Катушка Тесла с искровым зазором: 14 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:49

Это руководство о том, как построить катушку Тесла с искровым зазором с клеткой Фарадея.

Этот проект занял у меня и моей команды (3 студента) 16 рабочих дней, он стоит около 500 долларов США, уверяю вас, что он не сработает с первого раза:), самое главное, вы должны понимать всю теорию, лежащую в основе и знать, как обращаться с выбранными вами компонентами.

В этом руководстве я познакомлю вас со всей лежащей в основе теорией, концепциями, формулами и пошагово построю все части. Если вы хотите построить катушки большего или меньшего размера, концепция и формулы будут такими же.

Требования к этому проекту:

- Знания в области: электротехники, электроники, электромагнитного и лабораторного оборудования.

- Осциллограф

- Трансформатор Neon Sign; От 220 В до 9 кВ

- Конденсаторы высокого напряжения

- Медные кабели или медные трубы

- Дерево для постройки шасси

- труба ПВХ для вторичного змеевика

- Гибкая металлическая труба для Тороида

- Небольшой электровентилятор 220 В для искрового разрядника

- Алюминиевая бумага и сетка для платья клетки Фарадея.

- изолированные провода для вторичной обмотки

- неоновые лампы

- Регулятор напряжения, если у вас нет стабильного 220VAC

- Подключение к земле

- много терпения

Шаг 1: Знакомство с катушкой Тесла с искровым зазором

Катушка Тесла - это резонансный трансформатор, содержащий первичный и вторичный LC-контур. Две схемы LC, разработанные изобретателем Никой Тесла в 1891 году, слабо связаны друг с другом. Питание первичной цепи подается через повышающий трансформатор, который заряжает конденсатор. В конце концов, напряжение на конденсаторе увеличится настолько, что приведет к короткому замыканию искрового промежутка. Конденсатор разряжается через искровой разрядник в первичную обмотку. Энергия будет колебаться между первичным конденсатором и индуктором первичной катушки на высоких частотах (обычно 50 кГц - 2 МГц). Первичная катушка соединена с катушкой индуктивности вторичной цепи, называемой вторичной катушкой. К верхней части вторичной катушки прикреплена верхняя нагрузка, которая обеспечивает емкость для вторичной LC-цепи. Когда первичный контур колеблется, мощность индуцируется во вторичной катушке, где напряжение увеличивается во много раз. Вокруг верхней нагрузки и дуги разряда молнии возникает поле высокого напряжения и слабого тока, что является прекрасным проявлением великолепия. Первичный и вторичный LC-контуры должны колебаться с одинаковой частотой для достижения максимальной передачи мощности. Цепи в катушке обычно «настраиваются» на ту же частоту, регулируя индуктивность первичной катушки. Катушки Тесла могут создавать выходное напряжение от 50 киловольт до нескольких миллионов вольт для больших катушек.

Шаг 2: теория

Этот раздел должен охватывать полную теорию работы обычной катушки Тесла. Будем считать, что первичная и вторичная цепи представляют собой цепи RLC с низким сопротивлением, что соответствует действительности.

По вышеупомянутым причинам внутреннее сопротивление компонента не отображается. Мы также заменим трансформатор с ограничением тока. Это не имеет никакого отношения к чистой теории.

Обратите внимание, что некоторые части вторичной цепи нарисованы пунктирными линиями. Это связано с тем, что они не видны непосредственно на устройстве. Что касается вторичного конденсатора, мы увидим, что его емкость фактически распределена, причем верхняя нагрузка представляет собой только «одну пластину» этого конденсатора. Что касается вторичного искрового промежутка, он показан на схеме как способ обозначить место возникновения дуги.

Этот первый этап цикла - это зарядка первичного конденсатора генератором. Предположим, его частота составляет 50 Гц. Поскольку генератор (NST) ограничен по току, емкость конденсатора необходимо тщательно выбирать, чтобы он полностью зарядился ровно за 1/100 секунды. Действительно, напряжение генератора меняется дважды за период, и в следующем цикле он перезарядит конденсатор с противоположной полярностью, что абсолютно ничего не меняет в работе катушки Тесла.

