Z kategorie:  ...Tesla trafo

Následující článek popisuje vysokonapěťové zařízení, jenž může být vysoce nebezpečné a to již způsobem napájení - přímo z rozvodné sítě 230V. Toto zařízení by měly konstruovat pouze osoby mající odpovídající elektrotechnickou kvalifikaci. Tento článek neslouží jako návod a autor nenese jakoukoliv odpovědnost za případné škody na majetku a zdraví.

Již od školních let jsem toužil po tom, sestrojit opravdovský Teslův transformátor. Bohužel, nebyl k dispozici pořádný návod - pominu-li jeden pokus v Amatérském Rádiu. Až na Internetu jsem vše objevil. Chci se proto podělit s ostatními, jak jsem něco podobného stavěl. Takže začneme - ptáte se, kdo to byl Nikola Tesla, vynálezce Teslova vysokofrekvenčního transformátoru? Odpověď jsem nalezl ve Wikipedii, doslovně ji cituji v následujícím odstavci:

Nikola Tesla (9. července 1856 Smiljan, tehdejší Rakousko, dnes Chorvatsko – 7. ledna 1943 New York) byl srbský fyzik, jeden z největších objevitelů na poli elektrického inženýrství, je podle něj pojmenována jednotka magnetické indukce (Tesla).

Byl inženýrem elektrotechniky, který mimo jiné vynalezl indukční motor a objevil střídavý proud, který umožnil všeobecné rozšíření elektřiny. Tesla nejdříve studoval fyziku a matematiku na polytechnice v Grazu a potom filozofii na Pražské univerzitě. Pracoval jako elektrický inženýr v Budapešti, potom ve Francii a v Německu. V roce 1888 učinil objev, že lze vytvořit rotující magnetické pole, jestliže jsou dvě cívky, postavené do pravého úhlu, napájeny střídavým proudem s fázovým posuvem 90 stupňů. Tento objev umožnil vynález střídavého indukčního motoru, jehož nejrozšířenějším typem je asynchronní motor. Hlavní výhodou asynchronního motoru je, že ke své činnosti nepotřebuje komutátor, proto je levnější a má vyšší životnost. Velmi známý je Teslův transformátor. Tesla také zkonstruoval svou vodní turbínu - Teslovu turbínu.

Nikola Tesla pobýval v letech 1936–1937 v tehdejším Československu.

Cílem Nikoly Tesly byl bezdrátový přenos elektřiny, tedy možnost napájet všechny spotřebiče bez použití vodičů. Pracoval na využití a zdokonalení principů, na nichž je založen např. rádiový přenos (včetně televize), automobilové zapalování, telefon, nebo výroba a přenos střídavého proudu.

Klasický Teslův transformátor

Teslův transformátor máte znázorněný na následujícím schématu. Jedná se vlastně o vysokofrekvenční vzduchový transformátor, jenž je buzený do primáru vysokým napětím přes kondenzátor C. Jakmile se kondenzátor nabije, dojde k přeskoku jiskry na paralelním jiskřišti. Kondenzátor je výbojem připojen k primáru tesláku a ve vinutí dojde k tlumeným kmitům. Kondenzátor se vybije, výboj na jiskřišti zanikne a celý cyklus se opakuje. Podmínkou je, aby byl primár naladěn na stejný kmitočet, jako sekundár. Obvody musí být v rezonanci. Kapacitou sekundáru je jak vlastní mezizávitová parazitní kapacita, tak i přidaný toroid na vrcholu vinutí. Ten je vyroben třeba z plastové vlnkovaté instalační trubky, omotané alobalem. Sekundár musí být na spodní straně bezpodmínečně spojen se zemí. Na vrchní pak dochází k několikacentimetrovým výbojům - to závisí na velikosti transformátoru a dosahovaném napětí. To bývá v řádu stotisíců voltů. Nejedná se však o klasický střídavý proud a není tudíž při dotyku vyloženě nebezpečný. Vlivem vysoké frekvence dochází k tzv.Skin efektu - kdy je proud veden po povrchu těla a nezasahuje vnitřní orgány. Může Vás však dosti bolestivě popálit.

