Spark Gap Tesla Coil: 14 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:39

Detta är en handledning om hur man bygger en Spark Gap Tesla Coil med en Faraday burklänning.

Detta projekt tog mig och mitt team (3 studenter) 16 arbetsdagar, det kostar cirka 500 USD, jag försäkrar dig att det inte kommer att fungera från första gången:), viktigast är att du måste förstå all teori bakom och vet hur du hanterar de komponenter du väljer.

I denna instruerbara, kommer jag att ta dig igenom all teori bakom, begreppen, formlerna, ett steg för steg byggande för alla delar. Om du vill bygga mindre eller större spolar kommer konceptet och formlerna att vara desamma.

Kraven för detta projekt:

- Kunskap inom: Elektrisk, elektronisk, elektromagnetisk och labutrustning

- Oscilloskop

- Neon Sign transformator; 220V till 9kV

- Högspänningskondensatorer

- Kopparkablar eller kopparrör

- Trä för att bygga ditt chassi

- PVC -rör för sekundärspolen

- Flexibelt metallrör för Toroid

- En liten 220V elektrisk fläkt för gnistgapet

- Aluminiumspapper och mesh för Faraday burklänning

- Isolerade ledningar för sekundären

- Neonlampor

- Spänningsregulator om du inte har en stabil 220VAC

- Anslutning till jord

- Mycket tålamod

Steg 1: Introduktion till Spark Gap Tesla Coil

En Tesla -spole är en resonanstransformator som innehåller en primär och sekundär LC -krets. De två LC -kretsarna designades av uppfinnaren Nikola Tesla 1891 och är löst kopplade ihop. Strömförsörjning till den primära kretsen via en steg-upp-transformator, som laddar en kondensator. Så småningom kommer spänningen över kondensatorn att öka tillräckligt för att korta ett gnistgap. Kondensatorn släpps ut genom gnistgapet och in i primärspolen. Energin kommer att pendla fram och tillbaka mellan primärkondensatorn och primärspoleinduktorn vid höga frekvenser (vanligtvis 50 kHz- 2 MHz). Primärspolen är kopplad till en induktor i den sekundära kretsen, kallad sekundärspolen. På toppen av den sekundära spolen är en topplast som ger kapacitans för den sekundära LC -kretsen. När den primära kretsen oscillerar, induceras effekt i sekundärspolen där spänningen multipliceras många gånger. Ett högspännings-, lågströmsfält utvecklas runt topplasten och blixtbågar i en söt uppvisning av underbarhet. De primära och sekundära LC -kretsarna måste pendla med samma frekvens för att uppnå maximal effektöverföring. Kretsarna i spolen är vanligtvis "inställda" på samma frekvens genom att justera induktansen hos primärspolen. Tesla -spolar kan producera utspänningar från 50 kilovolt till flera miljoner volt för stora spolar.

Steg 2: Teori

Detta avsnitt ska omfatta hela teorin om driften av en konventionell Tesla -spole. Vi kommer att överväga att de primära och sekundära kretsarna är RLC -kretsar med lågt motstånd, som överensstämmer med verkligheten.

Av ovannämnda skäl representeras inte komponentens inre motstånd. Vi kommer också att byta ut den strömbegränsade transformatorn. Detta har ingen inverkan på ren teori.

Observera att vissa delar av den sekundära kretsen är ritade med streckade linjer. Detta beror på att de inte är direkt synliga på apparaten. När det gäller den sekundära kondensatorn kommer vi att se att dess kapacitet faktiskt är fördelad, den övre belastningen är bara "en platta" för denna kondensator. När det gäller det sekundära gnistgapet visas det i schemat som ett sätt att representera var bågarna kommer att äga rum.

Detta första steg i cykeln är laddningen av den primära kondensatorn av generatorn. Vi antar att dess frekvens är 50 Hz. Eftersom generatorn (NST) är strömbegränsad måste kondensatorns kapacitet väljas noggrant så att den laddas helt på exakt 1/100 sekunder. Faktum är att generatorns spänning ändras två gånger per period, och i nästa cykel kommer den att ladda kondensatorn igen med motsatt polaritet, vilket absolut inte förändrar funktionen hos Tesla-spolen.

När kondensatorn är fulladdad tänds gnistgapet och stänger därför den primära kretsen. Genom att känna till intensiteten hos det elektriska nedbrytningsfältet för luft måste gnistgapets bredd ställas in så att det avfyras exakt när spänningen över kondensatorn når sitt högsta värde. Generatorns roll slutar här.

Vi har nu en fullastad kondensator i en LC -krets. Ström och spänning kommer således att svänga vid kretsens resonansfrekvens, som det visades tidigare. Denna frekvens är mycket hög jämfört med nätfrekvensen, i allmänhet mellan 50 och 400 kHz.

