„Spark Gap Tesla“ritė: 14 žingsnių

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:45

Tai yra pamoka, kaip sukurti „Spark Gap Tesla“ritę su Faradėjaus narvo suknele.

Šis projektas man ir mano komandai (3 studentams) užtruko 16 darbo dienų, kainuoja apie 500 USD, patikinu, kad nepavyks iš pirmo karto:), svarbiausia yra tai, kad turite suprasti visą teoriją ir žinote, kaip elgtis su pasirinktais komponentais.

Šioje pamokoje aprašysiu visą teoriją, sąvokas, formules, žingsnis po žingsnio kurdamas visas dalis. Jei norite sukurti mažesnius ar didesnius ritinius, koncepcija ir formulės bus tos pačios.

Reikalavimai šiam projektui:

- Žinios: elektros, elektronikos, elektromagnetinės ir laboratorinės įrangos

- Osciloskopas

- Neoninių ženklų transformatorius; Nuo 220V iki 9kV

- Aukštos įtampos kondensatoriai

- Variniai kabeliai arba variniai vamzdžiai

- Mediena važiuoklės statybai

- PVC vamzdis antrinei ritei

- Lankstus metalinis vamzdis „Toroid“

- Mažas 220 V elektrinis ventiliatorius, skirtas kibirkštims

- aliuminio popierius ir tinklelis Faradėjaus narvo suknelei

- Izoliuoti laidai antriniam

- Neoninės lempos

- Įtampos reguliatorius, jei neturite stabilaus 220VAC

- Prijungimas prie žemės

- Daug kantrybės

1 žingsnis: „Spark Gap Tesla“ritės įvadas

„Tesla“ritė yra rezonuojantis transformatorius, turintis pirminę ir antrinę LC grandinę. 1891 m. Suprojektuotas išradėjo Nikola Tesla, abi LC grandinės yra laisvai sujungtos. Maitinimas į pirminę grandinę tiekiamas per pakopinį transformatorių, kuris įkrauna kondensatorių. Galų gale įtampa per kondensatorių padidės tiek, kad sutrumpintų kibirkšties tarpą. Kondensatorius išsikraus per kibirkšties tarpą ir į pirminę ritę. Energija svyruoja pirmyn ir atgal tarp pirminio kondensatoriaus ir pirminės ritės induktoriaus aukštais dažniais (paprastai 50 kHz- 2 MHz). Pirminė ritė yra prijungta prie induktoriaus antrinėje grandinėje, vadinamoje antrine ritė. Ant antrinės ritės viršaus pritvirtinta viršutinė apkrova, užtikrinanti antrinės LC grandinės talpą. Kai pirminė grandinė svyruoja, galia indukuojama antrinėje ritėje, kur įtampa daug kartų padauginama. Aukštos įtampos, silpnos srovės laukas išsivysto aplink didžiausią apkrovą ir žaibo iškrovos lankus, parodydamas nuostabų nuostabumą. Pirminės ir antrinės LC grandinės turi svyruoti tuo pačiu dažniu, kad būtų pasiektas maksimalus galios perdavimas. Ritės grandinės paprastai „sureguliuojamos“tuo pačiu dažniu, reguliuojant pirminės ritės induktyvumą. „Tesla“ritės gali gaminti išėjimo įtampą nuo 50 kilovoltų iki kelių milijonų voltų didelėms ritėms.

2 žingsnis: teorija

Šiame skyriuje aprašoma visa įprastos „Tesla“ritės veikimo teorija. Manysime, kad pirminės ir antrinės grandinės yra mažo pasipriešinimo RLC grandinės, atitinkančios tikrovę.

Dėl pirmiau minėtų priežasčių vidinis komponento atsparumas neatspindi. Taip pat pakeisime srovės ribotą transformatorių. Tai neturi jokios įtakos grynai teorijai.

Atkreipkite dėmesį, kad kai kurios antrinės grandinės dalys yra nubrėžtos punktyrinėmis linijomis. Taip yra todėl, kad jie nėra tiesiogiai matomi prietaise. Kalbant apie antrinį kondensatorių, pamatysime, kad jo talpa iš tikrųjų yra paskirstyta, o viršutinė apkrova yra tik viena šio kondensatoriaus plokštė. Kalbant apie antrinį kibirkšties tarpą, schemoje jis parodytas kaip būdas parodyti, kur vyks lankai.

Šis pirmasis ciklo žingsnis yra generatoriaus įkraunamas pirminis kondensatorius. Tarkime, kad jo dažnis yra 50 Hz. Kadangi generatorius (NST) yra ribojamas srovės, kondensatoriaus talpa turi būti kruopščiai parinkta, kad jis būtų visiškai įkrautas lygiai per 1/100 sekundžių. Iš tiesų, generatoriaus įtampa keičiasi du kartus per laikotarpį, o kito ciklo metu jis iš naujo įkraus kondensatorių priešingu poliškumu, o tai visiškai nekeičia „Tesla“ritės veikimo.

Kai kondensatorius yra visiškai įkrautas, kibirkšties tarpas užsidega ir todėl uždaro pirminę grandinę. Žinant elektrinio oro lauko skilimo intensyvumą, kibirkšties tarpo plotis turi būti nustatytas taip, kad jis užsidegtų tiksliai tada, kai įtampa per kondensatorių pasiekia didžiausią vertę. Čia baigiasi generatoriaus vaidmuo.

Dabar mes turime visiškai įkrautą kondensatorių LC grandinėje. Taigi srovė ir įtampa svyruos grandinių rezonansiniu dažniu, kaip buvo parodyta anksčiau. Šis dažnis yra labai didelis, palyginti su tinklo dažniu, paprastai nuo 50 iki 400 kHz.

Pirminė ir antrinė grandinės yra magnetiškai sujungtos. Taigi virpesiai, vykstantys pirminėje, sukels antrinėje elektromotorinę jėgą. Kai pirminės energijos energija išleidžiama į antrinę, pirminės virpesių amplitudė palaipsniui mažės, o antrinės - sustiprės. Šis energijos perdavimas atliekamas naudojant magnetinę indukciją. Sujungimo konstanta k tarp dviejų grandinių yra tikslingai laikoma maža, paprastai nuo 0,05 iki 0,2.

Taigi pirminio virpesiai šiek tiek veiks kaip kintamosios srovės įtampos generatorius, nuosekliai dedamas antrinėje grandinėje.

Norint sukurti didžiausią išėjimo įtampą, pirminės ir antrinės sureguliuotos grandinės yra sureguliuotos taip, kad atitiktų viena kitą. Kadangi antrinė grandinė paprastai nėra reguliuojama, tai paprastai daroma reguliuojamu pirminės ritės čiaupu. Jei abi ritės būtų atskiros, pirminės ir antrinės grandinės rezonansinius dažnius leistų nustatyti kiekvienos grandinės induktyvumas ir talpa

3 žingsnis: Talpos paskirstymas antrinėje grandinėje

Antrinė talpa Cs yra tikrai svarbi, kad „tesla“ritė veiktų, antrinės ritės talpa būtina rezonavimo dažnio skaičiavimams, jei neatsižvelgsite į visus parametrus, nematysite kibirkšties. Ši talpa susideda iš daugybės indėlių ir ją sunku apskaičiuoti, tačiau panagrinėsime pagrindinius jos komponentus.

Viršutinė apkrova - žemė.

Didžiausia antrinės talpos dalis gaunama iš viršutinės apkrovos. Iš tiesų, mes turime kondensatorių, kurio „plokštės“yra viršutinė apkrova ir žemė. Gali būti stebina, kad tai iš tikrųjų yra kondensatorius, nes šios plokštės yra sujungtos per antrinę ritę. Tačiau jo varža yra gana didelė, todėl iš tikrųjų yra gana didelis skirtumas. Šį indėlį vadinsime Ct.

Antrinės ritės posūkiai.

