Jste zde

Teslova cívka a bezdrátový přenos energie

Bezdrátový přenos elektrické energie objevil před více než sto lety srbský elektrotechnik Nikola Tesla. V době mého mládí byl u nás osobou téměř neznámou. Přitom to byl asi největší elektrotechnik všech dob a bez jeho střídavé vícefázové soustavy si dnešní svět nedovedeme představit. Renesance zájmu o jeho osobu přišla až s rozvojem internetu.

Jen se to zvrtlo do spousty konspiračních teorií ala free energy, mizení lodí amerického námořnictva a sestřelování meteoritů nad Tunguzkou paprsky smrti. Velmi zajímavé a dodnes nepřekonané jsou jeho pokusy s vysokofrekvenčními proudy v Colorado Springs. Myšlenka celosvětové bezdrátové energetické sítě je z mnoha důvodů nerealizovatelná a pravděpodobně i fyzikálně nemožná. Ovšem přenos energie v malém od nabíjení zubních kartáčků a mobilů až po elektromobily je v v poslední době slibně se rozvíjejícím odvětvím techniky.

            Obr. 1: Mark Twain, New York 1894 a Nikola Tesla v laboratoři, Colorado Springs 1899

Show s bezdrátovým přenosem elektrické energie do žárovek či spíše zářivek, která Nikola Tesla předváděl pro své přátele a na přednáškách pro odbornou veřejnost můžete dnes snadno zopakovat pomocí populární hračky plasma ball a úsporné zářivky. Magoři demonstrují přenos energie máváním světelnými meči-zářivkami nad hlavou pod vedením velmi vysokého napětí.

Obr. 2: Světelný meč-zářivka napájená na jednom konci zdrojem z magické koule

Vzhledem k tomu, že každý rok je v černé kronice heslo: přelézali vagóny a spálil je proud, je vhodnější osud nepokoušet, protože za škvařící se selfíčko s bleskem to opravdu nestojí. Pro rozzáření molekul plynu v zářivce stačí nepatrný vysokofrekvenční výkon. Ovšem rozsvítit poctivou žárovku, pojmenovanou od slova žár, to už je jiný level. Mimochodem, chcete-li okouzlovat publikum, tak se prodává i kouzelnická rekvizita úsporky ve tvaru žárovky, která svítí v ruce bez viditelného zdroje. Akumulátor je pravděpodobně i s měničem ukryt v patici.

Obr. 3: Rozsvícení úsporné zářivky zdrojem z rozbité magické koule (plasma ball)

Pokud si uvědomíme, že v době Teslových experimentů bylo průmyslové využití elektřiny novinkou, automobil ford T se začne vyrábět až za deset let a Buffalo Bill ještě střílel na prérii bizony, tak demonstrace bezdrátového přenosu energie nebo dálkového ovládání modelu lodi (ale i vzducholodi) muselo působit jako kouzlo. Konec konců podle neověřeného zdroje (wikipedie) i fyzik lord Kelvin prohlásil, že rádio nemá budoucnost, že předměty těžší než vzduch nebudou nikdy létat, a že se co nevidět dokáže, že rentgen je jen kouzelnický trik.          

Obr. 4: Příjem energie čtvercovou anténou o straně 50 stop a Teslovým transformátorem 1900

Nezměrné úsilí, genialita, houževnatost a invence vynálezce je v případě pokusů v Colorado Springs velmi dobře zdokumentována a dostupná každému zájemci už od roku 1977 veřejně a dnes i zdarma na netu jako jeho zápisky Colorado Springs Notes. V tom textu je téměř vše, ukázky původního rukopisu, přepis do čitelné formy včetně rovnic, výpočtů a schémat mnoha variant zapojení a řeší se tam dokonce i podnebí v dané lokalitě. Místo bylo dobře vybráno na planině v horách, aby trochu nižší atmosférický tlak usnadnil vyvolání výbojů. Je to oblast s velmi suchým vzduchem, což sice vyhovovalo kvůli izolačním vlastnostem použitých materiálů ale nikoliv pleti vynálezce. Jediný problém byl s příliš suchou zemí a nedokonalým uzemněním vysílače. Jestli jsem to se svou mizernou angličtinou pochopil, tak to bylo řešeno finančně nákladným proléváním půdy vodou v místě uzemnění vysílače. Před zvědavci byla laboratoř chráněna plotem s nápisem Great Danger-Keep Out.  Na prvním dvojobrázku je zachycen i sám vynálezce. Vlevo jako rozmazaný duch v pozadí a napravo vykukuje z vrat laboratoře v Colorado Springs a vypadá spokojeně, protože pokusy potvrdily možnost bezdrátového přenosu energie. Po ukončení pokusů byla laboratoř rozebrána a dřevo prodáno a tím byly uhrazeny náklady z provozu laboratoře vybudované i za přispění sponzorů.

