SGTC (Spark Gap Tesla Coil)


       Prvý asi najznámejší a najrozšírenejší typ Teslovho transformátora je klasický iskrišťový (SGTC) na ktorom pracoval aj Nikola Tesla. Pravdaže tie dnešné už nie sú tie pravé originálne, len vychádzajú s toho konceptu. Tento typ už bol popísaný stručne v úvode aj celý princíp funkcie tak tu si už len rozpíšem jednotlivé časti. Tiež čo sa týka zložitosti a financií tak tento je práve ten najjednoduchší a najlacnejší. Pravdaže pokiaľ sa bavíme o improvizácií a normálnych rozmeroch a výkonoch, nie nejaké veľké výkonné s rotačným iskrišťom napájané X kW zdrojom a pod. pochopiteľne. Nehrozia tu žiadne vybuchujúce drahé polovodiče ani zháňanie nie práve lacných výkonových elektrónok. Jedine kondenzátory zvyknú horieť a strieľať ak sa použijú šmejdy čo tam nemajú čo hľadať. Ak sa spáli iskrište, proste sa len očistí zo šmirgľom a ide sa ďalej. Vysokonapäťový zdroj sa dá ľahko spraviť napríklad s transformátorov s mikrovlniek (MOT) či horšie zohnateľných transformátorov pre neónové reklamy (NST), ktoré môžu pracovať aj do skratu, čo je veľmi dôležité. Najproblematickejšia časť a aj pravdepodobne najdrahšia na SGTC je práve rezonančný kondenzátor, na ktorý sú kladené veľmi vysoké nároky (veľké dU/dt a malý tg delta) a zvyčajne sa skladá s veľa malých kondenzátorov do tzv. MMC (Multi Mini Capacitor).

SGTC SGTC SGTC

Primárna cievka

       Primárna cievka ma malý počet závitov (zvyčajne do 20) vodičom s veľkým prierezom. Používa sa medená trubka alebo pásovina, v núdzi sa dá použiť aj koaxial (použiť tienenie aj jadro), ale pri väčších výkonoch sa po pár sekundách slušne ohreje. Primárna cievka môže byť konštruovaná a uložená rôznymi spôsobmi. Vo všeobecnosti sa na TC používa plochý, kónický a valcový primár. U SGTC sa valcový primár nedá použiť a nepoužíva, pretože budú skákať výboje s toroidu do primárnej cievky alebo ešte skôr pravdepodobnejšie priamo so sekundárnej cievky cez izolant ak tam je do primárnej cievky a nezabráni tomu žiadna izolácia (!). Lak na sekundárnej cievke je len pre fixáciu vodiča a mechanickú odolnosť nie pre izoláciu. Preto sa používa kónická alebo plochá primárna cievka vďaka ktorej je väzba medzi primárnou a sekundárnou cievkou pomerne slabá a účinnosť prenosu nízka. Primárna cievka by mala byť umiestená u päty sekundárnej cievky pretože tento koniec je uzemnený. Najlepšie je použiť kónickú primárnu cievku pretože tá ma výhody valcovej aj plochej cievky. S kónickou cievkou sa dosiahne silnejšia väzba, ako s plochou a tým sa aj zvýši účinnosť prenosu oproti plochej cievke a zasa naopak, nie je tak vysoká väzba, ako pri valcovej cievke, čo by spôsobilo preskoky výbojov do primárnej cievky (tiež ide aj o výšku primárnej cievky). Ak výboje s toroidu sú dlhšie ako celý sekundár, nastáva tú problém s preskokmi výbojov do primárnej cievky (aj keď je plochá alebo kónická primárna cievka), to sa rieši tzv. ochranným závitom nad primárnou cievkou, ktorý je uzemnený. Ochranný závit nesmie byť spojený, aby to nebol závit nakrátko (!). Ďalšia vec na ktorú si treba dávať pozor je, aby napr. kónický primár nebol vinutý tesne závit vedľa závitu, ale musí byť roztiahnutý. Pretože tým závitom vedľa závitu (za predpokladu, že to znesie izolácia) sa zväčší väzba, čo môže mať zasa za následok preskoky výbojov po vinutí sekundárnej cievky (proste s nejakého závitu vybehne výboj, plazí sa po vinutí a skočí do iného závitu). Je to spôsobené silným magnetickým poľom pri dolnej časti vinutia, čo spôsobí nerovnomerne rozloženie napätia, čiže bude dole pri primárnej cievke veľmi veľké napätie na malom počte závitov. Tento problém som mal na tomto SGTC, keď som najprv takto navinul primárnu cievku a ešte som netušil, že to môže spôsobiť problémy.

