Cievka Tesla Spark Gap: 14 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:57

Toto je návod, ako postaviť cievku Tesla Spark Gap Tesla s šatami z Faradayovej klietky.

Tento projekt mi a môjmu tímu (3 študenti) trval 16 pracovných dní, stojí okolo 500 USD, ubezpečím vás, že to nebude fungovať na prvý krát:), najdôležitejšie je, že musíte porozumieť všetkej teórii, ktorá je za tým a vedieť, ako zaobchádzať s komponentmi, ktoré si vyberiete.

V tomto návode vás prevediem celou teóriou, konceptmi, vzorcami, budovaním krok za krokom pre všetky časti. Ak chcete postaviť menšie alebo väčšie cievky, koncepcia a vzorce budú rovnaké.

Požiadavky na tento projekt:

- Znalosti v: Elektrickom, elektronickom, elektromagnetickom a laboratórnom zariadení

- Osciloskop

- transformátor neónových značiek; 220 V až 9 kV

- Vysokonapäťové kondenzátory

- Medené káble alebo medené rúrky

- Drevo na stavbu podvozku

- PVC rúrka pre sekundárnu cievku

- Flexibilná kovová rúrka pre Toroid

- Malý elektrický ventilátor 220 V na iskrisko

- Hliníkové papiere a sieťovina pre šaty Faradayovej klietky

- Izolované vodiče pre sekundárne vedenia

- Neónové žiarovky

- Regulátor napätia, ak nemáte stabilný 220 VAC

- Pripojenie k zemi

- Veľa trpezlivosti

Krok 1: Úvod do cievky Tesla Spark Gap

Teslova cievka je rezonančný transformátor obsahujúci primárny a sekundárny LC obvod. Oba LC okruhy, ktoré navrhol vynálezca Nikola Tesla v roku 1891, sú navzájom voľne spojené. Napájanie je dodávané do primárneho obvodu prostredníctvom zosilňovacieho transformátora, ktorý nabíja kondenzátor. Napätie na kondenzátore sa nakoniec dostatočne zvýši, aby sa skrátila iskra. Kondenzátor sa vybije cez iskru a do primárnej cievky. Energia bude oscilovať tam a späť medzi primárnym kondenzátorom a induktorom primárnej cievky pri vysokých frekvenciách (typicky 50 kHz- 2 MHz). Primárna cievka je spojená s induktorom v sekundárnom obvode, ktorý sa nazýva sekundárna cievka. K hornej časti sekundárnej cievky je pripevnené vrchné zaťaženie, ktoré poskytuje kapacitu pre sekundárny LC obvod. Ako primárny obvod osciluje, výkon je indukovaný v sekundárnej cievke, kde sa napätie mnohonásobne znásobuje. Okolo vrchného zaťaženia a oblúkov bleskového výboja sa v sladkom zobrazení úžasnosti vyvíja pole vysokého napätia a nízkeho prúdu. Aby sa dosiahol maximálny prenos výkonu, primárne a sekundárne LC obvody musia oscilovať na rovnakej frekvencii. Obvody v cievke sú zvyčajne "naladené" na rovnakú frekvenciu úpravou indukčnosti primárnej cievky. Cievky Tesla môžu produkovať výstupné napätie od 50 kilovoltov do niekoľko miliónov voltov pre veľké cievky.

Krok 2: Teória

Táto časť sa zaoberá úplnou teóriou činnosti konvenčnej Teslovej cievky. Budeme uvažovať, že primárny a sekundárny obvod sú obvody RLC s nízkym odporom, čo je v súlade s realitou.

Z vyššie uvedených dôvodov nie je reprezentovaný vnútorný odpor súčiastky. Vymeníme tiež prúdovo obmedzený transformátor. To nemá žiadny vplyv na čistú teóriu.

Všimnite si toho, že niektoré časti sekundárneho obvodu sú nakreslené bodkovanými čiarami. Dôvodom je, že nie sú priamo viditeľné na zariadení. Pokiaľ ide o sekundárny kondenzátor, uvidíme, že jeho kapacita je skutočne rozložená, pričom najvyššie zaťaženie je iba „jedna doska“tohto kondenzátora. Pokiaľ ide o sekundárnu iskru, je to schematicky znázornené ako spôsob, ako znázorniť, kde sa oblúky uskutočnia.

Tento prvý krok cyklu je nabíjanie primárneho kondenzátora generátorom. Predpokladáme, že jeho frekvencia je 50 Hz. Pretože generátor (NST) je obmedzený na prúd, musí byť kapacita kondenzátora zvolená starostlivo, aby sa úplne nabila presne za 1/100 sekundy. Napätie generátora sa skutočne mení dvakrát za obdobie a v nasledujúcom cykle znova nabije kondenzátor s opačnou polaritou, čo nič nemení na prevádzke Teslaovej cievky.

Keď je kondenzátor úplne nabitý, iskrová medzera sa zapáli, a preto uzavrie primárny obvod. Šírka iskrovej medzery, ktorá je známa intenzitou rozpadového elektrického poľa vzduchu, musí byť nastavená tak, aby sa zapálila presne vtedy, keď napätie na kondenzátore dosiahne maximálnu hodnotu. Úloha generátora tu končí.

Teraz máme plne nabitý kondenzátor v LC obvode. Prúd a napätie tak budú oscilovať na rezonančnej frekvencii obvodov, ako bolo predtým ukázané. Táto frekvencia je v porovnaní so sieťovou frekvenciou veľmi vysoká, spravidla medzi 50 a 400 kHz.

Primárny a sekundárny obvod sú magneticky spojené. Kmity prebiehajúce v primárnom smere budú teda v sekundárnom indukovať elektromotorickú silu. Keď sa energia primárnej energie vysáva do sekundárnej energie, amplitúda kmitov v primárnej časti sa bude postupne znižovať, zatiaľ čo amplitúda oscilácií sa bude zosilňovať. Tento prenos energie sa vykonáva magnetickou indukciou. Väzbová konštanta k medzi týmito dvoma obvodmi je účelovo udržiavaná na nízkej úrovni, spravidla medzi 0,05 a 0,2.

Oscilácie v primárnom smere budú teda pôsobiť trochu ako generátor striedavého napätia umiestnený v sérii na sekundárnom okruhu.

Aby sa dosiahlo najväčšie výstupné napätie, primárne a sekundárne ladené obvody sú navzájom prispôsobené na rezonanciu. Pretože sekundárny obvod zvyčajne nie je nastaviteľný, spravidla sa to robí nastaviteľným kohútikom na primárnej cievke. Ak by boli dve cievky oddelené, rezonančné frekvencie primárneho a sekundárneho obvodu by boli určené indukčnosťou a kapacitou v každom obvode

Krok 3: Distribúcia kapacity v sekundárnom obvode

Sekundárna kapacita Cs je skutočne dôležitá na to, aby cievka tesla fungovala, kapacita sekundárnej cievky je potrebná na výpočty rezonančnej frekvencie, ak neberiete do úvahy všetky parametre, neuvidíte iskru. Táto kapacita pozostáva z mnohých príspevkov a je ťažké ju vypočítať, ale pozrieme sa na jej hlavné komponenty.

Horné zaťaženie - zem.

Najvyššia časť sekundárnej kapacity pochádza z najvyššieho zaťaženia. Skutočne máme kondenzátor, ktorého „platne“sú najvyššie zaťaženie a zem. Mohlo by byť prekvapujúce, že ide skutočne o kondenzátor, pretože tieto platne sú spojené pomocou sekundárnej cievky. Jeho impedancia je však dosť vysoká, takže je medzi nimi skutočne potenciálny rozdiel. Tento príspevok nazveme Ct.

Otáčky sekundárnej cievky.

Ďalší veľký prínos pochádza zo sekundárnej cievky. Je vyrobený z mnohých susedných závitov smaltovaného medeného drôtu a jeho indukčnosť je teda rozložená po celej dĺžke. To znamená, že medzi dvoma susednými zákrutami je malý potenciálny rozdiel. Potom máme dva vodiče s rôznym potenciálom, oddelené dielektrikom: inými slovami kondenzátor. V skutočnosti existuje kondenzátor s každým párom drôtov, ale jeho kapacita sa znižuje so vzdialenosťou, preto je možné kapacitu považovať iba medzi dvoma susednými závitmi za dobrú aproximáciu.

Nazvime Cb celkovú kapacitu sekundárnej cievky.

V skutočnosti nie je povinné mať najvyššie zaťaženie cievky Tesla, pretože každá sekundárna cievka bude mať svoju vlastnú kapacitu. Avšak to, aby bola krásna iskra, je najvyššia záťaž.

Okolité objekty budú mať ďalšiu kapacitu. Tento kondenzátor je tvorený horným zaťažením na jednej strane a vodivými predmetmi (steny, vodovodné potrubia, nábytok atď.) Na druhej strane.

Kondenzátor týchto vonkajších faktorov pomenujeme Ce.

Keďže všetky tieto „kondenzátory“sú paralelné, celková kapacita sekundárneho obvodu bude daná vzorcom:

Cs = Ct + Cb + Ce

Krok 4: Koncepcia a konštrukcia

V našom prípade sme použili automatický regulátor napätia na udržanie napäťového vstupu pre NST na 220V

A obsahuje vstavaný sieťový filter AC (YOKOMA ELECTRIC WORKS., LTD. V Japonsku, Model AVR-2)

Tento nástroj sa dá nájsť v röntgenových prístrojoch alebo sa dá kúpiť priamo z trhu.

Transformátor vysokého napätia je najdôležitejšou súčasťou cievky aTesla. Je to jednoducho indukčný transformátor. Jeho úlohou je nabíjať primárny kondenzátor na začiatku každého cyklu. Okrem svojej sily je veľmi dôležitá aj jeho robustnosť, pretože musí odolávať skvelým prevádzkovým podmienkam (niekedy je potrebný ochranný filter).

Transformátor neónových značiek (NST), ktorý používame pre našu tesla cievku, má nasledujúce charakteristiky (efektivní hodnoty):

Vout = 9000 V, Iout = 30 mA

Výstupný prúd je v skutočnosti 25 mA, 30 mA je vrchol, ktorý po spustení klesne na 25 mA.

Teraz môžeme vypočítať jeho výkon P = V I, ktorý bude užitočný na nastavenie globálnych rozmerov Teslovej cievky a hrubej predstavy o dĺžke jej iskier.

P = 225 W (pre 25 mA)

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

Krok 5: Primárny obvod

Kondenzátor:

Úloha primárneho kondenzátora je skladovať určité množstvo náboja pre nasledujúci cyklus a tiež vytvárať LC obvod spolu s primárnym induktorom.

Primárny kondenzátor je obvykle vyrobený z niekoľkých desiatok krytov zapojených do sériovej / paralelnej konfigurácie nazývanej multi-mini kondenzátor (MMC)

Primárny kondenzátor sa používa s primárnou cievkou na vytvorenie primárneho LC obvodu. Rezonančný kondenzátor môže poškodiť NST, preto sa dôrazne odporúča kondenzátor veľkosti LTR (Larger Than Resonate). Kondenzátor LTR bude tiež dodávať väčšinu energie cez cievku Tesla. Rôzne primárne medzery (statické vs. synchronizačné rotačné) budú vyžadovať rôzne veľké primárne kondenzátory.

Cres = kapacita primárneho rezonátu (uF) = 1 ∕ (2 * π * impedancia NST * NST Fin) = 1/ (2 * π * 360 000 * 50) = 8,8419 nF

CLTR = primárna statická kapacita väčšia ako rezonancia (LTR) (uF) = kapacita primárnej rezonancie × 1,6

= 14,147 nF

(to sa môže mierne líšiť od aproximácie k inému, odporúčaný koeficient 1,6-1,8)

Použili sme kondenzátory 2000 V 100 nF, Nb = Cunit/Cequiv = 100nF/0,0119 uF = 9 kondenzátorov. Takže presne pre 9 uzáverov máme Ceq = 0,0111uF = kapacita MMC.

Z bezpečnostných dôvodov premýšľajte o paralelnom pripojení vysokého výkonu 10 MOhms k každému kondenzátoru.

Indukčnosť:

Úlohou primárneho induktora je generovať magnetické pole, ktoré sa má vstreknúť do sekundárneho obvodu, a tiež vytvoriť LC obvod s primárnym kondenzátorom. Tento komponent musí byť schopný transportovať silnoprúd bez nadmerných strát.

Pre primárnu cievku sú možné rôzne geometrie. V našom prípade prispôsobíme plochú klenutú špirálu ako primárnu cievku. Táto geometria prirodzene vedie k slabšej väzbe a znižuje riziko vzniku oblúka v primárnej cievke: preto je preferovaná na výkonných cievkach. Je to však celkom bežné v cievkach s nižším výkonom kvôli jednoduchosti konštrukcie. Zvýšenie spojky je možné spustením sekundárnej cievky do primárnej.

Nech W je šírka špirály daná W = Rmax - Rmin a R je jej priemerný polomer, t.j. R = (Rmax + Rmin)/2, obe vyjadrené v centimetroch. Ak má cievka N závitov, empirický vzorec poskytujúci jej indukčnosť L v mikrohenrych je:

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

Pre tvar špirály Ak nazveme R polomer špirály, H jeho výška (v centimetroch) a N počet závitov, empirický vzorec prinášajúci jeho indukčnosť L v mikrohenrych je: Lhelic = (0,374 (NR)^2) /(9R+10H).

Toto je mnoho vzorcov, ktoré môžete použiť a skontrolovať, poskytnú blízke výsledky. Najpresnejším spôsobom je použiť osciloskop a zmerať frekvenčnú odozvu, ale vzorce sú potrebné aj na stavbu cievky. Môžete tiež použiť simulačný softvér, ako je JavaTC.

Vzorec 2 pre plochý tvar: L = [0,25*N^2*(D1+N*(Š+S))^2]/[15*(D1+N*(Š+S))+11*D1]

kde N: počet závitov, W: priemer drôtu v palcoch, S: rozstup drôtu v palcoch, D1: vnútorný priemer v palcoch

Vstupné údaje mojej Tesla cievky:

Vnútorný polomer: 4,5 palca, 11,2 otáčky, rozteč 0,25 palcov, priemer drôtu = 6 mm, vonkajší polomer = 7,898 palca.

L s použitím vzorca 2 = 0,03098 mH, z JavaTC = 0,03089 mH

Preto primárna frekvencia: f1 = 271,6 KHz (L = 0,03089 mH, C = 0,0111MFD)

Laboratórne skúsenosti (ladenie primárnej frekvencie)

a získali sme rezonanciu pri 269-271 kHz, ktoré overujú výpočet, pozri obrázky.

Krok 6: Spark Gap

Funkciou iskrovej medzery je uzavrieť primárny LC obvod, keď je kondenzátor dostatočne nabitý, čo umožňuje voľné oscilácie vo vnútri obvodu. Toto je prvoradá zložka v Teslovej cievke, pretože jej frekvencia zatvárania/otvárania bude mať značný vplyv na konečný výkon.

Ideálna iskrová medzera sa musí zapáliť vtedy, keď je napätie na kondenzátore maximálne, a znova sa otvoriť, len čo klesne na nulu. To však samozrejme nie je prípad skutočnej iskry, niekedy sa nespustí, keď by malo, alebo pokračuje v streľbe, keď už napätie kleslo;

Pre náš projekt sme použili statickú iskru s dvoma sférickými elektródami (vyrobenými pomocou dvoch držadiel zásuviek), ktoré sme navrhli ručne. A dalo sa to nastaviť ručne aj otočením sférických hláv.

Krok 7: Sekundárny obvod

Cievka:

Funkciou sekundárnej cievky je priviesť indukčnú zložku do sekundárneho LC obvodu a zbierať energiu primárnej cievky. Tento induktor je solenoid so vzduchovým jadrom, ktorý má spravidla 800 až 1 500 tesne navinutých priľahlých závitov. Na výpočet počtu zákrut, ktoré boli navinuté, sa tento rýchly vzorec vyhne určitej náročnej práci:

Rozchod drôtu 24 = 0,05 cm, priemer PVC 4 palce, počet závitov = 1100 veží, potrebná výška = 1100 x 0,05 = 55 cm = 21,6535 palca. => L = 20,853 mH

kde H je výška cievky a d priemer použitého drôtu. Ďalším dôležitým parametrom je dĺžka l, ktorú potrebujeme na výrobu celej cievky.

L = u*N^2*A/H. Kde µ predstavuje magnetickú permeabilitu média (≈ 1,257 · 10−6 N/A^2 pre vzduch), N počet závitov solenoidu, H jeho celková výška a A plocha otáčky.

Najvyššie zaťaženie:

Horné zaťaženie funguje ako horná „doska“kondenzátora tvorená horným zaťažením a zemou. Dodáva kapacitu sekundárnemu LC obvodu a ponúka povrch, z ktorého môžu vznikať oblúky. V skutočnosti je možné prevádzkovať Teslovu cievku bez horného zaťaženia, ale výkony z hľadiska dĺžky oblúka sú často slabé, pretože väčšina energie sa rozptýli medzi závitmi sekundárnej cievky namiesto napájania iskier.

Toroidová kapacita 1 = ((1+ (0,2781 - priemer krúžku ∕ (celkový priemer))) × 2,8 × sqrt ((pi × (celkový priemer × priemer krúžku)) ∕ 4))

Toroidová kapacita 2 = (1,28 - priemer krúžku ∕ celkový priemer) × sqrt (2 × pi × priemer krúžku × (celkový priemer - priemer krúžku))

Toroidová kapacita 3 = 4,43927641749 × ((0,5 × (priemer krúžku × (celkový priemer - priemer krúžku))) ^0,5)

Priemerná kapacita toroidov = (kapacita toroidov 1 + kapacita toroidov 2 + kapacita toroidov 3) ∕ 3

Takže pre náš toroid: vnútorný priemer 4 palce, vonkajší priemer = 13 palcov, vzdialenosť od konca sekundárneho vinutia = 5 cm.

C = 13,046 pf

Kapacita sekundárnej cievky:

Sekundárna kapacita (pf) = (0,29 × výška navíjania sekundárneho drôtu + (0,41 × (priemer sekundárneho tvaru ∕ 2)) + (1,94 × sqrt ((((priemer sekundárneho tvaru ∕ 2) 3) ∕ výška navíjania sekundárneho drôtu))

Csec = 8,2778 pF;

Je tiež zaujímavé poznať (parazitickú) kapacitu cievky. Tu je tiež vzorec vo všeobecnom prípade komplikovaný. Použijeme hodnotu získanú JAVATC („efektívna skratová kapacita“bez horného zaťaženia):

Cres = 6,8 pF

Preto pre sekundárny obvod:

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

Lsec = 20,853 mH

Výsledky laboratórnych experimentov:

Postup testovania a výsledky testovania nájdete na obrázkoch vyššie.

Krok 8: Ladenie rezonancie

Nastavenie primárneho a sekundárneho obvodu na rezonanciu, aby mali rovnakú rezonančnú frekvenciu, má zásadný význam pre správnu prevádzku.

Odozva obvodu RLC je najsilnejšia, keď je poháňaný jeho rezonančnou frekvenciou. V dobrom obvode RLC intenzita odozvy prudko klesá, keď sa frekvencia jazdy odkloní od rezonančnej hodnoty.

Naša rezonančná frekvencia = 267,47 kHz.

Metódy ladenia:

Ladenie sa spravidla vykonáva úpravou primárnej indukčnosti, jednoducho preto, že je to najľahšie upraviteľný komponent. Pretože tento induktor má široké zákruty, je ľahké zmeniť jeho vlastnú indukčnosť poklepaním na koncový konektor na určitom mieste v špirále.

Najjednoduchší spôsob, ako dosiahnuť túto úpravu, je pokus-omyl. Za týmto účelom začne klopať na primárny bod v mieste údajne blízkom rezonančnému, zapáli cievku a vyhodnotí dĺžku oblúka. Potom sa špirála poklepká o štvrtinu otáčky dopredu/dozadu a človek prehodnotí výsledok. Po niekoľkých pokusoch je možné pokračovať menšími krokmi a nakoniec získate bod odpichu, kde je dĺžka oblúka najvyššia. Normálne toto poklepanie

bod skutočne nastaví primárnu indukčnosť, pretože obidva obvody sú v rezonancii.

Presnejšia metóda by zahŕňala analýzu individuálnej odozvy oboch obvodov (samozrejme v spojenej konfigurácii, t.j. bez fyzického oddelenia obvodov) pomocou generátora signálu a osciloskopu.

Samotné oblúky môžu produkovať určitú kapacitu navyše. Preto sa odporúča nastaviť primárnu rezonančnú frekvenciu o niečo nižšiu ako sekundárnu, aby sa to vykompenzovalo. Toto je však viditeľné iba u výkonných cievok Tesla (ktoré môžu vytvárať oblúky dlhšie ako 1 m).

Krok 9: Napätie v sekundárnej iskre

Paschenov zákon je rovnica, ktorá udáva prierazné napätie, to znamená napätie potrebné na spustenie výboja alebo elektrického oblúka, medzi dvoma elektródami v plyne ako funkciu tlaku a dĺžky medzery.

Bez podrobného výpočtu pomocou zložitého vzorca vyžaduje za normálnych podmienok 3,3 MV ionizáciu 1 m vzduchu medzi dvoma elektródami. V našom prípade máme oblúky asi 10-13 cm, takže to bude medzi 340 KV a 440 KV.

Krok 10: Šaty Faradayovej klietky

Faradayova klietka alebo Faradayov štít je kryt, ktorý sa používa na blokovanie elektromagnetických polí. Faradayov štít môže byť vytvorený súvislým zakrytím vodivým materiálom alebo v prípade Faradayovej klietky pletivom z týchto materiálov.

Navrhli sme štyri vrstvy, uzemnenej, nositeľnej faradayovej klietky, ako je znázornené na obrázku (použité materiály: hliník, bavlna, koža). Môžete to vyskúšať aj tak, že dáte svoj mobilný telefón dovnútra, stratí signál alebo ho umiestnite pred cievku tesla a do klietky umiestnite niekoľko neónových žiaroviek, ktoré sa nerozsvietia, potom by ste ho mohli nasadiť a vyskúšať.

Krok 11: Prílohy a referencie

Krok 12: Zostavenie primárnej cievky

Krok 13: Testovanie NST

Krok 14: Zostavenie primárnej cievky