click here for English version

elektro & TC kalkulátor

Nikola Tesla

      Nikola Tesla se narodil v noci z 9. na 10.7.1856 v rodině kněze Milutina Tesly v Gospicu v Chorvatsku. Studoval čtyřletou normální školu, reálné gymnázium, vyšší reálné gymnázium v Carlstadtu kde odmaturoval. Dále studoval polytechnickou univerzitu ve Štýrském Hradci, kde se nepohodl s profesorem fyziky, protože zpochybňoval stejnosměrné komutátorové dynamo. Věděl, že v komutátoru se zbytečně ztrácí energie a byl přesvědčen, že vymyslí efektivnější řešení, jak řekl: "Dokážu, že tento mechanismus je překonán a že věda s ním spojená je již přežitá - Jako že se jmenuji Nikola Tesla!" Vzdělání dokončil studiem filosofie na univerzitě v Praze. Roku 1880 odešel do Budapešti, kde pracoval v telefonní společnosti, o rok později se stal vedoucím první telefonní ústředny v Budě. Dále pracoval v Německu a ve Francii, kde se seznámil s blízkým přítelem Edisona, Charlesem Batchellorem.
      V roce 1884 odjel do Spojených Států, kde dostal práci u Thomase Edisona. Navrhl Edisonovi, že zvýší účinnost jeho dynam alespoň o 20%. Edison mu nabídl odměnu 50000 $. Po několika měsících tvrdé práce zvýšil účinnost všech dynam o 26% - 31% a navíc snížil výrobní náklady. Když pak Edisonovi připomněl slíbenou částku, Edison se mu jen vysmál, že stále ještě nerozumí americkému smyslu pro humor. Tesla se naštval a odešel od něj. S kapitálem od pánů Carmena a Hoadleyho založil Teslovu světelnou společnost, kde zdokonaloval obloukovou lampu na střídavý proud. Tesla propagoval střídavý proud, což se ostatním vůbec nelíbilo. Nakonec ho Carmen propustil s 50ti akciemi. Během hospodářské krize roku 1885 si vydělával jako kopáč.
      Náhodou se seznámil s A.K.Brownem, který byl nadšen pro myšlenku střídavého proudu a poskytl Teslovi peníze na vlastní laboratoř. 16.5.1888 konečně předvedl americkému institutu elektroinženýrů dynama, motory a transformátory na střídavý proud. O jeho vynálezy projevil zájem George Westinghouse se kterým sepsal smlouvu na 1000000 $ za všechny jeho patenty. Edison jako skalní zastánce stejnosměrného proudu bojoval proti Teslovi všemi způsoby. Například nechal utratit toulavá zvířata a popravit jednoho vězně na elektrickém křesle střídavým proudem, aby dokázal jeho nebezpečnost. Poprava se však napoprvé nezdařila a bylo z toho velké fiasko. Roku 1891 Tesla na své druhé přednášce v institutu elektroinženýrů předvedl teslův transformátor s fluorescenčními trubicemi a demonstroval přenos vf energie bez pomocí drátů. Ve své laboratoři pak zřídil bezdrátové osvětlení, kde byly jednotlivé světelné okruhy naladěny na různé frekvence a bylo je tak možné samostatně rozsvěcovat. Přitom také vyslovil ideu o bezdrátovém rozvodu elektřiny v celé zemi, která bude zdarma.
      Roku 1892 mu těžce onemocněla matka a tak odcestoval do Evropy. Přednášel v Londýně a v Paříži. Pár dní po příjezdu do rodné země jeho matka zemřela. Poté odjel se strýcem své matky, starým mnichem, na poustevnu ve Velebici, kde odpočíval a nabíral nové síly. Po příjezdu z Evropy Teslu navštívil Westinghouse a řekl mu o potížích své firmy, která stála proti tvrdé konkurenci obří General Electric a J.P.Morgana a že plnění závazků jejich smlouvy povede během několika měsíců k bankrotu. Tesla pod podmínkou, že Westinghouse bude i nadále prosazovat systém střídavého proudu smlouvu roztrhal. Roku 1894 Westinghouse vyhrál kontrakt na využití Niagarských vodopádů pro vodní elektrárnu a rozvod energie do New Yorku, Teslovi platil 1000 $ měsíčně.
      V půl třetí ráno, 13.3.1895 se Tesla dozvěděl zdrcující zprávu o požáru jeho laboratoře, která kompletně vyhořela. Morganův člověk E.D.Adams mu nabídl spolupráci s jeho společností a 100000 $ za 51% procent zisku z jeho patentů. Tesla přijal a druhý den šel vybírat místo pro svou novou laboratoř. Od Wesinghouse nakoupil nové vybavení a za pár týdnů byla nová laboratoř plně v provozu. Nezávisle na sobě s Roentgenem objevil paprsky X. Pár fotografií kostí své ruky a lebky poslal Roentgenovi na ukázku, ale tento vynález si nijak nenárokoval. V květnu na elektrické expozici před desetitisíci lidmi předváděl dálkově ovládaný model lodi. Ministerstvu obrany nabídl dálkově řízená torpéda, ale ti neměli pro vynález pochopení.
      Roku 1899 odjel do Colorado Springs, kde si nechal postavit dřevěnou laboratoř s 90-ti metrovým stožárem uprostřed. Zde postavil největší teslův transformátor s cívkou o průměru 16 m. Podařilo se mu napodobit bouřku. Při jednom z experimentů došlo náhle k výpadku proudu. Když Tesla zatelefonoval do coloradské elektrárny, zjistil že jejich dynama jsou v plamenech.


      Když přijel zpět do New Yorku, Morgan se začal zajímat o jeho Světový bezdrátový systém. Dohodli se, že mu poskytne peníze na vybudování velké laboratoře, průmyslový park Wardenclyffe. Zde měl být postaven veliký vysílač pro celý svět. Zpočátku Morgan Teslu štědře financoval. V centru byla postavena 90-ti metrová věž. Když však 12.12.1901 Marconi poslal první písmeno přes Atlantik (s vybavením za mnohem méně peněz), Morgan od dohody odstoupil a Tesla se ocitl ve velkých finančních problémech. Jednou na věži se svým asistentem zkoušel zařízení "smrtící paprsek", které chtěl nabídnout ministerstvu obrany. Na 60 sekund vyslal onen paprsek někam do polárních krajů, kde měla procházet Pearyho expedice. Pearyho výprava však nic nezpozorovala. Tesla začal o svém přístroji pochybovat. O pár dní se v novinách objevila šokující zpráva o nevysvětlitelné přírodní katastrofě v tunguzské tundře. Když se Tesla podíval na globus, zjistil že místo katastrofy odpovídalo směru paprsku, pouze bylo o něco dál než čekal. Dobře si byl této ničivé síly vědom a tak přístroj zničil. Po vypuknutí 1. světové války nabídl paprsek přímo prezidentu Wilsonovi, který ho odkázal na ignorantské ministerstvo obrany. Jednou za ním přišel Leninův zástupce a nabízel mu práci v SSSR s tím, že mu zdarma poskytnou všechny prostředky na výzkum. Tesla ale tuto nabídku velkoryse odmítl.
      Roku 1917 Byla dynamitem odpálena věž v opuštěné laboratoři Wardenclyffe. Ke konci života pobýval v různých hotelích a krmil holubi. Poslední léta bydlel v hotelu New Yorker, kde 7.1.1943 ve spánku zemřel. Vzhledem ke svému excentrickému způsobu života kdy spal jen pár hodin denně, byl mnohokrát zasažen proudem (jednou i bleskem), ozářen rentgenovými paprsky, atd. se dožil úctyhodných 86,5 let.

