Первая часть этой статьи была обзорной. Теперь пора перейти к чему-то более практическому. В этой части я расскажу про принцип работы Трансформатора Тесла на разряднике  — SGTC.

История и описание

SGTC (Spark Gap Tesla Coil), СГТЦ, Трансформатор Тесла на разряднике (или, что то же самое, на искровом промежутке) – это исторически самый первый вид трансформаторов Тесла. Сам Никола изготавливал только такие трансформаторы. В том числе и знаменитый “Уорденклиф” был построен по топологии SGTC.

Если взглянуть на схему, то этот вид трансформаторов покажется довольно простым. Однако практическая реализация этой схемы требует довольно труднодоступных и дорогих деталей. Тем не менее, сегодня этот тип остается самым распространенным. Причиной тому – очень красивые “ветвистые” и длинные стримеры. Этот вид обладает самым высоким отношением длина разряда/сложность изготовления.

Принцип функционирования

Изначально ток, отдаваемый высоковольтным трансформатором T1 заряжает конденсатор Cp через дроссель L1. Чем меньше индуктивность дросселя и емкость конденсатора, тем быстрее происходит заряд.

Со временем, напряжение на конденсаторе становится настолько высоким, что происходит пробой разрядника. Дуга в разряднике — прекрасный проводник, поэтому конденсатор Cp и катушка Lp оказываются соединены, образуя параллельный колебательный контур (Как только дуга разрывается, колебательный контур перестает существовать). Благодаря энергии, которая содержалась в конденсаторе, в этом контуре происходят колебания.

Во время этих колебаний, конденсатор и катушка обмениваются энергией, часть которой рассеивается в виде тепла в обмотке Lp, а часть создает светошумовые эффекты в разряднике. 🙂

Первичная и вторичная обмотки расположены рядом и поэтому, между ними существует магнитная связь. Благодаря этой связи, колебания тока в первичной обмотки наводят ток во вторичной обмотке.

Индуктивность Ls и емкость Cs ( Cs – сумма собственной емкости вторичной обмотки и тороида ) образуют еще один параллельный колебательный контур. Этот контур называется вторичным. Номиналы всех компонентов выбираются так, чтобы резонансные частоты первичного и вторичного контуров совпадали.

Энергия передается из первичного контура во вторичный, и, со временем, вся она окажется там. Этот момент называется “узел энергии первичной обмотки”. Амплитуда колебаний и тока и напряжения первичной обмотки в этот момент становятся равной нулю. Однако процесс обмена энергии на этом не заканчивается.

В идеальной ситуации когда ток через первичную обмотку прекращается, разрядник G1 перестает проводить ток. К сожалению, на практике этого очень сложно добиться, разрядник продолжает проводить. Из-за этого, энергия возвращается обратно из вторичной обмотки в первичную. Так-же, как и в предыдущем абзаце, существует такой момент, когда вся энергия вторичной обмотки возвратиться обратно (этот момент называется узлом энергии вторичной обмотки). Энергия будет переходить из одного контура в другой до тех пор пока дуга в разряднике G1 не погаснет.

Когда дуга погаснет, оставшаяся энергия окажется “запертой” во вторичном контуре и постепенно рассеется, а конденсатор Cp начнет опять заряжаться через дроссель L1.

Дальше все повториться снова. Частоту повторений этого цикла называюти BPS (Beats Per Second, Разрядов в секунду).

Чем сильнее связаны контура (чем ближе одна катушка к другой), тем быстрее контура будут обмениваться энергией. Сильно маленький коэффициент связи ( меньше 0.05 ) приведет к тому, что вся энергия рассеется в первичном контуре, так и не добравшись во вторичный. Большой коэфицент связи потребует расположить первичную и вторичную обмотки рядом, из-за чего между ними будут проскакивать стримеры.

Квенчинг

Быстрое размыкание разрядника (в течении нескольких узлов) является индикатором хорошо настроенной теслы, оно означает, что вся энергия буквально сразу-же уходит в стример, а не расходуется на разрушение деталей теслы и создание шума в разряднике.

Затухание дуги разрядника англоязычные коллеги называют quenching (“квенчинг“).

Добиться хорошего квенчинга можно:

• Выбором подходящего размера тороида, положения и размера разрядника
• Посредством изготовления разрядника из массивных деталей с большей рассеиваемой мощностью, принудительным его разрыванием.
• Понижением тока в первичном контуре. Это можно сделать, используя большую Lp, и маленькую Cp. Правда, в таком случае, для сохранения мощности придется увеличить напряжение трансформатора T1.

Разделение частот

Даже если оба контура (и первичный и вторичный) по отдельности имели одинаковую резонансную частоту, все меняется при появлении между контурами магнитной связи. Каждая катушка “видит” часть емкости противоположного контура, из-за этого резонансные частоты контуров расползаются. Чем больше коэффициент связи, тем большую часть емкости видит противоположная катушка и тем больше расползаются резонансные частоты.

Скомпенсировать этот эффект можно уменьшением коэффициент связи обмоток. Дополнительно почитать про это можно тут. Гугл тоже очень много знает про связанные контура

…на пальцах
Связанные контура удобно представлять “на пальцах” как связанные маятники. Более подробно про такую аналогию можно почитать тут https://physics.nad.ru/Physics/Cyrillic/link_txt.htm

Для чего нужен балласт?

Многие начинающие не понимают, для чего нужен балласт. Итак, балласт предназначен для того, чтобы:

• Дать возможность дуге в разряднике G1 потухнуть. Если убрать балласт, разрядник будет замыкать высоковольтный трансформатор и тесла работать не будет.
• Уменьшить ток зарядки емкости Cp. Если этого не сделать, ток через высоковольтный трансформатор может стать совсем неприличными и разрушить его.
• Балласт так-же часто играет роль сетевого фильтра и не позволяет помехам из теслы вернуться в сеть и вывести из строя бытовую технику.

Как видно, балласт очень важная штука. Не забывайте про него!

Типы SGTC

Трансформаторы Тесла на разряднике делятся на несколько подклассов

• ACSGTC – Трансформаторы, которые питаются невыпрямленным сетевым напряжением.

• DCSGTC – Отличается от ACSGTC  тем, что на конденсаторы подается выпрямленное напряжение. Это позволяет увеличить КПД (получать при той-же мощности более длинные стримеры) и сделать трансформатор более стабильным, однако требует более сложных расчетов, и нескольких дополнительных дефицитных компонентов.

Рекомендую почитать еще

1. Знаменитый сайт Ричи https://www.richieburnett.co.uk

Благодарности

Помощь в написании этой статьи оказали

Anton_111 – рецензия. Огромное спасибо!
Skywarrior – правка правописания. Спасибо!