Spark Gap Tesla mähis: 14 sammu

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:46

See on õpetus, kuidas ehitada Spark Gap Tesla mähis Faraday puurikleidiga.

See projekt võttis mul ja mu meeskonnal (3 õpilast) 16 tööpäeva, see maksab umbes 500 USD, ma kinnitan teile, et see ei tööta esimesel korral:), kõige tähtsam on see, et peate mõistma kogu teooriat ja teate, kuidas valitud komponentidega toime tulla.

Selles õpetlikus juhendis tutvustan teid kõigi taga olevate teooriate, mõistete, valemite abil, samm -sammult kõigi osade jaoks. Kui soovite ehitada väiksemaid või suuremaid mähiseid, on kontseptsioon ja valemid samad.

Selle projekti nõuded:

- Teadmised: elektri-, elektroonika-, elektromagnetilised ja laboriseadmed

- Ostsilloskoop

- Neon Sign trafo; 220V kuni 9kV

- Kõrgepinge kondensaatorid

- vaskkaablid või vasktorud

- Puit šassii ehitamiseks

- PVC toru teisese mähise jaoks

- Paindlik metalltoru toroidi jaoks

- väike 220 V elektriline ventilaator sädemepilu jaoks

- Alumiiniumpaberid ja võrk Faraday puurikleidi jaoks

- Isoleeritud juhtmed teisese jaoks

- Neoonlambid

- Pingeregulaator, kui teil pole stabiilset 220VAC

- Ühendus maandusega

- palju kannatust

Samm: Sissejuhatus Spark Gap Tesla mähisesse

Tesla mähis on resonaattrafo, mis sisaldab primaarset ja sekundaarset LC -ahelat. Leiutaja Nikola Tesla poolt 1891. aastal kavandatud kaks LC -ahelat on omavahel lõdvalt ühendatud. Toide tarnitakse primaarringi astmelise trafo kaudu, mis laeb kondensaatorit. Lõpuks suureneb kondensaatori pinge piisavalt, et lühendada sädemevahet. Kondensaator tühjeneb läbi sädevahe ja primaarmähise. Energia võngub kõrgel sagedusel (tavaliselt 50 kHz- 2 MHz) primaarkondensaatori ja primaarmähise induktiivpooli vahel edasi-tagasi. Primaarmähis on ühendatud sekundaarringi induktiivpooliga, mida nimetatakse sekundaarmähiseks. Sekundaarmähise ülaosale on kinnitatud ülemine koormus, mis tagab sekundaarse LC -ahela mahtuvuse. Primaarahela võnkumisel indutseeritakse võimsus sekundaarmähises, kus pinge korrutatakse mitu korda. Kõrge pinge ja nõrk vooluväli areneb ülemise koormuse ja välklambi kaare ümber, pakkudes suurepärast ilmet. Maksimaalse jõuülekande saavutamiseks peavad esmased ja sekundaarsed LC -ahelad võnkuma samal sagedusel. Mähises olevad ahelad on tavaliselt "häälestatud" samale sagedusele, reguleerides primaarmähise induktiivsust. Tesla mähised võivad suurte mähiste puhul toota väljundpinget 50 kilovoldist kuni mitme miljoni voltini.

2. samm: teooria

See jaotis hõlmab tavapärase Tesla mähise täielikku tööteooriat. Leiame, et esmased ja sekundaarsed ahelad on madala takistusega RLC -ahelad, mis vastab tegelikkusele.

Eespool nimetatud põhjustel ei ole komponendi sisemist takistust esindatud. Vahetame välja ka voolupiiranguga trafo. See ei mõjuta puhast teooriat.

Pange tähele, et mõned sekundaarahela osad on joonistatud punktiirjoontega. Seda seetõttu, et need ei ole aparaadil otseselt nähtavad. Sekundaarse kondensaatori osas näeme, et selle võimsus on tegelikult jaotatud, ülemine koormus on ainult selle kondensaatori "üks plaat". Mis puudutab sekundaarset sädevahet, siis on see skemaatiliselt näidatud kaaride toimumise kohana.

Tsükli esimene samm on primaarkondensaatori laadimine generaatori poolt. Oletame, et selle sagedus on 50 Hz. Kuna generaator (NST) on piiratud vooluga, tuleb kondensaatori võimsust hoolikalt valida, nii et see laetakse täielikult täpselt 1/100 sekundiga. Tõepoolest, generaatori pinge muutub kaks korda ajavahemiku jooksul ja järgmisel tsüklil laadib see kondensaatori uuesti vastupidise polaarsusega, mis ei muuda Tesla mähise töös absoluutselt midagi.

Kui kondensaator on täielikult laetud, süttib sädevahe ja sulgeb seetõttu primaarahela. Teades õhu lagunemise elektrivälja intensiivsust, tuleb sädevahe laius seadistada nii, et see süttiks täpselt siis, kui pinge kondensaatori kohal saavutab oma tippväärtuse. Generaatori roll lõpeb siin.

Nüüd on meil LC -ahelas täielikult koormatud kondensaator. Vool ja pinge võnguvad seega ahelate resonantssagedusel, nagu varem näidatud. See sagedus on võrgusagedusega võrreldes väga kõrge, tavaliselt vahemikus 50 kuni 400 kHz.

Primaar- ja sekundaarahelad on magnetiliselt ühendatud. Primaaris toimuvad võnkumised tekitavad seega sekundaarses elektromotoorjõu. Kui primaarjõu energia viiakse sekundaarsesse, väheneb primaarse võnkumiste amplituud järk -järgult, samas kui sekundaarse võimendused. See energiaülekanne toimub magnetilise induktsiooni kaudu. Sidumiskonstant k kahe ahela vahel hoitakse sihipäraselt madalal, tavaliselt vahemikus 0,05 kuni 0,2.

Primaarvõnkumised toimivad seega natuke nagu vahelduvvooluahela järjestikku paigutatud vahelduvpingegeneraator.

Suurima väljundpinge tekitamiseks reguleeritakse esmane ja sekundaarne häälestatud vooluahel üksteisega resonantsiks. Kuna sekundaarring ei ole tavaliselt reguleeritav, tehakse seda tavaliselt primaarmähise reguleeritava kraani abil. Kui need kaks mähist oleksid eraldi, määraksid primaar- ja sekundaahela resonantssagedused iga vooluahela induktiivsuse ja mahtuvuse järgi

3. etapp: mahtuvuse jaotus sekundaarses ahelas

Sekundaarne mahtuvus Cs on tõesti oluline, et tesla mähis toimiks, sekundaarmähise mahtuvus on vajalik resonaadisageduse arvutamiseks, kui te ei võta arvesse kõiki parameetreid, ei näe te sädet. See mahtuvus koosneb paljudest panustest ja seda on raske arvutada, kuid vaatame selle peamisi komponente.

Ülemine koormus - maapind.

Suurim osa teisese mahtuvusest pärineb ülemisest koormusest. Tõepoolest, meil on kondensaator, mille "plaadid" on ülemine koormus ja maapind. Võib olla üllatav, et see on tõepoolest kondensaator, kuna need plaadid on ühendatud sekundaarmähise kaudu. Selle takistus on aga üsna kõrge, nii et nende vahel on tegelikult üsna suur erinevus. Me nimetame seda panust Ct -ks.

Sekundaarmähise pöörded.

Teine suur panus pärineb sekundaarmähiselt. See on valmistatud paljudest emaileeritud vasktraadi külgnevatest pööretest ja seetõttu on selle induktiivsus jaotatud kogu pikkuses. See tähendab, et kahe külgneva pöörde vahel on väike potentsiaalne erinevus. Seejärel on meil kaks erineva potentsiaaliga juhti, mis on eraldatud dielektrikuga: kondensaator, teisisõnu. Tegelikult on kondensaator iga juhtmepaariga olemas, kuid selle võimsus väheneb kaugusega, seetõttu võib ainult kahe kõrvuti asetseva pöörde vahelist võimsust pidada heaks ligikaudseks.

Nimetagem Cb sekundaarmähise koguvõimsuseks.

Tegelikult ei ole Tesla mähise pealmine koormus kohustuslik, kuna igal sekundaarmähisel on oma võimsus. Kuid tippkoormus on ilusate sädemete saamiseks ülioluline.

Ümbritsevatest objektidest tekib lisavõimsus. Selle kondensaatori moodustavad ühelt poolt ülemine koormus ja teiselt poolt juhtivad esemed (seinad, torustik, mööbel jne).

Nimetame nende välistegurite kondensaatori Ce.

Kuna kõik need "kondensaatorid" on paralleelsed, antakse sekundaarahela koguvõimsus:

Cs = Ct + Cb + Ce

4. samm: kontseptsioon ja ehitus

Meie puhul kasutasime automaatset pingeregulaatorit, et hoida NST pinge sisend 220 V juures

Ja see sisaldab sisseehitatud vahelduvvoolu filtrit (YOKOMA ELECTRIC WORKS., LTD. Jaapanis mudel AVR-2)

Seda seadet võib leida röntgeniaparaatidest või osta otse turult.

Kõrgpingetrafo on aTesla mähise kõige olulisem osa. See on lihtsalt induktsioontrafo. Selle ülesanne on laadida esmast kondensaatorit iga tsükli alguses. Lisaks võimsusele on selle vastupidavus väga oluline, kuna see peab vastu pidama suurepärastele töötingimustele (mõnikord on vaja kaitsefiltrit).

Neoonmärkide trafo (NST), mida kasutame oma tesla mähises, omadused (efektiivväärtused) on järgmised:

Vout = 9000 V, Iout = 30 mA

Väljundvool on tegelikult 25 mA, 30 mA on tipp, mis langeb pärast käivitamist 25 mA -ni.

Nüüd saame arvutada selle võimsuse P = V I, mis on kasulik nii Tesla mähise globaalsete mõõtmete kui ka sädemete pikkuse ligikaudseks määramiseks.

P = 225 W (25 mA korral)

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

Samm: esmane ahel

Kondensaator:

Primaarkondensaatori roll teatud koguse laengu salvestamiseks eelseisva tsükli jaoks, samuti LC -ahela moodustamine koos esmase induktiivpooliga.

Esmane kondensaator on tavaliselt valmistatud mitukümmend korki, mis on ühendatud jada- / paralleelkonfiguratsiooniga, mida nimetatakse mitme mini kondensaatoriks (MMC)

Primaarkondensaatorit kasutatakse koos primaarmähisega esmase LC -ahela loomiseks. Resonaadisuurune kondensaator võib NST -d kahjustada, seetõttu on tungivalt soovitatav kasutada resonaadist suuremat (LTR) suurust kondensaatorit. LTR -kondensaator annab ka Tesla mähise kaudu kõige rohkem energiat. Erinevad primaarsed lüngad (staatiline vs sünkroonpöörlev) vajavad erineva suurusega primaarkondensaatoreid.

Cres = esmane resonaadi mahtuvus (uF) = 1 ∕ (2 * π * NST takistus * NST Fin) = 1/ (2 * π * 360 000 * 50) = 8.8419nF

CLTR = esmane resonantsist suurem (LTR) staatiline mahtuvus (uF) = esmane resonaadi mahtuvus × 1,6

= 14,147 nF

(see võib mõnevõrra erineda, soovitatud koefitsient 1,6–1,8)

Kasutasime 2000V 100nF kondensaatoreid, Nb = Cunit/Cequiv = 100nF/0.0119 uF = 9 kondensaatorit. Nii et täpselt 9 korgi puhul on meil Ceq = 0,0111uF = MMC mahtuvus.

Ohutuse huvides mõelge suure võimsusega 10MOhm takisti paralleelsele ühendamisele iga kondensaatoriga.

Induktiivsus:

Esmase induktiivpooli ülesanne on tekitada sekundaarringi süstitav magnetväli ja moodustada primaarkondensaatoriga LC -ahel. See komponent peab suutma transportida tugevat voolu ilma liigsete kadudeta.

Primaarmähise jaoks on võimalikud erinevad geomeetriad. Meie puhul kohandame lameda kaarjaspiraali esmaseks mähiseks. See geomeetria toob loomulikult kaasa nõrgema haakeseadise ja vähendab esmase kaare tekkimise ohtu: seepärast eelistatakse seda võimsatel rullidel. Selle ehitamise hõlbustamiseks on see siiski üsna tavaline väikese võimsusega mähistes. Haakeseadise suurendamine on võimalik, kui langetada sekundaarmähis primaarsesse.

Olgu W spiraali laius, mis on antud W = Rmax - Rmin ja R selle keskmine raadius, st R = (Rmax + Rmin)/2, mõlemad sentimeetrites. Kui mähisel on N pööret, on empiiriline valem, mis annab selle induktiivsuse L mikrohenrides:

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

Spiraali kuju puhul Kui nimetame R heeliksi raadiuseks, H selle kõrguseks (mõlemad sentimeetrites) ja N pöörete arvuks, on empiiriline valem, mis annab induktiivsuse L mikrohenrides: Lhelic = (0.374 (NR)^2) /(9R+10H).

Need on paljud valemid, mida saate kasutada ja kontrollida, need annavad lähedasi tulemusi, kõige täpsem viis on kasutada ostsilloskoopi ja mõõta sagedusreaktsiooni, kuid valemid on vajalikud ka mähise ehitamiseks. Võite kasutada ka simulatsioonitarkvara nagu JavaTC.

Valem 2 tasase kuju jaoks: L = [0,25*N^2*(D1+N*(W+S))^2]/[15*(D1+N*(W+S))+11*D1]

kus N: keerdude arv, W: traadi läbimõõt tollides, S: traadi vahe tollides, D1: siseläbimõõt tollides

Minu Tesla mähise sisendandmed:

Sisemine raadius: 4,5 tolli, 11,2 pööret, 0,25 tolli vahekaugus, traadi läbimõõt = 6 mm, välimine raadius = 7,898 tolli.

L, kasutades valemit 2 = 0,03098mH, JavaTC -st = 0,03089mH

Seetõttu on esmane sagedus: f1 = 271,6 KHz (L = 0,03089 mH, C = 0,0111MFD)

Labori kogemus (esmase sageduse häälestamine)

ja saime resonantsi sagedusel 269-271KHz, mis kontrollivad arvutust, vt joonised.

6. samm: sädemete vahe

Sädemepilu ülesanne on sulgeda primaarne LC -ahel, kui kondensaator on piisavalt laetud, võimaldades seega ahela sees vabasid võnkumisi. See on Tesla mähises esmatähtis komponent, kuna selle sulgemis-/avamissagedus mõjutab oluliselt väljundit.

Ideaalne sädevahe peab tulema just siis, kui pinge kondensaatoril on maksimaalne, ja uuesti avanema just siis, kui see langeb nulli. Kuid see ei kehti muidugi tõelise sädemepilu korral, mõnikord ei sütti see siis, kui peaks või jätkab, kui pinge on juba vähenenud;

Meie projekti jaoks kasutasime kahe sfäärilise elektroodiga (ehitatud kahe sahtlikäepideme abil) staatilist sädemevahet, mille me käsitsi kujundasime. Ja seda saab käsitsi reguleerida ka kerakujulisi päid pöörates.

Samm 7: Sekundaarne ahel

Spiraal:

Sekundaarmähise ülesanne on tuua induktiivne komponent sekundaarsesse LC -ahelasse ja koguda primaarmähise energia. See induktiivpool on õhk-südamikuga solenoid, millel on tavaliselt 800 kuni 1500 tihedalt keritud külgnevat pööret. Haavatud pöörete arvu arvutamiseks väldib see kiire valem teatud nõudlikku tööd:

Traadi gabariit 24 = 0,05 cm, PVC läbimõõt 4 tolli, pöörete arv = 1100 torni, vajalik kõrgus = 1100 x 0,05 = 55 cm = 21,6535 tolli. => L = 20,853 mH

kus H on mähise kõrgus ja d kasutatud traadi läbimõõt. Teine oluline parameeter on pikkus l, mida vajame kogu mähise valmistamiseks.

L = µ*N^2*A/H. Kus µ tähistab keskkonna magnetilist läbilaskvust (≈ 1,257 · 10−6 N/A^2 õhu korral), N solenoidi pöörete arv, H selle kogukõrgus ja A pöördepind.

Ülemine koormus:

Ülemine koormus toimib nagu ülemine koormus ja maapind moodustatud kondensaatori ülemine "plaat". See lisab sekundaarse LC -ahela võimsust ja pakub pinda, millest kaared võivad tekkida. Tegelikult on võimalik Tesla mähist ilma tippkoormuseta käitada, kuid kaarepikkuse näitajad on sageli kehvad, kuna suurem osa energiast hajub sädemete söötmise asemel sekundaarpooli pöörete vahele.

Toroidi mahtuvus 1 = (((1+ (0,27781 - rõnga läbimõõt ∕ (üldläbimõõt))) × 2,8 × ruutmeetrit ((pi × (üldläbimõõt × rõnga läbimõõt)) ∕ 4))

Toroidi mahtuvus 2 = (1,28 - rõnga läbimõõt ∕ üldläbimõõt) × sqrt (2 × pi × rõnga läbimõõt × (üldläbimõõt - rõnga läbimõõt))

Toroidi mahtuvus 3 = 4,43927641749 × ((0,5 × (rõnga läbimõõt × (üldläbimõõt - rõnga läbimõõt))) ^0,5)

Keskmine toroidi mahtuvus = (toroidi mahtuvus 1 + toroidi mahtuvus 2 + toroidi mahtuvus 3) ∕ 3

Nii et meie toroidi puhul: siseläbimõõt 4”, välisläbimõõt = 13”, vahekaugus sekundaarmähise otsast = 5 cm.

C = 13,046 pf

Sekundaarse mähise mahtuvus:

Sekundaarne mahtuvus (pf) = (0,29 × sekundaartraadi mähise kõrgus + (0,41 × (teisese vormi läbimõõt ∕ 2)) + (1,94 × ruutmeetrit (((sekundaarse vormi läbimõõt ∕ 2) 3) ∕ teisese traadi mähise kõrgus))

Csec = 8,2787 pF;

Samuti on huvitav teada mähise (parasiit) mahtuvust. Siin on ka valem üldjuhul keeruline. Kasutame JAVATC ("efektiivne šundimahtuvus" ilma ülemise koormuseta) väärtust:

Cres = 6,8 pF

Seetõttu teisese vooluahela jaoks:

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

Lsec = 20,853 mH

Laboratoorsete katsete tulemused:

Vaadake ülaltoodud pilte testimise ja testimise tulemuste kohta.

8. samm: resonantsi häälestamine

Primaarse ja sekundaarse vooluahela resonantsile seadmine, et neil oleks sama resonantssagedus, on hea töö jaoks esmatähtis.

RLC vooluahela reaktsioon on tugevaim, kui seda juhitakse selle resonantssagedusel. Heas RLC vooluringis langeb reageerimise intensiivsus järsult, kui sõidusagedus resonantsväärtusest kõrvale kaldub.

Meie resonantssagedus = 267,47 kHz.

Häälestusmeetodid:

Häälestamine toimub tavaliselt esmase induktiivsuse reguleerimisega lihtsalt sellepärast, et seda on kõige lihtsam muuta. Kuna sellel induktiivpoolil on laiad pöörded, on selle iseinduktiivsust lihtne muuta, puudutades spiraali teatud kohas lõppühendust.

Lihtsaim viis selle kohandamise saavutamiseks on katse-eksituse meetod. Selleks hakatakse primaarset puudutama kohas, mis on väidetavalt resonantsi lähedal, süttib mähis ja hinnatakse kaare pikkust. Seejärel koputatakse spiraalile veerand pööret edasi/tagasi ja üks hindab tulemust uuesti. Mõne katse järel saab jätkata väiksemate sammudega ja lõpuks saadakse koputuspunkt, kus kaare pikkus on suurim. Tavaliselt see koputamine

punkt seab tõepoolest esmase induktiivsuse, näiteks mõlemad ahelad on resonantsis.

Täpsem meetod hõlmaks mõlema vooluahela individuaalse reaktsiooni analüüsi (muidugi ühendatud konfiguratsioonis, st ilma ahelaid füüsiliselt eraldamata) signaaligeneraatori ja ostsilloskoobiga.

Kaared ise võivad toota lisamahtuvust. Seetõttu on soovitatav kompenseerida esmane resonantssagedus sekundaarsest veidi madalam. Kuid see on märgatav ainult võimsate Tesla mähistega (mis võivad toota kaareid, mis on pikemad kui 1 m).

9. samm: pinge sekundaarses sädemes

Pascheni seadus on võrrand, mis annab purunemispinge, st pinge, mis on vajalik tühjenemise või elektrikaare käivitamiseks kahe gaasi elektroodi vahel rõhu ja lõhe pikkuse funktsioonina.

Ilma keerulise valemi abil üksikasjalikku arvutamisse laskumata vajab see normaaltingimustes 1 elektrooni ioniseerimiseks kahe elektroodi vahel 3,3MV. Meie puhul on kaared umbes 10–13 cm, seega jääb see vahemikku 340–440 kV.

Samm: Faraday puuri kleit

Faraday puur või Faraday kilp on korpus, mida kasutatakse elektromagnetväljade blokeerimiseks. Faraday kilbi võib moodustada juhtivat materjali kattev kattekiht või Faraday puuri puhul selliste materjalide võrk.

Kujundasime neli kihti, maandatud, kantavat faraday puuri, nagu pildil näidatud (kasutatud materjalid: alumiinium, puuvill, nahk). Saate seda testida ka siis, kui panete oma mobiiltelefoni sisse, see kaotab signaali või paneb selle oma tesla mähise ette ja paneb mõned neoonlambid puuri sisse, need ei sütti, siis võite selle panna ja proovida.

Samm 11: Lisad ja viited

12. samm: primaarmähise ehitamine

13. samm: NST testimine

14. samm: primaarmähise ehitamine