Spark Gap Tesla tekercs: 14 lépés

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:40

Ez egy oktatóanyag arról, hogyan lehet Spark Gap Tesla tekercset építeni Faraday ketrec ruhájával.

Ez a projekt nekem és a csapatomnak (3 diák) 16 munkanapot vett igénybe, körülbelül 500 USD -ba kerül, biztosítom Önöket, hogy nem fog működni az első alkalommal:), a legfontosabb az, hogy meg kell értenie a mögöttes elméletet és tudja, hogyan kell kezelni a kiválasztott összetevőket.

Ebben a tanulságosban végigvezetlek minden mögöttes elméleten, a fogalmakon, a képleteken, lépésről lépésre építve az összes részt. Ha kisebb vagy nagyobb tekercseket szeretne építeni, akkor a koncepció és a képletek ugyanazok lesznek.

A projektre vonatkozó követelmények:

- Ismeretek: Elektromos, elektronikai, elektromágneses és laboratóriumi berendezések

- Oszcilloszkóp

- Neon feliratú transzformátor; 220V -tól 9kV -ig

- Nagyfeszültségű kondenzátorok

- Rézkábelek vagy rézcsövek

- Fa az alváz építéséhez

- PVC cső a másodlagos tekercshez

- Rugalmas fémcső a Toroid számára

- Egy kis 220 V -os elektromos ventilátor a szikraközhöz

- Alumínium papírok és háló a Faraday ketrec ruhájához

- Szigetelt vezetékek a másodlagoshoz

- Neon lámpák

- Feszültségszabályozó, ha nincs stabil 220VAC

- Csatlakozás a földhöz

- Sok türelmet

1. lépés: Bevezetés a Spark Gap Tesla tekercsbe

A Tesla tekercs egy rezonancia transzformátor, amely primer és szekunder LC áramkört tartalmaz. A Nikola Tesla feltaláló által 1891 -ben tervezett két LC áramkör lazán össze van kapcsolva. Az áramellátás az elsődleges áramkörhöz egy fokozó transzformátoron keresztül történik, amely kondenzátort tölt fel. Végül a kondenzátor feszültsége eléggé megnő, hogy rövidre zárja a szikraközöket. A kondenzátor a szikraközön keresztül kisül a primer tekercsbe. Az energia ide-oda ingadozik az elsődleges kondenzátor és a primer tekercs induktor között magas frekvenciákon (jellemzően 50 kHz-2 MHz). Az elsődleges tekercs a szekunder áramkörben lévő induktorhoz van csatlakoztatva, amelyet másodlagos tekercsnek neveznek. A másodlagos tekercs tetejéhez egy felső terhelés kapcsolódik, amely kapacitást biztosít a másodlagos LC áramkör számára. Ahogy az elsődleges áramkör oszcillál, a szekunder tekercsben teljesítmény keletkezik, ahol a feszültség sokszorosára nő. Nagyfeszültségű, alacsony áramerősségű mező alakul ki a legnagyobb terhelés és a villámcsapás körül, az édesség édes megjelenítésében. Az elsődleges és másodlagos LC áramkörnek azonos frekvencián kell oszcillálnia a maximális teljesítményátvitel elérése érdekében. A tekercsben lévő áramköröket általában azonos frekvenciára "hangolják" az elsődleges tekercs induktivitásának beállításával. A Tesla tekercsek 50 kilovolt és több millió volt közötti kimeneti feszültséget termelhetnek nagy tekercsek esetén.

2. lépés: Elmélet

Ez a szakasz a hagyományos Tesla tekercs működésének teljes elméletét tárgyalja. Úgy véljük, hogy az elsődleges és másodlagos áramkörök alacsony ellenállású RLC áramkörök, amelyek megfelelnek a valóságnak.

A fent említett okok miatt az alkatrész belső ellenállása nem képviselteti magát. Az áramkorlátozott transzformátort is kicseréljük. Ennek nincs hatása a tiszta elméletre.

Vegye figyelembe, hogy a másodlagos áramkör egyes részei szaggatott vonallal vannak rajzolva. Ez azért van, mert nem láthatók közvetlenül a készüléken. Ami a másodlagos kondenzátort illeti, látni fogjuk, hogy a kapacitása ténylegesen eloszlik, a felső terhelés csak ennek a kondenzátornak az "egylemeze". Ami a másodlagos szikraközöket illeti, a vázlatban az ívhelyek megjelenítésének módja látható.

A ciklus első lépése a primer kondenzátor feltöltése a generátor által. Feltételezzük, hogy frekvenciája 50 Hz. Mivel a generátor (NST) áramkorlátozott, a kondenzátor kapacitását gondosan kell megválasztani, hogy pontosan 1/100 másodperc alatt teljesen fel legyen töltve. Valóban, a generátor feszültsége időszakonként kétszer változik, és a következő ciklusban újra feltölti a kondenzátort ellentétes polaritással, ami egyáltalán nem változtat a Tesla tekercs működésén.

Amikor a kondenzátor teljesen fel van töltve, a szikraköz kigyullad, és ezért lezárja a primer kört. A lebontó elektromos levegő erősségének ismeretében a szikraköz szélességét úgy kell beállítani, hogy pontosan akkor lőjön, amikor a feszültség a kondenzátoron eléri a csúcsértékét. A generátor szerepe itt véget ér.

Most van egy teljesen feltöltött kondenzátorunk egy LC áramkörben. Az áram és a feszültség tehát rezegni fog az áramkörök rezonanciafrekvenciáján, amint azt korábban is bemutattuk. Ez a frekvencia nagyon magas a hálózati frekvenciához képest, általában 50 és 400 kHz között van.

Az elsődleges és másodlagos áramkörök mágnesesen vannak kapcsolva. Az elsődleges rezgések tehát elektromotoros erőt indukálnak a másodlagosban. Amint a primer energiája a szekunderbe kerül, az elsődleges rezgéseinek amplitúdója fokozatosan csökken, míg a másodlagosé erősödik. Ez az energiaátvitel mágneses indukción keresztül történik. A k kapcsolási állandó a két áramkör között szándékosan alacsony, általában 0,05 és 0,2 között van.

Az elsődleges rezgések így egy kicsit úgy működnek, mint a szekunder áramkörön sorba helyezett váltakozó feszültséggenerátor.

A legnagyobb kimeneti feszültség előállításához az elsődleges és a másodlagos hangolt áramköröket egymáshoz való rezonanciára állítják be. Mivel a szekunder kör általában nem állítható, ezt általában az elsődleges tekercs állítható csapjával lehet elvégezni. Ha a két tekercs külön lenne, az elsődleges és a másodlagos áramkör rezonanciafrekvenciáját az egyes áramkörök induktivitása és kapacitása határozná meg

3. lépés: A kapacitás elosztása a másodlagos áramkörön belül

A Cs másodlagos kapacitás valóban fontos a tesla tekercs működéséhez, a másodlagos tekercs kapacitása szükséges a rezonanciafrekvencia számításához, ha nem veszi figyelembe az összes paramétert, nem lát szikrát. Ez a kapacitás sok hozzájárulásból áll, és nehéz kiszámítani, de megvizsgáljuk annak fő összetevőit.

Felső terhelés - talaj.

A másodlagos kapacitás legnagyobb része a felső terhelésből származik. Valóban van egy kondenzátorunk, amelynek "lemezei" a felső terhelés és a talaj. Meglepő lehet, hogy ez valóban kondenzátor, mivel ezek a lemezek a másodlagos tekercsen keresztül vannak csatlakoztatva. Azonban az impedanciája meglehetősen magas, így valójában meglehetősen potenciális különbség van közöttük. Ezt a hozzájárulást Ct -nek fogjuk nevezni.

A másodlagos tekercs fordulatai.

A másik nagy hozzájárulás a másodlagos tekercsből származik. Zománcozott rézhuzal sok szomszédos fordulatából készül, ezért induktivitása eloszlik a hosszában. Ez azt jelenti, hogy van egy kis potenciális különbség a két szomszédos kanyar között. Ekkor két különböző potenciálú vezetékünk van, amelyeket dielektrikum választ el: egy kondenzátor, más szóval. Valójában minden vezetékpárban van egy kondenzátor, de kapacitása a távolsággal csökken, ezért csak két szomszédos fordulat közötti kapacitást tekinthetjük jó közelítésnek.

Nevezzük Cb -t a másodlagos tekercs teljes kapacitásának.

Valójában nem kötelező a Tesla tekercs felső terhelése, mivel minden másodlagos tekercs saját kapacitással rendelkezik. Azonban a felső terhelés elengedhetetlen a gyönyörű szikrákhoz.

A környező objektumokból további kapacitás lesz. Ezt a kondenzátort az egyik oldal felső terhelése és a másik oldalon vezető tárgyak (falak, vízvezeték csövek, bútorok stb.) Képezik.

Ezeknek a külső tényezőknek a kondenzátorát nevezzük Ce.

