Spark Gap Tesla Coil: 14 stappe

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:24

Dit is 'n handleiding oor hoe om 'n Spark Gap Tesla -spoel met 'n Faraday -hokrok te bou.

Hierdie projek het my en my span (3 studente) 16 werksdae geneem, dit kos ongeveer 500 dollar, ek kan u verseker dat dit nie van die eerste keer af sal werk nie:), die belangrikste is dat u al die teorie agter moet verstaan en weet hoe om te gaan met die komponente wat u kies.

In hierdie instruksies neem ek u deur al die teorie agter, die konsepte, die formules, stap vir stap bou vir al die dele. As u kleiner of groter spoele wil bou, sal die konsep en formules dieselfde wees.

Die vereistes vir hierdie projek:

- Kennis in: Elektriese, elektroniese, elektromagnetiese en laboratoriumtoerusting

- Ossilloskoop

- Neon -teken transformator; 220V tot 9kV

- Hoë spanning kapasitors

- Koperkabels of koperpype

- Hout om u onderstel te bou

- PVC -pyp vir die sekondêre spoel

- Buigsame metaalpyp vir die Toroid

- 'n Klein 220V -waaier vir die vonkgaping

- Aluminiumpapiere en gaas vir die Faraday -hokrok

- Geïsoleerde drade vir die sekondêre

- Neon lampe

- Spanningsreguleerder as u nie 'n stabiele 220VAC het nie

- Aansluiting op die grond

- Baie geduld

Stap 1: Inleiding tot die Spark Gap Tesla -spoel

'N Tesla -spoel is 'n resonante transformator wat 'n primêre en sekondêre LC -stroombaan bevat. Die twee LC -stroombane is los ontwerp, saamgestel deur die uitvinder Nikola Tesla in 1891. Krag word aan die primêre stroombaan verskaf deur 'n opstart-transformator wat 'n kondensator laai. Uiteindelik sal die spanning oor die kapasitor voldoende toeneem om 'n vonkgaping te verkort. Die kondensator sal deur die vonkgaping en in die primêre spoel ontlaai. Die energie sal heen en weer ossilleer tussen die primêre kapasitor en primêre spoelinduktor by hoë frekwensies (tipies 50 kHz- 2 MHz). Die primêre spoel is gekoppel aan 'n induktor in die sekondêre stroombaan, die sekondêre spoel genoem. Aan die bokant van die sekondêre spoel is 'n topbelasting wat kapasitansie bied vir die sekondêre LC -stroombaan. Terwyl die primêre stroombaan ossilleer, word krag in die sekondêre spoel veroorsaak, waar die spanning baie keer vermenigvuldig word. 'N Hoogspanningsveld met 'n lae stroom ontwikkel rondom die boonste vrag en boë van weerligontlading in 'n lieflike vertoning van ontsag. Die primêre en sekondêre LC -stroombane moet op dieselfde frekwensie ossilleer om maksimum kragoordrag te verkry. Die stroombane in die spoel word gewoonlik op dieselfde frekwensie "ingestel" deur die induktansie van die primêre spoel aan te pas. Tesla -spoele kan uitsetspannings lewer van 50 kilovolt tot 'n paar miljoen volt vir groot spoele.

Stap 2: Teorie

Hierdie afdeling dek die volledige teorie van werking van 'n konvensionele Tesla -spoel. Ons sal in ag neem dat die primêre en sekondêre stroombane RLC -kringe is met 'n lae weerstand, wat ooreenstem met die werklikheid.

Om die voormelde redes word die interne weerstand van die komponent nie voorgestel nie. Ons sal ook die huidige beperkte transformator vervang. Dit het geen invloed op suiwer teorie nie.

Let daarop dat sommige dele van die sekondêre stroombaan in stippellyne geteken is. Dit is omdat hulle nie direk op die apparaat sigbaar is nie. Wat die sekondêre kapasitor betref, sal ons sien dat die kapasiteit daarvan eintlik versprei is, en die boonste las slegs 'een plaat' van hierdie kapasitor is. Wat die sekondêre vonkgaping betref, word dit in die skematiese voorstelling getoon as 'n manier om voor te stel waar die boë sal plaasvind.

Hierdie eerste stap van die siklus is die laai van die primêre kapasitor deur die kragopwekker. Ons veronderstel dat die frekwensie daarvan 50 Hz is. Omdat die kragopwekker (NST) stroombeperk is, moet die kapasiteit van die kapasitor sorgvuldig gekies word sodat dit binne presies 1/100 sekondes volledig gelaai word. Die spanning van die kragopwekker verander inderdaad twee keer per periode, en tydens die volgende siklus herlaai dit die kapasitor met teenoorgestelde polariteit, wat absoluut niks aan die werking van die Tesla-spoel verander nie.

