2-سیم پیچ تسلا

ترانسفورماتور رزونانس [ ویرایش ]

اطلاعات بیشتر: جفت القایی تشدید

اطلاعات بیشتر: انواع ترانسفورماتور § ترانسفورماتور رزونانس

ترانسفورماتور تخصصی مورد استفاده در مدار سیم پیچ تسلا (L1,L2) که ترانسفورماتور رزونانس ، ترانسفورماتور نوسانی یا ترانسفورماتور فرکانس رادیویی (RF) نامیده می شود ، عملکرد متفاوتی با ترانسفورماتورهای معمولی مورد استفاده در مدارهای برق متناوب دارد. [12] [13] [14] در حالی که یک ترانسفورماتور معمولی برای انتقال انرژی کارآمد از سیم پیچ اولیه به ثانویه طراحی شده است، ترانسفورماتور تشدید نیز برای ذخیره موقت انرژی الکتریکی طراحی شده است. هر سیم پیچ یک ظرفیت خازنی در سراسر خود دارد و به عنوان یک مدار LC (مدار رزونانس، مدار تنظیم شده ) عمل می کند، انرژی الکتریکی نوسانی را ذخیره می کند، مشابه روشی که یک چنگال تنظیم انرژی مکانیکی ارتعاشی را ذخیره می کند. سیم پیچ اولیه (L1) که از چند دور سیم یا لوله مسی سنگین تشکیل شده است، از طریق شکاف جرقه (SG) به خازن (C1 ) متصل می شود . [6] [7] سیم پیچ ثانویه (L2) از پیچ های زیادی (صدها تا هزاران) سیم ریز روی یک فرم استوانه ای توخالی در داخل اولیه تشکیل شده است. ثانویه به یک خازن واقعی متصل نیست، اما به عنوان یک مدار LC نیز عمل می کند، اندوکتانس (L2) با خازن سرگردان (C2) ، مجموع ظرفیت انگلی سرگردان بین سیم پیچ های سیم پیچ و ظرفیت تشدید می شود. الکترود فلزی حلقوی متصل به ترمینال ولتاژ بالا. مدارهای اولیه و ثانویه طوری تنظیم شده اند که فرکانس تشدید یکسانی داشته باشند ، [5] بنابراین آنها انرژی را مبادله می کنند و مانند یک نوسانگر جفت شده عمل می کنند . در طول هر جرقه، انرژی ذخیره شده به سرعت بین اولیه و ثانویه نوسان می کند.

طراحی عجیب سیم پیچ به دلیل نیاز به دستیابی به تلفات انرژی مقاومتی کم ( ضریب Q بالا ) در فرکانس‌های بالا است که منجر به بزرگترین ولتاژهای ثانویه می‌شود:

ترانسفورماتورهای برق معمولی دارای یک هسته آهنی برای افزایش جفت مغناطیسی بین سیم پیچ ها هستند. اما در فرکانس‌های بالا، یک هسته آهنی به دلیل جریان‌های گردابی و هیسترزیس باعث اتلاف انرژی می‌شود ، بنابراین در سیم‌پیچ تسلا استفاده نمی‌شود. [14]
ترانسفورماتورهای معمولی به گونه ای طراحی شده اند که "کاملاً جفت شوند". هر دو اولیه و ثانویه به طور محکم در اطراف هسته آهنی پیچیده می شوند. با توجه به هسته آهنی و نزدیکی سیم پیچ ها، آنها دارای اندوکتانس متقابل (M) بالایی هستند ، ضریب جفت نزدیک به وحدت 0.95 - 1.0 است، به این معنی که تقریباً تمام میدان مغناطیسی سیم پیچ اولیه از طریق ثانویه عبور می کند. [12] [14] ترانسفورماتور تسلا در مقابل "سست جفت شده" است، [6] [14] سیم پیچ اولیه قطر بزرگتر است و از ثانویه فاصله دارد، [7] بنابراین اندوکتانس متقابل کمتر و ضریب جفت است. فقط 0.05 تا 0.2 است. [15] این بدان معنی است که تنها 5٪ تا 20٪ از میدان مغناطیسی سیم پیچ اولیه از ثانویه زمانی که مدار باز است عبور می کند. [6] [11] کوپلینگ شل، تبادل انرژی بین سیم پیچ های اولیه و ثانویه را کند می کند، که به انرژی نوسانی اجازه می دهد قبل از بازگشت به مدار اولیه و شروع به اتلاف در جرقه، مدت بیشتری در مدار ثانویه بماند.
هر سیم پیچ نیز به یک لایه سیم محدود می شود که تلفات اثر مجاورت را کاهش می دهد . اولیه جریان های بسیار بالایی دارد. از آنجایی که جریان فرکانس بالا عمدتاً به دلیل اثر پوستی بر روی سطح هادی ها جریان دارد ، اغلب از لوله یا نوار مسی با سطح بزرگ برای کاهش مقاومت ساخته می شود و پیچ های آن از هم فاصله دارند که باعث کاهش تلفات اثر مجاورت و ایجاد قوس بین آنها می شود. چرخش. [16] [17]

