Spark Gap Tesla Coil: 14 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:26

Dette er en vejledning i, hvordan du bygger en Spark Gap Tesla Coil med en Faraday burkjole.

Dette projekt tog mig og mit team (3 studerende) 16 arbejdsdage, det koster omkring 500 USD, jeg vil forsikre dig om, at det ikke virker fra første gang:), den vigtigste del er, at du skal forstå al teorien bag og vide, hvordan du skal håndtere de komponenter, du vælger.

I denne instruktive vil jeg tage dig igennem hele teorien bag, begreberne, formlerne, trin for trin -opbygning for alle delene. Hvis du vil bygge mindre eller større spoler, vil konceptet og formlerne være de samme.

Kravene til dette projekt:

- Kendskab til: Elektrisk, elektronisk, elektromagnetisk og laboratorieudstyr

- Oscilloskop

- Neon Sign transformer; 220V til 9kV

- Højspændingskondensatorer

- Kobberkabler eller kobberrør

- Træ til at bygge dit chassis

- PVC -rør til den sekundære spole

- Fleksibelt metallisk rør til Toroid

- En lille 220V elektrisk ventilator til gnistgabet

- Aluminiumspapirer og mesh til Faraday -burkjolen

- Isolerede ledninger til den sekundære

- Neonlamper

- Spændingsregulator, hvis du ikke har en stabil 220VAC

- Tilslutning til jord

- Meget tålmodighed

Trin 1: Introduktion til Spark Gap Tesla Coil

En Tesla -spole er en resonans -transformer, der indeholder et primært og sekundært LC -kredsløb. De to LC -kredsløb er designet af opfinderen Nikola Tesla i 1891 og er løst koblet sammen. Strøm forsynes til det primære kredsløb via en trin-up transformer, som oplader en kondensator. Til sidst vil spændingen over kondensatoren stige tilstrækkeligt til at kortslutte et gnistgab. Kondensatoren vil aflade gennem gnistgabet og ind i den primære spole. Energien vil svinge frem og tilbage mellem primærkondensatoren og primærspoleinduktoren ved høje frekvenser (typisk 50 kHz-2 MHz). Den primære spole er koblet til en induktor i det sekundære kredsløb, kaldet den sekundære spole. På toppen af den sekundære spole er der en topbelastning, der giver kapacitans til det sekundære LC -kredsløb. Da det primære kredsløb svinger, induceres strøm i den sekundære spole, hvor spændingen multipliceres mange gange. Et højspændings-, lavstrømsfelt udvikler sig omkring topbelastningen og lynbuer i et sødt udtryk af vidunderlighed. De primære og sekundære LC -kredsløb skal oscillere med samme frekvens for at opnå maksimal effektoverførsel. Kredsløbene i spolen "sættes normalt" til den samme frekvens ved at justere induktansen af den primære spole. Tesla -spoler kan producere udgangsspændinger fra 50 kilovolt til flere millioner volt for store spoler.

Trin 2: Teori

Dette afsnit dækker hele teorien om driften af en konventionel Tesla -spole. Vi vil overveje, at de primære og sekundære kredsløb er RLC -kredsløb med lav modstand, som er i overensstemmelse med virkeligheden.

Af ovennævnte grunde er komponentens indre modstand ikke repræsenteret. Vi vil også udskifte den nuværende begrænsede transformer. Dette har ingen indflydelse på ren teori.

Bemærk, at nogle dele af det sekundære kredsløb er tegnet med stiplede linjer. Dette er fordi de ikke er direkte synlige på apparatet. Med hensyn til den sekundære kondensator ser vi, at dens kapacitet faktisk er fordelt, idet den øverste belastning kun er "en plade" af denne kondensator. Med hensyn til det sekundære gnistgab, er det vist i skematisk som en måde at repræsentere, hvor buerne vil finde sted.