Podle knihy Tad Wise - Tesla, nakladatelství Klokan (v originálu vydalo Turner Publishing, Inc).
Pokud vás životopis tohoto velkého vynálezce zajímá více, zde je autobiografie neznámého původu, zachycující jeho život od mládí asi do šedesáti let.

Teslův transformátor

      Je to vzduchový transformátor pracující na svém vlastním rezonančním kmitočtu sloužící obvykle k výrobě velmi vysokého střídavého napětí. Primární vinutí tvoří pár závitů tlustého drátu, sekundární vinutí pak několik stovek až tisíc závitů tenkého drátu v jediné vrstvě na duté válcové kostře. Jedná se vlastně o dva induktivně vázané rezonanční obvody. Sekundární cívka se svou vlastní indukčností a mezizávitovou kapacitou ( + případně kapacitou vybíjecí elektrody na vrcholu sekundáru) určuje pracovní rezonanční kmitočet f0 = 1/[2*π*Sqrt(L*C)]. Aby docházelo k maximálnímu přenosu energie z primárního obvodu do sekundárního, je třeba primární obvod naladit na tentýž kmitočet. Protože však mezizávitová kapacita primárního vinutí je zanedbatelná, je nutno připojit k primáru vnější kondenzátor. Více teorie zde. Pro usnadnění potřebných výpočtů jsem naprogramoval v PHP jednoduchý elektro & TC kalkulátor. Zbývá otázka, kde vzít dostatečně výkonný zdroj vf energie pro krmení TC. Zde je principiální schéma:
Z vysokonapěťového transformátoru napájeného ze sítě se začne nabíjet kondenzátor (musí se stihnout nabít během jedné půlvlny síťového kmitočtu) a když napětí překročí elektrickou pevnost vzduchu v jiskřišti přeskočí jiskra, která na okamžik připojí kondenzátor k primární cívce (odpor ionizovaného vzduchu je malý) a energie elektrického pole se přemění na magnetické pole kolem primáru. Při zániku magnetického pole se část energie "přelije" do sekundárního rezonančního obvodu a část se vrátí zpět do kondenzátoru. Na sekundární straně vznikají tlumené kmity jako na oscilogramu výše. Pokud je indukované napětí dostatečné, dochází k sršení do vzduchu. Takto vzniklé vf napětí (a vf pole kolem cívky) má jiné vlastnosti než z klasických vn zdrojů, lze s ním rozsvěcet na dálku různé plynem plněné trubice a spoustu dalších efektů. Dokonce ani "nekope" (proud teče po povrchu těla - skinefekt), zato vás však může nepříjemně popálit. Ale i přes to je třeba být maximálně opatrný, protože na primárním okruhu, v kondenzátorech, a dalších obvodech je obvykle smrtelně nebezpečné napětí. Pro základní seznámení s SGTC doporučuju přečíst tento dokument: James Kelly - Tesla Coil Theory.

dizklajmr: autor nenese žádnou odpovědnost za jakékoliv škody způsobené experimentováním se zde popsanými elektrickými zařízeními.