Nikola Tesla byl v té době na tehdejší poměry finančně dobře zajištěný, ale jeho příjmy rozhodně nestačily na jeho nákladné experimenty. Pohyboval se ve vybrané společnosti podnikatelů a vůbec tehdejší elity a prý se setkal i s Antonínem Dvořákem. A v té době byl překotný rozvoj techniky něco vzrušujícího a byl vybranou společností a mecenáši podporovaný samozřejmě s vidinou možného budoucího zisku z nových technologií. Nicméně nepochopím, proč po vítězství střídavého proudu George Westinghouse neobnovil vyplácení podílů na zisku z instalovaných střídavých strojů, kterých se Tesla v kritické fázi tzv. války proudů velkoryse zřekl. A ta válka proudů, snad ani žádnou válkou nebyla, spíš bych to nazval mediálním svinstvem ze strany Edisona. Ten se se snažil vnutit veřejnosti představu, že střídavý proud rovná se jistá smrt. Nechutnou nafilmovanou veřejnou popravu přiotráveného slona elektrickým proudem lze na netu najít i dnes o popravách vězňů střídavým proudem tzv. westinghousováním nemluvě.

V podrobných osobních poznámkách z pokusů ale to nejdůležitější ze všeho chybí. Jaká byla energetická účinnost těchto experimentů? Vzhledem k tomu, že se traduje, že jeden z experimentů poškodil nadměrným odběrem proudu generátor v elektrárně a přijímač ve tvaru velké Teslovy cívky dokázal přijmout jen pár wattů do žárovky vzdálené šest set metrů od vysílače, tak selským rozumem lze dojít k závěru, že účinnost přenosu energie se bude blížit nule. U génia, jakým byl Tesla, opravdu nelze vyloučit, že se mu nakonec nějak podařilo pomocí rezonance pumpovat energii do ionosféry planety a tím zlepšit efektivitu přenosu a že budovaná Wardenclyffe tower na Long Islandu na tom mohla být s účinností lépe. To už se ale ale nikdy nedozvíme, protože stanice nikdy nebyla uvedena do provozu a pokusy takového rozsahu, jaké dělal Tesla, nelze už v dnešním elektronickém světě zopakovat i kdyby se v populaci našel genius jeho formátu.

Obr. 5: Dnes jsou větší Teslovy transformátory uzavřeny ve Faradayově kleci (VUT Brno)

Obrázky generátoru elektrárny, která měla napájet vysílač, jsou na internetu na stránkách www.gettyimages.com  (heslo Wardenclyffe tower) dostupné dokonce ve velkém rozlišení, ale majitel chce za jednu digitální kopii 565 euro, takže se budete muset podívat sami. Ale stojí to za to, protože i menší náhled s vodoznakem je mnohem kvalitnější než většina obrázků dostupných na internetu, které bývají nejčastěji ve velikosti větší poštovní známky. Nicméně soustrojí generátoru příliš velké není, takže nemohlo mít ani velký výkon. Asi se to dá dohledat, ale tipuji, že elektrárna mohla vyrábět jen pár desítek kilowattů. Takže opět je otázka, nakolik to mohlo fungovat s takovýmto energetickým vstupem? A to měla být realizována celosvětová síť vysílačů a přitom z finančních důvodů se nepodařilo dokončit ani jednu věž. J.P. Morgan zastavil financování po té, co Marconi uskutečnil úspěšný bezdrátový přenos zprávy s mnohem menšími náklady, i když využil Teslovy patenty. V Americe je proto dnes jako vynálezce radia uznáván Tesla a ne Marconi.

