yüksek frekanslı yüksek gerilim transformatörü tesla ... · nikola tesla 1890 (34) colorado...

Prof. Dr. Özcan Kalenderli

İstanbul Teknik Üniversitesi

Elektrik Mühendisliği Bölümü

Yüksek Frekanslı Yüksek Gerilim Transformatörü

Tesla Bobini Tasarımı

Nikola Tesla Sempozyumu, İzmir, 14 Mayıs 2015

Nikola TESLA

1856-1943

Elektrik Enerjisi İletmek için Cihaz

Patent Tarihi:

1 Aralık

1914

Mucit:

Nikola Tesla

Özcan Kalenderli, Nikola Tesla Sempozyumu, İzmir, 14 Mayıs 2015

Nikola TESLA

1890 (34)

Colorado Springs, 1899-1900 (44)


http://www.google.com.tr/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRw&url=http%3A%2F%2Fwww.birinciblog.com%2Fzamanin-otesinde-bir-dahi-nikola-tesla%2F&ei=SAFGVc33NIv5UoiRgOgI&bvm=bv.92291466,d.ZGU&psig=AFQjCNFAenXyq2jmNO51z6D4cR3Rn-fL5g&ust=1430737464857708

Tesla Bobini

- Yüksek doğru gerilim elde etmek için

- Yüksek gerilim cihazlarının deneylerini yapmak için

yüksek frekanslı yüksek gerilime gereksinim vardır

Genel olarak bu işler için kullanılan yüksek frekanslı

yüksek gerilim transformatörü, Tesla bobinidir.


Tesla Bobini

Bir fazlı,

Üç fazlı değil!

Hava çekirdekli,

Demir çekirdekli değil!

Eş eksenli,

Kaçık eksenli değil!

Yüksek frekanslı (50 kHz < f < 400 kHz),

50 Hz değil!

Yüksek gerilim üreteci (U > 1 kV)

Alçak gerilim (U 1 kV) üreteci değil!

Rezonans Transformatörü


Tesla Bobini

- Demir çekirdekleri olmadığı için boyut, ağırlık ve

maliyet tasarrufu sağlar.

- Manyetik doyma olmadığı için saf sinüs dalgası

elde edilebilir.

- Gerilim yavaşça oluştuğu için anahtarlama

darbeleri nedeniyle oluşan hasar söz konusu

değildir.

- Bobin boyunca düzgün gerilim dağılımı olur.


Tesla Bobini (TB) Türleri

Tek-Kutuplu TB

(Mono-polar TB)

Çift-Kutuplu TB

(Bi-polar TB) Özcan Kalenderli, Nikola Tesla Sempozyumu, İzmir, 14 Mayıs 2015

Yarı-İletken TB

(Solid-State TB) Vakum Tüplü TB

Tesla Bobini (TB) Türleri


Tesla Bobini Blok Diyagramı

Yüksek

Gerilim

Transformatörü

Yüksek

Gerilim

Kondansatörü

Birincil

(Primer)

Bobin

Tepe

(Çıkış)

Elektrodu

İkincil

(Sekonder)

Bobin

Atlama

Aralığı

Giriş


http://www.pictorialism.com/tesla.html

C1

C2

L2

L1

Atlama Aralığı

Birincil Bobin

İkincil Bobin

Birincil Kapasite

İkincil Kapasite

Yüksek Gerilim

Transformatörü

Yüksek Gerilim

Çıkış Elektrodu

Tesla Bobini Yapısı

50 Hz

f = 50 kHz – 400 kHz


Tesla Bobini Rezonansı

Tesla Bobini, iki rezonans devresinden oluşur.

L1, C1 birincil, L2 ve C2 ikincil rezonans devresini oluşturur.