Dette første trin i cyklussen er opladningen af den primære kondensator af generatoren. Vi formoder, at frekvensen er 50 Hz. Fordi generatoren (NST) er strømbegrænset, skal kondensatorens kapacitet vælges omhyggeligt, så den oplades fuldstændigt på præcis 1/100 sekunder. Faktisk ændres generatorens spænding to gange i perioden, og i den næste cyklus vil den genoplade kondensatoren med modsat polaritet, hvilket absolut intet ændrer ved driften af Tesla-spolen.

Når kondensatoren er fuldt opladet, udløses gnistgabet og lukker derfor det primære kredsløb. Ved at kende intensiteten af det elektriske nedbrydningsfelt for luft, skal bredden af gnistgabet indstilles, så det affyres nøjagtigt, når spændingen over kondensatoren når sin højeste værdi. Generatorens rolle ender her.

Vi har nu en fuldt belastet kondensator i et LC -kredsløb. Strøm og spænding vil således svinge ved kredsløbets resonansfrekvens, som det blev demonstreret før. Denne frekvens er meget høj i forhold til netfrekvensen, generelt mellem 50 og 400 kHz.

De primære og sekundære kredsløb er magnetisk koblet. De svingninger, der finder sted i det primære, vil således fremkalde en elektromotorisk kraft i det sekundære. Efterhånden som primærens energi dumpes ind i det sekundære, vil amplituden af svingningerne i det primære gradvist falde, mens det i det sekundære vil forstærkes. Denne energioverførsel sker ved magnetisk induktion. Koblingskonstanten k mellem de to kredsløb holdes målrettet lav, generelt mellem 0,05 og 0,2.

Svingningerne i det primære vil således virke lidt som en vekselstrømsgenerator placeret i serie på det sekundære kredsløb.

For at producere den største udgangsspænding justeres de primære og sekundære afstemte kredsløb til resonans med hinanden. Da det sekundære kredsløb normalt ikke er justerbart, gøres dette generelt med et justerbart tryk på den primære spole. Hvis de to spoler var adskilte, ville resonansfrekvenserne for de primære og sekundære kredsløb blive bestemt af induktansen og kapacitansen i hvert kredsløb

Trin 3: Fordeling af kapacitans inden for det sekundære kredsløb

Den sekundære kapacitans Cs er virkelig vigtig for at få tesla -spolen til at fungere, kapaciteten af den sekundære spole er nødvendig for beregningerne af resonansfrekvensen, hvis du ikke tager alle parametre i betragtning, vil du ikke se en gnist. Denne kapacitans består af mange bidrag og er vanskelig at beregne, men vi ser på dens vigtigste komponenter.

Toplast - Jord.

Den højeste brøkdel af den sekundære kapacitans kommer fra topbelastningen. Faktisk har vi en kondensator, hvis "plader" er den øverste belastning og jorden. Det kan være overraskende, at dette faktisk er en kondensator, da disse plader er forbundet gennem den sekundære spole. Imidlertid er dens impedans ret høj, så der er faktisk en ganske potentiel forskel mellem dem. Vi kalder Ct dette bidrag.

Drejninger på den sekundære spole.

Det andet store bidrag kommer fra den sekundære spole. Den består af mange tilstødende drejninger af emaljeret kobbertråd, og dens induktans fordeles derfor langs dens længde. Dette indebærer, at der er en lille potentialeforskel mellem to tilstødende sving. Vi har derefter to ledere med forskelligt potentiale adskilt af et dielektrikum: en kondensator, med andre ord. Faktisk er der en kondensator med hvert par tråde, men dens kapacitet falder med afstanden, derfor kan man kun betragte kapaciteten mellem to tilstødende sving som en god tilnærmelse.

Lad os kalde Cb den samlede kapacitet for den sekundære spole.

Faktisk er det ikke obligatorisk at have en topbelastning på en Tesla -spole, da hver sekundærspole vil have sin egen kapacitet. Men at en topbelastning er afgørende for at have smukke gnister.

Der vil være ekstra kapacitet fra de omkringliggende objekter. Denne kondensator dannes af den øverste belastning på den ene side og ledende genstande (vægge, VVS -rør, møbler osv.) På den anden side.

Vi navngiver kondensatoren for disse eksterne faktorer Ce.

Da alle disse "kondensatorer" er parallelle, vil den samlede kapacitet i det sekundære kredsløb blive givet ved:

Cs = Ct + Cb + Ce

Trin 4: Opfattelse og konstruktion

I vores tilfælde brugte vi en automatisk spændingsregulator til at opretholde spændingsindgangen for NST ved 220V

Og det indeholder et indbygget AC-netfilter (YOKOMA ELECTRIC WORKS., LTD. I japan-model AVR-2)

Dette instrument kan findes i røntgenapparater eller købes direkte fra markedet.

Højspændingstransformatoren er den vigtigste del af aTesla -spolen. Det er simpelthen en induktionstransformator. Dens rolle er at oplade den primære kondensator i begyndelsen af hver cyklus. Bortset fra dens kraft er dens robusthed meget vigtig, da den skal tåle fantastiske driftsbetingelser (et beskyttelsesfilter er undertiden nødvendigt).

Neonskilttransformatoren (NST), som vi bruger til vores tesla -spole, egenskaber (rms -værdier) er følgende:

Vout = 9000 V, Iout = 30 mA

Udgangsstrømmen er faktisk 25mA, 30mA er toppen, der falder til 25 mA efter start.

Vi kan nu beregne dens effekt P = V I, som vil være nyttig til at indstille Tesla -spolens globale dimensioner samt en grov ide om dens gnisters længde.

P = 225 W (ved 25 mA)

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

Trin 5: Primær kredsløb

Kondensator:

Primærkondensatorens rolle at lagre en bestemt mængde ladning for den kommende cyklus samt at danne et LC -kredsløb sammen med den primære induktor.

Den primære kondensator er normalt lavet af flere dusin hætter forbundet i en serie / parallel konfiguration kaldet en Multi-Mini kondensator (MMC)

Den primære kondensator bruges sammen med den primære spole til at oprette det primære LC -kredsløb. En kondensator i resonansstørrelse kan beskadige en NST, derfor anbefales en kondensator i større størrelse end resonans (LTR) stærkt. En LTR -kondensator vil også levere mest strøm gennem Tesla -spolen. Forskellige primære huller (statisk vs. synkronisering) vil kræve primære kondensatorer af forskellig størrelse.

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

CLTR = Primær større end resonans (LTR) Statisk kapacitans (uF) = Primær resonatkapacitet × 1,6

= 14,147 nF

(dette kan lidt afvige fra en tilnærmelse til en anden, anbefalet koefficient 1,6-1,8)

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

Tænk på at forbinde højeffekt, 10MOhms modstande parallelt med hver kondensator for sikkerheden.

Induktans:

Den primære induktors rolle er at generere et magnetfelt, der skal injiceres i det sekundære kredsløb, samt at danne et LC -kredsløb med den primære kondensator. Denne komponent skal kunne transportere tung strøm uden store tab.

Forskellige geometrier er mulige for den primære spole. I vores tilfælde vil vi tilpasse den flade arkimerede spiral som en primær spole. Denne geometri fører naturligvis til en svagere kobling og reducerer risikoen for lysbue i den primære: den foretrækkes derfor på kraftige spoler. Det er imidlertid ret almindeligt i lavere strømspoler for sin lette konstruktion. Forøgelse af koblingen er mulig ved at sænke den sekundære spole i primæren.

Lad W være spiralens bredde givet af W = Rmax - Rmin og R dens middelradius, dvs. R = (Rmax + Rmin)/2, begge udtrykt i centimeter. Hvis spolen har N -drejninger, er en empirisk formel, der giver dens induktans L i microhenrys:

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

For helikopterformen Hvis vi kalder R for radius for spiralen, H dens højde (begge i centimeter) og N dets antal omdrejninger, er en empirisk formel, der giver dens induktans L i mikrohenrys: Lhelisk = (0,374 (NR)^2) /(9R+10H).

Disse er mange formler, som du kan bruge og kontrollere, de vil give tætte resultater, den mest nøjagtige måde er at bruge oscilloskopet og måle frekvensresponsen, men formlerne er også nødvendige for at bygge spolen. Du kan også bruge simuleringssoftware som JavaTC.

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

hvor N: antal omdrejninger, W: tråddiameter i tommer, S: trådafstand i tommer, D1: indvendig diameter i tommer

Indtastningsdata for min Tesla Coil:

Indre radius: 4,5 tommer, 11,2 omdrejninger, 0,25 tommer afstand, tråddiameter = 6 mm, ydre radius = 7,898 tommer.

L ved hjælp af formel 2 = 0,03098mH, fra JavaTC = 0,03089mH

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

Laboplevelse (primær frekvensindstilling)

og vi opnåede resonans ved 269-271KHz, som verificerer beregningen, se figurer.

Trin 6: Spark Gap

Gnistgabets funktion er at lukke det primære LC -kredsløb, når kondensatoren er tilstrækkeligt opladet, hvilket tillader frie svingninger inde i kredsløbet. Dette er en vigtig komponent i en Tesla -spole, fordi dens lukke-/åbningsfrekvens vil have en betydelig indflydelse på det endelige output.

Et ideelt gnistgab skal affyre lige når spændingen over kondensatoren er maksimal og genåbne lige når den falder til nul. Men dette er naturligvis ikke tilfældet i et sandt gnistgab, det affyrer undertiden ikke, når det skal eller fortsætter med at fyre, når spændingen allerede er faldet;

Til vores projekt brugte vi et statisk gnistgab med to sfæriske elektroder (bygget med to skuffehåndtag), som vi designede manuelt. Og det kunne justeres manuelt også ved at dreje de sfæriske hoveder.

Trin 7: Sekundær kredsløb

Spole:

Sekundærspolens funktion er at bringe en induktiv komponent til det sekundære LC -kredsløb og samle energien fra den primære spole. Denne induktor er en solenoid med luftkerne, der generelt har mellem 800 og 1500 tæt viklede tilstødende sving. For at beregne antallet af omdrejninger, der er blevet viklet, vil denne hurtige formel undgå et bestemt hårdt arbejde:

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

hvor H er spolens højde og d den anvendte lednings diameter. En anden vigtig parameter er længden l, vi skal bruge til at lave hele spolen.

L = µ*N^2*A/H. Hvor µ repræsenterer mediets magnetiske permeabilitet (≈ 1,257 · 10−6 N/A^2 for luft), N antallet af omdrejninger af solenoiden, H dens samlede højde og A arealet af en omdrejning.

Topbelastning:

Topbelastningen fungerer som den øverste "plade" af kondensatoren dannet af topbelastningen og jorden. Det tilføjer kapacitet til det sekundære LC -kredsløb og tilbyder en overflade, hvorfra der kan dannes buer. Det er faktisk muligt at køre en Tesla -spole uden topbelastning, men præstationer med hensyn til buelængde er ofte dårlige, da det meste af energien spredes mellem de sekundære spolevendinger i stedet for at fodre gnisterne.

Toroid kapacitans 1 = ((1+ (0.2781 - ringdiameter ∕ (samlet diameter))) × 2.8 × sqrt ((pi × (samlet diameter × ringdiameter)) ∕ 4))

Toroid kapacitans 2 = (1,28 - ringdiameter ∕ samlet diameter) × kvadrat (2 × pi × ringdiameter × (samlet diameter - ringdiameter))

Toroid kapacitans 3 = 4.43927641749 × ((0.5 × (ringdiameter × (samlet diameter - ringdiameter))) ^0.5)

Gennemsnitlig Toroidkapacitans = (Toroidkapacitans 1 + Toroidkapacitans 2 + Toroidkapacitans 3) ∕ 3

Så for vores toroid: indvendig diameter 4”, ydre diameter = 13”, afstand fra enden af den sekundære vikling = 5 cm.

C = 13,046 pf

Sekundær spolekapacitet:

Sekundær kapacitans (pf) = (0,29 × Sekundær trådviklingshøjde + (0,41 × (sekundær formdiameter ∕ 2)) + (1,94 × kvadrat (((sekundær formdiameter ∕ 2) 3) ∕ sekundær trådviklingshøjde))

Csec = 8,2778 pF;

Det er også interessant at kende spolens (parasitære) kapacitans. Her er formlen også kompliceret i det generelle tilfælde. Vi bruger den værdi, som JAVATC giver ("Effektiv shuntkapacitans" uden topbelastning):

Cres = 6,8 pF

Derfor for det sekundære kredsløb:

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

Lsek = 20,853mH

Resultater fra laboratorieforsøg:

Se billederne ovenfor for proceduren for test og testresultater.

Trin 8: Resonance Tuning

Indstilling af de primære og sekundære kredsløb til resonans, og lad dem dele den samme resonansfrekvens er af største betydning for god drift.

Svaret fra et RLC -kredsløb er det stærkeste, når det drives ved dets resonansfrekvens. I et godt RLC -kredsløb falder reaktionsintensiteten kraftigt, når kørefrekvensen driver fra resonansværdien.

Vores resonansfrekvens = 267,47 kHz.

Tuning metoder:

Tuningen sker generelt ved at justere den primære induktans, simpelthen fordi det er den nemmeste komponent at ændre. Da denne induktor har brede sving, er det let at ændre sin selvinduktans ved at trykke på det sidste stik på et bestemt sted i spiralen.

Den enkleste metode til at opnå denne justering er ved forsøg og fejl. Til dette begynder man at trykke på primæren på et tidspunkt, der angiveligt er tæt på den resonante, tænder spolen og vurderer lysbueslængde. Derefter tappes spiralen en kvart omgang frem/tilbage, og man revurderer resultatet. Efter et par forsøg kan man gå videre med mindre trin, og vil endelig få tappepunktet, hvor buelængden er den højeste. Normalt denne tapping

punkt vil faktisk indstille den primære induktans, sådan som begge kredsløb er ved resonans.

En mere præcis metode ville indebære en analyse af den individuelle reaktion af begge kredsløb (i den koblede konfiguration, selvfølgelig, dvs. uden fysisk adskillelse af kredsløbene) med en signalgenerator og et oscilloskop.

Buer kan selv producere en ekstra kapacitans. Det tilrådes derfor at indstille den primære resonansfrekvens lidt lavere end den sekundære for at kompensere for dette. Dette er dog kun mærkbart med kraftfulde Tesla -spoler (som kan producere buer længere end 1 m).

Trin 9: Spænding ved sekundær gnist

Paschens lov er en ligning, der giver nedbrydningsspændingen, det vil sige den spænding, der er nødvendig for at starte en afladning eller lysbue, mellem to elektroder i en gas som funktion af tryk og spaltelængde.

Uden at komme i detaljeret beregning ved hjælp af den komplekse formel, kræver det under normale forhold 3,3 MV at ionisere 1 m luft mellem to elektroder. I vores tilfælde har vi buer omkring 10-13cm, så det vil være mellem 340KV og 440KV.

Trin 10: Faraday Cage Dress

Et Faraday -bur eller Faraday -skjold er et kabinet, der bruges til at blokere elektromagnetiske felter. Et Faraday -skjold kan dannes ved en kontinuerlig afdækning af ledende materiale eller i tilfælde af et Faraday -bur af et net af sådanne materialer.

Vi designede fire lag, jordet, bærbart faradaybur som vist på billedet (brugte materialer: Aluminium, bomuld, læder). Du kan også teste det ved at sætte din mobiltelefon indeni, det vil miste signal eller placere det foran din tesla -spole og sætte nogle neonlamper inde i buret, de lyser ikke, så kan du tage det på og prøve det.

Trin 11: Bilag og referencer

Trin 12: Opbygning af den primære spole

Trin 13: Test af NST

Trin 14: Opbygning af den primære spole