Polovodičově buzený Teslův transformátor(SSTC - Solid State Tesla Coil)

Stavbu klasického tesláku jsem hned zpočátku zavrhl, neboť bývá problém s vytvořením primárního kondenzátoru. Originální vysokonapěťový a navíc se správnou kapacitou je obtížné sehnat. Proto se to řeší v několika konstrukcích na webu paralelně sériovým pájením třeba i padesáti kondů. Jelikož jsem elektronik, další postup zněl jasně - jdu do polovodičového budiče teslova transformátoru. Takové řešení má i jednu velkou výhodu - primár nemusí být laděn na rezonanci sekundáru. To je dané tím, že je frekvence vyráběna v elektronickém napěťově řízeném oscilátoru 4046. Potenciometrem ji lze přeladit v rozmezí 100 - 300kHz. Tímto popisuji budič mého SSTC, který jsem našel na internetu a poněkud upravil jeho zapojení. Schéma naleznete na konci článku - klikněte si na obrázek pro detailnější schéma zapojení.

Oscilátor tvořený obvodem 4046 je laděn napětím z potenciometru, které je stabilizováno zenerovou diodou na velikost 3,9V. Výstup oscilátoru je tvarován schmidtovým klopným obvodem sestaveným z hradel IC2P - 4584N. Tím se celkově zlepší náběžné a sestupné hrany signálu. Aby nedocházelo ke konfliktnímu sepnutí výkonových Mosfetových tranzistorů koncového stupně(IRFP460) - je do signálové cesty zařazen tzv. Dead Time obvod - ten má za úkol blokovat oba negované signály proti sobě. Tím se značně sníží výkonová ztráta na koncových tranzistorech - mám na mysli ty v koncovém stupni, jehož popis bude teprve následovat. Koncové FETy budiče - IRF530 budí transformátor vinutý na feritovém toroidu, přes nějž dochází ke střídavému spínání koncového stupně polomostu SSTC. Trafo zároveň odděluje budič napájený bezpečným napětím 12V od přímého napájení koncového stupně ze sítě 230V. Trafo jsem vinul na feritový toroid o vnějším průměru 3cm a vnitřním 2cm. Vinutí je vinuto kvadrilárně(4 zvonkové - PVC izolované drátky vinuté současně) a vinutí má oproti schématu primár i sekundár stejný - 14závitů.

Koncový stupeň SSTC - poloviční můstek

Hned na úvod musím podotknout, že se jedná o zapojení polovičního můstku - oproti plnému můstku se čtyřmi koncovými FETy má jednu nespornou výhodu. Při špatném nastavení odejdou "pouze" dva tranzistory.

Díky použitým tranzistorům IRFP460 je možné napájení koncového stupně přímo ze sítě. Aby však bylo možné regulovat výkon, je předřazen triakový regulátor napětí. Jedná se o fázové řízení výkonu. Za regulátorem se nachází můstkový usměrňovač, který je možný pomocí předřazené diody způlky vypnout a napájet tak STTC pouze jednou půlvnou síťového napětí. Tím se samozřejmě sníží výkonové zatížení triaku.

Gejty obou koncových tranzistorů jsou buzeny z toroidního transformátoru budiče. Veškeré špičky přesahující 15V obousměrně likvidují transily P6KE15CA. Já volil raději v každé větvi dva paralelní, neboť se jeden dosti zahřívá. Vynechat odpory 10/2W nedoporučuji, to pak teplota transilů přesahuje 120C, což by nemusely přežít. Koncové tranzistory jsou umístěny přes kaptonové izolační podložky na velký žebrovaný chladič, ofukovaný ventilátorem. Samozřejmostí je použití silikonové vazelíny pod tranzistory i podložky - pro lepší odvod tepla.