De primära och sekundära kretsarna är magnetiskt kopplade. Svängningarna som äger rum i primären kommer således att inducera en elektromotorisk kraft i sekundären. När primärens energi dumpas in i sekundären, kommer amplituden för svängningarna i primären gradvis att minska medan den i den sekundära kommer att förstärkas. Denna energiöverföring sker genom magnetisk induktion. Kopplingskonstanten k mellan de två kretsarna hålls målmedvetet låg, vanligtvis mellan 0,05 och 0,2.

Svängningarna i primären kommer således att verka lite som en växelspänningsgenerator placerad i serie på sekundärkretsen.

För att producera den största utspänningen justeras de primära och sekundära avstämda kretsarna till resonans med varandra. Eftersom sekundärkretsen vanligtvis inte är justerbar, görs detta i allmänhet med en justerbar kran på primärspolen. Om de två spolarna var separata, skulle resonansfrekvenserna för de primära och sekundära kretsarna bestämmas av induktansen och kapacitansen i varje krets

Steg 3: Fördelning av kapacitans inom sekundärkretsen

Den sekundära kapacitansen Cs är verkligen viktig för att få tesla -spolen att fungera, sekundärspolens kapacitans är nödvändig för beräkningarna av resonansfrekvensen, om du inte tar alla parametrar i beaktande ser du ingen gnista. Denna kapacitans består av många bidrag och är svår att beräkna, men vi kommer att titta på dess huvudkomponenter.

Topplast - mark.

Den högsta fraktionen av den sekundära kapacitansen kommer från topplasten. Vi har faktiskt en kondensator vars "plattor" är topplasten och marken. Det kan vara förvånande att detta verkligen är en kondensator eftersom dessa plattor är anslutna genom sekundärspolen. Emellertid är dess impedans ganska hög så det finns faktiskt en ganska stor skillnad mellan dem. Vi kommer att kalla detta bidrag.

Varv på sekundärspolen.

Det andra stora bidraget kommer från sekundärspolen. Den består av många intilliggande varv av emaljerad koppartråd och dess induktans fördelas därför längs dess längd. Detta innebär att det finns en liten potentialskillnad mellan två intilliggande varv. Vi har då två ledare med olika potential, åtskilda av ett dielektrikum: en kondensator, med andra ord. Egentligen finns det en kondensator med varje par ledningar, men dess kapacitet minskar med avståndet, därför kan man bara betrakta kapaciteten mellan två närliggande varv som en bra approximation.

Låt oss kalla Cb den totala kapaciteten för sekundärspolen.

Egentligen är det inte obligatoriskt att ha en toppbelastning på en Tesla -spole, eftersom varje sekundärspole kommer att ha sin egen kapacitet. Men att en toppbelastning är avgörande för att ha vackra gnistor.

Det kommer att finnas extra kapacitet från de omgivande föremålen. Denna kondensator bildas av toppbelastningen på ena sidan och ledande föremål (väggar, rörledningar, möbler, etc.) på andra sidan.

Vi kommer att namnge kondensatorn för dessa yttre faktorer Ce.

Eftersom alla dessa "kondensatorer" är parallella, kommer den sekundära kretsens totala kapacitet att ges av:

Cs = Ct + Cb + Ce

Steg 4: Uppfattning och konstruktion

I vårt fall använde vi en automatisk spänningsregulator för att behålla spänningsingången för NST vid 220V

Och det innehåller ett inbyggt AC-filter (YOKOMA ELECTRIC WORKS., LTD. I japan-modell AVR-2)

Detta instrument kan hittas i röntgenmaskiner eller köpas direkt från marknaden.

Högspänningstransformatorn är den viktigaste delen av aTesla -spolen. Det är helt enkelt en induktionstransformator. Dess roll är att ladda den primära kondensatorn i början av varje cykel. Förutom sin kraft är dess robusthet mycket viktigt eftersom det måste klara fantastiska driftförhållanden (ett skyddsfilter är ibland nödvändigt).

Neonskyltar -transformatorn (NST) som vi använder för vår tesla -spole, egenskaper (rms -värden) är följande:

Vout = 9000 V, Iout = 30 mA

Utgångsströmmen är faktiskt 25mA, 30mA är toppen som sjunker till 25 mA efter start.

Vi kan nu beräkna dess effekt P = V I, vilket kommer att vara användbart för att ställa in de globala dimensionerna för Tesla -spolen samt en grov uppfattning om dess gnistor längd.

P = 225 W (för 25 mA)

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

Steg 5: Primär krets

Kondensator:

Primärkondensatorns roll att lagra en viss mängd laddning för den kommande cykeln samt att bilda en LC -krets tillsammans med den primära induktorn.

