Półprzewodnikowe cewki Tesli i sposób ich działania: 9 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:29

Elektryczność o wysokim napięciu może być NIEBEZPIECZNA, zawsze stosuj odpowiednie środki ostrożności podczas pracy z cewkami Tesli lub jakimkolwiek innym urządzeniem wysokiego napięcia, więc graj bezpiecznie lub nie baw się.

Cewki Tesli to transformator działający na zasadzie samorezonującego oscylatora, wynaleziony przez Nicola Teslę, amerykańskiego naukowca z Serbii. Stosowany jest głównie do wytwarzania prądu przemiennego o bardzo wysokim napięciu, ale o niskim prądzie i wysokiej częstotliwości. Cewka Tesli składa się z dwóch połączonych grup obwodów rezonansowych, czasami z trzech połączonych grup. Nicola Tesla wypróbował dużą liczbę konfiguracji różnych cewek. Tesla używał tych cewek do przeprowadzania eksperymentów, takich jak oświetlenie elektryczne, promieniowanie rentgenowskie, elektroterapia i transmisja energii radiowej, nadawanie i odbieranie sygnałów radiowych.

Od czasu ich wynalezienia nie nastąpił duży postęp w cewkach Tesli. Poza komponentami półprzewodnikowymi cewki Tesli niewiele się zmieniły od ponad 100 lat. Przeważnie zdegradowany do edukacji i zabawek naukowych, prawie każdy może kupić zestaw online i zbudować cewkę Tesli.

Ta instrukcja dotyczy budowania własnej cewki Tesli, sposobu jej działania oraz wskazówek i wskazówek, które pomogą rozwiązać wszelkie problemy po drodze.

Kieszonkowe dzieci

Zasilanie 12-woltowe źródło SMP, którego użyłem, było 12-woltowe 4 ampery.

Klej Torus do montażu wężownicy wtórnej.

Smar silikonowy termiczny do montażu tranzystora na radiatorze.

Lutować

Narzędzia do montażu zestawu, lutownica i noże boczne.

Multimetr

Oscyloskop

Krok 1: Elektromagnes

Aby zrozumieć cewki i transformatory Tesli, musisz zrozumieć elektromagnesy. Kiedy prąd (czerwona strzałka) jest przyłożony do przewodnika, wytwarza pole magnetyczne wokół przewodnika. (Niebieskie strzałki) Aby przewidzieć kierunek przepływu pól magnetycznych, użyj reguły prawej ręki. Połóż rękę na przewodniku z kciukiem skierowanym w kierunku prądu, a palce będą wskazywały kierunek przepływu pól magnetycznych.

Kiedy owiniesz przewodnik wokół metalu żelaznego, takiego jak stal lub żelazo, pola magnetyczne zwiniętego przewodnika łączą się i wyrównują, nazywa się to elektromagnesem. Pole magnetyczne przemieszcza się ze środka cewki na jednym końcu elektromagnesu na zewnątrz cewki, a na przeciwległym końcu z powrotem do środka cewki.

Magnesy mają biegun północny i południowy, aby przewidzieć, który koniec jest biegunem północnym lub południowym w cewce, ponownie używa się zasady prawej ręki. Tylko tym razem prawą ręką na cewce skieruj palce w kierunku przepływu prądu w przewodzie spiralnym. (Czerwone strzałki) Prawym kciukiem wskazującym cieśninę wzdłuż cewki, powinien on wskazywać północny koniec magnesu.

Krok 2: Jak działają transformatory

Sposób, w jaki zmieniający się prąd w cewce pierwotnej wytwarza prąd w cewce wtórnej, nazywany jest prawem Lenza.

Wikipedia

Wszystkie cewki w transformatorze powinny być uzwojone w tym samym kierunku.

Cewka oprze się zmianie magnetycznej; więc gdy do cewki pierwotnej zostanie doprowadzony prąd przemienny lub prąd pulsujący, powstaje zmienne pole magnetyczne w cewce pierwotnej.

Kiedy zmienne pole magnetyczne dociera do cewki wtórnej, wytwarza przeciwstawne pole magnetyczne i przeciwny prąd w cewce wtórnej.

Możesz użyć reguły prawej ręki na cewce pierwotnej i wtórnej, aby przewidzieć wyjście wtórnego.

W zależności od liczby zwojów uzwojenia pierwotnego i liczby zwojów uzwojenia wtórnego napięcie zmienia się na wyższe lub niższe.

Jeśli uważasz, że na uzwojeniu wtórnym trudno jest podążać za dodatnim i ujemnym; pomyśl o cewce wtórnej jako o źródle zasilania lub baterii, z której wychodzi moc, i pomyśl o uzwojeniu pierwotnym jako obciążeniu, w którym energia jest zużywana.

Cewki Tesli to transformatory z rdzeniem powietrznym, pola magnetyczne i prąd działają tak samo, jak transformatory z rdzeniem żelaznym lub ferrytowym.

Krok 3: Uzwojenie

Chociaż nie jest narysowany na schemacie; wyższa cewka wtórna cewki Tesli znajduje się wewnątrz krótszej cewki pierwotnej, ta konfiguracja nazywa się samorezonującym oscylatorem.

Uzyskaj prawidłowe uzwojenie; zarówno uzwojenie pierwotne, jak i wtórne powinny być uzwojone w tym samym kierunku. Nie ma znaczenia, czy nawijasz cewki prawą ręką, czy lewą ręką, o ile obie cewki są nawinięte w tym samym kierunku.

Podczas uzwojenia wtórnego upewnij się, że uzwojenia nie nakładają się na siebie, ponieważ nałożenie może spowodować zwarcie w wtórnym.

Krzyżowe uzwojenie cewek może spowodować, że sprzężenie zwrotne z wtórnego powiązanego z bazą tranzystora lub bramką mosfetu będzie miało niewłaściwą polaryzację, co może zapobiec oscylacjom obwodu.

Skręcenie uzwojeń wpływa na dodatnie i ujemne przewody cewek pierwotnych. Użyj reguły prawej ręki na cewce pierwotnej. Upewnij się, że biegun północny uzwojenia pierwotnego jest skierowany w górę uzwojenia wtórnego.

Krzyżowe okablowanie cewki pierwotnej może spowodować, że sprzężenie zwrotne z wtórnego powiązanego z bazą tranzystora lub bramką mosfet będzie miało niewłaściwą polaryzację, co może zapobiec oscylacji obwodu.

Dopóki cewki są nawinięte w tym samym kierunku; brak oscylacji należy wykonać przez okablowanie krzyżowe cewka pierwotna jest w większości przypadków łatwa do naprawienia, wystarczy odwrócić przewody cewki pierwotnej.

Krok 4: Jak działa półprzewodnikowa cewka Tesli

Podstawowa cewka Tesli w stanie stałym może składać się z zaledwie pięciu części.

Źródło zasilania; na tym schemacie bateria.

Rezystor; w zależności od tranzystora 1/4 wata 10 kΩ i więcej.

Tranzystor NPN z radiatorem, tranzystor w tych obwodach ma tendencję do nagrzewania się.

Cewka pierwotna z 2 lub więcej zwojów nawinięta w tym samym kierunku co cewka wtórna.

Cewka wtórna do 1000 zwojów lub więcej 41 AWG nawinięta w tym samym kierunku co uzwojenie pierwotne.

Krok 1. Po pierwszym podłączeniu zasilania do podstawowej półprzewodnikowej cewki Tesli tranzystor w obwodzie jest otwarty lub wyłączony. Zasilanie przechodzi przez rezystor do bazy tranzystorów, zamykając tranzystor włączając go, umożliwiając przepływ prądu przez cewkę pierwotną. Zmiana prądu nie jest natychmiastowa, przejście prądu od zerowego do maksymalnego zajmuje trochę czasu, nazywa się to czasem narastania.

Krok 2. W tym samym czasie pole magnetyczne w cewce przechodzi od zera do pewnego natężenia pola. Podczas gdy pole magnetyczne w cewce pierwotnej wzrasta, cewka wtórna opiera się zmianom, tworząc przeciwstawne pole magnetyczne i przeciwny prąd w cewce wtórnej.

Krok 3. Cewka wtórna jest podłączona do podstawy tranzystora, więc prąd w cewce wtórnej (sprzężenie zwrotne) będzie odciągał prąd od podstawy tranzystora. Spowoduje to otwarcie tranzystora wyłączającego prąd do cewki pierwotnej. Podobnie jak czas narastania, obecna zmiana nie jest natychmiastowa. Przejście prądu i pola magnetycznego od wartości maksymalnej do zera zajmuje chwilę, co nazywa się czasem opadania.

Następnie wróć do kroku 1.

Ten typ obwodu nazywany jest samoregulującym obwodem oscylacyjnym lub oscylatorem rezonansowym. Ten typ oscylatora jest ograniczony w częstotliwości przez czasy opóźnienia obwodu i tranzystora lub mosfetu. (Czas narastania, czas opadania i czas płaskowyżu)

Krok 5: Wydajność

Ten obwód nie jest zbyt wydajny, wytwarza falę prostokątną, cewka pierwotna wytwarza prąd tylko w cewce wtórnej podczas przejścia pól magnetycznych od zerowego do pełnego natężenia pola i z powrotem do zerowego natężenia pola, zwanego czasem narastania i czas upadku. Pomiędzy czasem narastania a czasem opadania występuje plateau z tranzystorem zamkniętym lub włączonym i otwartym lub wyłączonym. Gdy tranzystor jest wyłączony, plateau nie zużywa prądu, jednak gdy tranzystor jest włączony, plateau zużywa i marnuje prąd nagrzewając tranzystor.

Możesz użyć najszybszego tranzystora przełączającego, jaki możesz uzyskać. Przy wyższych częstotliwościach pole magnetyczne może przechodzić bardziej niż jest plateau, dzięki czemu cewka Tesli jest bardziej wydajna. Nie powstrzyma to jednak nagrzewania się tranzystora.

Dodanie 3 woltowej diody LED do podstawy tranzystora wydłuża czas narastania i opadania, dzięki czemu tranzystor działa bardziej jak fala trójkątna niż prostokątna.

Istnieją dwie inne rzeczy, które możesz zrobić, aby zapobiec przegrzaniu tranzystora. Możesz użyć radiatora, aby rozproszyć nadmiar ciepła. Możesz użyć tranzystora o dużej mocy, aby tranzystor nie był przepracowany.

Krok 6: Mini cewka Tesli

Kupiłem 12-woltową cewkę Mini Tesla od sprzedawcy internetowego.

Zestaw zawiera:

1 x płyta pcv;

1 x kondensator monolityczny 1nF

1 x rezystor 10 kΩ

Rezystor 1 x 1 kΩ

1 x gniazdo zasilania 12 V

1 x radiator

1 x Tranzystor BD243C

1 x cewka wtórna 333 zwojów

1 x śruba mocująca

2 x Led

1 x lampa neonowa;

Zestaw nie zawiera:

Zasilanie 12-woltowe źródło SMP, którego użyłem, było 12-woltowe 4 ampery.

Torus

Klej do montażu wężownicy wtórnej.

Smar silikonowy termiczny do montażu tranzystora na radiatorze.

Lutować

Krok 7: Testowanie

Po złożeniu cewki Mini Tesli przetestowałem ją na lampie neonowej, świetlówce kompaktowej (CFL) i świetlówce. Arka była mała i tak długo, jak umieściłem ją w odległości 1/4 cala, oświetla wszystko, na czym ją wypróbowałem.

Tranzystor bardzo się nagrzewa, więc nie dotykaj radiatora. 12-woltowa cewka Tesli nie powinna rozgrzewać 65-watowego tranzystora, chyba że zbliżysz się do maksymalnych parametrów tranzystora.

Krok 8: Zużycie energii

Tranzystor BD243C to tranzystor NPN, 65 W 100 V 6 A 3 MHz, przy 12 V nie powinien pobierać więcej niż 5,4 A, aby nie przekroczyć 65 W.

Kiedy sprawdziłem prąd przy uruchomieniu wynosił 1 amper, po minucie pracy prąd spadł do 0,75 ampera. Przy 12 woltach, co daje moc roboczą od 9 do 12 watów, znacznie poniżej 65 watów, dla których przeznaczony jest tranzystor.

Kiedy sprawdziłem czasy narastania i opadania tranzystorów, otrzymuję falę trójkątną, która prawie zawsze jest w ruchu, co czyni go bardzo wydajnym obwodem.

Krok 9: Ładowanie od góry

Obciążenia od góry umożliwiają gromadzenie się ładunku, a nie tylko wylewanie się w powietrze, co zapewnia większą moc wyjściową.

Bez obciążenia od góry ładunki gromadzą się na spiczastych końcówkach drutu i ulatniają się w powietrze.

Najlepsze ładunki górne są okrągłe jak torus lub kule, dzięki czemu nie ma punktów wypuszczających ładunek w powietrze.

Mój ładunek od góry zrobiłem z kulki, którą uratowałem z myszy i przykryłem folią aluminiową, nie była idealnie gładka, ale działała dobrze. Teraz mogę zapalić świetlówkę z odległości centymetra.