Teslin zavojnica s iskrom: 14 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:05

Ovo je vodič o tome kako izgraditi Spark Gap Tesla zavojnicu s Faradayevom haljinom u kavezu.

Za ovaj projekt meni i mom timu (3 studenta) trebalo je 16 radnih dana, košta oko 500 USD, uvjeravam vas da neće uspjeti od prvog puta:), najvažniji dio je da morate razumjeti svu teoriju koja stoji iza i znati kako se nositi sa komponentama koje odaberete.

U ovom uputstvu ću vas provesti kroz svu teoriju koja stoji iza, koncepte, formule, korak po korak izgradnju svih dijelova. Ako želite napraviti manje ili veće zavojnice, koncept i formule će biti isti.

Uslovi za ovaj projekat:

- Poznavanje: elektrike, elektronike, elektromagnetne i laboratorijske opreme

- Osciloskop

- transformator sa neonskim znakom; 220V do 9kV

- Kondenzatori visokog napona

- Bakarni kabeli ili bakrene cijevi

- Drvo za izgradnju vaše šasije

- PVC cijev za sekundarnu zavojnicu

- Fleksibilna metalna cijev za Toroid

- Mali električni ventilator od 220V za iskrenje

- Aluminijski papiri i mreža za Faradayevu haljinu u kavezu

- Izolirane žice za sekundar

- Neonske lampe

- Regulator napona ako nemate stabilnih 220VAC

- Priključak na masu

- Mnogo strpljenja

Korak 1: Uvod u Teslin zavojnicu sa Spark Gap -om

Teslina zavojnica je rezonantni transformator koji sadrži primarno i sekundarno LC kolo. Dizajnirao pronalazač Nikola Tesla 1891. godine, dva LC kola su slabo spojena. Napajanje se dovodi u primarni krug putem pojačanog transformatora, koji puni kondenzator. Na kraju će se napon na kondenzatoru dovoljno povećati da skrati iskrište. Kondenzator će se isprazniti kroz svjećicu u primarnu zavojnicu. Energija će oscilirati naprijed-natrag između primarnog kondenzatora i induktora primarne zavojnice na visokim frekvencijama (obično 50 kHz-2 MHz). Primarna zavojnica je spojena na induktor u sekundarnom krugu, koji se naziva sekundarna zavojnica. Na vrh sekundarne zavojnice pričvršćeno je gornje opterećenje koje osigurava kapacitet za sekundarno LC kolo. Kako oscilira primarni krug, inducira se snaga u sekundarnom namotaju gdje se napon množi više puta. Polje visokog napona i male struje razvija se oko gornjeg opterećenja i lukova pražnjenja u slatkom prikazu veličanstvenosti. Primarni i sekundarni LC krug moraju oscilirati na istoj frekvenciji kako bi se postigao maksimalni prijenos snage. Krugovi u zavojnici obično su "podešeni" na istu frekvenciju podešavanjem induktivnosti primarne zavojnice. Tesline zavojnice mogu proizvesti izlazni napon od 50 kilovolti do nekoliko miliona volti za velike zavojnice.

Korak 2: Teorija

Ovaj odjeljak će obuhvatiti cjelovitu teoriju rada konvencionalne Tesline zavojnice. Smatrat ćemo da su primarno i sekundarno kolo RLC kola sa malim otporom, što je u skladu sa stvarnošću.

Iz gore navedenih razloga, unutrašnji otpor komponente nije predstavljen. Također ćemo zamijeniti strujno ograničeni transformator. To nema utjecaja na čistu teoriju.

Imajte na umu da su neki dijelovi sekundarnog kola iscrtani isprekidanim linijama. To je zato što nisu izravno vidljivi na aparatu. Što se tiče sekundarnog kondenzatora, vidjet ćemo da je njegov kapacitet zapravo raspodijeljen, a gornje opterećenje je samo "jedna ploča" ovog kondenzatora. Što se tiče sekundarnog razmaka iskri, on je prikazan na shemi kao način da se predstavi gdje će se lukovi postaviti.

Ovaj prvi korak ciklusa je punjenje primarnog kondenzatora od strane generatora. Pretpostavit ćemo da je njegova frekvencija 50 Hz. Budući da je generator (NST) ograničen strujom, kapacitet kondenzatora mora se pažljivo odabrati kako bi se potpuno napunio za točno 1/100 sekundi. Zaista, napon generatora mijenja se dva puta u razdoblju, a u sljedećem ciklusu će ponovno napuniti kondenzator suprotnog polariteta, što apsolutno ništa ne mijenja u radu Tesline zavojnice.

Kad se kondenzator potpuno napuni, iskrište se aktivira i stoga zatvara primarni krug. Poznavajući intenzitet proboja električnog polja zraka, širina svjećice mora biti postavljena tako da se aktivira točno kada napon na kondenzatoru dostigne svoju najveću vrijednost. Ovdje se završava uloga generatora.

Sada imamo potpuno opterećen kondenzator u LC kolu. Struja i napon će tako oscilirati na rezonantnoj frekvenciji kola, kao što je ranije pokazano. Ova frekvencija je vrlo visoka u usporedbi s mrežnom frekvencijom, općenito između 50 i 400 kHz.

Primarni i sekundarni krug su magnetski povezani. Oscilacije koje se dešavaju u primarnoj će inducirati elektromotornu silu u sekundarnoj. Kako se energija primarne izbacuje u sekundarnu, amplituda oscilacija u primarnoj će se postupno smanjivati, dok će se ona sekundarne pojačavati. Ovaj prijenos energije vrši se magnetskom indukcijom. Konstanta sprezanja k između dva kruga namjerno se održava niskom, općenito između 0,05 i 0,2.

Oscilacije u primarnom će tako djelovati pomalo kao generator izmjeničnog napona postavljen u nizu na sekundarnom krugu.

Da bi se proizveo najveći izlazni napon, primarno i sekundarno podešeno kolo podešeno je na međusobnu rezonanciju. Budući da sekundarni krug obično nije podesiv, to se općenito postiže podesivim slavinom na primarnoj zavojnici. Da su dvije zavojnice odvojene, rezonantne frekvencije primarnog i sekundarnog kola bile bi određene induktivitetom i kapacitetom u svakom krugu

Korak 3: Raspodjela kapaciteta unutar sekundarnog kola

Sekundarni kapacitet Cs je zaista važan kako bi tesla zavojnica radila, kapacitet sekundarne zavojnice neophodan je za proračune rezonantne frekvencije, ako ne uzmete u obzir sve parametre nećete vidjeti iskru. Ovaj kapacitet se sastoji od mnogih doprinosa i teško ga je izračunati, ali razmotrit ćemo njegove glavne komponente.

Gornje opterećenje - uzemljenje.

Najveći dio sekundarnog kapaciteta dolazi od gornjeg opterećenja. Zaista, imamo kondenzator čije su "ploče" gornje opterećenje i uzemljenje. Možda bi bilo iznenađujuće da je ovo zaista kondenzator jer su ove ploče spojene sekundarnom zavojnicom. Međutim, njihova impedancija je prilično visoka pa zapravo postoji prilično velika razlika među njima. Ct ćemo nazvati ovim doprinosom.

Okretaji sekundarne zavojnice.

Drugi veliki doprinos dolazi od sekundarne zavojnice. Sastoji se od mnogih susjednih zavoja emajlirane bakrene žice, pa se njegova induktivnost distribuira po cijeloj dužini. To implicira da postoji mala razlika u potencijalu između dva susjedna zavoja. Zatim imamo dva vodiča s različitim potencijalom, odvojena dielektrikom: drugim riječima, kondenzator. Zapravo, postoji kondenzator sa svakim parom žica, ali njegov kapacitet opada s udaljenošću, pa se kapacitet može smatrati dobrom aproksimacijom samo između dva susjedna zavoja.

Nazovimo Cb ukupnim kapacitetom sekundarne zavojnice.

Zapravo, nije potrebno imati najveće opterećenje na Teslinoj zavojnici, jer će svaka sekundarna zavojnica imati svoj kapacitet. Međutim, da je gornje opterećenje ključno za stvaranje lijepih iskri.

Postojat će dodatni kapacitet okolnih objekata. Ovaj kondenzator nastaje gornjim opterećenjem s jedne strane i vodljivim predmetima (zidovi, vodovodne cijevi, namještaj itd.) S druge strane.

Kondenzator ovih vanjskih faktora nazvat ćemo Ce.

Kako su svi ti "kondenzatori" paralelni, ukupni kapacitet sekundarnog kola bit će dat sa:

Cs = Ct + Cb + Ce

Korak 4: Koncepcija i izgradnja

U našem slučaju koristili smo automatski regulator napona za održavanje ulaznog napona za NST na 220V

I sadrži ugrađeni mrežni filter naizmjenične struje (YOKOMA ELECTRIC WORKS., LTD. U japanskom modelu AVR-2)

Ovaj instrument se može naći u rentgenskim aparatima ili kupiti direktno sa tržišta.

Visokonaponski transformator najvažniji je dio aTesla zavojnice. To je jednostavno indukcijski transformator. Njegova je uloga napuniti primarni kondenzator na početku svakog ciklusa. Osim snage, njegova robusnost je vrlo važna jer mora izdržati izvanredne radne uvjete (ponekad je potreban zaštitni filter).

Transformator neonskih znakova (NST) koji koristimo za našu tesla zavojnicu, karakteristike (rms vrijednosti) su sljedeće:

Vout = 9000 V, Iout = 30 mA

Izlazna struja je, zapravo, 25mA, 30mA je vrhunac koji pada nakon uključivanja na 25 mA.

Sada možemo izračunati njegovu snagu P = V I, što će biti korisno za postavljanje globalnih dimenzija Teslinog svitka, kao i okvirnu ideju o duljini iskri.

P = 225 W (za 25 mA)

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

Korak 5: Primarno kolo

Kondenzator:

Uloga primarnog kondenzatora je pohranjivanje određene količine naboja za nadolazeći ciklus, kao i formiranje LC kola zajedno s primarnim induktorom.

Primarni kondenzator obično je napravljen od nekoliko desetina čepova ožičenih u serijskoj / paralelnoj konfiguraciji pod nazivom Multi-Mini kondenzator (MMC)

Primarni kondenzator koristi se s primarnom zavojnicom za stvaranje primarnog LC kruga. Kondenzator rezonantne veličine može oštetiti NST, pa se toplo preporučuje kondenzator veće veličine od rezonantne (LTR). LTR kondenzator također će isporučiti najveću snagu kroz Teslin zavojnik. Za različite primarne praznine (statički nasuprot rotacionoj sinhronizaciji) bit će potrebni primarni kondenzatori različite veličine.

Cres = Primarni rezonantni kapacitet (uF) = 1 ∕ (2 * π * NST Impedansa * NST Fin) = 1/ (2 * π * 360 000 * 50) = 8.8419nF

CLTR = Primarna veća rezonancija (LTR) Statički kapacitet (uF) = Primarni rezonantni kapacitet × 1,6

= 14.147nF

(ovo se može malo razlikovati od aproksimacije do druge, preporučeni koeficijent 1,6-1,8)

Koristili smo 2000V 100nF kondenzatore, Nb = Cunit/Cequiv = 100nF/0.0119 uF = 9 kondenzatora. Dakle, za točno 9 čepova imamo Ceq = 0,0111uF = MMC kapacitet.

Razmislite o povezivanju otpornika od 10 MOhms velike snage paralelno sa svakim kondenzatorom radi sigurnosti.

Induktivnost:

Uloga primarnog induktora je generiranje magnetskog polja koje se ubrizgava u sekundarno kolo, kao i formiranje LC kola s primarnim kondenzatorom. Ova komponenta mora moći transportirati jaku struju bez velikih gubitaka.

Za primarnu zavojnicu moguće su različite geometrije. U našem slučaju prilagodit ćemo spiralu s ravnim lukom kao primarnu zavojnicu. Ova geometrija prirodno dovodi do slabije sprege i smanjuje rizik od luka u primarnoj: stoga je poželjnija na snažnim zavojnicama. Međutim, prilično je uobičajen u zavojnicama manje snage zbog svoje jednostavnosti konstrukcije. Povećanje spojke moguće je spuštanjem sekundarne zavojnice u primarnu.

Neka je W širina spirale koju daje W = Rmax - Rmin i R njen srednji radijus, odnosno R = (Rmax + Rmin)/2, oboje izraženo u centimetrima. Ako zavojnica ima N zavoja, empirijska formula koja daje svoju induktivnost L u mikrohenrijima je:

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

Za oblik spirale Ako R nazivamo radijusom spirale, H njegovu visinu (oba u centimetrima) i N njen broj zavoja, empirijska formula koja daje svoju induktivnost L u mikrohenrisima je: Lhelic = (0,374 (NR)^2) /(9R+10H).

Ovo su mnoge formule koje možete koristiti i provjeriti, one će dati bliske rezultate, najtačniji način je korištenje osciloskopa i mjerenje frekvencijskog odziva, ali formule su također potrebne za izgradnju zavojnice. Također možete koristiti simulacijski softver poput JavaTC -a.

Formula 2 za ravni oblik: L = [0,25*N^2*(D1+N*(W+S))^2]/[15*(D1+N*(W+S))+11*D1]

gdje N: broj zavoja, W: promjer žice u inčima, S: razmak žica u inčima, D1: unutarnji promjer u inčima

Ulazni podaci moje Tesla zavojnice:

Unutrašnji radijus: 4,5 inča, 11,2 okreta, razmak 0,25 inča, promjer žice = 6 mm, vanjski radijus = 7,898 inča.

L koristeći formulu 2 = 0,03098 mH, iz JavaTC = 0,03089 mH

Prema tome, primarna frekvencija: f1 = 271,6 KHz (L = 0,03089 mH, C = 0,0111MFD)

Laboratorijsko iskustvo (podešavanje primarne frekvencije)

i dobili smo rezonanciju na 269-271KHz, što potvrđuje proračun, pogledajte slike.

Korak 6: Spark Gap

Funkcija svjećice je zatvaranje primarnog LC kruga kada je kondenzator dovoljno napunjen, dopuštajući tako slobodne oscilacije unutar kruga. Ovo je komponenta od najveće važnosti u Teslinoj zavojnici jer će njena učestalost zatvaranja/otvaranja imati značajan utjecaj na krajnji izlaz.

Idealni razmak svjećica mora se aktivirati samo kad je napon na kondenzatoru maksimalan i ponovno se otvoriti tek kad padne na nulu. Ali to naravno nije slučaj u pravoj iskre, ponekad se ne pali kada bi trebao ili nastavlja paliti kad je napon već opao;

Za naš projekt koristili smo statičku svjećicu s dvije sferne elektrode (izrađene pomoću dvije ručke ladica) koje smo dizajnirali ručno. A može se podesiti i ručno rotiranjem sfernih glava.

Korak 7: Sekundarni krug

Zavojnica:

Funkcija sekundarnog svitka je dovoditi induktivnu komponentu u sekundarni LC krug i prikupljati energiju primarnog svitka. Ovaj induktor je solenoid sa zračnim punjenjem, općenito ima između 800 i 1500 usko namotanih susjednih zavoja. Kako bi se izračunao broj zavoja koji su namotani, ova brza formula će izbjeći određeni brzi posao:

Širina žice 24 = 0,05 cm, prečnik PVC -a 4 inča, broj zavoja = 1100 šiljaka, potrebna visina = 1100 x 0,05 = 55 cm = 21,6535 inča. => L = 20,853 mH

gdje je H visina zavojnice, a d promjer upotrijebljene žice. Drugi važan parametar je dužina l koja nam je potrebna za izradu cijele zavojnice.

L = µ*N^2*A/H. Gdje µ predstavlja magnetsku propusnost medija (≈ 1,257 · 10−6 N/A^2 za zrak), N broj zavoja solenoida, H njegovu ukupnu visinu, a A područje zavoja.

Gornje opterećenje:

Gornje opterećenje djeluje kao gornja "ploča" kondenzatora koju tvore gornje opterećenje i masa. Dodaje kapacitet sekundarnom LC kolu i nudi površinu od koje se mogu formirati lukovi. U stvari, moguće je pokrenuti Teslin zavojnik bez najvećeg opterećenja, ali performanse u smislu dužine luka često su loše, jer se većina energije rasipa između zavoja sekundarne zavojnice umjesto da napaja iskre.

Toroid kapacitet 1 = ((1+ (0,2781 - Promjer prstena ∕ (ukupni promjer))) × 2,8 × sqrt ((pi × (Ukupni promjer × Promjer prstena)) ∕ 4))

Toroidni kapacitet 2 = (1,28 - Promjer prstena ∕ Ukupni promjer) × sqrt (2 × pi × Promjer prstena × (Ukupni promjer - Promjer prstena))

Toroidni kapacitet 3 = 4,43927641749 × ((0,5 × (Promjer prstena × (Ukupni promjer - Promjer prstena))) ^0,5)

Prosječni kapacitet toroida = (kapacitet toroida 1 + kapacitet toroida 2 + kapacitet toroida 3) ∕ 3

Dakle, za naš toroid: unutrašnji promjer 4”, vanjski promjer = 13”, razmak od kraja sekundarnog namota = 5 cm.

C = 13.046 pf

Kapacitet sekundarne zavojnice:

Sekundarni kapacitet (pf) = (0,29 × Visina namota sekundarne žice + (0,41 × (Promjer sekundarnog oblika ∕ 2)) + (1,94 × sqrt (((Promjer sekundarnog oblika ∕ 2) 3) ∕ Visina namota sekundarne žice))

Csec = 8,2787 pF;

Zanimljivo je znati i (parazitski) kapacitet zavojnice. Ovdje je formula također komplicirana u općem slučaju. Koristit ćemo vrijednost koju daje JAVATC ("Efektivni kapacitivni kapacitet" bez gornjeg opterećenja):

Cres = 6,8 pF

Stoga, za sekundarni krug:

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

Lsec = 20,853 mH

Rezultati laboratorijskih eksperimenata:

Pogledajte gornje slike za postupak testiranja i rezultate ispitivanja.

Korak 8: Podešavanje rezonancije

Postavljanje primarnog i sekundarnog kola na rezonanciju, kako bi imali istu rezonantnu frekvenciju, od primarne je važnosti za dobar rad.

Odziv RLC kruga je najjači kada se pokreće svojom rezonantnom frekvencijom. U dobrom RLC kolu, intenzitet odziva naglo pada kada se frekvencija vožnje udalji od rezonantne vrijednosti.

Naša rezonantna frekvencija = 267,47 kHz.

Metode ugađanja:

Ugađanje se općenito vrši podešavanjem primarnog induktiviteta, jednostavno zato što je to najjednostavnija komponenta za mijenjanje. Kako ovaj induktor ima široke zavoje, lako je izmijeniti njegovu samoinduktivnost dodirom krajnjeg konektora na određenom mjestu u spirali.

Najjednostavniji način za postizanje ovog prilagođavanja je pokušaj i greška. Za to se počinje dodirivati primar u točki koja je navodno blizu rezonantne, pali zavojnicu i procjenjuje dužinu luka. Zatim se spirala lupka četvrtinom okreta naprijed/nazad i jedna ponovno procjenjuje rezultat. Nakon nekoliko pokušaja, možete nastaviti s manjim koracima i konačno ćete dobiti točku dodira gdje je dužina luka najveća. Uobičajeno, ovo tapkanje

točka će zaista postaviti primarni induktivitet, jer su oba kruga u rezonanciji.

Preciznija metoda uključivala bi analizu individualnog odziva oba kruga (u spregnutoj konfiguraciji, naravno, bez fizičkog razdvajanja krugova) pomoću generatora signala i osciloskopa.

Sami lukovi mogu proizvesti dodatni kapacitet. Stoga se savjetuje da primarna rezonantna frekvencija bude nešto niža od sekundarne, kako bi se to kompenziralo. Međutim, to je primjetno samo kod moćnih Teslinih zavojnica (koje mogu proizvesti lukove duže od 1m).

Korak 9: Napon na sekundarnoj iskre

Pašenov zakon je jednadžba koja daje probojni napon, odnosno napon potreban za pokretanje pražnjenja ili električnog luka, između dvije elektrode u plinu u funkciji pritiska i dužine razmaka.

Bez detaljnog izračunavanja pomoću složene formule, za normalne uslove potrebno je 3,3 MV za joniziranje 1 m zraka između dvije elektrode. U našem slučaju imamo lukove oko 10-13 cm pa će biti između 340KV i 440KV.

Korak 10: Faradayeva haljina u kavezu

Faradayev kavez ili Faradayev štit je kućište koje se koristi za blokiranje elektromagnetskih polja. Faradayev štit može biti oblikovan kontinuiranim prekrivanjem vodljivog materijala ili, u slučaju Faradayevog kaveza, mrežom od takvih materijala.

Dizajnirali smo četiri sloja, uzemljeni, nosivi faraday kavez kao što je prikazano na slici (korišteni materijali: aluminij, pamuk, koža). Možete ga isprobati i stavljanjem mobilnog telefona unutra, izgubit će signal ili postavljanjem ispred zavojnice tesla i stavljanjem nekoliko neonskih svjetiljki u kavez, neće se osvijetliti, pa ga možete staviti i isprobati.

Korak 11: Dodaci i reference

Korak 12: Izgradnja primarne zavojnice

Korak 13: Testiranje NST -a

Korak 14: Izgradnja primarne zavojnice