Cewka Tesli z przerwą iskrową: 14 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:28

To jest samouczek, jak zbudować Spark Gap Tesla Coil z sukienką z klatki Faradaya.

Ten projekt zabrał mnie i mojemu zespołowi (3 uczniów) 16 dni roboczych, kosztuje około 500 USD, zapewniam, że nie zadziała za pierwszym razem:), najważniejsze jest to, że musisz zrozumieć całą teorię stojącą za i wiesz, jak radzić sobie z wybranymi przez Ciebie komponentami.

W tej instrukcji przeprowadzę cię przez całą teorię, koncepcje, formuły, krok po kroku budowanie wszystkich części. Jeśli chcesz zbudować mniejsze lub większe kręgi, koncepcja i formuły będą takie same.

Wymagania dla tego projektu:

- Wiedza z zakresu: Sprzęt elektryczny, elektroniczny, elektromagnetyczny i laboratoryjny

- Oscyloskop

- Transformator neonowy; 220V do 9kV

- Kondensatory wysokiego napięcia

- Kable miedziane lub rury miedziane

- Drewno do budowy podwozia

- Rura PVC do wężownicy wtórnej

- Elastyczna metalowa rura do Toroidu

- Mały wentylator elektryczny 220 V do iskiernika

- Aluminiowe papiery i siatka do sukienki w klatce Faradaya

- Przewody izolowane dla wtórnego

- Lampy neonowe

-Regulator napięcia, jeśli nie masz stabilnego 220VAC

- Połączenie z ziemią

- Dużo cierpliwości

Krok 1: Wprowadzenie do cewki Tesli z przerwami iskrowymi

Cewka Tesli to transformator rezonansowy zawierający pierwotny i wtórny obwód LC. Zaprojektowane przez wynalazcę Nikolę Teslę w 1891 roku, dwa obwody LC są ze sobą luźno połączone. Zasilanie jest dostarczane do obwodu pierwotnego przez transformator podwyższający napięcie, który ładuje kondensator. W końcu napięcie na kondensatorze wzrośnie wystarczająco, aby spowodować zwarcie iskiernika. Kondensator rozładuje się przez iskiernik do cewki pierwotnej. Energia będzie oscylować tam iz powrotem między kondensatorem pierwotnym a cewką indukcyjną cewki pierwotnej przy wysokich częstotliwościach (zwykle 50 kHz - 2 MHz). Cewka pierwotna jest połączona z cewką indukcyjną w obwodzie wtórnym, zwanym uzwojeniem wtórnym. Do górnej części uzwojenia wtórnego przymocowane jest górne obciążenie, które zapewnia pojemność wtórnego obwodu LC. Gdy obwód pierwotny oscyluje, moc jest indukowana w cewce wtórnej, gdzie napięcie jest wielokrotnie zwielokrotniane. Wokół górnego obciążenia i łuków wyładowań piorunowych rozwija się pole wysokiego napięcia i niskiego natężenia prądu, co daje słodki pokaz niesamowitości. Pierwotny i wtórny obwody LC muszą oscylować z tą samą częstotliwością, aby osiągnąć maksymalny transfer mocy. Obwody w cewce są zwykle „strojone” do tej samej częstotliwości poprzez regulację indukcyjności cewki pierwotnej. Cewki Tesli mogą wytwarzać napięcia wyjściowe od 50 kilowoltów do kilku milionów woltów dla dużych cewek.

Krok 2: Teoria

Ta sekcja obejmuje pełną teorię działania konwencjonalnej cewki Tesli. Rozważymy, że obwody pierwotny i wtórny są obwodami RLC o niskiej rezystancji, co jest zgodne z rzeczywistością.

Z wyżej wymienionych powodów rezystancja wewnętrzna elementu nie jest przedstawiona. Wymienimy również transformator z ograniczeniem prądowym. Nie ma to wpływu na czystą teorię.