Когда конденсатор полностью заряжен, искровой разрядник срабатывает и, следовательно, замыкает первичную цепь. Зная интенсивность электрического поля пробоя воздуха, ширину искрового промежутка необходимо установить так, чтобы он срабатывал именно тогда, когда напряжение на конденсаторе достигает своего пикового значения. На этом роль генератора заканчивается.

Теперь у нас есть полностью загруженный конденсатор в цепи LC. Таким образом, ток и напряжение будут колебаться на резонансной частоте контура, как это было продемонстрировано ранее. Эта частота очень высока по сравнению с частотой сети, обычно от 50 до 400 кГц.

Первичная и вторичная цепи имеют магнитную связь. Таким образом, колебания, происходящие в первичной обмотке, будут вызывать электродвижущую силу во вторичной обмотке. По мере того, как энергия первичной обмотки переходит во вторичную, амплитуда колебаний первичной обмотки будет постепенно уменьшаться, в то время как колебания вторичной обмотки будут усиливаться. Эта передача энергии осуществляется за счет магнитной индукции. Константа связи k между двумя цепями целенаправленно поддерживается низкой, обычно между 0,05 и 0,2.

Таким образом, колебания в первичной обмотке будут действовать как генератор переменного напряжения, включенный последовательно во вторичную цепь.

Для получения максимального выходного напряжения первичная и вторичная настроенные цепи настроены так, чтобы резонировать друг с другом. Поскольку вторичный контур обычно не регулируется, это обычно делается с помощью регулируемого отвода на первичной обмотке. Если бы две катушки были отдельными, резонансные частоты первичной и вторичной цепей определялись бы индуктивностью и емкостью в каждой цепи.

Шаг 3: Распределение емкости во вторичной цепи

Вторичная емкость Cs действительно важна для работы катушки Тесла, емкость вторичной катушки необходима для расчета резонансной частоты, если вы не учитываете все параметры, вы не увидите искры. Эта емкость состоит из множества составляющих, и ее трудно вычислить, но мы рассмотрим ее основные компоненты.

Верхняя нагрузка - Земля.

Наибольшая доля вторичной емкости приходится на верхнюю нагрузку. Действительно, у нас есть конденсатор, «пластинами» которого являются верхняя нагрузка и земля. Может показаться удивительным, что это действительно конденсатор, поскольку эти пластины соединены через вторичную катушку. Однако его импеданс довольно высок, так что на самом деле между ними существует значительная разница потенциалов. Назовем этот вклад Ct.

Обороты вторичной обмотки.

Другой большой вклад вносит вторичная обмотка. Он состоит из множества смежных витков эмалированного медного провода, поэтому его индуктивность распределена по его длине. Это означает, что между двумя соседними витками есть небольшая разница потенциалов. Тогда у нас есть два проводника с разным потенциалом, разделенные диэлектриком: другими словами, конденсатором. На самом деле, в каждой паре проводов есть конденсатор, но его емкость уменьшается с расстоянием, поэтому в хорошем приближении можно рассматривать емкость только между двумя соседними витками.

Назовем Cb полной емкостью вторичной обмотки.

На самом деле, не обязательно иметь максимальную нагрузку на катушку Тесла, поскольку каждая вторичная катушка будет обладать своей собственной мощностью. Однако для получения красивых искр крайне важна максимальная нагрузка.

Будет дополнительная емкость от окружающих предметов. Этот конденсатор образован верхней нагрузкой с одной стороны и проводящими объектами (стены, водопроводные трубы, мебель и т. Д.) С другой стороны.

Назовем конденсатор этих внешних факторов Се.

Поскольку все эти «конденсаторы» подключены параллельно, общая емкость вторичной цепи будет определяться следующим образом:

Cs = Ct + Cb + Ce

Шаг 4: зачатие и построение

В нашем случае мы использовали автоматический регулятор напряжения, чтобы поддерживать входное напряжение для NST на уровне 220 В.

И он содержит встроенный сетевой фильтр переменного тока (YOKOMA ELECTRIC WORKS., LTD. В Японии - модель AVR-2).

Этот инструмент можно было найти в рентгеновских аппаратах или купить прямо на рынке.

Трансформатор высокого напряжения - самая важная часть катушки Тесла. Это просто индукционный трансформатор. Его роль заключается в зарядке первичного конденсатора в начале каждого цикла. Помимо мощности, очень важна его надежность, поскольку он должен выдерживать ужасные условия эксплуатации (иногда требуется защитный фильтр).

Трансформатор неоновых вывесок (NST), который мы используем для нашей катушки Тесла, имеет следующие характеристики (среднеквадратичные значения):

Vout = 9000 В, Iout = 30 мА

Фактически, выходной ток составляет 25 мА, 30 мА - это пик, который падает до 25 мА после запуска.

Теперь мы можем вычислить его мощность P = V I, что будет полезно для установки общих размеров катушки Тесла, а также для приблизительного представления о длине ее искры.

P = 225 Вт (для 25 мА)

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

Шаг 5: Первичный контур

Конденсатор:

Роль первичного конденсатора заключается в хранении определенного количества заряда для предстоящего цикла, а также в формировании LC-цепи вместе с первичной катушкой индуктивности.

Первичный конденсатор обычно состоит из нескольких десятков конденсаторов, соединенных последовательно / параллельно, и называется мульти-мини-конденсатором (MMC).

Первичный конденсатор используется с первичной катушкой для создания первичной LC-цепи. Конденсатор резонансного размера может повредить NST, поэтому настоятельно рекомендуется использовать конденсатор большего размера (LTR). Конденсатор LTR также обеспечивает большую мощность через катушку Тесла. Различные первичные зазоры (статические или синхронные вращающиеся) потребуют первичных конденсаторов разного размера.

Cres = Емкость первичного резонатора (мкФ) = 1 (2 * π * Импеданс NST * NST Fin) = 1 / (2 * π * 360 000 * 50) = 8,8419 нФ

CLTR = первичная сверхрезонансная (LTR) статическая емкость (мкФ) = первичная резонансная емкость × 1,6

= 14,147 нФ

(это может немного отличаться от приближения к другому, рекомендуемый коэффициент 1,6-1,8)

Мы использовали конденсаторы 2000 В 100 нФ, Nb = Cunit / Cequiv = 100nF / 0,0119 мкФ = 9 конденсаторов. Таким образом, ровно для 9 конденсаторов мы имеем Ceq = 0,0111 мкФ = емкость MMC.

Подумайте о подключении резисторов большой мощности, 10 МОм, параллельно каждому конденсатору в целях безопасности.

Индуктивность:

Роль первичной катушки индуктивности заключается в создании магнитного поля, которое вводится во вторичную цепь, а также в формировании LC-цепи с первичным конденсатором. Этот компонент должен быть способен передавать большой ток без чрезмерных потерь.

Возможна различная геометрия первичной обмотки. В нашем случае мы адаптируем плоскую архимедовую спираль в качестве первичной катушки. Такая геометрия, естественно, приводит к более слабой связи и снижает риск возникновения дуги в первичной обмотке: поэтому она предпочтительна для мощных катушек. Однако это довольно распространено в катушках малой мощности из-за простоты конструкции. Увеличить связь можно, опустив вторичную обмотку в первичную.

Пусть W - ширина спирали, определяемая как W = Rmax - Rmin, а R - ее средний радиус, то есть R = (Rmax + Rmin) / 2, оба выражены в сантиметрах. Если катушка имеет N витков, эмпирическая формула, определяющая ее индуктивность L в микрогенри, следующая:

Lflat = (0,374 (NR) ^ 2) / (8R + 11W).

Для спиральной формы Если мы назовем R радиусом спирали, H - ее высотой (как в сантиметрах), а N - ее количеством витков, эмпирическая формула, дающая индуктивность L в микрогенри, будет: Lhelic = (0,374 (NR) ^ 2) / (9R + 10H).

Это множество формул, которые вы можете использовать и проверить, они дадут близкие результаты, наиболее точный способ - использовать осциллограф и измерить частотную характеристику, но формулы также необходимы для построения катушки. Вы также можете использовать программное обеспечение для моделирования, например JavaTC.

Формула 2 для плоской формы: L = [0,25 * N ^ 2 * (D1 + N * (W + S)) ^ 2] / [15 * (D1 + N * (W + S)) + 11 * D1]

где N: количество витков, W: диаметр проволоки в дюймах, S: расстояние между проволоками в дюймах, D1: внутренний диаметр в дюймах

Входные данные моей катушки Тесла:

Внутренний радиус: 4,5 дюйма, 11,2 витка, расстояние 0,25 дюйма, диаметр провода = 6 мм, внешний радиус = 7,898 дюйма.

L по формуле 2 = 0,03098 мГн, из JavaTC = 0,03089 мГн

Следовательно, основная частота: f1 = 271,6 кГц (L = 0,03089 мГн, C = 0,0111MFD).

Лабораторный опыт (первичная настройка частоты)

и мы получили резонанс на частоте 269–271 кГц, что подтверждает расчет, см. рисунки.

Шаг 6: искровой разряд

Функция искрового промежутка заключается в том, чтобы замкнуть первичную LC-цепь, когда конденсатор достаточно заряжен, тем самым допуская свободные колебания внутри цепи. Это компонент первостепенной важности в катушке Тесла, потому что его частота закрытия / открытия будет иметь значительное влияние на конечный выходной сигнал.

Идеальный искровой разрядник должен срабатывать, когда напряжение на конденсаторе максимальное, и открываться снова, когда оно падает до нуля. Но это, конечно, не так в случае настоящего искрового разрядника, он иногда не срабатывает, когда должен, или продолжает срабатывать, когда напряжение уже уменьшилось;

В нашем проекте мы использовали статический искровой разрядник с двумя сферическими электродами (с двумя ручками для выдвижных ящиков), который мы разработали вручную. И это можно было отрегулировать вручную, также вращая сферические головки.

Шаг 7: Вторичный контур

Катушка:

Функция вторичной катушки состоит в том, чтобы подводить индуктивный компонент к вторичной LC-цепи и собирать энергию первичной катушки. Этот индуктор представляет собой соленоид с воздушным сердечником, обычно имеющий от 800 до 1500 тесно намотанных соседних витков. Чтобы подсчитать количество намотанных витков, эта быстрая формула позволит избежать определенной кропотливой работы:

Калибр провода 24 = 0,05 см, диаметр ПВХ 4 дюйма, количество витков = 1100 шпилей, необходимая высота = 1100 x 0,05 = 55 см = 21,6535 дюйма. => L = 20,853 мГн

где H - высота катушки, а d - диаметр используемой проволоки. Еще один важный параметр - длина l, необходимая для изготовления всей катушки.

L = µ * N ^ 2 * A / H. Где µ представляет собой магнитную проницаемость среды (≈ 1,257 · 10−6 N / A ^ 2 для воздуха), N - количество витков соленоида, H - его общая высота, а A - площадь витка.

Верхняя нагрузка:

Верхняя нагрузка действует как верхняя «пластина» конденсатора, образованная верхней нагрузкой и землей. Он увеличивает емкость вторичного LC-контура и обеспечивает поверхность, на которой могут образовываться дуги. На самом деле можно запустить катушку Тесла без максимальной нагрузки, но характеристики с точки зрения длины дуги часто плохие, так как большая часть энергии рассеивается между витками вторичной катушки вместо подачи искры.

Емкость тороида 1 = ((1+ (0,2781 - диаметр кольца ∕ (общий диаметр))) × 2,8 × sqrt ((pi × (общий диаметр × диаметр кольца)) ∕ 4))

Емкость тороида 2 = (1,28 - диаметр кольца ∕ общий диаметр) × sqrt (2 × pi × диаметр кольца × (общий диаметр - диаметр кольца))

Емкость тороида 3 = 4,43927641749 × ((0,5 × (диаметр кольца × (общий диаметр - диаметр кольца))) ^ 0,5)

Средняя емкость тороида = (емкость тороида 1 + емкость тороида 2 + емкость тороида 3) ∕ 3

Итак, для нашего тороида: внутренний диаметр 4 дюйма, внешний диаметр = 13 дюймов, расстояние от конца вторичной обмотки = 5 см.