Ještě jeden postřeh - je nutné nejdříve zapínat budič jedním vypínačem a až poté připojit napájení koncového stupně. Když se toto nedodrží, může dojít vlivem stabilizace budiče k odstřelení koncáku. Koncový stupeň se samozřejmě zapíná s úplně staženou triakovou regulací, výkon se přidá až po naladění transformátoru do rezonance.

V konečném výčtu nesmím opomenout zapojení zdroje pro napájení budiče SSTC. Já použil trafo z vyřazeného frekvenčního měniče a další zapojení je klasické s jednoampérovým lineárním stabilizátorem 7812. Ten je umístěn na malém chladiči.

29.4.2008 - konečně mám k dispozici nový digiťák, tak mohu vyfotit desku budiče polomostu. Prapůvodně jsem chtěl vyrábět plošňák, jenomže z důvodu laborace a oživování jsem to sbastlil na univerzální desku z GESu. Koncové tranzistory budiče mají dostatečné chlazení a navíc není nutné odizolování tranzistorů od samostatných chladičů. Za chladičema je místo pro toroidní transformátor.

Zdroj pro napájení budiče je také postaven na univerzálním plošném spoji. Vlevo vidíte mnou použitý transformátor z nějakého starého frekvenčního měniče. Rozklikněte si ikonky pro větší fotky.

05.05.2008 - dnes jsem se konečně odhodlal k navinutí sekundární cívky na polypropylenovou odpadní trubku a průměru 75mm. Jak vidíte na fotce, jako unašeč byla použita láhev od saponátu, přesně narvaná do trubky. Do víčka lahve jsem vyvrtal osmičku díru a do ní zatáhl šroub s matkou. Ten je upnut do sklíčidla akuvrtačky s jemnou regulací otáček - důležité! Navíjení je jednoduché - pravačka reguluje vrtačku a levačka v ochranné pracovní rukavici ukládá drát. Přemotal jsem cívku ze stykače V100F drátem o průměru 0,3mm za necelou hodinku - příště to bude jistě lepší ;-)

Celé vinutí má délku cca 43cm, což mi dává zběžným výpočtem, že se pohybujeme někde kolem 1500 závitů. To je málo. Takže zítra donesu ještě jednu cívku ze šrotového stykače a po nastavení vinutí v zatavené smršťovací bužírce to dovinu asi tak na 2500 závitů, což by mi vyhovovalo z hlediska dosahovaného sekundárního napětí.

06.05.2008 - už je to tak, konečně jsem dovinul sekundární cívku Teslova transformátoru. Po nastavení a zatavení spoje do smršťovací bužírky jsem na coil přidal ještě pár závitů a celkově jsme skončili někde u 2000 závitů. Takže uvidíme, jaké to bude po celkovém oživení. Pokud nevíte, jak nejlépe odizolovat lakem izolovaný vodič, tak stačí na hrot páječky nabrat cín s kalafunou a celé to protavit před destičku z PVC. Chemická reakce bezpečně odstraní lak a drát se skvěle pocínuje. Tento fígl jsme používali již na učňáku, při navíjení transformátorů :-)

08.05.2008 - Sekundární cívku mám zcela dokončenou - je zastříkaná univerzálním lakem kvůli lepší izolaci a je opatřena svorkami. Zbývá vyrobit kapacitní toroid na vrcholek. Bohužel nemám materiál. Tak jsem alespoň dopoledne namotal primár - ten je na PVC trubce o průměru 125mm. Vinutí má 14závitů a je z izolovaného drátu o průřezu 1,5mm.

08.07.2008 - Poslední měsíce zkouším zprovoznit fungující koncový stupeň, avšak mám problémy s dosti drastickou likvidací polovodičů, umístěných na jednom chladiči. Zatím jsem dosáhl maximálních výbojů na tesláku deset centimetrů. Je to fakt dosti problém. Z toho důvodu jsem umístil v poslední verzi koncáky na samostatné chladiče, mohutně ovívané větrákem. Hlavně jsem poprvé po deseti letech navrhl od ruky plošňák, vyrobil ho a celé zařízení jsem poněkud zkulturnil, jak vidíte na fotkách.

