کامپیوتر و ریاضی با علی رضا نقش

انواع [ ویرایش ]

اصطلاح "سیم پیچ تسلا" برای تعدادی از مدارهای ترانسفورماتور تشدید ولتاژ بالا به کار می رود.

هیجان [ ویرایش ]

مدارهای سیم پیچ تسلا را می توان بر اساس نوع "تحریک" آنها طبقه بندی کرد، اینکه از چه نوع مداری برای اعمال جریان به سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور رزونانس استفاده می شود: [5] [21] [22]

• سیم پیچ تسلا با جرقه برانگیخته یا شکاف جرقه (SGTC) : این نوع از یک شکاف جرقه برای بستن مدار اولیه استفاده می کند که نوسانات هیجان انگیز در ترانسفورماتور تشدید کننده است. شکاف های جرقه ای به دلیل جریان های اولیه بالایی که باید از عهده آنها برآیند، دارای معایبی هستند. آنها در حین کار صدای بسیار بلند، گاز ازن مضر و دماهای بالا تولید می کنند که ممکن است به سیستم خنک کننده نیاز داشته باشد. انرژی تلف شده در جرقه نیز ضریب Q و ولتاژ خروجی را کاهش می دهد. سیم پیچ های تسلا همه از جرقه برانگیخته شده بودند.
  • شکاف جرقه ایستا : رایج ترین نوع آن است که در قسمت قبل به تفصیل توضیح داده شد. در اکثر کویل های سرگرمی استفاده می شود. یک ولتاژ AC از یک ترانسفورماتور تغذیه با ولتاژ بالا خازن را شارژ می کند که از طریق شکاف جرقه تخلیه می شود. نرخ جرقه قابل تنظیم نیست اما با فرکانس خط 50 یا 60 هرتز تعیین می شود. جرقه های متعدد ممکن است در هر نیم چرخه رخ دهد، بنابراین پالس های ولتاژ خروجی ممکن است در فاصله یکسان نباشند.
  • شکاف جرقه ای استاتیک : مدارهای تجاری و صنعتی اغلب یک ولتاژ DC را از منبع تغذیه برای شارژ خازن اعمال می کنند و از پالس های ولتاژ بالا تولید شده توسط یک نوسانگر اعمال شده به الکترود آغازگر برای ایجاد جرقه استفاده می کنند. [6] [22] این امکان کنترل نرخ جرقه و ولتاژ هیجان انگیز را فراهم می کند. شکاف های جرقه تجاری اغلب در یک جو گاز عایق مانند هگزا فلوراید گوگرد محصور می شوند که باعث کاهش طول و در نتیجه اتلاف انرژی در جرقه می شود.
  • شکاف جرقه چرخشی : اینها از یک شکاف جرقه متشکل از الکترودهایی در اطراف حاشیه چرخ استفاده می کنند که با سرعت بالا توسط یک موتور می چرخند، که هنگام عبور از الکترود ثابت جرقه ایجاد می کنند. [22] تسلا از این نوع بر روی کویل های بزرگ خود استفاده می کرد و امروزه روی کویل های بزرگ سرگرمی استفاده می شود. سرعت جداسازی سریع الکترودها جرقه را به سرعت خاموش می کند، و امکان خاموش شدن "اولین بریدگی" را فراهم می کند و ولتاژهای بالاتر را ممکن می کند. چرخ معمولاً توسط یک موتور سنکرون به حرکت در می‌آید، بنابراین جرقه‌ها با فرکانس خط AC همگام می‌شوند، جرقه در هر سیکل در همان نقطه شکل موج AC رخ می‌دهد، بنابراین پالس‌های اولیه قابل تکرار هستند.
• سیم پیچ تسلا سوئیچ شده یا حالت جامد (SSTC) : اینها از دستگاه های نیمه هادی قدرت استفاده می کنند ، معمولاً تریستورها یا ترانزیستورها مانند ماسفت ها یا IGBT ها ، [6] که توسط یک مدار نوسان ساز حالت جامد فعال می شوند تا پالس های ولتاژ را از منبع تغذیه DC از طریق سیم پیچ اولیه تغییر دهند. . [22] آنها تحریک پالسی را بدون معایب شکاف جرقه ارائه می کنند: صدای بلند، دماهای بالا و راندمان ضعیف. ولتاژ، فرکانس و شکل موج تحریک را می توان به خوبی کنترل کرد. SSTC ها در بیشتر کاربردهای تجاری، صنعتی و تحقیقاتی [6] و همچنین کویل های سرگرمی با کیفیت بالاتر استفاده می شوند.
  • سیم پیچ تسلا حالت جامد تک تشدید (SRSSTC) : در این مدار اولیه خازن رزونانسی ندارد و بنابراین یک مدار دوتایی نیست. فقط ثانویه است. جریان ورودی از ترانزیستورهای سوئیچینگ رزونانس را در مدار تنظیم شده ثانویه تحریک می کند. SSTCهای تک کوک شده ساده تر هستند، اما مدار تشدید دارای ضریب Q کل است که فقط به رزونانس جانبی ثانویه بستگی دارد.
  • سیم پیچ تسلا حالت جامد تشدید دوگانه (DRSSTC) : مدار مشابه مدار تحریک شده با جرقه دوبار تنظیم شده است، به جز در محل ترانسفورماتور منبع تغذیه AC ( T ) در مدار اولیه، یک منبع تغذیه DC خازن را شارژ می کند و در جای آن سوئیچ های نیمه هادی شکاف جرقه مدار بین خازن و سیم پیچ اولیه را تکمیل می کنند.
  • سیم پیچ تسلا آواز یا سیم پیچ تسلا موزیکال : این یک نوع تحریک جداگانه نیست، بلکه اصلاحی در مدار اولیه حالت جامد برای ایجاد یک سیم پیچ تسلا است که می تواند مانند یک آلت موسیقی نواخته شود، با تخلیه های ولتاژ بالا که آهنگ های ساده موسیقی را بازتولید می کند. . پالس های ولتاژ درایو اعمال شده بر روی اصلی با نرخ صوتی توسط یک مدار "وقفه کننده" حالت جامد مدوله می شوند و باعث می شود که تخلیه قوس از ترمینال ولتاژ بالا صداها را منتشر کند. تا کنون فقط آهنگ ها و آکوردهای ساده تولید شده است. سیم پیچ نمی تواند به عنوان یک بلندگو عمل کند و موسیقی پیچیده یا صداهای صوتی را تولید کند. خروجی صدا توسط یک صفحه کلید یا فایل MIDI که از طریق رابط MIDI روی مدار اعمال می شود،. دو تکنیک مدولاسیون استفاده شده است: AM ( مدولاسیون دامنه ولتاژ هیجان انگیز) و PFM ( مدولاسیون فرکانس پالس ). اینها عمدتاً به عنوان چیزهای جدید برای سرگرمی ساخته شده اند.
• موج پیوسته : در این ترانسفورماتور توسط یک نوسان ساز فیدبک هدایت می شود که در هر سیکل جریان RF یک پالس جریان را به سیم پیچ اولیه اعمال می کند و یک نوسان پیوسته را تحریک می کند. [22] مدار تنظیم شده اولیه به عنوان مدار مخزن نوسانگر عمل می کند و مدار شبیه یک فرستنده رادیویی است . برخلاف مدارهای قبلی که یک خروجی پالسی تولید می کنند، آنها یک خروجی موج سینوسی پیوسته تولید می کنند . لوله‌های خلاء قدرت اغلب به‌عنوان دستگاه‌های فعال به جای ترانزیستور استفاده می‌شوند، زیرا در برابر بارهای اضافی مقاوم‌تر و مقاوم‌تر هستند. به طور کلی، تحریک پیوسته ولتاژ خروجی کمتری را از یک توان ورودی معین نسبت به تحریک پالسی تولید می کند. [22]

