Трансформатор Тесла – прекрасная игрушка для тех, кто хочет сделать что-то эдакое. Это устройство не перестает поражать окружающих мощью своих огромных разрядов. Более того, сам процесс конструирования трансформатора очень увлекателен – не часто так много физических эффектов сочетаются в одной несложной конструкции.

Несмотря на то, что сама по себе "Тесла” очень проста, многие из тех, кто пытаются ее сконструировать не понимают принцип ее работы.

Я планирую целый цикл статей по поводу устройства и работы трансформатора теслы. В этой части я помогу вам разобраться – какие виды тесел бывают, что у них общего и в чем они отличаются.

Как читать эту статью.

Эта статья предполагает, что вы знаете, что такое электрический ток и чем конденсатор отличается от катушки. Я буду стараться излагать все, как можно проще, но, к сожалению, я не всесилен. Если какие-либо моменты останутся непонятными, прошу прочитать еще раз, если и это не поможет, прошу оставить комментарий.

Для того, чтобы не прерывать рассказ ненужными подробностями, но оставаться политкорректным, я буду делать сноски. Сноска будет обозначаться таким образом — [12].

Как правильно называть это устройство

Существует много названий для трансформатора Тесла. Все они обозначают одно и то-же устройство. Самое корректное название по моему мнению — "Трансформатор Тесла”, хотя я не стесняюсь использовать и другие, такие как

• Трансформатор Тесла

• Катушка Тесла

• Тесла

Замечу, что имя Тесла не склоняется, тоесть грамматически не верно говорить "Трансформатор Теслы”, хотя, если вы так скажите, все вас поймут.

Также существуют сленговые названия трансформатора Тесла, некоторые из них

• Катуха (Котуха)

• Койл

Часто трансформатор называют его типом – СГТЦ, ССТЦ и тп.

Принцип работы Трансформатора Тесла.

Трансформатор Тесла состоит из двух обмоток[1] – первичной (Lp) и вторичной (Ls) (их чаще называют "первичка” и "вторичка”). К первичной обмотке подводится переменное напряжение и она создает магнитное поле.  При помощи этого поля энергия из первичной обмотки передается во вторичную. В этом трансформатор тесла очень похож на самый обычный "железный” трансформатор.

Вторичная обмотка вместе с собственной паразитной (Cs) емкостью образуют колебательный контур, который накапливает переданную ему энергию. Часть времени вся энергия в колебательном контуре храниться в виде напряжения. Таким образом, чем больше энергии мы вкачаем в контур, тем больше напряжения получим.

Подробнее про колебательный контур можно почитать по ссылкам: Статья, очень просто описывающая колебательный контур, Wikipedia, Yandex, Google.

Тесла обладает тремя основными характеристиками – резонансной частотой вторичного контура,коэффициентом связи первичной и вторичной обмоток, добротностью вторичного контура.

Что такое резонансная частота колебательного контура, читателю должно быть известно. Я же подробнее остановлюсь на коэффициенте связи и добротности.

Коэффициент связи определяет насколько быстро энергия из первичной обмотки передается во вторичную, а добротность – насколько долго колебательный контур может сохранять энергию.

Есть одна очень хорошая аналогия -

Аналогия с качелями

Для того, чтобы лучше понять, как колебательный контур накапливает энергию, и откуда в тесле берется такое большое напряжение, представим качели, которые раскачивает здоровенный мужик. Качели – это колебательный контур, мужик– это первичная обмотка. Скорость качель – это ток в во вторичной обмотке, а высота подъема  – наше долгожданное напряжение.

Мужик толкает качели, и, таким образом передает в них энергию. И вот, за несколько толчков, качели раскачались и подлетают так высоко, как это только возможно – они накопили много энергии. Тоже самое происходит и с теслой, только когда энергии становится слишком много, происходит пробой воздуха и мы видим наши красивущий стример.

Естественно, раскачивать качели нужно не абы-как, а в точном согласии с их собственными колебаниями.  Количество колебаний качель в секунду называется "резонансная частота”.

Участок траектории полета качели, на протяжении которого мужик их толкает определяеткоэффициент связи. Если мужик будет постоянно держать качели своей здоровенной ручищей, то он раскачает их очень быстро, но качели смогут отклониться только на длину руки мужика. В таком случае говорят, что коэффициент связи равен единице.  Наши качели с большим коэффициентом связи — это аналог обычного трансформатора.

Теперь рассмотрим ситуация, когда мужик только немного подталкивает качели. В этом случаекоэффициент связи мал, а качели отклоняются намного дальше – мужик теперь их не держит. Качели придется раскачивать дольше, но с этим справится даже очень хилый мужик, чуть-чуть толкая их каждый период колебаний.

Такие качели и есть аналогом трансформатора Тесла.

Итак, чем больше коэффициент связи, тем быстрее во вторичный контур накачивается энергия, но при этом выходное напряжение теслы получается меньше.

Теперь рассмотрим добротность. Добротность – это противоположность трению в качелях. Если трение очень большое (низкая добротность), то мужик своими слабенькими толчками не сможет их раскачать. Таким образом, коэффициент связи и добротность контура должны быть согласованны для достижения максимальной высоты качель (максимальной длинны стримера).

Так-как добротность вторичной обмотки в трансформаторе Тесла – величина не постоянная (она зависит от стримера), то согласовать эти две величины очень не просто, и поэтому просто подбирают опытным путем.

Основные виды катушек тесла

Сам Тесла изготавливал Трансформатор только одного типа – на разряднике (СГТЦ). С тех пор элементная база сильно улучшилась, и появилось множество разных типов катушек, по аналогии их продолжают называть катушками Тесла. Типы катушек принято называть из английскими аббревиатурами. Если название необходимо сказать на русском языке, английские аббревиатуры просто говорят русскими буквами без перевода.

Самые распространенные типы катушек тесла:

• SGTC (СГТЦ, Spark Gap Tesla Coil) – трансформатор тесла на разряднике. Самая первая и "классическая” конструкция (ее использовал сам Тесла). В качестве ключевого элемента использует разрядник. В маломощных конструкциях разрядник – просто два куска провода, находящихся на некотором расстоянии, а в мощных – сложные вращающиеся разрядники. Трансформаторы этого типа идеальны если вам нужна только большая длинна стримера.

• VTTC (ВТТЦ, Vacuum Tube Tesla Coil) – трансформатор тесла на лампе. В качестве ключевого элемента используется мощная радиолампа. Такие трансформаторы могут работать в непрерывном режиме и выдавать толстые, "жирные” стримеры. Этот тип чаще всего используют для высокочастотных тесел, которые из-за характерного вида своих стримеров получили название "факельник”.

• SSTC (ССТЦ, Solid State Tesla Coil) – трансформатор тесла, в котором в качестве ключевого элемента используются полупроводники. Обычно это MOSFET или IGBT транзисторы. Этот тип трансформаторов может работать в непрерывном режиме. Внешний вид стримеров, создаваемых этой катушкой может быть самый различный. Этим типом Тесел проще всего управлять (играть музыку, к примеру).

• DRSSTC (ДРССТЦ, ДРка, Dual Resonant Solid State Tesla Coil) – трансформатор с двумя резонансными контурами, в котором в качестве ключей используются полупроводники, в подавляющем большинстве случаев, это IGBT транзисторы. ДРССТЦ – самый сложный в изготовлении и настройке тип трансформаторов тесла. Характерная длинна стримеров трансформатора этого типа немного меньше чем у SGTC, а управляемость немногим хуже, чем у SSTC. 

