ملف تسلا

يعمل المحول المتخصص المستخدم في دائرة ملف تسلا (L1، L2) ، والذي يُسمى محولًا رنينيًا أو محول ترددات الراديو (RF)، وفق مبادئ مختلفة عن المحولات المستخدمة في دوائر التيار المتردد. ^{[ 13 ]} فبينما يُصمم المحول ذو القلب الحديدي لنقل الطاقة بكفاءة من الملف الابتدائي إلى الملف الثانوي، يُصمم المحول الرنيني لتخزين ونقل تيارات عالية التردد مؤقتًا. يتصل الملف الابتدائي بالتوازي مع مكثف ، بينما يحتوي الملف الثانوي على سعة "طفيلية" مع محثه، كما هو موضح في الرسم التخطيطي. تعمل المحثات والمكثفات معًا كدائرتين LC ، " مضبوطتين " بحيث يكون لهما نفس تردد الرنين ، ^{[ 5 ]} وتُكمل كل شرارة لفترة وجيزة دائرة على الجانب الابتدائي، مما يُنتج تذبذبًا ذهابًا وإيابًا بين الملفين الابتدائي والثانوي. وهذا يُشابه طريقة تخزين الشوكة الرنانة للطاقة الميكانيكية الاهتزازية.

يتكون الملف الابتدائي (L1) من عدد قليل نسبيًا من لفات سلك نحاسي سميك أو أنبوب، وهو موصول بالتوازي مع مكثف (C1) . يمر التيار عبر فجوة الشرارة (SG) مع كل شرارة، مما يُنشّط دائرة LC في الجانب الابتدائي بشكل متكرر. ^{[ 7 ] [ 8 ]} أما الملف الثانوي (L2) فيتكون من مئات إلى آلاف اللفات من السلك على شكل أسطواني مجوف، ويتم توصيل الملف الابتدائي به عن طريق لفه على غلاف عازل خارجي.

يتردد حث (L2) مع السعة الطفيلية (C2) وسعة القطب المعدني للملف الحلقي المتصل بطرف الجهد العالي.

يُملي التصميم الفريد للملف الحاجة إلى تحقيق خسائر طاقة مقاومة منخفضة ( عامل جودة عالي ) عند الترددات العالية، ^{[ 9 ]} مما ينتج عنه أكبر جهد ثانوي:

• تتميز ملفات محول تسلا بوصلة ضعيفة. ^{[ 7 ] [ 14 ]} يكون قطر الملف الابتدائي أكبر، كما أنه متباعد عن الملف الثانوي، ^{[ 8 ]} مما يجعل الحث المتبادل منخفضًا، ويتراوح معامل الاقتران عادةً بين 0.05 و0.2؛ ^{[ 15 ] [ 9 ]} وهذا يعني أن 5% إلى 20% فقط من المجال المغناطيسي للملف الابتدائي يمر عبر الملف الثانوي عند فتح الدائرة. تُبطئ هذه الوصلة الضعيفة تبادل الطاقة بين الملفين الابتدائي والثانوي، مما يسمح للطاقة المتذبذبة بالبقاء في الدائرة الثانوية لفترة أطول قبل أن تعود إلى الملف الابتدائي وتبدأ بالتبدد في الشرارة.
• عادةً ما يقتصر كل لف على طبقة واحدة من السلك، مما يقلل من فقد الطاقة الناتج عن تأثير التقارب . يحمل الملف الابتدائي تيارات عالية جدًا. ولأن التيار عالي التردد يتدفق في الغالب على سطح الموصلات بسبب تأثير الجلد ، فإنه غالبًا ما يُصنع من سلك سميك ذي مساحة سطح كبيرة لتقليل المقاومة، وتكون لفاته متباعدة، مما يقلل من فقد الطاقة الناتج عن تأثير التقارب ومن حدوث شرارة كهربائية بين اللفات. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

يُستخدم تصميم الملف أحادي القطب على نطاق واسع في الملفات الحديثة. يتكون الملف الابتدائي من اللفائف الحلزونية الحمراء المسطحة في الأسفل، بينما يتكون الملف الثانوي من الملف الأسطواني العمودي الملفوف بسلك أحمر رفيع. أما طرف الجهد العالي فهو الحلقة الألومنيومية الموجودة أعلى الملف الثانوي.

ملف ثنائي القطب، استُخدم في أوائل القرن العشرين. يحتوي على طرفي إخراج عاليي الجهد، كل منهما متصل بأحد طرفي الملف الثانوي، مع وجود فجوة شرارة بينهما. يتكون الملف الابتدائي من 12 لفة من سلك سميك، يقع في منتصف الملف الثانوي لمنع حدوث شرارات كهربائية بين اللفات.

يمكن أن تتخذ دائرة الإخراج شكلين:

• أحادي القطب : يُوصل أحد طرفي الملف الثانوي بطرف واحد ذي جهد عالٍ، بينما يُؤرض الطرف الآخر . يُستخدم هذا النوع في الملفات الحديثة المُصممة لأغراض الترفيه. يقع الملف الابتدائي بالقرب من الطرف السفلي ذي الجهد المنخفض للملف الثانوي، لتقليل الأقواس الكهربائية بين الملفات. ولأن الأرض تُشكل مسار عودة الجهد العالي، فإن الأقواس الكهربائية المتدفقة من الطرف تميل إلى القفز إلى أي جسم مؤرض قريب.
• ثنائي القطب : لا يتم تأريض أي من طرفي الملف الثانوي، ويتم توصيل كليهما بأطراف ذات جهد عالٍ. يقع الملف الابتدائي في مركز الملف الثانوي، على مسافة متساوية بين طرفي الجهد العالي، لمنع حدوث شرارة كهربائية.