تعداد سیم پیچ ها [ ویرایش ]

مدارهای تسلا را می‌توان بر اساس تعداد سیم‌پیچ‌های تشدید ( القاگر ) که دارند طبقه‌بندی کرد: [23] [24]

• دو سیم پیچ یا مدار دو تشدید : تقریباً همه سیم پیچ های تسلا از ترانسفورماتور تشدید دو سیم پیچ ، متشکل از یک سیم پیچ اولیه که پالس های جریان به آن اعمال می شود، و یک سیم پیچ ثانویه که ولتاژ بالا را تولید می کند، استفاده می کنند، که توسط تسلا در سال 1891 اختراع شد. "کویل تسلا" به طور معمول به این مدارها اشاره دارد.
• مدارهای سه سیم پیچ ، تشدید سه گانه یا ذره بین : مدارهایی با سه سیم پیچ، بر اساس مدار "فرستنده ذره بین" تسلا که او قبل از سال 1898 آزمایش را با آن آغاز کرد و در آزمایشگاه کلرادو اسپرینگز خود در 1899-1900 نصب کرد، و در سال 1902 به ثبت رساند. [25] [26] [27] آنها از یک ترانسفورماتور افزایش دهنده هسته هوای دو سیم پیچ مشابه ترانسفورماتور تسلا تشکیل شده اند، با سیم پیچ ثانویه متصل به سیم پیچ سوم که به صورت مغناطیسی به بقیه متصل نیست، به نام "اضافی" یا " کویل resonator" که به صورت سری تغذیه می شود و با ظرفیت خود طنین انداز می شود. خروجی از انتهای آزاد این سیم پیچ گرفته می شود. وجود سه مدار مخزن ذخیره انرژی به این مدار رفتار رزونانسی پیچیده تری می دهد. [28] موضوع تحقیق است، اما در کاربردهای عملی کمی مورد استفاده قرار گرفته است.