Zauważ, że niektóre części obwodu wtórnego są narysowane liniami przerywanymi. Dzieje się tak, ponieważ nie są one bezpośrednio widoczne na aparacie. Jeśli chodzi o kondensator wtórny, zobaczymy, że jego pojemność jest faktycznie rozłożona, a górne obciążenie to tylko „jedna płytka” tego kondensatora. Jeśli chodzi o iskiernik wtórny, pokazano go na schemacie jako sposób reprezentowania miejsca występowania łuków.

Pierwszym etapem cyklu jest ładowanie kondensatora pierwotnego przez generator. Załóżmy, że jego częstotliwość wyniesie 50 Hz. Ponieważ generator (NST) jest ograniczony prądowo, pojemność kondensatora musi być starannie dobrana, aby był w pełni naładowany dokładnie w 1/100 sekundy. Rzeczywiście, napięcie generatora zmienia się dwa razy na okres, a w następnym cyklu ponownie naładuje kondensator z przeciwną polaryzacją, co nie zmienia absolutnie nic w działaniu cewki Tesli.

Gdy kondensator jest w pełni naładowany, iskiernik zapala się, a zatem zamyka obwód pierwotny. Znając intensywność przebicia pola elektrycznego powietrza, szerokość iskiernika musi być ustawiona tak, aby zapalał się dokładnie wtedy, gdy napięcie na kondensatorze osiągnie wartość szczytową. Tutaj kończy się rola generatora.

Mamy teraz w pełni obciążony kondensator w obwodzie LC. Prąd i napięcie będą zatem oscylować z częstotliwością rezonansową obwodów, jak zostało to wcześniej zademonstrowane. Częstotliwość ta jest bardzo wysoka w porównaniu z częstotliwością sieci, zwykle między 50 a 400 kHz.

Obwody pierwotny i wtórny są sprzężone magnetycznie. Oscylacje zachodzące w pierwotnym indukują zatem siłę elektromotoryczną w wtórnym. Gdy energia pierwotna jest zrzucana do wtórnego, amplituda oscylacji w pierwotnym będzie stopniowo zmniejszać się, podczas gdy wtórna będzie się wzmacniać. Ten transfer energii odbywa się poprzez indukcję magnetyczną. Stała sprzężenia k między dwoma obwodami jest celowo utrzymywana na niskim poziomie, zwykle między 0,05 a 0,2.

Oscylacje w uzwojeniu pierwotnym będą zatem działać trochę jak generator napięcia AC umieszczony szeregowo na obwodzie wtórnym.

Aby wytworzyć największe napięcie wyjściowe, pierwotne i wtórne obwody strojone są dostrajane do rezonansu ze sobą. Ponieważ obwód wtórny zwykle nie jest regulowany, zwykle odbywa się to za pomocą regulowanego zaczepu na uzwojeniu pierwotnym. Gdyby dwie cewki były oddzielne, częstotliwości rezonansowe obwodów pierwotnych i wtórnych byłyby określone przez indukcyjność i pojemność w każdym obwodzie

Krok 3: Rozkład pojemności w obwodzie wtórnym

Pojemność wtórna Cs jest bardzo ważna, aby cewka Tesli działała, pojemność cewki wtórnej jest niezbędna do obliczeń częstotliwości rezonansowej, jeśli nie weźmiesz pod uwagę wszystkich parametrów, nie zobaczysz iskry. Ta pojemność składa się z wielu składowych i jest trudna do obliczenia, ale przyjrzymy się jej głównym składnikom.

Obciążenie od góry - ziemia.

Największa część pojemności wtórnej pochodzi z górnego obciążenia. Rzeczywiście mamy kondensator, którego „płytkami” są górne obciążenie i masa. Zaskakujące może być to, że rzeczywiście jest to kondensator, ponieważ te płytki są połączone przez cewkę wtórną. Jednak jego impedancja jest dość wysoka, więc jest między nimi spora potencjalna różnica. Nazwiemy Ct tym wkładem.

Obroty uzwojenia wtórnego.

