Особенности формирования импульсов в первичной цепи трансформатора Тесла

Если в катушке индуктивности L, Гн течет ток i, А, то энергия wL запасенная в магнитном поле, составит величину:

Обращает на себя внимание тот факт, что в отличие от конденсатора C, Ф, заряженного напряжением U, В, в котором запасенная энергия wC, Дж составляет величину

и энергия сохраняется и может храниться сколь угодно долго, если нет потерь, то в катушке индуктивности энергия исчезает, как только прекращает течь ток, и запасенная в магнитном поле энергия возвращается в цепь, создавшую магнитное поле. Но если эта энергия возвращается в другую обмотку, в цепь которой через диод включен конденсатор, то накопленная на нем энергия будет пропорциональна количеству импульсов, т.е.

Если форма импульса соответствует меандру, то есть длительность импульса и длительность паузы равны, то общая мощность составит:

Если радиусы первичной обмотки r1, и вторичной r2 неравны, то

Здесь следует учесть, что отношение радиусов не должно быть большим, поскольку зависимость здесь нелинейная, и ее еще предстоит установить.

Постоянная времени цепи ключ - первичная обмотка трансформатора составляет

где L- индуктивность первичной обмотки, Гн, R - сопротивление ключа в открытом состоянии. Если длительность импульса равна постоянной времени цепи ключ - первичная обмотка трансформатора, то за время длительности импульса ток в цепи вырастет до значения 0,632 полного тока, если бы цепь питалась постоянным током. Тогда общая предельная мощность, которую можно получить, составит:

При отношении радиусов r1/r2 = 2 получим значение предельной мощности

PL= 0,4Ri2, Вт.

При отношении радиусов r1/r2 = 3 получим:

PL,= 0,9Ri2, Вт.

При напряжении питания U = 100 В и сопротивлении открытого ключа в 100 ом величина тока составит 1 А и предельная получаемая мощность в первом случае составит 40 Вт. во втором – 90 Вт. Если же будут применены ключи, способные пропускать 10 А, то в первом случае предельная мощность составит 4 кВт, во втором 9 кВт. Мощность же затрачиваемая на поддержание процесса, в обоих случаях составит 0,1Ri2 т. е. при токе в 1 А – 10 Вт, при токе в 10 А – 1 кВт. Эта мощность выделяется на ключе, что потребует принятия серьезных мер для его охлаждения, в последнем случае, вероятно, водяного охлаждения.

При значении индуктивности первичной обмотки в 100 мкГн постоянная времени цепи составит 10-4/100 – 10-6 с, следовательно, частота переключений составит 500 кГц. а с учетом необходимой крутизны фронтов частотная характеристика ключа должна быть не хуже, чем 5 мГц. Если индуктивность первичной обмотки составляет 100 мкГн = 10-4 Гн. а частота повторения импульсов составляет 1 МГц = 106 Гц, то при токе в импульсе, равном 1 А, мощность магнитного поля составит 100 Вт. При больших частотах она будет соответственно большей, если за время длительности импульса ток в первичной обмотке успеет установиться до полного значения. При этом длительность, как переднего, так и заднего фронтов должна составлять не более 0,1 от длительности самого импульса.

Из изложенного вытекает, что для повышения выходной мощности следует найти оптимальное отношение диаметров первичной и вторичной обмоток, а также стремиться к повышению частоты переключения тока ключам, что возможно лишь при повышении ею сопротивления, а значит, повышения питающего напряжения и соответственно выделяемой на ключе мощности. При напряжении питания ключа U = 1000 В, R = 100 Ом и токе в 10 А выделяемая на ключе мощность составит 10 кВт, а выдаваемая мощность с учетом потери на возвратную мощность составит в первом случае 30 кВт, во втором – 80 кВт.

Тесла в своих трансформаторах применял частоты порядка 200 кГц, можно предполагать, что такая частота является оптимальной, по крайней мере, для начальной стадии работ. Расчет зарядной емкости, шунтирующей цепь питания электронной схемы произведем, исходя из соотношения для электрического заряда

Q = CU= iT,
имеем

Если вся электронная схема питается от напряжения 100 В, то при токе i = 1 А и длительности импульса Т = 10-6с (F = 0,5 мГц), получим:

С =0,01 мкФ

Однако здесь предполагается полный разряд емкости, что нецелесообразно. Для того, чтобы емкость удерживала напряжение питания в пределах изменении не более 1%, нужно увеличить ее в 100 раз, следовательно, для приведенного примера достаточно иметь значение шунтирующей емкости 1 мкФ при рабочем напряжении в 100 В. и частотных характеристиках до 1-2 мГц. При рабочем напряжении в 1000 В и токе импульса в 10 А потребуется конденсатор емкостью той же 1 мкФ при рабочем напряжении в 1000 В и тех же частотных характеристиках.

Таким образом, вырисовывается следующий принцип работы устройства для получения энергии из эфира. В первичную обмотку трансформатора с возможно более высокой частотой повторения поступают импульсы тока с короткими фронтами. С вторичной обмотки, имеющей большее число витков, чем первичная, снимаются импульсы и через выпрямительный диод поступают на конденсатор, шунтирующий цепь питания генератора импульсов, чем осуществляется положительная обратная связь, призванная поддерживать весь процесс. Начальный запуск всей схемы осуществляется от стартера - отдельного источника питания генератора импульсов (сеть, батарея, аккумулятор), который после вхождения устройства в режим, отключается.

Энергия для внешнего потребителя снимается с третьей обмотки, помещаемой аналогично вторичной обмотке внутрь первичной обмотки. К этой третьей обмотке также подключается выпрямительный диод, а затем сглаживающий конденсатор. Полученное постоянное напряжение может использоваться либо непосредственно, либо через соответствующие преобразователи, преобразующие постоянный ток в вид энергии, необходимый потребителю.