تاریخچه [ ویرایش ]

مقاله اصلی: تاریخچه سیم پیچ تسلا

ترانسفورماتور تشدید کننده جرقه برانگیخته هنری رولند در سال 1889، [29] سلف سیم پیچ تسلا [30]

مراحل توسعه ترانسفورماتور تسلا توسط تسلا در حدود سال 1891: (1) ترانسفورماتورهای هسته بسته مورد استفاده در فرکانس های پایین، (2-7) تنظیم مجدد سیم پیچ ها برای تلفات کمتر، (8) حذف هسته آهن، (9) هسته جزئی، (10-) 11) ترانسفورماتور مخروطی نهایی تسلا، (12-13) مدارهای سیم پیچ تسلا [31] [32] [33] و الیهو تامسون [30] [34] [35]

نوسانات الکتریکی و مدارهای ترانسفورماتور هسته رزونانس هوا قبل از تسلا کاوش شده بودند. [36] [35] مدارهای رزونانس با استفاده از کوزه های لیدن در آغاز در سال 1826 توسط فلیکس ساوری ، جوزف هنری ، ویلیام تامسون و الیور لاج اختراع شدند . [37] و هنری رولند در سال 1889 یک ترانسفورماتور رزونانس ساختند. [30] الیهو تامسون مدار سیم پیچ تسلا را به طور مستقل در همان زمان تسلا اختراع کرد. [38] [39] [40] [ 29 ] تسلا اختراع مدار سیم پیچ تسلا خود را در 25 آوریل 1891 ثبت کرد. فرکانس و کاربرد آنها در روش‌های روشنایی مصنوعی قبل از موسسه مهندسین برق آمریکا در کالج کلمبیا ، نیویورک. [43] [44] [33] اگرچه تسلا بسیاری از مدارهای مشابه را در این دوره ثبت اختراع کرد، این اولین مداری بود که شامل تمام عناصر سیم پیچ تسلا بود: ترانسفورماتور اولیه ولتاژ بالا، خازن، شکاف جرقه و ترانسفورماتور نوسانی هسته هوا. ".

کویل های تسلا مدرن [ ویرایش ]

این بخش به نقل قول های اضافی برای تأیید نیاز دارد . لطفاً با افزودن نقل قول به منابع معتبر در این بخش به بهبود این مقاله کمک کنید. اطلاعات بدون مرجع ممکن است مشکل ایجاد کرده و پاک شوند. ( آگوست 2015 ) ( نحوه و زمان حذف این پیام الگو را بیاموزید )

تخلیه الکتریکی که رشته های پلاسمای رعد و برق مانند یک سیم پیچ تسلا را نشان می دهد .

سیم پیچ تسلا (تخلیه)

کویل تسلا در تراریوم (I)

علاقه مندان به ولتاژ بالا مدرن معمولاً کویل های تسلا مشابه برخی از طرح های هسته هوای 2 سیم پیچ تسلا می سازند. اینها معمولاً از یک مدار مخزن اولیه ، یک مدار سری LC ( القایی - خازن ) تشکیل شده از یک خازن ولتاژ بالا ، شکاف جرقه و سیم پیچ اولیه تشکیل شده است . و مدار LC ثانویه، یک مدار رزونانس سری متشکل از سیم پیچ ثانویه به اضافه یک خازن ترمینال یا "بار بالایی". در طراحی پیشرفته تر (ذره بین) تسلا، سیم پیچ سوم اضافه شده است. مدار LC ثانویه از یک سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور هسته هوا با اتصال محکم تشکیل شده است که پایین یک رزوناتور مارپیچ سیم پیچ سوم جداگانه را هدایت می کند. سیستم های مدرن 2 سیم پیچ از یک سیم پیچ ثانویه استفاده می کنند. سپس قسمت بالای ثانویه به یک ترمینال بارگذاری بالا متصل می شود، که یک "صفحه" خازن را تشکیل می دهد ، "صفحه" دیگر زمین (یا " زمین ") است. مدار LC اولیه طوری تنظیم شده است که در همان فرکانس مدار LC ثانویه طنین انداز می شود . سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه به صورت مغناطیسی با هم جفت می‌شوند و یک ترانسفورماتور هسته هوا تشدید شده دوگانه را ایجاد می‌کنند. سیم پیچ های تسلا عایق شده با روغن قبلی به عایق های بزرگ و طولانی در پایانه های ولتاژ بالا نیاز داشتند تا از تخلیه در هوا جلوگیری کنند. سیم‌پیچ‌های تسلا بعداً میدان‌های الکتریکی خود را در فواصل بزرگ‌تر پخش می‌کنند تا در وهله اول از تنش‌های الکتریکی بالا جلوگیری کنند و در نتیجه امکان کار در هوای آزاد را فراهم کنند. اکثر کویل های مدرن تسلا از پایانه های خروجی حلقوی شکل نیز استفاده می کنند. اینها اغلب از فلز تابیده شده یا مجرای آلومینیومی انعطاف پذیر ساخته می شوند. شکل حلقوی با هدایت جرقه ها به بیرون و دور از سیم پیچ های اولیه و ثانویه به کنترل میدان الکتریکی بالا در نزدیکی بالای ثانویه کمک می کند.

نسخه پیچیده تر سیم پیچ تسلا که توسط تسلا "ذره بین" نامیده می شود، از ترانسفورماتور "درایور" تشدید هسته هوا (یا نوسانگر اصلی) و یک سیم پیچ خروجی کوچکتر و از راه دور (به نام "اضافی") استفاده می کند. سیم پیچ" یا به سادگی رزوناتور ) که تعداد زیادی چرخش روی یک سیم پیچ نسبتا کوچک دارد. پایین سیم پیچ ثانویه راننده به زمین متصل است. طرف مقابل از طریق یک هادی عایق که گاهی اوقات خط انتقال نامیده می شود به پایین سیم پیچ اضافی متصل می شود. از آنجایی که خط انتقال با ولتاژهای RF نسبتاً بالا کار می کند، معمولاً از لوله فلزی با قطر 1 اینچ برای کاهش تلفات کرونا ساخته می شود. از آنجایی که سیم پیچ سوم در فاصله ای دورتر از درایور قرار دارد، به صورت مغناطیسی به آن کوپل نمی شود. انرژی RF در عوض مستقیماً از خروجی درایور به پایین سیم پیچ سوم جفت می شود و باعث می شود که تا ولتاژهای بسیار بالا "زنگ بالا" بیاید. تنظیم به طور قابل توجهی پیچیده تر از سیستم 2 سیم پیچ است. پاسخ گذرا برای شبکه های تشدید چندگانه (که ذره بین تسلا زیر مجموعه ای از آن است) به تازگی حل شده است. [45] اکنون مشخص شده است که انواع مختلفی از "حالت‌های" تنظیم مفید موجود است، و در اکثر حالت‌های عملیاتی، سیم پیچ اضافی با فرکانس متفاوتی نسبت به نوسانگر اصلی زنگ می‌زند. [46]

سوئیچینگ اولیه [ ویرایش ]

در این بخش هیچ منبعی ذکر نشده است . لطفاً با افزودن نقل قول به منابع معتبر به بهبود این بخش کمک کنید . اطلاعات بدون مرجع ممکن است مشکل ایجاد کرده و پاک شوند . ( آگوست 2015 ) ( نحوه و زمان حذف این پیام الگو را بیاموزید )

مدت زمان: 26 ثانیه.0:26

نمایش نمونه اولیه کویل تسلا دوقلو آزمایشگاه رعد و برق نوادا در مقیاس 1:12 در Maker Faire 2008

