что такое бифилярная катушка и зачем она нужна
Два типа бифилярных катушек — бифиляр Тесла и бифиляр Купера
Функционально можно выделить два особых типа бифилярных катушек параллельной намотки: у катушек первого типа токи в соседних витках направлены в одну и ту же сторону, тогда как у катушек второго типа токи соседних витков текут в противоположных направлениях. Яркой представительницей катушек первого типа является знаменитая бифилярная катушка Николы Тесла, пример катушки второго типа — бифилярная катушка Купера.
Оба типа катушек необычны тем, что вместо того чтобы быть намотанными виток к витку одним проводом, данные катушки наматываются одновременно двумя проводами, после чего эти провода соединяются последовательно: у катушки по типу «бифиляр Тесла» конец (условно) одной части катушки соединяется с началом другой ее части, при этом свободные выводы готовой катушки оказываются с разных ее сторон, а у бифиляра Купера концы двух частей катушки объединяются с одной стороны, свободные же выводы ее оказываются с другой стороны. Описанные способы намотки применяются как в цилиндрическом, так и в плоском исполнении бифилярных катушек.
В результате получаются катушки, ведущие себя принципиально по разному в цепях постоянного и переменного тока. Давайте рассмотрим, в чем же заключаются особенности данных намоток, и как данные катушки поведут себя при различных типах тока через них.
Бифиляр Тесла в цепи постоянного тока
При прохождении постоянного тока через катушку, вокруг каждого ее витка возникает постоянное магнитное поле, пропорциональное величине данного тока. И сложив магнитные поля (магнитные индукции B) каждого последующего витка с магнитными полями предыдущих витков, получим суммарное магнитное поле катушки.
Бифиляр Тесла в цепи переменного тока
При прохождении через катушку типа «бифиляр Тесла» переменного тока, характерная намотка начинает проявлять себя ярко выраженной межвитковой емкостью, которая даже в состоянии «нейтрализовать» индуктивность на резонансной частоте. Витки, расположенные по отношению друг к другу так, что разность потенциалов между ними в каждой паре максимальна, представляют собой аналог параллельно подключенного к катушке конденсатора.
Выходит, что переменный ток определенной (резонансной) частоты такая бифилярная катушка пропустит беспрепятственно, оказав лишь активное сопротивление, словно это параллельный колебательный контур высокой добротности, а не катушка. Будучи включена в цепь параллельно источнику переменной ЭДС, такая катушка в состоянии накапливать энергию на резонансной частоте как параллельный колебательный контур, где энергия пропорциональна квадрату разности потенциалов между соседними витками.
Бифиляр Купера в цепи постоянного тока
У бифилярной катушки, где постоянные токи в соседних витках имеют противоположные направления и одинаковую величину (а именно такая картина наблюдается при постоянном токе в катушке, выполненной по типу «бифиляр Купера»), суммарное магнитное поле катушки окажется равно нулю, так как магнитные поля в каждой паре витков друг друга нейтрализуют. В итоге катушка данного типа будет вести себя по отношению к постоянному току как проводник с чисто активным сопротивлением, и никакой индуктивности не проявит. Так наматывают проволочные резисторы.
Бифиляр Купера в цепи переменного тока
При подаче переменного тока через катушку, витки которой расположены по отношению друг к другу по типу «бифиляра Купера», картина магнитного поля будет зависеть главным образом от частоты тока. И если длина провода в такой катушке окажется соизмерима с длиной волны пропускаемого через нее переменного тока, то и внешнее магнитное поле на такой катушке может быть реально получено как на длинной линии или антенне.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Бифилярная катушка и ее использование
Бифилярной называется катушка, намотанная двумя параллельными проводами, расположенными рядом друг с другом на одном общем каркасе, и изолированными друг от друга на всем протяжении намотки.
Так, в зависимости от направления намотки двух проводов и типу их соединения между собой в бифилярной катушке, можно получить четыре возможных варианта реализации таких катушек:
Намотка параллельная, соединение последовательное;
Намотка параллельная, соединение параллельное;
Намотка встречная, соединение последовательное;
Намотка встречная, соединение параллельное.