طراحی کویل تک قطبی به طور گسترده در کویل های مدرن استفاده می شود. اولیه سیم پیچ مارپیچی قرمز صاف در پایین است، ثانویه سیم پیچ استوانه ای عمودی با سیم قرمز ظریف است. ترمینال ولتاژ بالا چنبره آلومینیومی در بالای سیم پیچ ثانویه است.

سیم پیچ دوقطبی که در اوایل قرن بیستم استفاده شد. دو ترمینال خروجی ولتاژ بالا وجود دارد که هر کدام به یک انتهای ثانویه متصل هستند و یک شکاف جرقه بین آنها وجود دارد. سیم اصلی 12 دور سیم سنگین است که در نقطه وسط سیم ثانویه قرار دارد تا از ایجاد قوس بین سیم پیچ ها جلوگیری کند.

مدار خروجی می تواند دو شکل داشته باشد:

تک قطبی : یک سر سیم پیچ ثانویه به یک ترمینال ولتاژ بالا متصل است، سر دیگر به زمین متصل است . این نوع در کویل های مدرن طراحی شده برای سرگرمی استفاده می شود. سیم پیچ اولیه در نزدیکی انتهای انتهایی با پتانسیل پایین سیم پیچ ثانویه قرار دارد تا قوس بین سیم پیچ ها به حداقل برسد. از آنجایی که زمین (زمین) به عنوان مسیر برگشت ولتاژ بالا عمل می‌کند، قوس‌های جریان از ترمینال تمایل دارند به هر جسم متصل به زمین نزدیک بپرند.
دوقطبی : هیچ یک از انتهای سیم پیچ ثانویه به زمین متصل نیست و هر دو به پایانه های ولتاژ بالا آورده می شوند. سیم پیچ اولیه در مرکز سیم پیچ ثانویه، با فاصله مساوی بین دو پایانه با پتانسیل بالا قرار دارد تا از ایجاد قوس جلوگیری کند.

چرخه عملیات [ ویرایش ]

مدار در یک چرخه به سرعت تکرار می شود که در آن ترانسفورماتور تغذیه (T) خازن اولیه (C1) را به بالا شارژ می کند، که سپس در یک جرقه از طریق شکاف جرقه تخلیه می شود و یک پالس کوتاه از جریان نوسانی در مدار اولیه ایجاد می کند که یک را تحریک می کند. ولتاژ نوسانی بالا در ثانویه: [9] [11] [14] [18]

