Tesnilna tuljava Spark Gap: 14 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:03

To je vadnica o tem, kako sestaviti Spark Gap Tesla Coil z obleko iz kletke Faraday.

Ta projekt je z mano in mojo ekipo (3 študenti) trajal 16 delovnih dni, stane okoli 500 USD, zagotovil vam bom, da ne bo deloval prvič:), najpomembnejši del je, da morate razumeti vso teorijo in veste, kako ravnati s komponentami, ki jih izberete.

V tem navodilu vas bom popeljal skozi vso teorijo, koncepte, formule, korak za korakom gradnjo vseh delov. Če želite zgraditi manjše ali večje tuljave, bodo koncept in formule enaki.

Zahteve za ta projekt:

- Znanje iz: elektrike, elektronike, elektromagnetne in laboratorijske opreme

- Osciloskop

- transformator Neon Sign; 220V do 9kV

- Visokonapetostni kondenzatorji

- Bakreni kabli ali bakrene cevi

- Les za izdelavo podvozja

- PVC cev za sekundarno tuljavo

- Prilagodljiva kovinska cev za Toroid

- Majhen 220V električni ventilator za iskrico

- Aluminijasti papir in mreža za obleko Faraday v kletki

- Izolirane žice za sekundarno

- Neonske svetilke

- Regulator napetosti, če nimate stabilnih 220VAC

- Priključitev na ozemljitev

- Veliko potrpljenja

1. korak: Uvod v Teslino tuljave Spark Gap

Teslova tuljava je resonančni transformator, ki vsebuje primarno in sekundarno vezje LC. Izumitelj Nikola Tesla, ki ga je oblikoval leta 1891, sta dva vezja LC ohlapno povezana. Napajanje se napaja v primarno vezje preko povečevalnega transformatorja, ki polni kondenzator. Sčasoma se bo napetost na kondenzatorju dovolj povečala, da bo skrajšala iskrenje. Kondenzator se bo razpršil skozi iskro in v primarno tuljavo. Energija bo pri visokih frekvencah (običajno 50 kHz- 2 MHz) nihala naprej in nazaj med primarnim kondenzatorjem in induktorjem primarne tuljave. Primarna tuljava je povezana z induktorjem v sekundarnem vezju, imenovanem sekundarna tuljava. Na vrh sekundarne tuljave je pritrjena zgornja obremenitev, ki zagotavlja kapaciteto za sekundarno vezje LC. Ko primarno vezje niha, se inducira moč v sekundarni tuljavi, kjer se napetost večkrat pomnoži. Okrog zgornje obremenitve in lokov sevanja se razvije visokonapetostno polje z nizkim tokom v sladkem prikazu neverjetnosti. Primarno in sekundarno vezje LC morata nihati pri isti frekvenci, da se doseže največji prenos moči. Vezja v tuljavi so običajno "nastavljena" na isto frekvenco s prilagajanjem induktivnosti primarne tuljave. Tesline tuljave lahko proizvajajo izhodne napetosti od 50 kilovoltov do nekaj milijonov voltov za velike tuljave.

2. korak: Teorija

Ta oddelek zajema celotno teorijo delovanja običajne Teslove tuljave. Upoštevali bomo, da sta primarno in sekundarno vezje vezja RLC z nizkim uporom, kar je v skladu z realnostjo.

Zaradi zgoraj navedenih razlogov notranji upor komponente ni zastopan. Zamenjali bomo tudi tokovno omejen transformator. To nima vpliva na čisto teorijo.

Upoštevajte, da so nekateri deli sekundarnega vezja narisani s črtkanimi črtami. To je zato, ker niso neposredno vidni na aparatu. Kar zadeva sekundarni kondenzator, bomo videli, da je njegova zmogljivost dejansko porazdeljena, zgornja obremenitev pa je le "ena plošča" tega kondenzatorja. Kar zadeva sekundarno iskro, je na shemi prikazana kot način, kako predstaviti, kje se bodo loki pojavili.

Ta prvi korak cikla je polnjenje primarnega kondenzatorja z generatorjem. Predvidevamo, da je njegova frekvenca 50 Hz. Ker je generator (NST) omejen s tokom, je treba kapaciteto kondenzatorja skrbno izbrati, da se popolnoma napolni v natančno 1/100 sekundah. Dejansko se napetost generatorja dvakrat spremeni in v naslednjem ciklu bo ponovno napolnil kondenzator z nasprotno polarnostjo, kar ne spremeni ničesar glede delovanja Teslove tuljave.

