1 Cấu tạo
Một cuộn Tesla gồm có 2 phần: một cuộn sơ cấp và một cuộn thứ cấp, mỗi cuộn dây đều có tụ điện riêng (tụ điện tàng trữ nguồn nguồn nguồn nguồn nguồn nguồn nguồn năng lượng điện giống như pin). Về cơ bản, cuộn dây Tesla là một máy biến thế lõi không khí. Một thành phần cơ bản thứ 3 không hề bỏ lỡ đó là khe đánh lửa nó hoạt động như thiết bị đóng cắt.
Cuộn Tesla cần một nguồn điện cao áp để nạp vào tụ C1. Nguồn điện thường thì đi qua một biến áp hoàn toàn hoàn toàn hoàn toàn hoàn toàn có thể sản xuất ra dòng điện với điện áp thiết yếu (ít nhất là 3 ngàn vôn).
2 Nguyên lý hoạt động
Tập tin:Primary ringdown.gif
Hình 2:chùm sóng sine trong cuộn sơ cấp kiêu dao đông tắt dần
Tập tin:Seconary ringup.gif
Hỉnh 3:chùm sóng sine trong cuộn thứ cấp kiểu dao đông tăng biên độ dần
Tập tin:Pimary Ringdown.jpg
Hình 4:chùm sóng sine trong cuộn sơ cấp mô phỏng bằng Proteus theo kiểu dao đông tắt dần
Khi hệ thống được cấp điện. Trong khoảnh khắc (1/2 chu kỳ luân hồi luân hồi luân hồi điện lưới),Tụ điện C1 được nạp gần đầy tia lửa điện sẽ xuất hiện, cho phép năng lượng chứa trong C1 xả vào cuộn dây sơ cấp L1 (phần tô màu đỏ cam tong hình 4) tiếp theo là 1 loạt quy đổi năng lượng qua lại giữa C1 và L1 còn gọi là hiện tượng kỳ lạ kỳ lạ xê dịch cộng hưởng do tia lửa điện duy trì khoảng chừng chừng 5–>10 chu kỳ dao động của cuôn sơ cấp cũng là thời hạn đủ cho năng lượng từ cuộn sơ cấp chuyển qua cuộn thứ cấp bằng hiện tượng hổ cảm, sóng tại cuộn thứ cấp có dạng theo hình 3. Cuối cùng, điện tích trong tụ C2 lên cao đến mức nó thoát ra dưới dạng tia lửa điện.
Trường điện từ tần số cao có thể thắp sáng những bóng đèn huỳnh quang cách xa vài bước chân mà không cần dây điện kết nối.
Trong một cuộn dây Tesla được thiết kế hoàn hảo, khi cuộn dây thứ cấp đạt mức điện tích tối đa, hàng loạt quá trình sẽ khởi đầu lại và thiết bị sẽ có năng lực tự duy trì. Tuy nhiên trong thực tế, điều này không xảy ra. Không khí bị đốt nóng ở khe đánh lửa sẽ kéo một số lượng điện từ những cuộn dây thứ cấp và quay trở lại khe đánh lửa, vì vậy cuối cùng cuộn dây Tesla sẽ hết năng lượng. Đây là lý do tại sao các cuộn dây phải được bổ trợ năng lượng bằng cách nối với một nguồn phân phối điện bên ngoài.
Nguyên tắc cơ bản đằng sau cuộn dây Tesla chính là hiện tượng cộng hưởng. Cộng hưởng sẽ xảy ra khi cuộn dây sơ cấp bắn dòng điện vào cuộn dây thứ cấp đúng thời hạn để tối đa hóa năng lượng chuyển vào các cuộn dây thứ cấp.
Một đặc thù rất riêng của cuộn dây Tesla là nó hoạt động theo chính sách gián đoạn với duty của việc cấp năng vào cuộn Tesla rất nhỏ 1 phần mười ngàn (100 xung của tụ C1 xả vào cuộn dây L1 với tổng thời hạn khoảng vài trăm micro giây) vì thế với hiệu suất RMS khá nhỏ nhưng nó có thể phát ra những chùm sóng sine có năng lượng tức thời cực lớn (hàng megawatt) chính vì thế nó phóng những tia sét nhân tạo một cách rất ngoạn mục.
Mặc dù cuộn dây Tesla (Tesla coil) không còn được ứng dụng trong thực tiễn nhiều nữa, tuy nhiên phát minh của Tesla đã làm nên cuộc cách mạng về cách chúng ta hiểu và sử dụng điện.
3 Năng lượng nguồn vào và đầu ra của cuộn Tesla
3.1 Công suất máy biến áp cấp nguồn cho cuộn Tesla
Để thực hiện cuộn Tesla truyền thống cuội nguồn lịch sử người ta thường dùng biến áp NST (Neon sign transformer) có cống suất khoảng 200VA đên 900VA. Biến áp NST rất thích ứng cho ứng dụng này vì dòng ra của nó khoảng 30mA mặc dầu chập mạch cũng không bị quá tải và không gây cháy nổ. Biến áp này thường có các cấp cao thế 5KV đến 21Kv đỉnh đối đỉnh(peak to peak voltage).