جریان از ترانسفورماتور تغذیه (T) خازن (C1) را تا یک ولتاژ بالا شارژ می کند.
هنگامی که ولتاژ در خازن به ولتاژ شکست شکاف جرقه (SG) می رسد ، جرقه ای شروع می شود و مقاومت شکاف جرقه را به مقدار بسیار پایین کاهش می دهد. این مدار اولیه را تکمیل می کند و جریان از خازن از سیم پیچ اولیه (L1) عبور می کند . جریان به سرعت بین صفحات خازن از طریق سیم پیچ به عقب و جلو می رود و جریان نوسانی فرکانس رادیویی را در مدار اولیه در فرکانس تشدید مدار ایجاد می کند .
میدان مغناطیسی نوسانی سیم پیچ اولیه، با قانون القایی فارادی، جریان نوسانی را در سیم پیچ ثانویه (L2) القا می کند . طی چند چرخه، انرژی در مدار اولیه به مدار ثانویه منتقل می شود. کل انرژی در مدارهای تنظیم شده محدود به انرژی ذخیره شده اولیه در خازن C1 است ، بنابراین با افزایش دامنه ولتاژ نوسانی در ثانویه ("ring up")، نوسانات در اولیه به صفر کاهش می یابد. اگرچه انتهای سیم پیچ ثانویه باز است، اما به دلیل ظرفیت (C2) ، مجموع ظرفیت انگلی بین پیچ های سیم پیچ به اضافه ظرفیت الکترود حلقوی E، به عنوان یک مدار تنظیم شده عمل می کند . جریان به سرعت از طریق سیم پیچ ثانویه بین انتهای آن به عقب و جلو می رود. به دلیل ظرفیت کم، ولتاژ نوسانی در سراسر سیم پیچ ثانویه که در ترمینال خروجی ظاهر می شود بسیار بزرگتر از ولتاژ اولیه است.
جریان ثانویه یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند که ولتاژ را به سیم پیچ اولیه القا می کند و در طی تعدادی چرخه اضافی انرژی به اولیه منتقل می شود و باعث می شود ولتاژ نوسانی در ثانویه کاهش یابد ("حلقه پایین"). این فرآیند تکرار می شود، انرژی به سرعت بین مدارهای تنظیم شده اولیه و ثانویه به جلو و عقب جابجا می شود. جریان های نوسانی در اولیه و ثانویه به دلیل انرژی تلف شده به عنوان گرما در شکاف جرقه و مقاومت سیم پیچ به تدریج از بین می روند.
هنگامی که جریان عبوری از شکاف جرقه دیگر برای یونیزه نگه داشتن هوای داخل شکاف کافی نباشد، جرقه متوقف می شود ("خاموش") و جریان در مدار اولیه قطع می شود. جریان نوسانی در ثانویه ممکن است برای مدتی ادامه یابد.
جریان ترانسفورماتور منبع تغذیه خازن C1 را دوباره شارژ می کند و چرخه تکرار می شود.

کل این چرخه بسیار سریع اتفاق می افتد، نوسانات در زمانی حدود یک میلی ثانیه از بین می روند. هر جرقه در طول شکاف جرقه یک پالس ولتاژ بالا سینوسی میرا در ترمینال خروجی سیم پیچ تولید می کند. هر پالس قبل از وقوع جرقه بعدی خاموش می شود، بنابراین سیم پیچ رشته ای از امواج میرا تولید می کند ، نه یک ولتاژ سینوسی پیوسته. [9] ولتاژ بالا از ترانسفورماتور منبع تغذیه که خازن را شارژ می کند یک موج سینوسی 50 یا 60 هرتز است . بسته به نحوه تنظیم شکاف جرقه، معمولاً یک یا دو جرقه در اوج هر نیم سیکل جریان اصلی رخ می دهد، بنابراین بیش از صد جرقه در ثانیه وجود دارد. بنابراین جرقه در شکاف جرقه پیوسته به نظر می رسد، همانطور که جریان های ولتاژ بالا از بالای سیم پیچ هستند.

سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور تغذیه (T) در سراسر مدار تنظیم اولیه متصل می شود. ممکن است به نظر برسد که ترانسفورماتور یک مسیر نشتی برای جریان RF باشد و نوسانات را میرا کند. با این حال اندوکتانس بزرگ آن امپدانس بسیار بالایی در فرکانس تشدید به آن می دهد، بنابراین به عنوان یک مدار باز برای جریان نوسانی عمل می کند. اگر ترانسفورماتور تغذیه دارای اندوکتانس اتصال کوتاه ناکافی باشد، چوک های فرکانس رادیویی در لیدهای ثانویه آن قرار می گیرند تا جریان RF را مسدود کنند.

