Индукционная катушка Румкорфа — высоковольтный импульсный трансформатор, устройство для получения импульсов высокого напряжения. Представляет собой электромеханический преобразователь низкого постоянного напряжения в высокое переменное напряжение.
Использовалась как искровой передатчик в первых системах радиосвязи. Катушка получила название по имени немецкого изобретателя Генриха Румкорфа, который запатентовал свою первую конструкцию катушки в 1851 году и организовал её успешное производство в своей мастерской в Париже. Термином «индукционная катушка» называют также катушки, преобразующие высокочастотный переменный ток в вихревые токи для нагрева предметов, помещённых внутри (или вблизи) этой катушки, при индукционном нагреве или в оборудовании для зонной плавки.
Генрих Даниэль Румкорф родился в Ганновере 15 января 1803 года.
В 1825 году поступил работником в мастерскую К. Шевалье в Париже, а в 1840 году основал собственную механическую мастерскую и магазин, которые заслужили добрую репутацию за высокое качество его электрических приборов.
Приобрёл известность устройством индукционного аппарата, ныне всюду употребляемого под именем катушки или спирали Румкорфа. Первую версию своей индукционной катушки запатентовал в 1851 году, и её успех был таков, что в 1858 году ему была присуждена премия Наполеона III в размере 50 тысяч франков, которая выдавалась за наиболее важные открытия в области применения электричества.
Генрих Даниэль Румкорф скончался 20 декабря 1877 года в городе Париже в возрасте семидесяти четырёх лет.
Для получения в лаборатории переменного тока высокого напряжения за счет энергии постоянного тока применяют индукционную катушку Румкорфа, которая представляет собой трансформатор оригинальной конструкции (рис. 26.8).
При замыкании ключа К ток от батареи Б проходит через стойку, винт В, стальной молоточек М, первичную катушку А с сердечником из ферромагнетика и возвращается к батарее Б. Так как сердечник при этом намагничивается, то молоточек М притягивается к нему, и цепь размыкается. Тогда сердечник размагничивается, молоточек выпрямляется и снова замыкает цепь через винт В. Затем весь описанный процесс повторяется снова.
Таким образом, вокруг первичной катушки создается переменное магнитное поле, которое наводит э. д. с. индукции Ɛ во вторичной катушке, имеющей большое число витков. Ее концы показаны наверху.
При размыкании цепи между молоточком М и винтом В возникает искра, которая замедляет изменение поля, т. е. снижает напряжение между концами вторичной катушки. Для ослабления искры параллельно искровому промежутку присоединяют конденсатор С. Индукционная катушка позволяет получить между концами вторичной катушки напряжение порядка 10 000 В.
Прерыватели катушки Румкорфа
Одним из первых типов прерывателей, использованных в катушках Румкорфа, был так называемый "молоточек Вагнера", или "молоточек Нефа". Этот весьма интересный прибор появился приблизительно в 40-х годах XIX в. и представлял собой электромагнит, питаемый от батареи через подвижный ферромагнитный лепесток с контактами.
При включении прибора лепесток притягивался к сердечнику электромагнита, контакт разрывал цепь питания электромагнита, после чего лепесток отходил от сердечника в первоначальное положение. Далее процесс повторялся с частотой, определяемой размерами деталей системы, жесткостью и массой лепестка и рядом других факторов.
Прибор Вагнера-Нефа впоследствии превратился в электрический звонок и представлял собой одну из первых электромеханических колебательных систем, ставшую прообразом многих электро- и радиоприборов ранней радиотехники. Кроме того, этот прибор позволял преобразовывать постоянный ток от батареи в прерывистый ток.
Примененный в катушке Румкорфа электромеханический прерыватель Вагнера-Нефа приводился в действие магнитными силами притяжения сердечника самой катушки. Он составлял с ней конструктивно одно целое. Недостатком прерывателя Вагнера-Нефа была его маломощность, т. е. неспособность прерывать большие токи, при которых контакты обгорали; кроме того, эти прерыватели не могли обеспечить высокую частоту прерывания тока.
Прерыватели катушки Румкорфа
Для разрыва больших токов в мощных индукционных катушках Румкорфа были сконструированы прерыватели иных типов. Они были основаны на разных физических принципах.
Принцип действия одной конструкции состоял в том, что металлический, достаточно толстый стержень перемещался возвратно-поступательно в вертикальной плоскости, погружаясь в чашку со ртутью. Механический привод преобразовывал вращательное движение (от руки или посредством часового механизма или электромотора) в линейное возвратно-поступательное, поэтому частота прерываний могла изменяться в широких пределах.
В одной из ранних конструкций такого прерывателя, предложенной Ж. Фуко, привод осуществлялся с помощью электромагнита, как в молоточке Вагнера-Нефа, а твердые контакты были заменены ртутными.
К концу XIX в. наибольшее распространение получили конструкции фирм "Дюкрете" и "Мак-Коль". Эти прерыватели обеспечивали частоту прерываний порядка 1000-2000 в минуту и допускали приведение их в действие вручную. В последнем случае можно было получить однократные разряды катушки Румкорфа.
Другой тип прерывателей работал по струйному принципу и назывался иногда турбинным. Эти прерыватели действовали следующим образом.
Небольшая высокооборотная турбинка накачивала ртуть из резервуара в верхнюю часть турбины, откуда ртуть под действием центробежной силы выбрасывалась через сопло в виде вращающейся струи. На стенках прерывателя имелись электроды, расположенные через равные интервалы, которые задевала ртутная струя при ее движении. Так происходили замыкание и размыкание достаточно сильных токов.
Нашел применение и еще один тип прерывателей — электролитический, основанный на явлении, открытом русским профессором Н. П. Слугиновым в 1884 г. Принцип действия прерывателя состоял в том, что при пропускании тока через сернокислый электролит между свинцовым массивным и платиновым электродами на платиновом (положительном) электроде, который представлял собой тонкую изолированную стеклом про волоку с острым концом, возникали пузырьки газа, периодически препятствующие протеканию тока, и ток прерывался.
Электролитический прерыватель
Электролитические прерыватели давали частоту прерываний до 500 - 800 в секунду. Освоение переменных токов в электротехнике в начале XX в. ввело в арсенал физики и уже зародившейся радиоэлектроники новые возможности.
Машины переменного тока стали применяться для питания катушек Румкорфа переменным синусоидальным током, что позволяло более широко использовать явление резонанса во вторичной обмотке, а в дальнейшем и в качестве источников токов высокой частоты, которые можно было непосредственно использовать для излучения.
Трансформатор Тесла
Одним из первых инженеров-электриков (ученых), заинтересовавшихся свойствами токов высокой частоты и высокого напряжения, был Никола Тесла, внесший очень серьезный вклад в развитие всей электротехнической науки в плане высоковольтного генерирования.
После изобретения радио он первый сконструировал модель управляемого по радио судна, разработал газосветные лампы, сконструировал индукторную высокочастотную электрическую машину и др. Количество его патентов достигает 800. По словам американского радиотехника Эдвина Армстронга, одного только открытия многофазных токов и индукторного двигателя было бы вполне достаточно, чтобы навеки обессмертить имя Теслы.
Демонстрация опытов Теслы
Никола Тесла много лет вынашивал идею беспроводной передачи энергии на расстояние методом возбуждения Земли как большого колебательного контура. Он увлек этой мыслью многие умы, разработал источники высокочастотной электромагнитной энергии и ее излучатели.
Создание Теслой прибора, сыгравшего очень большую роль в развитии самых различных отраслей электротехники и получившего название "резонанс-трансформатор", или "трансформатор Теслы", относится к 1891 г.
Резонанс-трансформатор Теслы
Резонанс-трансформатор Теслы (90-е годы XIX в.). Схема включения в генераторе электромагнитных волн
От высоковольтной индукционной катушки Румкорфа происходит разряд на лейденскую банку. Последняя заряжается до высокого напряжения и затем разряжается через первичную обмотку резонанс-трансформатора. При этом на его вторичной обмотке, настроенной в резонанс с первичной, возникает очень высокое напряжение.
Первичная цепь трансформатора Тесла (конденсатор и катушка с небольшим регулируемым числом витков) периодически заряжается трансформатором Румкорфа (порядка десятков кВ) и разряжается в разряднике. В цепи создается серия затухающих высокочастотных электрических колебаний.
Для получение более высокой частоты Никола Тесла видоизменил катушку Румкорфа на симметричный воздушный трансформатор без сердечника. В данном виде мы и знаем этот прибор Высоковольтный Резонансный Трансформатор Теслы
Внутри первичной катушки находится вторичная катушка с большим количеством витков и собственной емкостью. Изменяя индуктивность в первичной цепи, можно добиться резонанса (одинаковой частоты) электромагнитных колебаний в первичной цепи и электромагнитных колебаний вторичной катушки.
Напряжение, индуцируемое на вторичной обмотке, настолько велико, что на ее концах возникает сильный дуговой разряд. Поскольку вторичная катушка образует разомкнутый колебательный контур, она действует как антенна, от которой распространяются высокочастотные электромагнитные волны.
В последствии Тесла спроектировал несимметричный (однополярный высоковольтный трансформатор) с которым производил генерацию очень высокого напряжения с эффектом поляризации предметов которые находятся вокруг работающего генератора.
С помощью своего трансформатора Никола Тесла в начале XX века получал высокие напряжения (около 100 кВ) с частотой около 150 кГц. Эти напряжения вызывали пробой в воздухе в форме кистевого разряда длиной до нескольких метров.
К сожалению ВВ трансформатор Тесла не применяется нигде, кроме как в развлекательных целях.
Разработанная Николой Тесла однопроводная передача электроэнергии не востребована при всех положительных расчетных и экспериментальных факторах ее эксплуатации. Причиной же неудач Теслы в продвижении своих изобретений, стала его одержимость в создании беспроводного метода передачи энергии и невыполнении договоренностей с инвесторами о создании мощного канала радиосвязи между Америкой и Европой.
ВВ Трансформатор Николы Теслы изучают до сих пор и применяют исследователи, которые разрабатывают без топливные самодостаточные источники электроэнергии (Капанадзе, Джо Смит и т.д). Возможно доступность технологии к получению энергии без затрат ископаемого топлива и потеря контроля над этим процессом, повлияла на решение воротил финансового мира о свертывании любого финансирования проектов Теслы.
К решению Николы Теслы использовать резонансную систему колебательного контура передачи энергии, относим все системы трансформации с использованием резонансного контура
Высоковольтные трансформаторы с сердечником
В настоящее время выпускаются различные высоковольтные трансформаторы с использованием ферромагнитных сердечников, для различных назначений (катушки зажигания автомобилей, трансформаторы для розжига осветительных газоразрядных ламп, мини высоковольтные трансформаторы для подпала газовой струи, для электрошокеров приборов защиты и т.д.). В энергетике на линиях электропередачи используются высоковольтные повышающие/понижающие трансформаторы. В основе этих устройств, лежит катушка Румкорфа и трансформатор Стенли "Induction coil", US 349611 (William Stanley Jr.) с системой управления разрабатываемой эволюцией инженерной мысли на протяжении 19- 20 -21 веков.
С появлением полупроводниковых систем коммутации электрических цепей управление высоковольтным трансформатором может быть различно.
Качер Бровина
Уже в 21 веке появился высоковольтный трансформатор, который получил название "Качер" или "Качер Бровина". В.И.Бровин занимался исследованием и разработкой детекторных систем на основе свойств связей электромагнитной среды и полупроводниковых транзисторов. Описанный вариант управления транзистором в 8 эпизоде экспериментов, как раз предусматривал подключение к базе транзистора включенного последовательно в схему с силовой катушкой для возбуждения от источника, конец многовитковой катушки индуктивно связанной с катушкой возбуждения. В.И.Бровин поделился информацией с инженером Михаилом Фишман (mag), который на этом свойстве и спроектировал высоковольтный трансформатор, который и получил наименование КАЧЕР.
Фактически это универсальный и оригинальный вариант полупроводникового управления высоковольтным трансформатором без сердечника, который еще в конце 19 века предложил Никола Тесла. В большинстве случаях именно этот принцип используют самостоятельные исследователи аматоры, для создания высоковольтного трансформатора , у которого один конец высоковольтной обмотки свободный. В мире электроники высоковольтный трансформатор с данным схематическим решением управления называют Тесла катушка в маленьком исполнении мини Тесла катушка.
Особенность данной схемы в способности достигать очень высокой частоты генерирования высоковольтного потенциала. Полупроводниковый транзистор работает в сложном режиме открытия закрытия, что приводит его к чрезмерному нагреву и требует хорошего принудительного охлаждения.
Надеюсь материал был вам полезен.
Немає коментарів:
Дописати коментар