       Príklady primárnych cievok, prvé dva hore valcové sú pre VTTC, tretia dole je nevhodná pravé kvôli spomínanej silnej väzbe (tesnosti závitov) a posledná je už prerobená a v poriadku s ktorou fungujem do dnes. Pravdaže nie je to vždy podmienka a za každých okolností, no treba brať vedomie na rôzne možné problémy. Na poslednej fotke nakoniec detail na ochranný závit, ktorý musí byť nejako takto ukončený v dostatočnej vzdialenosti (!). Pretože aj na tomto jednom závite sa môže pri väčšom SGTC naindukovať niekoľko kV a bude tam preskakovať výboj a skratovať závit. S čím som tiež už mal problém.

Valcový primár pre VTTC Valcový primár pre VTTC
primar primar primar



Sekundárna cievka

       Je vinutá niekoľko sto až niekoľko tisíc závitmi tenkého drôtu vinutého v jednej vrstve na valcovej kostre. Jeden koniec cievky je uzemnený a druhý zakončený toroidom alebo kapacitnou guľou. Závity sa vinú tesne vedľa seba alebo môžu mať tiež medzi jednotlivými závitmi medzeru, ktorá je potrebná pre určitú medzizávitovú kapacitu - pre určitú rezonančnú frekvenciu f0. To sa robí napríklad súčasným navíjaním drôtu a silonu. Ideálny je drôt s teflonovou izoláciou. Teflonová izolácia vyniká svojou mechanickou a elektrickou pevnosťou. Dá sa použiť pravdaže aj smaltovaný vodič, ktorý sa bežne a najčastejšie používa, ale v žiadnom prípade nesmie byť popraskaný. Preto je najlepšie kúpiť nový drôt, lebo popraskaný smalt môže pri napätí niekoľko sto voltov na závit robiť vážne problémy. Výrobe sekundárnej cievky je treba venovať trocha času a úsilia. Jednotlivé závity treba vinúť tesne vedľa seba a nesmú sa nikde krížiť. Ak sa náhodou pretrhne drôt či chceme napojiť ďalší kvôli nedostatočnej dĺžke, tak áno dá sa to, ale podmienka je pravdaže okrem presne rovnakého drôtu aj dokonalá rovnosť a precíznosť zacínovania drôtov bez jediného výčnelku a nejakého mini hrotu s cínu. Čo by spôsobilo silnú nehomogenitu poľa a nastal by prieraz výboja zo spájaného miesta uprostred cievky. Potom dané miesto lepšie nalakovať alebo nakvapkať na dané miesto sekundové lepidlo. Navinutú cievku treba aspoň 3-4x nalakovať hlavne kvôli mechanickej odolnosti a fixácií vodiča na kostre. Postačí nám nato napríklad aj lodný lak na drevo, ktorý mám v obľube na tieto sekundárne cievky. O elektrickú izoláciu tu ani tak nejde, ak tam bude nejaký problém, tak výboj prerazí bez ohľadu nato, či tam vôbec nejaký lak bude. Ako kostra sa používa PVC trubka resp. novodurová odpadová rúra a u väčších sekundárnych cievok je kostra zložená s drevených alebo plastových dielov. Sekundárna cievka by mala mať okolo 1000 - 1500 závitov. Je úplne jedno, či sa jedná o veľkú alebo malú sekundárnu cievku, počet závitov by mal byť rovnaký, pretože tu nie je dôležitý pomer závitov ku primárnej cievke, ako u bežných transformátorov. Ide tu o princíp rezonancie oboch rezonančných obvodov, primárnej aj sekundárnej cievky, ktoré sa ladia na rovnakú frekvenciu pre maximálnu účinnosť prenosu energie. Vhodný drôt na sekundárnu cievku sa dá nájsť napríklad aj v mikrovlnnej rúre vo ventilátore, ktorý stačí len rozobrať. Drôt zhruba vystačí na sekundárnu cievku o dĺžke 25cm a priemeru 6,3cm. Potom s rôznych elektromagnetov a väčších cievok, netreba však zabúdať, že vodič musí byť v dobrom stave pre použitie na sekundárnu cievku, inak radšej kúpiť nový.

Sekundár Sekundár

       Rezonančná frekvencia f0 sekundárnej cievky sa dá zistiť celkom jednoducho s generátorom a dvoma anti-paralelne zapojenými LEDkami alebo osciloskopom. Jednotlivé metódy merania f0 cievky mam bližšie rozpísané v nasledujúcom článku tu - Meranie rezonančnej frekvencie f0 sekundárnej cievky.


Napájanie TC

       Vysokonapäťový transformátor má za úlohu zvýšiť sieťové napätie na takú hodnotu, pri ktorej už preskakuje výboj a zároveň je už vzdialenosť v iskrišti dostatočne veľká nato, aby naopak tam výboj neostal horieť a nespálilo úplne medzeru, čo je aspoň tých 4kV AC 50Hz. Môže byť napätie aj nižšie, ale je problém s konštrukciou a precíznosťou iskrišťa práve kvôli nutnosti spomínanej priveľmi malej medzere. Pre Teslove transformátory väčších a veľkých výkonov sa bežne používajú aj 20kV a viac VN transformátory. Výstupné prúdy sa pohybujú v desiatkach až stovkách mA. VN transformátor by mal byť mäkký ak je tvrdý, tak je potrebné prúd obmedziť napríklad tlmivkami inak sa po chvíli spáli a zničí. Teslov transformátor môžeme napájať ako striedavým napätím tak aj jednosmerným. Striedavé napätie len o sieťovej frekvencií 50Hz ak máme vysokofrekvenčný zdroj napríklad s VN transformátora s TV, tak je nutné takýto VN zdroj usmerniť. Potom však pri DC napätí väčších výkonov nastáva problém s iskrišťom a zapaľovaním oblúka. Preto sa už používa nie statické, ale rotačné iskrište no o tom neskôr nižšie. Dole v linku sú vymenované niektoré VN transformátory, ktoré sa používajú na napájanie Teslovho transformátora.

VN transformátory


Tlmivka

       Tlmivku je nutné zapojiť do série s VN transformátorom. Takto chránime transformátor pred skratovým prúdom a vysokofrekvenčne oddeľuje transformátor od primárneho rezonančného obvodu, nato stačí aj pár mH, ale hlavne určuje nabíjací prúd kondenzátora a nato je už potrebné desiatky H. Pokiaľ je použitý transformátor bez obmedzenia prúdu (napr. MOT, PTN) je nutné použiť tlmivky. Pri napájaní transformátorom s obmedzeným prúdom (napr. NST, OBIT) sa dá v núdzi aj vypustiť. Dôležitou vlastnosťou tlmiviek je, že sa spolu s iskrišťom chovajú ako zvyšujúci menič napätia. To sa síce môže hodiť napr. pri MOTe, ale pokiaľ si to človek neuvedomí môže prísť o kondenzátory. Preto taktiež nie je od veci, dať na kondenzátory ochranné iskrište.