I z pokusů v Colorado Springs je zřejmé, že Teslovi rozhodně nešlo jen o přenos morseovky a měl mnohem větší ambice. Často se nedokončená věž vysílače kreslí se šlehajícími blesky. Ale tvar kopule s velmi oblými tvary spíš naznačuje, že na rozdíl od vysílače s hrotem v Colorado Springs by se u tohoto zařízení žádné výboje nekonaly. Troufl bych si to laicky přirovnat k normálnímu vysílači. A když se nad tím zamyslíme, tak vysílače AM na dlouhých vlnách s výkonem ve stovkách kilowattů také dokázaly napájet bezdrátově krystalky. Takže jakási varianta bezdrátového přenosu energie na hodně velké vzdálenosti pro napájení malých zařízení naladěných do rezonance s vysílačem přeci jen v historii techniky proběhla.

Na stránkách s drahými fotografiemi www.gettyimages.com (heslo thermoelectric coil) je i nádherná fotka bipolární Teslovy cívky v jeho laboratoři. Všimněte si nejen precizního provedení ale i řešení zavěšení vodorovné sekundární cívky, to v moderních replikách TC už použito není a cívky jsou podepřeny uprostřed. V pozadí v Teslově laboratoři je i menší wireless telegraphy apparatus (google-obrázky). To je ta velká placatá cívka na pozadí známého portrétu, jak si vynálezce čte knihu. V dřívějších ilustracích (ne fotkách) má tato cívka ze středu vyvedený terminál se šlehajícími blesky (ale taky si čte knihu). Na fotce s výstavou jeho vynálezů je tato cívka zavěšena ze stropu. Záměrně neuveřejňuji fotky dostupné na netu, protože odkazy bývají často po nějaké době neplatné a s autorskými právy se v poslední době blbne na kvadrát. Takže je zapotřebí zadat heslo tesla exhibitions laboratory do google-obrázky.  Nikola Tesla vyzkoušel řadu designu rezonančních transformátorů a známá je i sekundární cívka ve tvaru kuželu. Na jeho nákresech se řeší i rozměry s rozkreslením vlnových délek, ale to vzhledem k používaným kmitočtům mi příliš smysl nedává. Je ale naprosto neuvěřitelné, že dokázal takové věci nejen vymýšlet, ale i konstruovat, když ani neměl pořádné přístroje pro kontrolu zhotoveného zařízení. Neexistoval samozřejmě ani osciloskop, ani vysokofrekvenční voltmetr, nebo absorbční vlnoměr.  A na složitější výpočty byly jen logaritmické tabulky. A protože svět je barevný, pokochejte se, jak ty aparáty asi vypadaly na obrázcích vysokonapěťových hraček na cirkusových stránkách: http://www.pictorialism.com/tesla.html . A před dvěma lety postavili v Chorvatsku i repliku rozestavěné vysílací věže jako kulisy hudebních festivalů (heslo zagreb tesla tower google-obrázky).

Obr. 6: Teslův transformátor vybíjený do hrotu Van de Graafova generátoru (jen jako hromosvod)

Mít Teslův transformátor byl můj dětský sen a přiznám se, že nejsem dostatečně manuálně zručný, abych ho zrealizoval. Měl jsem proto velkou radost, když se velký polovodičový SSTC objevil v inzerci v blízkosti mého bydliště a za rozumné peníze. Pravda, nebyla to ta správná varianta rozzlobeného sršícího zdroje šmátrajícího plynule výboji všude okolo. K polovodičům mám v tom případě nedůvěru, protože rotující jiskřiště mi přijde jako spolehlivější řešení, než spínací IGBT, podle hesla: nejlepší tranzistor je jiskřiště. Taky SSTC vydržel jen týden mých pokusů. Tesláku pravděpodobně neudělal dobře můj poslední experiment s papírovým bleskovodem a místo, aby to šlehlo z terminálu bokem, tak tranzistory raději vybuchly. Zapájet čtyři nové tranzistory bych asi dokázal, ale spravovat to v původní podobě už nebudu. Ač to byl profesionální výrobek made in USA, neměl ani vyřešenu filtraci do sítě. Autora zapojení, který má i několik patentů v oblasti TC (google-patents), jsem nakonec vypátral pomocí nápisu na plošném spoji (SSTC-3.8) v nějaké staré diskusi. K schématu se už dostat nelze, protože vynálezce už umřel a firmička JM labs vyrábějící tyto hračky už neexistuje.