Kitas didelis indėlis yra iš antrinės ritės. Jis pagamintas iš daugelio gretimų emaliuotos varinės vielos posūkių, todėl jo induktyvumas yra paskirstytas per visą ilgį. Tai reiškia, kad tarp dviejų gretimų posūkių yra nedidelis potencialų skirtumas. Tada mes turime du skirtingo potencialo laidininkus, atskirtus dielektriku: kitaip tariant, kondensatorių. Tiesą sakant, yra kondensatorius su kiekviena laidų pora, tačiau jo talpa mažėja atsižvelgiant į atstumą, todėl galima laikyti apytikslę tik tarp dviejų gretimų posūkių.

Vadinkime Cb bendrą antrinės ritės talpą.

Tiesą sakant, neprivaloma turėti didžiausios apkrovos „Tesla“ritėje, nes kiekviena antrinė ritė turės savo talpą. Tačiau, norint turėti gražias kibirkštis, svarbiausia yra viršutinė apkrova.

Aplinkiniai objektai bus papildomi. Šį kondensatorių sudaro viršutinė apkrova iš vienos pusės, o iš kitos pusės - laidūs objektai (sienos, vandentiekio vamzdžiai, baldai ir kt.).

Mes pavadinsime šių išorinių veiksnių kondensatorių Ce.

Kadangi visi šie „kondensatoriai“yra lygiagrečiai, bendrą antrinės grandinės talpą nustatys:

Cs = Ct + Cb + Ce

4 žingsnis: koncepcija ir konstrukcija

Mūsų atveju mes naudojome automatinį įtampos reguliatorių, kad palaikytume 220 V įtampos įvestį NST

Jame yra įmontuotas kintamosios srovės linijos filtras (YOKOMA ELECTRIC WORKS., LTD. Japonijoje-modelis AVR-2)

Šį prietaisą galima rasti rentgeno aparatuose arba nusipirkti tiesiai iš rinkos.

Aukštos įtampos transformatorius yra svarbiausia „aTesla“ritės dalis. Tai tiesiog indukcinis transformatorius. Jo vaidmuo yra įkrauti pirminį kondensatorių kiekvieno ciklo pradžioje. Be jo galios, jo tvirtumas yra labai svarbus, nes jis turi atlaikyti siaubingas veikimo sąlygas (kartais reikalingas apsauginis filtras).

Neoninių ženklų transformatorius (NST), kurį naudojame savo „Tesla“ritinei, charakteristikos (vidutinė vidutinė vertė) yra šios:

Vout = 9000 V, Iout = 30 mA

Išėjimo srovė iš tikrųjų yra 25 mA, o 30 mA yra smailė, kuri po paleidimo nukrenta iki 25 mA.

Dabar galime apskaičiuoti jo galią P = V I, kuris bus naudingas nustatant pasaulinius „Tesla“ritės matmenis ir apytikslę jo kibirkščių ilgio idėją.

P = 225 W (25 mA)

NST varža = NST išėjimas ∕ NST išėjimas = 9000/ 0,25 = 360 KΩ

5 žingsnis: pirminė grandinė

Kondensatorius:

Pirminio kondensatoriaus vaidmuo kaupti tam tikrą krūvį būsimam ciklui, taip pat formuoti LC grandinę kartu su pirminiu induktoriumi.

Pagrindinis kondensatorius paprastai yra pagamintas iš kelių dešimčių dangtelių, sujungtų nuoseklia / lygiagrečia konfigūracija, vadinama „Multi-Mini“kondensatoriumi (MMC)

Pirminis kondensatorius naudojamas su pirminiu ritiniu, kad būtų sukurta pirminė LC grandinė. Rezonato dydžio kondensatorius gali sugadinti NST, todėl primygtinai rekomenduojama naudoti didesnio nei rezonato (LTR) dydžio kondensatorių. LTR kondensatorius taip pat suteiks didžiausią galią per „Tesla“ritę. Skirtingoms pirminėms spragoms (statiniam ir sinchroniniam sukimui) reikės skirtingų dydžių pirminių kondensatorių.