Drugi duży wkład pochodzi z uzwojenia wtórnego. Wykonany jest z wielu sąsiednich zwojów emaliowanego drutu miedzianego, dzięki czemu jego indukcyjność jest rozłożona na całej jego długości. Oznacza to, że istnieje niewielka różnica potencjałów między dwoma sąsiednimi turami. Mamy wtedy dwa przewodniki o różnym potencjale, oddzielone dielektrykiem, czyli kondensatorem. Właściwie na każdej parze przewodów znajduje się kondensator, ale jego pojemność maleje wraz z odległością, dlatego pojemność pomiędzy dwoma sąsiednimi zwojami można uznać za dobre przybliżenie.

Nazwijmy Cb całkowitą pojemność uzwojenia wtórnego.

Właściwie nie jest obowiązkowe ładowanie od góry cewki Tesli, ponieważ każda cewka wtórna będzie miała swoją własną pojemność. Jednak to górne obciążenie ma kluczowe znaczenie dla pięknych iskier.

Okoliczne obiekty będą miały dodatkową pojemność. Kondensator ten jest utworzony przez obciążenie górne z jednej strony i obiekty przewodzące (ściany, rury kanalizacyjne, meble itp.) z drugiej strony.

Kondensator tych czynników zewnętrznych nazwiemy Ce.

Ponieważ wszystkie te „kondensatory” są równoległe, całkowita pojemność obwodu wtórnego będzie wyrażona wzorem:

Cs = Ct + Cb + Ce

Krok 4: Koncepcja i budowa

W naszym przypadku zastosowaliśmy automatyczny regulator napięcia, aby utrzymać napięcie wejściowe dla NST na poziomie 220V

Zawiera wbudowany filtr sieciowy AC (YOKOMA ELECTRIC WORKS., LTD. W japonii-Model AVR-2)

Ten instrument można było znaleźć w aparatach rentgenowskich lub kupić bezpośrednio na rynku.

Transformator wysokiego napięcia jest najważniejszą częścią cewki aTesli. To po prostu transformator indukcyjny. Jego rolą jest ładowanie kondensatora pierwotnego na początku każdego cyklu. Oprócz mocy bardzo ważna jest jego wytrzymałość, ponieważ musi wytrzymać świetne warunki pracy (czasami konieczny jest filtr ochronny).

Transformator neonowy (NST), którego używamy do naszej cewki tesli, charakterystyki (wartości skuteczne) są następujące:

Vout = 9000 V, Iout = 30 mA

Prąd wyjściowy wynosi w rzeczywistości 25mA, 30mA to wartość szczytowa, która po uruchomieniu spada do 25mA.

Możemy teraz obliczyć jego moc P = V I, co będzie przydatne do ustalenia globalnych wymiarów cewki Tesli, a także przybliżenia długości jej iskier.

P = 225 W (dla 25 mA)

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

Krok 5: Obwód pierwotny

Kondensator:

Rolą kondensatora pierwotnego jest przechowywanie pewnej ilości ładunku na nadchodzący cykl, a także tworzenie obwodu LC wraz z cewką pierwotną.

Kondensator pierwotny składa się zwykle z kilkudziesięciu nasadek połączonych szeregowo/równolegle, tzw. Multi-Mini Capacitor (MMC)

Kondensator pierwotny jest używany z cewką pierwotną do tworzenia obwodu pierwotnego LC. Kondensator o rozmiarze rezonansowym może uszkodzić NST, dlatego zdecydowanie zaleca się użycie kondensatora o rozmiarze większym niż rezonans (LTR). Kondensator LTR dostarczy również najwięcej mocy przez cewkę Tesli. Różne szczeliny pierwotne (statyczne lub synchroniczne obrotowe) będą wymagały różnej wielkości kondensatorów pierwotnych.