Iskrište

       Pri SGTC máme dva typy iskríšť a to statické a rotačné. Najjednoduchšie je statické iskrište s dvoma elektródami napr. guľôčkami alebo proste len dva skrutky. Nevýhoda je, že elektródy sa veľmi rýchlo ohrievajú a opaľujú, preto sa dá použiť jedine pre fakt malé výkony, inak sa veľmi rýchlo spáli. Ďalšia možnosť je použiť také statické iskrište, kde sa výboj rozdelí na niekoľko menších výbojov v sérii. Najčastejšie sa to rieši medenými trubkami naukladanými vedľa seba, ktoré sa dajú lepšie chladiť. Trubky nech majú na dĺžku aj 15-20cm a čím hrubšia stena trubky tým lepšie. Trubky je treba ukladať presne rovnako vedľa seba s presne rovnakou medzerou po celej dĺžke trubiek, aby výboj skákal rovnomerne náhodne po celej dĺžke medzery. Ak nebudú medzery presne rovnomerné, tak sa bude automaticky výboj sústrediť do jedného miesta, kde sa bude dané miesto priveľmi ohrievať, opaľovať až sa celé to miesto prehreje a spáli. Čo bude mať za následok zapaľovanie oblúka v iskrišti a automaticky zmenšovanie výkonu, vynechávanie iskrišťa a zmenšovanie výbojov s TC. U statických iskríšť je doba i rýchlosť preskokov viac menej náhodná.

       Ďalší typ iskrišťa je rotačné, to sa potom delí ešte na synchrónne a asynchrónne. Výhodou týchto iskríšť je, že sa nemôže vytiahnuť oblúk respektíve nezostane trvale horieť. Používajú sa pre veľké výkony. U obidvoch typov rotačných iskríšť je konštrukcia nasledujúca. Na hriadeľ motora sa izolovane pripevní vodivý kotúč s niekoľko pármi elektród. Na konštrukcii ku ktorej je pripevnený motor sú izolovane pripevnené ďalšie dva elektródy. Tie sú umiestnené tak, že pri určitom natočení hriadeľa je príslušní pár elektród na kotúči naproti nim, preskočí výboj a na krátku dobu sú statické elektródy výbojom cez kotúč spojené. Vzdialenosť medzi elektródami má byť čo najmenšia. V súvislosti s iskrišťom sa používa skratka BPS (Breaks Per Second), ktorá udáva počet preskokov za sekundu.

       Synchrónnym rotačným iskrišťom sa myslí, že jeho otáčky a okamžitý uhol natočenia hriadeľa je rovnaký s frekvenciou siete. K tomuto účelu sa používajú synchrónne motory, ktoré tuto podmienku spĺňajú. U synchrónnych iskríšť sa počíta s tým, že k preskoku výboja dôjde vždy v rovnakom okamžiku. Ideálne pri 100BPS vždy v maxime sínusu.

       Asynchrónne iskrište oproti synchrónnemu môže mať ľubovoľný asynchrónny alebo komutátorový motor. Dá sa síce použiť aj pre striedavo napájaný TC, ale predovšetkým sú vhodné pre jednosmerne napájane TC. Pri použití v striedavo napájanom TC sa môže stať situácia, keď k preskoku dochádza pri minimálnom napätí alebo k nim nedochádza vôbec, takže je iskrenie nepravidelné. Pri použití v jednosmernom TC sa potom dá otáčkami motora plynule riadiť počet preskokov za sekundu a tým aj regulovať príkon.

Iskrisko Iskrisko


Kondenzátor

       Vysokonapäťový rezonančný kondenzátor sa zháňa dosť ťažko. Na tento prvok zapojenia v rezonančnom obvode sú kladené najväčšie nároky a bude to najskôr aj tá najdrahšia časť TC. Musí znášať veľké zmeny napätia za krátku dobu, čiže mať veľký činiteľ dU/dt a mať malý stratový činiteľ tg delta. Preto sa zvyčajne používa sériovo-paralelná kombinácia veľa impulzných malých kondenzátorov, niekoľko desiatok až stoviek kusov pre dosiahnutie určitej kapacity, tzv. MMC (Multi Mini Capacitor). Najviac však asi tak 200ks kondenzátorov, pretože opäť pri veľkých počtoch kondenzátorov narastá na nich strata a zvyšuje sa stratový činiteľ tg delta. To bude mať aj za následok o niečo menších výbojov, ako s rovnakou kapacitou, ale menším počtom kondenzátorov, teda s lepším stratovým činiteľom tg delta. Podľa možnosti kondenzátorov teda čo najmenší počet, ale dostatočne dimenzované s rezervou pre daný zdroj napájania TC. Najlepšie skúsenosti mám s fóliovými impulznými TESLA kondenzátormi TC343. Tie sú skvelé, najviac vydržia zo všetkých čo som skúšal. Veľmi zlé skúsenosti mám s kondenzátormi WIMA MKP 100nF/1600V, tie mi začali strieľať asi po 2-3 sekundách po zapnutí TC (MMC – 50 kusov na 12,8 kV). Ak WIMA tak jedine FKP (určené pre vysokofrekvenčné obvody, práca s veľkými prúdmi, impulzné obvody), kde je však už aj ich cena zaujímavá, no iné od WIMI nemá zmysel kupovať. Alebo potom taká špecialitka a to sú Maxwell kondenzátory, bohužiaľ pre väčšinu ľudí nedostupné, keďže ich cena sa pohybuje na ebay medzi 300 – 1000€ a to je len ebay a nie priamo od predajcu, kde bude cena ešte zaujímavejšia. Sú to špeciálne bez indukčné impulzné vysokonapäťové kondenzátory, ktoré zvládajú desiatky kA a napätia 25kV, 50kV a bežne aj 100kV. To asi skôr len informácia pre zaujímavosť, ako reálne použitie týchto kondenzátorov.

       Ďalšou možnosťou je kondenzátor vyrobiť, napr. použiť sklenenú alebo plastovú fľašu a tú naplniť nasýteným roztokom vody a soli (vodu zohrejeme a do nej sypeme soľ pokým sa neprestane rozpúšťať). Fľašu zatkáme korkom a prepichneme ho drôtom do vody čo je jedná elektróda a druhu vytvoríme obalením fľaše alobalom (5-6 vrstvy alobalu). Nezabudnúť na dostatočnú vzdialenosť elektród kvôli preskokom výboja, teda medzera od omotaného alobalu ku vodiči v korku. Takto vznikne kondenzátor s kapacitou okolo 0,9-1nF. Nevýhoda je v nie práve malom odpore slanej vody a tým sa zmenšuje aj maximálny prúd čím sa zhoršuje stratový činiteľ tg delta. Takýto kondenzátor nie je veľmi vhodný pre TC, ale môže poslúžiť ako posledná možnosť ak nebude práve nič iné k dispozícií.

       Lepšia možnosť je už spraviť kondenzátor s linolea alebo ešte lepšie s hrubého igelitu a alobalu stočeného do valca. S linoleom bude kondenzátor dosť veľký a ťažký preto je lepšie použiť práve igelit, prípadne aj viac vrstiev igelitu, aby zniesol potrebné napätie. Takto sa dá vyrobiť kondenzátor s kapacitou aj niekoľko desiatok nF, len je potrebné kondenzátor čo najviac stlačiť, aby v ňom bolo čo najmenej vzduchu a tým sa zväčší aj kapacita. Prípadne sa dá kondenzátor vyrobiť aj zo skla prekladaným alobalom, takto vznikne dosť rozmerný a ťažký kondenzátor s nie veľmi veľkou kapacitou.

Kondiky Kondiky Kondiky


Toroid

       Zvyčajne sa vyrába s plechového husieho krku stočeného do kruhu alebo s polystyrénovým vencom prípadne guľou obaleným alobalom (lepšie je použiť hrubý, ako klasický tenký alobal). Pri toroide s polystyrénového venca sa však môže boriť pri ťahaní oblúku aj preto je lepšie použiť ten hrubý alobal namiesto klasického tenkého. Toroid prípadné guľa svojou kapacitou voči okoliu znižujú rezonančnú frekvenciu f0 sekundárnej cievky. Tiež sa výboje mierne predlžia, súvisí to s iným rozložením elektrického poľa a pokiaľ je toroid či guľa hladká tak nastáva prieraz vzduchu pri trocha vyššom napätí, čo tiež mierne predlží výboje. Kapacita toroidu sa pre výpočet rezonancie nedá iba sčítať s parazitnou kapacitou sekundárnej cievky. Výsledná kapacita je vplyvom vzájomného ovplyvňovania sa sekundárnej cievky s toroidom asi o 20% menšia.

       Ja som napr. robil toroid s polystyrénového venca obaleného alobalom (použil som hrubý alobal nie ten klasický tenký). Nastrihal som pásiky alobalu, ktoré som potom so silikónom lepil na veniec. Predtým som tie nastrihané pásiky alobal poriadne vyhladil, aby bol toroid čo najhladší. Medzi obe polystyrénové vence môže dať napr. veľkú DPS či iný vhodný materiál a cez stred dieru a upevniť na vrch sekundárnej cievky. Tento toroid bol použitý na tomto SGTC. Druhý toroid na fotke nie je určený pre SGTC, ale SSTC, preto má na vrchole vyvedený vymeniteľný hrot, ktorý sa však dá tiež úplne odstrániť a použiť toroid aj pre SGTC. A nakoniec veľký toroid s husieho krku pre môj zatiaľ najväčší SGTC IV.

Toroid Toroid Toroid

Ladenie

       Pre čo najdlhšie výboje a teda najvyššiu účinnosť prenosu energie s primárnej cievky do sekundárnej cievky alebo inak s primárneho rezonančného obvodu do sekundárneho rezonančného obvodu. Je potrebné obe rezonančné obvody naladiť na ich rovnakú rezonančnú frekvenciu f0. Najprv teda musíme vedieť f0 sekundárnej cievky, ktorá bude určovať prevádzkovú f0 SGTC. Upraviť resp. znížiť f0 obvodu sa dá potom ešte zmenou toroidu. Buď máte už dopredu navrhnutú sekundárnu cievku (odporúčam kalkulátor JavaTC na ktorý je link nižšie) alebo máte navinutú neznámu, ktorej f0 musíte ešte zistiť. V oboch prípadoch odporúčam si tú f0 odmerať a aj v prípade výpočtov či výpočte v JavaTC si ju overiť meraním. Ako na meranie f0 sekundárnej cievky sa dočítate viac v tomto článku – Meranie rezonančnej frekvencie f0 sekundárnej cievky. Z tejto frekvencie f0 sekundárnej cievky a indukčnosti primárnej cievky a určí približná hodnota primárneho kondenzátoru. Opäť primárnu cievku si môžeme dopredu vypočítať a skúsiť vhodne navrhnúť alebo odhadnúť jej veľkosť a závity a potom odmerať jej indukčnosť. Všetko sa tiež dá prepočítať už dopredu v JavaTC. Potom dolaďovanie SGTC, keďže nikdy to nevypočítame úplne presne sa robí buď pripojovaním odbočky na primárnej cievke alebo zmenou kapacity rezonančného kondenzátora (rôzne sériovo-paralelné kombinácie - MMC). Nejaké tie vzorce pre výpočty sú aj tu dole.

vzorce

       Pokiaľ je výboj dlhý, ako celý sekundár tak nastáva problém, keďže samotný výboj teda plazma je vodivá a má svoju vlastnú kapacitu, tak tá sa potom pridáva ku kapacite toroidu a sekundárnej cievky (opäť sa to len tak nesčítava, ale ide o geometriu voči okoliu ako celok a vzájomné sa ovplyvňovanie) a tým sa znižuje výsledná f0 sekundárneho obvodu. Vďaka tomuto sa sekundárna cievka/obvod výbojom dolaďuje na nižšiu frekvenciu, ako je primárny rezonančný obvod a tým sa výboje skracujú. Pomerne lepšieho zlepšenia sa dosiahne naladením primárneho rezonančného obvodu mierne pod rezonančnú frekvenciu sekundárnej cievky/obvodu. Výbojom sa tak sekundár doladí do rezonancie a výboj sa predlží asi až o 25%.

Linky

JavaTC - Hlavný kalkulátor pre TC
Calculate Turns - Výpočet závitov sekundárnej cievky
Coil Inductance Calculator - Výpočet indukčnosti cievky

elektronika.kvalitne.cz - teória okolo TC, napájanie DC napätím, rotačné iskrištia...
RayeR - rozsiahla teória okolo rôzných typov TC

© copyright 2010 - 2018   |   Jakub Tejiščák   -   tesla.kubo(zavináč)gmail.com