کویل های تسلا ترانزیستور یا لوله خلاء مدرن از شکاف جرقه اولیه استفاده نمی کنند. درعوض، ترانزیستور(ها) یا لوله(های) خلاء عملکرد سوئیچینگ یا تقویت کننده لازم برای تولید توان RF برای مدار اولیه را فراهم می کنند. سیم‌پیچ‌های تسلا حالت جامد از کمترین ولتاژ اولیه، معمولاً بین 155 تا 800 ولت استفاده می‌کنند و سیم‌پیچ اولیه را با استفاده از یک آرایش تک، نیم‌پل یا تمام پل از ترانزیستورها ، ماسفت‌ها یا IGBT برای تغییر جریان اولیه هدایت می‌کنند. . سیم پیچ های لوله خلاء معمولاً با ولتاژ صفحه بین 1500 تا 6000 ولت کار می کنند، در حالی که بیشتر سیم پیچ های شکاف جرقه ای با ولتاژ اولیه 6000 تا 25000 ولت کار می کنند. سیم پیچ اولیه یک سیم پیچ سنتی ترانزیستور تسلا فقط در اطراف قسمت پایین سیم پیچ ثانویه پیچیده می شود. این پیکربندی عملکرد ثانویه را به عنوان یک تشدید کننده پمپ شده نشان می دهد. اولیه، ولتاژ متناوب را به پایین ترین بخش ثانویه القا می کند، و "هل"های منظم را ارائه می دهد (مشابه با ارائه فشارهای زمان بندی شده مناسب به تاب زمین بازی). انرژی اضافی از اندوکتانس اولیه به ثانویه و ظرفیت بار بالا در طی هر "فشار" و ایجاد ولتاژ خروجی ثانویه (به نام "ring-up") منتقل می شود. مدار بازخورد الکترونیکی معمولاً برای همگام سازی تطبیقی ​​نوسان ساز اولیه با تشدید رو به رشد در ثانویه استفاده می شود، و این تنها ملاحظۀ تنظیم فراتر از انتخاب اولیه یک بار بالای معقول است.

در یک سیم پیچ تسلا حالت جامد تشدید دوگانه (DRSSTC)، سوئیچینگ الکترونیکی سیم پیچ حالت جامد تسلا با مدار اولیه رزونانس یک سیم پیچ تسلا با شکاف جرقه ترکیب می شود. مدار اولیه تشدید با اتصال یک خازن به صورت سری با سیم پیچ اولیه سیم پیچ تشکیل می شود، به طوری که این ترکیب یک مدار مخزن سری با فرکانس تشدید نزدیک به مدار ثانویه را تشکیل می دهد. به دلیل مدار تشدید اضافی، یک تنظیم دستی و یک تنظیم تنظیم تطبیقی ​​ضروری است. همچنین، معمولاً از یک قطع کننده برای کاهش چرخه کاری پل سوئیچینگ، برای بهبود قابلیت های اوج قدرت استفاده می شود . به طور مشابه، IGBT ها در این کاربرد نسبت به ترانزیستورهای اتصال دوقطبی یا ماسفت ها به دلیل ویژگی های مدیریت توان برترشان، محبوبیت بیشتری دارند. مدار محدود کننده جریان معمولاً برای محدود کردن حداکثر جریان مخزن اولیه (که باید توسط IGBT ها سوئیچ شود) به سطح ایمن استفاده می شود. عملکرد یک DRSSTC را می توان با یک سیم پیچ تسلا با شکاف جرقه ای با توان متوسط ​​مقایسه کرد و راندمان (که با طول جرقه در مقابل توان ورودی اندازه گیری می شود) می تواند به طور قابل توجهی بیشتر از یک سیم پیچ تسلا با شکاف جرقه ای باشد که با همان توان ورودی کار می کند.

جنبه های عملی طراحی [ ویرایش ]

در این بخش هیچ منبعی ذکر نشده است . لطفاً با افزودن نقل قول به منابع معتبر به بهبود این بخش کمک کنید . اطلاعات بدون مرجع ممکن است مشکل ایجاد کرده و پاک شوند . ( آگوست 2015 ) ( نحوه و زمان حذف این پیام الگو را بیاموزید )

این بخش حاوی دستورالعمل‌ها، توصیه‌ها یا محتوای نحوه انجام است . لطفاً به بازنویسی مطالب کمک کنید تا دایره المعارفی تر باشد یا آن را به ویکی دانشگاه ، ویکی کتاب یا ویکی سفر منتقل کنید . ( ژوئن 2018 )

تولید ولتاژ بالا [ ویرایش ]

شماتیک سیم پیچ تسلا

پیکربندی مدار معمولی در اینجا، شکاف جرقه فرکانس بالا را در سراسر اولین ترانسفورماتور که توسط جریان متناوب تامین می شود، کوتاه می کند. یک اندوکتانسی که نشان داده نشده است، از ترانسفورماتور محافظت می کند. این طرح زمانی مورد علاقه است که از یک ترانسفورماتور نشانه نئونی نسبتا شکننده استفاده شود.