تعمل الدائرة في دورة متكررة بسرعة حيث يقوم محول التغذية (T) بشحن المكثف الأساسي (C1) ، والذي يفرغ بعد ذلك في شرارة من خلال فجوة الشرارة، مما يخلق نبضة قصيرة من التيار المتذبذب في الدائرة الأساسية التي تثير جهدًا متذبذبًا عاليًا عبر الملف الثانوي: ^{[ 10 ] [ 12 ] [ 14 ] [ 18 ]}

1. يقوم التيار القادم من محول التغذية (T) بشحن المكثف (C1) إلى جهد عالٍ.
2. عندما يصل الجهد عبر المكثف إلى جهد انهيار فجوة الشرارة ، تبدأ شرارة كهربائية، مما يقلل مقاومة فجوة الشرارة إلى قيمة منخفضة جدًا. وبذلك تكتمل الدائرة الأولية، ويتدفق التيار من المكثف عبر الملف الابتدائي (L1) . يتدفق التيار بسرعة ذهابًا وإيابًا بين لوحي المكثف عبر الملف، مولدًا تيارًا متذبذبًا بترددات الراديو في الدائرة الأولية عند تردد الرنين الخاص بها .
3. يُحدث المجال المغناطيسي المتذبذب للملف الابتدائي تيارًا متذبذبًا في الملف الثانوي (L2) ، وفقًا لقانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي . وعلى مدار عدة دورات، تنتقل الطاقة من الدائرة الابتدائية إلى الملف الثانوي. وتقتصر الطاقة الكلية في الدوائر الرنانة على الطاقة المخزنة أصلاً في المكثف C1 ، لذا فمع ازدياد سعة الجهد المتذبذب في الملف الثانوي ("الرنين")، تتناقص التذبذبات في الملف الابتدائي حتى تتلاشى. وعلى الرغم من أن طرفي الملف الثانوي مفتوحان، إلا أنه يعمل أيضًا كدائرة رنانة نظرًا لسعته (C2) ، وهي مجموع السعة الطفيلية بين لفات الملف بالإضافة إلى سعة قطب الطورويد E. ويتدفق التيار بسرعة ذهابًا وإيابًا عبر الملف الثانوي بين طرفيه. وبسبب صغر السعة، يكون الجهد المتذبذب عبر الملف الثانوي، والذي يظهر على طرف الخرج، أكبر بكثير من الجهد الابتدائي.
4. يُنشئ التيار الثانوي مجالًا مغناطيسيًا يُحفز جهدًا كهربائيًا في الملف الابتدائي، ومع تكرار هذه العملية عدة مرات، تنتقل الطاقة عائدةً إلى الملف الابتدائي، مما يؤدي إلى انخفاض الجهد المتذبذب في الملف الثانوي (انخفاض الجهد). تتكرر هذه العملية، حيث تنتقل الطاقة بسرعة ذهابًا وإيابًا بين دائرتي الرنين الابتدائي والثانوي. تتلاشى التيارات المتذبذبة في الملفين الابتدائي والثانوي تدريجيًا نتيجةً لتبدد الطاقة على شكل حرارة في فجوة الشرارة ومقاومة الملف.
5. عندما لا يعود التيار المار عبر فجوة الشرارة كافيًا للحفاظ على تأين الهواء داخلها، تتوقف الشرارة ("تنطفئ")، مما ينهي التيار في الدائرة الأولية. وقد يستمر التيار المتذبذب في الدائرة الثانوية لبعض الوقت.
6. يبدأ التيار القادم من محول التغذية بشحن المكثف C1 مرة أخرى وتتكرر الدورة.

تحدث هذه الدورة بأكملها بسرعة فائقة، حيث تتلاشى التذبذبات في غضون جزء من الألف من الثانية. تُنتج كل شرارة عبر فجوة الشرارة نبضة من جهد جيبي عالي مُخمد عند طرف خرج الملف. تتلاشى كل نبضة قبل حدوث الشرارة التالية، لذا يُولّد الملف سلسلة من الموجات المُخمدة ، وليس جهدًا جيبيًا مستمرًا. ^{[ 10 ]} الجهد العالي من محول التغذية الذي يشحن المكثف هو موجة جيبية بتردد  50 أو 60 هرتز . اعتمادًا على كيفية ضبط فجوة الشرارة، عادةً ما تحدث شرارة أو اثنتان عند ذروة كل نصف دورة من تيار الشبكة، لذا يوجد أكثر من مئة شرارة في الثانية. وبالتالي، تبدو الشرارة عند فجوة الشرارة مستمرة، وكذلك تيارات الجهد العالي من أعلى الملف.

يتم توصيل الملف الثانوي لمحول التغذية (T) عبر دائرة الرنين الأولية. قد يبدو للوهلة الأولى أن المحول يمثل مسارًا لتسريب تيار الترددات الراديوية، مما يؤدي إلى تخميد التذبذبات. إلا أن محاثته الكبيرة تمنحه مقاومة عالية جدًا عند تردد الرنين، لذا فهو يعمل كدائرة مفتوحة أمام التيار المتذبذب. في حال كان محاثة دائرة القصر لمحول التغذية غير كافية ، يتم وضع خانقات ترددات راديوية في أطرافه الثانوية لحجب تيار الترددات الراديوية.

لإنتاج أعلى جهد خرج، يتم ضبط دوائر الرنين الأولية والثانوية بحيث تكون في حالة رنين مع بعضها البعض. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 17 ]} ترددات الرنين للدوائر الأولية والثانوية،${\displaystyle \scriptstyle f_{1}}$و${\displaystyle \scriptstyle f_{2}}$يتم تحديدها بواسطة ^الحث والسعة في كل دائرة: ^{[ 9} ] ^{[ 10 ] [ 17 ]}

${\displaystyle f_{1}={1 \over {2\pi {\sqrt {L_{1}C_{1}}}}}\qquad \qquad f_{2}={1 \over {2\pi {\sqrt {L_{2}C_{2}}}}}\,}$

بشكل عام، لا يمكن ضبط الملف الثانوي، لذلك يتم ضبط الدائرة الأولية، عادةً عن طريق مفتاح متحرك على الملف الأولي L1 _، حتى يرن بنفس تردد الملف الثانوي:

${\displaystyle f={1 \over {2\pi {\sqrt {L_{1}C_{1}}}}}={1 \over {2\pi {\sqrt {L_{2}C_{2}}}}}\,}$

وبالتالي فإن شرط الرنين بين المذبذب الأساسي والمذبذب الثانوي هو:

${\displaystyle L_{1}C_{1}=L_{2}C_{2}\,}$

يقع تردد الرنين لملفات تسلا ضمن نطاق الترددات الراديوية المنخفضة ، ويتراوح عادةً بين 50  كيلوهرتز و1  ميجاهرتز. ومع ذلك، ونظرًا لطبيعة الشرارة النبضية، فإنها تُنتج ضوضاء راديوية واسعة النطاق ، وبدون حماية، يُمكن أن تُصبح مصدرًا هامًا للتداخل الراديوي ، مما يُؤثر على استقبال الراديو والتلفزيون في المناطق المجاورة.

في المحول الرنيني، يُنتج الجهد العالي عن طريق الرنين؛ ولا يتناسب جهد الخرج مع نسبة عدد اللفات، كما هو الحال في المحول العادي. ^{[ 14 ] [ 19 ]} ويمكن حسابه تقريبًا من خلال قانون حفظ الطاقة . في بداية الدورة، عندما تبدأ الشرارة، تكون كل الطاقة في الدائرة الأولية${\displaystyle W_{1}}$يتم تخزينها في المكثف الأساسي${\displaystyle C_{1}}$. لو${\displaystyle V_{1}}$هو الجهد الذي يحدث عنده انهيار فجوة الشرارة، والذي يكون عادةً قريبًا من ذروة جهد خرج محول التغذية T ، وهذه الطاقة هي

${\displaystyle W_{1}={1 \over 2}C_{1}V_{1}^{2}\,}$

أثناء عملية "الرنين"، تُنقل هذه الطاقة إلى الدائرة الثانوية. على الرغم من فقدان جزء منها على شكل حرارة في الشرارة والمقاومات الأخرى، إلا أن أكثر من 85% من الطاقة في الملفات الحديثة ينتهي بها المطاف في الدائرة الثانوية. ^{[ 10 ]} عند الذروة (${\displaystyle V_{2}}$) من شكل موجة الجهد الجيبية الثانوية، كل الطاقة في الثانوي${\displaystyle W_{2}}$يتم تخزينها في السعة${\displaystyle C_{2}}$بين طرفي الملف الثانوي

${\displaystyle W_{2}={1 \over 2}C_{2}V_{2}^{2}\,}$

بافتراض عدم وجود خسائر في الطاقة،${\displaystyle W_{2}\;=\;W_{1}}$. بالتعويض في هذه المعادلة وتبسيطها، يكون جهد الذروة الثانوي هو ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 14 ]}

الصيغة الثانية أعلاه مشتقة من الصيغة الأولى باستخدام شرط الرنين${\displaystyle L_{1}C_{1}\;=\;L_{2}C_{2}}$[ ^{14 ] بما أن سعة الملف الثانوي صغيرة جدًا مقارنة بالمكثف الابتدائي، فإن} الجهد الابتدائي يرتفع إلى قيمة عالية. ^{[ 10 ]}

لا يتحقق جهد الذروة المذكور أعلاه إلا في الملفات التي لا تحدث فيها تفريغات هوائية؛ أما في الملفات التي تُنتج شرارات، مثل ملفات أجهزة الترفيه، فإن جهد الذروة على الطرف يقتصر على الجهد الذي ينهار عنده الهواء ويصبح موصلاً. ^{[ 10 ] [ 14 ] [ 16 ]} مع ازدياد جهد الخرج خلال كل نبضة جهد، يصل إلى النقطة التي يتأين عندها الهواء المجاور لطرف الجهد العالي، وتندلع تفريغات الهالة ، وتفريغات الفرشاة ، وأقواس الشرارة من الطرف. يحدث هذا عندما تتجاوز شدة المجال الكهربائي قوة العزل الكهربائي للهواء، والتي تبلغ حوالي 30  كيلو فولت لكل سنتيمتر. ولأن المجال الكهربائي يكون في أقصى حالاته عند النقاط والحواف الحادة، تبدأ التفريغات الهوائية عند هذه النقاط على طرف الجهد العالي. لا يمكن أن يرتفع الجهد على طرف الجهد العالي فوق جهد انهيار الهواء، لأن الشحنة الكهربائية الإضافية التي تُضخ إلى الطرف من الملف الثانوي تتسرب إلى الهواء. يقتصر جهد الخرج لملفات تسلا في الهواء الطلق على بضعة ملايين من الفولت بسبب انهيار الهواء، ^{[ 5 ]} ولكن يمكن تحقيق جهود أعلى بواسطة ملفات مغمورة في خزانات مضغوطة من زيت العزل .

تتميز بعض تصميمات ملفات تسلا بوجود قطب معدني كروي أو حلقي أملس على طرف الجهد العالي. يعمل هذا القطب كأحد لوحي مكثف ، بينما تمثل الأرض اللوح الآخر، مما يزيد من السعة الثانوية. يقلل السطح المنحني ذو القطر الكبير من المجال الكهربائي عند طرف الجهد العالي، مما يزيد من عتبة الجهد اللازمة لحدوث التفريغ الكهربائي في الهواء. ويسمح كبح الانهيار الكهربائي المبكر في الهواء وفقدان الطاقة بارتفاع الجهد إلى قيم أعلى، مما يؤدي إلى تفريغات أطول وأكثر قوة. ^{[ 14 ]}

إذا كان القطب العلوي كبيرًا جدًا وناعمًا، فقد لا يكون المجال الكهربائي على سطحه قويًا بما يكفي لإحداث انهيار هوائي. تحتوي بعض ملفات الترفيه على "نقطة شرارة" حادة بارزة من القطب لبدء التفريغ الكهربائي. ^{[ 20 ]}

يمكن تصنيف دوائر ملف تسلا حسب نوع "الإثارة" التي تستخدمها، ونوع الدائرة المستخدمة لتطبيق التيار على الملف الابتدائي للمحول الرنيني: ^{[ 5 ] [ 21 ] [ 22 ]}

• ملف تسلا ذو الفجوة الشرارية (SGTC) : يستخدم هذا النوع فجوة شرارية لإغلاق الدائرة الأولية، مما يؤدي إلى تفريغ مكثف عبر محول الرنين، وبالتالي توليد التذبذبات. تُعاني الفجوات الشرارية من عيوبٍ عديدة، منها التيارات العالية التي يجب أن تتحملها في الدائرة الأولية. فهي تُصدر ضوضاءً عاليةً جدًا أثناء التشغيل، وتُنتج غاز الأوزون الضار ، وترتفع درجة حرارتها مما قد يتطلب نظام تبريد. كما أن الطاقة المُبددة في الشرارة تُقلل من عامل الجودة (Q) وجهد الخرج. جميع ملفات تسلا كانت تعمل بتقنية الفجوات الشرارية.
  • فجوة الشرارة الثابتة : هذا النوع هو الأكثر شيوعًا، وقد تم شرحه بالتفصيل في القسم السابق. يُستخدم في معظم ملفات أجهزة الترفيه. يقوم جهد متردد من محول جهد عالٍ بشحن مكثف، والذي بدوره يُفرغ شحنته عبر فجوة الشرارة. معدل الشرارة غير قابل للتعديل، ولكنه يتحدد بتردد  التيار الكهربائي (50 أو 60 هرتز). قد تحدث شرارات متعددة في كل نصف دورة، لذا قد لا تكون نبضات جهد الخرج متساوية التباعد.
  • فجوة الشرارة المُشغَّلة بالتيار الساكن : غالبًا ما تُطبَّق في الدوائر التجارية والصناعية جهد تيار مستمر من مصدر طاقة لشحن المكثف، وتُستخدم نبضات جهد عالية مُولَّدة بواسطة مُذبذب مُطبَّق على قطب كهربائي مُشغِّل لإطلاق الشرارة. ^{[ 7 ] [ 22 ]} يتيح ذلك التحكم في معدل الشرارة وجهد الإثارة. عادةً ما تُغلَّف فجوات الشرارة التجارية بجو غاز عازل مثل سداسي فلوريد الكبريت ، مما يُقلِّل من طول الشرارة وبالتالي فقد الطاقة فيها.
  • فجوة الشرارة الدوارة : تستخدم هذه التقنية فجوة شرارة تتكون من أقطاب كهربائية حول محيط عجلة تدور بسرعة عالية بواسطة محرك، حيث تُولّد شرارات عند مرورها بقطب كهربائي ثابت. ^{[ 22 ]} استخدم تسلا هذا النوع في ملفاته الكبيرة، ولا تزال تُستخدم اليوم في ملفات الترفيه الضخمة. تعمل سرعة فصل الأقطاب الكهربائية العالية على إخماد الشرارة بسرعة، مما يسمح بإخمادها من أول نقطة، وبالتالي إمكانية استخدام فولتيات أعلى. عادةً ما تُدار العجلة بواسطة محرك متزامن ، لذا تتزامن الشرارات مع تردد التيار المتردد، وتحدث الشرارة عند نفس النقطة على شكل موجة التيار المتردد في كل دورة، مما يجعل النبضات الأولية قابلة للتكرار.
• ملفات تسلا ذات الحالة الصلبة أو المُبدَّلة (SSTC) : تستخدم هذه الملفات أجهزة أشباه موصلات الطاقة ، عادةً الثايرستورات أو الترانزستورات مثل MOSFETs أو IGBTs ، ^{[ 7 ]} يتم تشغيلها بواسطة دائرة مذبذب الحالة الصلبة لتبديل نبضات الجهد من مصدر طاقة تيار مستمر عبر الملف الابتدائي. ^{[ 22 ]} توفر هذه الملفات إثارة نبضية دون عيوب فجوة الشرارة: الضوضاء العالية، ودرجات الحرارة المرتفعة، والكفاءة المنخفضة. يمكن التحكم بدقة في الجهد والتردد وشكل موجة الإثارة. تُستخدم ملفات SSTC في معظم التطبيقات التجارية والصناعية والبحثية ^{[ 7 ]} بالإضافة إلى ملفات الترفيه عالية الجودة.
  • ملف تسلا أحادي الرنين ذو الحالة الصلبة (SRSSTC) : في هذه الدائرة، لا يحتوي الملف الابتدائي على مكثف رنين، بل الملف الثانوي فقط؛ لذا فهي دائرة أحادية الرنين ، وليست ثنائية الرنين. يُثير التيار المار في الملف الابتدائي من ترانزستورات التبديل الرنين في الدائرة الثانوية. تُعد ملفات SSTC أحادية الرنين أبسط، ولكن عادةً ما يكون لدائرة الرنين الأحادي عامل جودة (Q) أقل ، وبالتالي تخزن طاقة أقل وتنتج جهودًا أقل من دوائر الرنين الثنائي، مع ثبات العوامل الأخرى.
  • ملف تسلا ذو الحالة الصلبة الرنان المزدوج (DRSSTC) : تشبه الدائرة دائرة الإثارة الشرارية المزدوجة، باستثناء أنه بدلاً من محول التيار المتردد ( T ) في الدائرة الأولية، يقوم مصدر طاقة التيار المستمر بشحن المكثف، وبدلاً من فجوة الشرارة، تقوم مفاتيح أشباه الموصلات بإكمال الدائرة بين المكثف والملف الأولي.