Ko je kondenzator popolnoma napolnjen, se svetilka sproži in zato zapre primarni krog. Če poznamo intenzivnost razbitja električnega polja zraka, je treba širino iskrice nastaviti tako, da se sproži točno takrat, ko napetost na kondenzatorju doseže najvišjo vrednost. Tu se vloga generatorja konča.

Zdaj imamo popolnoma napolnjen kondenzator v vezju LC. Tok in napetost bosta tako nihala pri resonančni frekvenci vezij, kot je bilo že prikazano. Ta frekvenca je zelo visoka v primerjavi z omrežno frekvenco, običajno med 50 in 400 kHz.

Primarno in sekundarno vezje sta magnetno povezana. Nihanja v primarnem delu bodo tako povzročila elektromotorno silo v sekundarnem. Ko se energija primarne črpa v sekundarno, se bo amplituda nihanj v primarni postopoma zmanjševala, medtem ko se bodo sekundarne povečale. Ta prenos energije poteka z magnetno indukcijo. Spojna konstanta k med obema vezjema je namerno nizka, običajno med 0,05 in 0,2.

Tako bodo nihanja v primarnem delu delovala kot generator izmenične napetosti, ki je zaporedno nameščen na sekundarnem vezju.

Za izdelavo največje izhodne napetosti se primarno in sekundarno uglašeno vezje prilagodi medsebojni resonanci. Ker sekundarni tokokrog običajno ni nastavljiv, se to običajno opravi z nastavljivim pipo na primarni tuljavi. Če bi bili dve tuljavi ločeni, bi bile resonančne frekvence primarnega in sekundarnega vezja določene z induktivnostjo in kapacitivnostjo v vsakem vezju

3. korak: Porazdelitev kapacitivnosti v sekundarnem vezju

Sekundarna kapacitivnost Cs je res pomembna za delovanje tuljave tesla, kapacitivnost sekundarne tuljave je potrebna za izračun resonančne frekvence, če ne upoštevate vseh parametrov, ne boste videli iskre. Ta kapacitivnost je sestavljena iz številnih prispevkov in jo je težko izračunati, vendar bomo pogledali njene glavne sestavine.

Zgornja obremenitev - tla.

Najvišji delež sekundarne kapacitivnosti prihaja iz zgornje obremenitve. Dejansko imamo kondenzator, katerega "plošče" so zgornja obremenitev in tla. Morda bi bilo presenetljivo, da je to res kondenzator, saj so te plošče povezane preko sekundarne tuljave. Vendar je njegova impedanca precej visoka, zato je med njimi dejansko velika potencialna razlika. Ct bomo poimenovali ta prispevek.

Zavoji sekundarne tuljave.

Drugi velik prispevek prihaja iz sekundarne tuljave. Narejena je iz številnih sosednjih zavojev emajlirane bakrene žice, zato je njena induktivnost porazdeljena po njeni dolžini. To pomeni, da obstaja majhna potencialna razlika med dvema sosednjima zavojema. Nato imamo dva vodnika z različnim potencialom, ločena z dielektrikom: z drugimi besedami, kondenzator. Pravzaprav obstaja kondenzator z vsakim parom žic, vendar se njegova zmogljivost zmanjšuje z razdaljo, zato je zmogljivost le med dvema sosednjima vrtljajema dober približek.

Cb imenujmo skupno zmogljivost sekundarne tuljave.

Pravzaprav ni nujno, da ima Tesla največjo obremenitev, saj ima vsaka sekundarna tuljava svojo zmogljivost. Vendar pa je največja obremenitev ključnega pomena za lepe iskre.

Dodatne zmogljivosti bodo nastale iz okoliških predmetov. Ta kondenzator tvori zgornja obremenitev na eni strani in prevodni predmeti (stene, vodovodne cevi, pohištvo itd.) Na drugi strani.

Kondenzator teh zunanjih dejavnikov bomo poimenovali Ce.

Ker so vsi ti "kondenzatorji" vzporedni, bo skupna zmogljivost sekundarnega vezja podana z:

Cs = Ct + Cb + Ce

4. korak: Zasnova in gradnja

V našem primeru smo uporabili avtomatski regulator napetosti za vzdrževanje vhodne napetosti za NST pri 220V

Vsebuje vgrajen filter za izmenični tok (YOKOMA ELECTRIC WORKS., LTD. V japonskem modelu AVR-2)

Ta instrument je mogoče najti v rentgenskih aparatih ali kupiti neposredno na trgu.

