Spark Gap Tesla Coil: 14 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:08

Ini adalah tutorial bagaimana membina Spark Gap Tesla Coil dengan gaun sangkar Faraday.

Projek ini membawa saya dan pasukan saya (3 pelajar) 16 hari bekerja, harganya sekitar 500 USD, saya akan memberi jaminan bahawa ia tidak akan berfungsi sejak pertama kali:), bahagian yang paling penting ialah anda harus memahami semua teori di sebalik dan tahu bagaimana menangani komponen yang anda pilih.

Dalam instruksional ini, saya akan meneliti semua teori di belakang, konsep, formula, langkah demi langkah untuk semua bahagian. Sekiranya anda ingin membina gegelung yang lebih kecil atau lebih besar, konsep dan formula akan sama.

Keperluan untuk projek ini:

- Pengetahuan dalam: Peralatan elektrik, elektronik, elektromagnetik dan makmal

- Osiloskop

- Pengubah Tanda Neon; 220V hingga 9kV

- Kapasitor voltan tinggi

- Kabel tembaga atau paip tembaga

- Kayu untuk membina casis anda

- Paip PVC untuk gegelung sekunder

- Paip logam fleksibel untuk Toroid

- Kipas elektrik 220V kecil untuk jurang percikan

- Kertas aluminium dan jaring untuk pakaian sangkar Faraday

- Wayar terlindung untuk sekunder

- Lampu Neon

- Voltage Regulator jika anda tidak mempunyai 220VAC yang stabil

- Sambungan ke tanah

- Banyak kesabaran

Langkah 1: Pengenalan Spark Gap Tesla Coil

Gegelung Tesla adalah pengubah resonat yang mengandungi litar LC primer dan sekunder. Direka oleh pencipta Nikola Tesla pada tahun 1891, dua litar LC digabungkan secara longgar. Kuasa dibekalkan ke litar utama melalui pengubah tahap, yang mengecas kapasitor. Akhirnya, voltan merentasi kapasitor akan meningkat secukupnya untuk mengurangkan jurang percikan. Kapasitor akan melepaskan melalui jurang percikan dan ke gegelung utama. Tenaga akan bergoyang-goyang antara kapasitor utama dan induktor gegelung primer pada frekuensi tinggi (biasanya 50 kHz- 2 MHz). Gegelung utama digabungkan dengan induktor dalam litar sekunder, yang disebut gegelung sekunder. Dilampirkan ke bahagian atas gegelung sekunder adalah beban atas yang memberikan kapasitansi untuk litar LC sekunder. Sebagai litar utama berayun, daya disebabkan pada gegelung sekunder di mana voltan berlipat kali ganda. Medan voltan tinggi dan arus rendah berkembang di sekitar beban teratas dan busur pelepasan kilat dalam paparan kehebatan yang manis. Litar LC primer dan sekunder mesti berayun pada frekuensi yang sama untuk mencapai pemindahan daya maksimum. Litar dalam gegelung biasanya "disetel" ke frekuensi yang sama dengan menyesuaikan induktansi gegelung utama. Gegelung Tesla dapat menghasilkan voltan keluaran dari 50 kilovolt hingga beberapa juta volt untuk gegelung besar.

Langkah 2: Teori

Bahagian ini akan merangkumi teori operasi lengkap gegelung Tesla konvensional. Kami akan mempertimbangkan bahawa litar primer dan sekunder adalah litar RLC dengan rintangan rendah, yang sesuai dengan kenyataan.

Atas sebab-sebab yang disebutkan di atas, rintangan dalaman komponen tidak ditunjukkan. Kami juga akan menggantikan pengubah terhad semasa. Ini tidak mempunyai kesan mengenai teori murni.

Perhatikan bahawa beberapa bahagian litar sekunder dilukis dalam garis putus-putus. Ini kerana ia tidak dapat dilihat secara langsung pada radas. Mengenai kapasitor sekunder, kita akan melihat bahawa kapasitinya sebenarnya diedarkan, beban atas hanya "satu plat" kapasitor ini. Mengenai jurang percikan sekunder, ia ditunjukkan dalam skema sebagai cara untuk menggambarkan di mana busur akan berlaku.

