Hoje o transformador de Tesla é chamado de transformador ressonante de alta tensão de alta frequência, e muitos exemplos de implementações marcantes desse dispositivo incomum podem ser encontrados na rede. Uma bobina sem núcleo ferromagnético, composta por várias voltas de fio fino, encimada por um toro, emite raios reais, impressionando os curiosos espantados. Mas será que todos se lembram de como e por que esse dispositivo incrível foi originalmente criado?
A história dessa invenção começa no final do século 19, quando o brilhante cientista experimental Nikola Tesla, a trabalhar nos Estados Unidos, apenas se incumbiu de aprender a transmitir energia elétrica por longas distâncias sem fios.
É dificilmente possível indicar o ano exato em que exatamente essa ideia veio ao cientista, mas sabe-se que em 20 de maio de 1891, Nikola Tesla deu uma palestra detalhada na Columbia University, onde apresentou suas ideias para a equipe do Instituto Americano de Engenheiros Elétricos e ilustrou algo. mostrando experimentos visuais.
O objetivo das primeiras demonstrações foi mostrar uma nova forma de obtenção de luz usando correntes de alta frequência e alta tensão para isso, e também revelar as características dessas correntes. Por uma questão de justiça, notamos que as lâmpadas fluorescentes economizadoras de energia modernas funcionam precisamente no princípio que Tesla propôs para obter luz.
A teoria final sobre a transmissão sem fio de energia elétrica foi emergindo gradualmente, o cientista passou vários anos de sua vida aperfeiçoando sua tecnologia, experimentando muito e melhorando meticulosamente cada elemento do circuito, ele desenvolveu disjuntores, inventou capacitores de alta tensão duráveis, inventou e modificou controladores de circuito, mas então Não consegui concretizar meu plano na escala que queria.
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No entanto, a teoria chegou até nós. Estão disponíveis diários, artigos, patentes e palestras de Nikola Tesla, nos quais você pode encontrar os detalhes iniciais a respeito dessa tecnologia. O princípio de operação de um transformador ressonante pode ser encontrado lendo, por exemplo, as patentes de Nikola Tesla nº 787412 ou nº 649621, já disponíveis na rede hoje.
Se você tentar entender brevemente como o transformador Tesla funciona, considerar sua estrutura e princípio de operação, então não há nada complicado.
O enrolamento secundário do transformador é feito de um fio isolado (por exemplo, de fio de esmalte), que é colocado em uma camada em uma estrutura cilíndrica oca, a relação entre a altura da estrutura e seu diâmetro é geralmente considerada igual a 6 para 1 a 4 para 1.
Após o enrolamento, o enrolamento secundário é revestido com epóxi ou verniz. O enrolamento primário é feito de um fio de seção transversal relativamente grande, geralmente contém de 2 a 10 voltas e se encaixa na forma de uma espiral plana, ou é enrolada como uma secundária - em uma estrutura cilíndrica com um diâmetro ligeiramente maior do que o secundário.
A altura do enrolamento primário, via de regra, não ultrapassa 1/5 da altura do secundário. Um toroide é conectado ao terminal superior do enrolamento secundário e seu terminal inferior é aterrado. A seguir, consideraremos tudo com mais detalhes.
Por exemplo: o enrolamento secundário é enrolado em uma moldura com diâmetro de 110 mm, com fio esmaltado PETV-2 com diâmetro de 0,5 mm, e contém 1200 voltas, portanto sua altura é igual a cerca de 62 cm, e o comprimento do fio é de cerca de 417 metros. Deixe o enrolamento primário conter 5 voltas de um tubo de cobre espesso, enrolado em um diâmetro de 23 cm e tem uma altura de 12 cm.
Em seguida, um toroide é feito. Sua capacitância, idealmente, deve ser tal que a frequência ressonante do circuito secundário (bobina secundária aterrada junto com o toroide e o ambiente) corresponda ao comprimento do fio do enrolamento secundário, de modo que este comprimento seja igual a um quarto do comprimento de onda (para nosso exemplo, a frequência é 180 kHz) …
Para um cálculo preciso, um programa especial para calcular bobinas de Tesla, por exemplo VcTesla ou inca, pode ser útil. Um capacitor de alta tensão é selecionado para o enrolamento primário, a capacitância do qual, juntamente com a indutância do enrolamento primário, formaria um circuito oscilatório, cuja frequência natural seria igual à frequência de ressonância do circuito secundário. Normalmente, eles usam um capacitor com capacidade próxima, e a sintonia é realizada selecionando as voltas do enrolamento primário.
A essência do transformador Tesla em sua forma canônica é a seguinte: o capacitor do circuito primário é carregado a partir de uma fonte de alta tensão adequada e, em seguida, é conectado por uma chave ao enrolamento primário, e isso é repetido muitas vezes por segundo.
Como resultado de cada ciclo de chaveamento, oscilações amortecidas ocorrem no circuito primário. Mas a bobina primária é um indutor para o circuito secundário, portanto oscilações eletromagnéticas são excitadas, respectivamente, no circuito secundário.
Uma vez que o circuito secundário é sintonizado para ressonância com as oscilações primárias, então uma ressonância de tensão ocorre no enrolamento secundário e, portanto, a relação de transformação (a relação entre as voltas do enrolamento primário e as voltas do enrolamento secundário coberto por ele) também deve ser multiplicada por Q - o fator de qualidade do circuito secundário, então o valor da relação real a tensão no enrolamento secundário para a tensão no primário.
E uma vez que o comprimento do fio do enrolamento secundário é igual a um quarto do comprimento de onda das oscilações induzidas nele, então é no toroide que o antinodo de voltagem será localizado (e no ponto de aterramento - o antinodo de corrente), e é lá que a quebra mais eficaz pode ocorrer.
Para alimentar o circuito primário, diferentes circuitos são usados, desde um centelhador estático (centelhador) alimentado por MOTs (MOT é um transformador de alta tensão de um forno de micro-ondas) até circuitos de transistor ressonante em controladores programáveis alimentados por tensão retificada, mas a essência permanece a mesma.
Aqui estão os tipos mais comuns de bobinas Tesla, dependendo de como você as conduz:
SGTC (SGTTS, Spark Gap Tesla Coil) - Transformador Tesla no centelhador. Este é um design clássico, um esquema semelhante foi originalmente usado pelo próprio Tesla. Um pára-raios é usado aqui como um elemento de comutação. Em projetos de baixa potência, o pára-raios consiste em duas peças de fio grosso espaçadas a uma certa distância, enquanto em projetos mais poderosos, são usados pára-raios rotativos complexos que usam motores. Transformadores desse tipo são feitos se apenas um comprimento de fita longa for necessário e a eficiência não for importante.
VTTC (VTTC, Vacuum Tube Tesla Coil) - Transformador Tesla em um tubo eletrônico. Um tubo de rádio poderoso, por exemplo GU-81, é usado aqui como um elemento de comutação. Esses transformadores podem operar continuamente e produzir descargas bastante espessas. Este tipo de fonte de alimentação é mais frequentemente usado para construir bobinas de alta frequência, que são chamadas de "tochas" devido à aparência típica de seus streamers.
SSTC (SSTC, Solid State Tesla Coil) é um transformador Tesla no qual semicondutores são usados como um elemento-chave. Normalmente são transistores IGBT ou MOSFET. Este tipo de transformador pode operar em modo contínuo. A aparência das serpentinas criadas por essa bobina pode ser muito diferente. Este tipo de transformador Tesla é mais fácil de controlar, por exemplo, você pode tocar música neles.
O DRSSTC (DRSSTC, Bobina Tesla de Estado Sólido Dual Resonant) é um transformador Tesla com dois circuitos ressonantes, aqui semicondutores são usados como interruptores, como no SSTC. DRSSTTS é o tipo de transformador Tesla mais difícil de controlar e configurar.
Para obter uma operação mais eficiente e eficaz do transformador Tesla, são os circuitos de topologia DRSSTC que são usados, quando uma ressonância poderosa é alcançada no próprio circuito primário, e no secundário, respectivamente, uma imagem mais brilhante, raios mais longos e mais grossos (streamers).
O próprio Tesla tentou o melhor que pôde para atingir esse modo de operação de seu transformador, e os rudimentos dessa ideia podem ser vistos na patente nº 568176, onde são usados choques de carga, Tesla então desenvolveu o circuito precisamente ao longo deste caminho, ou seja, ele procurou usar o circuito primário da forma mais eficiente possível, criando nele ressonância. Você pode ler sobre esses experimentos do cientista em seu diário (as anotações do cientista sobre os experimentos em Colorado Springs, que ele conduziu de 1899 a 1900, já foram publicadas na forma impressa).
Falando sobre a aplicação prática do transformador de Tesla, não devemos nos limitar apenas à admiração pela natureza estética das descargas obtidas, e tratar o dispositivo como decorativo. A tensão no enrolamento secundário do transformador pode chegar a milhões de volts, afinal é uma fonte eficiente de extra-alta tensão.
O próprio Tesla desenvolveu seu sistema para transmitir eletricidade por longas distâncias sem fios, usando a condutividade das camadas superiores de ar da atmosfera. Foi presumida a presença de um transformador receptor de design semelhante, que baixaria a alta tensão aceita para um valor aceitável para o consumidor, você pode descobrir mais sobre isso lendo a patente de Tesla nº 649621.
A natureza da interação do transformador Tesla com o ambiente merece atenção especial. O circuito secundário é um circuito aberto, e o sistema não é termodinamicamente isolado, nem mesmo fechado, é um sistema aberto. A pesquisa moderna nessa direção é realizada por muitos pesquisadores, e o ponto neste caminho ainda não foi definido.
Autor: Andrey Povny
