Τι είναι ένα πηνίο Tesla;
Το πηνίο Tesla είναι ένας ταλαντωτής ραδιοσυχνοτήτων που οδηγεί έναν μετασχηματιστή συντονισμού διπλού συντονισμού για την παραγωγή υψηλών τάσεων με χαμηλά ρεύματα.
Ο όρος πηνίο Tesla περιέχει εγγενώς ένα στοιχείο ιδιοφυΐας μέσα του. Αυτό το τεχνολογικό θαύμα υπερηφανεύεται που πήρε το όνομά του από έναν από τους πιο παραγωγικούς και μυστηριώδεις επιστήμονες στην ιστορία - τον Νίκολα Τέσλα. Ο Νίκολα Τέσλα πιστώνεται ως ο πρωτοπόρος που υπερασπίστηκε τη χρήση του Εναλλασσόμενου Ρεύματος (A.C.) και έχει μια λίστα με άλλες εφευρέσεις κάτω από τη ζώνη του που έχουν πραγματικά μεταμορφώσει τον κόσμο. Ωστόσο, υπήρχε μια ιδέα με την οποία ο Tesla είχε απλώς εμμονή - τη δωρεάν παράδοση και μετάδοση ασύρματης ενέργειας. Ακούγεται τρελό, σωστά; Ακόμα κι έτσι, αυτό ήταν που ο Tesla είχε σκοπό να κάνει με το Tesla Coil του.
(Φωτογραφία:J. Gerhard Daniel Grohmann/Wikimedia Commons)
Λειτουργία του πηνίου Tesla
Για να το θέσω με λίγα λόγια, ένα πηνίο Tesla είναι ένας ταλαντωτής ραδιοσυχνοτήτων που οδηγεί έναν μετασχηματιστή συντονισμού διπλού συντονισμού για την παραγωγή υψηλών τάσεων με χαμηλά ρεύματα. Τώρα, για να κατανοήσουμε καλύτερα τι είναι ένας ταλαντωτής ραδιοσυχνοτήτων, ας κάνουμε ένα ακόμη βήμα πίσω για να καταλάβουμε πρώτα έναν ηλεκτρονικό ταλαντωτή. Ένας ηλεκτρονικός ταλαντωτής είναι κυρίως ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα που παράγει ένα ωσμωτικό ηλεκτρικό σήμα, το οποίο είναι συχνά ένα ημιτονοειδές κύμα ή ένα τετράγωνο κύμα. Οι ταλαντωτές μετατρέπουν το συνεχές ρεύμα από τροφοδοτικό σε σήμα εναλλασσόμενου ρεύματος. Ένας ηλεκτρονικός ταλαντωτής που παράγει σήματα στην περιοχή ραδιοσυχνοτήτων (100kHz έως 100GHz) ονομάζεται ταλαντωτής ραδιοσυχνοτήτων.
(Φωτογραφία:Omegatron/Wikimedia Commons)
Ένας μετασχηματιστής συντονισμού λειτουργεί με την έννοια της επαγωγικής σύζευξης συντονισμού, όπου το δευτερεύον πηνίο στον μετασχηματιστή είναι χαλαρά συζευγμένο, επομένως αντηχεί. Η ειδική πτυχή του μετασχηματιστή συντονισμού είναι ότι είτε το ένα είτε και τα δύο κυκλώματα που υπάρχουν στον μετασχηματιστή αποτελούνται από έναν πυκνωτή συνδεδεμένο παράλληλα με αυτόν. Αυτή η σύζευξη του κυκλώματος του μετασχηματιστή και του πυκνωτή το μετατρέπει σε κύκλωμα συντονισμού. Ένα κύκλωμα συντονισμού ή ένα κύκλωμα LC χρησιμοποιείται είτε για τη δημιουργία σημάτων σε μια συγκεκριμένη συχνότητα είτε για την επιλογή ενός σήματος σε μια συγκεκριμένη συχνότητα από ένα πιο περίπλοκο σήμα, το οποίο είναι επίσης γνωστό ως φίλτρο ζώνης.
Είτε συγκρίνετε το πρώτο κατοχυρωμένο με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας μοντέλο είτε τα πιο μοντέρνα, υπάρχει ένα κοινό χαρακτηριστικό που θα βρείτε σε όλα:το χάσμα σπινθήρα. Η λειτουργικότητα του διακένου σπινθήρα είναι να διεγείρει το ταλαντούμενο ηλεκτρικό σήμα από το κύκλωμα συντονισμού. Ο μοναδικός σχεδιασμός του πηνίου διασφαλίζει ότι υπάρχουν χαμηλές απώλειες ενέργειας αντίστασης σε υψηλές τάσεις, τις οποίες παράγει το πηνίο Tesla.
Τώρα που κατανοούμε τα διάφορα συστατικά ενός τέτοιου πηνίου, μπορούμε να εμβαθύνουμε στη λειτουργία του πηνίου Tesla στο σύνολό του. Πρώτον, ο συντονισμένος μετασχηματιστής ανεβάζει την τάση σε πολύ υψηλό επίπεδο, μέχρι το σημείο όπου η υψηλή τάση αρχίζει να υπερπηδά το διάκενο του σπινθήρα. Οι τυπικές τάσεις είναι μεταξύ 5 και 30 kilovolt. Ο πυκνωτής στο κύκλωμα σχηματίζει ένα συντονισμένο κύκλωμα με την κύρια περιέλιξη L1 της συσκευής. Το διάκενο σπινθήρα παίζει το ρόλο του διακόπτη στο πρωτεύον κύκλωμα. Το πηνίο Tesla (L1, L2) μαζί με το διάκενο σπινθήρα, παράγουν υψηλή τάση εξόδου όταν συνδέονται μεταξύ τους.
Μαθηματικές αποχρώσεις του πηνίου Tesla
Υπάρχουν τρεις σημαντικές μαθηματικές αποχρώσεις ή θεμέλια πάνω στα οποία βασίζεται η λειτουργία του πηνίου Tesla. Τα δύο κύρια χαρακτηριστικά είναι η ταλαντούμενη συχνότητα και την τάση εξόδου . Αρχικά, ας ρίξουμε μια ματιά στη συχνότητα ταλάντωσης. Για να παραχθεί η μεγαλύτερη δυνατή ποσότητα τάσης από ένα πηνίο Tesla, πρέπει να διασφαλιστεί ότι τα πρωτεύοντα και δευτερεύοντα κυκλώματα του μετασχηματιστή συντονισμού είναι συντονισμένα ώστε να συντονίζονται μεταξύ τους. Οι συχνότητες συντονισμού του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος κυκλώματος ορίζονται από το f1 και f2 . Συνήθως, η συχνότητα δευτερεύοντος κυκλώματος (f 2) δεν μπορεί να ρυθμιστεί. Ωστόσο, το πρωτεύον μπορεί να ρυθμιστεί με τη βοήθεια μιας βρύσης. Οι προϋποθέσεις για τον συντονισμό δίνονται παρακάτω:
Σε αντίθεση με τους συμβατικούς μετασχηματιστές, η τάση εξόδου του μετασχηματιστή συντονισμού δεν είναι ευθέως ανάλογη με τον λόγο του αριθμού των στροφών, καθώς στην περίπτωση ενός συνηθισμένου μετασχηματιστή. Μπορεί να υπολογιστεί μέσω της διατήρησης της ενέργειας. Όταν ξεκινήσει ο κύκλος και ο σπινθήρας ξεκινήσει όλη την ενέργεια από το πρωτεύον κύκλωμα, W1 αποθηκεύεται στον πυκνωτή C1 . Αν V1 είναι η τάση στην οποία διασπάται το διάκενο σπινθήρα, η οποία είναι συνήθως κοντά στη μέγιστη τάση εξόδου του μετασχηματιστή τροφοδοσίας T , αυτή η ενέργεια είναι:
Μόλις το επίπεδο ενέργειας ξεπεράσει το 85% της χωρητικότητας, μεταφέρεται στο δευτερεύον κύκλωμα. Στο επίπεδο αιχμής ενέργειας του συστήματος, η τάση στη δευτερεύουσα πλευρά είναι V2 , η αποθηκευμένη ενέργεια είναι W2 , και ο πυκνωτής στο δευτερεύον κύκλωμα είναι C2 . Υποθέτοντας ότι δεν υπάρχουν απώλειες ενέργειας, W1 και W2 θα είναι ίσοι. Αυτό δείχνει ότι η απώλεια ενέργειας από την ασύρματη μετάδοσή της θα μπορούσε θεωρητικά να είχε περιοριστεί στο ελάχιστο.
