Spark Gap Tesla Coil: 14 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:20

Toto je návod, jak postavit Spark Gap Tesla Coil s oblečením do klece Faraday.

Tento projekt mi a mému týmu (3 studenti) zabral 16 pracovních dní, stojí kolem 500 USD, ujišťuji vás, že to nebude fungovat od prvního okamžiku:), nejdůležitější je, že musíte porozumět celé teorii a vědět, jak zacházet s komponenty, které si vyberete.

V tomto návodu vás provedu celou teorií, koncepty, vzorci, budováním krok za krokem pro všechny části. Pokud chcete stavět menší nebo větší cívky, koncept a vzorce budou stejné.

Požadavky na tento projekt:

- Znalosti v oboru: Elektrická, elektronická, elektromagnetická a laboratorní zařízení

- Osciloskop

- transformátor neonových nápisů; 220V až 9kV

- Vysokonapěťové kondenzátory

- Měděné kabely nebo měděné trubky

- Dřevo na stavbu podvozku

- PVC potrubí pro sekundární cívku

- Flexibilní kovová trubka pro Toroid

- Malý elektrický ventilátor 220 V pro jiskřiště

- Hliníkové papíry a síťovina pro šaty do klece Faraday

- Izolované vodiče pro sekundární vedení

- Neonové lampy

- Regulátor napětí, pokud nemáte stabilní 220VAC

- Připojení k zemi

- Hodně trpělivosti

Krok 1: Úvod do Spark Gap Tesla Coil

Cívka Tesla je rezonanční transformátor obsahující primární a sekundární LC obvod. Tyto dva obvody LC, které navrhl vynálezce Nikola Tesla v roce 1891, jsou volně spojeny dohromady. Napájení je dodáváno do primárního obvodu prostřednictvím zesilovače, který nabíjí kondenzátor. Nakonec se napětí na kondenzátoru dostatečně zvýší, aby se zkrátila jiskřiště. Kondenzátor se vybije přes jiskřiště a do primární cívky. Energie bude oscilovat tam a zpět mezi primárním kondenzátorem a induktorem primární cívky při vysokých frekvencích (obvykle 50 kHz- 2 MHz). Primární cívka je spojena s induktorem v sekundárním obvodu, který se nazývá sekundární cívka. K horní části sekundární cívky je připojeno horní zatížení, které poskytuje kapacitu pro sekundární LC obvod. Jak osciluje primární obvod, je indukován výkon v sekundární cívce, kde se napětí mnohonásobně znásobuje. Kolem vrchního zatížení a oblouků bleskového výboje se ve sladkém zobrazení úžasnosti vyvíjí pole vysokého napětí a nízkého proudu. Aby bylo dosaženo maximálního přenosu výkonu, musí primární a sekundární LC obvody oscilovat na stejné frekvenci. Obvody v cívce jsou obvykle „naladěny“na stejnou frekvenci úpravou indukčnosti primární cívky. Cívky Tesla mohou produkovat výstupní napětí od 50 kilovoltů do několika milionů voltů pro velké cívky.

Krok 2: Teorie

Tato část se zabývá úplnou teorií provozu konvenční Tesla cívky. Budeme uvažovat, že primární a sekundární obvody jsou obvody RLC s nízkým odporem, což odpovídá realitě.

Z výše uvedených důvodů není vnitřní odpor součásti reprezentován. Rovněž vyměníme transformátor s omezeným proudem. Na čistou teorii to nemá žádný vliv.

Všimněte si, že některé části sekundárního obvodu jsou nakresleny tečkovanými čarami. Důvodem je, že nejsou přímo viditelné na zařízení. Pokud jde o sekundární kondenzátor, uvidíme, že jeho kapacita je skutečně rozložena, přičemž maximální zatížení je pouze „jedna deska“tohoto kondenzátoru. Pokud jde o sekundární jiskřiště, je to ve schématu znázorněno jako způsob, jak znázornit, kde se budou oblouky odehrávat.

Tento první krok cyklu je nabíjení primárního kondenzátoru generátorem. Předpokládáme, že jeho frekvence je 50 Hz. Protože generátor (NST) je proudově omezený, je třeba pečlivě zvolit kapacitu kondenzátoru, aby se plně nabil přesně za 1/100 sekundy. Napětí generátoru se skutečně mění dvakrát za období a v dalším cyklu znovu nabije kondenzátor opačnou polaritou, což na provozu Tesla cívky absolutně nic nemění.

Když je kondenzátor plně nabitý, jiskřiště se zapálí, a proto uzavře primární obvod. S vědomím intenzity rozbití elektrického pole vzduchu musí být šířka jiskřiště nastavena tak, aby se zapálila přesně, když napětí na kondenzátoru dosáhne své špičkové hodnoty. Zde role generátoru končí.

Nyní máme plně nabitý kondenzátor v LC obvodu. Proud a napětí tak budou oscilovat na rezonanční frekvenci obvodů, jak bylo ukázáno dříve. Tato frekvence je ve srovnání se síťovou frekvencí velmi vysoká, obvykle mezi 50 a 400 kHz.

Primární a sekundární obvody jsou magneticky spojeny. Kmity probíhající v primárním tak budou indukovat elektromotorickou sílu v sekundárním. Jak je energie primární vysílána do sekundární, amplituda oscilací v primární se bude postupně snižovat, zatímco ty sekundární se budou zesilovat. Tento přenos energie se provádí magnetickou indukcí. Vazebná konstanta k mezi oběma obvody je záměrně udržována na nízké úrovni, obvykle mezi 0,05 a 0,2.

Oscilace v primárním tak budou působit trochu jako generátor střídavého napětí umístěný v sérii na sekundárním obvodu.

Pro vytvoření největšího výstupního napětí jsou primární a sekundární laděné obvody navzájem upraveny tak, aby rezonovaly. Vzhledem k tomu, že sekundární obvod obvykle není nastavitelný, obvykle se to provádí nastavitelným klepnutím na primární cívku. Pokud by byly dvě cívky oddělené, rezonanční frekvence primárního a sekundárního obvodu by byly určeny indukčností a kapacitou v každém obvodu

Krok 3: Distribuce kapacity v sekundárním obvodu

Sekundární kapacita Cs je opravdu důležitá, aby fungovala cívka tesla, kapacita sekundární cívky je nezbytná pro výpočty rezonanční frekvence, pokud neberete v úvahu všechny parametry, neuvidíte jiskru. Tato kapacita se skládá z mnoha příspěvků a je obtížné ji vypočítat, ale podíváme se na její hlavní součásti.

Top load - Ground.

Nejvyšší podíl sekundární kapacity pochází z nejvyššího zatížení. Skutečně máme kondenzátor, jehož „desky“jsou horní zatížení a zem. Mohlo by být překvapující, že se skutečně jedná o kondenzátor, protože tyto desky jsou propojeny sekundární cívkou. Jeho impedance je však poměrně vysoká, takže je mezi nimi ve skutečnosti docela potenciální rozdíl. Tomuto příspěvku budeme říkat Ct.

Otočení sekundární cívky.

Další velký přínos pochází ze sekundární cívky. Je vyroben z mnoha sousedních závitů smaltovaného měděného drátu a jeho indukčnost je tedy rozložena po celé jeho délce. To znamená, že mezi dvěma sousedními zatáčkami je malý potenciální rozdíl. Pak máme dva vodiče s různým potenciálem, oddělené dielektrikem: kondenzátorem, jinými slovy. Ve skutečnosti existuje kondenzátor s každým párem vodičů, ale jeho kapacita klesá se vzdáleností, proto lze považovat kapacitu pouze mezi dvěma sousedními závity za dobrou aproximaci.

Říkejme Cb celkovou kapacitu sekundární cívky.

Ve skutečnosti není povinné mít špičkové zatížení na Tesla cívce, protože každá sekundární cívka bude mít svou vlastní kapacitu. Pro krásnou jiskru je však zásadní maximální zatížení.

Okolní objekty budou mít extra kapacitu. Tento kondenzátor je tvořen horním zatížením na jedné straně a vodivými předměty (stěny, vodovodní potrubí, nábytek atd.) Na straně druhé.

Pojmenujeme kondenzátor těchto vnějších faktorů Ce.

Protože jsou všechny tyto „kondenzátory“paralelně, bude celková kapacita sekundárního obvodu dána vztahem:

Cs = Ct + Cb + Ce

Krok 4: Koncepce a konstrukce

V našem případě jsme použili automatický regulátor napětí k udržení napěťového vstupu pro NST na 220V

A obsahuje vestavěný síťový filtr AC (YOKOMA ELECTRIC WORKS., LTD. In japan-Model AVR-2)

Tento nástroj lze nalézt v rentgenových zařízeních nebo koupit přímo na trhu.

Transformátor vysokého napětí je nejdůležitější součástí cívky aTesla. Je to prostě indukční transformátor. Jeho úkolem je nabít primární kondenzátor na začátku každého cyklu. Kromě své síly je velmi důležitá také jeho robustnost, protože musí odolat skvělým provozním podmínkám (někdy je nutný ochranný filtr).

Transformátor neonových značek (NST), který používáme pro naši cívku tesla, charakteristiky (efektivní hodnoty) jsou následující:

Vout = 9000 V, Iout = 30 mA

Výstupní proud je ve skutečnosti 25 mA, 30 mA je vrchol, který po spuštění klesne na 25 mA.

Nyní můžeme vypočítat jeho sílu P = V I, což bude užitečné pro nastavení globálních rozměrů Tesla cívky a také přibližnou představu o délce jejích jisker.

P = 225 W (pro 25 mA)

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

Krok 5: Primární obvod

Kondenzátor:

Úloha primárního kondenzátoru je uchovávat určité množství náboje pro nadcházející cyklus a také vytvářet LC obvod spolu s primárním induktorem.

Primární kondenzátor je obvykle vyroben z několika desítek krytů zapojených do sériové / paralelní konfigurace nazývané Multi-Mini Capacitor (MMC)

Primární kondenzátor se používá s primární cívkou k vytvoření primárního LC obvodu. Rezonanční kondenzátor může poškodit NST, proto se důrazně doporučuje kondenzátor velikosti LTR. Kondenzátor LTR bude také dodávat nejvíce energie prostřednictvím cívky Tesla. Různé primární mezery (statické vs. synchronizační rotační) budou vyžadovat primární kondenzátory různých velikostí.

Cres = primární rezonanční kapacita (uF) = 1 ∕ (2 * π * NST Impedance * NST Fin) = 1/ (2 * π * 360 000 * 50) = 8,8419 nF

CLTR = primární statická kapacita větší než rezonance (LTR) (uF) = primární rezonanční kapacita × 1,6

= 14,147 nF

(to se může mírně lišit od přiblížení k jinému, doporučený koeficient 1,6-1,8)

Použili jsme kondenzátory 2000 V 100 nF, Nb = Cunit/Cequiv = 100nF/0,0119 uF = 9 kondenzátorů. Takže přesně pro 9 čepic máme Ceq = 0,0111uF = kapacita MMC.

Z bezpečnostních důvodů přemýšlejte o paralelním připojení vysoce výkonných odporů 10MOhms ke každému kondenzátoru.

Indukčnost:

Úlohou primárního induktoru je generovat magnetické pole, které má být vstříknuto do sekundárního obvodu, a také vytvořit LC obvod s primárním kondenzátorem. Tato součást musí být schopna přenášet silnoproud bez nadměrných ztrát.

Pro primární cívku jsou možné různé geometrie. V našem případě přizpůsobíme plochou archimediální spirálu jako primární cívku. Tato geometrie přirozeně vede ke slabší vazbě a snižuje riziko vzniku oblouku v primární: proto je upřednostňována u silných cívek. Je to však poměrně běžné u cívek s nižším výkonem pro snadnou konstrukci. Zvýšení vazby je možné spuštěním sekundární cívky do primární.

Nechť W je šířka spirály daná W = Rmax - Rmin a R její průměrný poloměr, tj. R = (Rmax + Rmin)/2, oba vyjádřené v centimetrech. Pokud má cívka N závitů, empirický vzorec poskytující její indukčnost L v mikrohenrych je:

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

Pro tvar šroubovice Pokud nazveme R poloměr šroubovice, H jeho výška (oba v centimetrech) a N jeho počet závitů, empirický vzorec poskytující jeho indukčnost L v mikrohenrych je: Lhelic = (0,374 (NR)^2) /(9R+10H).

Toto je mnoho vzorců, které můžete použít a zkontrolovat, poskytnou blízké výsledky, nejpřesnější způsob je použít osciloskop a změřit frekvenční odezvu, ale vzorce jsou také nezbytné pro stavbu cívky. Můžete také použít simulační software, jako je JavaTC.

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

kde N: počet závitů, W: průměr drátu v palcích, S: rozteč vodičů v palcích, D1: vnitřní průměr v palcích

Vstupní údaje mé Tesla Coil:

Vnitřní poloměr: 4,5 palce, 11,2 otáčky, rozteč 0,25 palce, průměr drátu = 6 mm, vnější poloměr = 7,898 palce.

L pomocí vzorce 2 = 0,03098 mH, z JavaTC = 0,03089 mH

Proto primární frekvence: f1 = 271,6 KHz (L = 0,03089 mH, C = 0,0111MFD)

Laboratoř (ladění primární frekvence)

a získali jsme rezonanci při 269-271KHz, která ověřuje výpočet, viz obrázky.

Krok 6: Spark Gap

Funkce jiskřiště je uzavřít primární LC obvod, když je kondenzátor dostatečně nabitý, což umožňuje volné oscilace uvnitř obvodu. Toto je hlavní součást Teslovy cívky, protože její frekvence zavírání/otevírání bude mít značný vliv na konečný výkon.

Ideální jiskřiště se musí zapálit, jen když je napětí na kondenzátoru maximální, a znovu se otevřít, jen když klesne na nulu. To ale ve skutečné jiskřišti samozřejmě neplatí, někdy se nestřílí, když by mělo, nebo pokračuje v palbě, když napětí již pokleslo;

Pro náš projekt jsme použili statickou jiskřiště se dvěma sférickými elektrodami (vytvořenými pomocí dvou držadel zásuvky), které jsme navrhli ručně. A to bylo možné nastavit ručně také otáčením sférických hlav.

Krok 7: Sekundární obvod

Cívka:

Funkce sekundární cívky je přivést indukční součást do sekundárního LC obvodu a sbírat energii primární cívky. Tento induktor je solenoid se vzduchovým jádrem, který má obvykle mezi 800 a 1500 těsně navinutými sousedními závity. Chcete -li vypočítat počet otáček, které byly navinuty, tento rychlý vzorec se vyhne určité náročné práci:

Rozchod drátu 24 = 0,05 cm, průměr PVC 4 palce, počet závitů = 1100 věží, potřebná výška = 1100 x 0,05 = 55 cm = 21,6535 palce. => L = 20,853 mH

kde H je výška cívky a d průměr použitého drátu. Dalším důležitým parametrem je délka l, kterou potřebujeme k vytvoření celé cívky.

L = µ*N^2*A/H. Kde µ představuje magnetickou permeabilitu média (≈ 1,257 · 10−6 N/A^2 pro vzduch), N počet závitů solenoidu, H jeho celková výška a A oblast otáčení.

Nejvyšší zatížení:

Horní zatížení působí jako horní „deska“kondenzátoru tvořená horním zatížením a zemí. Přidává kapacitu sekundárnímu LC obvodu a nabízí povrch, ze kterého se mohou tvořit oblouky. Ve skutečnosti je možné provozovat Teslovu cívku bez horního zatížení, ale výkony z hlediska délky oblouku jsou často špatné, protože většina energie je rozptýlena mezi závity sekundární cívky místo napájení jisker.

Toroidní kapacita 1 = ((1+ (0,2781 - průměr prstence ∕ (celkový průměr))) × 2,8 × sqrt ((pi × (celkový průměr × průměr prstence)) ∕ 4))

Toroidní kapacita 2 = (1,28 - průměr prstence ∕ celkový průměr) × sqrt (2 × pi × průměr prstence × (celkový průměr - průměr prstence))

Toroidní kapacita 3 = 4,43927641749 × ((0,5 × (průměr prstenu × (celkový průměr - průměr prstenu))) ^0,5)

Průměrná kapacita toroidů = (kapacita toroidů 1 + kapacita toroidů 2 + kapacita toroidů 3) ∕ 3

Takže pro náš toroid: vnitřní průměr 4”, vnější průměr = 13”, rozteč od konce sekundárního vinutí = 5 cm.

C = 13,046 pf

Kapacita sekundární cívky:

Sekundární kapacita (pf) = (0,29 × výška vinutí sekundárního drátu + (0,41 × (průměr sekundárního tvaru ∕ 2)) + (1,94 × sqrt ((((průměr sekundárního tvaru ∕ 2) 3) ∕ výška navíjení sekundárního drátu))

Csec = 8,2778 pF;

Je také zajímavé znát (parazitní) kapacitu cívky. Zde je také vzorec v obecném případě komplikovaný. Použijeme hodnotu získanou JAVATC („Efektivní bočníková kapacita“bez špičkového zatížení):

Cres = 6,8 pF

Proto pro sekundární obvod:

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

Lsec = 20,853 mH

Výsledky laboratorních experimentů:

Postup testování a výsledky testování viz obrázky výše.

Krok 8: Ladění rezonance

Nastavení primárního a sekundárního obvodu na rezonanci, aby sdílely stejnou rezonanční frekvenci, má zásadní význam pro dobrý provoz.

Odezva obvodu RLC je nejsilnější, když je poháněna jeho rezonanční frekvencí. V dobrém obvodu RLC intenzita odezvy prudce klesá, když se hnací frekvence odchýlí od rezonanční hodnoty.

Naše rezonanční frekvence = 267,47 kHz.

Metody ladění:

Ladění se obecně provádí úpravou primární indukčnosti, jednoduše proto, že je to nejjednodušší součást, kterou lze upravit. Jelikož má tento induktor široké závity, je snadné upravit jeho vlastní indukčnost poklepáním na koncový konektor na určitém místě ve spirále.

Nejjednodušší metodou, jak dosáhnout této úpravy, je pokus-omyl. Za tímto účelem člověk začne klepat na primární v bodě údajně blízkém rezonančnímu, rozsvítí cívku a vyhodnotí délku oblouku. Poté se spirála poklepá o čtvrtinu otáčky dopředu/dozadu a člověk znovu vyhodnotí výsledek. Po několika pokusech lze pokračovat menšími kroky a nakonec získat bod odběru, kde je délka oblouku nejvyšší. Obvykle toto poklepání

bod skutečně nastaví primární indukčnost, protože oba obvody jsou na rezonanci.

Přesnější metoda by zahrnovala analýzu individuální odezvy obou obvodů (samozřejmě ve spojené konfiguraci, tj. Bez fyzického oddělení obvodů) pomocí generátoru signálu a osciloskopu.

Oblouky samy mohou produkovat nějakou extra kapacitu. Doporučuje se proto nastavit primární rezonanční frekvenci o něco nižší než sekundární, aby se to kompenzovalo. To je však patrné pouze u výkonných cívek Tesla (které mohou vytvářet oblouky delší než 1 m).

Krok 9: Napětí na sekundární jiskře

Paschenův zákon je rovnice, která udává průrazné napětí, tj. Napětí potřebné ke spuštění výboje nebo elektrického oblouku, mezi dvěma elektrodami v plynu v závislosti na tlaku a délce mezery.

Bez podrobného výpočtu pomocí složitého vzorce vyžaduje za normálních podmínek 3,3 MV ionizaci 1 m vzduchu mezi dvěma elektrodami. V našem případě máme oblouky asi 10-13 cm, takže to bude mezi 340 KV a 440 KV.

Krok 10: Šaty Faraday Cage

Faradayova klec nebo Faradayův štít je kryt používaný k blokování elektromagnetických polí. Faradayův štít může být tvořen souvislým zakrytím vodivým materiálem nebo v případě Faradayovy klece pletivem z těchto materiálů.

Navrhli jsme čtyři vrstvy, uzemněné, nositelné klece faraday, jak je znázorněno na obrázku (použité materiály: hliník, bavlna, kůže). Můžete to také vyzkoušet vložením mobilního telefonu dovnitř, ztratí signál, nebo jej umístíte před cívku tesla a dáte do klece nějaké neonové lampy, které se nerozsvítí, pak byste jej mohli nasadit a vyzkoušet.

Krok 11: Dodatky a reference

Krok 12: Sestavení primární cívky

Krok 13: Testování NST

Krok 14: Sestavení primární cívky