Bobina Spark Gap Tesla: 14 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:12

Aquest és un tutorial sobre com construir una bobina Spark Gap Tesla amb un vestit de gàbia Faraday.

Aquest projecte ens va portar 16 dies laborables a mi i al meu equip (3 estudiants), costa uns 500 USD, us asseguro que no funcionarà des del primer moment:), la part més important és que heu d’entendre tota la teoria que hi ha darrere. i saber com fer front als components que trieu.

En aquest instructiu, us conduiré a través de tota la teoria que hi ha darrere, els conceptes, les fórmules, una construcció pas a pas de totes les parts. Si voleu construir bobines més petites o més grans, el concepte i les fórmules seran les mateixes.

Els requisits per a aquest projecte:

- Coneixements en: equips elèctrics, electrònics, electromagnètics i de laboratori

- Oscil·loscopi

- Transformador de senyal de neó; 220V a 9kV

- Condensadors d'alta tensió

- Cables de coure o canonades de coure

- Fusta per construir el xassís

- Tub de PVC per a la bobina secundària

- Tub metàl·lic flexible per al toroide

- Un petit ventilador elèctric de 220 V per a la bretxa

- Paper d'alumini i malla per al vestit de gàbia Faraday

- Cables aïllats per al secundari

- Llums de neó

- Regulador de tensió si no teniu una corrent de 220VAC estable

- Connexió a terra

- Molta paciència

Pas 1: Introducció a la bobina Tesla Spark Gap

Una bobina de Tesla és un transformador de ressonància que conté un circuit LC primari i secundari. Dissenyats per l’inventor Nikola Tesla el 1891, els dos circuits LC s’acoblen lliurement. L’alimentació es subministra al circuit primari mitjançant un transformador intensiu, que carrega un condensador. Finalment, el voltatge a través del condensador augmentarà prou per reduir la distància entre espurnes. El condensador es descarregarà a través de la bretxa d’intensitat i cap a la bobina primària. L'energia oscil·larà entre el condensador primari i l'inductor primari de la bobina a altes freqüències (normalment 50 kHz - 2 MHz). La bobina primària està acoblada a un inductor del circuit secundari, anomenat bobina secundària. Unida a la part superior de la bobina secundària hi ha una càrrega superior que proporciona capacitat per al circuit LC secundari. A mesura que el circuit primari oscil·la, la potència s’indueix a la bobina secundària on la tensió es multiplica moltes vegades. Un camp d’alta tensió i baix corrent es desenvolupa al voltant de la càrrega superior i els arcs de descàrrega del llamp en una dolça visualització d’impressionant. Els circuits LC primaris i secundaris han d’oscil·lar a la mateixa freqüència per aconseguir la màxima transferència de potència. Els circuits de la bobina se solen "sintonitzar" a la mateixa freqüència ajustant la inductància de la bobina primària. Les bobines Tesla poden produir tensions de sortida de 50 quilovolts a diversos milions de volts per a bobines grans.

Pas 2: teoria

Aquesta secció tractarà la teoria completa del funcionament d’una bobina convencional de Tesla. Considerarem que els circuits primaris i secundaris són circuits RLC de baixa resistència, que concorden amb la realitat.

Per les raons esmentades, no es representa la resistència interna del component. També substituirem el transformador de corrent limitat. Això no té cap impacte quant a la teoria pura.

Tingueu en compte que algunes parts del circuit secundari es dibuixen en línies de punts. Això es deu al fet que no són visibles directament a l’aparell. Pel que fa al condensador secundari, veurem que la seva capacitat es distribueix realment, sent la càrrega superior només "una placa" d'aquest condensador. Respecte a la bretxa secundària, es mostra a l’esquema com una forma de representar on tindran lloc els arcs.

Aquest primer pas del cicle és la càrrega del condensador primari pel generador. Suposarem que la seva freqüència serà de 50 Hz. Com que el generador (NST) és limitat de corrent, s’ha de triar acuradament la capacitat del condensador perquè es carregui completament exactament en 1/100 segons. De fet, el voltatge del generador canvia dues vegades al període i, al següent cicle, tornarà a carregar el condensador amb polaritat contrària, cosa que no canvia absolutament res del funcionament de la bobina de Tesla.

Quan el condensador està completament carregat, la bretxa dispara i, per tant, tanca el circuit primari. Sabent la intensitat del camp elèctric de ruptura de l’aire, s’ha d’establir l’amplada de la bretxa de manera que dispara exactament quan la tensió del condensador assoleix el seu valor màxim. El paper del generador acaba aquí.

Ara tenim un condensador completament carregat en un circuit LC. El corrent i el voltatge oscil·laran a la freqüència de ressonància dels circuits, com es va demostrar abans. Aquesta freqüència és molt alta en comparació amb la freqüència de xarxa, generalment entre 50 i 400 kHz.

Els circuits primaris i secundaris estan acoblats magnèticament. Les oscil·lacions que es produeixen a la primària induiran així una força electromotriu a la secundària. A mesura que l'energia del primari es bolca al secundari, l'amplitud de les oscil·lacions del primari disminuirà gradualment mentre que les del secundari s'amplificaran. Aquesta transferència d’energia es fa mitjançant la inducció magnètica. La constant d'acoblament k entre els dos circuits es manté intencionadament baixa, generalment entre 0,05 i 0,2.

Les oscil·lacions a la primària actuaran així com un generador de voltatge de CA col·locat en sèrie al circuit secundari.

Per produir la tensió de sortida més gran, els circuits sintonitzats primaris i secundaris s’ajusten a la ressonància entre ells. Com que el circuit secundari no sol ser ajustable, generalment es fa mitjançant un toc ajustable a la bobina primària. Si les dues bobines estiguessin separades, les freqüències de ressonància dels circuits primaris i secundaris estarien determinades per la inductància i la capacitat de cada circuit

Pas 3: Distribució de la capacitat dins del circuit secundari

La capacitat secundària Cs és realment important per fer funcionar la bobina de tesla, la capacitat de la bobina secundària és necessària per als càlculs de la freqüència de ressonància, si no teniu en compte tots els paràmetres no veureu cap espurna. Aquesta capacitat consisteix en moltes contribucions i és difícil de calcular, però veurem els seus components principals.

Càrrega superior: terra.

La fracció més alta de la capacitat secundària prové de la càrrega superior. De fet, tenim un condensador les "plaques" de la qual són la càrrega superior i la terra. Podria ser sorprenent que aquest fos un condensador, ja que aquestes plaques estan connectades a través de la bobina secundària. Tanmateix, la seva impedància és força elevada, de manera que hi ha una gran diferència de potencial entre ells. Anomenarem Ct aquesta contribució.

Girs de la bobina secundària.

L’altra gran contribució prové de la bobina secundària. Està format per moltes voltes adjacents de filferro de coure esmaltat i, per tant, la seva inductància es distribueix al llarg de la seva longitud. Això implica que hi ha una lleugera diferència de potencial entre dos girs adjacents. Aleshores tenim dos conductors de diferent potencial, separats per un dielèctric: en altres paraules, un condensador. En realitat, hi ha un condensador amb cada parell de cables, però la seva capacitat disminueix amb la distància, per tant es pot considerar que la capacitat només entre dos girs adjacents és una bona aproximació.

Anomenem Cb a la capacitat total de la bobina secundària.

En realitat, no és obligatori tenir una càrrega superior en una bobina Tesla, ja que cada bobina secundària tindrà la seva pròpia capacitat. No obstant això, que una càrrega superior sigui crucial per tenir espurnes belles.

Hi haurà capacitat addicional dels objectes circumdants. Aquest condensador està format per la càrrega superior d'un costat i la conducció d'objectes (parets, canonades de fontaneria, mobles, etc.) a l'altre costat.

Anomenarem el condensador d’aquests factors externs Ce.

Com que tots aquests "condensadors" estan en paral·lel, la capacitat total del circuit secundari ve donada per:

Cs = Ct + Cb + Ce

Pas 4: concepció i construcció

En el nostre cas, hem utilitzat un regulador de tensió automàtic per mantenir la tensió d’entrada del NST a 220V

I conté un filtre de línia de CA incorporat (YOKOMA ELECTRIC WORKS., LTD. Al model japonès AVR-2)

Aquest instrument es pot trobar a màquines de raigs X o comprar-lo directament al mercat.

El transformador d’alta tensió és la part més important de la bobina aTesla. Simplement és un transformador d’inducció. El seu paper és carregar el condensador primari al començament de cada cicle. A part de la seva potència, la seva robustesa és molt important, ja que ha de suportar unes condicions d’explotació fantàstiques (de vegades és necessari un filtre de protecció).

El transformador de senyals de neó (NST) que estem utilitzant per a la nostra bobina de tesla, les característiques (valors rms) són les següents:

Vout = 9000 V, Iout = 30 mA

El corrent de sortida és, de fet, 25mA, 30mA és el pic que baixa a 25 mA després de començar.

Ara podem calcular la seva potència P = V I, que serà útil per establir les dimensions globals de la bobina de Tesla, així com una idea aproximada de la longitud de les seves espurnes.

P = 225 W (per 25 mA)

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

Pas 5: Circuit primari

Condensador:

El paper del condensador primari és emmagatzemar una certa quantitat de càrrega per al cicle que ve, així com formar un circuit LC juntament amb l'inductor primari.

El condensador principal sol estar format per diverses dotzenes de taps cablejats en una configuració en sèrie / paral·lela anomenada condensador multi-mini (MMC)

El condensador principal s’utilitza amb la bobina primària per crear el circuit LC primari. Un condensador de mida de ressonància pot danyar un NST, per tant, es recomana un condensador de mida més gran que la de ressonància (LTR). Un condensador LTR també proporcionarà la màxima potència a través de la bobina Tesla. Els diferents buits primaris (estàtics vs. rotatius de sincronització) requeriran condensadors primaris de diferents mides.

Cres = Capacitat de ressonància primària (uF) = 1 ∕ (2 * π * NST Impedància * NST Fin) = 1 / (2 * π * 360 000 * 50) = 8.8419nF

CLTR = Capacitat estàtica (LF) primària de major ressonància (LTR) = Capacitat de ressonació primària × 1,6

= 14.147nF

(això pot diferir lleugerament d'una aproximació a una altra, recomanada del coeficient 1.6-1.8)

Vam utilitzar condensadors de 2000 V 100nF, Nb = Cunit / Cequiv = 100nF / 0,0119 uF = 9 condensadors. Per tant, per a 9 majúscules exactes tenim la capacitat Ceq = 0,0111uF = MMC.

Penseu en connectar resistències de 10MOhms d’alta potència en paral·lel a cada condensador per seguretat.

Inductància:

El paper de l’inductor primari és generar un camp magnètic que s’injectarà al circuit secundari, a més de formar un circuit LC amb el condensador primari. Aquest component ha de poder transportar intensos corrents sense pèrdues excessives.

Són possibles diferents geometries per a la bobina primària. En el nostre cas, adaptarem l’espiral plana arquimada com a bobina primària. Aquesta geometria condueix naturalment a un acoblament més feble i redueix el risc d’arcs a la primària: per tant, es prefereix en bobines potents. No obstant això, és bastant comú en bobines de menor potència per la seva facilitat de construcció. Augmentar l'acoblament és possible baixant la bobina secundària a la primària.

Sigui W l’amplada de l’espiral donada per W = Rmax - Rmin i R el seu radi mitjà, és a dir, R = (Rmax + Rmin) / 2, ambdós expressats en centímetres. Si la bobina té N voltes, una fórmula empírica que produeix la seva inductància L en microhenrys és:

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

Per a la forma helicoïdal Si anomenem R el radi de l’hèlix, H la seva alçada (tots dos en centímetres) i N el seu nombre de voltes, una fórmula empírica que produeix la seva inductància L en microhenrys és: Lhelic = (0,374 (NR) ^ 2) / (9R + 10H).

Aquestes són moltes fórmules que podeu utilitzar i comprovar, donaran resultats propers, la forma més precisa és utilitzar l’oscil·loscopi i mesurar la resposta en freqüència, però les fórmules també són necessàries per construir la bobina. També podeu utilitzar programes de simulació com JavaTC.

Fórmula 2 per a la forma plana: L = [0,25 * N ^ 2 * (D1 + N * (W + S)) ^ 2] / [15 * (D1 + N * (W + S)) + 11 * D1]

on N: nombre de voltes, W: diàmetre del fil en polzades, S: espaiat del fil en polzades, D1: diàmetre interior en polzades

Dades d'entrada de la meva bobina Tesla:

Radi interior: 4,5 polzades, 11,2 voltes, espaiat de 0,25 polzades, diàmetre del fil = 6 mm, radi exterior = 7,898 polzades.

L utilitzant la Fórmula 2 = 0,03098mH, de JavaTC = 0,03089mH

Per tant, freqüència primària: f1 = 271,6 KHz (L = 0,03089 mH, C = 0,0111MFD)

Experiència de laboratori (afinació de freqüència primària)

i hem obtingut ressonància a 269-271KHz, que verifica el càlcul, vegeu Figures.

Pas 6: Spark Gap

La funció de la bretxa és tancar el circuit LC primari quan el condensador està prou carregat, permetent així oscil·lacions lliures dins del circuit. Aquest és un component de primera importància en una bobina Tesla perquè la seva freqüència de tancament / obertura tindrà una influència considerable sobre la sortida final.

Una bretxa ideal ha de disparar-se just quan el voltatge del condensador és màxim i es torna a obrir just quan cau a zero. Però, per descomptat, no és el cas d’una veritable bretxa, de vegades no dispara quan hauria de ser o continua disparant-se quan la tensió ja ha disminuït;

Per al nostre projecte, hem utilitzat una bretxa estàtica amb dos elèctrodes esfèrics (construïts amb dues nanses de calaix) que hem dissenyat manualment. I també es podria ajustar manualment girant els caps esfèrics.

Pas 7: Circuit secundari

Bobina:

La funció de la bobina secundària és portar un component inductiu al circuit LC secundari i recollir l’energia de la bobina primària. Aquest inductor és un solenoide amb nucli d’aire, que generalment té entre 800 i 1500 girs adjacents enrotllats estretament. Per calcular el nombre de voltes que s'han fet, aquesta fórmula ràpida evitarà un determinat treball exigent:

Indicador de filferro 24 = 0,05 cm, diàmetre de PVC 4 polzades, nombre de voltes = 1100 agulles, alçada necessària = 1100 x 0,05 = 55 cm = 21,6535 polzades. => L = 20.853 mH

on H és l’altura de la bobina i el diàmetre del fil utilitzat. Un altre paràmetre important és la longitud l que necessitem per fer tota la bobina.

L = µ * N ^ 2 * A / H. On µ representa la permeabilitat magnètica del medi (≈ 1.257 · 10−6 N / A ^ 2 per a l’aire), N el nombre de voltes del solenoide, H la seva alçada total i A l’àrea d’un gir.

Càrrega superior:

La càrrega superior actua com la "placa" superior del condensador format per la càrrega superior i el terra. Afegeix capacitat al circuit LC secundari i ofereix una superfície a partir de la qual es poden formar arcs. En realitat, és possible fer funcionar una bobina Tesla sense una càrrega superior, però el rendiment en termes de longitud d’arc sovint és pobre, ja que la major part de l’energia es dissipa entre els girs secundaris de la bobina en lloc d’alimentar les espurnes.

Capacitat toroide 1 = ((1+ (0,2781 - Diàmetre de l'anell ∕ (diàmetre total))) × 2,8 × sqrt ((pi × (diàmetre total × diàmetre de l'anell)) ∕ 4))

Capacitat de la toroide 2 = (1,28 - Diàmetre de l'anell Diam Diàmetre total) × sqrt (2 × pi × Diàmetre de l'anell × (Diàmetre total - Diàmetre de l'anell))

Capacitat de toroides 3 = 4.43927641749 × ((0,5 × (diàmetre de l’anell × (diàmetre total - diàmetre de l’anell))) ^ 0,5)

Capacitat toroide mitjana = (Capacitat toroide 1 + Capacitat toroide 2 + Capacitat toroide 3) ∕ 3

Així doncs, per al nostre toroide: diàmetre interior de 4”, diàmetre exterior = 13”, espaiat del final del bobinatge secundari = 5cm.