Cres = pirminio rezonanso talpa (uF) = 1 ∕ (2 * π * NST varža * NST Fin) = 1/ (2 * π * 360 000 * 50) = 8.8419nF

CLTR = pirminė didesnė už rezonansą (LTR) statinė talpa (uF) = pirminė rezonato talpa × 1,6

= 14,147 nF

(tai gali šiek tiek skirtis nuo apytikslio iki kito, rekomenduojamas koeficientas 1,6–1,8)

Mes naudojome 2000V 100nF kondensatorius, Nb = Cunit/Cequiv = 100nF/0.0119 uF = 9 kondensatorius. Taigi lygiai 9 dangteliams mes turime Ceq = 0,0111uF = MMC talpą.

Saugumo sumetimais pagalvokite apie didelės galios 10MOh rezistorių lygiagretų prijungimą prie kiekvieno kondensatoriaus.

Indukcija:

Pirminio induktoriaus vaidmuo yra sukurti magnetinį lauką, kuris būtų įpurškiamas į antrinę grandinę, taip pat suformuoti LC grandinę su pirminiu kondensatoriumi. Šis komponentas turi sugebėti pernešti didelę srovę be didelių nuostolių.

Galimos skirtingos pirminės ritės geometrijos. Mūsų atveju plokščią arkinę spiralę pritaikysime kaip pirminę ritę. Ši geometrija natūraliai lemia silpnesnę sankabą ir sumažina lanko atsiradimo pirminėje riziką, todėl ji teikiama pirmenybė galingoms ritėms. Tačiau jis yra gana paplitęs mažesnės galios ritėse, kad būtų lengviau pastatyti. Sujungimą galima padidinti nuleidžiant antrinę ritę į pirminę.

Tegul W yra spiralės plotis, nurodytas W = Rmax - Rmin ir R jo vidutinis spindulys, ty R = (Rmax + Rmin)/2, abu išreikšti centimetrais. Jei ritė turi N posūkių, empirinė formulė, suteikianti jos induktyvumą L mikrohenrijose, yra tokia:

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

Sraigto formai Jei R vadiname spiralės spinduliu, H jos aukštis (abu centimetrais) ir N jo apsisukimų skaičius, empirinė formulė, suteikianti jos induktyvumą L mikrohenrijose, yra: Lhelic = (0.374 (NR)^2) /(9R+10H).

Tai yra daug formulių, kurias galite naudoti ir patikrinti, jos duos artimus rezultatus, tiksliausias būdas yra naudoti osciloskopą ir išmatuoti dažnio atsaką, tačiau formulės taip pat būtinos norint sukurti ritę. Taip pat galite naudoti modeliavimo programinę įrangą, pvz., „JavaTC“.

Plokščios formos formulė 2: L = [0,25*N^2*(D1+N*(W+S))^2]/[15*(D1+N*(W+S))+11*D1]

kur N: apsisukimų skaičius, W: vielos skersmuo coliais, S: atstumas tarp vielos coliais, D1: vidinis skersmuo coliais

„Tesla“ritės įvesties duomenys:

Vidinis spindulys: 4,5 colio, 11,2 posūkio, 0,25 colio atstumo, vielos skersmuo = 6 mm, išorinis spindulys = 7,898 colio.

L naudojant formulę 2 = 0,03098mH, iš JavaTC = 0,03089mH

Todėl pirminis dažnis: f1 = 271,6 KHz (L = 0,03089 mH, C = 0,0111MFD)

Laboratorijos patirtis (pirminio dažnio derinimas)

ir mes gavome rezonansą esant 269-271KHz dažniui, kurie patvirtina skaičiavimą, žr.

6 žingsnis: „Spark Gap“

Kibirkšties tarpo funkcija yra uždaryti pirminę LC grandinę, kai kondensatorius yra pakankamai įkrautas, taip leidžiant laisvai svyruoti grandinės viduje. Tai yra itin svarbus „Tesla“ritės komponentas, nes jo uždarymo/atidarymo dažnis turės didelę įtaką galutiniam išėjimui.