As die kondensator volledig gelaai is, brand die vonkgaping en sluit die primêre stroombaan dus. Omdat ons die intensiteit van die afbreekbare elektriese veld van lug ken, moet die breedte van die vonkgaping so ingestel word dat dit presies brand wanneer die spanning oor die kapasitor sy piekwaarde bereik. Die rol van die kragopwekker eindig hier.

Ons het nou 'n volgelaaide kapasitor in 'n LC -stroombaan. Stroom en spanning sal dus ossilleer by die resonante frekwensie van die stroombane, soos voorheen getoon. Hierdie frekwensie is baie hoog in vergelyking met die netfrekwensie, gewoonlik tussen 50 en 400 kHz.

Die primêre en sekondêre stroombane is magneties gekoppel. Die ossillasies wat plaasvind in die primêre sal dus 'n elektromotoriese krag in die sekondêre veroorsaak. Namate die energie van die primêre in die sekondêre gestort word, sal die amplitude van die ossillasies in die primêre geleidelik afneem terwyl die van die sekondêre sal versterk. Hierdie energie -oordrag geskied deur magnetiese induksie. Die koppelingskonstante k tussen die twee stroombane word doelbewus laag gehou, gewoonlik tussen 0,05 en 0,2.

Die ossillasies in die primêre sal dus 'n bietjie werk soos 'n wisselspanningsgenerator wat in serie op die sekondêre stroombaan geplaas word.

Om die grootste uitgangsspanning te lewer, word die primêre en sekondêre afgestemde kringe aangepas om met mekaar te resonansieer. Aangesien die sekondêre stroombaan gewoonlik nie verstelbaar is nie, word dit gewoonlik gedoen deur 'n verstelbare kraan op die primêre spoel. As die twee spoele apart was, sou die resonante frekwensies van die primêre en sekondêre stroombane bepaal word deur die induktansie en kapasitansie in elke stroombaan

Stap 3: Verspreiding van kapasiteit binne die sekondêre stroombaan

Die sekondêre kapasitansie Cs is baie belangrik om die tesla -spoel te laat werk, die kapasitansie van die sekondêre spoel is nodig vir die berekening van die resonante frekwensie, as u nie alle parameters in ag neem nie, sien u geen vonk nie. Hierdie kapasiteit bestaan uit baie bydraes en is moeilik om te bereken, maar ons kyk na die belangrikste komponente daarvan.

Toplading - Grond.

Die hoogste fraksie van die sekondêre kapasitansie kom van die boonste las. Ons het inderdaad 'n kapasitor waarvan die "plate" die boonste las en die grond is. Dit kan verbasend wees dat dit inderdaad 'n kapasitor is, aangesien hierdie plate deur die sekondêre spoel verbind is. Die impedansie daarvan is egter redelik hoog, so daar is eintlik 'n potensiële verskil tussen hulle. Ons sal Ct hierdie bydrae noem.

Draaie van die sekondêre spoel.

Die ander groot bydrae kom van die sekondêre spoel. Dit bestaan uit baie aangrensende draaie van geëmailleerde koperdraad en die induktansie daarvan word dus oor sy lengte versprei. Dit impliseer dat daar 'n geringe potensiaalverskil is tussen twee aangrensende draaie. Ons het dan twee geleiers met verskillende potensiaal, geskei deur 'n diëlektrikum: 'n kondensator, met ander woorde. Eintlik is daar 'n kondensator met elke paar drade, maar die kapasiteit neem af met die afstand, daarom kan 'n mens die kapasiteit slegs tussen twee aangrensende draaie as 'n goeie benadering beskou.

Kom ons noem Cb die totale kapasiteit van die sekondêre spoel.

Dit is eintlik nie verpligtend om 'n maksimum las op 'n Tesla -spoel te hê nie, aangesien elke sekondêre spoel sy eie kapasiteit sal hê. Dat 'n topvrag egter van kardinale belang is om pragtige vonke te hê.

Daar sal ekstra kapasiteit wees vir die omliggende voorwerpe. Hierdie kondensator word gevorm deur die boonste las aan die een kant en die geleiding van voorwerpe (mure, loodgieterpype, meubels, ens.) Aan die ander kant.

Ons noem die kapasitor van hierdie eksterne faktore Ce.