  • ملف تسلا المُغني أو ملف تسلا الموسيقي : لا يُعد هذا نوعًا منفصلاً من الإثارة، بل هو تعديل على الدائرة الأولية ذات الحالة الصلبة لإنشاء ملف تسلا يُمكن العزف عليه كآلة موسيقية، حيث تُعيد تفريغاته عالية الجهد إنتاج نغمات موسيقية بسيطة. يتم تعديل نبضات جهد التشغيل المُطبقة على الملف الأولي بمعدل صوتي بواسطة دائرة "قاطع" ذات حالة صلبة، مما يتسبب في انبعاث أصوات من تفريغ القوس الكهربائي من طرف الجهد العالي. حتى الآن، لم يتم إنتاج سوى نغمات وأوتار بسيطة؛ لا يُمكن للملف العمل كمكبر صوت ، لإعادة إنتاج موسيقى معقدة أو أصوات بشرية. يتم التحكم في خرج الصوت بواسطة لوحة مفاتيح أو ملف MIDI مُطبق على الدائرة من خلال واجهة MIDI .تم استخدام تقنيتين للتعديل : AM ( تعديل سعة جهد الإثارة) وPFM ( تعديل تردد النبض ). تم تصميم هذه الملفات بشكل أساسي كأجهزة ترفيهية مبتكرة.
• الموجة المستمرة : في هذه الدوائر، يُشغَّل المحول بواسطة مذبذب تغذية راجعة ، يُطبِّق نبضة تيار على الملف الابتدائي في كل دورة من دورات تيار التردد اللاسلكي، مما يُثير تذبذبًا مستمرًا. ^{[ 22 ]} تعمل دائرة الرنين الابتدائية كدائرة رنين للمذبذب، وتشبه هذه الدائرة جهاز إرسال لاسلكي . على عكس الدوائر السابقة التي تُولِّد خرجًا نبضيًا، تُولِّد هذه الدوائر خرجًا موجة جيبية مستمرة. غالبًا ما تُستخدم أنابيب التفريغ الكهربائية كأجهزة فعالة بدلًا من الترانزستورات لأنها أكثر متانة ومقاومة للأحمال الزائدة. بشكل عام، يُنتج التحفيز المستمر جهد خرج أقل من جهد دخل مُحدد مقارنةً بالتحفيز النبضي. ^{[ 22 ]}

يمكن أيضًا تصنيف دوائر تسلا حسب عدد الملفات الرنانة ( المحاثات ) التي تحتوي عليها: ^{[ 23 ] [ 24 ]}

• الدوائر ذات الملفين أو الرنين المزدوج : تستخدم جميع ملفات تسلا الحالية تقريبًا محول الرنين ذو الملفين ، والذي يتكون من ملف ابتدائي يتم تطبيق نبضات التيار عليه، وملف ثانوي ينتج الجهد العالي، والذي اخترعه تسلا في عام 1891. يشير مصطلح "ملف تسلا" عادةً إلى هذه الدوائر.
• دوائر ثلاثية الملفات ، أو دوائر الرنين الثلاثي ، أو دوائر التكبير : هي دوائر تتكون من ثلاثة ملفات، مستوحاة من دائرة "المرسل المكبر" لتيسلا، التي بدأ تجاربه عليها قبل عام 1898، وركّبها في مختبره في كولورادو سبرينغز بين عامي 1899 و1900، وحصل على براءة اختراعها عام 1902. ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]} تتكون هذه الدوائر من محول رفع جهد ذي ملفين هوائيين، مشابه لمحولات تيسلا، حيث يتصل الملف الثانوي بملف ثالث غير مرتبط مغناطيسيًا بالملفين الآخرين، يُسمى الملف "الإضافي" أو "الرنان"، وهو ملف تغذية متسلسل يرن بسعته الخاصة. يُؤخذ الخرج من الطرف الحر لهذا الملف. وجود ثلاث دوائر رنين لتخزين الطاقة يُضفي على هذه الدائرة سلوك رنين أكثر تعقيدًا. ^{[ 28 ]} لا تزال هذه الدوائر قيد البحث، ولكنها لم تُستخدم إلا في تطبيقات عملية قليلة.

لا تستخدم ملفات تسلا الحديثة ، سواءً كانت ترانزستورية أو أنبوبية مفرغة، فجوة شرارة أولية. بدلاً من ذلك، توفر الترانزستورات أو الأنابيب المفرغة وظيفة التبديل أو التضخيم اللازمة لتوليد طاقة الترددات الراديوية للدائرة الأولية. تستخدم ملفات تسلا ذات الحالة الصلبة أقل جهد تشغيل أولي، يتراوح عادةً بين 155 و800 فولت، وتُشغّل الملف الأولي باستخدام ترتيب أحادي أو نصف جسر أو جسر كامل من ترانزستورات ثنائية القطب ، أو MOSFETs ، أو IGBTs لتبديل التيار الأولي. تعمل ملفات الأنابيب المفرغة عادةً بجهود لوحة تتراوح بين 1500 و6000 فولت، بينما تعمل معظم ملفات فجوة الشرارة بجهود أولية تتراوح بين 6000 و25000 فولت. يُلف الملف الأولي لملف تسلا الترانزستوري التقليدي حول الجزء السفلي فقط من الملف الثانوي. يوضح هذا التكوين عمل الملف الثانوي كمرنان مُضخّم. يُولّد الملف الابتدائي جهدًا متناوبًا في الجزء السفلي من الملف الثانوي، مما يُوفّر دفعات منتظمة (شبيهة بدفع أرجوحة في ملعب الأطفال بتوقيت مناسب). وتنتقل طاقة إضافية من الملف الابتدائي إلى محاثة الملف الثانوي وسعة الحمل العلوي خلال كل دفعة، فيرتفع جهد خرج الملف الثانوي (وتُسمى هذه الظاهرة "الرنين المتزايد"). عادةً ما تُستخدم دائرة تغذية راجعة إلكترونية لمزامنة مذبذب الملف الابتدائي بشكل تكيفي مع الرنين المتزايد في الملف الثانوي، وهذا هو الاعتبار الوحيد لضبط التردد بعد الاختيار الأولي لحمل علوي مناسب.

