Spark Gap Tesla -kela: 14 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:00

Tämä on opetusohjelma Spark Gap Tesla -kelan rakentamisesta Faradayn häkkimekon kanssa.

Tämä projekti vei minulta ja tiimiltäni (3 opiskelijaa) 16 työpäivää, se maksaa noin 500 USD, vakuutan teille, että se ei toimi ensimmäisellä kerralla:), tärkeintä on, että sinun on ymmärrettävä kaikki takana oleva teoria ja osaat käsitellä valitsemiasi komponentteja.

Tässä opettavaisessa opastan sinut läpi kaiken takana olevan teorian, käsitteet, kaavat, rakentamalla vaiheittain kaikki osat. Jos haluat rakentaa pienempiä tai suurempia keloja, konsepti ja kaavat ovat samat.

Tämän projektin vaatimukset:

- Tietoa: Sähkö-, elektroniikka-, sähkömagneettiset ja laboratoriolaitteet

- Oskilloskooppi

- Neonkyltti -muuntaja; 220V - 9kV

- Suurjännitekondensaattorit

- Kuparikaapelit tai kupariputket

- Puuta alustan rakentamiseen

- PVC -putki toisiokäämille

- Joustava metalliputki Toroidille

- Pieni 220 V: n sähkötuuletin kipinöiväliä varten

- Alumiinipaperit ja verkko Faradayn häkkimekkoon

- Eristetyt johdot toisiolle

- Neonlamput

- Jännitesäädin, jos sinulla ei ole vakaata 220 VAC

- Liitäntä maahan

- Paljon kärsivällisyyttä

Vaihe 1: Johdanto Spark Gap Tesla -kelaan

Tesla -kela on resonaattimuuntaja, joka sisältää ensisijaisen ja toissijaisen LC -piirin. Keksijä Nikola Teslan vuonna 1891 suunnittelema LC -piiri on kytketty löyhästi yhteen. Virta syötetään ensiöpiiriin lisämuuntajan kautta, joka lataa kondensaattorin. Lopulta kondensaattorin yli oleva jännite kasvaa riittävän lyhyeksi kipinävälin lyhentämiseksi. Kondensaattori purkautuu kipinävälin läpi ja ensiökelaan. Energia värähtelee edestakaisin ensisijaisen kondensaattorin ja ensiökelan induktorin välillä korkeilla taajuuksilla (tyypillisesti 50 kHz- 2 MHz). Ensisijainen kela on kytketty toisiopiirin induktoriin, jota kutsutaan toisiokäämiksi. Toisiokäämin yläosaan on kiinnitetty yläkuorma, joka tarjoaa kapasitanssin toissijaiselle LC -piirille. Kun ensiöpiiri värähtelee, tehoa indusoidaan toisiokäämissä, jossa jännite moninkertaistuu. Suurjännite, matalavirtainen kenttä kehittyy ylemmän kuorman ja salamanpurkauksen ympärille ja näyttää upealta. Ensisijaisen ja toissijaisen LC -piirin on värähtelevä samalla taajuudella maksimaalisen tehonsiirron saavuttamiseksi. Kelan piirit "viritetään" yleensä samaan taajuuteen säätämällä primäärikelan induktanssia. Tesla -kelat voivat tuottaa lähtöjännitteitä 50 kilovoltista useisiin miljooniin volteihin suurille keloille.

Vaihe 2: Teoria

Tämä osa kattaa täydellisen teorian tavanomaisesta Tesla -kelasta. Katsomme, että ensisijaiset ja toisiopiirit ovat RLC -piirejä, joilla on alhainen vastus, mikä vastaa todellisuutta.

Edellä mainituista syistä komponentin sisäistä vastusta ei ole esitetty. Vaihdamme myös nykyisen rajoitetun muuntajan. Tällä ei ole vaikutusta puhtaaseen teoriaan.

Huomaa, että jotkut toisiopiirin osat on piirretty katkoviivoilla. Tämä johtuu siitä, että ne eivät näy suoraan laitteessa. Toissijaisen kondensaattorin osalta näemme, että sen kapasiteetti on todella jakautunut, ja ylin kuorma on vain tämän kondensaattorin "yksi levy". Toissijaisen kipinävälin osalta se on esitetty kaaviossa keinona esittää, missä kaaret tapahtuvat.

Tämä syklin ensimmäinen vaihe on generaattorin lataama ensisijainen kondensaattori. Oletamme sen taajuuden olevan 50 Hz. Koska generaattori (NST) on virranrajoitettu, kondensaattorin kapasiteetti on valittava huolellisesti, jotta se latautuu täyteen täsmälleen 1/100 sekunnissa. Itse asiassa generaattorin jännite muuttuu kahdesti jaksossa, ja seuraavalla jaksolla se lataa kondensaattorin uudelleen vastakkaisella napaisuudella, mikä ei muuta mitään Tesla-kelan toiminnassa.

Kun kondensaattori on ladattu täyteen, kipinäväli palaa ja sulkee siksi ensiöpiirin. Tietäen ilman hajoavan sähkökentän voimakkuuden kipinävälin leveys on asetettava siten, että se syttyy täsmälleen silloin, kun jännite kondensaattorin poikki saavuttaa huippuarvonsa. Generaattorin rooli päättyy tähän.

Meillä on nyt täysin ladattu kondensaattori LC -piirissä. Virta ja jännite värähtelevät siten piirien resonanssitaajuudella, kuten aiemmin on osoitettu. Tämä taajuus on erittäin korkea verkkotaajuuteen verrattuna, yleensä 50-400 kHz.

Ensisijaiset ja toisiopiirit on kytketty magneettisesti. Primäärissä tapahtuvat värähtelyt aiheuttavat siten sähkömoottorivoiman toissijaisessa. Kun primäärienergia lasketaan sekundääriin, primäärin värähtelyiden amplitudi pienenee vähitellen, kun taas toissijaiset vahvistuvat. Tämä energiansiirto tapahtuu magneettisen induktion kautta. Kytkentävakio k kahden piirin välillä pidetään tarkoituksella alhaisena, yleensä välillä 0,05 - 0,2.

Ensisijaisen värähtelyt toimivat siten vähän kuin toisiopiirin sarjaan sijoitettu vaihtojännitegeneraattori.

Suurimman lähtöjännitteen tuottamiseksi ensisijaiset ja toissijaiset viritetyt piirit säädetään resonanssiin keskenään. Koska toisiopiiri ei yleensä ole säädettävissä, tämä tehdään yleensä primäärikelan säädettävällä hanalla. Jos nämä kaksi kelaa olisivat erillisiä, ensiö- ja toisiopiirien resonanssitaajuudet määräytyisivät kunkin piirin induktanssin ja kapasitanssin mukaan

Vaihe 3: Kapasitanssin jako toisiopiirissä

Toissijainen kapasitanssi Cs on todella tärkeä, jotta tesla -kela toimisi, toisiokäämin kapasitanssi on tarpeen resonaatiotaajuuden laskemiseksi, jos et ota huomioon kaikkia parametreja, et näe kipinää. Tämä kapasitanssi koostuu monista panoksista, ja sitä on vaikea laskea, mutta tarkastelemme sen tärkeimpiä osia.

Ylin kuorma - Maa.

Suurin osa toissijaisesta kapasitanssista tulee yläkuormasta. Meillä on todellakin kondensaattori, jonka "levyt" ovat yläkuorma ja maa. Voi olla yllättävää, että tämä on todellakin kondensaattori, koska nämä levyt on kytketty toisiokäämin kautta. Sen impedanssi on kuitenkin melko korkea, joten niiden välillä on todellakin potentiaalinen ero. Kutsumme tätä lahjoitusta Ct: ksi.

Toisiokäämin kierrokset.

Toinen suuri panos tulee toissijaisesta kelasta. Se on valmistettu monista vierekkäisistä emaloidun kuparilangan kierroksista ja sen induktanssi jakautuu siten koko pituudeltaan. Tämä tarkoittaa, että kahden vierekkäisen käännöksen välillä on pieni potentiaaliero. Sitten meillä on kaksi eri potentiaalin johdinta, jotka on erotettu eristeellä: kondensaattori, toisin sanoen. Itse asiassa jokaisen johdinparin kanssa on kondensaattori, mutta sen kapasiteetti pienenee etäisyyden myötä, joten vain kahden vierekkäisen kierroksen välistä kapasiteettia voidaan pitää hyvänä likimääräisenä.

Kutsutaan Cb: tä toisiokäämin kokonaiskapasiteetiksi.

Itse asiassa Tesla -kelan yläkuorma ei ole pakollinen, koska jokaisella toisiokelalla on oma kapasiteettinsa. Yläkuorma on kuitenkin ratkaisevan tärkeä kauniiden kipinöiden saamiseksi.

Ympäröivistä kohteista tulee lisää kapasiteettia. Tämä kondensaattori muodostuu toisella puolella olevasta yläkuormasta ja toisella puolella johtavista esineistä (seinät, vesiputket, huonekalut jne.).

Nimeämme näiden ulkoisten tekijöiden kondensaattorin Ce.

Koska kaikki nämä "kondensaattorit" ovat rinnakkain, toisiopiirin kokonaiskapasiteetti saadaan:

Cs = Ct + Cb + Ce

Vaihe 4: Suunnittelu ja rakentaminen

Meidän tapauksessamme käytimme automaattista jännitesäädintä pitämään NST: n jännitetulo 220 V: ssa

Ja siinä on sisäänrakennettu AC-linjasuodatin (YOKOMA ELECTRIC WORKS., LTD. Japanissa-malli AVR-2)

Tämä laite voidaan löytää röntgenlaitteista tai ostaa suoraan markkinoilta.

Suurjännitemuuntaja on aTesla -kelan tärkein osa. Se on yksinkertaisesti induktiomuuntaja. Sen tehtävänä on ladata ensisijainen kondensaattori jokaisen syklin alussa. Sen tehon lisäksi sen kestävyys on erittäin tärkeää, koska sen on kestettävä loistavat käyttöolosuhteet (suojaussuodatin on joskus tarpeen).

Neonmerkkimuuntaja (NST), jota käytämme tesla -kelalle, ominaisuudet (rms -arvot) ovat seuraavat:

Vout = 9000 V, Iout = 30 mA

Lähtövirta on itse asiassa 25 mA, 30 mA on huippu, joka laskee 25 mA: iin käynnistyksen jälkeen.

Voimme nyt laskea sen tehon P = V I, josta on hyötyä Tesla -kelan globaalien mittojen asettamisessa sekä karkean käsityksen sen kipinöiden pituudesta.

P = 225 W (25 mA: lle)

NST -impedanssi = NST -lähtö ∕ NST -lähtö = 9000/ 0,25 = 360 KΩ

Vaihe 5: Ensisijainen piiri

Kondensaattori:

Ensisijaisen kondensaattorin rooli tallentaa tietty määrä varausta tulevaa sykliä varten sekä muodostaa LC -piiri primäärisen induktorin kanssa.

Ensisijainen kondensaattori on yleensä valmistettu useista kymmenistä suojuksista, jotka on kytketty sarja- / rinnakkaiskokoonpanoon, jota kutsutaan nimellä Multi-Mini Capacitor (MMC)

Ensisijaista kondensaattoria käytetään ensisijaisen kelan kanssa primäärisen LC -piirin luomiseksi. Resonaattikokoinen kondensaattori voi vahingoittaa NST: tä, joten suositellaan voimakkaampaa kuin LTR -kokoista kondensaattoria. LTR -kondensaattori tuottaa myös eniten virtaa Tesla -kelan kautta. Eri ensisijaiset aukot (staattinen vs. synkronointi) vaativat erikokoisia primäärikondensaattoreita.

Cres = Ensisijainen resonaattikapasitanssi (uF) = 1 ∕ (2 * π * NST -impedanssi * NST Fin) = 1/ (2 * π * 360 000 * 50) = 8.8419nF

CLTR = ensisijainen resonanssi (LTR) staattinen kapasitanssi (uF) = ensisijainen resonaattikapasitanssi × 1,6

= 14,147 nF

(tämä voi hieman poiketa lähentämisestä toiseen, suositeltu kerroin 1,6-1,8)

Käytimme 2000V 100nF kondensaattoreita, Nb = Cunit/Cequiv = 100nF/0.0119 uF = 9 kondensaattoria. Joten täsmälleen 9 korkille meillä on Ceq = 0,0111uF = MMC -kapasitanssi.

Ajattele liittämään suuritehoiset 10Mohm vastukset rinnakkain jokaisen kondensaattorin kanssa turvallisuuden vuoksi.

Induktanssi:

Ensisijaisen induktorin tehtävänä on luoda magneettikenttä, joka ruiskutetaan toisiopiiriin, sekä muodostaa LC -piiri primäärikondensaattorin kanssa. Tämän komponentin on kyettävä kuljettamaan raskasta virtaa ilman liiallisia häviöitä.

Erilaiset geometriat ovat mahdollisia ensisijaiselle kelalle. Meidän tapauksessamme sovitamme litteän kaarevan kierukan ensisijaiseksi kelaksi. Tämä geometria johtaa luonnollisesti heikompaan kytkentään ja vähentää kaaren riskiä primäärissä: siksi se on suositeltava tehokkailla käämeillä. Se on kuitenkin melko yleinen pienitehoisissa käämeissä sen rakentamisen helpottamiseksi. Kytkimen lisääminen on mahdollista laskemalla toisiokäämi ensiöosaan.

Olkoon W spiraalin leveys, joka on annettu W = Rmax - Rmin ja R sen keskimääräinen säde, eli R = (Rmax + Rmin)/2, molemmat senttimetreinä ilmaistuna. Jos kelassa on N kierrosta, empiirinen kaava, joka antaa sen induktanssin L mikrohenryksissä, on:

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

Kierremuodolle Jos kutsumme R: tä kierukan sädeksi, H sen korkeudeksi (molemmat senttimetreinä) ja N sen kierrosten lukumääräksi, empiirinen kaava, joka tuottaa sen induktanssin L mikrohenryksissä, on: Lhelic = (0.374 (NR)^2) /(9R+10H).

Nämä ovat monia kaavoja, joita voit käyttää ja tarkistaa, ne antavat läheisiä tuloksia, tarkin tapa on käyttää oskilloskooppia ja mitata taajuusvaste, mutta kaavat ovat myös välttämättömiä kelan rakentamiseen. Voit myös käyttää simulointiohjelmistoa, kuten JavaTC.

Kaava 2 tasaista muotoa varten: L = [0,25*N^2*(D1+N*(W+S))^2]/[15*(D1+N*(W+S))+11*D1]

jossa N: kierrosten lukumäärä, W: langan halkaisija tuumina, S: langan väli tuumina, D1: sisähalkaisija tuumina

Tesla -kelan syöttötiedot:

Sisäsäde: 4,5 tuumaa, 11,2 kierrosta, 0,25 tuuman etäisyys, langan halkaisija = 6 mm, ulompi säde = 7,898 tuumaa.

L käyttäen kaavaa 2 = 0,03098mH, JavaTC: stä = 0,03089mH

Siksi ensisijainen taajuus: f1 = 271,6 KHz (L = 0,03089 mH, C = 0,0111MFD)

Lab -kokemus (ensisijainen taajuuden viritys)

ja saimme resonanssin taajuudella 269-271KHz, jotka varmistavat laskelman, katso kuvat.

Vaihe 6: Spark Gap

Kipinävälin tehtävä on sulkea ensisijainen LC -piiri, kun kondensaattori on riittävästi ladattu, mikä mahdollistaa vapaat värähtelyt piirin sisällä. Tämä on erittäin tärkeä komponentti Tesla -kelassa, koska sen sulkemis-/avautumistaajuus vaikuttaa merkittävästi lopputulokseen.

Ihanteellisen kipinävälin täytyy syttyä juuri silloin, kun jännite kondensaattorin poikki on maksimaalinen, ja avautuu uudelleen juuri silloin, kun se putoaa nollaan. Mutta näin ei tietenkään ole todellisessa kipinävälissä, joskus se ei syty silloin, kun sen pitäisi, tai syttyy edelleen, kun jännite on jo laskenut;

Projektissamme käytimme staattista kipinäväliä, jossa oli kaksi pallomaista elektrodia (rakennettu kahdella laatikon kahvalla), jotka suunnittelimme käsin. Ja sitä voidaan säätää manuaalisesti myös pyöreitä pyöreitä päitä kiertämällä.

Vaihe 7: Toissijainen piiri

Kela:

Toisiokäämin tehtävänä on tuoda induktiivinen komponentti toissijaiseen LC -piiriin ja kerätä primäärikelan energia. Tämä induktori on ilmatäytteinen solenoidi, jossa on yleensä 800-1500 läheisesti vierekkäistä kierrosta. Haavoittuneiden kierrosten määrän laskemiseksi tämä nopea kaava välttää tietyn vaativan työn:

Langanmitta 24 = 0,05 cm, PVC -halkaisija 4 tuumaa, kierrosten lukumäärä = 1100 piikkiä, tarvittava korkeus = 1100 x 0,05 = 55 cm = 21,6535 tuumaa. => L = 20,853 mH

jossa H on kelan korkeus ja d käytetyn langan halkaisija. Toinen tärkeä parametri on pituus l, joka tarvitaan koko kelan valmistamiseen.

L = µ*N^2*A/H. Missä µ edustaa väliaineen magneettista läpäisevyyttä (≈ 1,257 · 10−6 N/A^2 ilmalle), N solenoidin kierrosten lukumäärä, H sen kokonaiskorkeus ja A kierroksen pinta -ala.

Ylin kuorma:

Yläkuorma toimii kuin yläkuorman ja maan muodostama kondensaattorin ylempi "levy". Se lisää kapasiteettia toissijaiseen LC -piiriin ja tarjoaa pinnan, josta kaaret voivat muodostua. Itse asiassa on mahdollista käyttää Tesla -kelaa ilman yläkuormaa, mutta kaarenpituuden suhteen suorituskyky on usein huono, koska suurin osa energiasta haihtuu toisiokäämin kierrosten välillä kipinöiden syöttämisen sijaan.

Toroidikapasitanssi 1 = (((1+ (0.2781 - renkaan halkaisija ∕ (kokonaishalkaisija))) × 2.8 × sqrt ((pi × (kokonaishalkaisija × renkaan halkaisija)) ∕ 4))

Toroidikapasitanssi 2 = (1,28 - renkaan halkaisija ∕ kokonaishalkaisija) × neliömetriä (2 × pi × renkaan halkaisija × (kokonaishalkaisija - renkaan halkaisija))

Toroidikapasitanssi 3 = 4.43927641749 × ((0,5 × (renkaan halkaisija × (kokonaishalkaisija - renkaan halkaisija))) ^0,5)

Keskimääräinen toroidikapasitanssi = (toroidikapasitanssi 1 + toroidikapasitanssi 2 + toroidikapasitanssi 3) ∕ 3

Joten meidän toroidillemme: sisähalkaisija 4 ", ulkohalkaisija = 13", etäisyys toisiokäämin päästä = 5 cm.

C = 13,046 pf

Toissijaisen kelan kapasiteetti:

Toissijainen kapasitanssi (pf) = (0,29 × toissijaisen langan käämityskorkeus + (0,41 × (toissijaisen muodon halkaisija ∕ 2)) + (1,94 × neliömetriä (((toissijaisen muodon halkaisija ∕ 2) 3) ∕ toissijaisen langan käämityskorkeus))

Csec = 8,2787 pF;

On myös mielenkiintoista tietää kelan (lois) kapasitanssi, ja myös kaava on monimutkainen yleisessä tapauksessa. Käytämme JAVATC: n ("Tehokas shuntikapasitanssi" ilman yläkuormaa) tuottamaa arvoa:

Cres = 6,8 pF

Siksi toisiopiirille:

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

Lsec = 20,853 mH

Laboratoriokokeiden tulokset:

Katso yllä olevista kuvista testausmenettely ja testitulokset.

Vaihe 8: Resonanssin viritys

Ensisijaisen ja toissijaisen piirin asettaminen resonanssille, sama resonanssitaajuus, on ensiarvoisen tärkeä hyvän toiminnan kannalta.

RLC -piirin vaste on voimakkain, kun sitä käytetään sen resonanssitaajuudella. Hyvässä RLC -piirissä vasteen intensiteetti laskee jyrkästi, kun ajon taajuus poikkeaa resonanssiarvosta.

Resonanssitaajuutemme = 267,47 kHz.

Viritystavat:

Viritys tehdään yleensä säätämällä ensisijaista induktanssia yksinkertaisesti siksi, että se on helpoin muutettava komponentti. Koska tällä induktorilla on leveät kierrokset, sen itseinduktanssia on helppo muuttaa napauttamalla lopullista liitintä spiraalin tietyssä kohdassa.

Yksinkertaisin tapa saavuttaa tämä säätö on kokeilu ja erehdys. Tätä varten yksi alkaa napauttaa ensisijaista kohdassa, jonka oletetaan olevan lähellä resonanssia, sytyttää kelan ja arvioi kaaren pituuden. Sitten kierretä napautetaan neljännes kierrosta eteen/taakse ja yksi arvioi tuloksen uudelleen. Muutaman yrityksen jälkeen voidaan jatkaa pienemmillä askeleilla ja lopulta saada napautuskohta, jossa kaaren pituus on korkein. Normaalisti tämä napautus

piste asettaa todellakin ensisijaisen induktanssin, kuten molemmat piirit ovat resonanssissa.

Tarkempi menetelmä käsittäisi analyysin molempien piirien yksilöllisestä vasteesta (tietysti kytketyssä kokoonpanossa, ts. Ilman virtapiirien fyysistä erottamista) signaaligeneraattorin ja oskilloskoopin avulla.

Kaaret voivat itse tuottaa lisäkapasitanssia. Tämän vuoksi on suositeltavaa asettaa ensisijainen resonanssitaajuus hieman alemmaksi kuin toissijainen tämän kompensoimiseksi. Tämä on kuitenkin havaittavissa vain tehokkailla Tesla -käämillä (jotka voivat tuottaa yli 1 metrin pituisia kaaria).

Vaihe 9: Jännite Secondary-Sparkissa

Paschenin laki on yhtälö, joka antaa hajoamisjännitteen, eli jännitteen, joka tarvitaan purkauksen tai sähkökaaren aloittamiseen, kaasun kahden elektrodin välillä paineen ja raon pituuden funktiona.

Ilman yksityiskohtaisia laskelmia monimutkaisella kaavalla normaalit olosuhteet vaativat 3,3MV 1 metrin ilman ionisoimiseksi kahden elektrodin välillä. Meidän tapauksessamme on kaaria noin 10-13 cm, joten se on välillä 340KV ja 440KV.

Vaihe 10: Faraday Cage -mekko

Faradayn häkki tai Faradayn kilpi on kotelo, jota käytetään estämään sähkömagneettisia kenttiä. Faraday -suoja voidaan muodostaa johtavasta materiaalista jatkuvalla peitteellä tai Faradayn häkin tapauksessa tällaisten materiaalien verkosta.

Suunnittelimme neljä kerrosta, maadoitettu, käytettävä puinen häkki kuvan mukaisesti (käytetyt materiaalit: alumiini, puuvilla, nahka). Voit testata sitä myös asettamalla matkapuhelimesi sisälle, se menettää signaalin tai asettamalla sen tesla -kelaasi eteen ja asettamalla neonlamppuja häkin sisään, ne eivät syty, voit laittaa sen päälle ja kokeilla sitä.

Vaihe 11: Liitteet ja viitteet

Vaihe 12: Ensisijaisen kelan rakentaminen

Vaihe 13: NST: n testaaminen

Vaihe 14: Ensisijaisen kelan rakentaminen