Cuộn dây Tesla

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Buớc tưới chuyển hướng Bước tới tìm kiếm

Một cuộn dây Tesla là một mạch điện biến áp cộng hưởng do Nikola Tesla sáng chế khoảng năm 1891.[1] Nó được sử dụng để sản xuất dòng điện xoay chiều cao áp, cường độ thấp, tần số cao.[2][3][4][5][6][7][8] Tesla đã thử nghiệm với một số cấu hình khác nhau bao gồm mạch điện cộng hưởng hai, hoặc đôi khi là ba.

Tesla sử dụng các cuộn dây để tiến hành thí nghiệm tiên tiến trong điện chiếu sáng, lân quang, tạo ra tia X, hiện tượng dòng điện xoay chiều tần số cao, điện xung trị liệu, và truyền tải điện năng không dây. Mạch cuộn dây Tesla đã được sử dụng trong thương mại phát sóng vô tuyến điện báo cho sparkgap không dây đến năm 1920[1][9][10][11][12][13], và trong các thiết bị y tế như các thiết bị quang điện và thiết bị tia cực tím. Ngày nay việc sử dụng chính của cuộn dây Tesla là để giải trí và hiển thị trong giáo dục, mặc dù cuộn dây nhỏ vẫn còn được sử dụng ngày nay như là cách phát hiện rò rỉ cho các hệ thống chân không cao.[8]

1 Cấu tạo[sửa | sửa mã nguồn]

Một cuộn Tesla bao gồm 2 phần: một cuộn sơ cấp và một cuộn thứ cấp, mỗi dây đều có tụ điện riêng (tụ điện lưu trữ năng lượng điện giống như pin). Hai cuộn dây và các tụ điện được nối với nhau bằng một khe đánh lửa – chính là khoảng cách không khí giữa hai điện cực để tạo ra tia lửa điện. Về cơ bản, cuộn dây Tesla là hai mạch điện hở kết nối với một khe đánh lửa.

Cuộn Tesla cần một nguồn điện cao áp. Nguồn điện thông thường đi qua một biến áp có thể sản xuất ra dòng điện với cường độ cần thiết (ít nhất là hàng ngàn vôn). Trong trường hợp này, máy biến áp có thể chuyển đổi điện áp thấp của mạch điện chính thành điện áp cao.

2 Nguyên lý hoạt động[sửa | sửa mã nguồn]

Nguồn điện được nối với cuộn dây chính. Tụ điện của cuộn dây chính tích điện tích nhiều điện tích đến mức nó phá vỡ mức trở kháng của không khí trong khe đánh lửa và dòng điện đi ra khỏi tụ điện xuống cuộn dây chính và tạo ra từ trường. Một khối năng lượng lớn khiến từ trường sụt nhanh chóng, tạo ra một dòng điện trong cuộn thứ cấp. Điện áp nén qua không khí giữa hai cuộn dây tạo ra tia lửa ở khe đánh lửa. Năng lượng bao phủ giữa hai cuộn dây, tích tụ trong các cuộn dây thứ cấp và tụ điện. Cuối cùng, điện tích trong tụ điện thứ cấp lên cao đến mức nó thoát ra dưới dạng hồ quang điện.

Điện áp tần số cao có thể thắp sáng các 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, toàn bộ quá trình sẽ bắt đầu lại và thiết bị sẽ có khả năng 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 các 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 sung năng lượng bằng cách nối với một nguồn cung cấp 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 điểm để tối đa hóa năng lượng chuyển vào các cuộn dây thứ cấp.

Một đăc điểm rất riêng của cuộn dây Tesla là nó hoạt động theo chế độ 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 gian khoảng vài trăm micro giây) vì thế với công suất RMS khá nhỏ nhưng nó có thể phát ra nhửng chùm sóng sine có năng lượng tức thời cực lớn (hàng megawatt) chính vì thế nó phóng nhửng tia sét nhân tạo một cách rất ngoạn mục.

Mặc dù cuộn dây Tesla (Tesla coil) không còn được ứng dụng thực tế nhiều nữa, song phát minh của Tesla đã làm nên cuộc cách mạng về cách chúng ta hiểu và sử dụng điện.

3 Năng lượng đầu vào và đầu ra của cuộn Tesla[sửa | sửa mã nguồn]

3.1 Công suất máy biến áp cấp nguồn cho cuộn Tesla[sửa | sửa mã nguồn]

Để thực hiện cuộn Tesla truyền thống người ta thường dùng biến áp NST ( Neon sign transformer) có cống suất khoảng 200VA đên 450VA. Biến áp NST rất thich ứng cho ứng dụng này vì dòng ra của nó khoảng 30mA cho dù 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[sửa | sửa mã nguồn]

Xem lại công thức

J=1/2CV2

Lấy 1 giá trị trung bình

C=10nF

V=14kV

F=Tần số cộng hưởng 200Kz

Ta có

J=1/2*10−9*(14000)2=0,245joule=0,245watt/s3.3

3.3 Công suất đầu vào cuộn Tesla[sửa | sửa mã nguồn]

Trong 1 giây nếu dùng lưới điện 50 Hz, số lần nạp và xả của tụ C là 100 lần

Nên công suất của cuộn Tesla trên là

0,245*100=24.5watt ( nhỏ hơn công suất của máy biến thế NST nhiều)

3.4 Công suất tức thời của cuộn Tesla[sửa | sửa mã nguồn]

L=1/(2π(LC)1/2

L=63*10−6 Henry

Thời gian ½ chu kỳ của tần số 200Kz là 2,5micro giây.

Khi khe đánh lửa SG đóng tụ C sẽ xà vào cuộn dây L ứng với thời gian trên do đó công suất tức thời của việc chuyển giao gói năng lượng từ C vào L là

0,245/(2.5*10−6 )=98*103watt==98Kw

Công suất tức thời rất lơn so với công suất liên tục ( 98Kw so với 24,5w)

Dòng điện bình quân trong thời gian xả trên

I=P/V= 9,8A

Cùng với các giá trị C và V chọn L=5*10−6Henry( người ta có thói quen chọn cuộn sơ cấp 5-7 vòng dây nên có giá trị như trên)

Tần số cộng hưởng sẽ là 692 kHz (F=1/(2π(LC)1/2 )

Công suất đỉnh tức thời của cuộn Tesla

1/2T=1/692*103=0,72*10−6

P=J/0,72*10−6=340.000W/s=340Kw

Dòng tức thời sẽ là 34A

Qua 2 ví dụ với số liệu cụ thể trên ta thấy với cùng công suất đầu vào nếu:

Dùng cuộn cảm có giá trị nhỏ hơn. tần số hoạt động của cuộn Tesla sẽ cao hơn, công suất tức thời sẽ cao hơn.

Hoặc dùng giá trị C lớn hơn năng lương chứa trong tụ tăng, ông suất tức thời sẽ cao hơn.

3.5 Công suất đầu ra của cuộn Tesla[sửa | sửa mã nguồn]

Gồm 2 thành phần, thành phần V càng cao tia lửa điện càng dài thành phần I càng lớn tiếng rít và độ sáng cũng như mật độ chùm tia lủa điện càng dày. Và nói chung nó sẽ định đoạt do tích của năng lượng đầu vào với hiệu suất biến áp cũng như cộng hưởng chung của cuộn tesla hiệu suất này chỉ ở khoảng 50% hoặc nhỏ hơn vì ngay ở bộ phận đánh lủa đã tiêu hao mấy chục phần trăm năng lượng, rất dể nhận biết do tiếng nổ và nhiệt phát ra tại đây. Công suất này ở khoảng vài trăm watt cho cuộn Tesla cở trung bình <500.000V điện áp xuất và vài watt đến vài chục watt cho cuộn tesla cở 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[sửa | sửa mã nguồn]

Gần đây người ta đưa công nghệ bán dẫn vào cuộn Tesla hiện đại, theo thuật ngử 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 củ, vừa loại bỏ được máy biến thế NST, máy đánh lửa và tiếng ồn của nó mà vẫn mang lại nhiều hiệu ứng hiện đại ví dụ quả cầu plasma, cuộn Tesla phát ra tiếng nhạc.

4.1 Chuyển đổi năng lượng trong cuộn Tesla hiện đại[sửa | sửa mã nguồn]

  Trong cuộn tesla truyền thống trong 1 giây chỉ có 100 hoặc 120 lần bổ sung năng lượng, với thời gian bổ sung cực ngắn(vài micro giây) nên nó cần nhũng xung năng lương cực lớn hàng nghìn Kw, với thời gian nghĩ giửa 2 lần xả tụ dài từ hàng nghìn đến hàng 10 nghìn lần thời gian xả tụ nên cần có cuộn sơ cấp bằng ống đồng to cũng như đường cáp dẫn điện trong vòng mạch dao động sơ cấp cũng to để đảm bảo hệ số Q cao nên nó đương nhiên sẽ cồng kềnh.

  Trong cuộn Tesla hiện đại người ta có thể tăng số xung trong 1 giây lên vài trăm BPS ( Bit Per Second) ngoài ra trong một lần câp năng lượng vào người ta cấp đủ 1 vài chục chu kỳ sóng sine mật độ cao, khác với cuộn Télla nguyên mẩu mổi lần cấp chỉ là 1/2 chu kỳ xả tụ vào cuộn cảm sau đó mạch cộng hưởng sẽ dao động tắt dần khoảng chục chu kỳ, khi năng lương chuyển đổi qua lại giủa tụ và cuộn dây tạo nên 1 chùm sóng sine có mật độ năng lượng cao và bằng từ trượng biến thiên hiện tượng hổ cảm chuyển năng lượng từ cuộn sơ cấp qua cuộn thứ cấp.

Một đặc tính kỷ thuật không thể không quan tâm là hệ số hổ cảm giửa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp phải nhỏ hơn 0,3 thậm chí nhỏ đến 0,05.

Chú thích[sửa | sửa mã nguồn]

  1. ^ a ă Uth, Robert (ngày 12 tháng 12 năm 2000). “Tesla coil”. Tesla: Master of Lightning. PBS.org. Truy cập ngày 20 tháng 5 năm 2008. 
  2. ^ Dommermuth-Costa, Carol (1994). Nikola Tesla: A Spark of Genius. Twenty-First Century Books. tr. 75. ISBN 0-8225-4920-4. 
  3. ^ “Tesla coil”. Museum of Electricity and Magnetism, Center for Learning. National High Magnetic Field Laboratory website, Florida State Univ. 2011. Truy cập ngày 12 tháng 9 năm 2013. 
  4. ^ “Instruction and Application Manual, p. 2” (PDF). Model 10-206 Tesla Coil. Science First, Serrata, Pty. educational equipment website. 2006. Truy cập ngày 12 tháng 9 năm 2013. 
  5. ^ Cheney, Margaret (2011). Tesla: Man Out of Time. Simon and Schuster. tr. 87. ISBN 1-4516-7486-4. 
  6. ^ Constable, George; Bob Somerville (2003). A Century of Innovation: Twenty Engineering Achievements that Transformed Our Lives. Joseph Henry Press. tr. 70. ISBN 0-309-08908-5. 
  7. ^ Smith, Craig B. (2008). Lightning: Fire from the Sky. Dockside Consultants Inc. ISBN 0-615-24869-1. 
  8. ^ a ă Plesch, P. H. (2005). High Vacuum Techniques for Chemical Syntheses and Measurements. Cambridge University Press. tr. 21. ISBN 0-521-67547-2. 
  9. ^ Tilbury, Mitch (2007). The Ultimate Tesla Coil Design and Construction Guide. New York: McGraw-Hill Professional. tr. 1. ISBN 0-07-149737-4. 
  10. ^ Ramsey, Rolla (1937). Experimental Radio, 4th Ed. New York: Ramsey Publishing. tr. 175. 
  11. ^ Mazzotto, Domenico (1906). Wireless telegraphy and telephony. Whittaker and Co. tr. 146. 
  12. ^ Sarkar, T. K.; Mailloux, Robert; Oliner, Arthur A. và đồng nghiệp (2006). History of Wireless. John Wiley & Sons. tr. 286, 84. ISBN 0-471-78301-3. 
  13. ^ "Unfortunately, the common misunderstanding by most people today is that the Tesla coil is merely a device that produces a spectacular exhibit of sparks which tittilates audiences. Nevertheless, its circuitry is fundamental to all radio transmission" Belohlavek, Peter; Wagner, John W (2008). Innovation: The Lessons of Nikola Tesla. Blue Eagle Group. tr. 110. ISBN 9876510096.