Cres = Pierwotna pojemność rezonansowa (uF) = 1 ∕ (2 * π * Impedancja NST * NST Fin)=1/ (2*π*360 000 * 50) =8,8419nF

CLTR = Pierwotny większy niż rezonans (LTR) Pojemność statyczna (uF) = Pierwotna pojemność rezonansowa × 1,6

= 14,147nF

(może to nieznacznie różnić się od przybliżenia do innego, zalecanego współczynnika 1,6-1,8)

Użyliśmy kondensatorów 2000V 100nF, Nb= Cunit/Cequiv= 100nF/0,0119 uF= 9 kondensatorów. Tak więc dla dokładnie 9 czapek mamy Ceq= 0,0111uF= pojemność MMC.

Pomyśl o podłączeniu rezystorów dużej mocy, 10 MOhms równolegle do każdego kondensatora, dla bezpieczeństwa.

Indukcyjność:

Rolą pierwotnej cewki indukcyjnej jest generowanie pola magnetycznego, które jest wprowadzane do obwodu wtórnego, a także tworzenie obwodu LC z kondensatorem pierwotnym. Ten element musi być w stanie przenosić duży prąd bez nadmiernych strat.

Możliwe są różne geometrie cewki pierwotnej. W naszym przypadku zaadaptujemy płaską spiralę łukową jako cewkę pierwotną. Ta geometria naturalnie prowadzi do słabszego sprzężenia i zmniejsza ryzyko powstania łuku w uzwojeniu pierwotnym: dlatego jest preferowana w przypadku cewek o dużej mocy. Jest to jednak dość powszechne w cewkach o mniejszej mocy ze względu na łatwość konstrukcji. Zwiększenie sprzężenia jest możliwe poprzez obniżenie uzwojenia wtórnego do pierwotnego.

Niech W będzie szerokością spirali wyrażoną przez W = Rmax − Rmin, a R jej średnim promieniem, tj. R = (Rmax + Rmin)/2, oba wyrażone w centymetrach. Jeżeli cewka ma N zwojów, empiryczny wzór dający jej indukcyjność L w mikrohenrach jest następujący:

Lpłaskie =(0,374(NR)^2)/(8R+11W).

Dla kształtu spirali Jeśli nazwiemy R promieniem spirali, H jej wysokością (zarówno w centymetrach), a N liczbą zwojów, empiryczny wzór dający jej indukcyjność L w mikrohenrach ma postać: Lhelic =(0,374(NR)^2) /(9R+10H).

Jest wiele wzorów, które można wykorzystać i sprawdzić, dadzą zbliżone wyniki, najdokładniejszym sposobem jest użycie oscyloskopu i pomiar odpowiedzi częstotliwościowej, ale wzory są również niezbędne do budowy cewki. Możesz także użyć oprogramowania symulacyjnego, takiego jak JavaTC.

Wzór 2 dla kształtu płaskiego: L= [0.25*N^2*(D1+N*(W+S))^2]/[15*(D1+N*(W+S))+11*D1]

gdzie N: liczba zwojów, W: średnica drutu w calach, S: rozstaw drutów w calach, D1: średnica wewnętrzna w calach

Dane wejściowe mojej cewki Tesli:

Promień wewnętrzny: 4,5 cala, 11,2 obrotu, odstęp 0,25 cala, średnica drutu=6 mm, promień zewnętrzny= 7,898 cala.

L przy Formule 2=0,03098mH, z JavaTC=0,03089mH

Dlatego częstotliwość pierwotna: f1= 271,6 KHz (L=0,03089 mH, C=0,0111MFD)

Doświadczenie laboratoryjne (dostrajanie częstotliwości podstawowej)

i uzyskaliśmy rezonans przy 269-271 KHz, który weryfikuje obliczenia, patrz rysunki.

Krok 6: Iskiernik

Zadaniem iskiernika jest zamknięcie pierwotnego obwodu LC, gdy kondensator jest wystarczająco naładowany, umożliwiając w ten sposób swobodne oscylacje wewnątrz obwodu. Jest to element o pierwszorzędnym znaczeniu w cewce Tesli, ponieważ jej częstotliwość zamykania/otwierania będzie miała znaczny wpływ na końcową moc wyjściową.