Visokonapetostni transformator je najpomembnejši del tuljave aTesla. Je preprosto indukcijski transformator. Njegova vloga je napolniti primarni kondenzator na začetku vsakega cikla. Poleg moči je njegova robustnost zelo pomembna, saj mora vzdržati grozne pogoje delovanja (včasih je potreben zaščitni filter).

Transformator neonskih napisov (NST), ki ga uporabljamo za teslino tuljave, so značilnosti (efektivne vrednosti) naslednje:

Vout = 9000 V, Iout = 30 mA

Izhodni tok je v resnici 25mA, 30mA je vrh, ki po zagonu pade na 25 mA.

Zdaj lahko izračunamo njegovo moč P = V I, kar bo koristno za določitev globalnih dimenzij Teslove tuljave in okvirno predstavo o dolžini isker.

P = 225 W (za 25 mA)

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

5. korak: primarno vezje

Kondenzator:

Vloga primarnega kondenzatorja je shranjevanje določene količine naboja za prihajajoči cikel, pa tudi oblikovanje vezja LC skupaj s primarnim induktorjem.

Primarni kondenzator je običajno sestavljen iz več deset pokrovčkov, povezanih v zaporedni / vzporedni konfiguraciji, imenovanih Multi-Mini kondenzator (MMC)

Primarni kondenzator se uporablja s primarno tuljavo za ustvarjanje primarnega vezja LC. Kondenzator z resonančno velikostjo lahko poškoduje NST, zato se močno priporoča kondenzator velikosti LTR. Kondenzator LTR bo prav tako prinesel največ energije skozi Teslinovo tuljavo. Za različne primarne vrzeli (statični vs rotacijski sinhronizacijski) bodo potrebni primarni kondenzatorji različnih velikosti.

Cres = Primarna resonančna kapaciteta (uF) = 1 ∕ (2 * π * NST Impedanca * NST Fin) = 1/ (2 * π * 360 000 * 50) = 8,8419 nF

CLTR = Primarna večja od resonance (LTR) Statična kapacitivnost (uF) = Primarna resonančna kapaciteta × 1,6

= 14,147nF

(to se lahko od približka do drugega nekoliko razlikuje, priporočeni koeficient 1,6-1,8)

Uporabili smo 2000V 100nF kondenzatorje, Nb = Cunit/Cequiv = 100nF/0.0119 uF = 9 kondenzatorjev. Torej za natančno 9 kapic imamo Ceq = 0,0111uF = MMC kapacitivnost.

Zaradi varnosti pomislite na to, da vzporedno z vsakim kondenzatorjem priključite 10MOhms upor velike moči.

Induktivnost:

Vloga primarnega induktorja je ustvarjanje magnetnega polja za vbrizgavanje v sekundarno vezje, pa tudi oblikovanje vezja LC s primarnim kondenzatorjem. Ta komponenta mora biti sposobna prenašati močan tok brez prevelikih izgub.

Za primarno tuljavo so možne različne geometrije. V našem primeru bomo plosko spiralno spiralo prilagodili kot primarno tuljavo. Ta geometrija seveda vodi v šibkejšo sklopko in zmanjšuje tveganje za nastanek loka v primarni: zato je prednost pri močnih tuljavah. Je pa zaradi enostavnosti izdelave precej pogost pri tuljavah z manjšo močjo. Povečanje sklopke je možno s spuščanjem sekundarne tuljave v primarno.

Naj bo W širina spirale, podana z W = Rmax - Rmin in R njen srednji polmer, to je R = (Rmax + Rmin)/2, oba izražena v centimetrih. Če ima tuljava N obratov, je empirična formula, ki daje svojo induktivnost L v mikrohenrih:

Lplošno = (0,374 (NR)^2)/(8R+11 W).

Za vijačno obliko Če R imenujemo polmer vijačnice, H njeno višino (v centimetrih) in N število zavojev, je empirična formula, ki daje svojo induktivnost L v mikrohenrih: Lhelic = (0,374 (NR)^2) /(9R+10H).