Aangesien al hierdie "kapasitors" parallel is, word die totale kapasiteit van die sekondêre stroombaan gegee deur:

Cs = Ct + Cb + Ce

Stap 4: Konsepsie en konstruksie

In ons geval het ons 'n outomatiese spanningsreguleerder gebruik om die spanningsinvoer vir die NST op 220V te handhaaf

En dit bevat 'n ingeboude wisselstroomfilter (YOKOMA ELECTRIC WORKS., LTD. In Japan-Model AVR-2)

Hierdie instrument kan in X-straalmasjiene gevind word of direk van die mark gekoop word.

Die hoogspanningstransformator is die belangrikste deel van 'n Tesla -spoel. Dit is bloot 'n induksie transformator. Die rol daarvan is om die primêre kapasitor aan die begin van elke siklus te laai. Afgesien van sy krag, is sy robuustheid baie belangrik, want dit moet uitstekende weerstandstoestande weerstaan (soms is 'n beskermingsfilter nodig).

Die neon tekens transformator (NST) wat ons gebruik vir ons tesla spoel, eienskappe (rms waardes) is die volgende:

Vout = 9000 V, Iout = 30 mA

Die uitsetstroom is in werklikheid 25mA, 30mA is die piek wat na die aanvang tot 25 mA daal.

Ons kan nou sy krag P = V I bereken, wat nuttig sal wees om die globale dimensies van die Tesla -spoel te bepaal, sowel as 'n ruwe idee van die lengte van die vonke.

P = 225 W (vir 25 mA)

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

Stap 5: Primêre stroombaan

Kondensator:

Die rol van die primêre kapasitoris om 'n sekere hoeveelheid lading vir die komende siklus op te slaan, asook om 'n LC -stroombaan saam met die primêre induktor te vorm.

Die primêre kapasitor bestaan gewoonlik uit 'n paar dosyn doppe wat in 'n reeks / parallelle opset bedraad is, 'n Multi-Mini-kondensator (MMC) genoem.

Die primêre kapasitor word saam met die primêre spoel gebruik om die primêre LC -stroombaan te skep. 'N Kondensator met 'n resonante grootte kan 'n NST beskadig, daarom word 'n groter kondensator van 'n groter as resonate (LTR) aanbeveel. 'N LTR -kondensator lewer ook die meeste krag deur die Tesla -spoel. Verskillende primêre gapings (staties vs sinchroniseer roterende) benodig primêre kapasitors van verskillende grootte.

Cres = Primêre Resonate Kapasitansie (uF) = 1 ∕ (2 * π * NST Impedansie * NST Fin) = 1/ (2 * π * 360 000 * 50) = 8.8419nF

CLTR = Primêre groter as resonansie (LTR) Statiese kapasitansie (uF) = Primêre resonaatkapasitansie × 1.6

= 14,147 nF

(dit kan effens verskil van 'n benadering tot 'n ander, aanbevole koëffisiënt 1.6-1.8)

Ons gebruik 'n 2000V 100nF kapasitors, Nb = Cunit/Cequiv = 100nF/0.0119 uF = 9 kondensators. Vir presies 9 kappies het ons dus Ceq = 0.0111uF = MMC kapasitansie.

Dink daaraan om veilige 10MOhms -weerstande parallel met elke kondensator aan te sluit.

Induktansie:

Die rol van die primêre induktor is om 'n magnetiese veld te genereer wat in die sekondêre stroombaan ingespuit moet word, asook om 'n LC -stroombaan met die primêre kapasitor te vorm. Hierdie komponent moet swaar stroom kan vervoer sonder te veel verliese.

Verskillende meetkunde is moontlik vir die primêre spoel. In ons geval sal ons die plat boogspiraal as 'n primêre spoel aanpas. Hierdie meetkunde lei natuurlik tot 'n swakker koppeling en verminder die risiko van boog in die primêre: dit word dus verkieslik op kragtige spoele. Dit is egter redelik algemeen in spoel met laer krag vanweë die gemak van konstruksie. Die koppeling kan verhoog word deur die sekondêre spoel in die primêre te laat sak.

Laat W die spiraalwydte wees wat gegee word deur W = Rmax - Rmin en R sy gemiddelde radius, dit wil sê R = (Rmax + Rmin)/2, albei uitgedruk in sentimeter. As die spoel N draaie het, is 'n empiriese formule wat sy induktansie L in mikrohenrys lewer:

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

Vir die helikoptervorm As ons R die radius van die heliks noem, H sy hoogte (beide in sentimeter) en N sy aantal draaie, is 'n empiriese formule wat sy induktansie L in microhenrys lewer: Lhelic = (0,374 (NR)^2) /(9R+10H).

