Teslin zavojnica s iskrom: 14 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:33

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 se nositi s komponentama koje odaberete.

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

Zahtjevi za ovaj projekt:

- Znanje iz: Električne, elektroničke, elektromagnetske i laboratorijske opreme

- Osciloskop

- transformator s neonskim znakom; 220V do 9kV

- Kondenzatori visokog napona

- Bakreni kabeli ili bakrene cijevi

- Drvo za izradu vaše šasije

- PVC cijev za sekundarnu zavojnicu

- Fleksibilna metalna cijev za Toroid

- Mali 220V električni ventilator za iskrište

- Aluminijski papiri i mreža za Faradayevu haljinu u kavezu

- Izolirane žice za sekundar

- Neonske lampe

- Regulator napona ako nemate stabilnih 220VAC

- Priključak na masu

- Puno strpljenja

Korak 1: Uvod u Teslin zavojnicu Spark Gap

Teslina zavojnica je rezonantni transformator koji sadrži primarni i sekundarni LC krug. Dizajnirao izumitelj Nikola Tesla 1891. godine, dva LC kruga labavo su spojena. Napajanje se dovodi u primarni krug putem pojačanog transformatora koji puni kondenzator. Na kraju će se napon na kondenzatoru dovoljno povećati da se skrati iskra. Kondenzator će se isprazniti kroz svjećicu u primarnu zavojnicu. Energija će oscilirati naprijed-natrag između primarnog kondenzatora i induktora primarne zavojnice na visokim frekvencijama (tipično 50 kHz-2 MHz). Primarna zavojnica spojena je na induktor u sekundarnom krugu, koji se naziva sekundarna zavojnica. Na vrh sekundarne zavojnice pričvršćeno je gornje opterećenje koje osigurava kapacitet za sekundarni LC krug. Kako oscilira primarni krug, inducira se snaga u sekundarnom svitku gdje se napon množi više puta. Polje visokog napona i niske struje razvija se oko gornjeg opterećenja i lukova pražnjenja u slatkom prikazu veličanstvenosti. Primarni i sekundarni LC krugovi 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 milijuna volti za velike zavojnice.

Korak 2: Teorija

Ovaj odjeljak će obuhvatiti cjelovitu teoriju rada konvencionalne Tesline zavojnice. Smatrat ćemo da su primarni i sekundarni krug RLC sklopovi s malim otporom, što je u skladu sa stvarnošću.

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

Imajte na umu da su neki dijelovi sekundarnog kruga 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 iskrišta, prikazano je na shemi kao način predstavljanja mjesta gdje će se lukovi odvijati.

Ovaj prvi korak ciklusa je punjenje primarnog kondenzatora od strane generatora. Pretpostavit ćemo da mu je 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. Doista, 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 je kondenzator do kraja napunjen, iskra se aktivira i stoga zatvara primarni krug. Poznavajući intenzitet proboja električnog polja zraka, širina iskrišta mora biti postavljena tako da se aktivira točno kada napon na kondenzatoru dosegne svoju najveću vrijednost. Ovdje završava uloga generatora.

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

Primarni i sekundarni krug magnetski su spojeni. Oscilacije koje se događaju u primarnoj će inducirati elektromotornu silu u sekundarnoj. Kako se energija primarne baca u sekundarnu, amplituda oscilacija u primarnoj će se postupno smanjivati, dok će se ona sekundarne pojačavati. Taj 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 poput generatora izmjeničnog napona koji je postavljen u nizu na sekundarnom krugu.

Kako bi se proizveo najveći izlazni napon, primarni i sekundarni podešeni krug podešeni su na međusobnu rezonanciju. Budući da sekundarni krug obično nije podesiv, to se općenito vrši podesivim slavinom na primarnoj zavojnici. Da su dvije zavojnice odvojene, rezonantne frekvencije primarnog i sekundarnog kruga bile bi određene induktivitetom i kapacitetom u svakom krugu

Korak 3: Raspodjela kapaciteta unutar sekundarnog kruga

Sekundarni kapacitet Cs je doista važan kako bi tesla zavojnica radila, kapacitet sekundarne zavojnice neophodan je za izračun 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 pogledat ćemo njegove glavne komponente.

Gornje opterećenje - uzemljenje.

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

Okreti sekundarne zavojnice.

Drugi veliki doprinos dolazi od sekundarne zavojnice. Sastoji se od mnogih susjednih zavoja emajlirane bakrene žice i njegova je induktivnost stoga raspoređena po duljini. To znači 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 ukupni kapacitet sekundarne zavojnice.

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

Dodatni kapacitet bit će u okolnim objektima. Ovaj kondenzator nastaje gornjim opterećenjem s jedne strane i vodljivim predmetima (zidovi, vodovodne cijevi, namještaj itd.) S druge strane.

Kondenzator ovih vanjskih čimbenika nazvat ćemo Ce.

Kako su svi ti "kondenzatori" paralelni, ukupni kapacitet sekundarnog kruga dat će se prema:

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

Sadrži i ugrađeni mrežni filter (YOKOMA ELECTRIC WORKS., LTD. U japanskom modelu AVR-2)

Ovaj se instrument mogao naći u rentgenskim aparatima ili kupiti izravno s 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, jako je važna i njegova robusnost jer mora izdržati izvanredne uvjete rada (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 nakon pokretanja pada na 25 mA.

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

P = 225 W (za 25 mA)

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

Korak 5: Primarni krug

Kondenzator:

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

Primarni kondenzator obično je izrađen od nekoliko desetaka 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, stoga se jako preporučuje kondenzator veličine veće od rezonantne (LTR). LTR kondenzator također će isporučiti najveću snagu kroz Teslinu zavojnicu. Za različite primarne praznine (statički nasuprot rotacijskoj sinkronizaciji) bit će potrebni primarni kondenzatori različite veličine.

Cres = Primarni rezonantni kapacitet (uF) = 1 ∕ (2 * π * NST Impedancija * NST Fin) = 1/ (2 * π * 360 000 * 50) = 8,8419nF

CLTR = Primarni statički kapacitet veće od rezonancije (LTR) = 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 velike snage, 10MOhms paralelno na svaki kondenzator radi sigurnosti.

Induktivnost:

Uloga primarnog induktora je generiranje magnetskog polja za ubrizgavanje u sekundarni krug, kao i stvaranje LC kruga s primarnim kondenzatorom. Ova komponenta mora moći prenositi tešku struju bez prevelikih 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 spojke i smanjuje rizik od stvaranja 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, tj. R = (Rmax + Rmin)/2, oboje izraženo u centimetrima. Ako zavojnica ima N zavoja, empirijska formula koja daje svoj induktivitet L u mikrohenrisima je:

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

Za spiralni oblik Ako R nazivamo radijusom spirale, H njegovu visinu (oba u centimetrima) i N njezin 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, najtočniji 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 Tesline zavojnice:

Unutarnji 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 izračun, vidi slike.

Korak 6: Spark Gap

Funkcija iskrišta je zatvaranje primarnog LC kruga kada je kondenzator dovoljno napunjen, čime se dopuštaju slobodne oscilacije unutar kruga. Ovo je komponenta od iznimne važnosti u Teslinoj zavojnici jer će njezina učestalost zatvaranja/otvaranja imati značajan utjecaj na konačni izlaz.

Idealna svjećica mora se aktivirati upravo kad je napon na kondenzatoru maksimalan i ponovno se otvoriti tek kad padne na nulu. No to naravno nije slučaj u pravoj iskre, ponekad se ne pali kad 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 moglo se ručno podesiti i rotiranjem sfernih glava.

Korak 7: Sekundarni krug

Zavojnica:

Funkcija sekundarne zavojnice je dovesti induktivnu komponentu u sekundarni LC krug i prikupiti energiju primarne zavojnice. 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 izbjeći će određeni naporni rad:

Mjerač žice 24 = 0,05 cm, promjer 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 duljina 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 poput gornje "ploče" kondenzatora koju tvore gornje opterećenje i tlo. Dodaje kapacitet sekundarnom LC krugu i nudi površinu od koje mogu nastati lukovi. Moguće je, zapravo, pokrenuti Teslin svitak bez najvećeg opterećenja, ali performanse u smislu duljine luka često su slabe, jer se većina energije rasipa između zavoja sekundarne zavojnice umjesto da napaja iskre.

Toroidni 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 toroidni kapacitet = (Toroidni kapacitet 1 + Toroidni kapacitet 2 + Toroidni kapacitet 3) ∕ 3

Dakle, za naš toroid: unutarnji 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;

Također je zanimljivo znati (parazitski) kapacitet zavojnice. Ovdje je također formula komplicirana u općem slučaju. Koristit ćemo vrijednost koju daje JAVATC ("Efektivni kapacitet manevriranja" 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:

Za postupak ispitivanja i rezultate ispitivanja pogledajte gornje slike.

Korak 8: Podešavanje rezonancije

Postavljanje primarnog i sekundarnog kruga na rezonanciju, da imaju istu rezonantnu frekvenciju od iznimne je važnosti za dobar rad.

Odziv RLC kruga je najjači kada se pokreće svojom rezonantnom frekvencijom. U dobrom RLC krugu 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. Budući da ovaj induktor ima široke zavoje, lako je izmijeniti njegovu samoinduktivnost dodirom posljednjeg priključka na određenom mjestu u spirali.

Najjednostavniji način za postizanje ove prilagodbe je pokušaj i pogreška. Za to se počinje dodirivati primar u točki koja je navodno blizu rezonantne, pali zavojnicu i procjenjuje duljinu luka. Zatim se spirala lupka četvrtinom okreta naprijed/natrag i jedna ponovno procjenjuje rezultat. Nakon nekoliko pokušaja, možete nastaviti s manjim koracima, pa ćete konačno dobiti točku dodira gdje je duljina luka najveća. Normalno, ovo tapkanje

točka će doista postaviti primarni induktivitet kao što su oba kruga u rezonanciji.

Preciznija metoda uključivala bi analizu individualnog odziva obaju krugova (naravno u spregnutoj konfiguraciji, tj. Bez fizičkog razdvajanja krugova) s generatorom signala i osciloskopom.

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 snažnih Teslinih zavojnica (koje mogu proizvesti lukove duže od 1m).

Korak 9: Napon na sekundarnoj iskre

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

Bez detaljnog izračuna pomoću složene formule, za normalne uvjete potrebno je 3.3MV za ionizaciju 1m 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