پیکربندی مدار جایگزین با خازن موازی با اولین ترانسفورماتور و شکاف جرقه به صورت سری به سیم پیچ اولیه تسلا، ترانسفورماتور تغذیه AC باید بتواند ولتاژهای بالا در فرکانس های بالا را تحمل کند.

یک سیم پیچ بزرگ تسلا با طراحی مدرن تر، اغلب در سطوح اوج توان بسیار بالا، تا چندین مگاوات (میلیون ها وات ، معادل هزاران اسب بخار ) کار می کند. بنابراین نه تنها برای کارایی و صرفه جویی، بلکه برای ایمنی نیز با دقت تنظیم و کار می کند. اگر به دلیل تنظیم نامناسب، حداکثر نقطه ولتاژ در زیر ترمینال، در امتداد سیم پیچ ثانویه رخ دهد، ممکن است یک تخلیه ( جرقه ) بشکند و سیم سیم پیچ، تکیه گاه ها یا اشیاء مجاور را خراب یا از بین ببرد.

تسلا با این و بسیاری دیگر از پیکربندی‌های مدار آزمایش کرد (راست را ببینید). سیم پیچ اولیه سیم پیچ تسلا، شکاف جرقه و خازن مخزن به صورت سری به هم متصل می شوند. در هر مدار، ترانسفورماتور تغذیه AC خازن مخزن را شارژ می کند تا زمانی که ولتاژ آن برای شکستن شکاف جرقه کافی باشد. شکاف ناگهان شلیک می شود و به خازن مخزن شارژ شده اجازه می دهد تا به سیم پیچ اولیه تخلیه شود. هنگامی که شکاف آتش می گیرد، رفتار الکتریکی هر یک از مدارها یکسان است. آزمایش‌ها نشان داده‌اند که هیچ یک از مدارها مزیت عملکرد مشخصی نسبت به دیگری ارائه نمی‌دهند.

با این حال، در مدار معمولی، عمل اتصال کوتاه شکاف جرقه مانع از "پشتیبان گیری" نوسانات فرکانس بالا به ترانسفورماتور تغذیه می شود. در مدار متناوب، نوسانات فرکانس بالا با دامنه بالا که در سرتاسر خازن ظاهر می‌شوند نیز روی سیم‌پیچ ترانسفورماتور تغذیه اعمال می‌شوند. این می تواند باعث تخلیه تاج در بین پیچ ها شود که عایق ترانسفورماتور را ضعیف و در نهایت از بین می برد. سازندگان سیم پیچ تسلا باتجربه تقریباً به طور انحصاری از مدار بالایی استفاده می کنند و اغلب آن را با فیلترهای پایین گذر (شبکه های مقاومت و خازن (RC)) بین ترانسفورماتور تغذیه و شکاف جرقه تقویت می کنند تا از ترانسفورماتور تغذیه محافظت کنند. این امر به ویژه در هنگام استفاده از ترانسفورماتورهایی با سیم پیچ های ولتاژ بالا شکننده، مانند ترانسفورماتورهای علامت نئون (NST) مهم است. صرف نظر از اینکه از کدام پیکربندی استفاده می شود، ترانسفورماتور HV باید از نوعی باشد که جریان ثانویه خود را با استفاده از اندوکتانس اتصال کوتاه داخلی محدود کند . یک ترانسفورماتور ولتاژ بالا معمولی (با اندوکتانس اتصال کوتاه) برای محدود کردن جریان باید از یک محدود کننده خارجی (که گاهی اوقات بالاست نامیده می شود) استفاده کند. NST ها به گونه ای طراحی شده اند که اندوکتانس اتصال کوتاه بالایی دارند تا جریان اتصال کوتاه خود را به سطح ایمن محدود کنند.

تنظیم [ ویرایش ]

