Tesla@home, osa II

Kävin reissussa Saksassa ja Itävallassa lasten kanssa; en tyypillisesti jaa kuvia tms tällaisista reissuista, enkä tee niin nytkään.

Palattuani kävin takaisin Tesla-käämiprojektini kimppuun. Sain lainaksi signaaligeneraattorin ja oskilloskoopin, joiden avulla voi tutkia taajuusvasteita. Oheisessa kuvassa on tämänhetkinen työversio ilman värähtelijän kondensaattoreita. Kuvassa olevat kaksi kondensaattoria ovat itseasiassa mikrouunin puoliaaltotasasuuntaajan kondensaattoreita. Käytin niitä hyväkseni ja tein yksinkertaisen jännitteen tuplaajan, joka siis muuttaa lähtöjännitteen tasavirraksi ja samalla kaksinkertaistaa jännitteen. Kuvassa keskellä näkyy staattinen kipinäväli, johon piiri on kytketty. Oikealla on ensiön kela (10 kierrosta) ja toisio jonka toroidin pää näkyy.

Ensiksi selvitin toision ominaisvärähtelytaajuuden. Koska kuparilangan laatu, kierrosten määrä, jne, olivat lopulta kaikki sen verran epätarkkoja, sain laskennallisesti toision ominaisvärähtelytaajuudeksi jotain 500 ja 1500 kHz välillä; tämä on niin suuri toleranssi, että ei ole juuri mahdollista osua oikeaan. Käsittääkseni (bro science varoitus) pienillä toisioilla on kapeahko resonanssitaajuus, jolloin ensiön taajuus pitää olla melko tarkkaan oikea. Koejärjestely taajuuden selvittämiseksi on yksinkertainen: Signaaligeneraattori kytketään ensiön kelaan, eli yläkuvan oikeassa laidassa olevan sinisestä johtimesta tehdyn kelan molempiin päihin syötetään kanttiaaltoa. Oskilloskoopin maa kytketään toision maahan ja mittapää tuodaan muutaman sentin päähän toisiokelan toruksesta.

Tämän jälkeen taajuutta muutellaan ja katsotaan oskilloskoopista mitä näkyy. Oikealla näkyvässä kuvassa taajuus on 924kHz (aloitin 200kHz:sta) ja vasta siinä kohtaa alkoi näkyä jotain liikettä. Tässä kohtaa nostin taajuutta varovasti ja oskilloskooppi alkoi reagoida selvemmin.


Vasemmalla kuvassa näkyy, että 958.5kHZ kohdalla jännite selkeästi jo nousee. Tämä olikin itseasissa maksimi, jota suuremmilla ja pienemmillä taajuuksilla värähtely oli selvästi vähäisempää. 1900kHz paikkeilla on toinen piikki, mutta selvästi matalampi, joten se lienee harmoninen taajuus, samoin noin 475kHz:n kohdalla näkyy pientä heiluntaa; oskilloskoopilla pystyy kuitenkin huomaamaan, että matalilla taajuuksilla lähdetaajuuden huippua seuraa toisiolla tuplataajuinen värähtely, kun taas korkeammalla taajuudella värähtely on kähärämpää; tästä päättelin että käämin ja toroidin mudostaman systeemin taajuus on jossain 945-965 välillä, sillä silloin vaste on aika selkeästi siniaalto; siniaallon taajuus on oskilloskoopin kuvasta päätellen vähän alle 1MHz, sillä yksi viiva kuvassa on 0.2 mikrosekuntia, ja huippujen väli on hieman yli viisi viivaa. Tähtäämme siis ensiöllä värähtelytaajuuteen joka on suunnillen tämä.

Toision taajuuteen ei rakentamisen jälkeen voi oikein vaikuttaa, mutta ensiö on RLC-piiri, ja sen taajuuden voi periaatteessa laskea. Jos resistanssi sivuutetaan, niin taajuus on periaatteessa w = 1/sqrt(LC) radiaania sekunnissa, missä L on kelan induktanssi ja C on kapasitanssi.  Koska w = 2pi*f, ja f = 955kHz, niin mikäli tuntisimme induktanssin L, saisimme tarvittavan kapasitanssin yhtälöstä 2pi*f = 1/sqrt(LC), eli C = 1/(L*(2pi*f)^2)

Epävarmuustekijät huomioiden induktanssi on 6-20 uH. Tämä on ihan liian suuri toleranssi myös, jotta voisi suoraan laskea mikä olisi vaadittava kapasitanssi, mutta suuruusluokaksi saa, pienin pyöristyksin, 1.3 -- 4.6nF. Siksi ensimmäisenä iteraationa kahdesta colapullosta tehdyn suolavesikondensaattorin ja voipaperista, kontaktimuovista ja alumiinifoliosta käärityn paperikondensaattorin (oikealla kuvassa) sarjankytkentä -- jonka kapasitanssi on 3.00nF -- on varsin kelvollinen.

Tässä kohtaa meni sormi hieman suuhun. Värähtelijän resonanssin löytäminen on hankalampaa, koska kipinävälin käyttäytyminen ei ole kovin helposti tiedossa. Sen voi olettaa resistiiviseksi kytkennäksi, mutta epäilen että se tuo mukaan myös kapasitanssia. Vaikka kipinäväli toimisikin resistiivisenä kytkentänä, syöttöpuolen kondensaattorit todennäköisesti häiritsevät jonkin verran piiriä.

Tämän vuoksi mittasin taajuusvastetta siten, että syöttöpuoli oli kiinni piirissä. Sain resonanssitaajuudeksi näillä kapasitansseilla 914kHZ, mikä tarkoittaa että lähellä ollaan. Testiajossa sain noin 5 cm mittaisia tracereitä, mutta kapasitanssia pitää vielä pudottaa tuosta kolmesta. Valitettavasti tämä on kovin tarkkaa hommaa; jos oletamme että piiri on LC-piiri jonka kapasitanssi on 3nF ja sen ominaistaajuus on 914kHz, niin saamme tästä pääteltyä että induktanssi on 10.1uH, ja tästä puolestaan pääteltyä että vaadittava kapasitanssi on 2.75nF. Valitettavasti 2.75nF kapasitanssilla ei saada ominaistaajuudeksi 955kHz, vaan jotain muuta.

Rakennan vielä yhden iteraation kondensaattoreita, ja yritän saada taajuudet samoiksi. En tehnyt tätä eilen, koska signaaligeneraattorin syöttöjohto on itse värkätty ja se on sanalla sanoen paska. Serkkupoika kävi kuulemma ostamassa uuden, ja saanen sen ensi viikolla. Sen jälkeen laitan kapasitanssit kohdalleen, ja testaan laitetta. Jos tracereistä saa yli 10 senttisiä, niin katson kokeen onnistuneeksi ja alan rakentaa seuraavaa versiota, jossa käytän suurempaa toisiokelaa. Suurempi toisio tarkoittaa matalampaa taajuutta, mikä taas tarkoittaa että voidaan käyttää suurempaa kelaa ja isompia kondensaattoreita, toleranssit hieman väljemmät ja energiat hieman suurempia. Viime kädessä tietenkin energioita rajoittaa lähteen teho, joka on tässä tapauksessa luokkaa 2.2kW.

Sen jälkeen voisin katsoa vaikkapa mitä siitä juovamuuntajasta voisi tehdä. Ainakin siitä saa kompaktimman jännitelähteen ja korkeammat jännitteet lähdölle, teho tosin jää pieneksi. Tämä asettaa omat rajoituksensa. Ehkä rakennan seuraavaksi yksinkertaisen hiukkaskiihdyttimen. Ja sitten vaikka protonitykin. Ehkä.