Dit is baie formules wat u kan gebruik en kontroleer; dit sal goeie resultate lewer; die mees akkurate manier is om die ossilloskoop te gebruik en die frekwensierespons te meet, maar die formules is ook nodig vir die bou van die spoel. U kan ook simulasiesagteware soos JavaTC gebruik.

Formule 2 vir plat vorm: L = [0,25*N^2*(D1+N*(W+S))^2]/[15*(D1+N*(W+S))+11*D1]

waar N: aantal draaie, W: draaddiameter in duim, S: draadafstand in duim, D1: binnediameter in duim

Invoerdata van my Tesla -spoel:

Binne -radius: 4,5 duim, 11,2 draaie, afstand tussen 0,25 duim, draaddiameter = 6 mm, buitenste radius = 7,898 duim.

L met formule 2 = 0,03098mH, van JavaTC = 0,03089mH

Daarom primêre frekwensie: f1 = 271,6 KHz (L = 0,03089 mH, C = 0,0111MFD)

Lab -ervaring (primêre frekwensie -afstemming)

en ons het resonansie verkry by 269-271KHz, wat die berekening verifieer, sien syfers.

Stap 6: Spark Gap

Die funksie van die vonkgaping is om die primêre LC -stroombaan te sluit wanneer die kapasitor voldoende gelaai is en sodoende vrye ossillasies binne die kring moontlik te maak. Dit is 'n belangrike komponent in 'n Tesla -spoel, omdat die sluit-/openingsfrekwensie 'n aansienlike invloed op die finale uitset sal hê.

'N Ideale vonkgaping moet brand net wanneer die spanning oor die kapasitor maksimum is en weer oopmaak net wanneer dit tot nul daal. Maar dit is natuurlik nie die geval in 'n ware vonkgaping nie; dit brand soms nie wanneer dit moet of bly brand as die spanning reeds afgeneem het nie;

Vir ons projek het ons 'n statiese vonkgaping gebruik met twee sferiese elektrode (gebou met twee handvatsels) wat ons met die hand ontwerp het. En dit kan ook met die hand verstel word deur die sferiese koppe te draai.

Stap 7: Sekondêre stroombaan

Spoel:

Die funksie van die sekondêre spoel is om 'n induktiewe komponent na die sekondêre LC -stroombaan te bring en die energie van die primêre spoel te versamel. Hierdie induktor is 'n lugkern-solenoïde wat oor die algemeen tussen 800 en 1500 aangrensende draaie het wat naby gewond is. Om die aantal draaie wat gemaak is, te bereken, sal hierdie vinnige formule sekere harde werk vermy:

Draadmeter 24 = 0,05 cm, PVC -deursnee 4 duim, aantal draaie = 1100 torings, benodigde hoogte = 1100 x 0,05 = 55 cm = 21,6535 duim. => L = 20,853 mH

waar H die hoogte van die spoel is en d die deursnee van die draad wat gebruik word. 'N Ander belangrike parameter is die lengte wat ons nodig het om die hele spoel te maak.

L = µ*N^2*A/H. Waar µ die magnetiese deurlaatbaarheid van die medium voorstel (≈ 1.257 · 10−6 N/A^2 vir lug), N die aantal draaie van die solenoïde, H sy totale hoogte en A die oppervlakte van 'n draai.

Toplading:

Die boonste las werk soos die boonste "plaat" van die kapasitor wat gevorm word deur die boonste las en die grond. Dit gee kapasiteit aan die sekondêre LC -stroombaan en bied 'n oppervlak waaruit boë kan vorm. Dit is eintlik moontlik om 'n Tesla -spoel sonder 'n topbelasting te bestuur, maar die prestasie in die booglengte is dikwels swak, aangesien die meeste energie tussen die sekondêre spoeldraaie versprei word in plaas van om die vonke te voed.

Toroid Kapasiteit 1 = ((1+ (0.2781 - Ringdiameter ∕ (Algehele Diameter))) × 2.8 × sqrt ((pi × (Algehele Diameter × Ringdiameter)) ∕ 4))

Toroid -kapasiteit 2 = (1,28 - ringdiameter ∕ algehele diameter) × vierkante meter (2 × pi × ringdiameter × (algehele diameter - ringdiameter))

Toroid Kapasitansie 3 = 4.43927641749 × ((0.5 × (Ring Diameter × (Algehele Diameter - Ring Diameter))) ^0.5)

Gemiddelde Toroid Kapasitansie = (Toroid Kapasitansie 1 + Toroid Kapasitansie 2 + Toroid Kapasiteit 3) ∕ 3

So vir ons toroid: binnediameter 4”, buitendiameter = 13”, afstand tussen die einde van die sekondêre wikkeling = 5 cm.