Idealny iskiernik musi zadziałać tylko wtedy, gdy napięcie na kondensatorze jest maksymalne i ponownie otworzyć się, gdy spadnie do zera. Ale oczywiście tak nie jest w przypadku prawdziwego iskiernika, czasami nie zapala się, kiedy powinien lub nadal zapala, gdy napięcie już się zmniejszyło;

Do naszego projektu wykorzystaliśmy iskiernik statyczny z dwiema elektrodami sferycznymi (zbudowanymi z dwóch uchwytów szufladowych), który zaprojektowaliśmy ręcznie. Można go było również regulować ręcznie, również obracając kuliste głowice.

Krok 7: Obwód wtórny

Cewka:

Zadaniem uzwojenia wtórnego jest doprowadzenie elementu indukcyjnego do wtórnego obwodu LC i zbieranie energii uzwojenia pierwotnego. Ta cewka indukcyjna jest cewką powietrzną, zwykle mającą od 800 do 1500 ściśle nawiniętych sąsiednich zwojów. Aby obliczyć liczbę zwojów, które zostały nawinięte, ta szybka formuła pozwoli uniknąć pewnej żmudnej pracy:

Grubość drutu 24 = 0,05 cm, średnica PVC 4 cale, liczba zwojów = 1100 iglic, wymagana wysokość = 1100 x 0,05 = 55 cm = 21,6535 cali. => L= 20,853 mH

gdzie H jest wysokością cewki, a d średnicą użytego drutu. Kolejnym ważnym parametrem jest długość l potrzebna do wykonania całej cewki.

L=µ*N^2*A/H. Gdzie µ oznacza przenikalność magnetyczną ośrodka (≈ 1,257 · 10−6 N/A^2 dla powietrza), N liczbę zwojów elektrozaworu, H jego całkowitą wysokość, a A powierzchnię zwoju.

Obciążenie od góry:

Obciążenie górne działa jak górna „płyta” kondensatora utworzona przez obciążenie górne i masę. Zwiększa pojemność wtórnego obwodu LC i zapewnia powierzchnię, z której mogą tworzyć się łuki. W rzeczywistości możliwe jest uruchomienie cewki Tesli bez obciążenia od góry, ale osiągi pod względem długości łuku są często słabe, ponieważ większość energii jest rozpraszana między zwojami cewki wtórnej zamiast zasilać iskry.

Pojemność toroidu 1 = ((1+ (0,2781 − średnica pierścienia ∕ (średnica całkowita))) × 2,8 × sqrt ((pi × (średnica całkowita × średnica pierścienia)) ∕ 4))

Pojemność toroidu 2 = (1,28 − średnica pierścienia średnica całkowita) × sqrt (2 × pi × średnica pierścienia × (całkowita średnica − średnica pierścienia))

Pojemność toroidu 3 = 4,43927641749 × ((0,5 × (średnica pierścienia × (średnica całkowita − średnica pierścienia)))) ^0,5)

Średnia pojemność toroidu = (pojemność toroidu 1 + pojemność toroidu 2 + pojemność toroidu 3) ∕ 3

Czyli dla naszego toroidu: średnica wewnętrzna 4”, średnica zewnętrzna = 13”, odstęp od końca uzwojenia wtórnego = 5 cm.

C=13,046 pf

Pojemność cewki wtórnej:

Pojemność wtórna (pf)= (0.29 × Wysokość uzwojenia drutu wtórnego + (0.41 × (Średnica formy wtórnej ∕ 2)) + (1.94 × sqrt(((Średnica formy wtórnej ∕ 2) 3) ∕ Wysokość uzwojenia drutu wtórnego))

Csec= 8,2787 pF;

Interesujące jest również poznanie (pasożytniczej) pojemności cewki. Tutaj również wzór jest skomplikowany w ogólnym przypadku. Użyjemy wartości otrzymanej przez JAVATC („Efektywna pojemność bocznikowa” bez obciążenia od góry):

Cres = 6,8 pF

Dlatego dla obwodu wtórnego:

Ctot=8,27+13,046=21,316pF

Lsek=20,853mH

Wyniki eksperymentów laboratoryjnych:

Zobacz zdjęcia powyżej, aby zobaczyć procedurę testowania i wyniki testów.