فرکانس تشدید سیم پیچ اولیه با استفاده از نوسانات کم توان با فرکانس ثانویه تنظیم می شود، سپس توان را افزایش می دهد (و در صورت لزوم دوباره تنظیم می کند) تا زمانی که سیستم به درستی در حداکثر توان کار کند. در حین تنظیم، یک برجستگی کوچک (به نام «برآمدگی برآمده») اغلب به پایانه بالایی اضافه می‌شود تا تخلیه‌های کرونا و جرقه (که گاهی به آن استریمر گفته می‌شود) در هوای اطراف تحریک شود. سپس می‌توان تنظیم را به گونه‌ای تنظیم کرد که طولانی‌ترین پخش‌کننده‌ها در یک سطح توان معین، مربوط به تطابق فرکانس بین سیم‌پیچ اولیه و ثانویه باشد. "بارگذاری" خازنی توسط استریمرها باعث کاهش فرکانس تشدید یک سیم پیچ تسلا می شود که با قدرت کامل کار می کند. بارگذاری بالای حلقوی اغلب به اشکال دیگر مانند یک کره ترجیح داده می شود. یک حلقوی با قطر اصلی که بسیار بزرگتر از قطر ثانویه است، شکل گیری بهتر میدان الکتریکی در بارگذاری بالا را فراهم می کند. این امر محافظت بهتری از سیم پیچ ثانویه (در برابر ضربه های مخرب استریمر) نسبت به کره ای با قطر مشابه فراهم می کند. و، یک toroid کنترل نسبتاً مستقل ظرفیت خازن بار بالا در مقابل ولتاژ شکست جرقه را امکان پذیر می کند. ظرفیت یک توروئید عمدتاً تابعی از قطر اصلی آن است، در حالی که ولتاژ شکست جرقه عمدتاً تابعی از قطر کوچک آن است. گاهی اوقات از یک نوسانگر شیب شبکه (GDO) برای کمک به تسهیل تنظیم اولیه و کمک به طراحی استفاده می شود. تعیین فرکانس تشدید ثانویه می تواند دشوار باشد مگر با استفاده از یک GDO یا سایر روش های تجربی، در حالی که ویژگی های فیزیکی اولیه به طور دقیق تر تقریب های یکپارچه طراحی مخزن RF را نشان می دهد. در این طرح، فرکانس ثانویه تا حدودی خودسرانه به تقلید از طرح‌های موفق دیگر ساخته می‌شود، یا به طور کامل با منابع موجود، فرکانس تشدید آن اندازه‌گیری می‌شود و اولیه متناسب با آن طراحی می‌شود.

تخلیه هوا [ ویرایش ]

یک سیم پیچ کوچک و جدید تسلا در حال کار: خروجی جرقه های 43 سانتی متری (17 اینچ) می دهد. قطر ثانویه 8 سانتی متر (3.1 اینچ) است. منبع تغذیه یک منبع تغذیه 10000 ولت با جریان محدود 60 هرتز است .

در سیم پیچ هایی که تخلیه هوا تولید می کنند، مانند سیم پیچ هایی که برای سرگرمی ساخته شده اند، انرژی الکتریکی از ثانویه و حلقوی به عنوان بار الکتریکی، گرما، نور و صدا به هوای اطراف منتقل می شود. این فرآیند شبیه به شارژ یا تخلیه خازن است ، با این تفاوت که سیم پیچ تسلا از جریان متناوب به جای DC استفاده می کند. جریانی که از جابجایی بارها در خازن ایجاد می شود، جریان جابجایی نامیده می شود . تخلیه سیم‌پیچ تسلا در نتیجه جریان‌های جابجایی ایجاد می‌شود، زیرا پالس‌های بار الکتریکی به‌سرعت بین توریید ولتاژ بالا و مناطق مجاور در هوا (به نام مناطق شارژ فضایی ) منتقل می‌شوند. اگرچه نواحی بار فضایی در اطراف حلقوی نامرئی هستند، اما نقش عمیقی در ظاهر و محل تخلیه سیم پیچ تسلا دارند.

هنگامی که شکاف جرقه شلیک می شود، خازن شارژ شده به سیم پیچ اولیه تخلیه می شود و باعث نوسان مدار اولیه می شود. جریان اولیه نوسانی یک میدان مغناطیسی نوسانی ایجاد می‌کند که با سیم‌پیچ ثانویه جفت می‌شود و انرژی را به سمت ثانویه ترانسفورماتور منتقل می‌کند و باعث می‌شود که با ظرفیت توروئید به زمین نوسان کند. انتقال انرژی در چند چرخه اتفاق می افتد، تا زمانی که بیشتر انرژی که در ابتدا در سمت اولیه بود به سمت ثانویه منتقل شود. هرچه جفت مغناطیسی بین سیم‌پیچ‌ها بیشتر باشد، زمان لازم برای تکمیل انتقال انرژی کوتاه‌تر است. همانطور که انرژی در مدار ثانویه نوسانی ایجاد می شود، دامنه ولتاژ RF حلقوی به سرعت افزایش می یابد و هوای اطراف حلقوی شروع به تجزیه دی الکتریک می کند و یک تخلیه تاج تشکیل می دهد.

