Spark Gap Tesla Coil: 14 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:21

Dette er en opplæring om hvordan du bygger en Spark Gap Tesla Coil med en Faraday burkjole.

Dette prosjektet tok meg og teamet mitt (3 studenter) 16 virkedager, det koster rundt 500 dollar, jeg vil forsikre deg om at det ikke vil fungere fra første gang:), den viktigste delen er at du må forstå all teorien bak og vet hvordan du skal håndtere komponentene du velger.

I denne instruksen vil jeg ta deg gjennom all teorien bak, konseptene, formlene, trinnvis bygge for alle delene. Hvis du vil bygge mindre eller større spoler, vil konseptet og formlene være de samme.

Kravene til dette prosjektet:

- Kunnskap om: Elektrisk, elektronikk, elektromagnetisk og laboratorieutstyr

- Oscilloskop

- Neon Sign -transformator; 220V til 9kV

- Høyspenningskondensatorer

- Kobberkabler eller kobberrør

- Tre for å bygge chassiset ditt

- PVC -rør for den sekundære spolen

- Fleksibelt metallrør for Toroid

- En liten 220V elektrisk vifte for gnistgapet

- Aluminiumspapir og mesh for Faraday -burkjolen

- Isolerte ledninger for den sekundære

- Neonlamper

- Spenningsregulator hvis du ikke har en stabil 220VAC

- Tilkobling til bakken

- Mye tålmodighet

Trinn 1: Introduksjon til Spark Gap Tesla Coil

En Tesla -spole er en resonanstransformator som inneholder en primær og sekundær LC -krets. De to LC -kretsene ble designet av oppfinneren Nikola Tesla i 1891, og er løst koblet sammen. Strøm tilføres hovedkretsen gjennom en trinnvis transformator, som lader en kondensator. Til slutt vil spenningen over kondensatoren øke tilstrekkelig til å korte et gnistgap. Kondensatoren vil tømmes gjennom gnistgapet og inn i primærspolen. Energien vil svinge frem og tilbake mellom primærkondensatoren og primærspoleinduktoren ved høye frekvenser (vanligvis 50 kHz- 2 MHz). Primærspolen er koblet til en induktor i den sekundære kretsen, kalt sekundærspolen. Festet til toppen av sekundærspolen er en topplast som gir kapasitans for den sekundære LC -kretsen. Når primærkretsen svinger, induseres strøm i sekundærspolen hvor spenningen multipliseres mange ganger. Et høyspennings-, lavstrømfelt utvikler seg rundt topplasten og lynbuer i en søt oppvisning av fantastiskhet. De primære og sekundære LC -kretsene må svinge med samme frekvens for å oppnå maksimal kraftoverføring. Kretsene i spolen er vanligvis "innstilt" på samme frekvens ved å justere induktansen til primærspolen. Tesla -spoler kan produsere utgangsspenninger fra 50 kilovolt til flere millioner volt for store spoler.

Trinn 2: Teori

Denne delen skal dekke hele teorien om driften av en konvensjonell Tesla -spole. Vi vil vurdere at de primære og sekundære kretsene er RLC -kretser med lav motstand, som stemmer med virkeligheten.

Av de ovennevnte årsakene er ikke intern motstand av komponenten representert. Vi vil også erstatte den nåværende begrensede transformatoren. Dette har ingen innvirkning på ren teori.

Vær oppmerksom på at noen deler av den sekundære kretsen er tegnet med stiplede linjer. Dette er fordi de ikke er direkte synlige på apparatet. Når det gjelder den sekundære kondensatoren, ser vi at dens kapasitet faktisk er fordelt, og toppbelastningen bare er "en plate" av denne kondensatoren. Når det gjelder det sekundære gnistgapet, er det vist i skjematisk som en måte å representere hvor buer vil finne sted.

Dette første trinnet i syklusen er ladingen av primærkondensatoren av generatoren. Vi antar at frekvensen er 50 Hz. Fordi generatoren (NST) er strømbegrenset, må kapasiteten til kondensatoren velges nøye, slik at den blir fulladet på nøyaktig 1/100 sekunder. Faktisk endres spenningen til generatoren to ganger i perioden, og i neste syklus vil den lade kondensatoren på nytt med motsatt polaritet, noe som absolutt ingenting endrer om driften av Tesla-spolen.

Når kondensatoren er fulladet, tennes gnistgapet og lukker derfor hovedkretsen. Når vi kjenner intensiteten til det elektriske nedbrytningsfeltet for luft, må bredden på gnistgapet settes slik at det avfyres nøyaktig når spenningen over kondensatoren når sin høyeste verdi. Generatorens rolle ender her.

Vi har nå en fullastet kondensator i en LC -krets. Strøm og spenning vil dermed svinge ved kretsens resonansfrekvens, som det ble demonstrert før. Denne frekvensen er veldig høy sammenlignet med nettfrekvensen, vanligvis mellom 50 og 400 kHz.

De primære og sekundære kretsene er magnetisk koblet. Svingningene som finner sted i primæren vil dermed indusere en elektromotorisk kraft i det sekundære. Etter hvert som energien til primæren dumpes inn i den sekundære, vil amplituden til svingningene i primæret gradvis avta mens sekundærets vil forsterkes. Denne energioverføringen utføres gjennom magnetisk induksjon. Koblingskonstanten k mellom de to kretsene holdes målbevisst lav, vanligvis mellom 0,05 og 0,2.

Svingningene i primæren vil dermed virke litt som en AC -spenningsgenerator plassert i serie på den sekundære kretsen.

For å produsere den største utgangsspenningen justeres de primære og sekundære innstilte kretsene til resonans med hverandre. Siden den sekundære kretsen vanligvis ikke er justerbar, gjøres dette vanligvis med et justerbart trykk på hovedspolen. Hvis de to spolene var separate, ville resonansfrekvensene til de primære og sekundære kretsene bestemmes av induktansen og kapasitansen i hver krets

Trinn 3: Fordeling av kapasitans i den sekundære kretsen

Den sekundære kapasitansen Cs er virkelig viktig for å få tesla -spolen til å fungere, kapasitansen til den sekundære spolen er nødvendig for beregningene av resonansfrekvensen, hvis du ikke tar alle parametere i betraktning vil du ikke se en gnist. Denne kapasitansen består av mange bidrag og er vanskelig å beregne, men vi ser på hovedkomponentene.

Topplast - Bakken.

Den høyeste brøkdelen av den sekundære kapasitansen kommer fra topplasten. Faktisk har vi en kondensator hvis "plater" er topplasten og bakken. Det kan være overraskende at dette faktisk er en kondensator ettersom disse platene er koblet til den sekundære spolen. Imidlertid er impedansen ganske høy, så det er faktisk en potensiell forskjell mellom dem. Vi skal kalle dette bidraget.

Sving på sekundærspolen.

Det andre store bidraget kommer fra sekundærspolen. Den består av mange tilstøtende svinger av emaljert kobbertråd, og induktansen er derfor fordelt langs lengden. Dette innebærer at det er en liten potensialforskjell mellom to tilstøtende svinger. Vi har da to ledere med forskjellig potensial, atskilt med et dielektrikum: en kondensator, med andre ord. Egentlig er det en kondensator med hvert par ledninger, men kapasiteten synker med avstanden, derfor kan man bare vurdere kapasiteten mellom to tilstøtende svinger som en god tilnærming.

La oss kalle Cb den totale kapasiteten til sekundærspolen.

Egentlig er det ikke obligatorisk å ha en toppbelastning på en Tesla -spole, siden hver sekundærspole vil ha sin egen kapasitet. Imidlertid er en toppbelastning avgjørende for å ha vakre gnister.

Det vil være ekstra kapasitet fra objektene rundt. Denne kondensatoren dannes av toppbelastningen på den ene siden og ledende gjenstander (vegger, rørledninger, møbler, etc.) på den andre siden.

Vi vil nevne kondensatoren til disse eksterne faktorene Ce.

Siden alle disse "kondensatorene" er parallelle, vil den totale kapasiteten til den sekundære kretsen bli gitt av:

Cs = Ct + Cb + Ce

Trinn 4: Konsept og konstruksjon

I vårt tilfelle brukte vi en automatisk spenningsregulator for å opprettholde spenningsinngangen for NST ved 220V

Og den inneholder et innebygd vekselstrømfilter (YOKOMA ELECTRIC WORKS., LTD. I japan-modell AVR-2)

Dette instrumentet kan bli funnet i røntgenapparater eller kjøpes direkte fra markedet.

Høyspenningstransformatoren er den viktigste delen av aTesla -spolen. Det er rett og slett en induksjonstransformator. Dens rolle er å lade hovedkondensatoren i begynnelsen av hver syklus. Bortsett fra kraften er robustheten veldig viktig, da den må tåle fantastiske driftsforhold (et beskyttelsesfilter er noen ganger nødvendig).

Neonskilttransformatoren (NST) som vi bruker for vår tesla -spole, egenskaper (rms -verdier) er følgende:

Vout = 9000 V, Iout = 30 mA

Utgangsstrømmen er faktisk 25mA, 30mA er toppen som synker til 25 mA etter start.

Vi kan nå beregne kraften P = V I, som vil være nyttig for å angi de globale dimensjonene til Tesla -spolen, samt en grov ide om gnistlengden.

P = 225 W (for 25 mA)

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

Trinn 5: Primær krets

Kondensator:

Primærkondensatorens rolle å lagre en viss mengde ladning for den kommende syklusen, samt å danne en LC -krets sammen med den primære induktoren.

Den primære kondensatoren er vanligvis laget av flere dusin hetter som er koblet til i en serie / parallell konfigurasjon kalt en Multi-Mini kondensator (MMC)

Den primære kondensatoren brukes med primærspolen for å lage den primære LC -kretsen. En kondensator i resonansstørrelse kan skade en NST, derfor anbefales en kondensator av større størrelse enn resonat (LTR) på det sterkeste. En LTR -kondensator vil også levere mest kraft gjennom Tesla -spolen. Ulike primære hull (statisk vs. synkronisering) vil kreve primærkondensatorer av forskjellige størrelser.

Cres = Primær Resonat Kapasitans (uF) = 1 ∕ (2 * π * NST Impedans * NST Fin) = 1/ (2 * π * 360 000 * 50) = 8,8419nF

CLTR = Primær større enn resonans (LTR) Statisk kapasitans (uF) = Primær resonatkapasitans × 1,6

= 14,147 nF

(dette kan variere litt fra en tilnærming til en annen, anbefalt koeffisient 1,6-1,8)

Vi brukte en 2000V 100nF kondensatorer, Nb = Cunit/Cequiv = 100nF/0.0119 uF = 9 kondensatorer. Så for nøyaktig 9 caps har vi Ceq = 0.0111uF = MMC kapasitans.

Tenk på å koble til høyeffekt, 10MOhms motstander parallelt med hver kondensator for sikkerhet.

Induktans:

Rollen til den primære induktoren er å generere et magnetfelt som skal injiseres i den sekundære kretsen, samt å danne en LC -krets med den primære kondensatoren. Denne komponenten må kunne transportere tung strøm uten store tap.

Ulike geometrier er mulige for primærspolen. I vårt tilfelle vil vi tilpasse den flate, arkimerte spiralen som en primær spole. Denne geometrien fører naturlig til en svakere kobling og reduserer risikoen for bue i primæren: den foretrekkes derfor på kraftige spoler. Det er imidlertid ganske vanlig i lavere strømspoler for sin enkle konstruksjon. Å øke koblingen er mulig ved å senke sekundærspolen til primæren.

La W være spiralens bredde gitt av W = Rmax - Rmin og R gjennomsnittsradius, dvs. R = (Rmax + Rmin)/2, begge uttrykt i centimeter. Hvis spolen har N -svinger, er en empirisk formel som gir sin induktans L i mikrohenrys:

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

For helikonsformen Hvis vi kaller R radiusen for spiralen, H dens høyde (begge i centimeter) og N dets antall svinger, er en empirisk formel som gir dens induktans L i mikrohenrys: Lhelisk = (0,374 (NR)^2) /(9R+10H).

Dette er mange formler du kan bruke og kontrollere, de vil gi tette resultater, den mest nøyaktige måten er å bruke oscilloskopet og måle frekvensresponsen, men formlene er også nødvendige for å bygge spolen. Du kan også bruke simuleringsprogramvare som JavaTC.

Formel 2 for flat form: L = [0,25*N^2*(D1+N*(W+S))^2]/[15*(D1+N*(W+S))+11*D1]

hvor N: antall omdreininger, W: tråddiameter i tommer, S: trådavstand i tommer, D1: indre diameter i tommer

Inngangsdata for min Tesla Coil:

Indre radius: 4,5 tommer, 11,2 svinger, 0,25 tommer mellomrom, tråddiameter = 6 mm, ytre radius = 7,898 tommer.

L ved bruk av formel 2 = 0,03098mH, fra JavaTC = 0,03089mH

Derfor primærfrekvens: f1 = 271,6 KHz (L = 0,03089 mH, C = 0,0111MFD)

Labopplevelse (primær frekvensjustering)

og vi oppnådde resonans ved 269-271KHz, som bekrefter beregningen, se figurer.

Trinn 6: Spark Gap

Funksjonen til gnistgapet er å lukke den primære LC -kretsen når kondensatoren er tilstrekkelig ladet, og dermed tillate frie svingninger inne i kretsen. Dette er en hovedkomponent i en Tesla -spole fordi lukkings-/åpningsfrekvensen vil ha en betydelig innflytelse på den endelige effekten.

Et ideelt gnistgap må utløses akkurat når spenningen over kondensatoren er maksimal og åpne igjen akkurat når den faller ned til null. Men dette er selvsagt ikke tilfellet i et ekte gnistgap, det av og til avfyres ikke når det skal eller fortsetter å fyre når spenningen allerede er redusert;

For prosjektet vårt brukte vi et statisk gnistgap med to sfæriske elektroder (bygget med to skuffehåndtak) som vi designet manuelt. Og den kan justeres manuelt også ved å rotere de sfæriske hodene.

Trinn 7: Sekundær krets

Spole:

Funksjonen til sekundærspolen er å bringe en induktiv komponent til den sekundære LC -kretsen og å samle energien til primærspolen. Denne induktoren er en luftkjernet solenoid, som vanligvis har mellom 800 og 1500 tett viklede tilstøtende svinger. For å beregne antall svinger som er blitt viklet, vil denne raske formelen unngå et visst hardt arbeid:

Trådmåler 24 = 0,05 cm, PVC -diameter 4 tommer, antall svinger = 1100 spir, nødvendig høyde = 1100 x 0,05 = 55 cm = 21,6535 tommer. => L = 20,853 mH

hvor H er høyden på spolen og d diameteren på ledningen som brukes. En annen viktig parameter er lengden l vi trenger for å lage hele spolen.

L = µ*N^2*A/H. Hvor µ representerer den magnetiske permeabiliteten til mediet (≈ 1,257 · 10−6 N/A^2 for luft), N antall omdreininger til solenoiden, H dens totale høyde og A arealet av en sving.

Toppbelastning:

Toppbelastningen fungerer som den øvre "platen" på kondensatoren dannet av topplasten og bakken. Den gir kapasitet til den sekundære LC -kretsen og tilbyr en overflate som det kan dannes buer fra. Det er faktisk mulig å kjøre en Tesla -spole uten toppbelastning, men ytelsen når det gjelder buelengde er ofte dårlig, ettersom mesteparten av energien forsvinner mellom sekundærspolens svinger i stedet for å mate gnistene.

Toroidkapasitans 1 = ((1+ (0.2781 - ringdiameter ∕ (total diameter))) × 2.8 × sqrt ((pi × (total diameter × ringdiameter)) ∕ 4))

Toroidkapasitans 2 = (1,28 - ringdiameter ∕ samlet diameter) × kvadrat (2 × pi × ringdiameter × (total diameter - ringdiameter))

Toroidkapasitans 3 = 4.43927641749 × ((0.5 × (ringdiameter × (total diameter - ringdiameter))) ^0.5)

Gjennomsnittlig toroidkapasitans = (toroidkapasitans 1 + toroidkapasitans 2 + toroidkapasitans 3) ∕ 3

Så for vår toroid: indre diameter 4”, ytre diameter = 13”, mellomrom fra enden av sekundærviklingen = 5 cm.

C = 13,046 pf

Sekundær spolekapasitet:

Sekundær kapasitans (pf) = (0,29 × sekundær trådviklingshøyde + (0,41 × (sekundær formdiameter ∕ 2)) + (1,94 × kvadrat (((sekundær formdiameter ∕ 2) 3) ∕ sekundær trådvindelhøyde))

Csec = 8,2778 pF;

Det er også interessant å vite (parasittisk) kapasitans av spolen. Her er også formelen komplisert i det generelle tilfellet. Vi bruker verdien levert av JAVATC ("Effektiv shuntkapasitans" uten toppbelastning):

Cres = 6,8 pF

Derfor for sekundærkretsen:

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

Lsek = 20,853mH

Resultater fra laboratorieeksperimenter:

Se bildene ovenfor for fremgangsmåten for testing og testresultater.

Trinn 8: Resonance Tuning

Å sette de primære og sekundære kretsene til resonans, la dem dele den samme resonansfrekvensen er av største betydning for god drift.

Responsen til en RLC -krets er den sterkeste når den drives med sin resonansfrekvens. I en god RLC -krets faller reaksjonsintensiteten kraftig når kjørefrekvensen driver fra resonansverdien.

Vår resonansfrekvens = 267,47 kHz.

Tuning metoder:

Tuningen gjøres vanligvis ved å justere den primære induktansen, ganske enkelt fordi det er den enkleste komponenten å endre. Siden denne induktoren har brede svinger, er det enkelt å endre sin egen induktans ved å trykke på den siste kontakten på et bestemt sted i spiralen.

Den enkleste metoden for å oppnå denne justeringen er ved prøving og feiling. For dette begynner man å trykke på primæren på et tidspunkt som visstnok er nær resonans, tenner spolen og evaluerer buelengden. Deretter tappes spiralen en kvart omdreining fremover/bakover, og en vurderer resultatet på nytt. Etter noen forsøk kan man gå videre med mindre trinn, og vil til slutt få tappepunktet der buelengden er høyest. Normalt denne tapping

punkt vil faktisk sette den primære induktansen slik som begge kretsene er ved resonans.

En mer presis metode vil innebære en analyse av den individuelle responsen til begge kretsene (i den koblede konfigurasjonen, selvfølgelig, dvs. uten å fysisk skille kretsene) med en signalgenerator og et oscilloskop.

Arcs selv kan produsere litt ekstra kapasitans. Det anbefales derfor å stille den primære resonansfrekvensen litt lavere enn den sekundære, for å kompensere for dette. Dette er imidlertid bare merkbart med kraftige Tesla -spoler (som kan produsere buer lengre enn 1 m).

Trinn 9: Spenning ved sekundær gnist

Paschens lov er en ligning som gir nedbrytningsspenningen, det vil si spenningen som er nødvendig for å starte en utladning eller lysbue, mellom to elektroder i en gass som en funksjon av trykk og gapelengde.

Uten å gå i detaljberegning ved hjelp av den komplekse formelen, krever det for normale forhold 3,3 MV for å ionisere 1 m luft mellom to elektroder. I vårt tilfelle har vi buer omtrent 10-13cm, så det vil være mellom 340KV og 440KV.

Trinn 10: Faraday Cage Dress

Et Faraday -bur eller Faraday -skjold er et kabinett som brukes til å blokkere elektromagnetiske felt. Et Faraday -skjold kan dannes av et kontinuerlig deksel av ledende materiale eller i tilfelle av et Faraday -bur, av en maske av slike materialer.

Vi designet fire lag, jordet, bærbart faradaybur som vist på bildet (brukte materialer: Aluminium, bomull, lær). Du kan også teste den ved å sette mobiltelefonen inne, den mister signalet eller plasserer den foran tesla -spolen og setter noen neonlamper inne i buret, de lyser ikke, så kan du sette den på og prøve den.

Trinn 11: Vedlegg og referanser

Trinn 12: Bygg primærspolen

Trinn 13: Testing av NST

Trinn 14: Bygg primærspolen