Krok 8: Strojenie rezonansu

Ustawienie obwodów pierwotnych i wtórnych w rezonans, aby miały tę samą częstotliwość rezonansową, ma pierwszorzędne znaczenie dla dobrego działania.

Odpowiedź obwodu RLC jest najsilniejsza, gdy jest on napędzany przy jego częstotliwości rezonansowej. W dobrym obwodzie RLC intensywność odpowiedzi gwałtownie spada, gdy częstotliwość sterowania odbiega od wartości rezonansowej.

Nasza częstotliwość rezonansowa = 267,47 kHz.

Metody strojenia:

Strojenie odbywa się zazwyczaj poprzez regulację pierwotnej indukcyjności, po prostu dlatego, że jest to najłatwiejszy do zmodyfikowania komponent. Ponieważ induktor ten ma szerokie zwoje, łatwo jest zmodyfikować jego samoindukcyjność, dotykając końcowego złącza w określonym miejscu spirali.

Najprostszą metodą osiągnięcia tego dostosowania jest metoda prób i błędów. W tym celu zaczyna się dotykać uzwojenia pierwotnego w punkcie rzekomo zbliżonym do rezonansowego, zapala cewkę i ocenia długość łuku. Następnie spirala jest stukana o ćwierć obrotu do przodu/do tyłu i ponownie oceniamy wynik. Po kilku próbach można przejść do mniejszych kroków i w końcu uzyskać punkt zaczepienia, w którym długość łuku jest największa. Zwykle to stukanie

punkt rzeczywiście ustawi pierwotną indukcyjność, tak jak oba obwody są w rezonansie.

Dokładniejsza metoda polegałaby na analizie indywidualnej odpowiedzi obu obwodów (oczywiście w konfiguracji sprzężonej, czyli bez fizycznego rozdzielenia obwodów) za pomocą generatora sygnału i oscyloskopu.

Same łuki mogą wytworzyć dodatkową pojemność. Dlatego zaleca się ustawienie pierwotnej częstotliwości rezonansowej nieco niższej niż wtórnej, aby to skompensować. Jest to jednak zauważalne tylko w przypadku potężnych cewek Tesli (które mogą wytwarzać łuki dłuższe niż 1 m).

Krok 9: Napięcie przy wtórnym iskrze

Prawo Paschena to równanie, które podaje napięcie przebicia, czyli napięcie niezbędne do zainicjowania wyładowania lub łuku elektrycznego między dwiema elektrodami w gazie w funkcji ciśnienia i długości szczeliny.

Bez wchodzenia w szczegółowe obliczenia przy użyciu złożonego wzoru, w normalnych warunkach wymaga 3,3MV do jonizacji 1m powietrza między dwiema elektrodami. W naszym przypadku mamy łuki około 10-13cm, więc będzie między 340KV a 440KV.

Krok 10: Sukienka z klatki Faradaya

Klatka Faradaya lub tarcza Faradaya to obudowa służąca do blokowania pól elektromagnetycznych. Tarcza Faradaya może być utworzona przez ciągłe pokrycie materiału przewodzącego lub, w przypadku klatki Faradaya, przez siatkę z takich materiałów.

Zaprojektowaliśmy czterowarstwową, uziemioną, poręczną klatkę Faradaya, jak pokazano na zdjęciu (wykorzystane materiały: aluminium, bawełna, skóra). Możesz to przetestować również wkładając do środka telefon komórkowy, straci sygnał lub kładąc go przed cewką tesli i wkładając do klatki neony, nie będą świecić, wtedy możesz go założyć i wypróbować.

Krok 11: Załączniki i odniesienia

Krok 12: Budowa cewki pierwotnej

Krok 13: Testowanie NST

Krok 14: Budowa cewki pierwotnej