テスラ コイルは、二重同調共振トランスを駆動して低電流で高電圧を生成する無線周波数発振器です。
テスラコイルという用語には、本質的に天才の要素が含まれています。この驚異的な技術は、歴史上最も多作で神秘的な科学者の 1 人であるニコラ テスラにちなんで名付けられたことを誇りに思っています。ニコラ テスラは、交流 (A.C.) の使用を擁護したパイオニアとして認められており、世界を真に変革した他の発明のログ リストを彼のベルトの下に持っています。しかし、Tesla が夢中になっているアイデアが 1 つあります。それは、ワイヤレス エネルギーの無料配送と伝送です。クレイジーですね。それでも、それがテスラがテスラ コイルでやろうとしていることです。
(写真提供:J. Gerhard Daniel Grohmann/Wikimedia Commons)
テスラ コイルの操作
簡単に言うと、テスラ コイルは、低電流で高電圧を生成するために二重同調共振トランスを駆動する無線周波数発振器です。さて、無線周波数発振器とは何かをよりよく理解するために、さらに一歩戻って電子発振器を理解しましょう。電子発振器は、主に正弦波または方形波である浸透電気信号を生成する電子回路です。発振器は、電源からの直流電流を交流信号に変換します。無線周波数範囲 (100kHz から 100GHz) の信号を生成する電子発振器は、無線周波数発振器と呼ばれます。
(写真提供:オメガトロン/ウィキメディア・コモンズ)
共振トランスは、トランスの二次コイルが疎結合である共振誘導結合の概念に基づいて動作するため、共振します。共振トランスの特別な側面は、トランスに存在する一方または両方の回路が、それに並列に接続されたコンデンサで構成されていることです。このトランス回路とコンデンサの結合により、同調回路になります。同調回路または LC 回路は、特定の周波数で信号を生成するか、より複雑な信号から特定の周波数の信号を取り出すために使用されます。これは、バンドパス フィルターとしても知られています。
特許取得済みの最初のモデルと最新のモデルのどちらを比較しても、すべてのモデルに見られる共通点が 1 つあります。それは、スパーク ギャップです。スパーク ギャップの機能は、共振回路からの発振電気信号を励起することです。コイルの独自の設計により、テスラ コイルが生成する高電圧での抵抗エネルギー損失が少なくなります。
このようなコイルのさまざまなコンポーネントを理解したので、テスラ コイルの動作全体を掘り下げることができます。まず、共振変圧器が電圧を非常に高いレベルに上げ、高電圧が火花ギャップを越えてジャンプし始めるポイントまで電圧を上げます。一般的な電圧は 5 ～ 30 キロボルトです。回路内のコンデンサは、装置の一次巻線Ｌ１と同調回路を形成する。スパーク ギャップは、一次回路でスイッチの役割を果たします。テスラ コイル (L1、L2) は、スパーク ギャップと一緒に結合されると、高出力の電圧を生成します。
テスラ コイルの数学的ニュアンス
テスラ コイルの動作が構築される 3 つの重要な数学的ニュアンスまたは基礎があります。 2 つの主な機能は、振動周波数です。 と出力電圧 .まず、発振周波数を見てみましょう。テスラコイルから可能な最大量の電圧を生成するには、共振トランスの一次回路と二次回路が互いに共振するように調整されていることを確認する必要があります。一次回路と二次回路の共振周波数は f1 で定義されます そして f2 .通常、二次回路の周波数 (f 2) 調整できません。ただし、プライマリはタップを使用して調整できます。共鳴の条件は以下のとおりです:
従来のトランスとは異なり、共振トランスの出力電圧は巻数比に正比例しません。通常の変圧器の場合。エネルギー保存則で計算できます。サイクルが開始し、スパークが一次回路からすべてのエネルギーを開始すると、 W1 コンデンサー C1 に保存されます . V1 の場合 は、スパーク ギャップがブレークダウンする電圧であり、通常は供給変圧器のピーク出力電圧に近い T 、このエネルギーは:
エネルギー レベルが容量の 85% を超えると、二次回路に転送されます。システムのピーク エネルギー レベルでは、二次側の電圧は V2 です 、蓄積されたエネルギーは W2 です 、二次回路のコンデンサは C2 です .エネルギー損失が発生しないと仮定すると、 W1 および W2 等しくなります。これは、ワイヤレスで送信することによるエネルギーの損失が、理論的には最小限に抑えられた可能性があることを示しています。
