Transformator Tesli
Ostrzeżenie: Budowę opisywanego urządzenie odradzam osobom, które nie mają doświadczenia w konstrukcji urządzeń elektronicznych pracujących przy wysokim napięciu. Prawidłowo zbudowany półprzewodnikowy transformator Tesli nie przedstawia szczególnego niebezpieczeństwa przy pracy z nim. Trzeba jednak pamiętać, że temperatura łuku elektrycznego jest bardzo wysoka i może spowodować oparzenia. Jakiekolwiek błędy przy konstrukcji mogą jednak spowodować porażenie prądem elektrycznym (np. błędy przy podłączeniu zasilacza) lub oparzenie termiczne (nadmierne nagrzanie się elementów i/lub radiatora). Autor nie bierze jakiejkolwiek odpowiedzialności za wszelkie mogące powstać szkody. Robisz to na własne ryzyko!
Co to jest?
Mówiąc krótko: transformator Tesli to typ transformatora powietrznego wytwarzającego wysokie napięcie rzędu milionów woltów. Należy zaznaczyć, że zarówno uzwojenie pierwotne, jak i wtórne są dostrojone do rezonansu, dzięki czemu uzyskuje się bardzo wysoką sprawność przekazywania energii między uzwojeniami. Transformator ten pozwala w relatywnie bezpiecznych warunkach zaznajomić się z problematyką pracy ze źródłami wysokiego napięcia. Umożliwia między innymi doprowadzenie do jonizacji i emisji światła przez rozrzedzony gaz:
Twórcą tego generatora wysokiego napięcia jest Nikola Tesla (na poniższym zdjęciu).
Był on inżynierem i wynalazcą pochodzącym z Serbii. Należy do niego ponad 112 patentów, w większości różnych urządzeń elektrycznych. Najbardziej znane z nich to silnik elektryczny, prądnica prądu przemiennego, autotransformator, dynamo rowerowe, radio, elektrownia wodna, bateria słoneczna, turbina talerzowa, świetlówka i transformator Tesli (rezonansowa cewka wysokonapięciowa).
Serbski uczony był także twórcą pierwszych urządzeń zdalnie sterowanych drogą radiową. Początkowo za twórcę radia uważano Marconiego, jednak w 1943 roku Sąd Najwyższy Stanów Zjednoczonych przyznał prawa patentowe Nikoli Tesli. Smutnym faktem jest, że rozprawa rozstrzygnęła się już po śmierci wynalazcy, przez co do dziś powszechnie za twórcę radia uznaje się Marconiego, mimo iż przyznał się on do oszustwa polegającego na wykorzystaniu wcześniejszych prac Tesli w zbudowaniu radia, za co Marconi otrzymał niesłusznie nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w roku 1909.
Tesla po początkowej współpracy uwikłał się w spór z Edisonem. Powodem było oszustwo związane z kradzieżą wynalazku dokonaną przez Edisona na młodym wówczas serbskim wynalazcy. Edison był zwolennikiem produkcji prądu stałego, lecz Tesla jako pierwszy spostrzegł potencjał tkwiący w prądzie zmiennym i możliwości jego transformacji na inne poziomy napięć i prądów (czego nie da się wykonać stosując jedynie prąd stały). Edison początkowo rozpoczął nagonkę medialną, mającą ośmieszyć swojego niedawnego współpracownika, a także przekonać społeczeństwo o wyimaginowanym niebezpieczeństwie związanym z prądem zmiennym. Twórca żarówki okazał się jednak hipokrytą, ponieważ po pewnym czasie sam wdrożył system Tesli oszukując go i nie wypłacając mu jego należności.
Wynalazca wiele eksperymentował z prądem zmiennym i zjawiskiem jego transformacji. Dlatego jednym z jego osiągnięć były różne typy transformatorów z transformatorem rezonansowym na czele (nazwanym później jego nazwiskiem). Zachowały się fotografie przedstawiające jego pracownię:
Jak to zbudować?
Istnieje wiele typów transformatora Tesli. Tutaj przedstawię budowę chyba najprostszego i najbezpieczniejszego z nich: uproszczonej jak to tylko możliwe SSTC czyli połprzewodnikowej cewki Tesli.
Proponowane urządzenie ma niewielką sprawność i należy je traktować jako naukową zabawkę, posiadającą mimo wszystko walor edukacyjny. Istnieje oczywiście możliwość budowy bardziej zaawansowanych i sprawniejszych konstrukcji, ale wymaga to dużo większej wiedzy i umiejętności. Uważam, że opisana konstrukcja może być bardzo przydatna w dydaktyce fizyki i elektroniki.
Przeglądając kiedyś zagraniczne strony internetowe o tematyce związanej z wysokim napięciem trafiłem na taki oto schemat:
Jak widzisz, schemat jest zadziwiająco prosty i jego wykonanie nie powinno nastręczać trudności. W lewym górnym rogu widzimy sposób podłączenia cewek i ich parametry: moja cewka wtórna ma około 1000 zwojów drutu w emalii o średnicy 0,3mm na rurze z PCV, pozostałe dwa uzwojenia są nawinięte dowolnymi przewodami na innej, nieco szerszej rurze z tego samego materiału. Wszystkie uzwojenia muszą być nawinięte w tym samym kierunku. Cewka wtórna powinna mieścić się wewnątrz korpusu cewek pierwotnych.
Teraz kwestia elementu kluczowego czyli tranzystora. Na schemacie jest to SU169, ale z jego zdobyciem mogą być problemy. Nie załamuj się jednak! Zamiast niego można zastosować BU208, który można wyszarpać z większości starych krajowych i rosyjskich telewizorów czarno-białych. Wygląda on tak:
Jeśli wydaje Ci się, że BU208 jest toporny to muszę przyznać Ci rację. Rosyjskim wyrobom z tamtych lat można zarzucić brak wyrafinowania, ale jednocześnie trzeba przyznać, że naprawdę produkowano je z myślą by pracowały przez lata, często w ciężkich warunkach. Ten tranzystor jest naprawdę potężny i nie buntuje się przeciwko potraktowaniu go jako elementu napędzającego naszą cewkę Tesli.
Na tym elemencie w czasie pracy może się wydzielać duża ilość ciepła, dlatego najlepiej zastosować aluminiowy radiator o odpowiednich wymiarach. Ja zastosowałem aluminiową kształtkę oraz dodatkowy radiator z wentylatorkiem.
Układ można zbudować na płytce drukowanej, ale ja uznałem, że przy takiej małej liczbie elementów wystarczy odpowiednio nawiercona płytka z preszpanu. Połączenia między elementami zostały wykonane pod spodem płytki:
Po prawej widać fragment radiatora z wentylatorem, na ściance z aluminium widać elektrody tranzystora, przykręconego do niej z drugiej strony:
Całość została przykręcona do niewielkiej deseczki. Umieściłem na niej także zasilacz impulsowy pochodzący ze starego skanera. Dostarcza on napięcia 30V/1,5A do zasilania transformatora. Dodatkowo podłączyłem stabilizator napięcia mający dostarczyć napięcie zasilania do wentylatora chłodzącego radiator.
Następnie nalezy podłączyć cewkę nawieniętą według podanych poprzednio zasad. Moja wygląda mniej więcej tak:
Jeśli zbudowaliśmy już całość to możemy włączyć zasilanie. Działanie możemy sprawdzić zbliżając do cewki świetlówkę: powinna świecić jasno już w pewnej odległości. Na górnym, wolnym zacisku cewki pojawi się fioletowe iskrzenie, zbliżając do niego metalowy przedmiot trzymany w dłoni zauważymy fioletowe wyładowania (bezpieczne). Zbliżając do cewki zwykłe żarówki różnych typów możemy zaobserwować piękne wyładowania spowodowane jonizacją gazu pod wpływem silnego pola elektromagnetycznego. Kolor świecenia zależy od gazu wypełniającego żarówkę. Poniżej przedstawiam kilka zdjęć zachodzących wyładowań (w różnych typach żarówek prócz ostatniego, w tym wypadku jest to lampa neonowa) jakie udało mi się otrzymać:
Kliknij, aby powiększyć
Kliknij aby powiększyć
Kliknij aby powiększyć
Kliknij aby powiększyć
Kliknij aby powiększyć
Kliknij aby powiększyć
Kliknij aby powiększyć
Żarówka energooszczędna trzymana w dłoni świeci się w przypadku mojej cewki już w odległości ponad 0,5m od niej. Poniżej przedstawiam filmik ukazujący zabawę z tym niecodziennym urządzeniem. Jakość obrazu jest niestety dosyć słaba ponieważ zdjęcia musiały być prowadzone w ciemności, tak aby było dobrze widać poświatę gazu w żarówkach (aparat niestety nie oddaje dobrze barwy poświaty, w rzeczywistości była ona taka jak na zdjęciach powżej). Czerwony kolor pochodzi od lampy ciemniowej, którą włączyłem by cokolwiek widzieć.
Życzę miłej i pouczającej zabawy:)
Literatura dodatkowa
- Haddad A., Warne D.F., Advances in High Voltage Engineering, The Institution of Engineering and Technology, 2004
- Rolla R., Experimental Radio (4th ed.), Ramsey Publishing, Nowy Jork, 1937
- Słowiński P., Słowiński K.K., Władca piorunów. Nikola Tesla i jego genialne wynalazki, Wyd. 1, Videograf, Chorzów, 2014
- Tilbury M., The Ultimate Tesla Coil Design and Construction Guide, McGraw-Hill Professional, 2007
Marek Ples