Obr. 7: Návod na stavbu TC, L. Gruncl, L. Smrž: Elektrické přístroje malého technika SNTL 1963

Koupený transformátor byl typ s přerušovanými výboji a s možností plynulé regulace počtů blesků za sekundu (bps). Blesky byly sice pěkné, ale při každém blýsknutí zhasly LED žárovky v celém domě a pohasínaly i wolframové, což už je docela na pováženou. Naštěstí to spotřební elektronika v domácnosti přežila včetně bezdrátové kamery SONY, kterou jsem si výboje natáčel. Ale člověku není úplně jedno, když při každém blýsknutí pohasne červená kontrolka nahrávání na kameře a fotit drahým fotoaparátem výboje se člověku taky moc nechce. Každopádně v době fotoaparátu se 6 snímky za sekundu, není problém pořídit pěkné obrázky. To Teslovi asistenti měli mnohem horší fotovybavení. Předpokládám, že je všem jasné, že známá fotka (zase si čte knihu) uprostřed blesků uvnitř vysílače v Colorado Springs je v dnešní hantýrce fake, po staru fotomontáž z dvojexpozice.

Obr. 8: Teslák s krabičkou sirek jako měřítkem velikosti a převodním transformátorem na 120V

Nestihl jsem před zničením odměřit příkon Teslova transformátoru a ani pořádně nevím, jak by se to mělo udělat, když to práskalo v milisekundových blescích. Nicméně pokud vezmu jako výstup nepříjemné štípnutí do dlaně ale už s pachem spálené kůže a skutečnost, že jako součást jsem dostal k transformátoru převodní trafo 1600VA na 120V amerických a ta pohasínající světla v baráku, tak se dá usoudit, že účinnost bude opět nula nula nic. Nicméně mne následné pátrání po náhradách už nevyráběného typu IGBT přivedlo na zkratku QCW DRSSTC (Quasi Continuous Wave Double Resonant Solid State Tesla Coil) a to je opravdu pokrok. Úplně malé cívky švihají blesky z podlahy místnosti až do stropu. Doufám jen, že firma Loneoceans Laboratories bude stejně jako loni distribuovat hotové drivery pro buzení Teslových transformátorů. Kopie plošných spojů jejich univerzální ch driverů lze najít i na ruských a samozřejmě i čínských stránkách věnovaných vysokému napětí. Momentálně jsou ale bohužel jak plošňáky, tak hotové budiče vyprodány.  Rád bych si tento budič koupil, protože pokud něco takového existuje, tak oživovat zastaralou polovodičovou koncepci nedává smysl. Princip QCW je na stránkách srozumitelně vysvětlen a to včetně schémat zapojení a obrazovek osciloskopu s průběhy. V zásadě se jedná o amplitudovou modulaci zdroje. Po zapálení výboje narůstá napětí, takže s rostoucí délkou blesku roste i napětí a to blesk to prodlouží i na víc než pětinásobek délky sekundární cívky. Nosnou je v tomto případě rezonanční kmitočet obou vinutí (Double Resonant).  U většiny Teslových transformátorů je výboj tak na pětině délky cívky a tady je ten poměr opačný, což je neuvěřitelné zlepšení.

Obr. 9: Zničené IGB tranzistory polovodičového driveru SSTC

Jen pro úplnost dodávám, že i když výboje z Teslova transformátoru jsou díky vysokému kmitočtu (proud stéká po povrchu těla) mnohem méně nebezpečné než životu nebezpečné síťové napětí na kmitočtu 50Hz, bezpečná hračka to rozhodně není. A u větších výkonů by měl být člověk opravdu hodně opatrný. A také je samozřejmě vhodné větrat, protože ozón je jedovatý a rozleptává plíce. Máte-li nutkavou potřebu sahat na vysoké napětí, kupte si buď plazmovou kouli, anebo miniaturní Teslův transformátor. Na ebay lze koupit za pár korun minitesláky,které dokonce hrají hudbu. Trochu větší transformátory se samozřejmě dají koupit i u nás jako učební pomůcky, ale pak už to stojí 35 000 Kč. Ale zase český dodavatel má pestřejší sortiment a dokáže nabídnout i pět závitů tlustého měděného drátu za čtyři tisíce, takže v tomto srovnání,  je ten jeho transformátor ještě levný.