Idealus kibirkšties tarpas turi užsidegti tik tada, kai įtampa kondensatoriuje yra maksimali, ir vėl atsidaryti, kai tik nukrenta iki nulio. Bet to, žinoma, nėra tikro kibirkštinio tarpo atveju, kartais jis neužsidega, kai turėtų, arba toliau šaudo, kai įtampa jau sumažėjo;

Savo projektui mes panaudojome statinį kibirkšties tarpą su dviem sferiniais elektrodais (pastatytais naudojant dvi stalčių rankenas), kuriuos sukūrėme rankiniu būdu. Be to, jį galima reguliuoti rankiniu būdu, sukant sferines galvutes.

7 žingsnis: antrinė grandinė

Ritė:

Antrinės ritės funkcija yra įtraukti indukcinį komponentą į antrinę LC grandinę ir surinkti pirminės ritės energiją. Šis induktorius yra ore esantis solenoidas, paprastai turintis 800–1500 gretimų posūkių. Norėdami apskaičiuoti sužeistų posūkių skaičių, ši greita formulė padės išvengti tam tikro sudėtingo darbo:

Vielos matuoklis 24 = 0,05 cm, PVC skersmuo 4 coliai, apsisukimų skaičius = 1100 bokštų, reikalingas aukštis = 1100 x 0,05 = 55 cm = 21,6535 colio. => L = 20,853 mH

kur H yra ritės aukštis, o d - naudojamos vielos skersmuo. Kitas svarbus parametras yra ilgis l, kurio mums reikia norint pagaminti visą ritę.

L = µ*N^2*A/H. Kur µ reiškia terpės magnetinį pralaidumą (≈ 1,257 · 10−6 N/A^2 orui), N - solenoido apsisukimų skaičių, H - jo bendrą aukštį, o A - posūkio plotą.

Viršutinė apkrova:

Viršutinė apkrova veikia kaip viršutinė kondensatoriaus „plokštė“, kurią sudaro viršutinė apkrova ir žemė. Tai padidina antrinės LC grandinės talpą ir suteikia paviršių, iš kurio gali susidaryti lankai. Tiesą sakant, galima paleisti „Tesla“ritę be viršutinės apkrovos, tačiau lanko ilgio charakteristikos dažnai yra prastos, nes dauguma energijos išsisklaido tarp antrinių ritės posūkių, o ne tiekia kibirkštis.

Toroido talpa 1 = (((1+ (0.2781 - žiedo skersmuo ∕ (bendras skersmuo))) × 2.8 × kv. ((Pi × (bendras skersmuo × žiedo skersmuo)) ∕ 4))

Toroido talpa 2 = (1,28 - žiedo skersmuo ∕ bendras skersmuo) × sqrt (2 × pi × žiedo skersmuo × (bendras skersmuo - žiedo skersmuo))

Toroido talpa 3 = 4.43927641749 × ((0,5 × (žiedo skersmuo × (bendras skersmuo - žiedo skersmuo))) ^0,5)

Vidutinis toroidų talpa = (toroidų talpa 1 + toroidų talpa 2 + toroidų talpa 3) ∕ 3

Taigi mūsų toroidui: vidinis skersmuo 4 ", išorinis skersmuo = 13", atstumas nuo antrinės apvijos galo = 5 cm.

C = 13,046 pf

Antrinės ritės talpa:

Antrinė talpa (pf) = (0,29 × antrinės vielos apvijos aukštis + (0,41 × (antrinės formos skersmuo ∕ 2)) + (1,94 × kv. (((Antrinės formos skersmuo ∕ 2) 3) ∕ antrinės vielos apvijos aukštis))

Csec = 8,2787 pF;

Taip pat įdomu žinoti ritės (parazitinę) talpą. Čia taip pat formulė paprastai yra sudėtinga. Mes naudosime JAVATC („Efektyvi šunto talpa“be viršutinės apkrovos) gautą vertę:

Cres = 6,8 pF

Todėl antrinei grandinei:

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

Lsec = 20,853mH

Laboratorinių eksperimentų rezultatai:

Žiūrėkite aukščiau esančias nuotraukas, kad gautumėte testavimo procedūrą ir bandymų rezultatus.