Mivel ezek a "kondenzátorok" párhuzamosan vannak elhelyezve, a másodlagos áramkör teljes kapacitását a következők határozzák meg:

Cs = Ct + Cb + Ce

4. lépés: Koncepció és kivitelezés

Esetünkben egy automatikus feszültségszabályozót használtunk, hogy az NST feszültséget 220 V -on tartsuk

És tartalmaz egy beépített váltóáramú szűrőt (YOKOMA ELECTRIC WORKS., LTD. Japánban-AVR-2 modell)

Ez a műszer megtalálható a röntgengépekben, vagy közvetlenül a piacon vásárolható meg.

A nagyfeszültségű transzformátor az aTesla tekercs legfontosabb része. Ez egyszerűen egy indukciós transzformátor. Szerepe az elsődleges kondenzátor feltöltése minden ciklus elején. Erőssége mellett nagyon fontos a robusztussága, mivel ellenáll a szörnyű működési feltételeknek (néha védőszűrő szükséges).

A teson tekercshez használt neon feliratok transzformátor (NST) jellemzői (effektív értékek) a következők:

Vout = 9000 V, Iout = 30 mA

A kimeneti áram valójában 25 mA, 30 mA a csúcs, amely 25 mA -ra csökken az indítás után.

Most kiszámíthatjuk a teljesítményét P = V I, ami hasznos lesz a Tesla tekercs globális méreteinek beállításához, valamint a szikrák hosszának hozzávetőleges elképzeléséhez.

P = 225 W (25 mA esetén)

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

5. lépés: Elsődleges áramkör

Kondenzátor:

Az elsődleges kondenzátor szerepe bizonyos mennyiségű töltés tárolására a következő ciklusban, valamint LC áramkör kialakítása a primer induktorral együtt.

Az elsődleges kondenzátor általában több tucat kupakból készül, amelyek soros / párhuzamos konfigurációban vannak, úgynevezett Multi-Mini kondenzátor (MMC)

Az elsődleges kondenzátort az elsődleges tekerccsel használják az elsődleges LC áramkör létrehozásához. A rezonancia méretű kondenzátor károsíthatja az NST -t, ezért erősen ajánlott a nagyobb, mint a rezonancia (LTR) méretű kondenzátor. Az LTR kondenzátor a Tesla tekercsen keresztül biztosítja a legtöbb energiát. A különböző primer résekhez (statikus és szinkron forgó) különböző méretű elsődleges kondenzátorokra lesz szükség.

Cres = Elsődleges rezonancia kapacitás (uF) = 1 ∕ (2 * π * NST impedancia * NST Fin) = 1/ (2 * π * 360 000 * 50) = 8.8419nF

CLTR = Elsődleges nagyobb, mint a rezonancia (LTR) Statikus kapacitás (uF) = Elsődleges rezonanciakapacitás × 1,6

= 14,147 nF

(ez kissé eltérhet a közelítéstől a másikhoz, az ajánlott együttható 1,6-1,8)

2000V 100nF kondenzátort használtunk, Nb = Cunit/Cequiv = 100nF/0,0119 uF = 9 kondenzátor. Tehát pontosan 9 sapka esetén Ceq = 0,0111uF = MMC kapacitás.

Gondoljon a nagy teljesítményű, 10MOhm ellenállások párhuzamos csatlakoztatására minden kondenzátorhoz a biztonság érdekében.

Induktivitás:

Az elsődleges induktivitás szerepe mágneses mező létrehozása, amelyet be kell fecskendezni a szekunder körbe, valamint LC áramkör kialakítása a primer kondenzátorral. Ennek az alkatrésznek képesnek kell lennie erős áram szállítására túlzott veszteségek nélkül.

Az elsődleges tekercshez különböző geometriák lehetségesek. Esetünkben a lapos íves spirált elsődleges tekercsként alakítjuk ki. Ez a geometria természetesen gyengébb csatoláshoz vezet, és csökkenti az elsődleges ív ívelésének kockázatát: ezért előnyös az erős tekercseknél. Ez azonban meglehetősen gyakori az alacsonyabb teljesítményű tekercsekben az egyszerű felépítés érdekében. A tengelykapcsoló növelése úgy lehetséges, hogy a szekunder tekercset leengedi az elsődlegesbe.

Legyen W a spirál szélessége, amelyet W = Rmax - Rmin ad, és R az átlagos sugara, azaz R = (Rmax + Rmin)/2, mindkettő centiméterben kifejezve. Ha a tekercs N fordulattal rendelkezik, akkor egy empirikus képlet, amely L induktivitását adja a mikrohenriákban:

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

A hélix alakja Ha R spirál sugarának, H magasságát (centiméterben) és N fordulatszámának nevezzük, egy empirikus képlet, amely L induktivitását adja mikrohenriákban: Lhelic = (0,374 (NR)^2) /(9R+10H).

Ez sok képlet, amelyeket használhat és ellenőrizhet, közeli eredményeket adnak, a legpontosabb módszer az oszcilloszkóp használata és a frekvenciaválasz mérése, de a képletek a tekercs felépítéséhez is szükségesek. Használhat olyan szimulációs szoftvereket is, mint a JavaTC.

2. képlet a lapos formához: L = [0.25*N^2*(D1+N*(W+S))^2]/[15*(D1+N*(W+S))+11*D1]

ahol N: fordulatok száma, W: huzalátmérő hüvelykben, S: huzalközök hüvelykben, D1: belső átmérő hüvelykben

A Tesla tekercs bemeneti adatai:

Belső sugár: 4,5 hüvelyk, 11,2 fordulat, 0,25 hüvelyk távolság, huzalátmérő = 6 mm, külső sugár = 7,898 hüvelyk.

L a 2. képlet segítségével = 0.03098mH, a JavaTC -ból = 0.03089mH

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

Laboratóriumi tapasztalat (elsődleges frekvenciahangolás)

és rezonanciát kaptunk 269-271KHz-en, amelyek igazolják a számítást, lásd az ábrákat.

6. lépés: Spark Gap

A szikraköz funkciója az, hogy lezárja az elsődleges LC áramkört, ha a kondenzátor megfelelően fel van töltve, és így lehetővé teszi a szabad lengéseket az áramkörön belül. Ez a Tesla tekercsben kiemelt fontosságú komponens, mivel zárási/nyitási gyakorisága jelentős hatással lesz a végső kimenetre.

Az ideális szikraköznek akkor kell fellángolnia, amikor a kondenzátor feszültsége maximális, és újra kinyílik, amikor nullára esik. De ez természetesen nem így van egy igazi szikraközben, néha nem lő akkor, amikor kellene, vagy folytatja a tüzelést, amikor a feszültség már csökkent;

Projektünk során statikus szikraközt használtunk két gömb alakú elektródával (két fiókfogantyú segítségével), amelyeket manuálisan terveztünk. És kézzel is beállítható a gömbfejek forgatásával.

7. lépés: Másodlagos áramkör

Tekercs:

A szekunder tekercs feladata, hogy indukciós komponenst vigyen a szekunder LC áramkörbe, és összegyűjtse a primer tekercs energiáját. Ez az induktor egy levegős mágnesszelep, általában 800 és 1500 közötti, szorosan feltekeredett fordulattal. A feltekerések számának kiszámításához ez a gyors képlet elkerül egy bizonyos igényes munkát:

Drótmérő 24 = 0,05 cm, PVC átmérő 4 hüvelyk, fordulatok száma = 1100 torony, szükséges magasság = 1100 x 0,05 = 55 cm = 21,6535 hüvelyk. => L = 20,853 mH

ahol H a tekercs magassága és d a használt huzal átmérője. Egy másik fontos paraméter az l hosszúság, amelyre szükségünk van a teljes tekercs elkészítéséhez.

L = µ*N^2*A/H. Ahol µ a közeg mágneses permeabilitását jelenti (≈ 1,257 · 10−6 N/A^2 a levegő esetében), N a mágnesszelep fordulatainak számát, H teljes magasságát, A pedig egy fordulat területét.

Felső terhelés:

A felső terhelés úgy működik, mint a kondenzátor felső "lemeze", amelyet a felső terhelés és a talaj képez. Kapacitást ad a másodlagos LC áramkörhöz, és felületet kínál, amelyből ívek képződhetnek. Valójában lehetséges a Tesla tekercs felső terhelés nélküli működtetése, de az ívhossz tekintetében a teljesítmény gyakran gyenge, mivel a legtöbb energia a szikra táplálása helyett a másodlagos tekercsfordulatok között oszlik el.

Toroid kapacitás 1 = (((1+ (0.2781 - gyűrű átmérő ∕ (teljes átmérő))) × 2.8 × sqrt ((pi × (teljes átmérő × gyűrű átmérő)) ∕ 4))

Toroid kapacitás 2 = (1,28 - gyűrű átmérő ∕ teljes átmérő) × sqrt (2 × pi × gyűrű átmérő × (teljes átmérő - gyűrű átmérő))

Toroid kapacitás 3 = 4.43927641749 × ((0,5 × (gyűrű átmérője × (teljes átmérő - gyűrű átmérő))) ^0,5)

Átlagos toroid kapacitás = (toroid kapacitás 1 + toroid kapacitás 2 + toroid kapacitás 3) ∕ 3

Tehát a mi toroidunk esetében: belső átmérő 4”, külső átmérő = 13”, távolság a szekunder tekercs végétől = 5 cm.

C = 13,046 pf

Másodlagos tekercs kapacitás:

Másodlagos kapacitás (pf) = (0,29 × másodlagos huzal tekercselési magassága + (0,41 × (másodlagos forma átmérője ∕ 2)) + (1,94 × négyzetméter (((másodlagos forma átmérője ∕ 2) 3) ∕ másodlagos huzal tekercselési magassága))

Csec = 8,2787 pF;

Érdekes tudni a tekercs (parazita) kapacitását is. Itt is a képlet általános esetben bonyolult. A JAVATC ("effektív söntkapacitás" felső terhelés nélkül) által megadott értéket fogjuk használni:

Cres = 6,8 pF

Ezért a másodlagos áramkör esetében:

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

Lsec = 20,853 mH

A laboratóriumi kísérletek eredményei:

Tekintse meg a fenti képeket a tesztelés és a teszteredmények menetéről.

8. lépés: Rezonanciahangolás

Az elsődleges és másodlagos áramkörök rezonanciára állítása, és ugyanazon rezonanciafrekvencia megosztása elsődleges fontosságú a jó működéshez.

Az RLC áramkör válasza a legerősebb, ha rezonáns frekvenciáján hajtják. Egy jó RLC áramkörben a válaszintenzitás meredeken csökken, amikor a menetfrekvencia eltolódik a rezonanciaértékből.

A rezonancia frekvenciánk = 267,47 kHz.

Hangolási módszerek:

A hangolás általában az elsődleges induktivitás beállításával történik, egyszerűen azért, mert ez a legkönnyebben módosítható komponens. Mivel ez az induktor széles fordulatokkal rendelkezik, könnyen módosítható az öninduktivitása a végső csatlakozó megérintésével a spirál egy bizonyos helyén.

Ennek a kiigazításnak a legegyszerűbb módja a próba-hiba módszer. Ehhez meg kell kezdeni az elsődleges érintését egy állítólag a rezonánshoz közeli ponton, meggyújtja a tekercset és kiértékeli az ív hosszát. Ezután a spirált negyed fordulattal előre/hátra koppintja, és az ember újraértékeli az eredményt. Néhány próbálkozás után folytathatja a kisebb lépéseket, és végül megkapja a megérintési pontot, ahol az ívhossz a legnagyobb. Általában ez a koppintás

pont valóban beállítja az elsődleges induktivitást, például mindkét áramkör rezonanciában van.

A pontosabb módszer magában foglalná mindkét áramkör egyéni válaszának elemzését (természetesen a csatolt konfigurációban, azaz az áramkörök fizikai elválasztása nélkül) egy jelgenerátorral és egy oszcilloszkóppal.

Az ívek maguk is elő tudnak hozni némi extra kapacitást. Ezért ajánlatos az elsődleges rezonanciafrekvenciát kissé alacsonyabbra állítani a másodlagosnál, ennek kompenzálása érdekében. Ez azonban csak erős Tesla tekercsekkel észlelhető (amelyek 1 m -nél hosszabb íveket tudnak előállítani).

9. lépés: Feszültség a másodlagos szikrában

A Pascheni törvény egy egyenlet, amely megadja a meghibásodási feszültséget, vagyis azt a feszültséget, amely szükséges a kisülés vagy elektromos ív elindításához a gázban lévő két elektróda között a nyomás és a réshossz függvényében.

Anélkül, hogy részletes számításba kezdenénk a komplex képlet használatával, normál körülmények között 3,3MV szükséges 1 m levegő ionizálásához két elektróda között. Esetünkben körülbelül 10-13 cm-es ívek vannak, tehát 340 és 440 kV között lesz.

10. lépés: Faraday -ketreces ruha

A Faraday -ketrec vagy a Faraday -pajzs az elektromágneses mezők blokkolására szolgáló ház. A Faraday -pajzsot vezetőképes anyag folyamatos borítása, vagy Faraday -ketrec esetén az ilyen anyagok hálója képezheti.

Négy rétegű, földelt, hordható faraday ketrecet terveztünk a képen látható módon (használt anyagok: alumínium, pamut, bőr). Tesztelheti azt is, ha a mobiltelefonját behelyezi, elveszíti a jelet, vagy a tesla tekercs elé helyezi, és néhány neonlámpát tesz a ketrecbe, nem fog világítani, akkor felteheti és kipróbálhatja.

11. lépés: Függelékek és hivatkozások

12. lépés: Az elsődleges tekercs építése

13. lépés: Az NST tesztelése

14. lépés: Az elsődleges tekercs építése