Spark Gap Tesla spole: 14 soļi

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:53

Šī ir apmācība par to, kā izveidot Spark Gap Tesla spoli ar Faraday būra kleitu.

Šis projekts man un manai komandai (3 studentiem) prasīja 16 darba dienas, tas maksā aptuveni 500 USD, es jums apliecinu, ka tas nedarbosies no pirmā reize:), vissvarīgākā daļa ir tā, ka jums ir jāsaprot visa teorija, kas ir un zināt, kā rīkoties ar jūsu izvēlētajām sastāvdaļām.

Šajā pamācībā es jūs iepazīstināšu ar visu teoriju, jēdzieniem, formulām, soli pa solim veidojot visas daļas. Ja vēlaties veidot mazākas vai lielākas spoles, koncepcija un formulas būs vienādas.

Prasības šim projektam:

- Zināšanas: Elektriskās, elektronikas, elektromagnētiskās un laboratorijas iekārtas

- Osciloskops

- Neona zīmes transformators; 220V līdz 9kV

- augstsprieguma kondensatori

- Vara kabeļi vai vara caurules

- Koks, lai izveidotu šasiju

- PVC caurule sekundārajai spolei

- Elastīga metāla caurule Toroid

- Neliels 220 V elektriskais ventilators dzirksteles spraugai

- Alumīnija papīrs un sietiņš Faraday būra kleitai

- Izolēti vadi sekundārajam

- Neona lampas

- Sprieguma regulators, ja jums nav stabila 220VAC

- Savienojums ar zemi

- Daudz pacietības

1. solis: Ievads Spark Gap Tesla spolē

Tesla spole ir rezonējošs transformators, kas satur primāro un sekundāro LC ķēdi. Abas LC shēmas, kuras 1891. gadā izstrādāja izgudrotājs Nikola Tesla, ir brīvi savienotas kopā. Jauda tiek piegādāta primārajai ķēdei, izmantojot pastiprinošo transformatoru, kas uzlādē kondensatoru. Galu galā spriegums kondensatorā palielināsies pietiekami, lai saīsinātu dzirksteles spraugu. Kondensators izlādējas caur dzirksteles spraugu un primārajā spolē. Enerģija svārstīsies uz priekšu un atpakaļ starp primāro kondensatoru un primāro spoles induktoru augstās frekvencēs (parasti 50 kHz- 2 MHz). Primārā spole ir savienota ar indukciju sekundārajā ķēdē, ko sauc par sekundāro spoli. Sekundārās spoles augšpusē ir piestiprināta augšējā slodze, kas nodrošina sekundārās LC ķēdes kapacitāti. Tā kā primārā ķēde svārstās, jauda tiek ierosināta sekundārajā spolē, kur spriegums tiek reizināts vairākas reizes. Apkārt augšējai slodzei un zibens izlādes lokiem veidojas augstsprieguma un vājas strāvas lauks, kas parāda lielisku izcilību. Lai panāktu maksimālu jaudas pārnesi, primārajām un sekundārajām LC ķēdēm jābūt svārstīgām ar tādu pašu frekvenci. Spoles ķēdes parasti tiek "noregulētas" uz to pašu frekvenci, pielāgojot primārās spoles induktivitāti. Tesla spoles lielām spolēm var radīt izejas spriegumu no 50 kilovoltiem līdz vairākiem miljoniem voltu.

2. solis: teorija

Šī sadaļa aptvers visu parastās Tesla spoles darbības teoriju. Mēs uzskatīsim, ka primārās un sekundārās ķēdes ir RLC ķēdes ar zemu pretestību, kas atbilst realitātei.

Iepriekš minēto iemeslu dēļ komponenta iekšējā pretestība nav atspoguļota. Mēs arī nomainīsim transformatoru ar ierobežotu strāvu. Tas neietekmē tīro teoriju.

Ņemiet vērā, ka dažas sekundārās ķēdes daļas ir zīmētas ar punktētām līnijām. Tas ir tāpēc, ka tie nav tieši redzami aparātā. Attiecībā uz sekundāro kondensatoru mēs redzēsim, ka tā jauda faktiski ir sadalīta, un augšējā slodze ir tikai šī kondensatora "viena plāksne". Attiecībā uz sekundāro dzirksteles spraugu shēmā tas ir parādīts kā veids, kā attēlot lokus.

Šis pirmais cikla solis ir primārā kondensatora uzlāde ar ģeneratora palīdzību. Mēs pieņemsim, ka tā frekvence ir 50 Hz. Tā kā ģeneratoram (NST) ir ierobežota strāva, rūpīgi jāizvēlas kondensatora jauda, lai tas pilnībā uzlādētos tieši 1/100 sekundēs. Patiešām, ģeneratora spriegums mainās divas reizes periodā, un nākamajā ciklā tas atkārtoti uzlādēs kondensatoru ar pretēju polaritāti, kas absolūti neko nemaina Tesla spoles darbībā.

Kad kondensators ir pilnībā uzlādēts, dzirksteles sprauga aizdegas un tāpēc aizver primāro ķēdi. Zinot gaisa sadalīšanās elektriskā lauka intensitāti, dzirksteles spraugas platums ir jāiestata tā, lai tas iedegtos tieši tad, kad spriegums pāri kondensatoram sasniedz maksimālo vērtību. Šeit beidzas ģeneratora loma.

Tagad mums ir pilnībā ielādēts kondensators LC ķēdē. Tādējādi strāva un spriegums svārstīsies pie ķēžu rezonanses frekvences, kā tas tika parādīts iepriekš. Šī frekvence ir ļoti augsta salīdzinājumā ar tīkla frekvenci, parasti no 50 līdz 400 kHz.

Primārās un sekundārās ķēdes ir magnētiski savienotas. Tādējādi svārstības, kas notiek primārajā, sekundārajā izraisīs elektromotoru spēku. Tā kā primārā enerģija tiek izmesta sekundārajā, svārstību amplitūda primārajā pakāpeniski samazināsies, bet sekundārā pastiprinās. Šī enerģijas pārnešana tiek veikta, izmantojot magnētisko indukciju. Savienojuma konstante k starp abām ķēdēm tiek mērķtiecīgi uzturēta zema, parasti no 0,05 līdz 0,2.

Tādējādi svārstības primārajā darbosies mazliet kā maiņstrāvas sprieguma ģenerators, kas secīgi novietots uz sekundāro ķēdi.

Lai radītu vislielāko izejas spriegumu, primārās un sekundārās noregulētās shēmas tiek noregulētas tā, lai tās savstarpēji atbilstu. Tā kā sekundārā ķēde parasti nav regulējama, to parasti veic ar regulējamu pieskārienu primārajai spolei. Ja abas spoles būtu atsevišķas, primārās un sekundārās ķēdes rezonanses frekvences noteiktu pēc induktivitātes un kapacitātes katrā ķēdē

3. darbība. Kapacitātes sadalījums sekundārajā ķēdē

Sekundārā kapacitāte Cs ir patiešām svarīga, lai tesla spole darbotos, sekundārās spoles kapacitāte ir nepieciešama rezonanses frekvences aprēķiniem, ja neņem vērā visus parametrus, jūs neredzēsit dzirksteli. Šī kapacitāte sastāv no daudziem ieguldījumiem, un to ir grūti aprēķināt, taču mēs apskatīsim tās galvenās sastāvdaļas.

Augšējā slodze - zeme.

Augstākā sekundārās kapacitātes daļa nāk no augšējās slodzes. Patiešām, mums ir kondensators, kura "plāksnes" ir augšējā slodze un zeme. Varētu būt pārsteidzoši, ka tas patiešām ir kondensators, jo šīs plāksnes ir savienotas, izmantojot sekundāro spoli. Tomēr tā pretestība ir diezgan augsta, tāpēc patiesībā starp tām ir diezgan liela atšķirība. Šo ieguldījumu mēs sauksim par Ct.

Sekundārās spoles pagriezieni.

Otrs lielais ieguldījums nāk no sekundārās spoles. Tas ir izgatavots no daudziem blakus esošiem emaljēta vara stieples pagriezieniem, un tāpēc tā induktivitāte ir sadalīta visā garumā. Tas nozīmē, ka starp diviem blakus esošiem pagriezieniem ir neliela potenciāla atšķirība. Tad mums ir divi vadītāji ar dažādu potenciālu, atdalīti ar dielektriķi: citiem vārdiem sakot, kondensators. Faktiski ir kondensators ar katru vadu pāri, bet tā jauda samazinās līdz ar attālumu, tāpēc jaudu var uzskatīt tikai par diviem blakus esošiem pagriezieniem.

Sauksim Cb par sekundārās spoles kopējo jaudu.

Faktiski Tesla spolei nav obligāti jābūt augšējai slodzei, jo katrai sekundārajai spolei būs sava jauda. Tomēr augšējai slodzei ir izšķiroša nozīme, lai būtu skaistas dzirksteles.

Apkārtējiem objektiem būs papildu jauda. Šo kondensatoru veido augšējā slodze vienā pusē un vadošie priekšmeti (sienas, santehnikas caurules, mēbeles utt.) Otrā pusē.

Mēs nosauksim šo ārējo faktoru kondensatoru Ce.

Tā kā visi šie "kondensatori" ir paralēli, sekundārās ķēdes kopējo jaudu noteiks:

Cs = Ct + Cb + Ce

4. solis: koncepcija un uzbūve

Mūsu gadījumā mēs izmantojām automātisku sprieguma regulatoru, lai uzturētu NST sprieguma ievadi pie 220 V.

Un tajā ir iebūvēts maiņstrāvas līnijas filtrs (YOKOMA ELECTRIC WORKS., LTD. Japānā-modelis AVR-2)

Šo instrumentu var atrast rentgena iekārtās vai iegādāties tieši no tirgus.

Augstsprieguma transformators ir vissvarīgākā aTesla spoles sastāvdaļa. Tas ir vienkārši indukcijas transformators. Tās uzdevums ir uzlādēt primāro kondensatoru katra cikla sākumā. Neatkarīgi no jaudas, tā izturība ir ļoti svarīga, jo tai ir jāiztur lieliski apstākļi (dažreiz ir nepieciešams aizsargfiltrs).

Neona zīmju transformators (NST), ko mēs izmantojam savai tesla spolei, raksturlielumi (vidējā vērtība) ir šādi:

Vout = 9000 V, Iout = 30 mA

Izejas strāva faktiski ir 25mA, 30mA ir maksimums, kas pēc iedarbināšanas samazinās līdz 25 mA.

Tagad mēs varam aprēķināt tā jaudu P = V I, kas būs noderīgi, lai iestatītu Tesla spoles globālos izmērus, kā arī aptuvenu priekšstatu par tās dzirksteļu garumu.

P = 225 W (25 mA)

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

5. darbība: primārā shēma

Kondensators:

Primārā kondensatora loma, lai saglabātu noteiktu lādiņa daudzumu nākamajam ciklam, kā arī veidotu LC ķēdi kopā ar primāro induktoru.

Primāro kondensatoru parasti veido vairāki desmiti vāciņu, kas savienoti virknē / paralēli, ko sauc par Multi-Mini kondensatoru (MMC)

Primāro kondensatoru izmanto kopā ar primāro spoli, lai izveidotu primāro LC ķēdi. Rezonāta izmēra kondensators var sabojāt NST, tādēļ ir stingri ieteicams izmantot kondensatoru, kas ir lielāks par rezonātu (LTR). LTR kondensators arī nodrošinās vislielāko jaudu caur Tesla spoli. Dažādām primārajām spraugām (statiska pret sinhronizāciju) būs nepieciešami dažāda izmēra primārie kondensatori.

Cres = primārās rezonācijas kapacitāte (uF) = 1 ∕ (2 * π * NST pretestība * NST Fin) = 1/ (2 * π * 360 000 * 50) = 8.8419nF

CLTR = primārā lielāka rezonanse (LTR) statiskā kapacitāte (uF) = primārā rezonāta kapacitāte × 1,6

= 14,147 nF

(tas var nedaudz atšķirties no aproksimācijas uz citu, ieteicamais koeficients 1,6-1,8)

Mēs izmantojām 2000V 100nF kondensatorus, Nb = Cunit/Cequiv = 100nF/0.0119 uF = 9 kondensatori. Tātad tieši 9 vāciņiem mums ir Ceq = 0,0111uF = MMC kapacitāte.

Drošības nolūkos padomājiet par lielas jaudas, 10MOhm rezistoru pievienošanu paralēli katram kondensatoram.

Induktivitāte:

Primārā induktora loma ir radīt magnētisko lauku, kas jāinjicē sekundārajā ķēdē, kā arī veidot LC ķēdi ar primāro kondensatoru. Šim komponentam jāspēj pārvadāt smago strāvu bez pārmērīgiem zaudējumiem.

Primārajai spolei ir iespējamas dažādas ģeometrijas. Mūsu gadījumā mēs pielāgosim plakano arhīvo spirāli kā primāro spoli. Šī ģeometrija, protams, noved pie vājākas sakabes un samazina loka izliekuma risku primārajā: tāpēc priekšroka tiek dota jaudīgām spolēm. Tomēr tas ir diezgan izplatīts mazjaudas spolēs, lai to būtu vieglāk būvēt. Sajūga palielināšana ir iespējama, nolaižot sekundāro spoli primārajā.

W ir spirāles platums, ko norāda W = Rmax - Rmin un R tā vidējais rādiuss, t.i., R = (Rmax + Rmin)/2, abi izteikti centimetros. Ja spolei ir N pagriezieni, empīriskā formula, kas iegūst tās induktivitāti L mikrohenrijās, ir šāda:

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

Spirālveida formai Ja R saucam par spirāles rādiusu, H tās augstumu (abos centimetros) un N pagriezienu skaitu, empīriskā formula, kas iegūst tās induktivitāti L mikrohenrijās, ir: Lhelic = (0.374 (NR)^2) /(9R+10H).

Šīs ir daudzas formulas, kuras varat izmantot un pārbaudīt, tās sniegs tuvus rezultātus, visprecīzākais veids ir izmantot osciloskopu un izmērīt frekvences reakciju, taču formulas ir nepieciešamas arī spoles veidošanai. Varat arī izmantot simulācijas programmatūru, piemēram, JavaTC.

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

kur N: pagriezienu skaits, W: stieples diametrs collās, S: stieples attālums collās, D1: iekšējais diametrs collās

Manas Tesla spoles ievades dati:

Iekšējais rādiuss: 4,5 collas, 11,2 pagriezieni, 0,25 collu attālums, stieples diametrs = 6 mm, ārējais rādiuss = 7,898 collas.

L, izmantojot formulu 2 = 0,03098mH, no JavaTC = 0,03089mH

Tāpēc primārā frekvence: f1 = 271,6 KHz (L = 0,03089 mH, C = 0,0111MFD)

Laboratorijas pieredze (primārā frekvences regulēšana)

un mēs ieguvām rezonansi pie 269-271KHz, kas pārbauda aprēķinu, sk.

6. solis: Spark Gap

Dzirksteles spraugas funkcija ir slēgt primāro LC ķēdi, kad kondensators ir pietiekami uzlādēts, tādējādi ļaujot brīvi svārstīties ķēdes iekšpusē. Tas ir īpaši svarīgs komponents Tesla spolē, jo tā aizvēršanas/atvēršanas biežums būtiski ietekmēs gala izlaidi.

Ideālai dzirksteles spraugai jāaktivizē tieši tad, kad spriegums kondensatorā ir maksimāls, un jāatveras tieši tad, kad tā nokrīt līdz nullei. Bet tas, protams, nav patiesā dzirksteles spraugā, dažreiz tas neiedegas, kad vajadzētu, vai turpina degt, kad spriegums jau ir samazinājies;

Mūsu projektam mēs izmantojām statisku dzirksteles spraugu ar diviem sfēriskiem elektrodiem (būvēti, izmantojot divus atvilktņu rokturus), kurus projektējām manuāli. Un to varēja regulēt manuāli, arī pagriežot sfēriskās galvas.

7. solis: Sekundārā ķēde

Spole:

Sekundārās spoles funkcija ir ienest induktīvo komponentu sekundārajā LC ķēdē un savākt primārās spoles enerģiju. Šis induktors ir elektromagnētisks solenoīds, kuram parasti ir no 800 līdz 1500 cieši savītiem blakus esošiem pagriezieniem. Lai aprēķinātu iegriezumu skaitu, šī ātrā formula ļaus izvairīties no noteikta prasīga darba:

Stieples gabarīts 24 = 0,05 cm, PVC diametrs 4 collas, pagriezienu skaits = 1100 smaili, nepieciešamais augstums = 1100 x 0,05 = 55 cm = 21,6535 collas. => L = 20,853 mH

kur H ir spoles augstums un d izmantotās stieples diametrs. Vēl viens svarīgs parametrs ir garums l, kas nepieciešams, lai izgatavotu visu spoli.

L = µ*N^2*A/H. Kur µ apzīmē vides magnētisko caurlaidību (≈ 1,257 · 10−6 N/A^2 gaisam), N solenoīda pagriezienu skaits, H tā kopējais augstums un A pagrieziena laukums.

Augšējā slodze:

Augšējā slodze darbojas kā kondensatora augšējā "plāksne", ko veido augšējā slodze un zeme. Tas palielina jaudu sekundārajai LC ķēdei un piedāvā virsmu, no kuras var veidoties loki. Patiesībā ir iespējams darbināt Tesla spoli bez augšējās slodzes, taču loka garuma rādītāji bieži ir slikti, jo lielākā daļa enerģijas tiek izkliedēta starp sekundārajiem spoles pagriezieniem, nevis dzirksteles.

Toroīda ietilpība 1 = (((1+ (0,2781 - gredzena diametrs ∕ (kopējais diametrs))) × 2,8 × kvadrātmetrs ((pi × (kopējais diametrs × gredzena diametrs)) ∕ 4))

Toroīda kapacitāte 2 = (1,28 - gredzena diametrs ∕ kopējais diametrs) × kvadrātmetri (2 × pi × gredzena diametrs × (kopējais diametrs - gredzena diametrs))

Toroīda kapacitāte 3 = 4,43927641749 × ((0,5 × (gredzena diametrs × (kopējais diametrs - gredzena diametrs))) ^0,5)

Vidējā Toroid kapacitāte = (Toroid kapacitāte 1 + Toroid kapacitāte 2 + Toroid kapacitāte 3) ∕ 3

Tātad mūsu toroīdam: iekšējais diametrs 4”, ārējais diametrs = 13”, attālums no sekundārā tinuma gala = 5 cm.

C = 13,046 pf

Sekundārās spoles ietilpība:

Sekundārā kapacitāte (pf) = (0,29 × sekundārā stieples tinuma augstums + (0,41 × (sekundārās formas diametrs ∕ 2)) + (1,94 × kvadrātmetrs ((((sekundārās formas diametrs ∕ 2) 3)

Csec = 8,2787 pF;

Ir arī interesanti zināt spoles (parazitāro) kapacitāti. Šeit arī formula ir sarežģīta vispārējā gadījumā. Mēs izmantosim JAVATC iegūto vērtību ("Efektīvā šunta kapacitāte" bez augšējās slodzes):

Cres = 6,8 pF

Tāpēc sekundārajai ķēdei:

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

Lsec = 20,853mH

Laboratorijas eksperimentu rezultāti:

Pārbaudes procedūru un testēšanas rezultātus skatiet attēlos iepriekš.

8. solis: rezonanses regulēšana

Primārās un sekundārās ķēdes iestatīšana rezonansē, lai tām būtu vienāda rezonanses frekvence, ir ļoti svarīga labai darbībai.

RLC ķēdes reakcija ir visspēcīgākā, ja to darbina ar tās rezonanses frekvenci. Labā RLC ķēdē reakcijas intensitāte strauji samazinās, kad braukšanas frekvence novirzās no rezonanses vērtības.

Mūsu rezonanses frekvence = 267,47 kHz.

Noskaņošanas metodes:

Noskaņošanu parasti veic, pielāgojot primāro induktivitāti, vienkārši tāpēc, ka tā ir visvieglāk modificējamā sastāvdaļa. Tā kā šim induktoram ir plaši pagriezieni, ir viegli mainīt tā pašinduktivitāti, pieskaroties gala savienotājam noteiktā spirāles vietā.

Vienkāršākā metode šīs korekcijas veikšanai ir izmēģinājumi un kļūdas. Šim nolūkam cilvēks sāk pieskarties primārajam vietā, kas it kā ir tuvu rezonējošajam, iedegas spolē un novērtē loka garumu. Pēc tam spirāli pieskaras ceturtdaļai pagrieziena uz priekšu/atpakaļ, un viens atkārtoti novērtē rezultātu. Pēc dažiem mēģinājumiem var turpināt ar mazākiem soļiem un beidzot iegūt pieskaršanās punktu, kur loka garums ir visaugstākais. Parasti šī pieskaršanās

punkts patiešām noteiks primāro induktivitāti, piemēram, abas ķēdes ir rezonansē.

Precīzāka metode ietver abu ķēžu individuālās reakcijas analīzi (protams, savienotajā konfigurācijā, t.i., fiziski neatdalot ķēdes) ar signālu ģeneratoru un osciloskopu.

Loki paši var radīt papildu kapacitāti. Tāpēc ir ieteicams iestatīt primāro rezonanses frekvenci nedaudz zemāku par sekundāro, lai to kompensētu. Tomēr tas ir pamanāms tikai ar jaudīgām Tesla spolēm (kas var radīt lokus, kas garāki par 1 m).

9. solis: spriegums sekundārajā dzirkstelē

Pasčena likums ir vienādojums, kas norāda sadalīšanās spriegumu, tas ir, spriegumu, kas nepieciešams, lai sāktu izlādi vai elektrisko loku, starp diviem gāzes elektrodiem atkarībā no spiediena un spraugas garuma.

Neiedziļinoties detalizētos aprēķinos, izmantojot sarežģīto formulu, normālos apstākļos 1m gaisa jonizēšanai starp diviem elektrodiem ir nepieciešams 3,3MV. Mūsu gadījumā mums ir loki apmēram 10-13 cm, tāpēc tas būs no 340KV līdz 440KV.

10. solis: Faraday Cage kleita

Faraday būris vai Faraday vairogs ir korpuss, ko izmanto, lai bloķētu elektromagnētiskos laukus. Faraday vairogu var veidot, nepārtraukti pārklājot vadošu materiālu, vai Faraday būra gadījumā - ar šādu materiālu sietu.

Mēs izstrādājām četrus slāņus, iezemētu, valkājamu faraday būri, kā parādīts attēlā (izmantotie materiāli: alumīnijs, kokvilna, āda). Varat to pārbaudīt, arī ievietojot mobilo tālruni iekšpusē, tas zaudēs signālu, vai novietojot to jūsu tesla spoles priekšā un ievietojot dažas neona lampas būra iekšpusē, tās nedeg, tad varat to uzlikt un izmēģināt.

11. solis: pielikumi un atsauces

12. darbība: primārās spoles izveide

13. darbība: NST pārbaude

14. darbība: primārās spoles izveide