      Vysoké napětí a výboje mě vždy fascinovaly (a neméně tak nádherné divadlo bouřky, které dokáže vytvořit sama příroda). Postavil jsem mnoho různých udělátek, např. ze zapalovací cívky automobilu, vn trafa z televize a pod., ale teprve nedávno (v roce 2001), když jsem objevil Teslův transformátor, jsem našel to pravé. U nás je to zařízení poměrně neznámé a na českém Internetu o něm není téměř ani slovo a tak doufám, že to tato stránka alespoň částečně napraví. Naopak v Německu, Anglii nebo USA se jedná o populární "hračku", kterou si staví mnoho amatérů. V Anglii se dokonce od roku 1998 koná každoročně sjezd stavitelů transformátorů TESLATHON. V roce 2008 se konal první Teslathon v České republice.
      Když jsem na webu načerpal dost informací, pustil jsem se do stavby vlastního transformátoru. Jako kostra sekundárního vinutí posloužila PVC trubka průměru 40 mm a výšky 290 mm. Na ní jsem namotal ručně kolem 900 závitů drátu CuL d = 0,28 mm ze starého relé a celé pak nalakoval roztokem kalafuny v lihu pro lepší izolaci. Primár jsem namotal z 3,5mm holého Cu drátu, kterého jsem měl kolem 2 m. Jako formu pro vinutí jsem použil zavařovací sklenici. Poprvé jsem namotal asi 8 závitů na průměr 70 mm a pak zjistil, že mi jiskry přeskakují mezi vrchem primáru a sekundárem, takže jsem to musel převinout na větší průměr. Nyní je to 4,5 závitu na 120 mm. Celé to drží ve stojánku z plexiskla. Vybíjecí elektroda na vrchu je tenisák obalený alobalem. Rezonanční frekvenci jsem změřil na 1,26 MHz. S výpočtem primární indukčnosti a kapacity vám pomůže tento prográmek nebo online kalkulačka, kterou jsem naprogramoval později.

můj první TC

      Výroba trafa není nijak obtížná (akorát těch 900 závitů jsem motal 2 hodiny), ale pak následoval problém s buzením. Jako první jsem zkoušel klasické jiskřiště. K napájení sloužilo 200W trafo na 10 kV (ještě lépe se hodí rozptylová trafa pro neony). S kondenzátorem je však problém - sehnat 7 nF / 10 kVAC s malými ztrátami a velkým du / dt je docela problém. Nakonec jsem vyhrabal dva impulsní kondenzátory 1 nF / 15 kVAC, které jsem spojil paralelně. Dalším řešením jsou rozměrné leydenské lahve a nebo sérioparalelní kombinace spousty malých kondenzátorů tzv. MMC - Multi Mini Capacitor. Jiskřiště lze postavit na spoustu způsobů. Jako první jsem vyzkoušel dvě ocelové kuličky, které se mi však po pár vteřinách provozu teplem odpájely. Oblíbené je trubkové jiskřiště, kde se jiskra roztrhne na několik menších jisker mezi řadou měděných trubkek, které se lépe chladí. S touto konfigurací jsem dosáhl jisker délky až 5 cm, což je poměrně málo, patrně díky nedostatečné kapacitě kondenzátoru a výkonu napájecího trafa. Nejvychytanějším vynálezem je rotační jiskřiště, kde se pár elektrod otáčí proti stojícímu páru a k přeskoku dojde v okamžiku, kdy leží na společné ose. Rychlé otáčení zabraňuje hoření oblouku, ionizaci a navíc lze změnou otáček a počtem elektrod měnit frekvenci záblesků. Budiče s jiskřištěm mají výhodu, že jsou velmi jednoduché a lze je postavit i pro veliké výkony, na které žádné polovodiče dosud nestačí nebo jsou nedostupné. Mají ale také spoustu nevýhod:

• veliká hlučnost (zátky do uší příjdou vhod)
• velké nároky na kondenzátor
• opalování elektrod jiskřiště a ionizace (produkuje hodně ozónu)
• potřeba vysokého napětí na primární straně
• na jiskry se nedá moc sahat, pěkně to kope
• nelze moc dobře v širokém rozsahu regulovat výkon
• široké spektrum EMI rušení

Ale jsou zde i jiné možnosti. Funkci jiskřiště může převzít polovodičový spínač nebo elektronka. Budiče lze rozdělit do několika základních kategorií:

• SGTC - klasické buzení s jiskřištěm jak bylo popsáno výše.
• SSTC - buzení pomocí polovodičových součástek (BJT, MOSFET, IGBT), kde spínací součástka mění svůj stav během každé půlperiody vf kmitu. K napájení obvykle slouží přímo usměrněná síť (odpadá VN trafo) nebo baterie či libovolný SS zdroj. Existují různé topologie zapojení: flyback, polomost, H-můstek, oscilátor ve třídě E, atd. v široké škále výkonů od pár wattů po několik kW. Dále se občas používá obvod s laděným primárem jako sériový rezonanční obvod - DRSSTC. Pro zvýšení efektivity se také používá pulsní modulace vf kmitů pomocí elektronického přerušovače - ISSTC. Tím je možno značně zvýšit impulsní výkon (a délku výbojů) při zachování nízkého středního výkonu (méně zahřívání a stresování součástek). Obvykle se tak spojují oba principy do DRISSTC. U elektronických budičů je možno snadno docílit nejen impulsní, ale i spojité modulace, a připojit např. audiosignál k vytvoření zajímavého efektu hrajících výbojů (toho se skutečne seriózně využívá u plazmových výškových reproduktorů).
• OLTC - využívá taktéž polovodičový spínač (většinou výkonový IGBT modul) nebo tyratron, ale narozdíl od SSTC je sepnut po celou dobu tlumeného kmitání TC jako přesná analogie jiskřiště. K napájení používá usměrněnou (případně zdvojenou) síť.
• VTTC - oscilátor s výkonovou elektronkou (trioda, tetroda, pentoda) v jejímž anodovém obvodu je zapojen laděný primární obvod TC (zde paralelní rezonanční obvod). K napájení se u větších lamp obvykle používá transformátor z mikrovlky. VTTC lze také s výhodou doplnit o přerušovací obvod - IVTTC. Audiomodulace je zde také možná, ale vyžaduje větší výkon zdroje modulačního signálu.

Já se nejvíce věnuji konstrukci SSTC a VTTC, zde jsou odkazy na moje projekty:

SSTC	VTTC	miniTC	BigTC
induktor	microTC	MegaTC	dirtyVTTC

      Setkání stavitelů TC v České republice:
1. Teslathon 19.-20.7.2008
2. Teslathon 11.-12.10.2008
3. Teslathon 3.-5.4.2009
153. Teslovy narozeniny na Google 10.7.2009
4. Teslathon 12.-13.9.2009
5. Teslathon 6.-8.8.2010
6. Teslathon 20.-21.8.2011
7. Teslathon 18.-19.8.2012, report od Ivoše
8. Teslathon 27.-29.9.2013
9. Teslathon 5.-7.9.2014, report od LTXe
10. Teslathon 11.-13.9.2015
11. Teslathon 16.-18.9.2016
12. Teslathon 22.-24.9.2017
13. Teslathon 21.-23.9.2018
14. Teslathon 13.-15.9.2019

      Další informace a krásné fotky najdete na mnoha zahraničních stránkách sdružených jako Tesla Coil webring. Zde je i pár odkazů na nově vzniklé české stránky:

Diskusní fórum: http://www.okoun.cz/boards/vysoke_napeti http://elektronika.kvalitne.cz (Standa) http://ok1imj.goo.cz/ether/tesla/tesla.htm (Tomáš) http://www.pokusy.chytrak.cz/pokusy.htm (Silvestr) http://danyk.cz (Danyk) http://www.tosi.cz/tc.html (Milan) http://www.sweb.cz/teslacoil (Michal and Radek) http://www.meduza.czechian.net (Medůza) http://elektrolab.wz.cz (Jerry, David) http://www.elektrodilna.wz.cz (Worlik) http://www.emartinka.cz/index.asp?... (LTX) http://www.vn-experimenty.eu (Jakub) http://core.g6.cz/tesluv-transformator (Core) http://www.teslatron.pjweb.cz (Teslatron) http://brmlab.cz/project/tesla_coil (Brmlab)

TeslaMania Message Board 4HV.org forum flashová hra Tesla :-)

Pro lepší orientaci je zde přehled pár nejpoužívanějších anglických zkratek a termínů:

AC - Alternate Current	- střídavý proud
AWG# - American Wire Gauge	- standard průměrů drátů v USA.
arc	- oblouk, obloukový výboj
BPS - Breaks Per Second	- počet zážehů jiskřiště za vteřinu
choke	- tlumivka
class-E oscillator	- oscilátor ve třídě E (vyznačuje se měkkým spínáním a účinností až 90%)
CW - Continuous Wave	- režim provozu TC s netlumenými kmity (SSTC, VTTC)
current draw	- proudový odběr
DC - Direct Current	- stejnosměrný proud
device	- zařízení
discharge	- výboj
DRSSTC - Double Resonant SSTC	- SSTC s laděným primárním obvodem
DST - Diode-Split Transformer	- VN transformátor z CRT televize či monitoru s integrovaným usměrňovačem
enameled wire	- smaltovaný drát
filament	- žhavení (elektronky)
flyback transformer	- VN transformátor z CRT televize či monitoru
gauge	- průměr (drátu)
grid	- mřížka (elektronky)
HV - High Voltage	- vysoké napětí
IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistor	- bipolární tranzistor ovládaný MOSovým hradlem.
IGDT - Inert Gas Discharge Tube	- výbojová trubice s inertním plynem
IHVT - Integrated High Voltage Transformer	- VN transformátor z CRT televize či monitoru s integrovaným usměrňovačem
impedance matching	- impedanční přizpůsobení
inductive/capacitive coupling	- induktivní/kapacitní vazba
ISSTC - Interrupted SSTC	- SSTC s pulsní modulací - elektronickým přerušovačem
line filter	- vstupní síťový filtr proti vysokofrekvenčnímu rušení
LOPT - Line OutPut Transformer	- VN transformátor z CRT televize či monitoru
mains	- elektrická síť
MMC - Multi Mini Capacitor	- kondenzátor složený z kombinace menších kondenzátorů
MOT - Microwave Owen Transformer	- transformátor z mikrovlnky
NST - Neon Sign Transformer	- transformátor pro neonové reklamy
OBIT - Oil Burn Ignition Transformer	- zapalovací transformátor olejového topení
OCD - Over Current Detector	- obvod detekce nadproudu, nadproudová ochrana
OLTC - Off-Line Tesla Coil	- teslův transformátor s IGBT buzením napájený ze sítě
plate	- anoda (elektronky)
QCW - Quasi-Continuous Wave	- režim provozu TC s řízenou modulací napájecího napětí (SSTC, VTTC)
rectifier	- usměrňovač (střídavého proudu)
RF/RFI - Radio Frequency/Interference	- vysoká frekvence/vysokofrekvenční rušení
RF bypass/blocking	- přemostění/blokování pro vysokofrekvenční proudy
RF ground	- uzemnění pro vysokofrekvenční proudy
RMS - Root Mean Square	- efektivní hodnota
RSG - Rotary SparkGap	- rotační jiskřiště
streamer	- dlouhá jasná jiskra
staccato	- přerušovaný režim provozu (VTTC)
static sparkgap	- statické jiskřiště
stray capacitance	- parazitní kapacita
stray inductance	- parazitní indukčnost
SSTC - Solid State Tesla Coil	- teslův transformátor s polovodičovým budičem
TC - Tesla Coil	- teslův transformátor
tank capacitor	- kondenzátor v primárním obvodu
tap	- odbočka (vinutí)
topload	- kapacitní zátěž na sekundáru TC-vybíjecí elektroda
TVS - Transient Voltage Supressor	- součástka zajišťující přepěťovou ochranu
turn	- závit
variac	- regulační transformátor
voltage doubler	- zdvojovač napětí
VTTC - Vacuum Tube Tesla Coil	- teslův transformátor s elektronkovým budičem
winding	- vinutí
XFMR - Transformer	- transformátor

Tesla Coil Web Ring [Prev] [Next] [Random] [List Sites] [Join the Tesla Coil Web Ring]