О трансформаторе Тесла.
Можно ли считать трансформатором Тесла его «Аппарат для передачи электрической энергии», описанный в патенте №01119732 ?
Хочу предложить небольшой анализ этого патента по фрагментам. Его перевод есть на сайте DL.
Обычно, о трансформаторе Тесла говорят, что это трансформатор с потерей связи между обмотками. Но обратите внимание на следующий фрагмент:
«Цепь включает катушку А, которая находится в близком индуктивном отношении с первичным элементом C, один конец которого связан с заземлением E, в то время как ее другой конец ведется через отдельную самоиндуктивную катушку B и металлический цилиндр B' на терминал D.»
Из этого фрагмента следует (и это видно из рисунка в самом патенте), что у данного устройства есть первичная катушка С и вторичная катушка А, имеющие хорошую индуктивную связь ? намотаны одна на другой. На рисунке видно, что вторичная обмотка намотана более тонким проводом, и имеет большее число витков. Получается, что эти обмотки представляют собой повышающий трансформатор. Один конец вторичной обмотки заземлён - точка Е, а другой подключен к терминалу D через отдельную катушку В. Обратите внимание ? сказано, что через отдельную катушку, да ещё и самоиндуктивную. Иными словами, катушка В это элемент, не связанный с первичной катушкой, то есть, является дросселем. Другой конец дросселя подключен к терминалу D, который, в принципе, является конденсатором. Точнее, одной из обкладок конденсатора. Другая обкладка ? это земля. Просто терминал D является конденсатором с распределённой ёмкостью. Именно к нему подключается нагрузка ? приёмник энергии, находящийся на некотором расстоянии от передатчика и расположенный в электрическом поле этого конденсатора. Конечно, не так просто, как нарисовано, а через емкостной делитель, но сейчас можно принять такое упрощение.
Таким образом, схему этого устройства можно нарисовать в виде, представленном на рисунке.
Трансформатор условно нарисован с сердечником. С целью показать, что он не связан с дросселем В, а заодно, как возможный вариант исполнения этого трансформатора ? с сердечником.
Таким образом, всё устройство представляет собой повышающий трансформатор, нагруженный на LC контур, где элементами контура являются дроссель В и конденсатор D. Выходное напряжение устройства зависит от коэффициента трансформации трансформатора и добротности контура.
Данных трансформатора нет, но, видимо, стоит задача получения как можно большего напряжения на выходе, значит, вторичная должна иметь как можно больше витков, и их число будет ограничено только технологическими возможностями.
Добротность контура может быть достаточно большой. Контур последовательный, значит, в нём возникает резонанс напряжений. Выходное напряжение устройства само по себе большое, а если учесть, что первичная катушка получает высоковольтный разряд, то напряжение на выходе может быть просто огромным.
Дополнительно, напряжение можно увеличить, подключив параллельно первичной обмотке конденсатор, как сказано в самом патенте:
«Первичный элемент C может быть возбужден любым желательным способом, из подходящего источника тока G, который может быть переменным или конденсатор, при этом важное требование, чтобы было установлено резонансное состояние, то есть, что терминал D заряжен на максимальное давление, развиваемое в цепи, как я указывал в моих первоначальных патентах прежде.»
В этом случае, первичная обмотка совместно с конденсатором образуют параллельный колебательный контур, естественно, настроенный в резонанс с выходным контуром.
Как видим, соблюдены все условия для получения максимального напряжения на выходе.
Ток первичной обмотки большой, несмотря на то, что потребляемый ток может быть много меньше (добротность то первичного контура, то же, не маленькая), а это значит, что магнитная индукция большая. Она наводит большое напряжение во вторичной обмотке. Затем это напряжение ещё больше увеличивается в выходном контуре.
Если это устройство не является трансформатором Тесла в прямом смысле, то очень похоже на него всеми элементами своей конструкции. Оно, ведь, то же предназначено было для «возбуждения» эфира. Тем не менее, в переводе ничего не говорится о необходимости разрядника или иного устройства, обеспечивающего первичную обмотку короткими импульсами напряжения. Наоборот, сказано, что:
«первичный элемент C может быть возбужден любым желательным способом», и по желанию, может быть использован конденсатор, включенный параллельно первичной обмотке.
То есть, первичная цепь может работать как в резонансном режиме, так и без него. А от этого уже сильно зависит схема генератора и способы его подключения к первичной обмотке.
При синусоидальном напряжении генератора, как с конденсатором, так и без него амплитуда напряжения на первичной обмотке равна напряжению самого генератора и вопрос по выбору допустимого напряжения транзистора и его скоростных характеристик, просто, снимается.
При импульсном напряжении всё в корне меняется. Правда, если запитать первичную обмотку от двухтактного источника, то всё, в принципе, сохраняется. Действующие значения напряжений как источника, так и первичной обмотки будут равны. Появятся только выбросы напряжения на обмотках, как результат переходных процессов при переключении транзисторов.
Но если источник однотактный, выдающий только однополярный импульс в первичную катушку, то после пропадания импульса на обмотке возникает импульс большой амплитуды, и тогда без применения высоковольтного транзистора не обойтись.
Проблема немного смягчится, если использовать резонанс первичной обмотки, так как амплитуда обратного импульса будет немного сглаживаться конденсатором. Правда, при этом нужно будет подбирать длительность возбуждающего импульса, и она не должна будет превышать полпериода собственных колебаний контуров первичной и вторичной обмоток. В этом случае получится метод ударного возбуждения колебаний в контуре.
Ещё один нюанс. При прямоугольной форме напряжения первичной и, соответственно, вторичной обмоток, напряжение на выходе (на терминале) будет синусоидальным, так как выходной контур будет работать как фильтр. Амплитуда выходного напряжения будет зависеть от длительности импульса (на одной и той же частоте источника), достигая максимума при длительности импульса, равном половине длительности периода. И наоборот, уменьшаясь при уменьшении длительности импульса. Зависимость здесь, практически, линейная.
То есть, сначала нужно определиться со способом возбуждения первичной обмотки, а затем уже рисовать схему ключа. Так как эта схема сильно зависит от варианта запитки первичной обмотки.