فرکانس نوسان [ ویرایش ]

برای تولید بزرگترین ولتاژ خروجی، مدارهای تنظیم شده اولیه و ثانویه برای رزونانس با یکدیگر تنظیم می شوند. [8] [9] [12] فرکانس‌های تشدید مدارهای اولیه و ثانویه، $\scriptstyle f_{1}$ و $\scriptstyle f_{2}$ ، توسط اندوکتانس و ظرفیت در هر مدار تعیین می شوند: [8] [9] [12]

$f_{1}={1 \over {2\pi {\sqrt {L_{1}C_{1}}}}}\qquad \qquad f_{2}={1 \over {2\pi { \sqrt {L_{2}C_{2}}}}\,$

معمولاً ثانویه قابل تنظیم نیست، بنابراین مدار اولیه معمولاً با یک ضربه متحرک روی سیم پیچ اولیه L 1 تنظیم می شود تا زمانی که در همان فرکانس ثانویه طنین انداز شود:

$f={1 \over {2\pi {\sqrt {L_{1}C_{1}}}}}={1 \over {2\pi {\sqrt {L_{2}C_{2} }}}}\,$

بنابراین شرط تشدید بین اولیه و ثانویه این است:

$L_{1}C_{1}=L_{2}C_{2}\،$

فرکانس تشدید سیم پیچ های تسلا در محدوده فرکانس رادیویی پایین (RF) است که معمولا بین 50 کیلوهرتز تا 1 مگاهرتز است. با این حال، به دلیل ماهیت تکانشی جرقه، نویز رادیویی باند پهن تولید می‌کنند ، و بدون محافظ می‌توانند منبع قابل توجهی از RFI باشند و در دریافت رادیو و تلویزیون مجاور تداخل ایجاد کنند.

ولتاژ خروجی [ ویرایش ]

سیم پیچ بزرگی که قوس های جریانی 3.5 متری (10 فوتی) تولید می کند که نشان دهنده پتانسیل میلیون ها ولت است.

در یک ترانسفورماتور تشدید ولتاژ بالا توسط رزونانس تولید می شود. ولتاژ خروجی مانند یک ترانسفورماتور معمولی با نسبت چرخش متناسب نیست. [14] [19] می توان آن را تقریباً از پایستگی انرژی محاسبه کرد . در ابتدای چرخه، زمانی که جرقه شروع می شود، تمام انرژی در مدار اولیه وجود دارد $W_1$ در خازن اولیه $ج_{1}$ ذخیره می شود. اگر $V_{1}$ ولتاژی است که در آن شکاف جرقه شکسته می شود، که معمولا نزدیک به پیک ولتاژ خروجی ترانسفورماتور تغذیه T است ، این انرژی

$W_{1}={1 \بیش از 2}C_{1}V_{1}^{2}\،$

در طول "حلقه بالا" این انرژی به مدار ثانویه منتقل می شود. اگرچه مقداری به عنوان گرما در جرقه و سایر مقاومت ها از دست می رود، در سیم پیچ های مدرن، بیش از 85 درصد انرژی به ثانویه ختم می شود. [9] در اوج ( $V_{2}$ ) از شکل موج ولتاژ سینوسی ثانویه، تمام انرژی در ثانویه $W_2$ در خازن ذخیره می شود $ج_{2}$ بین انتهای سیم پیچ ثانویه

$W_{2}={1 \بیش از 2}C_{2}V_{2}^{2}\،$

با فرض عدم تلفات انرژی، $W_{2}\;=\;W_{1}$ . با جایگزینی این معادله و ساده کردن، پیک ولتاژ ثانویه [8] [9] [14] است.

$V_{2}=V_{1}{\sqrt {C_{1} \over C_{2}}}=V_{1}{\sqrt {L_{2} \over L_{1}}}.$

فرمول دوم بالا با استفاده از شرط رزونانس از فرمول اول مشتق شده است $L_{1}C_{1}\;=\;L_{2}C_{2}$ . [14] از آنجایی که ظرفیت سیم پیچ ثانویه در مقایسه با خازن اولیه بسیار کوچک است، ولتاژ اولیه به مقدار بالایی افزایش می یابد. [9]

حداکثر ولتاژ فوق فقط در سیم پیچ هایی حاصل می شود که در آنها تخلیه هوا رخ نمی دهد. در سیم پیچ هایی که جرقه تولید می کنند، مانند سیم پیچ های سرگرمی، پیک ولتاژ روی ترمینال به ولتاژی محدود می شود که در آن هوا شکسته می شود و رسانا می شود. [9] [14] [16] همانطور که ولتاژ خروجی در طول هر پالس ولتاژ افزایش می‌یابد، به نقطه‌ای می‌رسد که هوای کنار ترمینال ولتاژ بالا یونیزه می‌شود و تاج ، تخلیه برس ، و قوس‌های جریان از ترمینال خارج می‌شود. این زمانی اتفاق می افتد که قدرت میدان الکتریکی از قدرت دی الکتریک هوا، حدود 30 کیلو ولت بر سانتی متر بیشتر شود. از آنجایی که میدان الکتریکی در نقاط تیز و لبه ها بیشترین است، تخلیه هوا از این نقاط در ترمینال ولتاژ بالا شروع می شود. ولتاژ ترمینال فشار قوی نمی تواند بالاتر از ولتاژ شکست هوا افزایش یابد، زیرا بار الکتریکی اضافی که از سیم پیچ ثانویه به ترمینال پمپ می شود فقط به هوا می رود. ولتاژ خروجی سیم‌پیچ‌های تسلا در هوای آزاد با شکست هوا به چند میلیون ولت محدود می‌شود، اما ولتاژهای بالاتر را می‌توان با سیم‌پیچ‌هایی که در مخازن تحت فشار روغن عایق غوطه‌ور می‌شوند به دست آورد .

بار بالا یا الکترود "توروئید" [ ویرایش ]

سیم پیچ DRSSTC تسلا حالت جامد با سیم نوک تیز متصل به حلقوی برای تولید تخلیه برس

اکثر طرح های سیم پیچ تسلا دارای یک الکترود فلزی کروی یا حلقوی صاف در ترمینال ولتاژ بالا هستند. الکترود به عنوان یک صفحه خازن عمل می کند و زمین به عنوان صفحه دیگر، مدار تنظیم شده را با سیم پیچ ثانویه تشکیل می دهد. اگرچه "تورید" ظرفیت ثانویه را افزایش می دهد، که تمایل به کاهش ولتاژ اوج دارد، اثر اصلی آن این است که سطح منحنی با قطر بزرگ آن، گرادیان پتانسیل ( میدان الکتریکی ) را در ترمینال ولتاژ بالا کاهش می دهد. عملکرد آن مشابه حلقه تاج است و آستانه ولتاژی را افزایش می دهد که در آن تخلیه هوا مانند تخلیه تاج و برس رخ می دهد. [20] سرکوب شکست زودرس هوا و اتلاف انرژی به ولتاژ اجازه می‌دهد تا مقادیر بالاتری در قله‌های شکل موج ایجاد کند و در نهایت هنگام تخلیه هوا، جریان‌های طولانی‌تر و تماشایی‌تری ایجاد کند. [14]

اگر الکترود بالایی به اندازه کافی بزرگ و صاف باشد، میدان الکتریکی در سطح آن ممکن است هرگز آنقدر زیاد نشود که حتی در اوج ولتاژ باعث شکسته شدن هوا شود و تخلیه هوا رخ نخواهد داد. برخی از کویل های سرگرمی دارای یک "نقطه جرقه" تیز هستند که برای شروع تخلیه از چنبره بیرون می زند. [20]

+ نوشته شده در جمعه هفدهم آذر ۱۴۰۲ ساعت 13:11 توسط علی رضا نقش |

کامپیوتر و ریاضی با علی رضا نقش

آموزش