Створення та дослідження високовольтного трансформатора

Створення та дослідження високовольтного трансформатора

1 Схема пристрою

Після огляду та опрацювання літературних джерел для виготовлення трансформатора була використана найпростіша схема трансформатора Тесли (рис.1). Це обумовлено тим, що конструкція повинна бути такою, щоб її міг побудувати будь-який вчитель в сільській школі.

Рис.1. Схема найпростішого трансформатора Тесла

Трансформатор Тесли складається з двох котушок — первинної L_P  та вторинної L_S. В ролі розрядника виступає транзистор КТ805А (табл. 1). Габарити транзистора наведено на рис. 2.2. 

Подача живлення 12-30 В на схему здійснюється від джерела змінної напруги 220 В через конвертор.

Рис. 2. Габарити транзистора КТ 805

Таблиця 1

Параметри транзистора КТ 805

Схема працює за таким принципом: спочаткузаряд накопичується на конденсаторах, після чого транзистор підсилює напругу з 24 В до 54 В. Також транзистор виступає в ролі перервника. Первинна котушка зєднана з колектором транзистора, яка утворює індуктивний струм. Вторинна катушка зєднана з базою транзистора яка дає слабкий сигнал і він підсилюється первинною котушкою.

2. Обчислення параметрів схемних елементів

Напруга, яка виникає у вторинній обмотці, визначається за формулою 1:

    (1)

де індексом P позначені величини, що стосуються первинної обмотки, а індексом S — відповідні величини для вторинної обмотки, U — напруга, N — кількість витків, I — сила струму.

Тобто, якщо 54 B, 4, 1536, то

=2073 В.

При струмі в первинній котушці , струм в вторинної котушці буде

= 1.3 мA.

Це ненапружений режим роботи для всієй схеми.

Номінали конденсаторів C_P = 3300мкФ в кількості n = 3 (9900 мкФ) та С_к = 0,1 мкФ вибиралися за умови отримання в первинної котушці частоти ν =1 МГц, яка задовольняє рівняння (1.1). Тому кількість витків первинної котушки та її габарити обраховувалися так, щоб індуктивність склала

 (2)

За для цього первинна котушка складається з n₁ = 4 витків мідного проводу радіусом кільця R₁ = 1,5 см з поперечним перерізом d_p = 4,5 мм та вторинної – з n₂ = 1525 витків мідного проводу R₂ = 4см з поперечним перерізом d_s = 0,4 мм.

Первинна котушка має циліндричну (вертикальну) форму, вторинна котушка знаходиться в середині первинної та являється набагато більшою за висотою. На відміну від звичайних трансформаторів, тут немає  феромагнітного сердечника. Таким чином, взаємоіндукція між двома котушками є набагато меншою, ніж у трансформаторів з феромагнітним осердям.

Вторинна котушка також утворює коливальний контур, де роль конденсатора головним чином виконують ємність терміналу і власна міжвиткова ємність самої котушки. Сумарний опір вторинної котушки становить R=183 Ом. При виготовленні на токарних верстатах (рис. 3-4) вторинної обмотки вона була покрита шаром лаку для запобігання виникненню електричного пробою.

Таким чином, основою трансформатора Тесли є два взаємопов'язаних коливальних контури, що і визначає його особливі властивості та є головною його ознакою. Для повноцінної роботи трансформатора ці два коливальних контури повинні бути налаштовані на одну резонансну частоту. Тому в процесі налагодження роботи схеми підлаштовувався первинний контур під частоту вторинного шляхом зміни ємності конденсатора і кількості витків первинної обмотки до отримання максимальної напруги на виході трансформатора.

Рис. 3. Використання токарного верстата для виготовлення на паперової гільзі вторинної обмотки трансформатора

Рис.4. Вигляд вторинної котушки

Вигляд високовольтного блоку трансформатора Тесла наведено на рис.5.

Рис.5. Трансформаторний блок

 Для з’ясування частоти виготовленого високовольтного трансформатора Тесла була складена вимірювальна схема, компонентами якої були цифрової 100 МГц осцилограф TPS 2014 B (рис.6) та зонд у вигляді дротяного кільця. Спочатку вимірювався спектр коливань в первинної котушці, а потім й у вторинної.

Рис.6. Осцилограф TPS 2014 B

 Спектр електромагнітних коливань в первинної котушці трансформатора наведено на рис.7. (при відключеної вторинної), спектр вторинної – на рис.8.

Рис.7. Спектр первинної котушки трансформатора Тесла

Рис.8. Спектрограма вторинної котушки трансформатора Тесла

 Як бачимо, спектр частот в контурах майже однаковий: основна гармоніка контурів склала 840 кГц, що підтверджує зроблені розрахунки та підтверджує, що виготовлений трансформатор є резонанс-трансформатором Тесла.