To je veliko formul, ki jih lahko uporabite in preverite, dale bodo tesne rezultate, najbolj natančen način je uporaba osciloskopa in merjenje frekvenčnega odziva, vendar so formule potrebne tudi za izdelavo tuljave. Uporabite lahko tudi simulacijsko programsko opremo, kot je JavaTC.

Formula 2 za ravno obliko: L = [0,25*N^2*(D1+N*(W+S))^2]/[15*(D1+N*(W+S))+11*D1]

kjer N: število zavojev, W: premer žice v palcih, S: razmik žice v palcih, D1: notranji premer v palcih

Vhodni podatki moje Tesla tuljave:

Notranji polmer: 4,5 palca, 11,2 zavoja, razmik 0,25 palca, premer žice = 6 mm, zunanji polmer = 7,898 palca.

L po formuli 2 = 0,03098 mH, iz JavaTC = 0,03089 mH

Zato je primarna frekvenca: f1 = 271,6 KHz (L = 0,03089 mH, C = 0,0111MFD)

Laboratorijske izkušnje (uglaševanje primarne frekvence)

in dobili smo resonanco pri 269-271KHz, ki preveri izračun, glej slike.

6. korak: Spark Gap

Funkcija iskrice je zapiranje primarnega vezja LC, ko je kondenzator dovolj napolnjen, kar omogoča prosta nihanja znotraj vezja. To je sestavni del prvega pomena v Teslini tuljavi, ker bo njena frekvenca zapiranja/odpiranja pomembno vplivala na končni izhod.

Idealna iskrica mora sprožiti ravno takrat, ko je napetost na kondenzatorju največja in se ponovno odpre, ko pade na nič. Toda v resnični iskri to seveda ne velja, včasih se ne sproži, ko bi moral ali še naprej, ko se je napetost že zmanjšala;

Za naš projekt smo uporabili statično iskro z dvema sferičnima elektrodama (zgrajena z dvema ročajema predalov), ki smo ju zasnovali ročno. Lahko pa ga ročno nastavite tudi z vrtenjem sferičnih glav.

7. korak: Sekundarno vezje

Tuljava:

Naloga sekundarne tuljave je, da v sekundarno vezje LC pripelje induktivno komponento in zbere energijo primarne tuljave. Ta induktor je elektromagnet z zračnim polnjenjem, običajno ima med 800 in 1500 tesno navitih sosednjih zavojev. Ta hitra formula za izračun števila zavojev, ki so bili naviti, se bo izognila določenemu zahtevnemu delu:

Premer žice 24 = 0,05 cm, premer PVC 4 palca, število zavojev = 1100 konic, potrebna višina = 1100 x 0,05 = 55 cm = 21,6535 palcev. => L = 20,853 mH

kjer je H višina tuljave in d premer uporabljene žice. Drug pomemben parameter je dolžina l, ki jo potrebujemo za izdelavo celotne tuljave.

L = µ*N^2*A/H. Kjer µ predstavlja magnetno prepustnost medija (≈ 1,257 · 10−6 N/A^2 za zrak), N število zavojev solenoida, H njegovo celotno višino in A območje zavoja.

Največja obremenitev:

Zgornja obremenitev deluje kot zgornja "plošča" kondenzatorja, ki jo tvorita zgornja obremenitev in tla. Dodaja zmogljivost sekundarnemu vezju LC in ponuja površino, iz katere lahko nastanejo loki. Pravzaprav je mogoče zagnati Teslinovo tuljavo brez največje obremenitve, vendar so zmogljivosti v smislu dolžine loka pogosto slabe, saj se večina energije razprši med sekundarnimi tuljavami, namesto da bi napajala iskre.

Toroidna kapacitivnost 1 = ((1+ (0,2781 - premer obroča ∕ (skupni premer))) × 2,8 × sqrt ((pi × (skupni premer × premer obroča)) ∕ 4))

Toroidna kapacitivnost 2 = (1,28 - premer obroča ∕ skupni premer) × sqrt (2 × pi × premer obroča × (skupni premer - premer obroča))

Toroidna kapacitivnost 3 = 4,43927641749 × ((0,5 × (premer obroča × (skupni premer - premer obroča))) ^0,5)

Povprečna toroidna kapacitivnost = (toroidna kapacitivnost 1 + toroidna kapacitivnost 2 + toroidna kapacitivnost 3) ∕ 3

Torej za naš toroid: notranji premer 4”, zunanji premer = 13”, razmik od konca sekundarnega navitja = 5 cm.

C = 13,046 pf

Kapaciteta sekundarne tuljave:

Sekundarna kapacitivnost (pf) = (0,29 × višina navitja sekundarne žice + (0,41 × (premer sekundarne oblike ∕ 2)) + (1,94 × sqrt (((premer sekundarne oblike ∕ 2) 3) ∕ višina navitja sekundarne žice))

Csec = 8,2787 pF;

Zanimivo je tudi vedeti (parazitsko) kapacitivnost tuljave. Tu je tudi formula v splošnem primeru zapletena. Uporabili bomo vrednost, ki jo daje JAVATC ("Učinkovita shuntna kapacitivnost" brez zgornje obremenitve):

Cres = 6,8 pF

Zato za sekundarni tokokrog:

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

Lsec = 20,853 mH

Rezultati laboratorijskih poskusov:

Za postopek testiranja in rezultate preskusov glejte zgornje slike.

8. korak: Nastavitev resonance

Nastavitev primarnega in sekundarnega vezja na resonanco, da imata isto resonančno frekvenco, je bistvenega pomena za dobro delovanje.

Odziv vezja RLC je najmočnejši, če ga poganja njegova resonančna frekvenca. V dobrem vezju RLC intenzivnost odziva močno pade, ko se frekvenca vožnje oddalji od resonančne vrednosti.

Naša resonančna frekvenca = 267,47 kHz.

Metode uglaševanja:

Uglaševanje se običajno izvede s prilagajanjem primarne induktivnosti preprosto zato, ker je to najlažje spremeniti. Ker ima ta induktor široke zavoje, je njegovo samoinduktivnost enostavno spremeniti tako, da se na določenem mestu v spirali dotaknete končnega priključka.

Najlažji način za dosego te prilagoditve je poskus in napaka. Za to se začne dotikati primarnega v točki, ki naj bi bila blizu resonančne, prižge tuljavo in oceni dolžino loka. Nato se spirala dotakne četrtine obrata naprej/nazaj in ena ponovno ovrednoti rezultat. Po nekaj poskusih lahko nadaljujete z manjšimi koraki in končno dobite točko dotika, kjer je dolžina loka največja. Običajno je to tapkanje

točka bo res nastavila primarno induktivnost, kot sta oba vezja v resonanci.

Natančnejša metoda bi vključevala analizo posameznega odziva obeh vezij (seveda v povezani konfiguraciji, torej brez fizičnega ločevanja vezij) z generatorjem signala in osciloskopom.

Loki sami lahko proizvedejo dodatno kapacitivnost. Zato je priporočljivo, da primarno resonančno frekvenco nastavite nekoliko nižje od sekundarne, da to nadomestite. Vendar je to opazno le pri močnih Teslovih tuljavah (ki lahko proizvajajo loke, daljše od 1 m).

9. korak: Napetost pri sekundarni iskre

Paschenov zakon je enačba, ki poda razčlenilno napetost, to je napetost, potrebno za zagon razelektritve ali električnega loka med dvema elektrodama v plinu kot funkcijo tlaka in dolžine reže.

Brez podrobnega izračuna s kompleksno formulo za normalne pogoje potrebuje 3,3 MV za ionizacijo 1 m zraka med dvema elektrodama. V našem primeru imamo loke okoli 10-13 cm, tako da bo med 340KV in 440KV.

10. korak: Faradayjeva obleka iz kletke

Faradayjeva kletka ali Faradayjev ščit je ohišje, ki se uporablja za blokiranje elektromagnetnih polj. Faradayjev ščit je lahko oblikovan z neprekinjenim prekrivanjem prevodnega materiala ali v primeru Faradayjeve kletke z mrežo iz takšnih materialov.

Oblikovali smo štiri plasti, ozemljene, nosljive kletke faraday, kot je prikazano na sliki (uporabljeni materiali: aluminij, bombaž, usnje). Preizkusite ga lahko tudi tako, da svoj mobilni telefon vstavite noter, izgubi signal ali pa ga postavite pred tuljavo tesla in v kletko vstavite nekaj neonskih svetilk, ki ne bodo svetile, potem pa ga lahko priklopite in poskusite.

11. korak: Dodatki in reference

12. korak: Izdelava primarne tuljave

Korak: Preizkusite NST

14. korak: Izdelava primarne tuljave