3.2 Năng lượng chứa trong tụ C1
Ứng dụng công thức
J=1/2CV2
Lấy 1 giá trị trung bình cho 3 tham số C;V;F
C=68nF
V=14kV
F=Tần số cộng hưởng 200Kz
Ta có
J=1/2*68*10−9*(14000)2=6,66joule=6,66watt/s
3.3 Công suất nguồn vào cuộn Tesla
Trong 1 giây nếu dùng lưới điện 50 Hz, số lần nạp và xả của tụ C là 100 lần
Nên hiệu suất của cuộn Tesla trên là
6,66*100=666w
3.4 Công suất tức thời của cuộn Tesla
Thời gian ½ chu kỳ của tần số 200 Kz là 2,5micro giây.
Khi khe đánh lửa SG phóng điện (xem như đóng) tụ C sẽ xả vào cuộn dây L ứng với thời hạn trên do đó hiệu suất tức thời của việc chuyển giao gói năng lượng từ C vào L là
6,66/(2.5*10−6)=2,664*106=2,66 Mw.
Công suất tức thời rất lớn so với hiệu suất liên tục (2,66Mw so với 666w)
3.5 Dòng qua cuộn sơ cấp
Trong cuộn Tesla cổ xưa dòng qua cuộn sơ cấp thường vượt ngưỡng KA.Trong cuộn Tesla SRSSTC dòng qua cuộn sơ cấp thường ở ngưỡng chục A nhưng bù lại thời gian cấp năng lê dài hàng trăm chu kỳ nên vẫn tạo được cao áp vài trăm KV.Trong cuộn Tesla DRSSTC dòng qua cuộn sơ cấp thường ở ngưỡng trăm A thời gian cấp năng lê dài vài chục chu kỳ và tia lửa điện có thể đạt 3m.
3.5 Công suất đầu ra của cuộn Tesla
Có 2 cách nhìn nhận hiệu suất một là hiệu suất tức thời hai là công suất bình quân.Trong cuộn Tesla cổ xưa công suất tức thời khá thuận tiện đạt ngưởng Mw.Trong cuộn Tesla DRSSTC công suất tức thời khá để dàng đạt ngưỡng trăm Kw.Công suất trung bình thường vài trăm w cho cỡ vừa đến vài Kw cho cỡ lớn, vài chục watt cho cuộn Tesla cỡ nhỏ. Thậm chí với mạch dao động của 1 transistor 2N2222 với công suất vài trăm mW vẩn tạo ra được sóng điện từ quanh cuộn Tesla ở cự ly gần.
4 Cuộn Tesla truyền thống& cuộn Tesla hiện đại
Gần đây người ta đưa công nghệ bán dẫn vào cuộn Tesla hiện đại, theo thuật ngữ viết tắt tiếng Anh SSTC (Solid State Tesla Coil) SSTC lại chia làm 2 loại SRSSTC (Single Resonancce) và DRSSTC (Dual Resonance) loại mới này chỉ cần sử dụng điện áp nguồn vài trăm volt so với hàng chục KV theo kiểu cũ, vừa vô hiệu được máy biến thế NST, máy đánh lửa và tiếng ồn của nó mà vẫn mang lại nhiều hiệu ứng văn minh ví dụ quả cầu plasma, cuộn Tesla phát ra tiếng nhạc.
4.1 Chuyển đổi năng lượng trong cuộn Tesla hiện đại
Tập tin:Primary ringup srsstc.jpeg
Hinh5:chùm sóng sine hàng trăm chu kỳ trong cuộn sơ cấp kiêu dao đông tăn biên độ dần
Tập tin:Primary ringup drsstc.jpeg
Hinh6:chùm sóng sine vài chục chu kỳ trong cuộn sơ cấp kiêu dao đông tăn biên độ dần
Trong cuộn tesla truyền thống trong 1 giây chỉ có 100 hoặc 120 lần phân phối năng lượng, với thời gian cung cấp cực ngắn(vài micro giây) nên nó cần nhũng xung năng lượng cực lớn hàng nghìn Kw,theo hình 4. Gần đây một số người cố nâng công suất đầu vào bằng cách dùng biến thế lò viba tiếp nối đuôi nhau tăng 4 điện áp và dùng khe đánh lửa chạy bằng động cơ không đồng bộ vận tốc cao cũng có hiệu quả.
Trong cuộn Tesla văn minh người ta có thể tăng số xung trong 1 giây lên 400 BPS (Burts Per Second) ngoài những trong một lần cấp năng lượng vào người ta cấp 1 chùm sóng vuông dài vài trăm chu kỳ trong cuộn Tesla SRSSTC theo hình 5, vài chục chu kỳ trong DRSSTC theo hình 6 với sóng có dạng tăng dần biên độ trái ngược với kiểu cổ điển.
Một đặc tính kỹ thuật không hề không quan tâm là hệ số hổ cảm giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp phải nhỏ hơn 0,3.
Chú thích