8 žingsnis: rezonanso derinimas

Norint, kad pirminis ir antrinis kontūrai būtų rezonansiniai, jie turi tą patį rezonansinį dažnį.

RLC grandinės reakcija yra stipriausia, kai važiuojama jos rezonansiniu dažniu. Geroje RLC grandinėje reakcijos intensyvumas smarkiai sumažėja, kai važiavimo dažnis nukrypsta nuo rezonansinės vertės.

Mūsų rezonansinis dažnis = 267,47 kHz.

Derinimo metodai:

Derinimas paprastai atliekamas reguliuojant pirminį induktyvumą, nes tai yra lengviausias modifikuojamas komponentas. Kadangi šis induktorius turi plačius posūkius, nesunku pakeisti jo induktyvumą, bakstelėjus galutinę jungtį tam tikroje spiralės vietoje.

Paprasčiausias būdas pasiekti šį koregavimą yra bandymai ir klaidos. Tam žmogus pradeda bakstelėti pirminį taške, kuris tariamai artimas rezonansiniam, uždega ritę ir įvertina lanko ilgį. Tada spiralė paspaudžiama ketvirtadaliu posūkio į priekį/atgal ir iš naujo įvertinamas rezultatas. Po kelių bandymų galima tęsti mažesnius žingsnius ir pagaliau gauti taškymo tašką, kuriame lanko ilgis yra didžiausias. Paprastai šis bakstelėjimas

taškas iš tikrųjų nustatys pirminę induktyvumą, pavyzdžiui, abi grandinės yra rezonansinės.

Tikslesnis metodas apimtų abiejų grandinių individualaus atsako (žinoma, sujungtos konfigūracijos, t. Y. Fiziškai neatskiriant grandinių) analizę naudojant signalų generatorių ir osciloskopą.

Lankai patys gali sukurti papildomą talpą. Todėl, norint tai kompensuoti, rekomenduojama nustatyti šiek tiek mažesnį nei antrinis rezonansinį dažnį. Tačiau tai pastebima tik su galingomis „Tesla“ritėmis (kurios gali pagaminti ilgesnius nei 1 m lankus).

9 žingsnis: antrinės kibirkšties įtampa

Pascheno dėsnis yra lygtis, suteikianti gedimo įtampą, tai yra įtampą, reikalingą iškrovimui ar elektros lankui pradėti tarp dviejų dujų elektrodų, atsižvelgiant į slėgį ir tarpo ilgį.

Nesileidžiant į išsamų skaičiavimą naudojant sudėtingą formulę, normalioms sąlygoms reikia 3,3MV, kad jonizuotų 1 m oro tarp dviejų elektrodų. Mūsų atveju mes turime lankus apie 10-13 cm, taigi tai bus nuo 340KV iki 440KV.

10 žingsnis: Faradėjaus narvo suknelė

Faradėjaus narvas arba Faradėjaus skydas yra gaubtas, naudojamas blokuoti elektromagnetinius laukus. Faradėjaus skydas gali būti suformuotas nepertraukiamu laidžios medžiagos dangteliu, o Faradėjaus narvo atveju - tokių medžiagų tinkleliu.

Mes sukūrėme keturis sluoksnius, įžemintą, nešiojamą faradėjaus narvą, kaip parodyta paveikslėlyje (naudojamos medžiagos: aliuminis, medvilnė, oda). Taip pat galite jį išbandyti įdėję savo mobilųjį telefoną į vidų, jis praras signalą arba pastatys jį prieš savo „tesla“ritę ir įdės keletą neoninių lempų į narvą, jie neužsidegs, tada galėsite jį uždėti ir išbandyti.

11 veiksmas: priedai ir nuorodos

12 žingsnis: sukurkite pirminę ritę

13 žingsnis: NST bandymas

14 žingsnis: sukurkite pirminę ritę