Huvudkondensatorn är vanligtvis gjord av flera dussin kepsar kopplade i en serie / parallell konfiguration som kallas en Multi-Mini-kondensator (MMC)

Primärkondensatorn används med primärspolen för att skapa den primära LC -kretsen. En kondensator i resonansstorlek kan skada en NST. Därför rekommenderas en kondensator av större storlek än resonans (LTR). En LTR -kondensator kommer också att leverera mest effekt genom Tesla -spolen. Olika primära luckor (statisk kontra synkronisering) kräver primära kondensatorer av olika storlek.

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

CLTR = Primär större än resonans (LTR) Statisk kapacitans (uF) = Primär resonatkapacitans × 1,6

= 14,147 nF

(detta kan skilja sig något från en approximation till en annan, rekommenderad koefficient 1,6-1,8)

Vi använde en 2000V 100nF kondensatorer, Nb = Cunit/Cequiv = 100nF/0.0119 uF = 9 kondensatorer. Så för exakt 9 kapslar har vi Ceq = 0.0111uF = MMC kapacitans.

Tänk på att ansluta högeffekt, 10MOhms motstånd parallellt med varje kondensator för säkerhet.

Induktans:

Den primära induktorns roll är att generera ett magnetfält som ska injiceras i den sekundära kretsen samt bilda en LC -krets med den primära kondensatorn. Denna komponent måste kunna transportera tung ström utan stora förluster.

Olika geometrier är möjliga för primärspolen. I vårt fall kommer vi att anpassa den platta arkimerade spiralen som en primärspole. Denna geometri leder naturligtvis till en svagare koppling och minskar risken för böjning i primären: den är därför att föredra på kraftfulla spolar. Det är dock ganska vanligt i spolar med lägre effekt för sin enkla konstruktion. Att öka kopplingen är möjlig genom att sänka sekundärspolen till primären.

Låt W vara spiralens bredd som ges av W = Rmax - Rmin och R dess medelradie, dvs R = (Rmax + Rmin)/2, båda uttryckta i centimeter. Om spolen har N -varv är en empirisk formel som ger dess induktans L i mikrohenrys:

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

För helikformen Om vi kallar R för radens helix, H dess höjd (båda i centimeter) och N dess antal varv, är en empirisk formel som ger dess induktans L i mikrohenrys: Lhelic = (0,374 (NR)^2) /(9R+10H).

Det här är många formler som du kan använda och kontrollera, de kommer att ge nära resultat, det mest exakta sättet är att använda oscilloskopet och mäta frekvenssvaret, men formlerna är också nödvändiga för att bygga spolen. Du kan också använda simuleringsprogram som JavaTC.

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

där N: antal varv, W: tråddiameter i tum, S: trådavstånd i tum, D1: innerdiameter i tum

Ingångsdata för min Tesla Coil:

Inre radie: 4,5 tum, 11,2 varv, 0,25 tum mellanrum, tråddiameter = 6 mm, yttre radie = 7,898 tum.

L med formel 2 = 0,03098mH, från JavaTC = 0,03089mH

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

Labupplevelse (primär frekvensinställning)

och vi fick resonans vid 269-271KHz, som verifierar beräkningen, se figurer.

Steg 6: Spark Gap

Funktionen hos gnistgapet är att stänga den primära LC -kretsen när kondensatorn är tillräckligt laddad, vilket möjliggör fria svängningar inuti kretsen. Detta är en viktig komponent i en Tesla -spole eftersom dess stängnings-/öppningsfrekvens kommer att ha ett stort inflytande på den slutliga effekten.

Ett idealt gnistgap måste skjuta precis när spänningen över kondensatorn är maximal och öppna igen precis när den faller ner till noll. Men så är naturligtvis inte fallet i ett riktigt gnistgap, det avfyras ibland inte när det ska eller fortsätter att skjuta när spänningen redan har minskat;

För vårt projekt använde vi ett statiskt gnistgap med två sfäriska elektroder (byggda med två lådhandtag) som vi konstruerade manuellt. Och det kan justeras manuellt också genom att rotera de sfäriska huvuden.

Steg 7: Sekundär krets

Spole:

Sekundärspolens funktion är att föra en induktiv komponent till den sekundära LC -kretsen och samla energin från primärspolen. Denna induktor är en solenoid med luftkärna, som i allmänhet har mellan 800 och 1500 nära lindade närliggande varv. För att beräkna antalet varv som har lindats kommer denna snabbformel att undvika ett visst jobbigt arbete:

Trådmätare 24 = 0,05 cm, PVC -diameter 4 tum, antal varv = 1100 spiror, höjd behövs = 1100 x 0,05 = 55 cm = 21,6535 tum. => L = 20,853 mH

där H är spolens höjd och d diametern på den använda tråden. En annan viktig parameter är längden l vi behöver för att göra hela spolen.

L = µ*N^2*A/H. Där µ representerar den magnetiska permeabiliteten för mediet (≈ 1,257 · 10−6 N/A^2 för luft), N antalet varv på solenoiden, H dess totala höjd och A området för en varv.

Toppbelastning:

Topplasten fungerar som den övre "plattan" på kondensatorn som bildas av topplasten och marken. Det ger kapacitet till den sekundära LC -kretsen och erbjuder en yta från vilken bågar kan bildas. Det är faktiskt möjligt att köra en Tesla -spole utan toppbelastning, men prestanda när det gäller båglängd är ofta dålig, eftersom det mesta av energin försvinner mellan sekundärspolens varv istället för att mata gnistor.

Toroidkapacitans 1 = ((1+ (0,2781 - ringdiameter ∕ (total diameter))) × 2,8 × kvadrat ((pi × (total diameter × ringdiameter)) ∕ 4))

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

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

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

Så för vår toroid: innerdiameter 4”, ytterdiameter = 13”, avstånd från slutet av sekundärlindningen = 5 cm.

C = 13,046 sid

Kapacitet för sekundär spole:

Sekundär kapacitans (pf) = (0,29 × sekundär trådlindningshöjd + (0,41 × (sekundär formdiameter ∕ 2)) + (1,94 × kvadrat (((sekundär formdiameter ∕ 2) 3) ∕ sekundär trådlindningshöjd))

Csec = 8,2778 pF;

Det är också intressant att veta spolens (parasitiska) kapacitans. Här är också formeln komplicerad i det allmänna fallet. Vi använder det värde som JAVATC ger ("Effektiv shuntkapacitans" utan toppbelastning):

Cres = 6,8 pF

Därför för sekundärkretsen:

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

Lsek = 20,853mH

Laboratorieexperimentresultat:

Se bilderna ovan för proceduren för testning och testresultat.

Steg 8: Resonansinställning

Att ställa in de primära och sekundära kretsarna vid resonans, få dem att dela samma resonansfrekvens är av största vikt för god drift.

Svaret hos en RLC -krets är den starkaste när den drivs med sin resonansfrekvens. I en bra RLC -krets sjunker svarsintensiteten kraftigt när drivfrekvensen driver från resonansvärdet.

Vår resonansfrekvens = 267,47 kHz.

Stämningsmetoder:

Stämningen görs i allmänhet genom att justera den primära induktansen, helt enkelt för att det är den enklaste komponenten att ändra. Eftersom denna induktor har stora svängar är det lätt att ändra sin självinduktans genom att knacka på den slutliga kontakten på en viss plats i spiralen.

Den enklaste metoden för att uppnå denna justering är genom trial-and-error. För detta börjar man knacka på primären vid en punkt som förmodligen är nära resonansen, tänder spolen och utvärderar båglängden. Sedan knackas spiralen en kvarts varv framåt/bakåt och en omvärderar resultatet. Efter några försök kan man gå vidare med mindre steg, och slutligen får man tapppunkten där båglängden är den högsta. Normalt, denna knackning

punkt kommer verkligen att ställa in den primära induktansen, som att båda kretsarna är vid resonans.

En mer exakt metod skulle innebära en analys av det individuella svaret för båda kretsarna (i den kopplade konfigurationen, naturligtvis, dvs. utan att fysiskt separera kretsarna) med en signalgenerator och ett oscilloskop.

Bågar själva kan producera lite extra kapacitans. Det rekommenderas därför att ställa in den primära resonansfrekvensen något lägre än den sekundära, för att kompensera för detta. Detta märks dock bara med kraftfulla Tesla -spolar (som kan producera bågar längre än 1 m).

Steg 9: Spänning vid sekundär gnista

Paschens lag är en ekvation som ger nedbrytningsspänningen, det vill säga den spänning som är nödvändig för att starta en urladdning eller elektrisk båge, mellan två elektroder i en gas som funktion av tryck och gaplängd.

Utan att gå in i detaljerad beräkning med hjälp av den komplexa formeln, krävs det vid normala förhållanden 3,3 MV för att jonisera 1 m luft mellan två elektroder. I vårt fall har vi bågar ca 10-13cm så det kommer att vara mellan 340KV och 440KV.

Steg 10: Faraday Cage Dress

En Faraday -bur eller Faraday -sköld är en kapsling som används för att blockera elektromagnetiska fält. En Faraday -sköld kan bildas genom en kontinuerlig täckning av ledande material eller i fallet med en Faraday -bur genom ett nät av sådana material.

Vi designade fyra lager, jordad, bärbar faradaybur som visas på bilden (använda material: aluminium, bomull, läder). Du kan också testa den genom att sätta din mobiltelefon inuti, den kommer att tappa signal, eller placera den framför din tesla -spole och sätta några neonlampor inuti buren, de tänds inte, sedan kan du sätta på den och prova.

Steg 11: Bilagor och referenser

Steg 12: Bygga primärspolen

Steg 13: Testa NST

Steg 14: Bygga primärspolen