C = 13,046 pf

Capacitat de bobina secundària:

Capacitat secundària (pf) = (0,29 × Altura de bobinatge de fil secundari + (0,41 × (Diàmetre de forma secundària ∕ 2)) + (1,94 × sqrt (((Diàmetre de forma secundària ∕ 2) 3) ∕ Altura de bobinatge de fil secundari))

Csec = 8,2787 pF;

També és interessant conèixer la capacitat (paràsita) de la bobina. Aquí també la fórmula és complicada en el cas general. Utilitzarem el valor obtingut per JAVATC ("Capacitat de derivació efectiva" sense càrrega superior):

Cres = 6,8 pF

Per tant, per al circuit secundari:

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

Lsec = 20.853mH

Resultats dels experiments de laboratori:

Vegeu les imatges de més amunt per conèixer el procediment de proves i resultats de les proves.

Pas 8: afinació de ressonància

Establir els circuits primaris i secundaris a ressonància, fer que comparteixin la mateixa freqüència de ressonància és de primera importància per a un bon funcionament.

La resposta d'un circuit RLC és la més forta quan es condueix a la seva freqüència de ressonància. En un bon circuit RLC, la intensitat de resposta cau bruscament quan la freqüència de conducció baixa del valor ressonant.

La nostra freqüència de ressonància = 267,47 kHz.

Mètodes d'ajust:

Generalment, l’ajustament es realitza ajustant la inductància primària, simplement perquè és el component més fàcil de modificar. Com que aquest inductor té girs amplis, és fàcil modificar la seva autoinductància tocant el connector final en un lloc determinat de l’espiral.

El mètode més senzill per aconseguir aquest ajust és fer proves i errors. Per a això, es comença a tocar el primari en un punt suposadament proper al ressonant, s’encén la bobina i s’avalua la longitud de l’arc. A continuació, es toca l’espiral un quart de gir endavant / enrere i es torna a avaluar el resultat. Després d’uns quants intents, es pot continuar amb passos més petits i finalment s’obtindrà el punt d’expressió on la longitud de l’arc és la més alta. Normalment, aquest toc

el punt establirà la inductància primària, ja que tots dos circuits estan en ressonància.

Un mètode més precís implicaria una anàlisi de la resposta individual dels dos circuits (en la configuració acoblada, és clar, és a dir, sense separar físicament els circuits) amb un generador de senyal i un oscil·loscopi.

Els propis arcs poden produir una mica de capacitat addicional. Per tant, es recomana establir la freqüència de ressonància primària lleugerament inferior a la secundària, per tal de compensar-la. Tot i això, això només es nota amb potents bobines Tesla (que poden produir arcs de més d’1 m).

Pas 9: Voltatge a Secundària-Spark

La llei de Paschen és una equació que dóna la tensió de ruptura, és a dir, la tensió necessària per iniciar una descàrrega o arc elèctric, entre dos elèctrodes en un gas en funció de la pressió i la longitud de la bretxa.

Sense fer càlculs detallats mitjançant la fórmula complexa, per a condicions normals es requereixen 3,3MV per ionitzar 1m d’aire entre dos elèctrodes. En el nostre cas, tenim arcs d’uns 10-13 cm, de manera que oscil·larà entre els 340KV i els 440KV.

Pas 10: vestit de gàbia Faraday

Una gàbia de Faraday o escut de Faraday és un recinte utilitzat per bloquejar els camps electromagnètics. Un escut Faraday pot estar format per una coberta contínua de material conductor o, en el cas d’una gàbia Faraday, per una malla d’aquests materials.

Hem dissenyat una gàbia de faraday que es pot posar a terra, de quatre capes, tal com es mostra a la imatge (materials usats: alumini, cotó, cuir). També podeu provar-lo posant el telèfon mòbil a dins, perdrà senyal o col·locant-lo davant de la bobina de tesla i col·locar algunes làmpades de neó dins de la gàbia, no s’il·luminaran, i després podreu posar-lo i provar-lo.

Pas 11: apèndixs i referències

Pas 12: construcció de la bobina primària

Pas 13: provar l'NST

Pas 14: construcció de la bobina primària