Teslamuuntaja

Yksinkertaisin mahdollinen Teslamuuntajakytkentä on yhdellä ainoalla transistorilla toteutettu Slayer Exciter -kytkentä. Kuva 1. Plasmaliekki. Kytkennän nimen alkuperä on epäselvä. Kytkentä on äärimmäisen yksinkertainen, eikä sitä tarvitse virittää, vaan se asettuu itsestään tarkalleen käytössä olevien käämien resonanssitaajuuteen. Kuva 2. Kytkentäkaava. Ihan pienet laitteet voidaan toteuttaa kuvan mukaisella 9V patterilla ja vaikka transistorilla  2N2222A , mutta nyt kun toisiokäämi on iso, kannattaa käyttää jotain tehokkaampaa. Ensimmäiset kokeilut tein transistorilla  TIP31C , joita kytkemällä rinnan neljä kappaletta, toimikin melko hyvin. Transistorien rinnan kytkentä on edelleen huono idea, mutta transistorien tehokkaalla jäähdytyksellä, kytkennän ajautuminen vinoon näyttää kuitenkin pysyvän hallinnassa. Transistorin lämpöhäviö nimittäin kasvaa kun se lämpenee, joten jos yksi rinnakkytketyistä transistoreista lämpenee muita enemmän, se alkaa lämmetä yhä enem...

Posti toi Kiinasta pari tehotriodia tulevia projekteja varten. Kuvassa mittakaavana yksi AA-patteri. Nämä ovat putken 811A korvikkeita  572B . Putket ovat tavallaan mielenkiintoisempia kuin puolijohteet. Niiden toiminta on helpompi ymmärtää, ne ovat näyttävän näköisiä ja sähköisesti kestäviä. Putket eivät pimahda samalla tavalla herkästi kuin puolijohteet, vaikka suoritusarvot hetkellisesti ylittyisivätkin. Lyhyen aikaa putket kestävät hyvinkin suurta kuormaa. Tämä putki kestää jatkuvaa kuormaa 1200 V ja 90 mA, mutta hetkellisesti ainakin 2000 V ja 300 mA, eli 600 wattia. Kytkemällä kaksi putkea rinnan, voidaan virrankesto lähes kaksinkertaistaa, ei aivan, koska niillä on taipumusta ajautua epätasapainoon keskenään.

Teslamuuntajien toroidit tehdään usein alumiinisesta haitariputkesta. Sellainen on teknisesti hyvä, mutta vähän siivottoman näköinen, joten päätin tehdä toroidin ruostumattomista putkenosista. Liittämällä neljä 90 asteen käyrää toisiinsa, syntyy täydellinen toroidi. Nämä osat ovat hyvin mittatarkkoja, ne voidaan sellaiseneen kiinnittää kevyesti teipilillä toisinsa ennen heftausta. Kas noin! Koska liitosten ei tarvitse kestää minkäänlaista mekaanista rasitusta, ne voidaan hitsata TIG:illä ihan kevyesti, ilman lisäainetta, yksinkertaisesti sulattamalla reunat yhteen.  Heftauksen jälkeen teipit poistetaan ja hitsataan saumat ympäri. Valmis toroidi ennen viiemistelyä. Pinta pitää hioa tai kiillottaa sekä kiinnittää todoirin keskelle joku kappale, josta se voidaan kiinnittää muuntajan toisiokäämin päähän. Tämä rakenne on vielä suunnittelematta.

Yksi tällaisen älyttömän laitteen rakentamisen pointti on oppia ymmärtämään sen toimintaa ja siihen liittyviä ilmiöitä. Tiedämme, että kyseessä on resonanssimuuntaja, jonka toiminta perustuu ensiön ja toisin resonanssiin ja ne on mitoitettava vastaamaan toisiaan. Mitoituksen osassa 5 laskimme toisiokäämin resonanssitaajuudeksi 231,15 kHz, jonka mukaan ensiöpiiri on mitoitettu. Ensiön taajuuteen vaikuttavat kondensaattorin kapasitanssi ja käämin induktanssi. Valmiin ensiöpiirin induktanssi voitaneen mitata kytkemällä siihen ulkoinen virtalähde, jolla kondensaattori varataan. Sen jälkeen kytkimellä kytketään varattu kondensaattori käämiin, jolloin systeemin pitäisi alkaa värähdellä ominaistaajuudellaan joksikin aikaa, kunnes jännite katoaa häviöiden vuoksi. Värähtelyn havaitsemiseksi tarvitaan oskilloskooppi. Virtalähteenä käytetään laboratoriovirtalähdettä, josta otetaan täydet 60 volttia. Oskillosskooppi näyttää sen mikä oli oletuskin; vaimeneva värähtely. Sko...

Kipinävälikytkimeen ja Terry-filtteriin tarvitaan hyvät elektrodit. Kokeillaan näitä 25 mm kokoisia ruostumattomasta teräksestä valmistettuja palloja. Purkaus näyttää alkavan hallitusti aina suunnilleen samalla välimatkalla. Purkausvälimatka ilmassa tämän kokoisilla palloilla pitäisi olla 3000 V/mm, riippuen ilman lämpötilasta ja etenkin kosteudesta. Käsivaralta on vaikea sanoa välimatkaa, mutta mitataan se myöhemin tarkemmin. Neonvalomuuntajan toisiojännite on tehollinen 15000 V huippu 21000 V. Oletan, että tässä määräävänä tekijänä on huippujännite joten maksimi purkausvälin pitäisi olla 7 mm. Jahka tilatut vastukset saapuvat, voidaan mitata jännite suoraan jännitteenjakajan avulla. Mielenkiintoista on myös nähdä, mihin arvoon jännite laskee valokaaren syttymisen jälkeen. Kaarihan sytyttyään palaa hyvinkin pitkänä, koska se muodostuu plasmasta, joka johtaa hyvin sähköä. Videolla nähdään myös, miten kaari sammuu puhaltamalla, paitsi jos elektrodien välimatka on alle läpilyö...

Teslamuuntajan toisio koostuu noin tuhannesta kierroksesta ohutta kuparilankaa, ensiö taasen muutamasta kierroksesta paksua lankaa. Valmis 6 mm kupariputkesta rakennettu ensiökäämi näyttää tältä. Mitoitimme aiemmin ensiön induktanssiksi 70 μH ja 14 kierrosta. Muutin suunnitelmaa vähän, jotta käämistä tulisi ulkomitoiltaan pienempi. Uudet mitoitusarvot tässä: Käämistä tehdään tasan 15 kierrosta. Säätövara jää pienemmäksi kuin alkuperäisessä suunnitelmassa, mutta luottakaamme siihen, että mitoitus osuu kohdalleen. Jos 15 kierrosta ei kuitenkaan riitä, rakenteeseen voidaan lisätä yksi kierros. Käämin kiinnikkeet 8 kpl mitoitettiin LibreCAD:issa ja valmistetiin muovista alla olevan kuvan mukaisesti. Kiinnikkeiden alemmat reijät oli tarkoitettu nippusiteille, joilla kupariputki olisi kiinnitetty hahloihin, mutta myöhemmin osoittautui, että hahloista voi valmistaa sen muotoiset, että putki napsahtaa painamalla paikalleen ja pysyy siinä ilman nippusidettä. Isoäidin...

Kuten aiemmin mitoitimme , suurjännitekondensaattorin kapasitanssiksi tarvitaan 0,0063 µF, joka saadaan kytkemällä sarjaan kolme kappaletta 0,02 µF kondensaattoria. LibreCAD:illa hahmotelma paperille ja sitten rakentamaan. Valmis paketti näyttää tältä. Vastukset on sijoitettu takapuolelle. Liitäntä virtapiiriin tehdään vapaista päistä. Suurtaajuusvirtapiireissä olisi edullista välttää mutkia niin paljon kuin mahdollista, joten periatteessa kondensaattorit olisi kannattanut kytkeä suoraksi jonoksi, mutta tämä ratkaisu oli tarpeen, jotta eri osat mahtuvat paremmin aiottuun tilaan.

Neon-muuntaja lienee jossain määrin herkkä toision ylijännitteelle sekä teslamuuntajan resonanssipiirin tuottamalle RF-raajuudelle. Sen vuoksi rakennamme neon-muuntajan jälkeen asennettavan alipäästösuodattimen, jossa on myös ylijännitesuojaus. Tässä kaksi paljon käytettyä suodatinta, suunnittelijoiden mukaan nimetyt Greg's - ja Terry's -filter. Greg's filter. Terry's filter. Molemmat kytkennät estävät sekä radiotaajuuden että ylijännitteen pääsyn ensiömuuntajaan. Mollemmissa on ylijännitesuojausta varten kipinäväli, Tetty's-filterissä on lisäksi sarjaankytkettyjä varistoreja  leikkaamassa ylijännitteet pois. Näistä valitaan Terry's-filter, vaikka se on vähän kalliimpi. Tarvittavat komponentit ovat tässä: LibreCAD:illa suunnittelemme kätevästi osien sijoittelun kytkentäalustalle. Tämä kuva printataan mittakaavassa 1:1, teipataan alustaan ja porataan reiät läpi.

Toisiokäämi on valmis. Käämintäkone toimi loistavasti ja tuhannen kierroksen käämintä kesti 40 minuuttia. Sen jälkeen lakkaus kiiltävällä uretaanilakalla kolme kertaa, välissä vuorokauden kuivumisaika käämin koko aika pyöriessä käämintäkoneessa valumien estämiseksi ja tasaisen kuivumisen varmistamiseksi. Viimeisen lakkauksen jälkeen neljän vuorokauden kuivaus 32 asteen lämpötilassa. Uretaanilakka saavuttaa lopullisen kovuutensa vasta neljän viikon kuluttua. Videolla koko proseduuri 20 kertaisella nopeudella. Käämin alapää on liitetty putken alareunaan kiinnitettyyn kuparilevyyn, johon on helppo kiinnittää maadoituskaapeli. Valmis käämi on hienon näköinen!

Suurjännitekondensaattorit ja niiden vuotovastukset saapuivat. Aiemmin määrittelimme tarvittaviksi kondensaattoreiksi kolme kappaletta 0,02μF 15KV kondensaattoria sarjaan kytkettynä, jolloin kokonaiskapasitanssiksi muodostuu 0,0067 μF. Tilasin neljä kappaletta. Yksi on hyvä olla varaosana. Kuvassa mittakaavana aito puinen täysi Elannon tulitikkuasti vuodelta kilpi ja miekka.

Toisiokäämissä tulee olemaan tuhat kierrosta lakattua kuparilankaa käämittynä 110 millisen PVC-viemäriputken ympärille. Sellaisen käämintä käsin ilman mitään apuvälineitä on täysin toivotonta. Sorvissa se on mahdollista ja sellainen olisikin käytettävissä. Käämi pitää kuitenkin vielä lakata pariin kertaan ja lakan pitää kuivua sorvissa, enkä kehtaa pitää sorvia varattuna monta päivää, joten päätin rakentaa yksinkertaisen käämintäkoneen. Vihdoin löytyi siis käyttöä Bebekistä joskus mukaan tarttuneelle vaihdemoottorille , joka on täydellinen tähän tarkoitukseen! Käämin pituudeksi määrittelimme aiemmin 550 mm. Ajattelin, että kumpaankin päähän on varmaan hyvä jättää 50 mm tyhjää, joten lyhensin metrin mittaisen putken mittaan 650 mm. Kumpaankin päähän putken sisään kiinnitin epoksilla pyöreät 20 mm paksut koivuvanerilätkät. Niistä valmis käämi on aikanaan hyvä kiinnittää alustaansa alapäästä ja yläpäähän saa kiinni toroidin. Lätkien keskelle porasin 8 mm reiät, joiden läpi asensin 8...

Muuntaja saapui Kiinasta. Tämä on siis neonvalomuuntaja, jollaista käytetään perinteisten neonvaloputkien sytyttämiseen. Niitä on edelleen mainosvaloina ympäri kaupunkia, vaikka ledit varmaankin tulevat neonvalojenkin tilalle. Neonmuuntajia on myös elektronisia, mutta teslamuuntaja tarvitsee ihan perinteisen rautasydämisen kuparimuuntajan. Sellainen kestää oikosulkua ja melkein mitä vain, paitsi suurta ylijännitettä. Varmaankin hauskin tapa testata muunjata on rakentaa  Jaakobintikapuut kahdesta rautalangansta ja laudan pätkästä. Nämä ovat aika rumat Jaakobintikapuut, niistä voisi tehdä paljon kauniimmat, mutta kertakäyttöversioksi kelpaavat kykkä. 15000 volttia näyttää siis tältä: Valokaari syttyy alhaalla missä lankojen väli on pienin. Kuuma valokaari nousee ylöspäin ja samalla pitenee lankojen etääntyessä toisistaan. Tikapuiden yläpäässä kaari palaa pidempänä kuin mitä sen suurin mahdollinen syttymispituus on. Tämä jontuu siitä, että plasmakanavan kerran auettua,...

Ensiökäämin mitoittamiseksi täytyy ensin selvittää käämin tarvittava induktanssi. Käytetään samaa laskuria, jolla laskettiin toisiokäämin resonanssitaajuus, sivuston  Tesla Coil Design, Theory and Construction  kohdasta  Equations and Data Lists/Freq of LC . Laskuriin syötetään osassa 6. määritelty suurjännitekondensaattorin kapasitanssi 0,0067 uF. Sen jälkeen kokeilemalla laskurin induktanssikenttään eri arvoja etsitään sellainen, jolla tulos vastaa toisiokäämin resonanssitaajuutta 231,15 kHz. Asettamalla induktanssiksi 0,07 mH, 70 μH  saadaan taajuudeksi 232,398 kHz, mikä on hyvin lähellä toisiokäämin taajuutta. Seuraavaksi käytetään laskuria  Equations and Data Lists/Sprial Coil.  Laskuriin asetetaan: Käämin sisähalkaisia. Valitaan tähän 200 mm, jolloin se on selvästi isompi kuin toisiokäämin ulkohalkaisija. Kierrosten lukumäärä. Tämä arvo pitää kokeilla siten, että käämin induktanssi vastaa edellisessä kohdassa määritelt...

Kondensaattorin kapasitanssi määräytyy muuntajan tehon mukaan. Tarkoituksena on saada kondensaattori täyteen ladatuksi jossain siinä vaihtovirran puoliaallon huipun kohdalla, tai vähän sen jälkeen. Jos kondensaattori on liian pieni, se täyttyy jo ennen huippua, jolloin osa muuntajan tehosta jää hyödyntämättä. Vastaavasti liian suuri kondensaattori ei ehdi täyttyä täyteen jännitteeseen. Sivuston  Tesla Coil Design, Theory and Construction  kohdasta  Equations and Data Lists/Cap Size   löytyy laskuri. Laskurin mukaan sopiva kondensaattori valitun muuntajan arvoilla on 0,0063 µF. Käytännössä teslamuuntajan kondensaattorin joutuu kokoamaan useammasta yksittäisestä kondensaattorista kytkemällä niitä sarjaan ja/tai rinnan, jotta saadaan sopiva kapasitanssi ja jännitteenkesto. Sivustolla HVStuff myydään kaikenlaista suurjänniteroinaa. Katsotaan millaisia kondensaattoreita siellä on. Sieltä löytyy monen muun joukosta tällainen: 0,02μF 15KV High Voltage ...

Edellisessä postauksessa laskettu värähtelytaajuus 231,15 kHz on tulevan Teslamuuntajan värähtelytaajuus. Se on radiotaajuuskaistan alkupäässä sijoittuen pitkäaaltoalueelle 148,5–283,5 kHz Esimerkiksi Lahden radioasema lähetti taajuudella 254 kHz. Tämä taajuus pyrkii kulkeutumaan myös sähköverkon suuntaan ja voi aiheuttaa häiriöitä lähialueen sähkölaitteissa. Siksi Teslamuuntajaan suositellaan asennettavaksi suodatin poistamaan nämä sähköverkoon suuntautuvat taajuudet. E-Bay:stä löytyy runsain mitoin tarkoitukseen soveltuvia EMI-filttereitä (Electro-Magnetic Interference -filter). Niistä tilattu kaksi erilaista: CW4EL2-30A-S Single-phase Power EMI Filter Power Supply Filter 115V/250V 50/60Hz EMI RFI Filter AC 250V 10A CW1D-10A-T Suppressor Power Line Noise Filter Ne saapuivat postissa tänään. Suodatin läpäisee verkkovirran 50 Hz taajuuden, mutta ei paljon korkeampia radiotaajuuksia. Tämä isompi on selvästi vakuuttavamman oloinen. Siinä on jo kytkentäkaavionkin muk...