في ملف تسلا ذي الحالة الصلبة ثنائي الرنين (DRSSTC)، يُدمج التبديل الإلكتروني لملف تسلا ذي الحالة الصلبة مع دائرة الرنين الأولية لملف تسلا ذي فجوة شرارية. تتشكل دائرة الرنين الأولية بتوصيل مكثف على التوالي مع اللفة الأولية للملف، بحيث يُشكل هذا المزيج دائرة رنين متسلسلة بتردد رنين قريب من تردد الدائرة الثانوية. وبسبب دائرة الرنين الإضافية، يلزم إجراء ضبط يدوي وضبط تكيفي. كما يُستخدم عادةً قاطع دائرة لتقليل دورة التشغيل لجسر التبديل، لتحسين قدرات ذروة الطاقة؛ وبالمثل، تُعد ترانزستورات IGBT أكثر شيوعًا في هذا التطبيق من ترانزستورات الوصلة ثنائية القطب أو ترانزستورات MOSFET، نظرًا لخصائصها الفائقة في معالجة الطاقة. تُستخدم عادةً دائرة تحديد التيار للحد من الحد الأقصى لتيار دائرة الرنين الأولية (الذي يجب أن تُبدّله ترانزستورات IGBT) إلى مستوى آمن. يمكن أن يكون أداء ملف تسلا ذي الفجوة الشرارية متوسط ​​الطاقة قابلاً للمقارنة، ويمكن أن تكون الكفاءة (كما تم قياسها بطول الشرارة مقابل طاقة الإدخال) أكبر بكثير من ملف تسلا ذي الفجوة الشرارية الذي يعمل بنفس طاقة الإدخال.

مخططات ملف تسلا

تكوين الدائرة النموذجي. هنا، تعمل فجوة الشرارة على توصيل التردد العالي عبر المحول الأول الذي يُغذى بتيار متردد. يحمي ملف حثي، غير موضح، المحول. يُفضل هذا التصميم عند استخدام محول إشارة نيون هش نسبيًا.

تكوين دائرة بديل. مع وجود المكثف بالتوازي مع المحول الأول وفجوة الشرارة على التوالي مع الملف الابتدائي لملف تسلا، يجب أن يكون محول إمداد التيار المتردد قادرًا على تحمل الفولتية العالية عند الترددات العالية.

غالبًا ما تعمل ملفات تسلا الكبيرة ذات التصميمات الحديثة بمستويات طاقة قصوى عالية جدًا، تصل إلى عدة ميغاواط (ملايين الواط ، أي ما يعادل آلاف الأحصنة ). ولذلك، يتم ضبطها وتشغيلها بعناية، ليس فقط لتحقيق الكفاءة والاقتصاد، بل أيضًا لضمان السلامة. فإذا حدث، نتيجةً لضبط غير صحيح، أن تقع نقطة الجهد القصوى أسفل الطرف، على طول الملف الثانوي، فقد يحدث تفريغ كهربائي ( شرارة ) يُلحق الضرر بسلك الملف أو دعاماته أو الأجسام المجاورة، أو قد يُدمرها.

أجرى تسلا تجارب على هذه التكوينات، وغيرها الكثير من تكوينات الدوائر (انظر إلى اليمين). يتم توصيل الملف الابتدائي لملف تسلا، وفجوة الشرارة، ومكثف الخزان على التوالي. في كل دائرة، يقوم محول التيار المتردد بشحن مكثف الخزان حتى يصبح جهده كافيًا لإحداث شرارة في فجوة الشرارة. عندئذٍ، تنطلق الشرارة فجأة، مما يسمح لمكثف الخزان المشحون بالتفريغ في الملف الابتدائي. بمجرد انطلاق الشرارة، يصبح السلوك الكهربائي للدائرتين متطابقًا. وقد أظهرت التجارب أن أيًا من الدائرتين لا تقدم أي ميزة أداء ملحوظة على الأخرى.

مع ذلك، في الدائرة النموذجية، يمنع قصر الدائرة الناتج عن فجوة الشرارة التذبذبات عالية التردد من التراكم في محول التغذية. أما في الدائرة البديلة، فتنتقل التذبذبات عالية السعة والتردد التي تظهر عبر المكثف إلى ملفات محول التغذية أيضًا. وهذا قد يُحدث تفريغًا هاليًا بين اللفات، مما يُضعف عزل المحول ويؤدي في النهاية إلى تلفه. يستخدم مُصنّعو ملفات تسلا ذوو الخبرة الدائرة العلوية بشكل شبه حصري، وغالبًا ما يُعززونها بمرشحات تمرير منخفض (شبكات مقاومة ومكثف (RC)) بين محول التغذية وفجوة الشرارة لحماية محول التغذية. يُعد هذا الأمر بالغ الأهمية عند استخدام محولات ذات ملفات عالية الجهد حساسة، مثل محولات إشارات النيون (NSTs). وبغض النظر عن التكوين المُستخدم، يجب أن يكون محول الجهد العالي من النوع الذي يُحدد تياره الثانوي ذاتيًا عن طريق محاثة قصر الدائرة الداخلية . يجب أن يستخدم محول الجهد العالي العادي (ذي الحث المنخفض في حالة قصر الدائرة) مُحددًا خارجيًا (يُسمى أحيانًا مُوازنًا) للحد من التيار. أما محولات الجهد العالي غير القياسية (NSTs) فهي مصممة بحث عالٍ في حالة قصر الدائرة للحد من تيار قصر الدائرة إلى مستوى آمن.

تصريف الهواء

في الملفات التي تُنتج تفريغات هوائية، كتلك المُصممة لأغراض الترفيه، تنتقل الطاقة الكهربائية من الملف الثانوي والحلقي إلى الهواء المحيط على شكل شحنة كهربائية وحرارة وضوء وصوت. تُشبه هذه العملية شحن أو تفريغ مكثف ، إلا أن ملف تسلا يستخدم التيار المتردد بدلًا من التيار المستمر. يُسمى التيار الناتج عن انتقال الشحنات داخل المكثف بتيار الإزاحة . تتشكل تفريغات ملف تسلا نتيجةً لتيارات الإزاحة، حيث تنتقل نبضات الشحنة الكهربائية بسرعة بين الحلقة ذات الجهد العالي والمناطق المجاورة لها في الهواء (وتُسمى مناطق الشحنة الفضائية ). على الرغم من أن مناطق الشحنة الفضائية حول الحلقة غير مرئية، إلا أنها تلعب دورًا هامًا في ظهور تفريغات ملف تسلا وموقعها.

عندما تشتعل شرارة الفجوة، يفرغ المكثف المشحون شحنته في الملف الابتدائي، مما يؤدي إلى تذبذب الدائرة الابتدائية. يُولّد التيار الابتدائي المتذبذب مجالًا مغناطيسيًا متذبذبًا يقترن بالملف الثانوي، ناقلًا الطاقة إلى الجانب الثانوي للمحول، مما يجعله يتذبذب مع سعة المكثف الحلقي المتصل بالأرض. يستمر انتقال الطاقة لعدة دورات، حتى تنتقل معظم الطاقة التي كانت في الأصل في الجانب الابتدائي إلى الجانب الثانوي. كلما زاد الاقتران المغناطيسي بين الملفات، قلّ الوقت اللازم لإتمام انتقال الطاقة. مع تراكم الطاقة داخل الدائرة الثانوية المتذبذبة، يزداد سعة جهد التردد اللاسلكي للمكثف الحلقي بسرعة، ويبدأ الهواء المحيط به في الخضوع لانهيار عازل ، مُشكّلًا تفريغًا هاليًا.

مع استمرار ازدياد طاقة الملف الثانوي (وجهد الخرج)، تعمل نبضات تيار الإزاحة الأكبر على تأيين وتسخين الهواء عند نقطة الانهيار الأولي. يتشكل بذلك "جذر" موصل كهربائيًا للغاية من البلازما الساخنة ، يُسمى " القائد "، يمتد للخارج من الحلقة. البلازما داخل القائد أسخن بكثير من تفريغ الهالة، وأكثر موصلية بكثير. في الواقع، خصائصه مشابهة للقوس الكهربائي . يتناقص حجم القائد ويتفرع إلى آلاف التفريغات الرقيقة والباردة الشبيهة بالشعر (تُسمى "الخيوط"). تبدو الخيوط كضباب أزرق عند نهايات القادة الأكثر إضاءة. تنقل الخيوط الشحنة بين القادة والحلقة إلى مناطق الشحنة الفضائية المجاورة. تغذي تيارات الإزاحة من عدد لا يحصى من الخيوط القائد، مما يساعد على إبقائه ساخنًا وموصلًا كهربائيًا.

معدل انقطاع التيار الأولي في ملفات تسلا الشرارية بطيء مقارنةً بتردد الرنين لمجموعة الرنان-الحمل العلوي. عند إغلاق المفتاح، تنتقل الطاقة من دائرة LC الأولية إلى الرنان، حيث يرتفع الجهد تدريجيًا خلال فترة وجيزة حتى يصل إلى ذروته في التفريغ الكهربائي. في ملف تسلا ذي فجوة شرارية، تتكرر عملية نقل الطاقة من الدائرة الأولية إلى الثانوية بمعدلات نبض نموذجية تتراوح بين 50 و500 مرة في الثانية، اعتمادًا على تردد جهد خط الإدخال. عند هذه المعدلات، لا تتاح للقنوات الرائدة المتكونة مسبقًا فرصة التبريد الكامل بين النبضات. لذا، في النبضات المتتالية، يمكن أن تتراكم التفريغات الجديدة على المسارات الساخنة التي خلفتها التفريغات السابقة. يتسبب هذا في نمو تدريجي للقناة الرائدة من نبضة إلى أخرى، مما يطيل مدة التفريغ الكلي في كل نبضة متتالية. يؤدي النبض المتكرر إلى نمو التفريغات حتى يتوازن متوسط ​​الطاقة المتاحة من ملف تسلا خلال كل نبضة مع متوسط ​​الطاقة المفقودة في التفريغات (معظمها على شكل حرارة). عند هذه النقطة، يتحقق التوازن الديناميكي ، وتصل التفريغات إلى أقصى طول لها بالنسبة لمستوى طاقة خرج ملف تسلا. ويبدو أن المزيج الفريد من غلاف ترددات الراديو عالي الجهد المتزايد والنبضات المتكررة مناسب تمامًا لإنتاج تفريغات طويلة ومتفرعة أطول بكثير مما هو متوقع بالنظر إلى جهد الخرج وحده. تُنتج التفريغات عالية الجهد ومنخفضة الطاقة تفريغات خيطية متعددة التفرعات ذات لون أزرق بنفسجي. أما التفريغات عالية الجهد وعالية الطاقة فتُنتج تفريغات أكثر سمكًا ذات تفرعات أقل، وهي باهتة ومضيئة، تكاد تكون بيضاء، وأطول بكثير من التفريغات منخفضة الطاقة، وذلك بسبب زيادة التأين. ستنتشر رائحة قوية للأوزون وأكاسيد النيتروجين في المنطقة. ويبدو أن العوامل المهمة لأقصى طول للتفريغ هي الجهد والطاقة ووجود هواء ساكن ذي رطوبة منخفضة إلى متوسطة. هناك عدد قليل نسبياً من الدراسات العلمية حول بدء ونمو التفريغات النبضية منخفضة التردد RF، لذلك فإن بعض جوانب تفريغات الهواء في ملف تسلا ليست مفهومة جيداً عند مقارنتها بتفريغات التيار المستمر، والتيار المتردد بتردد الطاقة، والنبضات عالية الجهد، وتفريغات البرق.

تُعرض ملفات تسلا كمعروضات في متاحف العلوم ومعارض الإلكترونيات، وتُستخدم لتوضيح مبادئ الكهرباء عالية التردد في دروس العلوم في المدارس والكليات. ^{[ 48 ]}

نظرًا لسهولة صنعها حتى من قِبل الهواة، تُعدّ ملفات تسلا مشروعًا شائعًا في معارض العلوم الطلابية ، ويصنعها مجتمع عالمي كبير من الهواة. يُطلق على من يصنعون ملفات تسلا كهواية اسم "صانعي الملفات". ويحضرون مؤتمرات "صناعة الملفات" حيث يعرضون ملفات تسلا التي صنعوها بأنفسهم، بالإضافة إلى أجهزة أخرى عالية الجهد. ^{[ 49 ] [ 50 ] [ 6 ]} كما تُستخدم ملفات تسلا منخفضة الطاقة أحيانًا كمصدر جهد عالٍ للتصوير الكيرلياني .

أكبر ملف تسلا في العالم حاليًا هو وحدة بقدرة 130 ألف واط، بناها جريج ليه وإريك أور ، وهي جزء من منحوتة "إلكتروم" التي يبلغ ارتفاعها 12 مترًا (38 قدمًا)، وهي ملك لألان جيبس ، وتوجد حاليًا في حديقة منحوتات خاصة في كاكانوي بوينت بالقرب من أوكلاند ، نيوزيلندا. ^{[ 51 ] [ 52 ]} كما يُعرض ملف تسلا ضخم آخر، صممه وبناه سيد كلينج، سنويًا في مهرجان كوتشيلا فالي للموسيقى والفنون في كوتشيلا، كاليفورنيا. ^{[ 53 ]} 

يمكن استخدام ملفات تسلا لتوليد الأصوات، بما في ذلك الموسيقى، عن طريق تعديل "معدل النبضات" الفعال للنظام (أي معدل ومدة نبضات الترددات اللاسلكية عالية الطاقة) عبر بيانات MIDI ووحدة تحكم. تُفسَّر بيانات MIDI بواسطة متحكم دقيق يحولها إلى إشارة PWM يمكن إرسالها إلى ملف تسلا عبر واجهة ألياف بصرية. وقد عُرض استخدام ملفات تسلا في حفل موسيقي خارجي ضخم خلال فعالية "اليوم المفتوح للهندسة" (EOH) بجامعة إلينوي في أوربانا-شامبين . استخدمت الفنانة الأيسلندية بيورك ملف تسلا في أغنيتها "Thunderbolt" كآلة رئيسية. وتستخدم فرقة ArcAttack الموسيقية ملفات تسلا معدلة ورجلاً يرتدي بدلة من السلاسل المعدنية للعزف.

يختبر العلماء العاملون في أنظمة التفريغ العالي وجود ثقوب دقيقة في الجهاز (خاصةً في قطعة زجاجية حديثة النفخ) باستخدام تفريغات كهربائية عالية الجهد ناتجة عن ملف تسلا صغير محمول باليد. عند تفريغ النظام، يُمرر قطب الملف ذو الجهد العالي على السطح الخارجي للجهاز. عند الضغوط المنخفضة، يتأين الهواء بسهولة أكبر، وبالتالي يكون موصلاً أفضل للكهرباء من الهواء عند الضغط الجوي. لذلك، ينتقل التفريغ عبر أي ثقب دقيق أسفله مباشرةً، مُحدثًا تفريغًا هاليًا داخل الفراغ المُفرغ، مما يُضيء الثقب، مُشيرًا إلى النقاط التي تحتاج إلى معالجة حرارية أو إعادة نفخ قبل استخدامها في التجربة.

في عام 2016، استخدم علماء من جامعة رايس مجال ملف تسلا لمحاذاة أنابيب الكربون النانوية الدقيقة عن بُعد في دائرة كهربائية، وهي عملية أطلقوا عليها اسم "التسيلفوريسيس". ^{[ 54 ] [ 55 ]}

من التفسيرات الخاطئة التي لا تزال سائدة بين هواة ملفات تسلا لعدم حدوث صدمة كهربائية، أن التيارات عالية التردد تمر عبر الجسم بالقرب من سطحه، وبالتالي لا تخترق الأعضاء الحيوية أو الأعصاب، وذلك بسبب ظاهرة كهرومغناطيسية تُسمى تأثير الجلد . ^{[ 65 ] [ 9 ] [ 68 ] [ 69 ]}

هذه النظرية خاطئة. ^{[ 70 ] [ 71 ] [ 72 ] [ 56 ] [ 66 ] [ 73 ]} يميل تيار الترددات الراديوية إلى التدفق على سطح الموصلات بسبب تأثير الجلد، لكن عمق اختراقه، والذي يُسمى عمق الجلد ، يعتمد على مقاومة المادة ونفاذيتها ، بالإضافة إلى التردد . ^{[ 74 ] [ 75 ]} على الرغم من أن تأثير الجلد يحد من تيارات ترددات ملف تسلا إلى جزء صغير من المليمتر في الموصلات المعدنية، إلا أن عمق اختراق التيار في أنسجة الجسم أكبر بكثير نظرًا لمقاومتها العالية. يبلغ عمق اختراق تيارات تردد تسلا (0.1-1 ميجاهرتز ) في أنسجة الإنسان حوالي 24-72 سنتيمترًا (9-28 بوصة). ^{[ 75 ] [ 74 ] [ 56 ]} بما أن حتى أعمق الأنسجة أقرب إلى السطح من ذلك، فإن تأثير الجلد له تأثير ضئيل على مسار التيار عبر الجسم. ^{[ 73 ]} يميل التيار الكهربائي إلى اتخاذ مسار أقل مقاومة كهربائية نحو الأرض، ويمكنه المرور بسهولة عبر مركز الجسم. ^{[ 76 ] [ 56 ] [ 75 ]} في العلاج الطبي المعروف باسم العلاج الحراري بالموجات الطويلة ، استُخدم تيار ترددات لاسلكية مضبوط بدقة بترددات تسلا لعقود لتسخين الأنسجة العميقة، بما في ذلك تسخين الأعضاء الداخلية مثل الرئتين. ^{[ 76 ] [ 57 ]} تستخدم أجهزة العلاج الحراري الحديثة بالموجات القصيرة ترددًا أعلى يبلغ 27 ميجاهرتز، مما ينتج عنه عمق اختراق أقل للجلد، ومع ذلك، لا تزال هذه الترددات قادرة على اختراق أنسجة الجسم العميقة. ^{[ 71 ]}