformátor z mikrovlnné trouby, tzv. MOT (2,1 kV, proud 0,5 A, je poddimenzovaný, nemá proudové omezení.)
Villardův násobič (do 5 kV, velmi malý proud, možno zapojit za VN transformátor)

TC s rotačním jiskřištěm

Pro vyšší požadované výkony a napětí normální jiskřiště ze šroubů nebo trubek přestává výkonově vyhovovat. Jednak se na něm ztrácí energie – primární obvod kmitá kratší dobu – a jednak se zahřívá. Tomu se předchází pohybem jiskřiště. Jedním z nejčastěji užívaných způsobů „nuceného jiskření“ je použití kotouče z plexiskla, na kterém je na okraji v pravidelných rozestupech několik kovových nýtů. Kotouč je namontovaný na motorek, který s ním otáčí stálou rychlostí (tzv. synchronní motor) a jak nýty procházejí těsně mezi kontakty jiskřiště, přeskakují jiskry, které rychle uhasnou, když se nýt vzdálí.

Na schématu nahoře je celé zapojení. Vlevo je zmíněný MOT z mikrovlnné trouby, ze síťových 230 V tvoří cca 2,5 kV (AC), je možné samozřejmě zapojit dva za sebe, tak získáme napětí 5 kV (trafa ale musí být stejná). V kladné půlvlně prochází napětí vysokonapěťovou diodou a nabíjí kondenzátor, v záporné je pochopitelně odpojené. (V tomto způsobu nabíjení je výhoda, že na výstupu z MOTu stoupá napětí plynule od nuly do 2,5 kV, takže diodou teče mírný nabíjecí proud a zdroj není na začátku nabíjecího cyklu zkratován, jako je tomu většinou u trvale běžících DC zdrojů zvykem.)

Toto zapojení funguje jako klasická jiskřišťová TC, s tím rozdílem, že se dá použít i pro obrovské výkony (viz [1] – přes 300 kW). Je možné na točení kotoučem použít i normální asynchronní motor, ale ten spíná v různých nevhodných fázích (kdy napětí na kondenzátoru je často dost malé).

Klasická TC spínaná výkonovým tranzistorem (OLTC – Off-line Tesla Coil)

Jiskřiště je sice součástka jednoduchá, nastavitelná a prakticky nezničitelná, má ovšem i pár vad: při provozu vytváří dost elektromagnetického šumu na všech možných frekvencích a ozón, a hlavně je ztrátová.

Bylo by tedy záhodno nahradit jiskřiště nějakou výkonnou polovodičovou součástkou, která by spínala obvod místo něj.

Jako nejlepší kandidát by se mohl zdát tyristor – je to součástka přímo k podobnému účelu stavěná. (Je to víceméně spínač – má tři nožičky, dvě výkonové, jednu řídicí, ze začátku je úplně nevodivý. Když se na řídicí nožičku přivede asi šest voltů, tak najednou úplně (tzv. lavinovitě) sepne a zůstává sepnutý, dokud je na silových nožičkách nějaké napětí. Jeho jedinou nevýhodou tedy je, že se nedá vypnout pokud napětí neklesne na 0 V, což by ovšem moc nevadilo.)

Tyristor se ale na OLTC použít nedá. Je tomu tak proto, že přece jenom nesepne úplně okamžitě. V primárním obvodu není skoro žádná zátěž a proud dosáhne maxima během pár milióntin sekundy. Za tu dobu se nestačí „lavinovité sepnutí“ rozšířit po celém objemu křemíku, takže proud teče jen úzkým kanálem. Tyristor se může zničit, aniž bychom překročili jeho maximální proud. Takže ačkoli jsou tyristory při stejné ceně několikrát výkonnější spínače než tranzistory, k OLTC je použít nelze.

Rychleji spínají tranzistory IGBT.

OLTC se vyznačuje hlavně tímto:

V primárním obvodu teče hodně velký proud, napětí je výrazně nižší než u SGTC. Kondenzátor má tedy vysokou kapacitu (několik uF) a na primární cívce naopak namotáme jen dva až tři závity.
Je nutné doplnit diodu paralelně k IGBT. Ve skutečnosti je podobná dioda do každého IGBT zabudovaná, ale není dělaná na takový proud. Musíme ji tedy „nahradit“ jinou, vysokoproudou a vysokofrekvenční, aby se nepoškodilo IGBT. V kladné půlvlně tedy teče proud skrz IGBT, v záporné skrz diodu.
Tranzistor IGBT je nutné nějak spínat. Nejlepší je k tomu použít nějaký generátor impulzů s regulovatelnou frekvencí (1-20 imp./s). Impulzy stačí dost krátké, jen na dobu zakmitání primárního obvodu. Před zdroj je dobré opět zařadit cívku – tlumivku.

