Бобина Тесла на Spark Gap: 14 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:50

Това е урок за това как да се изгради бобина Тесла на Spark Gap с рокля в клетка на Фарадей.

Този проект отне на мен и моя екип (3 студенти) 16 работни дни, струва около 500 USD, ще ви уверя, че няма да работи от първия път:), най -важната част е, че трябва да разберете цялата теория зад и знаят как да се справят с избраните от вас компоненти.

В тази инструкция ще ви преведа през цялата теория зад, концепциите, формулите, стъпка по стъпка изграждане на всички части. Ако искате да изградите по -малки или по -големи намотки, концепцията и формулите ще бъдат същите.

Изискванията към този проект:

- Знания по: Електричество, електроника, електромагнитно и лабораторно оборудване

- Осцилоскоп

- Трансформатор с неонови знаци; 220V до 9kV

- Кондензатори за високо напрежение

- Медни кабели или медни тръби

- Дърво за изграждане на вашето шаси

- PVC тръба за вторичната намотка

- Гъвкава метална тръба за Toroid

- Малък 220V електрически вентилатор за свещта

- Алуминиеви хартии и мрежа за роклята на клетката Фарадей

- Изолирани проводници за вторичната

- Неонови лампи

- Регулатор на напрежение, ако нямате стабилни 220VAC

- Връзка към земята

- Много търпение

Стъпка 1: Въведение в бобината на Tesla Spark Gap

Намотката на Тесла е резонансен трансформатор, съдържащ първична и вторична LC верига. Проектирани от изобретателя Никола Тесла през 1891 г., двете LC вериги са свободно свързани заедно. Захранването се подава към първи контур чрез повишаващ трансформатор, който зарежда кондензатор. В крайна сметка напрежението в кондензатора ще се увеличи достатъчно, за да намали искровия процеп. Кондензаторът ще се разрежда през искровия процеп и в първичната намотка. Енергията ще се колебае напред-назад между първичния кондензатор и индуктора на първичната бобина при високи честоти (обикновено 50 kHz-2 MHz). Първичната намотка е свързана с индуктор във вторичната верига, наречена вторична намотка. Към горната част на вторичната намотка е прикрепен горен товар, който осигурява капацитет за вторичната LC верига. Тъй като първичната верига се колебае, мощността се индуцира във вторичната намотка, където напрежението се умножава многократно. Полето с високо напрежение и нисък ток се развива около горното натоварване и дъги от мълниеобразен разряд в сладък дисплей на страхотност. Първичната и вторичната LC вериги трябва да се колебаят със същата честота, за да се постигне максимален пренос на мощност. Веригите в бобината обикновено се "настройват" на същата честота чрез регулиране на индуктивността на първичната намотка. Намотките на Тесла могат да произвеждат изходно напрежение от 50 киловолта до няколко милиона волта за големи намотки.

Стъпка 2: Теория

Този раздел обхваща пълната теория на работа на конвенционална намотка на Тесла. Ще считаме, че първичната и вторичната верига са RLC вериги с ниско съпротивление, което съответства на реалността.

По гореспоменатите причини вътрешното съпротивление на компонента не е представено. Също така ще сменим трансформатора с ограничение на тока. Това няма влияние върху чистата теория.

Обърнете внимание, че някои части на вторичната верига са начертани с пунктирани линии. Това е така, защото те не се виждат директно на апарата. Що се отнася до вторичния кондензатор, ще видим, че неговият капацитет всъщност е разпределен, като горното натоварване е само „една плоча“на този кондензатор. Що се отнася до вторичната искрова междина, тя е показана на схемата като начин да се представи къде ще се намират дъгите.

Тази първа стъпка от цикъла е зареждането на първичния кондензатор от генератора. Предполагаме, че честотата му е 50 Hz. Тъй като генераторът (NST) е ограничен по ток, капацитетът на кондензатора трябва да бъде внимателно избран, така че да се зареди напълно за точно 1/100 секунди. Всъщност напрежението на генератора се променя два пъти за период и при следващия цикъл той ще презареди кондензатора с противоположна полярност, което не променя абсолютно нищо за работата на бобината на Тесла.

Когато кондензаторът е напълно зареден, искрата се задейства и следователно затваря първичната верига. Познавайки интензивността на пробивното електрическо поле на въздуха, ширината на искровото пространство трябва да бъде настроена така, че да се задейства точно когато напрежението в кондензатора достигне пиковата си стойност. Тук ролята на генератора приключва.

Сега имаме напълно зареден кондензатор в LC верига. По този начин токът и напрежението ще се колебаят при резонансната честота на веригите, както беше демонстрирано по -рано. Тази честота е много висока в сравнение с честотата на мрежата, обикновено между 50 и 400 kHz.

Първичната и вторичната верига са свързани с магнит. По този начин колебанията, протичащи в първичната, ще индуцират електродвижеща сила във вторичната. Тъй като енергията на първичната се изхвърля във вторичната, амплитудата на трептенията в първичната постепенно ще намалява, докато тези на вторичната ще се усилват. Този трансфер на енергия се осъществява чрез магнитна индукция. Константата на свързване k между двете вериги се поддържа целенасочено ниска, обикновено между 0,05 и 0,2.

По този начин трептенията в първичната мрежа ще действат малко като генератор на променливо напрежение, поставен последователно във вторичната верига.

За да се получи най -голямо изходно напрежение, първичните и вторичните настроени вериги се настройват да резонират помежду си. Тъй като вторичната верига обикновено не се регулира, това обикновено се прави чрез регулируем кран на първичната намотка. Ако двете намотки бяха отделни, резонансните честоти на първичната и вторичната верига ще се определят от индуктивността и капацитета във всяка верига

Стъпка 3: Разпределение на капацитета във вторичната верига

Вторичният капацитет Cs е наистина важен, за да работи намотката на tesla, капацитетът на вторичната намотка е необходим за изчисленията на резонансната честота, ако не вземете предвид всички параметри, няма да видите искра. Този капацитет се състои от много приноси и е труден за изчисляване, но ще разгледаме основните му компоненти.

Горно натоварване - Земя.

Най -високата част от вторичния капацитет идва от горния товар. Всъщност имаме кондензатор, чиито „плочи“са горният товар и земята. Може да е изненадващо, че това наистина е кондензатор, тъй като тези плочи са свързани чрез вторичната намотка. Импедансът му обаче е доста висок, така че всъщност има доста потенциална разлика между тях. Ще наречем Ct този принос.

Завъртания на вторичната намотка.

Другият голям принос идва от вторичната намотка. Той е направен от много съседни завои от емайлирана медна тел и следователно неговата индуктивност се разпределя по дължината му. Това означава, че има малка потенциална разлика между два съседни завоя. След това имаме два проводника с различен потенциал, разделени с диелектрик: с други думи кондензатор. Всъщност има кондензатор с всяка двойка проводници, но капацитетът му намалява с разстоянието, поради което може да се счита, че капацитетът само между два съседни завъртания е добро приближение.

Нека наречем Cb общия капацитет на вторичната намотка.

Всъщност не е задължително да има максимално натоварване на бобина Tesla, тъй като всяка вторична намотка ще има свой собствен капацитет. Въпреки това, че горният товар е от решаващо значение за красивите искри.

Ще има допълнителен капацитет от околните обекти. Този кондензатор се формира от горното натоварване от едната страна и провеждащите предмети (стени, водопроводни тръби, мебели и т.н.) от другата страна.

Ще назовем кондензатора на тези външни фактори Ce.

Тъй като всички тези "кондензатори" са паралелни, общият капацитет на вторичната верига ще бъде даден от:

Cs = Ct + Cb + Ce

Стъпка 4: Концепция и изграждане

В нашия случай използвахме автоматичен регулатор на напрежението, за да поддържаме входното напрежение за NST на 220V

И съдържа вграден филтър за променлив ток (YOKOMA ELECTRIC WORKS., LTD. В японски модел AVR-2)

Този инструмент може да се намери в рентгенови апарати или да се купи директно от пазара.

Трансформаторът за високо напрежение е най -важната част от бобината aTesla. Това е просто индукционен трансформатор. Неговата роля е да зарежда първичния кондензатор в началото на всеки цикъл. Освен мощността, здравината му е много важна, тъй като трябва да издържа на страхотни условия на работа (понякога е необходим защитен филтър).

Трансформаторът на неонови знаци (NST), който използваме за нашата намотка tesla, характеристики (rms стойности) са следните:

Vout = 9000 V, Iout = 30 mA

Изходният ток всъщност е 25mA, 30mA е пикът, който пада до 25 mA след стартиране.

Сега можем да изчислим неговата мощност P = V I, което ще бъде полезно за задаване на глобалните размери на бобината на Тесла, както и приблизителна представа за дължината на нейните искри.

P = 225 W (за 25 mA)

NST Импеданс = NST Vout ∕ NST Iout = 9000/ 0,25 = 360 KΩ

Стъпка 5: Първична верига

Кондензатор:

Ролята на първичния кондензатор е да съхранява определено количество заряд за предстоящия цикъл, както и да формира LC верига заедно с първичния индуктор.

Първичният кондензатор обикновено е направен от няколко десетки капачки, свързани в последователна / паралелна конфигурация, наречена Multi-Mini кондензатор (MMC)

Първичният кондензатор се използва с първичната намотка за създаване на първичната LC верига. Кондензаторът с резонансен размер може да повреди NST, затова силно се препоръчва кондензатор с по -голям от резонанс (LTR) размер. LTR кондензатор също ще достави най -много енергия през бобината на Tesla. Различните първични празнини (статични срещу синхронизиращи ротационни) ще изискват първични кондензатори с различен размер.

Cres = Първичен резонансен капацитет (uF) = 1 ∕ (2 * π * NST Импеданс * NST Fin) = 1/ (2 * π * 360 000 * 50) = 8.8419nF

CLTR = Първичен по-голям от резонанс (LTR) Статичен капацитет (uF) = Първичен резонансен капацитет × 1,6

= 14,147nF

(това може леко да се различава от приближение до друго, препоръчителен коефициент 1,6-1,8)

Използвахме 2000V 100nF кондензатори, Nb = Cunit/Cequiv = 100nF/0.0119 uF = 9 кондензатори. Така че за точно 9 капачки имаме Ceq = 0.0111uF = MMC капацитет.

Помислете за свързване на резистори с висока мощност, 10MOhms паралелно към всеки кондензатор за безопасност.

Индуктивност:

Ролята на първичния индуктор е да генерира магнитно поле, което да се инжектира във вторичната верига, както и да образува LC верига с първичния кондензатор. Този компонент трябва да може да транспортира тежък ток без прекомерни загуби.

За първичната намотка са възможни различни геометрии. В нашия случай ние ще адаптираме плоската аркирана спирала като първична намотка. Тази геометрия естествено води до по -слабо свързване и намалява риска от дъгообразуване в първичната: затова се предпочита при мощни бобини. Той обаче е доста често срещан в намотките с по -ниска мощност поради лесната си конструкция. Увеличаването на съединителя е възможно чрез спускане на вторичната намотка в първичната.

Нека W е ширината на спиралата, дадена от W = Rmax - Rmin и R нейният среден радиус, т.е. R = (Rmax + Rmin)/2, и двете изразени в сантиметри. Ако намотката има N завъртания, емпирична формула, която дава своята индуктивност L в микрохенри е:

L плосък = (0,374 (NR)^2)/(8R+11W).

За спиралната форма Ако наречем R радиуса на спиралата, H нейната височина (и в сантиметри) и N нейния брой завъртания, емпирична формула, която дава своята индуктивност L в микрохери, е: Lhelic = (0,374 (NR)^2) /(9R+10H).

Това са много формули, които можете да използвате и проверявате, те ще дадат близки резултати, най -точният начин е да използвате осцилоскопа и да измерите честотната характеристика, но формулите са необходими и за изграждането на бобината. Можете също да използвате софтуер за симулация като JavaTC.

