Bobină Tesla Spark Gap: 14 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:42

Acesta este un tutorial despre cum să construiți o bobină Spark Gap Tesla cu o rochie cușcă Faraday.

Acest proiect m-a luat pe mine și echipa mea (3 studenți) 16 zile lucrătoare, costă în jur de 500 USD, vă asigur că nu va funcționa de la prima dată:), cea mai importantă parte este că trebuie să înțelegeți toată teoria din spatele și să știți cum să vă ocupați de componentele pe care le alegeți.

În acest instructiv, vă voi duce prin toată teoria din spate, conceptele, formulele, o construire pas cu pas pentru toate părțile. Dacă doriți să construiți bobine mai mici sau mai mari, conceptul și formulele vor fi aceleași.

Cerințele pentru acest proiect:

- Cunoștințe în: echipamente electrice, electronice, electromagnetice și de laborator

- Osciloscop

- Transformator Neon Sign; 220V la 9kV

- Condensatoare de înaltă tensiune

- Cabluri de cupru sau țevi de cupru

- Lemn pentru construirea șasiului

- Țeavă din PVC pentru bobina secundară

- Țeavă metalică flexibilă pentru Toroid

- Un mic ventilator electric de 220V pentru scânteia

- Hârtii și plasă din aluminiu pentru rochia cușcă Faraday

- Firele izolate pentru secundar

- Lămpi cu neon

- Regulator de tensiune dacă nu aveți un 220VAC stabil

- Conexiune la masă

- Multă răbdare

Pasul 1: Introducere în bobina Tesla Spark Gap

O bobină Tesla este un transformator de rezonanță care conține un circuit LC primar și secundar. Proiectate de inventatorul Nikola Tesla în 1891, cele două circuite LC sunt cuplate slab între ele. Puterea este furnizată circuitului primar printr-un transformator step-up, care încarcă un condensator. În cele din urmă, tensiunea pe condensator va crește suficient pentru a scurta un decalaj de scânteie. Condensatorul se va descărca prin fanta de scânteie și în bobina primară. Energia va oscila înainte și înapoi între condensatorul primar și inductorul bobinei primare la frecvențe înalte (de obicei 50 kHz - 2 MHz). Bobina primară este cuplată la un inductor din circuitul secundar, numit bobina secundară. Atașată la partea superioară a bobinei secundare este o sarcină superioară care asigură capacitatea circuitului LC secundar. Pe măsură ce circuitul primar oscilează, puterea este indusă în bobina secundară unde tensiunea este înmulțită de multe ori. Un câmp de înaltă tensiune, curent scăzut se dezvoltă în jurul sarcinii superioare și a arcurilor de descărcare a fulgerului într-un afișaj dulce de awesomeness. Circuitele LC primare și secundare trebuie să oscileze la aceeași frecvență pentru a realiza transferul maxim de putere. Circuitele din bobină sunt de obicei „reglate” la aceeași frecvență prin ajustarea inductanței bobinei primare. Bobinele Tesla pot produce tensiuni de ieșire de la 50 kilovolți la câteva milioane de volți pentru bobinele mari.

Pasul 2: Teorie

Această secțiune acoperă teoria completă a funcționării unei bobine convenționale Tesla. Vom considera că circuitele primare și secundare sunt circuite RLC cu rezistență scăzută, care corespund realității.

Din motivele menționate anterior, rezistența internă a componentei nu este reprezentată. De asemenea, vom înlocui transformatorul cu curent limitat. Acest lucru nu are impact în ceea ce privește teoria pură.

Rețineți că unele părți ale circuitului secundar sunt trasate în linii punctate. Acest lucru se datorează faptului că nu sunt vizibile direct pe aparat. În ceea ce privește condensatorul secundar, vom vedea că capacitatea acestuia este de fapt distribuită, sarcina de sus fiind doar „o placă” a acestui condensator. În ceea ce privește decalajul secundar de scânteie, acesta este prezentat în schemă ca o modalitate de a reprezenta unde vor avea loc arcurile.

Acest prim pas al ciclului este încărcarea condensatorului primar de către generator. Presupunem că frecvența acestuia este de 50 Hz. Deoarece generatorul (NST) este limitat de curent, capacitatea condensatorului trebuie aleasă cu atenție, astfel încât acesta să fie complet încărcat în exact 1/100 secunde. Într-adevăr, tensiunea generatorului se schimbă de două ori pe perioadă, iar la următorul ciclu, acesta va reîncărca condensatorul cu polaritate opusă, ceea ce nu schimbă absolut nimic despre funcționarea bobinei Tesla.

Când condensatorul este complet încărcat, fanta de scânteie se declanșează și, prin urmare, închide circuitul primar. Cunoscând intensitatea câmpului electric de aer defalcat, lățimea gap-ului de scânteie trebuie setată astfel încât să se declanșeze exact atunci când tensiunea din condensator atinge valoarea sa maximă. Rolul generatorului se încheie aici.

Acum avem un condensator complet încărcat într-un circuit LC. Curentul și tensiunea vor oscila astfel la frecvența rezonantă a circuitelor, așa cum s-a demonstrat anterior. Această frecvență este foarte mare în comparație cu frecvența de rețea, în general între 50 și 400 kHz.

Circuitele primare și secundare sunt cuplate magnetic. Oscilațiile care au loc în primar vor induce astfel o forță electromotivă în secundar. Pe măsură ce energia primarului este aruncată în secundar, amplitudinea oscilațiilor din primar va scădea treptat, în timp ce cele din secundar se vor amplifica. Acest transfer de energie se face prin inducție magnetică. Constanta de cuplare k dintre cele două circuite este menținută în mod intenționat scăzută, în general între 0,05 și 0,2.

Oscilațiile din primar vor acționa astfel un pic ca un generator de tensiune alternativă plasat în serie pe circuitul secundar.

Pentru a produce cea mai mare tensiune de ieșire, circuitele sintonizate primare și secundare sunt ajustate pentru a rezona unul cu celălalt. Deoarece circuitul secundar nu este de regulă reglabil, acest lucru se face în general printr-un robinet reglabil pe bobina primară. Dacă cele două bobine ar fi separate, frecvențele rezonante ale circuitelor primare și secundare ar fi determinate de inductanța și capacitatea din fiecare circuit

Pasul 3: Distribuția capacității în circuitul secundar

Capacitatea secundară Cs este cu adevărat importantă pentru ca bobina tesla să funcționeze, capacitatea bobinei secundare este necesară pentru calculele frecvenței de rezonanță, dacă nu luați în considerare toți parametrii nu veți vedea o scânteie. Această capacitate constă din multe contribuții și este dificil de calculat, dar ne vom uita la componentele sale majore.

Încărcare de sus - sol.

Cea mai mare fracțiune din capacitatea secundară provine din sarcina superioară. Într-adevăr, avem un condensator ale cărui „plăci” sunt sarcina superioară și solul. Ar putea fi surprinzător faptul că acesta este într-adevăr un condensator, deoarece aceste plăci sunt conectate prin bobina secundară. Cu toate acestea, impedanța sa este destul de mare, astfel încât există de fapt o diferență destul de mare între ele. Vom numi Ct această contribuție.

Întoarcerile bobinei secundare.

Cealaltă mare contribuție vine din bobina secundară. Este alcătuit din multe rotații adiacente de sârmă de cupru emailată și, prin urmare, inductanța sa este distribuită pe lungimea sa. Aceasta înseamnă că există o ușoară diferență de potențial între două viraje adiacente. Apoi avem doi conductori cu potențial diferit, separați printr-un dielectric: un condensator, cu alte cuvinte. De fapt, există un condensator cu fiecare pereche de fire, dar capacitatea acestuia scade odată cu distanța, prin urmare se poate considera capacitatea doar între două viraje adiacente o bună aproximare.

Să numim Cb capacitatea totală a bobinei secundare.

De fapt, nu este obligatoriu să aveți o sarcină superioară pe o bobină Tesla, deoarece fiecare bobină secundară va avea propria capacitate. Cu toate acestea, o sarcină superioară este crucială pentru a avea scântei frumoase.

Va exista o capacitate suplimentară pentru obiectele din jur. Acest condensator este format de încărcătura superioară pe o parte și de obiecte conductoare (pereți, țevi sanitare, mobilier etc.) pe cealaltă parte.

Vom denumi condensatorul acestor factori externi Ce.

Deoarece toate aceste „condensatoare” sunt în paralel, capacitatea totală a circuitului secundar va fi dată de:

Cs = Ct + Cb + Ce

Pasul 4: Concepție și construcție

În cazul nostru, am folosit un regulator automat de tensiune pentru a menține tensiunea de intrare pentru NST la 220V

Și conține un filtru de linie AC încorporat (YOKOMA ELECTRIC WORKS., LTD. În Japonia-Modelul AVR-2)

Acest instrument poate fi găsit în aparatele cu raze X sau cumpărat direct de pe piață.

Transformatorul de înaltă tensiune este cea mai importantă parte a bobinei Tesla. Este pur și simplu un transformator de inducție. Rolul său este de a încărca condensatorul primar la începutul fiecărui ciclu. În afară de puterea sa, robustețea sa este foarte importantă, deoarece trebuie să reziste la condiții excelente de funcționare (un filtru de protecție este uneori necesar).

Transformatorul de semne de neon (NST) pe care îl folosim pentru bobina noastră tesla, caracteristicile (valorile rms) sunt următoarele:

Vout = 9000 V, Iout = 30 mA

Curentul de ieșire este, de fapt, 25mA, 30mA este vârful care scade la 25 mA după pornire.

Acum putem calcula puterea sa P = V I, care va fi utilă pentru a seta dimensiunile globale ale bobinei Tesla, precum și o idee aproximativă a lungimii scânteilor sale.

P = 225 W (pentru 25 mA)

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

Pasul 5: Circuitul primar

Condensator:

Rolul condensatorului primar este de a stoca o anumită cantitate de încărcare pentru ciclul următor, precum și de a forma un circuit LC împreună cu inductorul primar.

Condensatorul principal este de obicei format din câteva zeci de capace conectate într-o configurație serie / paralelă numită condensator multi-mini (MMC)

Condensatorul primar este utilizat cu bobina primară pentru a crea circuitul LC primar. Un condensator de dimensiuni rezonante poate deteriora un NST, prin urmare este recomandat un condensator de dimensiuni mai mari decât rezonanță (LTR). Un condensator LTR va furniza, de asemenea, cea mai mare putere prin bobina Tesla. Diferite goluri primare (statice vs. sincronizate rotative) vor necesita condensatori primari de dimensiuni diferite.

Cres = Capacitate de rezonanță primară (uF) = 1 ∕ (2 * π * NST Impedanță * NST Fin) = 1 / (2 * π * 360 000 * 50) = 8.8419nF

CLTR = Capacitate statică mai mare decât rezonanța primară (LTR) (uF) = Capacitatea rezonanței primare × 1,6

= 14.147nF

(acest lucru ar putea diferi ușor de o aproximare la altul, coeficientul recomandat 1.6-1.8)

Am folosit condensatori de 2000V 100nF, Nb = Cunit / Cequiv = 100nF / 0,0119 uF = 9 condensatori. Deci, pentru exact 9 majuscule avem Ceq = 0,0111uF = capacitate MMC.

Gândiți-vă la conectarea rezistențelor de 10MOhms de mare putere în paralel cu fiecare condensator pentru siguranță.

Inductanţă:

Rolul inductorului primar este de a genera un câmp magnetic pentru a fi injectat în circuitul secundar, precum și de a forma un circuit LC cu condensatorul primar. Această componentă trebuie să poată transporta curent greu fără pierderi excesive.

Sunt posibile geometrii diferite pentru bobina primară. În cazul nostru, vom adapta spirala plană arhimată ca o bobină primară. Această geometrie duce în mod natural la o cuplare mai slabă și reduce riscul de arcuire în primar: de aceea este preferată pe bobinele puternice. Cu toate acestea, este destul de obișnuit în bobinele cu putere mai mică pentru ușurința sa de construcție. Creșterea cuplajului este posibilă prin coborârea bobinei secundare în primar.

Fie W lățimea spiralei dată de W = Rmax - Rmin și R raza medie a acesteia, adică R = (Rmax + Rmin) / 2, ambele exprimate în centimetri. Dacă bobina are N spire, o formulă empirică care produce inductanța L în microhenrys este:

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

Pentru forma elicoidală Dacă numim R raza elicei, H înălțimea acesteia (ambele în centimetri) și N numărul de rotații, o formulă empirică care produce inductanța L în microhenrys este: Lhelic = (0.374 (NR) ^ 2) / (9R + 10H).

Acestea sunt multe formule pe care le puteți utiliza și verifica, ele vor da rezultate apropiate, cel mai precis mod este să folosiți osciloscopul și să măsurați răspunsul în frecvență, dar formulele sunt, de asemenea, necesare pentru construirea bobinei. De asemenea, puteți utiliza software de simulare precum JavaTC.

Formula 2 pentru formă plană: L = [0,25 * N ^ 2 * (D1 + N * (W + S)) ^ 2] / [15 * (D1 + N * (W + S)) + 11 * D1]

unde N: numărul de spire, W: diametrul firului în inci, S: distanța firului în inci, D1: diametrul interior în inci

Date de intrare ale bobinei mele Tesla:

Raza interioară: 4,5 inci, 11,2 spire, distanța de 0,25 inci, diametrul firului = 6 mm, raza exterioară = 7,898 inci.

L folosind Formula 2 = 0,03098mH, de la JavaTC = 0,03089mH

Prin urmare, frecvența primară: f1 = 271,6 KHz (L = 0,03089 mH, C = 0,0111MFD)

Experiență de laborator (reglarea frecvenței primare)

și am obținut rezonanță la 269-271KHz, care verifică calculul, vezi Figurile.

Pasul 6: Spark Gap

Funcția decalajului de scânteie este de a închide circuitul LC primar atunci când condensatorul este suficient de încărcat, permițând astfel oscilații libere în interiorul circuitului. Aceasta este o componentă de primă importanță într-o bobină Tesla, deoarece frecvența de închidere / deschidere va avea o influență considerabilă asupra ieșirii finale.

O scânteie ideală trebuie să se declanșeze exact atunci când tensiunea din condensator este maximă și se redeschide chiar atunci când scade la zero. Dar acest lucru nu este, desigur, cazul într-o adevărată scânteie, uneori nu se declanșează atunci când ar trebui sau continuă să tragă când tensiunea a scăzut deja;

Pentru proiectul nostru, am folosit o scânteie statică cu doi electrozi sferici (construiți folosind două mânere pentru sertare) pe care le-am proiectat manual. Și ar putea fi reglat manual și prin rotirea capetelor sferice.

Pasul 7: Circuitul secundar

Bobina:

Funcția bobinei secundare este de a aduce o componentă inductivă în circuitul LC secundar și de a colecta energia bobinei primare. Acest inductor este un solenoid cu miez de aer, având în general între 800 și 1500 învârtiri strânse învecinate. Pentru a calcula numărul de rotații care au fost înfășurate, această formulă rapidă va evita o anumită muncă fastidioasă:

Ecartament de sârmă 24 = 0,05 cm, diametru PVC 4 inci, număr de ture = 1100 spire, înălțime necesară = 1100 x 0,05 = 55 cm = 21,6535 inci. => L = 20,853 mH

unde H este înălțimea bobinei și d diametrul firului utilizat. Un alt parametru important este lungimea de care avem nevoie pentru a realiza întreaga bobină.

L = u * N ^ 2 * A / H. În cazul în care µ reprezintă permeabilitatea magnetică a mediului (≈ 1,257 · 10−6 N / A ^ 2 pentru aer), N numărul de rotații ale solenoidului, H înălțimea sa totală și A aria unei rotații.

Încărcare de sus:

Sarcina superioară acționează ca „placa” superioară a condensatorului formată din sarcina superioară și sol. Acesta adaugă capacitate circuitului LC secundar și oferă o suprafață din care se pot forma arcuri. De fapt, este posibil să rulați o bobină Tesla fără o sarcină superioară, dar performanțele în ceea ce privește lungimea arcului sunt adesea slabe, deoarece cea mai mare parte a energiei este disipată între rotațiile secundare ale bobinei în loc să alimenteze scânteile.

Capacitate toroidă 1 = ((1+ (0,2781 - Diametrul inelului ∕ (Diametrul total))) × 2,8 × sqrt ((pi × (Diametrul total × Diametrul inelului)) ∕ 4))

Capacitate toroidă 2 = (1,28 - Diametru inel ∕ Diametru total) × sqrt (2 × pi × Diametru inel × (Diametru total - Diametru inel))

Capacitate toroidă 3 = 4.43927641749 × ((0.5 × (Diametru inel × (Diametru total - Diametru inel))) ^ 0.5)

Capacitate medie toroidă = (capacitate toroidă 1 + capacitate toroidă 2 + capacitate toroidă 3) ∕ 3

Deci, pentru toroidul nostru: diametrul interior de 4”, diametrul exterior = 13”, distanța de la capătul înfășurării secundare = 5cm.

C = 13,046 pf

Capacitate bobină secundară:

Capacitate secundară (pf) = (0,29 × Înălțimea înfășurării firului secundar + (0,41 × (Diametrul formei secundare ∕ 2)) + (1,94 × mp (((Diametrul formei secundare ∕ 2) 3) ∕ Înălțimea înfășurării firului secundar))

Csec = 8,2787 pF;

De asemenea, este interesant să cunoașteți capacitatea (parazitară) a bobinei. Aici, de asemenea, formula este complicată în cazul general. Vom folosi valoarea obținută de JAVATC („Capacitate de șunt efectivă” fără sarcină maximă):

Cres = 6,8 pF

Prin urmare, pentru circuitul secundar:

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

Lsec = 20,853mH

Rezultatele experimentelor de laborator:

Vedeți imaginile de mai sus pentru procedura de testare și rezultatele testării.

Pasul 8: Acord de rezonanță

Setarea circuitelor primare și secundare la rezonanță, dacă le împărtășesc aceeași frecvență rezonantă este de primă importanță pentru o bună funcționare.

Răspunsul unui circuit RLC este cel mai puternic atunci când este acționat la frecvența sa rezonantă. Într-un circuit RLC bun, intensitatea răspunsului scade brusc atunci când frecvența de conducere scade de la valoarea rezonantă.

Frecvența noastră rezonantă = 267,47 kHz.

Metode de reglare:

Reglarea se face în general prin ajustarea inductanței primare, pur și simplu pentru că este cea mai ușoară componentă de modificat. Deoarece acest inductor are viraje largi, este ușor să-și modifice auto-inductanța prin atingerea conectorului final într-un anumit loc din spirală.

Cea mai simplă metodă pentru a realiza această ajustare este prin încercare și eroare. Pentru aceasta, se începe atingerea primarului într-un punct presupus aproape de cel rezonant, se aprinde bobina și se evaluează lungimea arcului. Apoi, spirala este bătută cu un sfert de rotire înainte / înapoi și se reevaluează rezultatul. După câteva încercări, se poate continua cu pași mai mici și se va obține în cele din urmă punctul de atingere în care lungimea arcului este cea mai mare. În mod normal, această atingere

punctul va seta într-adevăr inductanța primară, astfel încât ambele circuite sunt la rezonanță.

O metodă mai precisă ar implica o analiză a răspunsului individual al ambelor circuite (în configurația cuplată, desigur, fără separarea fizică a circuitelor) cu un generator de semnal și un osciloscop.

Arcurile în sine pot produce o capacitate suplimentară. Prin urmare, este recomandat să setați frecvența de rezonanță primară puțin mai mică decât cea secundară, pentru a compensa acest lucru. Cu toate acestea, acest lucru este vizibil doar cu bobine puternice Tesla (care pot produce arcuri mai lungi de 1m).

Pasul 9: Tensiunea la scânteia secundară

Legea lui Paschen este o ecuație care dă tensiunea de defalcare, adică tensiunea necesară pentru a porni o descărcare sau un arc electric, între doi electrozi într-un gaz în funcție de presiune și lungimea decalajului.

Fără a intra în calcul detaliat folosind formula complexă, pentru condiții normale este nevoie de 3,3MV pentru a ioniza 1m de aer între doi electrozi. În cazul nostru avem arcuri de aproximativ 10-13cm, deci va fi între 340KV și 440KV.

Pasul 10: rochia Faraday Cage

O cușcă Faraday sau un scut Faraday este o incintă folosită pentru blocarea câmpurilor electromagnetice. Un scut Faraday poate fi format dintr-o acoperire continuă de material conductor sau, în cazul unei cuști Faraday, de o plasă din astfel de materiale.

Am proiectat cușcă faraday purtabilă, împământată, cu patru straturi, așa cum se arată în imagine (materiale utilizate: aluminiu, bumbac, piele). Puteți să-l testați, de asemenea, punând telefonul mobil în interior, acesta va pierde semnalul sau așezându-l în fața bobinei dvs. tesla și puneți niște lămpi de neon în interiorul cuștii, acestea nu se vor aprinde, atunci îl puteți pune și încerca.

Pasul 11: Anexe și referințe

Pasul 12: Construirea bobinei primare

Pasul 13: Testarea NST

Pasul 14: Construirea bobinei primare