Můžeme to tedy shrnout tak, že OLTC jsou oproti SGTC účinnější, neprská v nich jiskřiště a nejsou tak náročné na zdroj, jsou ovšem i výrazně méně odolné, dražší a nedají se použít na moc vysoké výkony. Moc se nepoužívají.

SSTC jednočinná

Další možností buzení teslova transformátoru je polovodičový oscilátor. Jednočinný SSTC (Solid State Tesla Coil) je blokující budič, dodávající do primární cívky potřebnou frekvenci. Účinnost jednočinného SSTC není nijak vysoká, řádově desítky procent.

Slayer Exciter – Nejjednodušší samokmitací SSTC postavené z jediného tranzistoru, frekvence se ladí automaticky pomocí vodiče z báze tranzistoru připojeného na spodní kontakt sekundární cívky.

SSTC dvojčinná – mostové a polomostové zapojení

SSTC dělíme dle zapojení koncového stupně na plný most (čtyři tranzistory a spínají proud do primární cívky křížem na střídačku) a polomost (dva tranzistory spínají na střídačku proti kondenzátorovému děliči). Polomost má tu výhodu, že při kolapsu odejdou pouze dva tranzistory, zatímco u plného mostu všechny čtyři. Z plného mostu vytáhnete samozřejmě delší výboje. Tranzistory se používají buď MOSFET (třeba IRFP460A), nebo lepší IGBT (třeba HGTG30N60B3D 600V/30A – ale jeden stojí 250 Kč).

Tímto se dostáváme k budiči koncového stupně. Lze použít třeba integrovaný obvod IR2153, který budí koncové tranzistory přímo, ale pouze polomost. Má vestavěný obvod Death Time a frekvenci musíte ručně naladit potenciometrem. Navíc při průrazu koncáků odejde tento obvod někdy také. Testoval jsem jej a následně zavrhl. Lepší je použití takzvaného GDT (Gate Drive Transformer) – toroidní feritový transformátor galvanicky oddělující budič od koncáků. GDT navíc dle začátků a konců vinutí fázuje správně tranzistory. Pro buzení GDT je nejlepší použít dvojici gatedriverů UCC37321 a UCC37322 od Texas Instruments o které si můžete napsat na stránkách výrobce jako samply zadarmo. Gatedrivery mají i druhý ENABLE vstup, kam lze připojit interrupter a přerušováním buzení tak snížit střední výkon transformátoru. Navíc to i prodlouží výboje. Jako budič gatedriverů můžete zvolit integrovaný obvod 4046 v zapojení potenciometrem laděného oscilátoru. Ladění frekvence je však dosti problematické, proto je lepší použít nějaké zapojení z netu – samokmitající zapojení se zpětnou vazbou z paty sekundární cívky Teslova transformátoru. Na zemnící přívod k sekundáru je jednoduše navlečený toroidní proudový transformátor. Kmity se nahodí připojeným interrupterem, prvními pulzy se nabudí proud v primární cívce, přenese do sekundáru a pomocí zpětné vazby se celý budič automaticky chytne na rezonanci sekundární cívky Teslova transformátoru. Není tedy potřeba nic ladit a vše kmitá, tam kde má.

Ještě k napájení – nejsnadnější je použít přímé usměrnění síťového napětí 230 V a následně jej vyfiltrovat elektrolytickými kondenzátory. Je však nutné, postarat se o pozvolné nabití elytů a to buď nabíjením přes rezistor, který se následně přemostí spínačem či relátkem, nebo stykačem. Výhodnější je však použití regulačního autotransformátoru – reguláku. Rozsah regulace je pak 0–250 V a je možné regulovat délku výbojů.

