2019 március 25 - hétfő

2.4.18.2. Az Erősítő Adó felépítése

A Tesla trafó továbbfejlesztett változata az Erősítő Adó, melynek elsődleges célja már nem rádiójelek továbbítása volt, hanem a vezeték nélküli energiatovábbítás. A következő sorokban az Erősítő Adó felépítéséről olvashatsz.

Az első “Erősítő” New York városában lett megépítve 1895 és 1898 között, majd 1899-ben megépült Colorado Springs-ben egy még nagyobb “Erősítő”. Ez utóbbi gépezet azt a célt szolgálta, hogy Tesla elvégezhesse a vezeték nélküli telekommunikácós és energiatovábbítással kapcsolatos kísérleteit. Az Erősítő Adó átmérője 51 láb volt és becslések szerint 3,5 – 4 millió voltot állított elő, mely képes volt 30 métert is meghaladó elektromos ívkisüléseket produkálni.

tesla_tower 2.4.18.2. Az Erősítő Adó felépítése

1. ábra. A Wardenclyffe torony

1899-ben Tesla elhatározta, hogy Colorado Springs-be költözik, és ott folytatja a kísérleteit. Ezt a helyet elsősorban azért választotta, mert ott gyakoriak voltak a viharok, szárazabb volt a levegő és alacsonyabb volt a nyomása. A száraz levegő növelte az átütési feszültséget, így az ionizáció magasabb értékeket érhetett el. Tesla naplót vezetett a Colorado Springs-beli kísérleteiről, melyek kilenc hónapig folytak. Az 1899 június 1 és 1900 január 7 közötti időszakot felölelő napló több mint 500 oldalas volt és közel 200 magyarázó ábrát is tartalmazott.

333px-Tesla_colorado 2.4.18.2. Az Erősítő Adó felépítése

2. ábra. Korabeli újságban publikált fotó, melyen a Colorado Springs-i kísérleti állomás látható. Az ívkisülések kb. 7 m hosszúak

A Wardenclyffe Erősítő Adó nagyon jól ismert Tesla szabadalmai és a különböző fényképek alapján. Az Erősítő Adó nem ugyan az, mint a Tesla tekercs. Az Erősítő Adónak ugyan a Tesla tekercshez hasonlóan egy rövid primer és egy hosszabb szekunder tekercse volt, de ezek már jóval szorosabban voltak csatolva egymáshoz. Ebből eredően az elsődleges szikra enyhítéséhez jóval szigorúbb szabályokat kellett alkalmazni a primer és szekunder tekercsek között. Ezen kívül a fő oszcillátort alkotó két nagy tekercsen kívül Tesla egy harmadik tekercset is alkalmazott, amit “extra tekercs”-nek hívott. Tesla az Erősítő Adóval folytatott kísérletei során folyamatos és megszakított hullámokkal dolgozott.

Az Erősítő Adó felépítése

A klasszikus Tesla tekercsben a primer tekercs hajtja meg a szekunder tekercs földelt végét a meghajtó trafón keresztül. Az Erősítő Adónál a szekunder meghajtó és rezonáló részei el vannak különítve egymástól. Az áramkör elemzése szempontjából nincs különbség a klasszikus tekercs és az Erősítő Adó között.

Az Extra tekercset vagy más néven gömbrezonátort fizikailag el lehet különíteni a két szorosan csatolt tekercstől, melyek a fő oszcillátor szerepét látják el. A fő oszcillátorból a teljesítmény az extra tekercs alsó végébe egy hatalmas átmérőjű elektromos vezetőn vagy csövön keresztül jut, ezáltal minimalizálva a koronakisülés eshetőségét. Az Erősítő Adó extra tekercse lassúhullámú gömbrezonátorként viselkedik, ahol a sugárirányú gerjesztés a fény sebességének 1-10 %-ával terjed a szabad térben. Az Erősítő Adó sugárirányú elektromágneses mezejének a sebességét a tekercs csúcsa és az elektromos töltés áramlás sebessége határozza meg az áramkörön keresztül. Érdemes megjegyezni, hogy a Tesla féle Erősítő Adó működésének pontos matematikai leírását csak a Tesla úttörő munkásságát követő 50-100 évben sikerült megalkotni.