C = 13,046 bl

Sekondêre spoelkapasiteit:

Sekondêre kapasitansie (pf) = (0.29 × Sekondêre draadwindhoogte + (0.41 × (sekondêre vormdiameter ∕ 2)) + (1.94 × vierkante (((sekondêre vormdiameter ∕ 2) 3) ∕ sekondêre draadwikkelhoogte))

Csec = 8.2787 pF;

Dit is ook interessant om die (parasitiese) kapasitansie van die spoel te ken. Ook hier is die formule in die algemene geval ingewikkeld. Ons gebruik die waarde wat JAVATC lewer ("Effektiewe shuntkapasiteit" sonder topbelasting):

Cres = 6.8 pF

Daarom, vir die sekondêre stroombaan:

Ctot = 8.27+13.046 = 21.316pF

Lsek = 20,853mH

Resultate van laboratoriumeksperimente:

Sien foto's hierbo vir die toets- en toetsresultate.

Stap 8: Resonansie -afstemming

Om die primêre en sekondêre stroombane op resonansie te stel, en laat hulle dieselfde resonante frekwensie deel, is baie belangrik vir goeie werking.

Die reaksie van 'n RLC -stroombaan is die sterkste as dit op sy resonante frekwensie aangedryf word. In 'n goeie RLC -stroombaan daal die reaksie -intensiteit skerp wanneer die dryffrekwensie van die resonante waarde afwyk.

Ons resonante frekwensie = 267,47 kHz.

Tuning metodes:

Die stem word gewoonlik gedoen deur die primêre induktansie aan te pas, bloot omdat dit die maklikste komponent is om aan te pas. Aangesien hierdie induktor wye draaie het, is dit maklik om sy selfinduktansie aan te pas deur op die finale aansluiting op 'n sekere plek in die spiraal te tik.

Die eenvoudigste metode om hierdie aanpassing te bewerkstellig, is deur proef-en-fout. Hiervoor begin 'n mens die primêre tik op 'n punt wat vermoedelik naby die resonante is, tik die spoel en evalueer die booglengte. Dan word die spiraal 'n kwart van die draai vorentoe/agtertoe getik, en die een evalueer die resultaat. Na 'n paar probeerslae kan u met kleiner stappe voortgaan en uiteindelik die tikpunt kry waar die booglengte die hoogste is. Normaalweg hierdie tik

punt sal die primêre induktansie inderdaad stel, aangesien albei die stroombane by resonansie is.

'N Meer presiese metode behels 'n analise van die individuele reaksie van beide die stroombane (natuurlik in die gekoppelde konfigurasie, dit wil sê sonder om die stroombane fisies te skei) met 'n seinopwekker en 'n ossilloskoop.

Boë self kan ekstra kapasitansie lewer. Dit word dus aangeraai om die primêre resonante frekwensie effens laer as die sekondêre in te stel om dit te vergoed. Dit is egter slegs opvallend met kragtige Tesla -spoele (wat boë langer as 1 m kan lewer).

Stap 9: Spanning by sekondêre vonk

Paschen's Law is 'n vergelyking wat die afbreekspanning, dit wil sê die spanning wat nodig is om 'n ontlading of 'n elektriese boog te begin, gee tussen twee elektrodes in 'n gas as 'n funksie van druk en gapingslengte.

Sonder om gedetailleerde berekeninge te doen met behulp van die komplekse formule, benodig dit onder normale omstandighede 3.3MV om 1m lug tussen twee elektrodes te ioniseer. In ons geval het ons boë van ongeveer 10-13 cm, so dit sal tussen 340KV en 440KV wees.

Stap 10: Faraday -hokrok

'N Faraday -hok of Faraday -skild is 'n omhulsel wat gebruik word om elektromagnetiese velde te blokkeer. 'N Faraday -skild kan gevorm word deur 'n deurlopende bedekking van geleidende materiaal of in die geval van 'n Faraday -hok, deur 'n gaas van sulke materiale.

Ons het vier lae, gegrond, drabare Faraday -hok ontwerp soos op die foto (gebruikte materiaal: aluminium, katoen, leer). U kan dit ook toets deur u selfoon binne te plaas; dit sal sein verloor, of dit voor u tesla -spoel plaas en 'n paar neonlampe in die hok sit; dit brand nie, dan kan u dit aanskakel en probeer.

Stap 11: Bylaes en verwysings

Stap 12: Bou die primêre spoel

Stap 13: Toets die NST

Stap 14: Bou die primêre spoel