DRSSTC plný můstek

DRSSTC (Dual Resonant Solid State Tesla Coil) je transformátor spínaný polovodiči – IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) tranzistory s laděným sekundárem i primárem do rezonance. Výsledkem tohoto řešení jsou maximální výboje, možnost jejich regulace a charakteru (toho se dociluje Interrupterem, který umožňuje snížit střední výkon a tím docílit delší výboje na úkor příkonu). Dále je možno výboje modulovat hudbou pomocí audio interruptoru, čímž je tento typ transformátoru řazen na první místo co se týče výsledného efektu.

Problematika DRSSTC: Mohou být obavy z naladění primáru pomocí sériově řazené kapacity MMC (Multi Mini Capacitors). To je rozdíl od SSTC, kde je do rezonance laděný pouze sekundár. Tady se ladí do rezonance i primár. Postup je následující – při sníženém výkonu se posouvá svorka po primárním vinutí a sleduje se délka výbojů. Cca 2 závity na primáru nehrají příliš velkou roli. Pokud budete podobné zařízení stavět, lze doporučit použít budič od Steva Warda se zpětnou vazbou z primárního obvodu. Dalším problémem je, že ten jednodušší budič neřeší tzv. Dead Time – čas který je potřeba nechat polovodičům, aby došlo k bezpečnému rozepnutí a sepnutí. Jinak tranzistory spínají proti sobě do zkratu, a to má za následek jejich přetěžování. Výsledkem je rozžhavený chladič, přehřátý přívodní kabel, čmoudíky z 10A reguláku (regulační autotransformátor, kterým se reguluje síťové napájecí napětí a tím i délka výbojů – mimo jiné je přes regulák potřeba s citem nabít filtrační elektrolytické kondenzátory – to připojením přímo na 230V není možné) a v neposlední řadě i odpálení IGBT tranzistorů s maximálním kolektorovým proudem 200A. Tranzistory navíc pracují na hranicích své maximální spínací frekvence.

VTTC

Je to Teslův transformátor, buzený výkonnou elektronkou – vhodná je pentoda, tetroda nebo trioda). U větších elektronek, jako je například GU-81M (ruská vysílací pentoda), se používá k napájení MOT – transformátor z mikrovlnné trouby. Pro VTTC existuje mnoho zapojení, nejčastější je však zapojení flyback. Toto zapojení je založeno na kladné zpětné vazbě ze zpětnovazebního (feedback) vinutí, zpětnou vazbou se obvod rozkmitá netlumenými kmity,kterými je buzeno primární vinutí. Je možno použít i hlasovou modulaci, ale jsou větší nároky na napájení.

Twin TC

Twin TC je druh Teslova transformátoru obsahující dvojici samostatných transformátorů buzených společným jiskřišťovým obvodem. Pokud jsou sekundární vinutí těchto transformátorů navzájem opačně orientované, budou se výboje z toroidů navzájem přitahovat. Dosahuje zpravidla až dvojnásobné účinnosti.

Napájení vysokým napětím

VN transformátor 25KV

Klasické a elektronkové TC vyžadují napájení vysokým napětím (2 až 10 kV). Existuje řada přístupů, jak je získat:

MOT
Transformátor z mikrovlnné trouby
+ 2 100 V při 0,5 A, výkon okolo 900 W
- poddimenzovaný – nutno použít tlumivku

VN trafo z televize
+ jednoduchost, bezpečné, snadno sehnatelné (v každé televizi se "starou" CRT obrazovkou)
- Malý výkon, do 500 W a při větším hrozí zničení VN trafa, napětí až 30 kV, proud je řádově v mA, nutnost budit na vysoké frekvenci (cca 15 kHz), využití pro malé TC o malém výkonu.

NST

Rozptylové trafo pro neonové reklamní trubice
+ 10 kV při 0,3 A, omezení proudu (není potřeba používat tlumivku jako u MOTu),
- při výkonu cca 1 kW může vážit i 30 kg

ZVS (Zero Voltage Switch)driver nebo polomost

výborná náhrada za NST
+ 10-50 kV s usměrněním, výkon různý, podle napájení, zkratuvzdorný jako NST
+ oproti NST malá hmotnost

(nutné bezpečnostní jiskřiště)

Externí odkazy

Obrázky, zvuky či videa k tématu Teslův transformátor na Wikimedia Commons
Encyklopedické heslo Teslův transformátor v Ottově slovníku naučném ve Wikizdrojích
Návod na stavbu Teslova transformátoru.
Návod na stavbu Teslova transformátoru.
Popis a stavba SSTC
Popis, stavba a prezentace DRSSTC, www.blesky.eu.