Langkah pertama kitaran ini adalah pengisian kapasitor utama oleh penjana. Kami akan anggap frekuensi 50 Hz. Oleh kerana penjana (NST) terhad semasa, kapasiti kapasitor mesti dipilih dengan teliti sehingga akan terisi penuh dalam masa tepat 1/100 saat. Sesungguhnya, voltan penjana berubah dua kali dalam satu tempoh, dan pada kitaran seterusnya, ia akan mengecas semula kapasitor dengan kekutuban yang berlawanan, yang sama sekali tidak berubah mengenai operasi gegelung Tesla.

Apabila kapasitor diisi penuh, jurang percikan api dan oleh itu menutup litar utama. Mengetahui intensiti medan elektrik pemecah udara, lebar jurang percikan mesti diatur sehingga menyala tepat ketika voltan melintasi kapasitor mencapai nilai puncaknya. Peranan penjana berakhir di sini.

Kami sekarang mempunyai kapasitor yang dimuat sepenuhnya dalam litar LC. Oleh itu, arus dan voltan akan berayun pada frekuensi resonan litar, seperti yang ditunjukkan sebelumnya. Frekuensi ini sangat tinggi berbanding dengan frekuensi utama, biasanya antara 50 dan 400 kHz.

Litar primer dan sekunder digabungkan secara magnet. Getaran yang berlaku di primer akan mendorong daya elektromotif di sekunder. Oleh kerana tenaga primer dibuang ke sekunder, amplitud ayunan pada primer secara beransur-ansur akan menurun sementara tenaga sekunder akan menguat. Pemindahan tenaga ini dilakukan melalui aruhan magnetik. Pemalar gandingan k antara dua litar sengaja disimpan rendah, umumnya antara 0.05 dan 0.2.

Oleh itu, ayunan pada primer akan bertindak sedikit seperti penjana voltan AC yang diletakkan secara bersiri pada litar sekunder.

Untuk menghasilkan voltan keluaran terbesar, litar yang diselaraskan primer dan sekunder disesuaikan untuk bergema antara satu sama lain. Oleh kerana litar sekunder biasanya tidak boleh laras, ini biasanya dilakukan dengan ketukan laras pada gegelung utama. Sekiranya dua gegelung itu terpisah, frekuensi resonan litar primer dan sekunder akan ditentukan oleh aruhan dan kapasitansi di setiap litar

Langkah 3: Pembahagian Kapasitansi Dalam Litar Sekunder

Kapasitansi sekunder Cs sangat penting untuk menjadikan gegelung tesla berfungsi, kapasitansi gegelung sekunder diperlukan untuk pengiraan frekuensi bergema, jika anda tidak mengambil kira semua parameter, anda tidak akan melihat percikan. Kapasiti ini terdiri daripada banyak sumbangan dan sukar dikira, tetapi kita akan melihat komponen utamanya.

Beban teratas - Tanah.

Pecahan tertinggi kapasitansi sekunder berasal dari beban atas. Memang, kita mempunyai kapasitor yang "plat" adalah beban atas dan tanah. Mungkin mengejutkan bahawa ini memang kapasitor kerana plat ini dihubungkan melalui gegelung sekunder. Walau bagaimanapun, impedansinya cukup tinggi sehingga sebenarnya terdapat perbezaan yang berpotensi antara mereka. Kami akan memanggil Ct sumbangan ini.

Pusing gegelung sekunder.

Sumbangan besar lain berasal dari gegelung sekunder. Ia terbuat dari banyak putaran dawai tembaga enamel bersebelahan dan karenanya induktansi diedarkan sepanjang panjangnya. Ini menunjukkan bahawa terdapat sedikit potensi perbezaan antara dua lilitan bersebelahan. Kami kemudian mempunyai dua konduktor pada potensi yang berbeza, dipisahkan oleh dielektrik: kapasitor, dengan kata lain. Sebenarnya, ada kapasitor dengan setiap pasang wayar, tetapi kapasitinya berkurang dengan jarak, oleh itu seseorang dapat mempertimbangkan bahawa kapasiti hanya antara dua putaran yang berdekatan adalah perkiraan yang baik.

Mari kita panggil Cb jumlah kapasiti gegelung sekunder.

Sebenarnya, tidak wajib mempunyai beban teratas pada gegelung Tesla, kerana setiap gegelung sekunder akan memiliki kapasitinya sendiri. Walau bagaimanapun, beban teratas sangat penting untuk mempunyai bunga api yang indah.

Akan ada kapasiti tambahan dari objek di sekitarnya. Kapasitor ini dibentuk oleh beban atas di satu sisi dan melakukan objek (dinding, paip paip, perabot, dll.) Di sisi lain.

Kami akan menamakan kapasitor faktor luaran ini Ce.

Oleh kerana semua "kapasitor" ini selari, jumlah kapasiti litar sekunder akan diberikan oleh:

Cs = Ct + Cb + Ce

Langkah 4: Konsepsi dan Pembinaan

Dalam kes kami, kami menggunakan pengatur voltan automatik untuk mengekalkan input voltan untuk NST pada 220V

Dan ia mengandungi penapis talian AC bawaan (YOKOMA ELECTRIC WORKS., LTD. Dalam model Jepun-AVR-2)

Alat ini boleh didapati di mesin X-Ray atau dibeli terus dari pasar.

Pengubah voltan tinggi adalah bahagian terpenting pada gegelung aTesla. Ia hanyalah pengubah aruhan. Peranannya adalah untuk mengisi kapasitor utama pada awal setiap kitaran. Terlepas dari kekuatannya, kekasarannya sangat penting kerana ia mesti menahan keadaan operasi yang hebat (penapis perlindungan kadang-kadang diperlukan).

Transformer tanda neon (NST) yang kami gunakan untuk gegelung tesla kami, ciri-ciri (nilai rms) adalah berikut:

Vout = 9000 V, Iout = 30 mA

Arus keluaran, sebenarnya, 25mA, 30mA adalah puncak yang turun menjadi 25 mA setelah bermula.

Kita sekarang dapat menghitung kekuatannya P = V I, yang akan berguna untuk menetapkan dimensi global gegelung Tesla serta idea kasar mengenai panjang percikannya.

P = 225 W (untuk 25 mA)

NST Impedance = NST Vout ∕ NST Iout = 9000 / 0.25 = 360 KΩ

Langkah 5: Litar Utama

Kapasitor:

Peranan kapasitor utama untuk menyimpan sejumlah cas untuk kitaran yang akan datang serta membentuk litar LC bersama dengan induktor utama.

Kapasitor utama biasanya dibuat dari beberapa dozen penutup yang dikabelkan dalam konfigurasi siri / selari yang disebut Multi-Mini Capacitor (MMC)

Kapasitor utama digunakan dengan gegelung utama untuk membuat litar LC primer. Kapasitor berukuran resonat boleh merosakkan NST, oleh itu kapasitor bersaiz Lebih Besar daripada Resonat (LTR) sangat digalakkan. Kapasitor LTR juga akan memberikan kuasa paling banyak melalui gegelung Tesla. Jurang utama yang berbeza (putaran statik berbanding penyegerakan) akan memerlukan kapasitor utama yang berlainan saiz.

Cres = Kapasitansi Resonat Utama (uF) = 1 ∕ (2 * π * NST Impedance * NST Fin) = 1 / (2 * π * 360 000 * 50) = 8.8419nF

CLTR = Kapasiti Statik lebih besar daripada resonans (LTR) (uF) = Kapasitansi Resonat Primer × 1.6

= 14.147nF

(ini mungkin sedikit berbeza dari pendekatan yang lain, pekali yang disarankan 1.6-1.8)

Kami menggunakan kapasitor 2000V 100nF, Nb = Cunit / Cequiv = 100nF / 0.0119 uF = 9 Kapasitor. Jadi untuk tepat 9 topi kita mempunyai Ceq = 0.0111uF = kapasitansi MMC.

Fikirkan untuk menyambungkan perintang kuasa tinggi, 10MOhms selari dengan setiap kapasitor untuk keselamatan.

Kearuhan:

Peranan induktor primer adalah untuk menghasilkan medan magnet untuk disuntik ke litar sekunder serta membentuk litar LC dengan kapasitor primer. Komponen ini mesti dapat mengangkut arus berat tanpa kerugian yang berlebihan.

Geometri yang berbeza mungkin untuk gegelung utama. Dalam kes kami, kami akan menyesuaikan lingkaran berpelengkung rata sebagai gegelung utama. Geometri ini secara semula jadi membawa kepada gandingan yang lebih lemah dan mengurangkan risiko lengkungan pada primer: oleh itu ia lebih disukai pada gegelung kuat. Walau bagaimanapun, penggunaan gegelung elektrik lebih rendah kerana kemudahan pembinaannya. Meningkatkan gandingan boleh dilakukan dengan menurunkan gegelung sekunder ke primer.

Biarkan W menjadi lebar spiral yang diberikan oleh W = Rmax - Rmin dan R radius minnya, iaitu R = (Rmax + Rmin) / 2, keduanya dinyatakan dalam sentimeter. Sekiranya gegelung mempunyai putaran N, formula empirik yang menghasilkan induktansi L pada mikroenry adalah:

Lflat = (0.374 (NR) ^ 2) / (8R + 11W).

Untuk bentuk helik Jika kita memanggil R sebagai jari-jari heliks, H tingginya (kedua-duanya dalam sentimeter) dan N bilangan lilitannya, formula empirik yang menghasilkan induktansi L dalam mikroenry adalah: Lhelic = (0.374 (NR) ^ 2) / (9R + 10H).

Ini adalah banyak formula yang boleh anda gunakan dan periksa, ia akan memberikan hasil yang dekat, cara yang paling tepat adalah menggunakan osiloskop dan mengukur tindak balas frekuensi, tetapi formula juga diperlukan untuk membina gegelung. Anda juga boleh menggunakan perisian simulasi seperti JavaTC.

Formula 2 untuk bentuk rata: L = [0.25 * N ^ 2 * (D1 + N * (W + S)) ^ 2] / [15 * (D1 + N * (W + S)) + 11 * D1]

di mana N: bilangan putaran, W: diameter dawai dalam inci, S: jarak wayar dalam inci, D1: diameter dalaman dalam inci

Masukkan data Tesla Coil saya:

Jejari dalaman: 4.5 inci, 11.2 putaran, jarak 0.25 inci, diameter dawai = 6 mm, jejari luar = 7.898 inci.

L menggunakan Formula 2 = 0.03098mH, dari JavaTC = 0.03089mH

Oleh itu, frekuensi utama: f1 = 271.6 KHz (L = 0.03089 mH, C = 0.0111MFD)

Pengalaman makmal (penalaan frekuensi utama)

dan kami memperoleh resonansi pada 269-271KHz, yang mengesahkan pengiraannya, lihat Angka.

Langkah 6: Jurang Spark

Fungsi jurang percikan adalah untuk menutup litar LC primer apabila kapasitor diisi dengan cukup, sehingga membolehkan ayunan bebas di dalam litar. Ini adalah komponen penting dalam gegelung Tesla kerana frekuensi penutupan / pembukaannya akan mempunyai pengaruh yang besar terhadap output akhir.

Jurang percikan yang ideal mesti dinyalakan ketika voltan melintang kapasitor maksimum dan terbuka semula ketika jatuh ke sifar. Tetapi ini tentu saja tidak berlaku dalam jurang percikan yang sebenarnya, kadang-kadang tidak menyala ketika seharusnya atau terus menyala ketika voltan sudah berkurang;

Untuk projek kami, kami menggunakan jurang percikan statik dengan dua elektrod sfera (dibina menggunakan dua pemegang laci) yang kami reka secara manual. Dan ia dapat disesuaikan secara manual juga dengan memutar kepala sfera.

Langkah 7: Litar Sekunder

Gegelung:

Fungsi gegelung sekunder adalah membawa komponen induktif ke litar LC sekunder dan mengumpulkan tenaga gegelung primer. Induktor ini adalah solenoid berpori udara, umumnya mempunyai antara 800 dan 1500 giliran yang berdekatan. Untuk mengira bilangan lilitan yang terluka, formula cepat ini akan mengelakkan kerja-kerja yang tidak pasti:

Tolok wayar 24 = 0,05 cm, diameter PVC 4 inci, bilangan lilitan = 1100 menara, tinggi diperlukan = 1100 x 0,05 = 55 cm = 21,6535 inci. => L = 20.853 mH

di mana H adalah ketinggian gegelung dan d diameter wayar yang digunakan. Parameter penting lain ialah panjang l yang perlu kita buat keseluruhan gegelung.

L = µ * N ^ 2 * A / H. Di mana µ mewakili kebolehtelapan magnetik medium (≈ 1.257 · 10−6 N / A ^ 2 untuk udara), N bilangan putaran solenoid, H jumlah tinggi, dan A luas putaran.

Beban Teratas:

Beban atas bertindak seperti "plat" atas kapasitor yang terbentuk oleh beban atas dan tanah. Ia menambahkan kapasiti ke litar LC sekunder dan menawarkan permukaan dari mana busur dapat terbentuk. Sebenarnya, mungkin untuk menjalankan gegelung Tesla tanpa beban teratas, tetapi persembahan dari segi panjang busur sering kali buruk, kerana sebahagian besar tenaga dihamburkan di antara giliran gegelung sekunder dan bukannya memberi bunga api.

Kapasiti Toroid 1 = ((1+ (0.2781 - Diameter Cincin ∕ (Diameter Keseluruhan))) × 2.8 × sqrt ((pi × (Diameter Keseluruhan × Diameter Cincin)) ∕ 4))

Kapasitansi Toroid 2 = (1,28 - Diameter Cincin Diam Diameter Keseluruhan) × sqrt (2 × pi × Diameter Cincin × (Diameter Keseluruhan - Diameter Cincin))

Kapasiti Toroid 3 = 4.43927641749 × ((0.5 × (Diameter Cincin × (Diameter Keseluruhan - Diameter Cincin))) 0.5

Kapasiti Toroid Purata = (Kapasitansi Toroid 1 + Kapasitansi Toroid 2 + Kapasitansi Toroid 3) ∕ 3

Jadi untuk toroid kami: diameter dalam 4 ", diameter luar = 13", jarak dari hujung belitan sekunder = 5cm.

C = 13.046 pf

Kapasiti Gegelung Sekunder:

Kapasiti Sekunder (pf) = (0.29 × Tinggi Penggulungan Kawat Sekunder + (0.41 × (Diameter Bentuk Sekunder ∕ 2)) + (1.94 × sqrt (((Diameter Bentuk Sekunder ∕ 2) 3) ∕ Tinggi Penggulungan Kawat Sekunder))

Csec = 8.2787 pF;

Ia juga menarik untuk mengetahui kapasitansi (parasit) gegelung. Berikut rumusnya rumit dalam kes umum. Kami akan menggunakan nilai yang dihasilkan oleh JAVATC ("Kapasiti shunt berkesan" tanpa beban teratas):

Cres = 6.8 pF

Oleh itu, untuk litar sekunder:

Ctot = 8.27 + 13.046 = 21.316pF

Lsec = 20.853mH

Hasil eksperimen makmal:

Lihat gambar di atas untuk prosedur pengujian dan keputusan ujian.

Langkah 8: Penalaan Resonans

Mengatur litar primer dan sekunder pada resonans, minta mereka berkongsi frekuensi resonan yang sama sangat penting untuk operasi yang baik.

Tindak balas litar RLC adalah yang paling kuat apabila didorong pada frekuensi resonannya. Dalam rangkaian RLC yang baik, intensiti tindak balas turun dengan mendadak apabila frekuensi pemanduan melayang dari nilai resonan.

Frekuensi resonan kami = 267.47 kHz.

Kaedah penalaan:

Penyesuaian umumnya dilakukan dengan menyesuaikan induktansi utama, hanya kerana komponen yang paling mudah untuk diubah. Oleh kerana induktor ini mempunyai selekoh lebar, mudah untuk mengubah induktansi diri dengan mengetuk penyambung akhir di tempat tertentu dalam lingkaran.

Kaedah termudah untuk mencapai penyesuaian ini adalah dengan melakukan percubaan dan kesilapan. Untuk ini, seseorang mula mengetuk primer pada titik yang sepatutnya dekat dengan yang bergema, menyalakan gegelung, dan menilai panjang busur. Kemudian lingkaran diketuk seperempat giliran ke depan / belakang dan satu menilai semula hasilnya. Setelah beberapa kali mencuba, seseorang dapat meneruskan langkah-langkah yang lebih kecil, dan akhirnya akan mendapat titik penyadapan di mana panjang busur adalah yang tertinggi. Biasanya, mengetuk ini

titik pasti akan menetapkan induktansi utama seperti kedua-dua litar berada pada resonans.

Kaedah yang lebih tepat akan melibatkan analisis tindak balas individu kedua-dua litar (dalam konfigurasi gandingan, tentu saja, iaitu tanpa memisahkan litar secara fizikal) dengan penjana isyarat dan osiloskop.

Arka sendiri dapat menghasilkan kapasitansi tambahan. Oleh itu, disarankan untuk menetapkan frekuensi resonan primer sedikit lebih rendah daripada sekunder, untuk mengimbanginya. Walau bagaimanapun, ini hanya dapat dilihat dengan gegelung Tesla yang kuat (yang boleh menghasilkan busur lebih dari 1m).

Langkah 9: Voltan di Secondary-Spark

Hukum Paschen adalah persamaan yang memberikan voltan pemecahan, iaitu voltan yang diperlukan untuk memulakan debit atau busur elektrik, antara dua elektrod dalam gas sebagai fungsi tekanan dan panjang jurang.

Tanpa membuat pengiraan terperinci menggunakan formula kompleks, untuk keadaan normal, memerlukan 3.3MV untuk mengion 1m udara antara dua elektrod. Dalam kes kami, kami mempunyai busur sekitar 10-13cm sehingga antara 340KV dan 440KV.

Langkah 10: Pakaian Sangkar Faraday

Kandang Faraday atau perisai Faraday adalah kandang yang digunakan untuk menyekat medan elektromagnetik. Perisai Faraday boleh dibentuk dengan penutup bahan konduktif yang berterusan atau dalam kes kandang Faraday, dengan jaring dari bahan tersebut.

Kami merancang empat lapisan, kandang faraday yang dapat dibumikan, seperti yang ditunjukkan dalam gambar (bahan terpakai: Aluminium, kapas, kulit). Anda boleh mengujinya juga dengan meletakkan telefon bimbit anda ke dalam, ia akan kehilangan isyarat, atau meletakkannya di hadapan gegelung tesla anda dan meletakkan beberapa lampu neon di dalam kandang, mereka tidak akan menyala, maka anda boleh memasangnya dan mencubanya.

Langkah 11: Lampiran dan Rujukan

Langkah 12: Membina Gegelung Utama

Langkah 13: Menguji NST

Langkah 14: Membina Gegelung Utama