Obr. 10: Music Arc Plasm Speaker Tesla Coil Wireless Transmission experiment za 20 dolarů

Dodání této hračky trvalo dost dlouho, ale přišlo to perfektně zabalené a navíc je to natolik levné, že není nutné řešit DPH a poštovné. I když cenově to nemá na objektiv za neuvěřitelných 23 korun, který nedávno zkoumali na diit.cz. Trochu problém byl s uvedením do chodu, protože k tomu není žádná dokumentace a chybí i značení. Plus je v napájecím konektoru uprostřed a podle jmenovitého napětí elektrolytického kondenzátoru to možná snese 35 voltů. Pět voltů hračku nespustí a u zdroje je vhodné napětí zvyšovat postupně. Jako optimální se jeví napětí větší než 12 voltů. Doma jsem neměl zdroj, takže jsem to nakonec připojil nejdřív na 15 a pak na 30 voltů. Proudové omezení 0,3A se na symetrickém zdroji rozsvítilo. Takže příkon pro výboj na obrázku je 9W. U výkonnějšího zdroje (aspoň 0,4A) se výboj zapálí sám, jinak je tou zapotřebí pomoci přiblížením ruky či doutnavky. Doutnavka a audiokablík je součástí dodávky. Výkon bude opět zanedbatelný, ale opravdu to hudbu hraje-viz video.

Obr. 11: Zpívající jiskra napájená ze zdroje k notebooku napětím 19V

Čínskou hračku je vhodné mírně upravit nahrazením šroubků distančními hranoly ve funkci nožiček, protože původní řešení se šroubky se povolovalo gravitací při přenášení. Jiskření ruší elektroniku přehrávače natolik, že jej nelze vůbec spustit, takže je zapotřebí umístit miniteslák minimálně půl metru od CD přehrávače. Pokud se během hudební produkce cívka posune směrem k přehrávači, tak přestane přehrávač hrát a zamrzne i notebook. Počítačový zdroj 19 V/4A je dostatečně výkonný k tomu, aby se výboj zapálil samostatně. Zkoušel jsem i nestabilizovaný podobných parametrů k počítačovým bednám a nefungovalo to. Světelný efekt miniaturní jiskřičky je umocněn fialovou ledkou, která je umístěna uvnitř sekundární cívky. Polohu primáru je zapotřebí hlídat, protože při vyosení samonosné cívky dochází k výboji z primáru doprostřed sekundárního vinutí. Hraje rozpínající se vzduch výbojem (systém blesk-hrom) a hraje to velmi potichu. A kvůli produkovanému ozónu je vhodné větrat. Na youtube je i obrovská hrající divoká kočka (hellcat bipolar tesla coil).

Obr. 12: BNC kablík s banánky položený na stole snímá kmitočet oblouku na osciloskop (3MHz)

Teslův transformátor je naprosto úžasná vn hračka. A naprosto neskutečně musela před sto lety vypadat vysílací stanice v chodu viz. třeba 3D animace ( youtube heslo Colorado Springs laboratory). Bohužel kvůli ozónu, velmi vysokému napětí, elmg.  rušení a zanedbatelné účinnosti se na přenos energie nehodí. Navíc podle toho, jak je to koncipováno, se obvod se uzavíral horními vrstvami atmosféry a zemí. Takže není ani jisté, zda by po vybudování celosvětové sítě s velkým výkonem to nemělo negativní vliv na ozónovou vrstvu. To následující možnost přenosu-indukční vařič, které se budu věnovat příště, je na tom s účinností nesrovnatelně lépe. Dokonce tak, že někteří experimentátoři usoudili, že objevili perpetum mobile.

VIDEA

Výboje do světelných zdrojů

 

Výboje z Teslova transformátoru do ruky (nepříjemné)

 

Výboje z Teslova transformátoru do zářivek

 

Výboj do papírového bleskovodu zničil driver transformátoru

 

Oživení miniaturního Teslova transformátoru

 

Plasma speaker (linkový výstup z CD přehrávače)

¨ 

Sluchátkový výstup z Mp3 přehrávače, kmitočet oblouku 3MHz

 

Rozsvícení spálené žárovky rozptylovým transformátorem 10kV/50Hz

 

Hodnocení článku: