Твердотельные катушки Тесла и как они работают: 9 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:50

Электричество высокого напряжения может быть ОПАСНЫМ, всегда соблюдайте соответствующие меры безопасности при работе с катушками Тесла или любым другим высоковольтным устройством, так что перестраховывайтесь или не играйте.

Катушки Тесла - это трансформатор, работающий по принципу автогенератора, изобретенный Никола Тесла, американским ученым из Сербии. Он в основном используется для производства сверхвысокого напряжения, но с низким током и высокой частотой переменного тока. Катушка Тесла состоит из двух групп соединенных резонансных цепей, иногда соединенных трех групп. Никола Тесла перепробовал большое количество конфигураций различных катушек. Тесла использовал эти катушки для проведения экспериментов, таких как электрическое освещение, рентгеновское излучение, электротерапия и передача энергии радио, передача и прием радиосигналов.

Катушки Тесла действительно не сильно продвинулись с момента их изобретения. За исключением твердотельных компонентов, катушки Тесла не сильно изменились за более чем 100 лет. В основном это связано с образованием и игрушками науки, и почти каждый может купить комплект онлайн и построить катушку Тесла.

Это руководство посвящено созданию собственной твердотельной катушки Тесла, принципам ее работы, а также советам и рекомендациям по устранению любых проблем на этом пути.

Запасы

Источник питания на 12 вольт, который я использовал для SMP, был 12 вольт 4 ампера.

Torus Клей для крепления вторичной обмотки.

Термосиликоновая смазка для крепления транзистора к радиатору.

Припой

Инструменты для сборки комплекта, паяльник и бокорезы.

Мультиметр

Осциллограф

Шаг 1: Электромагнит

Чтобы понять катушки и трансформаторы Тесла, вам нужно разбираться в электромагнитах. Когда к проводнику прикладывается ток (красная стрелка), он создает магнитное поле вокруг проводника. (Синие стрелки) Чтобы предсказать направление потока магнитных полей, используйте правило правой руки. Положите руку на проводник, указав большим пальцем в направлении тока, а пальцы - в направлении потока магнитного поля.

Когда вы наматываете проводник на черный металл, такой как сталь или железо, магнитные поля спирального проводника сливаются и выравниваются, это называется электромагнитом. Магнитное поле распространяется от центра катушки, выходит из одного конца электромагнита вокруг внешней стороны катушки и на противоположном конце обратно к центру катушки.

У магнитов есть северный и южный полюс, чтобы предсказать, какой конец является северным или южным полюсом в катушке, вы снова используете правило правой руки. Только на этот раз, держа правую руку на катушке, направьте пальцы в направлении тока, протекающего в свернутом проводнике. (Красные стрелки) Большой палец правой руки должен указывать прямо вдоль катушки, он должен указывать на северный конец магнита.

Шаг 2: Как работают трансформаторы

То, как флуктуирующий ток в первичной катушке создает ток во вторичной катушке беспроводной связи, называется законом Ленца.

Википедия

Все катушки в трансформаторе должны быть намотаны в одном направлении.

Катушка будет сопротивляться изменению магнитного поля; поле, поэтому, когда к первичной катушке подается переменный или пульсирующий ток, он создает флуктуирующее магнитное поле в первичной катушке.

Когда флуктуирующее магнитное поле достигает вторичной катушки, оно создает противоположное магнитное поле и противоположный ток во вторичной катушке.

Вы можете использовать правило правой руки для первичной обмотки и вторичной обмотки, чтобы предсказать выход вторичной обмотки.

В зависимости от количества витков на первичной катушке и количества витков на вторичной обмотке напряжение изменяется на более высокое или более низкое напряжение.

Если вам трудно следить за положительным и отрицательным полюсом вторичной обмотки; думайте о вторичной катушке как об источнике питания или о батарее, на которую выходит энергия, а о первичной обмотке как о нагрузке, на которую потребляется энергия.

Катушки Тесла - это трансформаторы с воздушным сердечником, магнитные поля и ток работают так же, как трансформаторы с железным или ферритовым сердечником.

Шаг 3. Обмотка

Хотя на схеме он не изображен; более высокая вторичная катушка катушки Тесла находится внутри более короткой первичной катушки, эта установка называется автогенератором.

Получите правильную обмотку; первичная и вторичная обмотки должны быть намотаны в одном направлении. Неважно, наматываете ли вы катушки правым или левым скручиванием, если обе катушки намотаны в одном направлении.

При намотке вторичной обмотки убедитесь, что ваши обмотки не перекрываются, или это может привести к короткому замыканию во вторичной обмотке.

Перекрестная намотка катушек может привести к тому, что обратная связь от вторичной обмотки, связанной с базой транзистора или затвором МОП-транзистора, будет иметь неправильную полярность, и это может предотвратить колебания схемы.

Положительные и отрицательные выводы первичной обмотки подвержены скручиванию обмотки. Используйте правило правой руки на первичной катушке. Убедитесь, что северный полюс первичной катушки направлен в сторону верхней части вторичной катушки.

Поперечное соединение первичной обмотки может привести к тому, что обратная связь от вторичной обмотки, связанной с базой транзистора или затвором МОП-транзистора, будет иметь неправильную полярность, и это может предотвратить колебания схемы.

Пока катушки намотаны в одном направлении; отказ от колебаний в перекрестном соединении первичной катушки в большинстве случаев легко исправить, просто поменяйте местами выводы первичной катушки.

Шаг 4: Как работает твердотельная катушка Тесла

Базовая твердотельная катушка Тесла может состоять всего из пяти частей.

Источник питания; на этой схеме аккумулятор.

Резистор; в зависимости от транзистора 1/4 Вт 10 кОм и выше.

Транзистор NPN с радиатором, транзистор в этих схемах имеет тенденцию к нагреванию.

Первичная обмотка из 2 или более витков намотана в том же направлении, что и вторичная обмотка.

Вторичная катушка до 1000 витков или более 41 AWG намотана в том же направлении, что и первичная.

Шаг 1. Когда питание впервые подается на базовую твердотельную катушку Тесла, транзистор в цепи открыт или выключен. Мощность проходит через резистор к базе транзистора, закрывая транзистор, включая его, позволяя току течь через первичную катушку. Изменение тока не является мгновенным, требуется короткое время, чтобы ток изменился от нулевого до максимального, это называется временем нарастания.

Шаг 2. При этом магнитное поле в катушке изменяется от нуля до некоторой напряженности поля. В то время как магнитное поле в первичной катушке увеличивается, вторичная катушка сопротивляется изменению, создавая противоположное магнитное поле и противоположный ток во вторичной катушке.

Шаг 3. Вторичная катушка связана с базой транзистора, поэтому ток во вторичной катушке (обратная связь) будет отводить ток от базы транзистора. Это откроет транзистор, отключив ток в первичной катушке. Как и время нарастания, текущее изменение не происходит мгновенно. Требуется короткое время, чтобы ток и магнитное поле перешли от максимального значения к нулю, это называется временем спада.

Затем вернитесь к шагу 1.

Этот тип контура называется саморегулирующимся колебательным контуром или резонансным генератором. Частота этого типа генератора ограничена временем задержки схемы и транзистора или МОП-транзистора. (Время подъема, время падения и время плато)

Шаг 5: эффективность

Эта схема не очень эффективна, генерируя прямоугольную волну, первичная катушка производит ток во вторичной катушке только во время перехода магнитных полей от нулевой напряженности поля к полной напряженности поля и обратно к нулевой напряженности поля, что называется временем нарастания и время падения. Между временем нарастания и временем спада есть плато с закрытым или включенным транзистором и открытым или выключенным транзистором. Когда транзистор выключен, плато не использует ток, однако, когда транзистор находится на плато, он расходует ток на нагрев транзистора.

Вы можете использовать самый быстрый из возможных транзисторов переключения. С более высокими частотами магнитное поле может переходить больше, чем выходить на плато, что делает катушку Тесла более эффективной. Однако это не остановит нагрев транзистора.

Добавление 3-вольтового светодиода к базе транзистора увеличивает время нарастания и спада, благодаря чему транзисторы действуют скорее как треугольник, чем прямоугольный.

Есть еще две вещи, которые вы можете сделать, чтобы предотвратить перегрев транзистора. Вы можете использовать радиатор для отвода лишнего тепла. Вы можете использовать транзистор высокой мощности, чтобы не перегружать транзистор.

Шаг 6: мини-катушка Тесла

Я купил эту 12-вольтовую катушку Mini Tesla Coil в интернет-магазине.

В комплект входит:

1 х ПВХ доска

1 х монолитный конденсатор 1 нФ

1 резистор 10 кОм

1 резистор 1 кОм

1 x розетка питания 12 В

1 х радиатор

1 х транзистор BD243C

1 х вторичная катушка 333 витка

1 x крепежный винт

2 х светодиод

1 х неоновая лампа

В комплект не входят:

Источник питания на 12 вольт, который я использовал для SMP, был 12 вольт 4 ампера.

Тор

Клей для крепления вторичной обмотки.

Термосиликоновая смазка для крепления транзистора к радиатору.

Припой

Шаг 7: Тестирование

После сборки Mini Tesla Coil я протестировал ее на неоновой лампе, CFL (компактный люминесцентный свет) и люминесцентной лампе. Ковчег был маленьким, и пока я помещал его в пределах 1/4 дюйма, он освещал все, что я пробовал.

Транзистор сильно нагревается, поэтому не касайтесь радиатора. Катушка Тесла на 12 В не должна сильно нагревать 65-ваттный транзистор, если вы не приблизитесь к максимальным параметрам транзистора.

Шаг 8: потребление энергии

Транзистор BD243C представляет собой транзистор NPN, 65 Вт, 100 В, 6 А, 3 МГц, при 12 В он не должен потреблять более 5,4 А, но не более 65 Вт.

Когда я проверил ток при запуске, он был 1 ампер, после минуты работы ток упал до 0,75 ампер. При 12 В, что делает рабочую мощность от 9 до 12 Вт, что намного ниже 65 Вт, на которые рассчитан транзистор.

Когда я проверил время нарастания и спада транзисторов, я получил треугольную волну, которая почти всегда находится в движении, что делает эту схему очень эффективной.

Шаг 9: Верхняя нагрузка

Верхние нагрузки позволяют заряду накапливаться, а не просто улетучиваться в воздух, обеспечивая большую выходную мощность.

Без верхней нагрузки заряды собираются на заостренных концах провода и уносятся в воздух.

Лучшие верхние нагрузки - круглые, как тор или сферы, чтобы не было точек, истекающих от заряда в воздух.

Свою верхнюю нагрузку я сделал из мяча, который вытащил из мыши, и накрыл его алюминиевой фольгой, он не был идеально гладким, но работал хорошо. Теперь я могу зажечь КЛЛ на расстоянии до дюйма.