Формула 2 за плоска форма: L = [0,25*N^2*(D1+N*(W+S))^2]/[15*(D1+N*(W+S))+11*D1]

където N: брой завои, W: диаметър на проводника в инчове, S: разстояние между проводниците в инчове, D1: вътрешен диаметър в инчове

Входни данни за моята Tesla Coil:

Вътрешен радиус: 4,5 инча, 11,2 завъртания, 0,25 инча разстояние, диаметър на проводника = 6 мм, външен радиус = 7,898 инча.

L, използвайки Формула 2 = 0,03098 mH, от JavaTC = 0,03089 mH

Следователно, първична честота: f1 = 271,6 KHz (L = 0,03089 mH, C = 0,0111MFD)

Лабораторен опит (настройка на първична честота)

и получихме резонанс при 269-271KHz, който проверява изчислението, вижте фигурите.

Стъпка 6: Spark Gap

Функцията на искровия процеп е да затвори първичната LC верига, когато кондензаторът е достатъчно зареден, като по този начин позволява свободни трептения във веригата. Това е компонент от първостепенно значение в бобината на Тесла, тъй като честотата на затваряне/отваряне ще окаже значително влияние върху крайния изход.

Идеалната искрова междина трябва да се задейства точно когато напрежението в кондензатора е максимално и да се отвори отново точно когато падне до нула. Но това, разбира се, не е така в истинска искра, понякога не се задейства, когато трябва или продължава да се задейства, когато напрежението вече е намаляло;

За нашия проект използвахме статична искра с два сферични електрода (изградени с две дръжки на чекмеджетата), които проектирахме ръчно. Може да се регулира ръчно и чрез завъртане на сферичните глави.

Стъпка 7: Вторична верига

Бобина:

Функцията на вторичната намотка е да донесе индуктивен компонент във вторичната LC верига и да събере енергията на първичната намотка. Този индуктор е соленоид с въздушно осветление, обикновено имащ между 800 и 1500 плътно навити съседни завои. За да се изчисли броят на навитите завои, тази бърза формула ще избегне определена придирчива работа:

Тел габарит 24 = 0,05 см, PVC диаметър 4 инча, брой завои = 1100 кули, необходима височина = 1100 х 0,05 = 55 см = 21,6535 инча. => L = 20.853 mH

където H е височината на бобината и d диаметърът на използваната жица. Друг важен параметър е дължината l, която ни е необходима, за да направим цялата намотка.

L = µ*N^2*A/H. Където µ представлява магнитната пропускливост на средата (≈ 1,257 · 10−6 N/A^2 за въздух), N броят на завоите на соленоида, Н общата му височина, а А областта на завоя.

Най -високо зареждане:

Горното натоварване действа като горната "плоча" на кондензатора, образувана от горния товар и земята. Той добавя капацитет към вторичната LC верига и предлага повърхност, от която могат да се образуват дъги. Всъщност е възможно да се пусне намотка на Тесла без максимално натоварване, но показателите по отношение на дължината на дъгата често са лоши, тъй като по -голямата част от енергията се разсейва между вторичните завои на бобината, вместо да захранва искрите.

Тороиден капацитет 1 = ((1+ (0.2781 - Диаметър на пръстена ∕ (Общ диаметър))) × 2.8 × sqrt ((pi × (Общ диаметър × Диаметър на пръстена)) ∕ 4))

Тороиден капацитет 2 = (1.28 - Диаметър на пръстена ∕ Общ диаметър) × sqrt (2 × pi × Диаметър на пръстена × (Общ диаметър - Диаметър на пръстена))

Тороиден капацитет 3 = 4.43927641749 × ((0.5 × (Диаметър на пръстена × (Общ диаметър - Диаметър на пръстена))) ^0.5)

Среден тороиден капацитет = (Тороиден капацитет 1 + Тороиден капацитет 2 + Тороиден капацитет 3) ∕ 3

Така че за нашия тороид: вътрешен диаметър 4”, външен диаметър = 13”, на разстояние от края на вторичната намотка = 5 см.

С = 13,046 пф

Капацитет на вторичната намотка:

Вторичен капацитет (pf) = (0,29 × Височина на навиване на вторична тел + (0,41 × (Диаметър на вторичната форма ∕ 2)) + (1,94 × sqrt (((Диаметър на вторична форма ∕ 2) 3) ∕ Височина на навиване на вторична тел))

Csec = 8.2787 pF;

Също така е интересно да се знае (паразитният) капацитет на бобината. Тук формулата е сложна и в общия случай. Ще използваме стойността, получена от JAVATC ("Ефективен капацитет на шунта" без горния товар):

Cres = 6,8 pF

Следователно, за вторичната верига:

Ctot = 8.27+13.046 = 21.316pF

Lsec = 20.853 mH

Резултати от лабораторни експерименти:

Вижте снимките по -горе за процедурата на тестване и резултатите от тестването.

Стъпка 8: Настройка на резонанса

Настройката на първичната и вторичната верига на резонанс, те да споделят една и съща резонансна честота е от първостепенно значение за добрата работа.

Реакцията на RLC верига е най -силна, когато се задвижва на своята резонансна честота. При добра RLC верига интензитетът на реакция рязко пада, когато честотата на шофиране се отклони от резонансната стойност.

Нашата резонансна честота = 267,47 kHz.

Методи за настройка:

Настройката обикновено се извършва чрез регулиране на първичната индуктивност, просто защото това е най -лесният компонент за промяна. Тъй като този индуктор има широки обороти, е лесно да се промени неговата самоиндукция, като докоснете крайния конектор на определено място в спиралата.

Най-простият метод за постигане на тази корекция е чрез опит и грешка. За това човек започва да докосва първичната в точка, предполагаемо близка до резонансната, запалва бобината и оценява дължината на дъгата. След това спиралата се потупва на четвърт оборот напред/назад и човек преоценява резултата. След няколко опита можете да продължите с по -малки стъпки и накрая ще получите точката на докосване, където дължината на дъгата е най -голяма. Обикновено това потупване

точка наистина ще зададе първичната индуктивност, като и двете вериги са в резонанс.

По -прецизен метод би включвал анализ на индивидуалния отговор на двете вериги (в свързаната конфигурация, разбира се, т.е. без физическо разделяне на веригите) с генератор на сигнал и осцилоскоп.

Самите дъги могат да произвеждат допълнителен капацитет. Затова се препоръчва да се настрои първичната резонансна честота малко по -ниска от вторичната, за да се компенсира това. Това обаче се забелязва само при мощни намотки на Тесла (които могат да произвеждат дъги по -дълги от 1 м).

Стъпка 9: Напрежение при вторична искра

Законът на Пашен е уравнение, което дава пробивното напрежение, тоест напрежението, необходимо за стартиране на разряд или електрическа дъга, между два електрода в газ в зависимост от налягането и дължината на пролуката.

Без да се прави подробно изчисление по сложната формула, за нормални условия е необходимо 3.3MV за йонизиране на 1 м въздух между два електрода. В нашия случай имаме дъги около 10-13 см, така че ще бъде между 340KV и 440KV.

Стъпка 10: Рокля с клетка на Фарадей

Клетка Фарадей или щит на Фарадей е заграждение, използвано за блокиране на електромагнитни полета. Щитът на Фарадей може да бъде оформен от непрекъснато покритие от проводящ материал или в случай на клетка Фарадей от мрежа от такива материали.

Ние проектирахме четири слоя, заземени, носещи се фарадееви клетки, както е показано на снимката (използвани материали: алуминий, памук, кожа). Можете също да го тествате, като поставите мобилния си телефон вътре, той ще загуби сигнал или го поставите пред бобината на tesla и поставете няколко неонови лампи вътре в клетката, те няма да светят, тогава можете да го поставите и да опитате.

Стъпка 11: Приложения и препратки

Стъпка 12: Изграждане на първичната намотка

Стъпка 13: Тестване на NST

Стъпка 14: Изграждане на първичната намотка