Для управления внешним видом стримеров придумали так называемый прерыватель. Изначально с помощью этого устройства останавливали катушку для того, чтобы дать возможность зарядится конденсатором и остыть разрядному терминалу, и, засчет этого, увеличить длину стримеров. Но в последнее время в прерыватели начали встраивать дополнительные функции, к примеру, научили катушки Тесла играть музыку.

Основные детали катушки тесла

Не смотря на то, что существует несколько видов катушек тесла, у всех них есть общие черты. Расскажу о основных деталях теслы сверху вниз.

• Тороид – выполняет три функции. 
  
  Первая – уменьшение резонансной частоты – это актуально для SSTC и DRSSTC, так как силовые полупроводники плохо работают на высоких частотах. 
  
  Вторая – накопление энергии перед образованием стримера. Чем больше тороид, тем больше в нем накоплено энергии  и, в момент, когда воздух пробивается, тороид отдает эту энергию в стример, таким образом,  увеличивая его. Для того, чтобы извлечь выгоду из этого явления в теслах с непрерывной накачкой энергии, используют прерыватель. 
  
  Третяя – формирование электростатического поля, которое отталкивает стример от вторичной обмотки теслы. От части, эту функцию выполняет сама вторичная обмотка, но тороид может ей хорошо помочь. Именно по причине электростатического отталкивания стримера, он не бьет по кратчайшему пути во вторичку. 
  
  От использования тороидоа больше всего выиграют теслы с импульсной накачкой – SGTC, DRSSTC и теслы с прерывателями. Типичный внешний диаметр тороида – два диаметра вторички [4]. 
  
  Тороиды обычно изготавливают из алюминиевой гофры, хотя есть множество других технологий, ознакомиться с которыми можно тут.

• Вторичка – основная деталь теслы. 
  
  Типичное отношение длинны обмотки теслы к ее диаметру намотки 4:1 – 5:1.  
  
  Диаметр провода для намотки теслы обычно выбирают так, чтобы на вторичке помещалось 800-1200 витков. ВНИМАНИЕ, повторюсь еще раз. Не стоит мотать слишком много витков на вторичке тонким проводом. Витки на вторичке нужно распологать как можно плотнее друг к другу [5]. 
  
  Для защиты от царапин и от разлезания витков, вторичные обмотки обычно покрывают лаками. Чаще всего для этого применяются эпоксидная смола и полиуретановый лак. Лакировать стоит очень тонкими слоями. Обычно, на вторичку, наносят минимум 3-5 тонких слоев лака. 
  
  Мотают вторичку на воздуховодных (белых) или, что хуже, канализационных (серых) ПВХ трубах. Найти эти трубы можно в любом строительном магазине. 
  
  С нюансами вторичных обмоток можно ознакомиться тут

• Защитное кольцо – предназначено для того, чтобы стример, попав в первичную обмотку не вывел электронику из строя. Эта деталь устанавливается на теслу, если длинна стримера больше длинны вторичной обмотки. Представляет собой незамкнутый виток медного провода (чаще всего, немного толще, чем тот из которого изготавливается первичка). Защитное кольцо заземляется на общее заземление отдельным проводом.

• Первичная обмотка – обычно изготавливается из медной трубы для кондиционеров. Должна обладать очень маленьким сопротивлением для того, чтобы по ней можно было пропускать большой ток. Толщину трубки обычно выбирают на глаз, в подавляющем большинстве случаев, выбор падает на 6 мм трубку. Так-же в качестве первички используют провода большего сечения. 
  
  Относительно вторичной обмотки устанавливается так, чтобы обеспечить нужный коэффициент связи. 
  
  Часто играет роль построечного элемента в тех теслах, где первичный контур является резонансным. Точку подключения к первичке делают подвижной и ее перемещением изменяют резонансную частоту первичного контура. 
  
  Первичные обмотки обычно делают цилиндрическими, плоскими или  коническим. Обычно, плоские первички используются в SGTC, конические- в SGTC  и DRSSTC, а цилиндрические — в SSTC, DRSSTC и VTTC.