Magnifier201 2.4.18.2. Az Erősítő Adó felépítése

3. ábra. Rezgő elektrosztatikusan töltött terminál

Az Erősítő Adó működése

Az alacsonyfrekvenciás Maxwell féle harmonikus rezgéseket alkalmazva Tesla megpróbált alacsonyfrekvenciás állóhullámokat előállítani a Föld elektromágneses “áramkörében”. Az eszközei által történt megfigyeléseiből kiindulva Tesla észrevette, hogy a Föld elektromágneses rezgéseit fel lehet erősíteni. (A Föld elektromágneses rezgéseinek példája a Schumann frekvenciák.) Tesla azt állította, hogy olyan eszközt sikerült készítenie, mely a Föld rezgéseit tudja felerősíteni. Ez az Erősítő Adó volt, mely álló elektromágneses hullámokat keltve megnövelte a rezgések potenciális energiáját.

Normális működés esetén az eszköz viszonylag halk volt, miközben nagyteljesítményű elektromos mezőt generált, de mikor a kimeneti feszültség meghaladta a tervezett maximális értéket, akkor magasfeszültségű ívek lövelltek ki az elektródákból a levegőbe. Tesla volt az első, aki a villámok nagyságrendjébe sorolható elektromos hatásokat ért el. Cripple Creek lakosai számára úgy tűnt, mintha a laboratórium felől vihar közeledne.

A Colorado Springs-iek közül nem egy mesélte, hogy a laboratórium közelében a talaj és a lábuk között gyakran ívkisülések jelentek meg. Ezek az ívkisülések megfigyelhetőek voltak néha a helyi víztározóban is. A laboratórium körüli terület koronaszerűen fénylett, Szent Elmo tüzéhez hasonlóan. Tesla egyik kísérlete tönkretette a Colorado Springs-i Elektromos Társaság generátorát, mivel a nagyfrekvenciás hullámok betáplálódtak a városi energia elosztó rendszerbe.

Az eredeti anyagot angolul itt olvashatod.

A következőkben Antonio Carlos M. de Queiroz elmondja, hogyan lehet megtervezni egy Tesla féle Erősítő Adót.

A Tesla Erősítő Adó a Tesla transzformátor egy változata, ahol a rezgőkör le van választva a szekunder tekercsről. A fő célja ennek a változtatásnak az, hogy gyors energiacserét érjünk el nagy feszültségek nélkül a transzformátorban. Az itt következő ábra az Erősítő Adó helyettesítő ábrája:

mag 2.4.18.2. Az Erősítő Adó felépítése

4. ábra. Az Erősítő Adó helyettesítő ábrája

A C1 kondenzátor először egy nem túl magas feszültségre töltődik fel, majd mikor ez a feszültség elér egy küszöbértéket, akkor a szikraközön keresztül az L1L2 trafó primer tekercsébe sül ki. Az L1L2 trafó tekercseinek csatolási tényezője k12. Ekkor a rendszer egy rezgő átmeneti állapotba kerül, mely végül egy nagyon magas feszültséget eredményez az L3 rezgő (extra) tekercs felső végénél. A C3 szórt kapacitás az L3 “saját kapacitásának” és a tekercs felett lévő csatlakozó terminál kapacitásának eredője. A C2 a transzformátor szórt kapacitásának és a kapcsolódó pontok kapacitásának eredő értéke.

Mikor C2 értéke elhanyagolható, akkor a rendszer a Tesla tekercshez hasonlóan dupla rezonáló transzformátorként működik.

Mikor viszont a C2 értéke már jelentős, akkor egy harmadik oszcilláló üzemmód is jelentkezik és az átmenetek jóval összetettebbek. Figyeljük meg, hogy C2 értéke nagyon nagy lehet, ha a meghajtó transzformátor tekercseinek menetei közel vannak egymáshoz. Ideális esetben, mikor C1 teljes energiája átjut a C3 kondenzátorba, akkor C1 és C2 feszültsége nulla lesz, akárcsak az L1, L2 és L3 árama.

A rendszer tervezése első ránézésre nagyon összetettnek tűnik, de ezt megközelítő számítások, képletek segítségével leegyszerűsíthetjük. Az energiaátvitel végén lenullázva az áramokat egy ideális kapcsolatot teremtünk a három rezgési frekvencia között, melyet egész számok arányaként jellemezhetünk:

k : l : m

ahol:

  • l = k + 1, k + 3, k + 5, … és
  • m = l + 1, l + 3, l + 5, …

Például: 1:2:3, 1:3:5, 2:3:4, 2,3,6 stb.

Ez a három szám meghatározza az üzemmódokat. Azonban még néhány további feltételt is figyelembe kell vennünk ahhoz, hogy a teljes energiaátvitel megtörténhessen a C3 kondenzátorba, erről azonban itt most nem lesz szó.

A három egész szám alapján felírható egyenletek a következők:

1) w2L1C1 = (2m2k2+(m2-l2)(l2-k2))/(2k2l2m2)
2) w2L2C2 = l2/(k2m2)
3) w2L3C3 = 1/l2
4) L2/L3 = ((l2-m2)(k2-l2))/(2*k2m2)
5) k122 = ((k2-l2)(l2-m2))/(k2(l2+m2)-l2(l2-m2))

Az áramkör szimultán módon rezeg az wk, wl és wm rad/s frekvenciákon. A teljes energiaátvitel p/w másodperc múlva játszódik le az UC3 “l”-edik csúcsán (félhullámán).

A k:l:m minden kombinációjánál 8 ismeretlen van, melyeket 5 egyenletből határozhatunk meg, miközben 3 paraméter tetszőleges értéket vehet fel. Pl. w, C1 és C3 értékét mi adjuk meg a kívánt feszültségerősítés alapján, mely (C1/C3)1/2, valamint megadhatjuk az energiaátvitel idejét. Ekkor a képletek lehetővé teszik, hogy kiszámíthassuk a három tekercs induktivitását, a C2 kapacitását és a k12-t. Miután meghatároztuk a fizikai paramétereket, a harmadik tekercs szórt kapacitását meghatározhatjuk pl. Medhurst tapasztalati képletével és az eredményt kivonjuk a csatlakozók kapacitásából. Ezen kívül az L2 tekercs csatlakozói közötti párhuzamos kapacitást hozzáadjuk a transzformátor kimeneti kapacitásához és az L3 tekercs bemeneti kapacitásához, aminek eredményeképpen megkapjuk C2 értékét.

További hasznos egyenleteket láthatunk a következő sorokban:

6) L1C1 = (L2+L3)C3
7) k122 = L2/(L2+L3)
8) C2/C3 = 2l4/((l2-m2)(k2-l2))
9) L1C1(1-k122) = L3C3

A szögsebesség (w) használatával a következő módon kapjuk meg az egyes alkatrészek értékeit:

  • L3 és C3 értékét a megfelelő rezgő tekercs csúcsai adják
  • L2 értékét a 4. egyenlet (L2/L3) és a k:l:m üzemmód meghatározása segítségével kaphatjuk meg
  • L1 az adott C1 értéke és a 6. egyenlet alapján adható meg
  • C2 értéke a 8. egyenletből (C2/C3) származtatható
  • k12 értéke a 7. és 9. egyenletek alapján számítható ki

Ezekkel a képletekkel C2 értékét kísérletileg határozhatjuk meg, mivel a transzformátor és az L3 szórt kapacitását nehéz előre megjósolni.

Nézzünk egy konkrét példát az Erősítő Adó paramétereire:

Legyen:

  • k:l:m = 2:3:4
  • w = 2p200000 ( az energiaátvitel 2,5 µs alatt történik meg)
  • L1 = 0,1 mH
  • L3 = 20 mH

A kiszámolt elemek értékei ekkor:

  • L2 = 5,47 mH
  • C1 = 896 pF
  • C2 = 16,28 pF
  • C3 = 3,52 pF
  • k12 = 0,463

Ennek az áramkörnek a szimulációja azt mutatja, hogy az energiaátvitel pontosan 2,5 µs alatt valósul meg. A kezdő feszültség a C1 kondenzátoron 10 kV, a C3 kondenzátoron pedig 159,5 kV, ami tökéletesen megfelel a számolt értékeknek: (896/3,52)1/2=15,95. Az összes többi feszültség, valamint az összes áram nulla az UC3 csúcsértékénél.

mag234 2.4.18.2. Az Erősítő Adó felépítése

5. ábra. A feszültségek értékei a példában megadott alkatrészek esetén
(k:l:m = 2:3:4)

klm 2.4.18.2. Az Erősítő Adó felépítése

6. ábra. A k:l:m különböző értékeinél látható jelalakok

Az anyagot angolul itt találod.

A következő oldalon arról olvashatsz, hogy mi az elve az egyvezetékes energiatovábbításnak.

Hozzászólok!

A weblap további használatával Ön beleegyezik a sütik használatába. További információ

A süti beállítások ennél a honlapnál engedélyezett a legjobb felhasználói élmény érdekében. Amennyiben a beállítás változtatása nélkül kerül sor a honlap használatára, vagy az "Elfogadás" gombra történik kattintás, azzal a felhasználó elfogadja a sütik használatát.

Bezárás