12.07.2008 - Jelikož jsem byl nespokojený s krátkými výboji na staré coil, došlo k razantnímu kroku - včera odpoledne jsem bleskurychle navinul novou secondary coil. Drátem o průměru 0,12mm, což při délce vinutí 47cm činí nějakých 3800závitů na trubku 75mm. A dějí se věci. I při půlvlnném napájení polomostu to srší na patnáct centimetrů. Nemám odvahu to přepnout na plné síťové napájení. I přesto mi po minutě natáčení na kameru explodovaly koncové fety. Ale co, lepším se. Doufám, že svoje příští čtyřicáté narozky oslavím fungujícím teslákem. Hlavně chci připravit náležité představení pro dětičky :-) Na druhé fotce je nový transformátor se žlutou secondary coil - došel mi lak, takže jsem to zastříkl žlutou barvou ve spreji. Další foto pak ukazuje budič fetů - super integráč IRF2153, zapojený dle datasheetu.

23.07.08 - konečně jsem se na to zase vrhnul. Všechny plošné spoje jsou přemístěny do bedny a pečlivě vydrátovány. Přičemž jsem konstatoval, že mi minule neodešly tranzistory, ale jenom poddimenzovaná síťová pojistka. Dnes jsem FETy IRFP460A - koncáky opatřil řádnými chladiči, jak vidíte na prvním fotu - jsou mohutně ofukovány ventilátorem, takže to může běžet bez omezení. Druhé pak ukazuje, jak jsem uspořádal elektroniku uvnitř bedny a samotný transformátor - jenom naše nové kotě se tam stále plete ;-) Na třetí pak je k vidění sršení z tesláku na vzdálenost 25cm. To ještě jelo na půlvlnné usměrnění ze sítě. Bohužel mi po přepnutí na celovlnné usměrnění prohořel primár záblesky na sekundár(Z vrcholku to vyšlehlo až na padesát centimetrů). Musím ho navinout podstatně kratší.

Dnes jsem maličko převinul primár a tím i zvýšil napětí na sekundáru.To vidíte na druhé fotce. První však ukazuje iontový motor mojí výroby, umístěný na vrcholu tesláku. Je to úžasné, viďte? :-)

27.7.2008 - Opět přináším další zdařilé fotky funkčního Teslova transformátoru. Máte možnost spatřit tajemství iontového motoru. Stačí k tomu měděný drátek, naohýbaný dle fotky. Nejhorší je ovšem to celé vyvážit. S touto blbostí jsem si hrál půl hodiny, ale efekt stojí za to. Z konců drátku srší výboje a svojí kinetickou energií roztáčí motor. Na další fotce jsou výboje při půlvlnném usměrnění ze sítě - odběr v tu chvíli cca 300W. Pak jsem to přepnul na plné usměrnění a z 230V to bralo 750W. Zajímavé je, že po převinutí primáru se výboje neprodlouží, zato pěkně zhoustnou. Také se značně znásobí hluk - praskot výbojů.

27.7.2008 - včera jsem natočil i nové video výbojů - protentokrát to necpu na YouTube, ale na náš server. Klikněte si pro video SEM. Video má velikost 2,8MB.

29.8.20087 - Pokračuji ve vývoji Teslova transformátoru a pomalu získávám zkušenosti. Již včera se mi například podařilo naladit můj první navinutý sekundár - stačilo na vrcholek umístit provizorní toroid a rezonanční frekvence rázem spadla na použitelných 271kHz - budič mám totiž laděný maximálně na 300kHz. Už to šlehá blesky na všechny strany. Jak vidíte na první fotce - natáhl jsem oblouk přes totálně rozsvícenou zářivku na dvacet centimetrů. Pak už to krásně vyšlehovalo samo z toroidu. Celkové Vf napětí je dosti velké, neboť mne při dotyku s regulačními prvky na panelu budiče pálí prsty a také zářivkové trubice se rozsvěcují na metr od transformátoru :-)

Vložil: LTX   Dne: 25.11.2008   Čas: 21:09:22