Teslakäämi
Wikipedia
Teslamuuntajat (engl. Tesla coil) ovat elektronisia suurjännitelaitteita, jollaisia jotkin taitavimmat harrastajat rakentavat huvikseen. Teslamuuntaja on nimetty keksijänsä Nikola Teslan mukaan. Alkuperäinen teslamuuntajan ensiöpiiri koostuu kondensaattorin ja kelan muodostamasta LC-oscillaattorista, jonka taajuus on viritetty vastaamaan toisiopiirin taajuutta, ja kipinävälikytkimestä, joka kytkee värähtelypiiriä päälle ja pois. Toisiopiiri koostuu toisiokäämistä ja toroidista, joka sijaitsee toision huipulla. Toroidin tehtävänä on lisätä toision värähtelypiiriin kapasitanssia. Toisiopiiriä kutsutaan usein "resonaattoriksi".
Harrastelijat ovat kehittäneet useita elektronisia korvikkeita perinteisessä muuntajassa käytetylle kipinävälikytkimelle. Jokaiselle topologialle on annettu oma kirjainlyhenne. Näitä ovat esim. DRSSTC (Dual Resonant Solid State Tesla Coil), ISSTC (Interrupted Solid State Tesla Coil), SSTC (Solid State Tesla Coil), OLTC (Of Line Tesla Coil) ja VTTC (Vacuum Tube Tesla Coil). Yleisimmin ensiöpiirin kytkemiseen näissä käytetään joko H-siltaa (H-bridge, Full-Bridge), tai puoli-siltaa (Half-bridge). VTTC käyttää suurtehoisia elektroniputkia ja OLTC suuritehoista IGBT-transistori "harkkoa".
Sisällysluettelo |
[muokkaa] Perinteisen teslamuuntaja (SGTC) toiminta
Kun teslamuuntajaan kytketään virta, alkaa piirin kondensaattori varautua. Kun kondensaattori on varautunut ennalta asetettuun jännitteeseen (usein n. 8-12kV), laukeaa kipinävälikytkin joka kytkee virran ensiökäämiin. Tällöin ensiöpiiri alkaa värähdellä kondensaattorin kanssa. Samalla ensiökäämin korkeataajuinen magneettikenttä saattaa toisiokäämin resonoimaan. Tällöin toisiopiirin napojen välille syntyy suuri jännite-ero, joka varaa toroidin, joka toimii toisiopiirin kondensaattorina. Kun toroidin jännite on noussut kyllin korkeaksi, ei se enää pysty pitämään varausta pinnallaan vaan purkaa energiansa suurena kipinänä.
[muokkaa] SSTC
SSTC on "yksinkertaisin" elektroninen teslamuuntaja. Siinä ensiöpiirin kytkemiseen käytetään Mosfet- tai IGBT-transistoreista koostuvaa H- tai puolisiltaa. Sillan ajamiseen tarvittu ohjaussignaali otetaan joko antennin avulla toision muodostamasta elektromagneettisesta kentästä, tai joskus harvoin virtamuuntajan avulla joko ensiö- tai toisiopiirin "maa"-johtimesta. Varsinkin alkuaikoina sillan ohjaaminen suoritettiin "kiinteällä" oskillaattorilla. Tässä ajotavassa on ongelmana se, että jos oskillaattorin ja ajettavan resonaattorin taajuusero on suuri, ei silta enää kytkekään ensiöpiirin virran nollakohdissa (ZCS - Zero Current Switching). Tällöin ensiöpiirin jännite saattaa nousta niin korkeaksi, että se ylittää kytkemiseen käytettyjen transistorejen jännitteenkeston. Tällöin on seurauksena sillan tuhoutuminen.
SSTC:ssä on vain yksi resonanssipiiri, toisiopiiri. Koska ensiöpiiri ei sisällä kondensaattoria, ei se myöskään värähtele. Tästä johtuen SSTC onkin jokseenkin rajoittunut, koska ensiöpiiri ei pysty suuremmilla tehoilla hyvin siirtämään energiaa toisiopiiriin. Parhaimmat SSTC:t pystyvät n. 21" kipinöihin 1KW syöttöstä.
[muokkaa] DRSSTC
DRSSTC on SSTC:stä kehittyneempi versio, joka vastaa toimintatavaltaan perinteistä teslamuuntajaa. Siinäkin ensiöpiiriä ajetaan H-sillalla tai puolisillalla, mutta tärkeänä erona siinä on se, että sen ensiöpiiriin on lisätty kondensaattori. Tämän seurauksena ensiökin muodostaa värähtelypiirin. Kun ensiö ja toisiopiirit viritetään värähtelemään samalla taajuudella, saadaan mahdollisimman tehokas energiansiirto. Parhaat DRSSTC:t pystyvät n. 10' mittaisiin purkauksiin (tosin vain usean kilowatin syöttöteholla).
Koska DRSSTC:n ensiö on värähtelypiiri, nousevat siinä sekä virta, että jännite hyvin korkeiksi. Tämän takia niissä käytetäänkin lähes pelkästään IGBT-transistoreja, sillä korkea virta, usein yli 600A, tuhoaa useimmat teho-Mosfetit välittömästi. Teoriassa ensiöpiirin virta voi nousta kymmenkertaiseksi, jos piirin annetaan värähdellä vapaasti. Tästä syystä näissä järjestelmissä käytetäänkin "keskeytintä" (engl. Interrupter) joka antaa ensiöpiirille virtaa lyhyissä, muutamien millisekuntien pulsseissa. Keskeyttimessä on tärkeää, että se kytkee virran pois vain kun ensiön virta on nollassa (ZCS) , tai muuten syntyvä induktiivinen piikki tuhoaa transistorit.
Myös ISSTC toimii hyvin pitkälti samoin tavoin kuin DRSSTC, ainoana erona on se, että ISSTC:n ensiössä ei (tavallisesti) ole kondensaattoria.
[muokkaa] Turvallisuus
Lienee sanomattakin selvää, että toiminnassa olevan teslamuuntajan lähelle ei kannata mennä. Vaikka toisiosta tuleva sähkönpurkaus ei välttämättä aiheutakaan mitään vakavia vaurioita, ainakaan heti, voi se silti vahingoittaa hermoratoja tai aiheuttaa palovammoja. Suurin vaara piileekin sen sijaan perinteisen teslamuuntajan virtalähteinä käytetyissä suurjännitemuuntajissa, jotka pystyvät antamaan useiden kymmenien milliampeerien virtoja, jotkut jopa satojen. Tämä yhdistettynä korkeaan jännitteeseen on tappava yhdistelmä. Lisäksi DRSSTC, SSTC ja OLTC- järjestelmissä käytetty verkkojännite (115VAC tai 230VAC) on eristettävä huolellisesti.
Sähköturvallisuusnäkökohtien lisäksi on huomioitava se, että kaikki teslamuuntajat ovat pohjimmiltaan suuritehoisia radiolähettimiä, eli tehokkaan muuntajan käyttäminen saattaa häiritä radioviestintää, TV-lähetyksiä ja tietoliikennettä yleensä. Lisäksi muuntajan sähköverkkoon aiheuttamat korkeataajuushäiriöt voivat tuhota herkkiä elektronisia laitteita.
Älä rakenna jos et osaa.