همانطور که انرژی سیم پیچ ثانویه (و ولتاژ خروجی) همچنان افزایش می یابد، پالس های بزرگتر جریان جابجایی بیشتر یونیزه می شوند و هوا را در نقطه شکست اولیه گرم می کنند. این یک "ریشه" بسیار رسانای الکتریکی از پلاسمای داغتر را تشکیل می دهد که یک رهبر نامیده می شود و از حلقوی به سمت بیرون بیرون می زند. پلاسمای درون لیدر به طور قابل توجهی گرمتر از ترشحات کرونا است و به طور قابل توجهی رساناتر است. در واقع خواص آن شبیه قوس الکتریکی است . لیدر مخروطی می شود و به هزاران ترشحات نازک تر، خنک تر و مو مانند (به نام استریمر) منشعب می شود. استریمرها مانند یک «مه آبی» در انتهای لیدرهای درخشان تر به نظر می رسند. استریمرها بار را بین لیدرها و توریید به نواحی شارژ فضایی مجاور منتقل می کنند. جریان‌های جابجایی جریان‌های بی‌شماری همگی به لیدر وارد می‌شوند و به گرم نگه داشتن آن و رسانایی الکتریکی آن کمک می‌کنند.

سرعت شکست اولیه سیم‌پیچ‌های تسلا در مقایسه با فرکانس رزونانس مجموعه تشدیدکننده-توده بار آهسته است. هنگامی که سوئیچ بسته می شود، انرژی از مدار LC اولیه به رزوناتور منتقل می شود که در آن ولتاژ در مدت زمان کوتاهی زنگ می زند و در تخلیه الکتریکی به اوج خود می رسد. در یک سیم پیچ تسلا با شکاف جرقه، فرآیند انتقال انرژی اولیه به ثانویه به طور مکرر با نرخ پالس معمولی 50-500 بار در ثانیه، بسته به فرکانس ولتاژ خط ورودی، اتفاق می افتد. با این نرخ‌ها، کانال‌های رهبر که قبلاً شکل گرفته‌اند، فرصتی برای خنک شدن کامل بین پالس‌ها ندارند. بنابراین، در پالس‌های متوالی، تخلیه‌های جدیدتر می‌توانند بر روی مسیرهای داغ باقی مانده توسط پیشینیان خود ایجاد شوند. این باعث رشد فزاینده لیدر از یک پالس به پالس دیگر می شود و کل تخلیه را در هر پالس متوالی طولانی می کند. ضربان مکرر باعث می شود تخلیه ها رشد کنند تا زمانی که میانگین انرژی موجود از سیم پیچ تسلا در طول هر پالس، میانگین انرژی از دست رفته در تخلیه ها (بیشتر به عنوان گرما) را متعادل کند. در این مرحله، تعادل دینامیکی حاصل می شود و تخلیه ها به حداکثر طول خود برای سطح توان خروجی سیم پیچ تسلا رسیده اند. به نظر می رسد ترکیب منحصر به فرد یک پوشش فرکانس رادیویی با ولتاژ بالا و پالس های مکرر برای ایجاد دبی های طولانی و انشعاب که به طور قابل توجهی طولانی تر از آنچه در غیر این صورت با توجه به ملاحظات ولتاژ خروجی به تنهایی انتظار می رود، مناسب است. تخلیه های ولتاژ بالا و کم انرژی تخلیه های رشته ای چند شاخه ای ایجاد می کنند که به رنگ آبی مایل به ارغوانی هستند. تخلیه‌های پرانرژی و ولتاژ بالا، تخلیه‌های غلیظ‌تری با شاخه‌های کمتر ایجاد می‌کنند، کم رنگ و درخشان هستند، تقریباً سفید هستند و به دلیل افزایش یونیزاسیون بسیار طولانی‌تر از تخلیه‌های کم انرژی هستند. بوی شدید ازن و اکسیدهای نیتروژن در منطقه به مشام خواهد رسید. عوامل مهم برای حداکثر طول تخلیه به نظر می رسد ولتاژ، انرژی و هوای ساکن با رطوبت کم تا متوسط ​​باشد. مطالعات علمی نسبتا کمی در مورد شروع و رشد تخلیه‌های RF با فرکانس پایین پالسی وجود دارد، بنابراین برخی از جنبه‌های تخلیه هوای سیم‌پیچ تسلا در مقایسه با تخلیه‌های DC، فرکانس برق AC، ضربه HV و تخلیه صاعقه به خوبی درک نشده‌اند.