И как бы ни была намотана бифилярная катушка, при включении в цепь будет реализован один из двух вариантов взаимодействия токов двух образующих ее проводов.
Первый вариант — когда токи направлены в одну сторону, в этом случае магнитные поля токов обеих жил складываются, приводя к общему магнитному полю, которое будет больше магнитного поля каждой из жил бифиляра в отдельности.
Второй вариант — когда токи направлены в противоположные стороны, в этом случае магнитные поля токов двух жил будут гасить друг друга, в итоге общее магнитное поле будет нулевым, то есть индуктивность катушки будет близка к нулю.
В современной технике для создания проволочных резисторов используют бифилярные катушки параллельной намотки последовательного соединения (токи равны и направлены в противоположные стороны), чтобы свести паразитную индуктивность элемента к минимуму (суммарное магнитное поле близко к нулю).
В обмотках некоторых трансформаторов и сдвоенных дросселей импульсных источников питания, а также в обмотках некоторых реле, для подавления опасных коммутационных выбросов ЭДС самоиндукции применяют бифилярные обмотки.
Обмотка в два провода выполняет двойную функцию. Первый провод служит первичной обмоткой трансформатора или дросселя, а второй — защитной, ограничительной обмоткой, функция которой отработать коммутационный выброс ЭДС. В некоторых реле второй провод замыкается накоротко сам на себя, и рассеивает на себе обратный выброс в момент размыкания реле.
В импульсных источниках питания защитная обмотка накоротко не замыкается, она только ограничивает коммутационный выброс ЭДС, направляя энергию через диод обратно в источник питания или на снаббер, а цепь первичной обмотки оказывается таким образом защищена, напряжение на ключе не подскакивает выше безопасного, и ключ (транзистор) не перегорает.
Особого внимания заслуживает бифилярная катушка Тесла, которую ученый запатентовал в 1894 году, это патент США №512340. Сам Тесла в патенте отмечает, что для придания катушке большей собственной емкости, нужно соединить два провода бифиляра последовательно между собой так, чтобы токи были направлены в одну сторону, тогда хоть индуктивность и останется прежней, собственная емкость такой катушки возрастет. И чем выше напряжение, тем сильнее будет эффект этой межвитковой емкости.
Суть в том, что в бифилярной катушке Тесла напряжение между двумя соседними витками оказывается больше, чем при обычной однопроводной намотке на величину половины приложенного к катушке напряжения.
Никола Тесла использовал бифилярные катушки с целью придания цепям большей собственной емкости, и таким путем избегал применения дорогостоящих конденсаторов. В своих лекциях ученый упоминал бифилярные катушки именно как инструмент повышения собственной емкости зарядных и рабочих цепей различного высокочастотного оборудования высокого напряжения, которое он разрабатывал как для питания эффективных источников света, так и для передачи энергии на расстояние без проводов.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Никола тесла
История
Бифилярная катушка упоминается Николой Тесла в патенте Соединенных Штатов под номером 1894 года. Тесла объясняет, что при использовании катушки для электромагнитов её самоиндукция может быть нежелательна и может быть нейтрализована как с помощью подключения внешнего конденсатора, так и с помощью собственной ёмкости катушки специальной конструкции, которой и посвящён патент. Бифилярная катушка имеет бо́льшую собственную ёмкость, чем обычная, таким образом можно сэкономить на стоимости конденсаторов, — говорится в патенте. Следует отметить, что это применение бифилярной катушки отличается от современных.
Описание и применение
Бифилярная намотка, не обладающая индуктивностью
Есть четыре типа бифилярно намотанных катушек:
Некоторые бифилярные катушки намотаны так, что ток в обеих обмотках течёт в одном и том же направлении. Магнитное поле, созданное одной обмоткой, складывается с созданным другой, приводя к большему общему магнитному полю. В других — витки расположены так, чтобы ток протекал в противоположных направлениях. Поэтому магнитное поле, созданное одной обмоткой равно и направлено противоположно созданному другой, приводя к взаимонейтрализации магнитных полей. Это означает, что коэффициент самоиндукции катушки — ноль.
Бифилярная катушка (чаще называемая бифилярной обмоткой) используется в современной электротехнике как способ создания проволочного резистора с незначительной паразитной индуктивностью.
Другой тип бифилярной катушки применяется в обмотках некоторых реле и трансформаторов, используемых в импульсных источниках электропитания для подавления обратной ЭДС. В этом случае две обмотки близко расположены и намотаны параллельно, но электрически изолированы друг от друга. Основная обмотка управляет реле, а вспомогательная замкнута накоротко внутри корпуса. Когда ток через первичную обмотку прерывается, как случается, когда реле отключается, большая часть магнитной энергии поглощается вспомогательной обмоткой и превращается в тепло на её внутреннем сопротивлении. Это — только один из нескольких способов поглощения энергии от катушки для защиты устройства (обычно полупроводникового, уязвимого к скачкам напряжения), которым управляет реле. Главный недостаток этого метода состоит в том, что сильно увеличивается время переключения реле.
При применении в импульсном[источник не указан 1195 дней] трансформаторе одна обмотка бифилярной катушки используется для рассеяния энергии, запасённой в магнитном потоке. Из-за их близости, обе обмотки катушки пронизывает один и тот же магнитный поток. Один провод заземлён (обычно через диод) так, что когда на другом, основном, проводе бифилярной катушки отключается напряжение, магнитный поток создаёт ток через вспомогательную (ограничивающую) обмотку. Напряжение на этой обмотке равно падению напряжения на диоде (в прямом направлении) и равное напряжение появляется на основной обмотке. Если бы ограничивающая обмотка не использовалась, паразитный магнитный поток попытался бы индуцировать ток в основной обмотке. Так как эта обмотка отключена, и коммутационный транзистор находится в закрытом состоянии, высокое напряжение, которое появилось бы на транзисторе, могло бы превысить его пробивное напряжение и повредить его.
Бифилярная катушка Тесла
Впервые бифилярная катушка Тесла упоминается в патенте под номером 512340. Патент был зарегистрирован в США в 1894 г. на имя Николы Тесла. Слово «бифилярный» в переводе означает «заполненный двумя» или «двойной». В такой катушке Тесла использовал намотку из двух проводов, которые располагались параллельными рядами, изолированным друг от друга.
Кроме того, в патенте была представлена бифилярная катушка Тесла плоской формы. Такие плоские катушки индуктивности по сравнению с «обычными» катушками, намотанными традиционным способом, сильно отличаются по своим свойствам.
Устройство бифиляра
Бифилярная катушка Тесла изготовлена в виде плоской спирали или соленоида. Бифиляр, в отличии от обычной катушки, имеет 4 выхода. Так как катушка наматывается двумя проводами, то получаются 2 выхода в середине катушки и 2 с краю. В отличии от обычной катушки, имеющий всего 2 выхода — один изнутри, а другой снаружи.
Намотка может быть последовательной и параллельной. Соединение проводов в катушке также возможно как последовательное, так и параллельное. Отсюда возникает 4 возможные варианта использования катушек:
В бифиляре Теслы соединение производится с началом нечетных витков с концом чётных. Это позволяет сильно увеличить добротность и плотность намотки. Такое устройство бифиляра Тесла определяет его уникальные свойства.
Иногда это устройство путают с трансформатором Тесла, Но трансформатор Тесла, который ещё называют катушкой Тесла, не изготавливается методом бифиляра. Подробнее о нём можно прочитать в этой статье.
Свойства бифилярной катушки Тесла
Бифилярная катушка Теслы была изобретена с целью увеличения собственной ёмкости, чтобы была возможно передавать большую мощность электрического тока. Целью изобретения Теслы было избавиться от применения дополнительных конденсаторов в приборах. Они применялись для нейтрализации самоиндукции, которая возникает в катушках и проводниках.
Изобретение бифилярной катушки Теслы позволило добиться нужного эффекта. Изготовленные по такой технологии катушки не обладают самоиндукцией. Кроме того, емкость такой катушки, полученная в результате такой конструкции, распределяется равномерно. И изменяя форму катушек и их размер, можно легко изменять полученную емкость.
Эти свойства бифиляра было впоследствии применены Александром Мишиным, который разработал свой прибор на основе этой технологии Теслы. Про катушку Мишина можно прочитать в этой статье.
Бифилярная катушка тесла повышение мощности
Катушка Тесла и теории эфира
В 1896 году ученый получил патент на свое изобретение – резонансный трансформатор. Он образует высокочастнотное повышенное напряжение, то есть ток высокого потенциала.
История создания начинается с опытов Тесла по доказательству существования эфира. Эфир представляет собой физическую среду, некое поле или вещество, заполняющее просторы Вселенной. Именно он, согласно идеям Тесла, отвечал за распространение гравитационного и элетромагнитного взаимодействия. До появления теории относительности концепция эфира была распространена в физике, а после этого перестала разрабатываться.
Ученый хотел использовать эфир как источник энергии, что позволило бы отказаться от проводов для передачи и распространять электричество по всему миру. Он хотел установить две гигантские катушки на северном и южном полюсах Земли. Глубоко после смерти Тесла это направление не разрабатывалось, его считали слишком уж странным ученым, а идеи – провокационными. Но, скорее всего, причина была в нежелании физика учитывать экономическую сторону при разработке идей, не рекламировал выгоду для корпораций от их реализации.
Архивы физика были частично утеряны после его смерти, а наступление эры вакуумных изобретений похоронило мысль о двух катушках на полюсах. Неизвестно, удалось ли ему получить или же доказать возможность создания бесконечного источника энергии.
Бифилярная катушка — ее разновидности и применение
Бифилярная катушка — это такая электромагнитная катушка, у которой есть в наличии две параллельных, близко расположенных обмотки. Также могут использоваться и три провода, изолированных друг от друга — такое устройство будет носить название «трифилярная катушка».
В электротехнике словом «бифиляр» описывают проводник или же провод, который изготовлен из нескольких (в частности, двух — от слова «би») жил, изолированных друг от друга. Этот термин часто используется для обозначения специальных типов проводов для обмоток трансформатора. Бифилярный провод в основном представляет собой два цветных соединенных вместе эмалированных и изолированных провода.
Бифилярная катушка- это устройство, которое нужно и можно классифицировать по способу применения. Всего существует четыре основных типа такого приспособления:
Бифилярная катушка обычно намотана так, что в обоих ее составляющих ток будет протекать по одному и тому же направлению. Создаваемое первой обмоткой магнитное поле будет складываться с полем, создаваемым другой катушкой. Этот эффект приводит к наложению полей и созданию общего большого магнитного потока.
Есть случаи, когда бифилярная катушка собирается чуть-чуть иначе. Например, когда витки обмоток расположены таким образом, чтобы электрический ток протекал в противоположных направлениях. Это так называемые катушки с нулевым коэффициентом самоиндукции (потому что магнитное поле, создаваемое одной обмоткой, будет по направлению противоположно полю, создаваемому второй обмоткой, однако будет равно ему по значению, что в случае наложения полей в сумме дает ноль).
Такие приспособления часто используют в современной электронной технике как один из способов создания резистора проволочного с маленькой индуктивностью.
Еще один тип таких устройств, как бифилярные катушки, можно увидеть в обмотках реле или трансформаторов. Их используют также в импульсных источниках электрического питания благодаря их способности подавлять обратную электродвижущую силу (ЭДС). Намотка катушек индуктивности в таком случае выполнена следующим образом. Две обмотки расположены очень близко друг к другу и намотаны параллельно друг другу, но эффективно изолированы. Основная обмотка будет управлять реле, а вот вспомогательная обмотка коротко замкнута внутри корпуса. Ток через первую обмотку прерывается (когда отключается реле), идет поглощение части магнитной энергии вспомогательной обмоткой. Такие бифилярные катушки, кроме того, вырабатывают тепло для повышения внутреннего сопротивления.
При применении такой катушки в импульсных трансформаторах одна обмотка используется в качестве рассеивателя энергии. Из-за близости намоток оба проводника улавливают один магнитный поток и компенсируют его.