C1 L2

C2

L1

İkincil

Rezonans

Devresi

Birincil

Rezonans

Devresi


Tesla Bobini Rezonansı

Rezonans Koşulu

f1 = f2

Rezonans Frekansı

1f

2 LC

Rezonans Devresi

C L

XC = XL

1L

C

L1 x C1 = L2 x C2


Tesla Bobini Devre Analizi

1 21 1 1 1 1

01

1

t di diU i dt L M R i

C dt dt

2 12 2 2 2

02

10

t di dii dt L M R i

C dt dt

L2 L1

C2 U2

R2

U1

C1

R1

i2

i1

M

Atlama

Aralığı

Birincil Devre İkincil Devre

Kirchoff

yasası



R1 = 0 ve R2 = 0 alarak çözüm için

denklemlerin Laplace dönüşümleri

11 1 2

1

1UsL I sMI

s sC

2 2 1

2

10 sL I sMI

sC



C2 kondansatörünün uçlarındaki gerilim (çıkış gerilimi):

2 20

2

1( )

t

u t i dtC

22

2

( )I

U ssC

Laplace

dönüşümü

12 1 22 2

1 2 1 2 1

1( ) (cos cos )

M Uu t t t

L L C

U2 çıkış gerilimi:


Tesla Bobini Çıkış Gerilimi

12 1 22 2

1 2 1 2 1

1( ) (cos cos )

M Uu t t t

L L C

22

1 2

1 1 M

kL L

: Kaçak katsayısı

M: Ortak endüktans

k: Kuplaj katsayısı (0 < k < 1)

1 2

M

kL L

22 2 2 2

2 2 21 2 1 21,2 1 2 (1 )

2 2

k

1

1 1

1

L C

2

2 2

1

L C



1 = 2 = için C2 kondansatörünün uçlarındaki gerilim

(çıkış gerilimi):

1 22max

2 21

2

(1 ) 4

kU LU

LT k T

1 2

2 1 1 2

4

L LT

R L R L

/1 22

1

( ) (cos cos )2 1 1

t TU L t tu t e

L k k

Maksimum çıkış gerilimi:

1 2

M

kL L



2 2

2 2 2 1 1

1 1

2 2 W C U CU

12 1

2

CU U

C

Enerji Aktarımı

: Verim

2

1 1 1

1

2W CU

22 1

1

L

U UL

veya

2 1 W W


Tesla Bobininde Q

Q katsayısı (faktörü) (kalite faktörü): Salınımlar sırasında

devrede biriktirilen enerji ile harcanan enerji arasındaki

oranı gösterir.

2

biriktirilen

2

harcanan

P XI XQ

P RI R

1/ C 1 LQ

R RC R

1

LC

X: rezonans frekansında kapasitif veya endüktif reaktanstır

Teorik olarak R = 0 ise Q sonsuz olur.

1 LQ

R C


Tesla Bobini Tasarımı


1) Transformatör

2) Birincil bobin

3) Birincil kapasite

4) İkincil bobin

5) İkincil kapasite

6) Atlama aralığı

Tesla Bobini Elemanları


Spiral bobin

Bobin Seçenekleri

Helisel bobin

Ters konik bobin

Birincil bobin için İkincil bobin için

1

3

2


Helisel İkincil Bobin (L2)

Helisel bobin

Helisel bobinin endüktansı

n: sarım sayısı

2 2n rL

9r 10h

Dr

2

Wheeler denklemi


İkincil Bobin (L2) Çapı Giriş Gücü İkincil Bobin Çapı

500 VA’dan küçük 7,5 – 10 cm

500 VA- 1500 VA 10 – 15 cm

1500 VA - 3 kVA 15 – 25 cm

3 kVA ve üstü 25 cm ve üstü

0

5

10

15

20

25

30

500 750 2000 3000

Giriş Gücü (Watt)

Bo

bin

Çap

ı (c

m)


İkincil Bobin Boyutları

Bobin Çapı Bobin Uzunluğu Çap/ Uzunluk Oranı

7,5 cm 45 cm 1/6

10 cm 50 cm 1/5

15 cm 60 cm 1/4

20 cm ve üstü 60 cm ve üstü 1/(3 – 5)

İkincil Bobin (L2) Boyutları


Çeyrek dalgaboyu (/4) koşulu:

c: Işık hızı, c = 3 108 m/s

f: Rezonans frekansı (Hz)

2

r

c

4fl2

r

c

4fl

İkincil Bobin (L2) Tel Uzunluğu

Rezonans frekansı

f [Hz]

Tel uzunluğu

l [m]

100 kHz 750 m

150 kHz 500 m

200 kHz 375 m

250 kHz 300 m

(c / f )

4 4

l = İkincil bobinin tel uzunluğu (m)


İkincil Bobin (L2) Tel Ölçüleri


İkincil Bobin (L2)


12 2 1 2

2

dC 1,4 (1,278 ) 0,00155 d (d d )

d b

İkincil Kapasite (C2)

İkincil bobinin

özkapasitesi

Halka (toroid)

çıkış

elektrodunun

kapasitesi

2C 0,01 h 0,062 r a

d2

d1

Medhurst denklemi

Bert Pool denklemi


İkincil Kapasite (C2)

Küre elektrot

2 0 rC 4 R 4 R b

2 2 2C 0,9 (C C ) a b

Eşdeğer çıkış kapasitesi


Spiral Birincil Bobin (L1)

s w

D2

D1

n: sarım sayısı

[H] Spiral bobinin endüktansı

Spiral bobin

2 2

1

n AL

30A 11D

1

1A [D n(w s)]

2


Birincil Bobin (L1) Örnekleri


Ters Konik Birincil Bobin (L1)

h

w r

2

1

(n r)L 0,03937

9r 10h

2

2

(n r)L 0,03937

8r 11w

2 2

1 2L (L sin ) (L cos )

Ters konik bobin

Ters konik bobinin endüktansı

n: sarım sayısı

[H]


Ters Konik Birincil Bobin (L1)


Birincil Kapasite (C1)

C1

1C

2 f Z

U

ZI


Birincil Kapasite (C1)

Düzlemsel Kondansatör

Küresel Kondansatör

Silindirsel Kondansatör

Multi-Mini-Capacitor (MMC)

Tuzlu Su Çözeltili Kondansatör

Cam Kondansatörler

Polietilen Kondansatörler …


Atlama Aralığı

• Statik atlama aralığı

- Tek aralıklı

- Çok aralıklı

• Döner atlama aralığı

• Yarıiletken anahtarlama

• …


Atlama Aralığı Örnekleri


Statik Atlama Aralığı

Atla

ma

ge

rilim

i (k

Ve

f)

Elektrot Atlama

Açıklığı Gerilimi

(mm) (kVef)

0,5 2,0

1,0 3,3

1,5 4,5

2,0 5,7

2,5 6,8

3,0 7,9

4,0 10,2

5,0 12,3

6,0 14,4

7,0 16,4

8,0 18,2

9,0 20,0

10,0 21,7

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Elektrot açıklığı (mm) Özcan Kalenderli, Nikola Tesla Sempozyumu, İzmir, 14 Mayıs 2015

Döner Atlama Aralığı

BPS: Atlama aralığında saniyedeki atlama sayısı

re e

on off

v1BPS n n

T T C

Ton: Atlama ile geçen süre

Toff: Atlamasız geçen süre

ne: Rotordaki elektrot sayısı

vr: Rotor hızı


Döner Atlama Aralığı

Rotor hızı

C: Rotorun çevre uzunluğu

RPM: devir/ dakika

Dr: Rotor çapı

Ton: Atlama ile geçen süre

Toff: Atlamasız geçen süre

De: Elektrotların eksen çapı

ne: Rotordaki elektrot sayısı

r r

RPM RPMv C D

60 60

eon

r e

DT

v n

eoff on

r

C / nT T

v


Transformatör Seçenekleri

P: Tesla bobinini besleyen yüksek gerilim

transformatörünün gücü (Watt)

l: Tesla bobini çıkışındaki kıvılcımın boyu (cm)

2 2[cm] [cm]

P[Watt]1,7 2,54 4,318

l l




Neon Transformatörü (NST: Neon Sign Transformer)

Mikrodalga Fırın Transformatörü (MOT: Microwave Oven Transformer)

NST

MOT


Güç/Dağıtım Transformatörü (PPT: Pole Pig Transformer)

Ateşleme Transformatörü (OBIT: Oil-fired Boiler Ignition Transformer)

OBIT

PPT


Tesla Bobininde Kayıplar

Direnç: Bağlantı iletkenlerinin ve sargıların elektriksel

dirençlerindeki kayıplar, P = R I2

DA

lR

A

: İletkenin özdirenci (.m)

l: İletkenin uzunluğu (m)

A: İletkenin kesiti (m2)

l

A

Cu = 1,72 10-8 .m



2 1

f f

Deri etkisi: Yükselen frekansla artan deri etkisi sonucu

direnç artar. Deri kalınlığı,

: İletkenin özdirenci (.m)

: İletkenin öziletkenliği (S/m)

: İletkenin manyetik geçirgenliği (H/m)

f: Frekans (Hz)

Frekans [kHz]

Deri K

alınlığı

[mm

]

Bakır İletkende Deri Etkisi

Deri kalınlığı@ 50 Hz

Deri kalınlığı @ 500 kHz

Deri kalınlığı @ 5 kHz Cu = 1,72 10-8 .m

= r 0

rCu 1

0 = 4 10-7 H/m



Ark direnci: Atlama aralığındaki ark, direnç gibi etkir.

Kaybı, ısı, ışık, ses olarak kullanır.

lR

A

Yakınlık etkisi: Sarımların yakınlık etkisi sonucu direnç artar.

Alternatif akım direnci: RAA = RDA(1 + ks + kp)

l Özcan Kalenderli, Nikola Tesla Sempozyumu, İzmir, 14 Mayıs 2015


Elektromanyetik enerji: Tesla bobini radyo frekanslarında

çalışır. Enerjisinin bir kısmını elektromanyetik dalga olarak

yayar.

Korona etkisi: Kıvılcımlar

2 2tan 2 f tan die o rP U C U C

Dielektrik kayıpları: Birincil kondansatördeki ve bobinlerin

yalıtımındaki dielektrik kayıpları



2 f U

PFC

PC

Güç faktörü düzeltme kondansatörü: Demir çekirdekli

yüksek gerilim transformatörünün girişine paralel olarak

güç faktörünü düzeltmek (PFC: Power Factor Correction)

için bir kondansatör (CPFC) bağlanarak transformatör

verimi arttırılabilir.

P: Transformatörün gücü (W)

U: Transformatörün giriş gerilimi (V) = 240 V

f: Şebeke frekansı (Hz) = 50 Hz


Tesla bobininde yüksek frekanslı yüksek gerilimlerin ve

yüksek frekanslı akımların ve frekansın ölçülmesi istenir.

Bunun için

• Küresel elektrot sistemi,

• Elektrostatik voltmetre,

• Yüksek frekanslı, yüksek gerilim probu

Ölçme


http://www.google.com.tr/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRw&url=http%3A%2F%2Fimages.frompo.com%2F57fc1a472a07b79d2ba47374b427a4aa&ei=bmxSVburFobSUdC-gLgJ&bvm=bv.92885102,d.bGg&psig=AFQjCNGgq9TkPiPDGfQaiCry7C13OFpe0g&ust=1431551280204942

Ölçme

• Yüksek frekanslı Rogowski bobini,

• RF anten,

• Osiloskop,

• …

kullanılabilir.

Terry Fritz anteni Özcan Kalenderli, Nikola Tesla Sempozyumu, İzmir, 14 Mayıs 2015

https://www.google.com.tr/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRw&url=https%3A%2F%2Fwww.phoenixcontact.com%2Fonline%2Fportal%2Ffr%3F1dmy%26urile%3Dwcm%3Apath%3A%2Ffrfr%2Fweb%2Fmain%2Fproducts%2Fsubcategory_pages%2Fcurrent_transducers_ac_dc_p-14-08-01%2F414d3de8-b7bb-4acf-b875-70ad304af361%2F414d3de8-b7bb-4acf-b875-70ad304af361&ei=FWpSVd-XA8masgHs_oGIDQ&bvm=bv.92885102,d.bGg&psig=AFQjCNGFxWarrnSmyFhTmpRBCogPig88ZA&ust=1431550613323720

http://www.google.com.tr/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRw&url=http%3A%2F%2Fturkish.alibaba.com%2Fproduct-gs%2Fmfc150-flexible-rogowski-coil-140396321.html&ei=yGpSVcP9McisUcqrgaAM&bvm=bv.92885102,d.bGg&psig=AFQjCNGFxWarrnSmyFhTmpRBCogPig88ZA&ust=1431550613323720

http://www.google.com.tr/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRw&url=http%3A%2F%2Fwww.pupman.com%2Flistarchives%2F2005%2FJan%2Fmsg00030.html&ei=5HJSVZWaBMTvUqf-gdgF&bvm=bv.92885102,d.bGg&psig=AFQjCNG8tzzYhGrE2SiFAUpA9_lmxO7eMg&ust=1431552883505239

• Tesla bobinin çılgın elektriksel boşalmalarının

yarattığı gösteriyi izlemek, yaratmak ve elektrikle

oynamak insanlara cazip geliyor!

• Tasarlanan Tesla bobininin elektromanyetik

uyumluluğuna dikkat edilmelidir!

• Koruma, topraklama, ekranlama, filtreleme, yalıtım

önlemleri göz önünde tutulmalıdır!

• Yüksek gerilimle uğraşıldığı unutulmamalıdır!

Dikkat ölüm tehlikesi!

Sonuç


http://www.google.com.tr/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRw&url=http%3A%2F%2Ftr.clipartlogo.com%2Fpremium%2Fdetail%2Fdeadly-danger-sign_45359746.html&ei=rXhSVeTRNcH1UJChgbAM&bvm=bv.92885102,d.bGg&psig=AFQjCNHXstqNBHwZoA8nHeJmOGPUOa_VkQ&ust=1431554509448451

• Atlama aralığı ve çıkıştaki boşalmalar bolca ozon

oluşturur. Bobini havalandırması yetersiz ortamlarda

uzun süre çalıştırmaktan kaçınılmalıdır!

• Tesla bobini çalışırken kulaklarınızı gürültüden,

gözlerinizi parlak ışıktan koruyunuz.

• Haydi bobin yapmaya…

Sonuç


http://www.google.com.tr/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRw&url=http%3A%2F%2Fwww.apakosgb.com%2Fhizmet-is-guvenligi-hizmetleri&ei=A3pSVaehNYbvUp6ggeAC&bvm=bv.92885102,d.bGg&psig=AFQjCNHI-6DK54fAyBDahDssrt-014AjAg&ust=1431554793043452

Dinlediğiniz için

Sağ olun! Özcan Kalenderli, Nikola Tesla Sempozyumu, İzmir, 14 Mayıs 2015


Kaynakça

1. Mitch Tilbury, The Ultimate Tesla Coil Design and Construction

Guide, McGraw-Hill Companies, Inc., New York, 2008.

2. M. S. Naidu, V. Kamaraju, High Voltage Engineering, Tata

McGraw-Hill, New Delhi, 1995.

3. C. L. Wadhwa, High Voltage Engineering, New Age International

Ltd., New Delhi, 1994.

4. Marco Denicolai, “Tesla Transformer for Experimentation and

Research”, Graduate Thesis, Helsinki University of Technology,

Finland, May 2001.

5. Marco Denicolai, “Optimal Performances for Tesla Transformers”,

Review of Scientific Instruments , Vol. 73, No. 9, pp. 3332-3336,

September 2002.

6. Terry Fritz, “A Method to Measure Secondary Voltages and

Currents of Tesla Coils”, 18.06.1997.


Kaynakça 7. Emre Uncuoğlu, Özcan Kalenderli, Hakan Kuntman, “Transistör

Tetiklemeli Tesla Bobini Tasarımı ve Yapımı”, Elektrik-Elektronik-

Bilgisayar Mühendisliği Ulusal Kongresi, Ankara, s. 301-304, 23-26

Aralık 2009.

8. Oktay Tuna Bediz, Aytuğ Font, Özcan Kalenderli, "Döner atlama

aralıklı tesla bobini tasarımı", Eleco'2014 Elektrik-Elektronik-

Bilgisayar-Biyomedikal Mühendisliği Sempozyumu, Bursa, s. 216-

220, 27 – 29 Kasım 2014.

9. Richard Miles Craven, A study of secondary winding designs for

the two-coil Tesla transformer, A Doctoral Thesis, Loughborough

University, UK, March 2014.

10. Christopher Gerekos, The Tesla Coil, Université Libre de

Bruxelles, Belgium, 2012

(http://www.hazardousphysics.com/main/zeus/The_Zeus_Tesla_Coi

l_1.html).

yüksek frekanslı yüksek gerilim transformatörü tesla ... · nikola tesla 1890 (34) colorado...

Documents