Hình 1: Cuộn dây Tesla đang hoạt động cho thấy chùm tia lửa điện hình chổi phóng ra từ tụ điện hình xuyến đạt trên đầu cuộn thứ cấp
Cuộn dây Tesla là một máy 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. Một đặc điểm không thể không đề cập ví nó đã mang lại bằng sáng chế cho Nikola Tesla đó là cuộn thứ cấp là 1 bộ cộng hướng 1/4 bước sóng. (chiều dài dây quấn cuộn L2=1/4 chiều dài bước sóng mà nó cộng hưởng) [9]
Tesla sử dụng những cuộn dây để thực thi thí nghiệm tiên tiến và phát triển trong điện chiếu sáng, lân quang, tạo ra tia X, hiện tượng kỳ lạ 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 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ], và trong những thiết bị y tế như những thiết bị quang điện và thiết bị tia cực tím. Ngày nay việc sử dụng chính của cuộn dây Tesla là để vui chơi và hiển thị trong giáo dục, mặc dầu cuộn dây nhỏ vẫn còn được sử dụng thời nay như thể cách phát hiện rò rỉ cho những mạng lưới hệ thống chân không cao. [ 8 ]
1 Cấu tạo[sửa|sửa mã nguồn]
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 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 giải trí như thiết bị đóng cắt .
Cuộn Tesla cần một nguồn điện cao áp để nạp vào tụ C1. Nguồn điện thông thường đi qua một biến áp có thể sản xuất ra dòng điện với điện áp cần thiết (ít nhất là 3 ngàn vôn).
2 Nguyên lý hoạt động giải trí[sửa|sửa mã nguồn]
Tập tin : Primary ringdown.gifHình 2:chùm sóng sine trong cuộn sơ cấp kiêu dao đông tắt dần
Tập tin : Seconary ringup.gifHỉnh 3:chùm sóng sine trong cuộn thứ cấp kiểu dao đông tăng biên độ dần
Tập tin : Pimary Ringdown. jpgHình 4:chùm sóng sine trong cuộn sơ cấp mô phỏng bằng Proteus theo kiểu dao đông tắt dần
Khi mạng lưới hệ thống được cấp điện. Trong khoảnh khắc ( 50% chu kỳ luân hồi điện lưới ), Tụ điện C1 được nạp gần đầy tia lửa điện sẽ Open, được cho phép nguồn 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 nguồn năng lượng qua lại giữa C1 và L1 còn gọi là hiện tượng kỳ lạ xê dịch cộng hưởng do tia lửa điện duy trì khoảng chừng 5 — > 10 chu kỳ luân hồi giao động của cuôn sơ cấp cũng là thời hạn đủ cho nguồn năng lượng từ cuộn sơ cấp chuyển qua cuộn thứ cấp bằng hiện tượng kỳ lạ 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 các bóng đèn huỳnh quang cách xa vài bước chân mà không cần dây điện kết nối.
Trong một cuộn dây Tesla được phong cách thiết kế tuyệt đối, khi cuộn dây thứ cấp đạt mức điện tích tối đa, hàng loạt quy trình sẽ khởi đầu lại và thiết bị sẽ có năng lực tự duy trì. Tuy nhiên trong thực tiễn, 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, thế cho nên sau cuối cuộn dây Tesla sẽ hết nguồn năng lượng. Đây là nguyên do tại sao những cuộn dây phải được bổ trợ nguồn năng lượng bằng cách nối với một nguồn cung ứng điện bên ngoài .Nguyên tắc cơ bản đằng sau cuộn dây Tesla chính là hiện tượng kỳ lạ cộng hưởng. Cộng hưởng sẽ xảy ra khi cuộn dây sơ cấp bắn dòng điện vào cuộn dây thứ cấp đúng thời gian để tối đa hóa nguồn năng lượng chuyển vào những cuộn dây thứ cấp .Một đặc thù rất riêng của cuộn dây Tesla là nó hoạt động giải trí 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 chừng vài trăm micro giây ) cho nên vì thế với hiệu suất RMS khá nhỏ nhưng nó hoàn toàn có thể phát ra những chùm sóng sine có nguồn năng lượng tức thời cực lớn ( hàng megawatt ) chính do đó nó phóng những tia sét tự tạo một cách rất ngoạn mục .Mặc dù cuộn dây Tesla ( Tesla coil ) không còn được ứng dụng thực tiễn nhiều nữa, tuy nhiên phát minh của Tesla đã làm nên cuộc cách mạng về cách tất cả chúng ta hiểu và sử dụng điện .
3 Năng lượng nguồn 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 thi cuộn Tesla truyền thống lịch sử người ta thường dùng biến áp NST ( Neon sign transformer ) có cống suất khoảng chừng 200VA đên 900VA. Biến áp NST rất thích ứng cho ứng dụng này vì dòng ra của nó khoảng chừng 30 mA mặc dầu chập mạch cũng không bị quá tải và không gây cháy nổ. Biến áp này thường có những cấp cao thế 5KV đến 21K v đỉnh đối đỉnh ( peak to peak voltage ) .
3.2 Năng lượng chứa trong tụ C1[sửa|sửa mã nguồn]
Ứng dụng công thứcJ = 1/2 CV2Lấy 1 giá trị trung bình cho 3 tham số C ; V ; FC = 68 nFV = 14 kVF = Tần số cộng hưởng 200K z
Ta có
J = 1/2 * 68 * 10 − 9 * ( 14000 ) 2 = 6,66 joule = 6,66 watt / s
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 lầnNên hiệu suất của cuộn Tesla trên là6,66 * 100 = 666 w
3.4 Công suất tức thời của cuộn Tesla[sửa|sửa mã nguồn]
Thời gian ½ chu kỳ luân hồi của tần số 200 Kz là 2,5 micro 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 nguồn năng lượng từ C vào L là6,66 / ( 2.5 * 10 − 6 ) = 2,664 * 106 = 2,66 Mw .Công suất tức thời rất lớn so với hiệu suất liên tục ( 2,66 Mw so với 666 w )
3.5 Dòng qua cuộn sơ cấp[sửa|sửa mã nguồn]
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 hạn cấp năng lê dài hàng trăm chu kỳ luân hồi nên vẫn tạo được cao áp vài trăm KV. Trong cuộn Tesla DRSSTC dòng qua cuộn sơ cấp thường ở ngưỡng trăm A thời hạn cấp năng lê dài vài chục chu kỳ luân hồi và tia lửa điện hoàn toàn có thể đạt 3 m .
3.5 Công suất đầu ra của cuộn Tesla[sửa|sửa mã nguồn]
Có 2 cách nhìn nhận hiệu suất một là hiệu suất tức thời hai là hiệu suất trung bình. Trong cuộn Tesla cổ xưa hiệu suất tức thời khá thuận tiện đạt ngưởng Mw. Trong cuộn Tesla DRSSTC hiệu 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 xê dịch của 1 transistor 2N2222 với hiệu suất vài trăm mW vẩn tạo ra được sóng điện từ quanh cuộn Tesla ở cự ly gần .
4 Cuộn Tesla truyền thống cuội nguồn và cuộn Tesla tân tiến[sửa|sửa mã nguồn]
Gần đây người ta đưa công nghệ tiên tiến bán dẫn vào cuộn Tesla văn minh, 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 tân tiến ví dụ quả cầu plasma, cuộn Tesla phát ra tiếng nhạc .
4.1 Chuyển đổi nguồn năng lượng trong cuộn Tesla văn minh[sửa|sửa mã nguồn]
Tập tin : Primary ringup srsstc.jpegHinh5: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 lịch sử trong 1 giây chỉ có 100 hoặc 120 lần phân phối nguồn năng lượng, với thời hạn cung ứng cực ngắn ( vài micro giây ) nên nó cần nhũng xung năng lượng cực lớn hàng nghìn Kw, theo hình 4. Gần đây một số ít người cố nâng hiệu suất nguồn 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 nhất vận tốc cao cũng có hiệu suất cao .Trong cuộn Tesla tân tiến người ta hoàn toàn có thể tăng số xung trong 1 giây lên 400 BPS ( Burts Per Second ) ngoài những trong một lần cấp nguồn năng lượng vào người ta cấp 1 chùm sóng vuông dài vài trăm chu kỳ luân hồi trong cuộn Tesla SRSSTC theo hình 5, vài chục chu kỳ luân hồi trong DRSSTC theo hình 6 với sóng có dạng tăng dần biên độ trái ngược với kiểu cổ xưa .
Một đặc tính kỹ thuật không hề không chăm sóc là thông số hổ cảm giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp phải nhỏ hơn 0,3 .