C = 13,046 пФ

Емкость вторичной катушки:

Вторичная емкость (пФ) = (0,29 × Высота намотки вторичного провода + (0,41 × (Диаметр вторичной формы 2)) + (1,94 × sqrt (((Диаметр вторичной формы 2) 3) ∕ Высота намотки вторичного провода))

Csec = 8,2787 пФ;

Также интересно знать (паразитную) емкость катушки. Здесь также формула усложняется в общем случае. Мы будем использовать значение, полученное с помощью JAVATC («Эффективная шунтирующая емкость» без верхней нагрузки):

Cres = 6,8 пФ

Следовательно, для вторичной цепи:

Cобщ = 8,27 + 13,046 = 21,316 пФ

Lsec = 20,853 мГн

Результаты лабораторных экспериментов:

См. Рисунки вверху для ознакомления с процедурой тестирования и результатами тестирования.

Шаг 8: настройка резонанса

Настройка первичного и вторичного контуров в резонанс, чтобы они имели одинаковую резонансную частоту, имеет первостепенное значение для хорошей работы.

Отклик цепи RLC является наиболее сильным при работе на ее резонансной частоте. В хорошей схеме RLC интенсивность отклика резко падает, когда частота возбуждения отклоняется от резонансного значения.

Наша резонансная частота = 267,47 кГц.

Методы настройки:

Настройка обычно выполняется путем регулировки индуктивности первичной обмотки просто потому, что это самый простой для модификации компонент. Поскольку этот индуктор имеет широкие витки, его самоиндуктивность легко изменить, нажав на последний разъем в определенном месте спирали.

Самый простой способ добиться этой регулировки - методом проб и ошибок. Для этого начинают отводить первичную обмотку в точке, предположительно близкой к резонансной, зажигают катушку и оценивают длину дуги. Затем прокручивают спираль на четверть оборота вперед / назад и повторно оценивают результат. После нескольких попыток можно переходить к меньшим шагам и, наконец, получить точку отвода, где длина дуги наибольшая. Обычно это нажатие

точка действительно установит первичную индуктивность, так как обе цепи находятся в резонансе.

Более точный метод включал бы анализ индивидуального отклика обеих цепей (конечно, в связанной конфигурации, то есть без физического разделения цепей) с помощью генератора сигналов и осциллографа.

Сами по себе дуги могут создавать дополнительную емкость. Поэтому рекомендуется установить первичную резонансную частоту немного ниже вторичной, чтобы это компенсировать. Однако это заметно только с мощными катушками Тесла (которые могут создавать дуги длиной более 1 м).

Шаг 9: напряжение на вторичной искре

Закон Пашена - это уравнение, которое дает напряжение пробоя, то есть напряжение, необходимое для начала разряда или электрической дуги между двумя электродами в газе, как функцию давления и длины зазора.

Не вдаваясь в подробный расчет с использованием сложной формулы, для нормальных условий требуется 3,3 мВ для ионизации 1 м воздуха между двумя электродами. В нашем случае у нас есть дуги около 10-13 см, поэтому они будут между 340 кВ и 440 кВ.

Шаг 10: платье клетки Фарадея

Клетка Фарадея или щит Фарадея - это ограждение, используемое для блокировки электромагнитных полей. Экран Фарадея может быть образован сплошным покрытием из проводящего материала или, в случае клетки Фарадея, сеткой из таких материалов.

Мы разработали четырехслойную заземленную пригодную для носки клетку Фарадея, как показано на рисунке (используемые материалы: алюминий, хлопок, кожа). Вы также можете проверить это, поместив свой мобильный телефон внутрь, он потеряет сигнал, или поместив его перед катушкой Тесла и поместив несколько неоновых ламп внутри клетки, они не загорятся, тогда вы можете надеть его и попробовать.

Шаг 11: Приложения и ссылки

Шаг 12: Создание первичной катушки

Шаг 13: Тестирование NST

Шаг 14: Создание первичной катушки