Для чего нужна катушка Тесла сегодня?
Трансформатор может использоваться для создания зрелищных молний длиной много метров, что обусловливает его популярность как оборудования для зрелищ. Применяют его и для управления без проводов, беспроводной передачи энергии, а когда-то широко использовали, как тонизирующие и общеукрепляющее медицинское средство. Катушка Тесла поджигала газовые лампы, помогала искать места утечки в вакуумной системе. Существуют приборы, способные играть музыку.
Принцип действия устройства использован при создании энергосберегающих люминесцентных ламп.
Из чего состоит катушка Тесла
Что такое катушка тесла? Это две обмотки с различным числом витков, но без общего сердечника. Она повышает напряжение на выходе в десятки, а то и сотни раз.
Катушка Тесла состоит из:
Рассмотрим основные элементы:
Индукционным нагревом называют явление бесконтактного разогрева проводников, расположенных в мощном переменном (обычно высокочастотном) поле внутри индуктора, происходящее вследствие токов Фуко. Статья в википедии и подробная инструкция по изготовлению данного устройства для лабораторных задач (т. е. прогрева, закалки и мелкого литья практически любых металлов, равно как и иной их термообработки), широко известная среди интересующихся темой, являются почти исчерпывающими для ознакомления с идеей и для самостоятельного построения подобного устройства.
Мой индукционный нагреватель имеет в силовой части полумост с внешним генератором IRS27952 (улучшенная версия хорошо известной IR2153, специально предназначенная для построения резонансных инверторов) и драйвером MIC4423, включенных по даташитным схемам. Развязка сделана на GDT. В силовой части стоят два IGBT-транзистора HGTG20N60A4D, обвязанные снабберами и силовыми плёнками по питанию. Питание идёт от ЛАТРа с выпрямителем и 1000 мкф в фильтре после выпрямителя. Обычно для индукционки используют генератор с подстройкой частоты и фазы (ФАПЧ), но, поскольку я ещё не принимался за её изучение, а сделать индукционку хотелось, было применено более простое и менее удобное в работе решение в виде внешнего генератора без подстройки фазы.
Полумост нагружен на ферритовый трансформатор тока на двух синих кольцах EPCOS (материал неизвестен, но работают они до 500 кгц) сечением приблизительно 16х9 мм каждое. Намотан трансформатор литцендратом для уменьшения тепловых потерь, существенных вследствие скин-эффекта на обычном проводе, и содержит около 16 витков. Точное количество можно изменять в соответствии с размерами нагреваемой заготовки, но на практике это не требуется. Трансформатор надет на медную трубку вывода индуктора. Индуктор сменный: будучи намотан медной трубкой в 6 мм диаметром, он имеет на концах припаянные трубки 8 мм диаметром, от которых при необходимости может быть отпаян и заменён на другой индуктор, например, иной формы.
Параллельно индуктору для образования резонансного контура стоят силовые плёночные конденсаторы EFD (Eurofarad). Решив, что набирать батарею MMC из мелких плёнок типа К78-2 или CBB61, как это обычно делают, слишком утомительно, я взял заказанные некоторое время назад в США эти белые «таблетки», специально предназначенные для использования в индукционных нагревателях. При ёмкости в 3.75 мкф каждая, и будучи соединены последовательно, они образуют превосходный конденсатор на
1.8 мкф, предназначенный для работы при большой реактивной мощности и больших токах.
Контроль работы осуществляется на данный момент осциллографом, подключенным одним каналом к GDT (одному витку через него), а вторым — к трансформатору тока в первичной обмотке трансформатора индукционки. Согласно его показаниям, ток в первичном контуре через ключи достигает 50 ампер при правильной регулировке, активная мощность при этом может быть до 3 киловатт (9-10А потребление по постоянному току из розетки). На ключах выделяется очень небольшая её часть, а охлаждение индуктора проточной водой позволяет избежать и его саморазогрева своим же полем.
