Трансформатор Тесла: энергия из эфира

ign="justify">    Следовательно, одним из путей  сокращения индуктивности для  получения коротких фронтов является  увеличение сечения провода катушки.

  Существует  и второй способ – увеличение активного  сопротивления цепи для уменьшения постоянной времени цепи, но такой способ не выгоден, т. к. потребует увеличения мощности импульса. Кроме того, на высоких частотах должен сыграть свою роль скин-эффект, в соответствии с которым в первичной катушке индуктивности будет использовано не все сечение провода, а только поверхностный слой, который приведет к возрастанию активного сопротивления цепи.

  Если  в катушке индуктивности L, Гн течет ток i, A, то энергия w_L, запасенная в магнитном поле, составит величину 

                 i ²

  w_L = L ——, Дж

                 2 

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

                 U ²

  w_С = С ——, Дж,

                 2 

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. 

                    i ²

  w_L = N L ——, Дж

                    2 

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

              FL i ²

  P_L =  ———, Вт,

               4 

  Если  радиусы первичной обмотки r₁ и вторичной r₂ не равны, то 

                r₁²FL i ²

  P_L =  —————, Вт.

               4 r₂² 

  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 

  Т_LR = L / R, 

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:  

                 0,632² R r₁² i ²                          r₁²

  P_L =      ——————— = 0,1 R i ² ——,   Вт.

                      4 r₂²                                   r₂² 

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

  P_L =   0,4 R i ²,   Вт. 

  При отношении  радиусов r₁ / r₂ = 3 получим:  

  P_L =   0,9 R i ²,   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 0,1 R i ², т. е. при токе в 1А 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 индуктивности первичной обмотки в 100 мкГн постоянная времени цепи составит

10^–6 с, следовательно, частота переключений составит 500 кГц, а с учетом необходимой крутизны фронтов частотная характеристика ключа должна быть не хуже, чем 5мГц.

  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.

  Отсюда  вытекает, что для повышения выходной мощности следует найти оптимальное отношение диаметров первичной и вторичной обмоток, а также стремиться к повышению частоты переключения тока ключом, что возможно лишь при повышении его сопротивления, а значит, повышения питающего напряжения и 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 

               iT

  С =  ——

            U 

  Если  вся электронная схема питается от напряжения 100 В, то при токе i = 1 А и длительности импульса Т = 10^–6 с (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 изменений 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 1-2мГц.

  При рабочем напряжении в 1000 В и токе импульса в10 А потребуется конденсатор  емкостью той же 1 мкФ при рабочем  напряжении в 1000 В и тех же частотных  характеристиках.

  Таким образом, вырисовывается 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, поддерживающая процесс. Начальный запуск всей схемы осуществляется от стартера – отдельного источника питания генератора импульсов, 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.

  Всякая  положительная обратная связь неустойчива  и либо ведет к затуханию процесса, либо к его неограниченному возрастанию (рис. 4). Первый случай связан с тем, что возвращаемое количество энергии  недостаточно для поддержания процесса, он меньше, чем затрачено. Второй случай связан с избытком возвращаемой энергии и, если все элементы в цепи линейны, то система всегда идет в разнос, пока не находится слабое звено, которое выходит из строя. Тогда процесс прекращается. Известно, что бывали случаи взрыва трансформаторов Тесла, которые, правда, не вызывали больших разрушений, но сам факт этот достаточно неприятен. Поэтому такую возможность нужно предотвращать.

    

  Рис. 4. Энергетическая установка, охваченная положительной  обратной связью: а) структура; б) затухающий переходной процесс; в) расходящийся переходной процесс. 

  Одним из способов предотвращения неуправляемости  процесса является применение стабилизирующих  элементов в любой точке схемы, например, шунтирование конденсатора питания стабилизирующим элементом, предотвращающим безудержный рост напряжения на нем. Величина порога стабилизации должна быть на несколько процентов больше рабочего напряжения, достаточного для запуска схемы. Могут применяться  и иные способы.

  Для стабилизации выходных параметров устройства целесообразно использовать обратную связь в виде подачи выходного напряжения в схему генератора импульсов для регулировки частоты импульсов: с увеличением напряжения на выходе устройства частота импульсов должна уменьшаться, с уменьшением – увеличиваться, этим будет поддерживаться стабильное напряжение на выходе устройства в пределах допуска.

  Исходя  из изложенного, может быть рекомендована  схема эфиродинамического генератора энергии – устройства для получения  энергии из эфира (рис. 5).

  Все устройство состоит из узлов:

  – внешнего источника питания, служащего стартером для запуска схемы;

– генератора импульсов;

  – трансформатора Тесла, имеющего три обмотки – первичную (наружную) и две вторичных (внутренних);

  – двух высокочастотных диодов.

  Все применяемые элементы должны быть достаточно высокочастотными и должны иметь  запасы по рабочим напряжениям. Предельные частоты, на которые должны быть рассчитаны все элементы схемы, должны исходить из длительности фронтов. Например, для  обеспечения длительности фронтов в 0,1 мкс необходимо, чтобы все элементы, включая все микросхемы, транзисторы, емкости и диоды, могли работать в рабочем режиме на частотах не менее 10 мГц. Отладка устройства должна производиться по каждому узлу в отдельно-сти с учетом их нагрузки на последующие цепи в общей схеме.

  При подборе параметров обмоток трансформатора следует исходить из необходимости  обеспечения двух положений - превышения выходного напряжения на выходе обмотки  II напряжения питания импульсного генератора и превышения значения выходной мощности той, которая потребляется импульсным генератором.

  Оба эти положения должны быть получены в разомкнутом режиме и без  их выполнения  замыкание положительной  обратной связи бессмысленно.

                                                                            4

  

  

                                                                     III

  

                                                                                         

                                                                                        II

  

  

  

  

                1              2                   3                                     I

                                

                                       

  Рис. 5.Схема эфиродинамического генератора энергии: