Spark Gap Tesla Coil: 14 кадам

2024 Автор: John Day | [email protected]. Акыркы өзгөртүү: 2024-01-30 10:39

Бул Faraday капас көйнөк менен Spark Gap Tesla Coil кантип куруу боюнча үйрөткүч.

Бул проект мага жана менин командама (3 студент) 16 жумушчу күндү талап кылды, баасы 500 АКШ долларынын тегерегинде, мен ишендирем, бул биринчи жолу иштебейт:), эң негизгиси - артындагы бардык теорияны түшүнүү керек жана сиз тандаган компоненттер менен кантип күрөшүүнү билиңиз.

Бул үйрөткүчтө мен сизди бардык теорияларды, түшүнүктөрдү, формулаларды, бардык бөлүктөр үчүн этап -этабы менен курууну карап чыгам. Эгерде сиз кичирээк же чоң катушкаларды кургуңуз келсе, анда түшүнүк жана формулалар бирдей болот.

Бул долбоорго талаптар:

- Билими: Электр, электроника, электромагниттик жана лабораториялык жабдуулар

- Осциллограф

- Neon Sign трансформатору; 220Втан 9кВка чейин

- Жогорку чыңалуудагы конденсаторлор

- Жез кабелдер же жез түтүктөр

- Шассиңизди куруу үчүн жыгач

- Экинчи катушка үчүн PVC түтүк

- Тороид үчүн ийкемдүү металл түтүк

- Учкун боштук үчүн кичинекей 220В электр желдеткичи

- Фарадей капас көйнөгү үчүн алюминий кагаздар жана тор

- Экинчи үчүн изоляцияланган зымдар

- Неон лампалары

- Эгерде сизде туруктуу 220ВС болбосо, Voltage Regulator

- Жерге туташуу

- Чыдамдуулук көп

1 -кадам: Spark Gap Tesla Coil менен таанышуу

Тесла катушкасы негизги жана экинчилик LC схемасын камтыган резонанстуу трансформатор. 1891 -жылы ойлоп табуучу Никола Тесла тарабынан иштелип чыккан, эки LC микросхемалары бири -бирине тыгыз байланышта. Негизги схемага күч конденсаторду кубаттаган жогорулатуучу трансформатор аркылуу берилет. Акыр -аягы, конденсатордун чыңалуусу учкундун ажырымын кыскартуу үчүн жетишерлик жогорулайт. Конденсатор учкун боштуктан жана негизги катушка агып чыгат. Энергия жогорку жыштыкта (адатта 50 кГц-2 МГц) негизги конденсатор менен негизги катушка индукторунун ортосунда алдыга жана артка термелет. Негизги катушка экинчилик катушка деп аталган экинчилик чынжырдагы индукторго кошулат. Экинчи катушканын чокусуна экинчи LC чынжырынын сыйымдуулугун камсыз кылган жогорку жүк тиркелет. Негизги схема термелгенде, кубат чыңалуу көп эсеге көбөйтүлүүчү экинчи катушта пайда болот. Жогорку чыңалуудагы, төмөнкү токтун талаасы үстүнкү жүктүн тегерегинде жана укмуштуудай жагымдуу дисплейде чагылгандын агышынын айланасында өнүгөт. Негизги жана экинчи LC микросхемалары максималдуу кубаттуулукка жетүү үчүн бирдей жыштыкта термелиши керек. Катушкадагы микросхемалар, адатта, биринчи катуштун индуктивдүүлүгүн тууралоо менен ошол эле жыштыкка "туураланышат". Тесла катушкалары чоң катушкалар үчүн 50 киловольттон бир нече миллион вольтко чейин чыңалуу өндүрө алат.

2 -кадам: Теория

Бул бөлүм кадимки Tesla катушкасынын иштөө теориясын камтыйт. Биз баштапкы жана орто схемалар реалдуулукка шайкеш келген каршылыгы аз RLC схемалары экенин карап чыгабыз.

Жогоруда айтылган себептерден улам, компоненттин ички каршылыгы чагылдырылган эмес. Ошондой эле ток чектелген трансформаторду алмаштырабыз. Бул таза теорияга эч кандай таасирин тийгизбейт.

Экинчи схеманын кээ бир бөлүктөрү чекиттик сызыктар менен тартылганына көңүл бургула. Себеби, алар түздөн түз аппаратта көрүнбөйт. Экинчи конденсаторго келсек, анын кубаттуулугу чындыгында бөлүштүрүлгөнүн көрөбүз, үстүнкү жүк бул конденсатордун "бир табакчасы". Экинчи учкун ажырымына байланыштуу, ал догалардын кайда өтөрүн көрсөтүү үчүн схемада көрсөтүлгөн.

Циклдин бул биринчи кадамы - бул генератор тарабынан негизги конденсатордун заряддалышы. Биз анын жыштыгы 50 Гц деп ойлойбуз. Генератор (NST) ток менен чектелгендиктен, конденсатордун кубаттуулугу кылдат тандалышы керек, андыктан ал толугу менен 1/100 секундда заряддалат. Чынында эле, генератордун чыңалуусу бир мезгилде эки жолу өзгөрөт жана кийинки циклде ал тескери полярдык менен конденсаторду кайра заряддайт, бул Тесла катушкасынын иштеши жөнүндө таптакыр эч нерсени өзгөртпөйт.

Конденсатор толугу менен заряддалгандан кийин, учкун ажырымы күйүп кетет жана ошон үчүн негизги схеманы жабат. Электр талаасынын бузулушунун интенсивдүүлүгүн билип, учкундун туурасы конденсатордун чыңалуусу эң жогорку чегине жеткенде күйө тургандай кылып орнотулушу керек. Генератордун ролу ушул жерде аяктайт.

Бизде азыр LC схемасында толук жүктөлгөн конденсатор бар. Ток жана чыңалуу ошону менен мурда көрсөтүлгөндөй схемалардын резонанстык жыштыгында термелет. Бул жыштык электр жыштыгына салыштырмалуу абдан жогору, негизинен 50дөн 400 кГцке чейин.

Негизги жана экинчилик микросхемалар магниттик кошулган. Башталгычта орун алган термелүүлөр экинчисинде электр кыймылдаткыч күчүн пайда кылат. Башталгычтын энергиясы экинчиликке ыргытылгандыктан, башталгычтагы термелүүнүн амплитудасы акырындык менен азаят, ал эми экинчиликтин энергиясы күчөйт. Бул энергия берүү магниттик индукция аркылуу ишке ашат. Эки микросхеманын ортосундагы кошулуучу константасы кадыресе түрдө төмөн бойдон сакталат, жалпысынан 0,05тен 0,2ге чейин.

Башталгычтагы термелүүлөр экинчилик схемага катар катары жайгаштырылган AC чыңалуу генераторуна окшош болот.

Эң чоң чыгыш чыңалуусун өндүрүү үчүн, биринчилик жана экинчилик жөндөлгөн микросхемалар бири -бири менен резонанска туураланышат. Экинчи схема адатта жөнгө салынбагандыктан, бул көбүнчө негизги катушка жөнгө салынуучу кран менен жасалат. Эгерде эки катушка өзүнчө болгондо, негизги жана экинчилик микросхемалардын резонанстык жыштыктары ар бир контурдагы индуктивдүүлүк жана сыйымдуулук менен аныкталмак.

3 -кадам: Экинчи микросхеманын ичинде сыйымдуулукту бөлүштүрүү

Экинчи сыйымдуулук Cs тесла катушкасынын иштеши үчүн чынында эле маанилүү, резонанстык жыштыкты эсептөө үчүн экинчи катушканын сыйымдуулугу зарыл, эгер сиз бардык параметрлерди эске албасаңыз, анда учкунду көрбөйсүз. Бул сыйымдуулук көптөгөн салымдардан турат жана эсептөө кыйын, бирок биз анын негизги компоненттерин карайбыз.

Жогорку жүк - Жер.

Экинчи сыйымдуулуктун эң чоң бөлүгү жогорку жүктөмдөн келип чыгат. Чынында эле, бизде "пластиналары" үстүнкү жүк жана жер болгон конденсатор бар. Бул чын эле конденсатор экени таң калыштуу болушу мүмкүн, анткени бул плиталар экинчи катушка аркылуу туташкан. Бирок, анын импедансы өтө жогору, ошондуктан алардын ортосунда потенциалдуу айырмачылык бар. Биз Ct бул салым деп аталат.

Экинчи катушканын бурулушу.

Башка чоң салым экинчи катушкадан келет. Бул эмалданган жез зымдын көптөгөн жанаша бурулуштарынан жасалган жана анын индуктивдүүлүгү анын узундугу боюнча бөлүштүрүлгөн. Бул чектеш эки бурулуштун ортосунда бир аз потенциалдуу айырма бар экенин билдирет. Бизде диэлектрик менен бөлүнгөн ар кандай потенциалдагы эки өткөргүч бар: башкача айтканда конденсатор. Чынында, ар бир жуп зым бар конденсатор бар, бирок анын кубаттуулугу алыстыкка жараша төмөндөйт, андыктан кубаттуулукту эки чектеш бурулуштун ортосунда гана жакшылап кароого болот.

Келгиле, Cb экинчилик катушканын жалпы кубаттуулугун чакыралы.

Чынында, Тесла катушкасында эң чоң жүктүн болушу милдеттүү эмес, анткени ар бир экинчи катуш өзүнүн мүмкүнчүлүгүнө ээ болот. Бирок, бул жогорку жүктөм кооз учкундарга ээ болуу үчүн өтө маанилүү.

Курчап турган объектилердин кошумча кубаттуулугу болот. Бул конденсатор бир жактагы эң жогорку жүктөмдөн жана экинчи тараптан өткөрүүчү нерселерден (дубалдар, сантехникалык түтүктөр, эмеректер ж. Б.) Пайда болот.

Биз бул тышкы факторлордун конденсаторун Ce деп атайбыз.

Бул "конденсаторлордун" баары параллелдүү болгондуктан, экинчилик схеманын жалпы сыйымдуулугу төмөнкүчө берилет:

Cs = Ct + Cb + Ce

4 -кадам: Концепция жана курулуш

Биздин учурда, биз автоматтык чыңалуу жөндөгүчүн колдонуп, NST үчүн чыңалуу киргизүүнү 220Вда кармап турдук

Жана анын ичинде AC линиясынын чыпкасы камтылган (YOKOMA ELECTRIC WORKS., LTD. Жапонияда-AVR-2 моделинде)

Бул аспапты рентген аппараттарынан тапса болот же түз эле базардан сатып алса болот.

Жогорку чыңалуудагы трансформатор aTesla катушкасынын эң маанилүү бөлүгү. Бул жөн эле индукциялык трансформатор. Анын ролу - ар бир циклдин башында негизги конденсаторду заряддоо. Күчүнөн тышкары, анын бышыктыгы абдан маанилүү, анткени ал коркунучтуу иштөө шарттарына туруштук бериши керек (кээде коргоочу чыпка керек).

Тесла катушкаларыбыз үчүн колдонуп жаткан неон белгилери трансформатору (NST) төмөндөгүдөй:

Vout = 9000 V, Iout = 30 мА

Чыгуу агымы, чынында, 25mA, 30mA - чоку, ал башталгандан кийин 25 мА чейин түшөт.

Биз азыр анын кубаттуулугун P = V I эсептей алабыз, бул Тесла катушкасынын глобалдык өлчөмдөрүн, ошондой эле анын учкундарынын узундугу жөнүндө болжолдуу ойду коюуга пайдалуу болот.

P = 225 W (25 мА үчүн)

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

5 -кадам: Негизги микросхема

Конденсатор:

Негизги конденсатордун ролу келе жаткан цикл үчүн заряддын белгилүү бир санын сактоо, ошондой эле негизги индуктор менен бирге LC схемасын түзүү.

Негизги конденсатор, адатта, Multi-Mini Capacitor (MMC) деп аталган бир катар / параллелдүү конфигурацияда бир нече ондогон капкактардан турат.

Негизги конденсатор негизги LC схемасын түзүү үчүн негизги катушка менен колдонулат. Резонанстык өлчөмдөгү конденсатор NSTти бузушу мүмкүн, андыктан резонанттан чоңураак (LTR) өлчөмдөгү конденсатор сунушталат. LTR конденсатору Tesla катушкасы аркылуу эң көп кубаттуулукту берет. Ар кандай негизги боштуктар (статикалык vs. синхрондуу айлануучу) ар кандай өлчөмдөгү негизги конденсаторлорду талап кылат.

Cres = Негизги резонанстын сыйымдуулугу (uF) = 1 ∕ (2 * π * NST импеданс * NST Fin) = 1/ (2 * π * 360 000 * 50) = 8.8419nF

CLTR = Негизги чоңураак резонанс (LTR) Статикалык сыйымдуулук (uF) = Негизги резонанстын сыйымдуулугу × 1.6

= 14.147nF

(бул болжолдоодон бир аз айырмаланышы мүмкүн, сунушталган коэффициент 1.6-1.8)

Биз 2000V 100nF конденсаторлорду колдондук, Nb = Cunit/Cequiv = 100nF/0.0119 uF = 9 Capacitors. Ошентип, 9 капкак үчүн Ceq = 0.0111uF = MMC сыйымдуулугу бар.

Коопсуздук үчүн ар бир конденсаторго параллель жогорку кубаттуулукту, 10MOhms резисторлорун туташтыруу жөнүндө ойлонуп көрүңүз.

Индуктивдүүлүк:

Негизги индуктордун ролу - магнит талаасынын экинчилик схемага киргизилиши, ошондой эле негизги конденсатор менен LC схемасын түзүү. Бул компонент оор токту ашыкча жоготууларсыз ташууга жөндөмдүү болушу керек.

Негизги катушка үчүн ар кандай геометриялар мүмкүн. Биздин учурда биз жалпак архималдуу спиралды негизги катушка ылайыкташтырабыз. Бул геометрия табигый түрдө алсызыраак кошулууга алып келет жана биринчиликте жаа пайда болуу коркунучун азайтат: ошондуктан күчтүү катушкаларга артыкчылык берилет. Бирок, курулуштун оңойлугу үчүн төмөнкү кубаттагы катуштарда кеңири таралган. Кошкучту жогорулатуу экинчи катушка биринчиликке түшүрүү менен мүмкүн болот.

W спиральдын туурасы болсун W = Rmax - Rmin жана R анын орточо радиусу, б.а. R = (Rmax + Rmin)/2, экөө тең сантиметр менен көрсөтүлөт. Эгерде катушка N бурулушка ээ болсо, анда анын индуктивдүүлүгүн L чыгаруучу эмпирикалык формула микроэнергияда:

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

Спираль формасы үчүн, эгерде биз R спиралынын радиусу, H анын бийиктиги (экөө тең сантиметрде) жана N анын бурулуштарынын саны деп атасак, анын индуктивдүүлүгүн L чыгаруучу эмпирикалык формула микроэнергияда: Lhelic = (0.374 (NR)^2) /(9R+10H).

Бул колдонууга жана текшерүүгө боло турган көптөгөн формулалар, алар жакын натыйжаларды берет, эң так ыкмасы осциллографты колдонуу жана жыштыктын реакциясын өлчөө, бирок формулалар катушканы куруу үчүн дагы керек. Сиз ошондой эле JavaTC сыяктуу симуляциялык программаны колдоно аласыз.

Формула 2 жалпак форма үчүн: L = [0.25*N^2*(D1+N*(W+S))^2]/[15*(D1+N*(W+S))+11*D1]

кайда N: бурулуштардын саны, W: зымдын диаметри дюймда, S: дюймдагы зымдын аралыгы, D1: ички диаметри дюймда

Менин Tesla Coil маалыматым:

Ички радиус: 4.5 дюйм, 11.2 бурулуш, 0,25 дюйм аралык, зымдын диаметри = 6 мм, тышкы радиусу = 7.898 дюйм.

L Formula 2 = 0.03098mH колдонуу, JavaTCден = 0.03089mH

Ошондуктан, негизги жыштык: f1 = 271.6 KHz (L = 0.03089 мГ, С = 0.0111MFD)

Лабораториялык тажрыйба (негизги жыштыкты жөндөө)

жана биз 269-271КГцте резонансты алдык, ал эсептөөнү текшерет, Цифраларды караңыз.

6 -кадам: Spark Gap

Учкун ажырымынын функциясы, конденсатор жетиштүү заряддалганда, негизги LC чынжырын жабуу, мында чынжырдын ичинде эркин термелүүлөргө жол берүү. Бул Tesla катушкасындагы эң маанилүү компонент, анткени анын жабылуу/ачылуу жыштыгы акыркы өндүрүшкө олуттуу таасирин тийгизет.

Идеалдуу учкун ажырымы конденсатордогу чыңалуу максималдуу болгондо күйүп, нөлгө түшкөндө кайра ачылышы керек. Бирок бул, албетте, чыныгы учкун ажырымында андай эмес, кээде чыңалуу азайганда күйгүзүлбөйт же улана берет;

Биздин долбоор үчүн биз кол менен иштеп чыккан эки тоголок электроддор менен (эки суурма туткасын колдонуу менен курулган) статикалык учкун боштукту колдондук. Жана сфералык баштарды айлантуу менен кол менен жөнгө салынышы мүмкүн.

7 -кадам: Экинчи Circuit

Катушка:

Экинчи катушканын милдети - экинчилик LC чынжырына индуктивдүү компонентти алып келүү жана биринчи катуштун энергиясын чогултуу. Бул индуктор жалпысынан 800дөн 1500гө чейин тыгыз жараланган жанаша бурулуштарга ээ болгон аба өзөктүү соленоид. Жараланган бурулуштардын санын эсептөө үчүн, бул тез формула белгилүү бир тыкан иштен сактайт:

Зым өлчөгүч 24 = 0,05 см, ПВХ диаметри 4 дюйм, бурулуш саны = 1100 ийик, бийиктиги = 1100 x 0,05 = 55 см = 21,6535 дюйм. => L = 20.853 mH

мында H - катушканын бийиктиги жана d колдонулган зымдын диаметри. Дагы бир маанилүү параметр - биз бүт катушканы жасашыбыз керек болгон узундугу l.

L = µ*N^2*A/H. Бул жерде µ чөйрөнүн магниттик өткөрүмдүүлүгүн билдирет (аба үчүн ≈ 1.257 · 10−6 N/A^2), N электромагниттин бурулуштарынын саны, H анын жалпы бийиктиги жана А бурулуштун аянты.

Жогорку жүк:

Үстүңкү жүк жогорку жүктөм менен жерден пайда болгон конденсатордун "плитасы" сыяктуу иштейт. Бул экинчи LC схемасына кубаттуулукту кошот жана жаа пайда боло турган бетти сунуштайт. Чындыгында, Tesla катушкасын жогорку жүктөмсүз иштетүү мүмкүн, бирок жаа узундугу боюнча көрсөткүчтөр көбүнчө начар, анткени энергиянын көбү учкундарды азыктандыруунун ордуна экинчи катушка бурулуштардын ортосунда тарайт.

Тороиддик сыйымдуулугу 1 = ((1+ (0.2781 - Ринг диаметри ∕ (Жалпы диаметри)))) × 2.8 × чарчы ((пи × (Жалпы диаметри × Ринг диаметри)) ∕ 4))

Тороиддик сыйымдуулугу 2 = (1.28 - Шакектин диаметри ∕ Жалпы диаметри) × чарчы (2 × пи × Ринг диаметри × (Жалпы диаметри - Ринг диаметри))

Тороиддик сыйымдуулугу 3 = 4.43927641749 × ((0,5 × (Ринг диаметри × (Жалпы диаметри - Ринг диаметри)))) ^0,5)

Орточо Toroid Capacitance = (Toroid Capacitance 1 + Toroid Capacitance 2 + Toroid Capacitance 3) ∕ 3

Ошентип, биздин тороид үчүн: ички диаметри 4”, сырткы диаметри = 13”, орто оромонун учу менен аралыгы = 5см.

C = 13.046 pf

Экинчи Coil сыйымдуулугу:

Экинчи сыйымдуулук (pf) = (0.29 × Экинчи зымдын оролуу бийиктиги + (0.41 × (Экинчи форманын диаметри ∕ 2)) + (1.94 × чарчы (((Экинчи форманын диаметри ∕ 2) 3) ∕ Экинчи зымдын оромунун бийиктиги))

Csec = 8.2787 pF;

Бул (паразиттик) сыйымдуулукту билүү да кызыктуу. Бул жерде формула жалпы учурда татаал. Биз JAVATC берген бааны колдонобуз ("Эффективдүү шунт сыйымдуулугу" жогорку жүктөмсүз):

Cres = 6.8 pF

Ошондуктан, экинчи схема үчүн:

Ctot = 8.27+13.046 = 21.316pF

Lsec = 20.853mH

Лабораториялык эксперименттердин жыйынтыктары:

Тестирлөө жана тестирлөөнүн жыйынтыгы боюнча жогоруда сүрөттөрдү караңыз.

8 -кадам: Резонанстык тюнинг

Негизги жана экинчилик микросхемаларды резонанска коюп, алардын жакшы иштеши үчүн бирдей резонанстык жыштыкты бөлүштүрүү маанилүү.

RLC схемасынын жообу анын резонанстык жыштыгында айдалганда эң күчтүү болот. Жакшы RLC схемасында айдоочу жыштык резонанстык мааниден алыстаганда жооптун интенсивдүүлүгү кескин төмөндөйт.

Биздин резонанстык жыштык = 267.47 кГц.

Тюнинг ыкмалары:

Тюнинг көбүнчө баштапкы индуктивдүүлүктү тууралоо аркылуу жасалат, анткени аны өзгөртүү эң оңой компонент. Бул индуктор кең бурулуштарга ээ болгондуктан, спиралдын белгилүү бир жериндеги акыркы туташтыргычты таптоо менен анын индуктивдүүлүгүн өзгөртүү оңой.

Бул жөнгө салуунун эң жөнөкөй ыкмасы сыноо жана жаңылыштык. Бул үчүн, резонанстыкка жакын делген жерде праймерди таптай баштайт, катушканы күйгүзөт жана жаа узундугун баалайт. Андан кийин спираль алдыга/артка бурулуштун төрттөн бир бөлүгүн таптап, натыйжаны кайра баалайт. Бир нече аракеттен кийин, кичирээк кадамдарды уланта берсеңиз болот жана акыры жаа узундугу эң жогору болгон таптоо чекитине жетет. Адатта, бул басуу

пункт чынында негизги индуктивдүүлүктү коет, анткени эки схема тең резонанстуу.

Тагыраак ыкма эки генератордун жана осциллографтын жардамы менен эки схеманын жеке реакциясын талдоону камтыйт (кошулган конфигурацияда, албетте, б.а. чынжырларды физикалык түрдө ажыратпастан).

Жаа өздөрү кандайдыр бир кошумча сыйымдуулукту өндүрө алышат. Мунун ордун толтуруу үчүн негизги резонанстык жыштыкты экинчиликтен бир аз төмөн коюу сунушталат. Бирок, бул кубаттуу Тесла катушкалары менен гана байкалат (алар 1мден узун доғаларды чыгара алат).

9-кадам: Экинчи-Учкундагы чыңалуу

Пасхен мыйзамы - бул бөлүнүү чыңалуусун, башкача айтканда, газдагы эки электроддун ортосундагы басымдын жана боштуктун узундугунун функциясы катары разрядды же электр догосун баштоо үчүн керектүү чыңалууну берген теңдеме.

Татаал формуланы колдонуп деталдуу эсептөөнү албастан, кадимки шарттарда эки электроддун ортосунда 1м абаны иондоштуруу үчүн 3.3MV керек. Биздин учурда бизде 10-13см догалар бар, ошондуктан ал 340КВтан 440КВга чейин болот.

10 -кадам: Фарадей Кейж көйнөгү

Фарадей капасы же Фарадей калканы - бул электромагниттик талааларды бөгөө үчүн колдонулган корпус. Фарадей калканы өткөргүч материалдын үзгүлтүксүз каптоосунан же Фарадей капасында мындай материалдардын торунан түзүлүшү мүмкүн.

Биз сүрөттө көрсөтүлгөндөй төрт катмарлуу, негизделген, кийилүүчү фарадей капасын долбоорлодук (колдонулган материалдар: алюминий, пахта, тери). Сиз муну уюлдук телефонуңуздун ичине коюу менен да текшере аласыз, ал сигналды жоготот, же tesla катушкаңыздын алдына коюп, капустанын ичине неон лампаларын койсо, алар күйбөйт, анан аны коюп, сынап көрсөңүз болот.

11 -кадам: Тиркемелер жана шилтемелер

12 -кадам: Баштапкы Катушканы куруу

13 -кадам: NSTти тестирлөө

14 -кадам: Баштапкы Катушканы куруу