Сам процесс разогрева и плавки — отдельная тема, относящаяся больше к металлургии, чем к электронике, и выходящая за рамки данной статьи. Индукционка нагревает стальной болт М12, опущенный шляпкой в индуктор, дожелта примерно за 15-20 секунд, в зависимости от его положения в индукторе, как видно из видео. Более мелкие объекты разогреваются просто моментально. Несколько хуже греются цветные металлы, хуже всего — медь (КПД при этом наиболее низкий, ниже только при нагреве серебра).
Интересный эффект наблюдается при использовании индуктора специальной формы и нагреве алюминия: ввиду сочетания высокой проводимости и малой плотности он начинает левитировать внутри индуктора. Чтобы предотвратить выталкивание его полем за пределы индуктора, делают индуктор, во-первых, конусовидной формы, и, во-вторых, содержащим т. н. обратный виток: крайний верхний виток наматывают в другую сторону, чем остальные витки индуктора, и его поле стабилизирует летающий кусочек алюминия, не давая ему улететь. Форму индуктора следует подбирать довольно тщательно, мои эксперименты пока не дали устойчивой левитации, хотя сам эффект имеет место (как видно из последней части видео).
При помещении внутрь индуктора теплоизолированного тигля можно заниматься литьём металлов. К сожалению, первый же эксперимент в этой области окончился несколько неудачно: около 20-30 грамм кипящей стали раскололи тигль, не выдержавший контраста температур расплава и водоохлаждаемой трубки, и вылились огромной раскалённой каплей прямёхонько на мой многострадальный ковёр, воспламенив его и начав прожигать дыру до деревянного пола. Пламя сбили огнетушителем, а каплю стали пришлось заливать водой из чайника. В результате в ковре образовалась огромная чёрная дыра с углём. Мораль — необходимо использовать по крайней мере керамический лоток или подобный несгораемый поддон при занятии такой хренотенью.
Более удачной была плавка меди: удалось сплавить около 90 г. в этакую медную чушку. Она выглядит, конечно, ужасно, но тем не менее.
Поделиться в соц. сетях
Конфигурации трансформатора
За годы, прошедшие после изобретения трансформатора, появилось множество его конфигураций.
Генератор свободной энергии — «Назад в будущее»
В середине семидесятых в журнале «Наука и жизнь» промелькнула интересная статья, где один изобретатель, изучающий передачу электрической энергии без проводов, изобрёл генератор электрической энергии из двух проволок. Проволоки эти были необычными. Каждая проволока начиналась медью, а заканчивалась алюминием. Длина проволок, судя по фотографии, была примерно 70 см. Изобретатель пальцами руки держал лампочку накаливания 2,5 вольта, которая ярко светилась. Проволоки висели в воздухе и никуда не были подсоединены!
На алюминиевую фольгу положите салфетку, сверху медную спираль, смочите салфетку водой и подсоедините тестер. Показания тестера будут выше 0,5 вольта. Тестер показывает больше, чем разность потенциалов металлов, иногда показания превышают 1 вольт.
Наше объяснение этого эффекта:
Происходит стекание зарядов от минуса (алюминий) к плюсу (медь), при этом свободные нейтроны в воде приобретают минусовой потенциал и количество электронов увеличивается — это объясняет увеличение напряжения.
После многочисленных экспериментов с ионным ветром, электризации жидкостей, разностью потенциалов металлов мы создали генератор свободной энергии, взяв за основу плоскую бифилярную катушку Тесла.
Генератору свободной энергии дали название «НАЗАД в БУДУЩЕЕ»!
Генератор свободной энергии вы можете сделать своими руками и провести массу интересных экспериментов, а также вы можете стать соавтором нашего изобретения и получать дальнейшие разработки генератора «Назад в будущее» по требованию на E-mail: [email protected]
Чем уникальна катушка Тесла
Физик, применив устройство, при входной частоте в пару сотен килогерц способен получить напряжение размеров в 15 миллионов вольт и более. Собрать его можно даже дома, ведь все необходимые элементы доступны для покупки любому, достаточно посетить строительный гипермаркет и магазин электроники.
Получить можно следующие эффекты как вместе, так и по отдельности: