Teslův transformátor

Teslův transformátor (slangově nazývaný teslák) je vzduchový transformátor, který funguje na rezonančním principu. Slouží k vytváření vysokého napětí o vysoké frekvenci (řádově desítky kV až jednotky MV při desítkách až stovkách kHz^[1]). Byl vynalezen Nikolou Teslou, který si jej patentoval roku 1891.^[2]

Tesla používal tyto obvody k provádění experimentů v oblasti elektrického osvětlení, rentgenových paprsků, vysokofrekvenčních jevů střídavého proudu, a bezdrátového přenosu elektrické energie. Teslovy transformátory byly komerčně používány v jiskřišťových rádiových vysílačích pro bezdrátovou telegrafii až do 20. let 20. století.^[3] Dnes je jejich hlavní využití pro zábavní a vzdělávací účely, ačkoli malé Teslovy transformátory se stále používají jako detektory netěsností ve vakuových systémech.^[4]

Teslův transformátor se skládá z primární a sekundární cívky a buzení. Podle typu buzení se Teslovy transformátory dělí na několik typů:^[5]

• Jiskřišťový (anglicky Spark Gap Tesla Coil – SGTC)
• Elektronkový (anglicky Vacuum Tube Tesla Coil – VTTC)
• Polovodičový (anglicky Solid State Tesla Coil – SSTC)

Jiskřišťový typ je nejstarším a nejjednodušším typem Teslova transformátoru.^[5] Skládá se z:

• zdroje vysokého napětí U_N (stejnosměrného nebo nízkofrekvenčního střídavého o velikosti cca 5 až 30 kV^[6]);
• rezonančního transformátoru s primárním vinutím L₁ a sekundárním vinutím L₂;
• odporu R, který představuje vnitřní odpor zdroje a odpor přívodních vodičů;
• primární kapacity C₁ tvořené kondenzátorem;
• primárního jiskřiště J₁, které plní funkcí spínače pro buzení primárního obvodu;
• sekundárního jiskřiště J₂, které slouží ke generování výsledných vysokonapěťových výbojů. Může být provedeno jako:
  • unipolární – jeden z pólů sekundárního vinutí je vysokonapěťová výstupní elektroda (často toroidního tvaru^[7]), druhý je uzemněn; k výbojům dochází mezi elektrodou a nejbližšími uzemněnými objekty;
  • bipolární – oba póly sekundárního vinutí jsou vysokonapěťové elektrody, k výbojům dochází mezi nimi;
• sekundární kapacity C₂ která představuje parazitní vlastnosti sekundárního obvodu (mezizávitová kapacita, kapacita prostředí mezi elektrodami, případně elektrodou a zemí^[7]).

• 
  Zjednodušené schéma Teslova transformátoru
• 
  Podrobné schéma Teslova transformátoru
• 
  Elektroda unipolárního jiskřiště
• 
  Elektrody bipolárního jiskřiště

Po připojení napájecího napětí začne procházet proud přes odpor indukčnost a kapacitu (sériový RLC obvod) na primární straně do doby, než dojde k nabití kapacity na hodnotu napájecího zdroje. Indukčnost primárního vinutí je nízká (řádově desítky μH) a na nabíjecí proces nemá velký vliv.^[1] Po dosažení dostatečného napětí na kondenzátoru a tím i na primárním jiskřišti dojde k přeskoku, který z primární strany transformátoru vytvoří paralelní rezonanční LC obvod, který se rozkmitá na frekvenci dané hodnotami indukčnosti a kapacity dle Thompsonova vzorce. Tento prudký kmitající proudový ráz vyvolá v primární cívce magnetickou indukci, jejímž působením ve v sekundární cívce indukuje vysoké napětí. Po vybití primární kapacity a poklesu napětí na jiskřišti přestane primární obvod kmitat a proces se celý opakuje od začátku.^[5]

Transformátor je zde provozován v rezonanci, jeho chod se tak liší od běžného transformátoru. Zatímco běžný transformátor je určen k efektivnímu přenosu energie z primárního vinutí na sekundární, rezonanční transformátor je navržen také k dočasnému ukládání elektrické energie. Primární a sekundární obvody jsou naladěny tak, že mají stejnou nebo blízkou rezonanční frekvenci, tedy:^[5][8]

${\displaystyle f_{0}={\frac {1}{2\pi {\sqrt {L_{1}C_{1}}}}}={\frac {1}{2\pi {\sqrt {L_{2}C_{2}}}}}\Rightarrow L_{1}C_{1}=L_{2}C_{2}\Rightarrow {\frac {L_{1}}{L_{2}}}={\frac {C_{2}}{C_{1}}}}$;

díky čemuž si vyměňují energii a působí jako vázaný oscilátor; během každého výboje akumulovaná energie rychle osciluje tam a zpět mezi primární a sekundární stranou obvodu. Aby bylo možné transformátor provozovat v rezonanci, jsou rezonanční transformátory konstruovány odlišně od běžných transformátorů:

• běžné transformátory využívají železné jádro, nicméně při vysokých frekvencích by v železe vznikaly příliš vysoké ztráty, proto jsou rezonanční transformátory konstruovány jako vzduchové;^[2]
• běžné transformátory mají pro dosažení vysoké účinnosti vysoký činitel vazby mezi primárním a sekundárním vinutím, typicky k > 0,95; rezonanční transformátory mají činitel vazby výrazně nižší, typicky k = 0,1–0,2.^[1] Tato volná vazba zpomaluje výměnu energie mezi primární a sekundární cívkou, což umožňuje, aby oscilující energie zůstala v sekundárním okruhu déle, než se vrátí do primárního a začne se rozptylovat v jiskře.^[6]

Vlivem rezonance na rozdíl od běžného transformátorů neplatí, že poměr napětí na primárním a sekundárním vinutí odpovídá poměru závitů vinutí.^[9] Převodní poměr je nutné vypočítat z akumulované energie:^[10][11]

${\displaystyle W_{1}=W_{2}\Rightarrow {\frac {1}{2}}C_{1}{U_{1}}^{2}={\frac {1}{2}}C_{2}{U_{2}}^{2}\Rightarrow {\frac {U_{2}}{U_{1}}}={\sqrt {\frac {C_{1}}{C_{2}}}}}$

${\displaystyle W_{1}=W_{2}\Rightarrow {\frac {1}{2}}L_{1}{I_{1}}^{2}={\frac {1}{2}}L_{2}{I_{2}}^{2}\Rightarrow {\frac {I_{2}}{I_{1}}}={\sqrt {\frac {L_{1}}{L_{2}}}}}$

${\displaystyle p={\frac {U_{2}}{U_{1}}}={\frac {I_{1}}{I_{2}}}={\sqrt {\frac {C_{1}}{C_{2}}}}={\sqrt {\frac {L_{2}}{L_{1}}}}}$

Vysokonapěťové výboje o vysoké frekvenci, které vycházejí z výstupní elektrody Teslova transformátoru, představují specifické nebezpečí, které se u jiných vysokonapěťových zařízení nevyskytuje, a to, že při průchodu tělem často nezpůsobují bolestivý pocit a svalovou kontrakci vlivem elektrošoku, jako se to děje v případě úrazu stejnosměrným nebo nízkofrekvenčním střídavým proudem.^[10][12] Nervový systém je necitlivý na proudy s frekvencemi nad 10–20 kHz. Předpokládá se, že důvodem je to, že aby se nervová buňka depolarizovala a přenesla impuls, musí projít přes membránu nervové buňky určitý minimální počet iontů vlivem přiloženého napětí. Pří frekvencích na úrovni rádiového spektra není během půlvlny dostatek času na to, aby dostatečné množství iontů prošlo membránou, než se polarita napětí obrátí.^[13] Experimentátoři předvádějící Teslovy transformátory často zapůsobí na své publikum tím, že se dotknou vysokonapěťové elektrody nebo nechávají výboje procházet jejich těly.^[14][15] Nebezpečí spočívá v tom, že přestože není pociťována žádná bolest, neznamená to, že proudy jsou neškodné. Pokud výboje narazí na holou kůži, mohou způsobit hluboko uložené popáleniny (tzv. RF popáleniny).^[16]

Chybným vysvětlením této necitlivosti je to, že vlivem působení povrchového jevu (tzv. skin efektu) prochází proud pouze povrchem těla a nezasahuje nervy a vnitřní orgány. ^{[3][10][17][18]} Tato teorie je však mylná.^{[19][20][21][22]} Vysokofrekvenční proud sice má tendenci téci po povrchu vodičů, ale hloubka, do které proniká, nazývaná hloubka vniku, závisí nejen na frekvenci ale i na rezistivitě a permeabilitě. U kovových vodičů tak skin efekt dokáže omezit velikost proudu ve středu vodiče, nicméně hloubka vniku v tělesné tkáni je mnohem vyšší díky jejímu vyššímu odporu. Pro frekvence v řádu stovek kHz je hloubka vniku v řádu desítek centimetrů. Jelikož i nejhlubší tkáně jsou blíže k povrchu, má skinefekt pouze malý vliv na cestu proudu tělem.^[23][24]

• Obrázky, zvuky či videa k tématu Teslův transformátor na Wikimedia Commons
• Encyklopedické heslo Teslův transformátor v Ottově slovníku naučném ve Wikizdrojích
• Návod na stavbu Teslova transformátoru.
• Návod na stavbu Teslova transformátoru.
• Popis a stavba SSTC
• Popis, stavba a prezentace DRSSTC, www.blesky.eu.