Tesla@home, osa I

Purimme nuoremman pojan kanssa juhannuksen jälkeen yhden mikrouunin. Mikrouunin keskeinen komponentti on magnetroni (kuvassa ylhäällä, jossa lukee "Panasonic"), joka on tietynlainen elektroniputki. Se synnyttää mikroaaltoja, ja tarvitsee toimiakseen korkeajännitteen. Korkeajännitteen synnyttämiseksi mikrouuneissa on aina muuntaja (kuvassa alhaalla), joka muuntaa verkkojännitteen (230V nimellisjännite, 50Hz taajuus) noin 2.3 - 2.5kV nimellisjännitteeksi, joka sitten syötetään magnetronille. Magnetronilla on napaisuus, eli sen käyttöjännite pitäisi olla tasavirtaa. Tämä saadaan aikaan diodin (ei kuvassa) ja kondensaattorin (oikealla alhaalla irroitettuna) avulla. Piiri käytännössä tuplaa jännitteen joka toisella syöttöjännitteen jaksolla: toisella puolikkaalla kondensaattori latautuu ja magnetronin yli ei ole jännitettä, toisella puolikkaalla ladattu kondensaattori on sarjassa magnetronin kanssa ja jännite on kaksinkertainen.

Teimme muuntajalla ensin yksinkertaisen Jacob's ladderin. Kyseessä on siis kaksi elektrodia, yleensä ohutta metallitankoa, jotka nousevat vierekkäin ylöspäin ja erkaantuvat samalla; tankojen välissä on alhaalla melko pieni rako, ja rako levenee ylöspäin. Kun alaosaan saadaan aikaan valokaari, tämä nousee ylöspäin ja pitenee. Ilmiö johtuu yksinkertaisesti siitä, että valokaari kuumentaa ilmaa ja muuttaa siitä osan plasmaksi. Tämä kuuma ilma pyrkii nousemaan, ja koska sähkö pyrkii kulkemaan sieltä, mistä se helpoimmin pääsee, purkaus nousee ylöspäin. Ohessa video wikipediasta. Tein oman videonkin, mutta valitettavasti en pysty sitä tässä jakamaan.

Koska isot pojat eivät tyydy pikkupoikien leikkeihin, päätin rakentaa Teslakäämin. Teslakäämissä korkeajännite toimii syöttöjännitteenä systeemille, jossa on ensiönä LC-värähtelijä, eli kelan ja kondensaattorin muodostama piiri. Toisiona on suurehko heliksin muotoinen kela (eli sylinteri, jonka ympärille on kiedottu lankaa niin, että lankaa on vain yhdessä kerroksessa ja se kulkee tasaisesti sylinterin päästä päähän). Toision kelan toinen pää on kytketty maahan, ja toisessa päässä on jokin sopiva varausta pitävä elektrodi, yleensä donitsin muotoinen (ko. muoto on edullinen tietyistä syistä joihin en tässä nyt mene). Elektrodin ja maan välille muodostuu pieni kapasitanssi, jolloin myös toisio on värähtelijä.

Värähtelijät on Teslakäämissä kytketty toisiinsa siten, että toision kela on ensiön kelan sisällä, kuten kuvissa yleensä näkyy. Ideana on, että värähtelijöiden ominaistaajuudet ovat samat, jolloin syntyy resonanssi. Ensiön värähtelijää syötetään korkeajännitteellä siten, että piiri on ensin auki ja syöttöjännite lataa kondensaattoria. Kun jännite nousee riittävän korkeaksi, eli kun kondensaattori on latautunut, piiri sulkeutuu ja värähtelijä värähtelee vaimenevasti ominaistaajuudellaan. Piiri avautuu ja kondensaattori ladataan uudelleen.

Klassinen ratkaisu kytkennälle on kipinäväli. Siinä siis LC-piiri on "auki"-tilassaan sarjassa suoraan syöttöjännitteelle. Syöttöjännitteen lähtöjen välissä on kipinäväli, jossa tapahtuu purkaus, kun kondensaattorin jännite kasvaa riittävän isoksi, ja tämä sulkee piirin. Valitettavasti se myös samalla oikosulkee muuntajan, ja tämä johtaa hetkittäin melko suuriin virtoihin muuntajassa. Omassa ensimmäisessä vedoksessani esimerkiksi sain muuntajan melko kuumaksi. Onneksi se ei kuitenkaan kärähtänyt.

Ongelmaksi tulee resonanssin saavuttaminen. Teoriassa kummankin piirin taajuudet voidaan laskea; tarvitsee vain tuntea kelojen dimensiot (pituus, paksuus, jne) ja kapasitanssit, ja tästä saadaan ominaisvärähtelytaajuus. Ongelmana on, että pääsääntöisesti mitä pienempi toision kela on, sitä korkeampi on sen taajuus. Ensiölle pitäisi siis saada vastaava taajuus. Tämä tarkoittaa pientä kapasitanssia ja pientä induktanssia kelalla. Esimerkiksi mikron oma kondensaattori on auttamattomasti liian suuri. Tein ensivedoksen kyseisellä kondensaattorilla ja vessapaperirullasta tehdyllä toisiolla, mutta toisiolta tuli vain muutaman millimetrin mittainen kipinä.

Tein isomman toision, mutta sekin on vielä sangen aneeminen. Kondensaattoreiden kohdalla tuli vähän miettimistä. Konkkien pitää kestää reilusti korkeampia jännitteitä kuin se 2.3kV. Kokeilin 3kV keraamisia 2.2nF konkkia, mutta sain vasta jälkikäteen tietää että niiden käyttäytyminen korkealla taajuudella ja isoilla jännitteillä on ns. aunarista. Näinollen päätin tehdä kondensaattorit itse. Puolen litran limsapullon ympärille kääritään alumiinifoliota, se täytetään suolaliukosella ja korkin läpi suolaliuokseen työnnetään elektrodi. Alumiinifolio toimii toisena levynä, suolavesi toisena ja pullon muovi eristeenä. Jännitteenkeston pitäisi olla useita kilovoltteja. Laittamalla kaksi tällaista pulloa rinnan, sain kapasitanssiksi 5.3nF.

Seuraavana projektina on mitata toision resonanssitaajuus oskilloskoopin avulla. Palaan tähän toisessa kirjoituksessa, johon laitan myös lisää kuvia.