Spark Gap Tesla Coil - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:15

Dit is een tutorial over het bouwen van een Spark Gap Tesla Coil met een kooijurk van Faraday.

Dit project kostte mij en mijn team (3 studenten) 16 werkdagen, het kost ongeveer 500 USD, ik zal je verzekeren dat het niet vanaf de eerste keer zal werken:), het belangrijkste is dat je alle theorie erachter moet begrijpen en weet hoe u moet omgaan met de componenten die u kiest.

In deze instructable neem ik je mee door alle theorie erachter, de concepten, de formules, een stapsgewijze opbouw voor alle onderdelen. Als u kleinere of grotere coils wilt bouwen, zijn het concept en de formules hetzelfde.

De eisen voor dit project:

- Kennis in: Elektrische, elektronica, elektromagnetische en laboratoriumapparatuur

- Oscilloscoop

- Neon Sign-transformator; 220V tot 9kV

- Hoogspanningscondensatoren

- Koperen kabels of koperen leidingen

- Hout om je chassis te bouwen

- PVC-buis voor de secundaire spoel

- Flexibele metalen pijp voor de ringkern

- Een kleine elektrische ventilator van 220V voor de vonkbrug

- Aluminiumpapier en mesh voor de kooijurk van Faraday

- Geïsoleerde draden voor de secundaire

- Neonlampen

- Spanningsregelaar als u geen stabiele 220VAC. heeft

- Aansluiting op aarde

- Veel geduld

Stap 1: Inleiding tot de Spark Gap Tesla Coil

Een Tesla-spoel is een resonantietransformator die een primaire en secundaire LC-kring bevat. Ontworpen door uitvinder Nikola Tesla in 1891, zijn de twee LC-circuits losjes aan elkaar gekoppeld. Het primaire circuit wordt van stroom voorzien via een step-up transformator, die een condensator oplaadt. Uiteindelijk zal de spanning over de condensator voldoende toenemen om een vonkbrug te korten. De condensator zal ontladen door de vonkbrug en in de primaire spoel. De energie zal heen en weer oscilleren tussen de primaire condensator en de inductor van de primaire spoel bij hoge frequenties (meestal 50 kHz-2 MHz). De primaire spoel is gekoppeld aan een inductor in het secundaire circuit, de secundaire spoel genoemd. Aan de bovenkant van de secundaire spoel is een bovenbelasting bevestigd die capaciteit levert voor het secundaire LC-circuit. Terwijl het primaire circuit oscilleert, wordt vermogen geïnduceerd in de secundaire spoel waar de spanning vele malen wordt vermenigvuldigd. Een hoogspannings-, laagstroomveld ontwikkelt zich rond de topbelasting en bogen van bliksemontlading in een zoete weergave van ontzag. De primaire en secundaire LC-circuits moeten met dezelfde frequentie oscilleren om een maximale vermogensoverdracht te bereiken. De circuits in de spoel worden meestal "afgestemd" op dezelfde frequentie door de inductantie van de primaire spoel aan te passen. Tesla-spoelen kunnen uitgangsspanningen produceren van 50 kilovolt tot enkele miljoenen volt voor grote spoelen.

Stap 2: Theorie

Dit gedeelte behandelt de volledige theorie van de werking van een conventionele Tesla-spoel. We zullen overwegen dat de primaire en secundaire circuits RLC-circuits zijn met een lage weerstand, wat overeenkomt met de realiteit.

Om de bovengenoemde redenen wordt de interne weerstand van het onderdeel niet weergegeven. Ook gaan we de stroombegrensde transformator vervangen. Dit heeft geen invloed op pure theorie.

Merk op dat sommige delen van het secundaire circuit met stippellijnen zijn getekend. Deze zijn namelijk niet direct zichtbaar op het apparaat. Wat de secundaire condensator betreft, zullen we zien dat de capaciteit daadwerkelijk wordt verdeeld, waarbij de bovenbelasting slechts "één plaat" van deze condensator is. Wat betreft de secundaire vonkbrug, deze wordt in het schema weergegeven als een manier om aan te geven waar de bogen zullen plaatsvinden.

Deze eerste stap van de cyclus is het opladen van de primaire condensator door de generator. We nemen aan dat de frequentie 50 Hz is. Omdat de generator (NST) stroombegrensd is, moet de capaciteit van de condensator zorgvuldig worden gekozen, zodat deze in precies 1/100 seconden volledig is opgeladen. Inderdaad, de spanning van de generator verandert twee keer per periode, en bij de volgende cyclus zal deze de condensator opnieuw opladen met tegengestelde polariteit, wat absoluut niets verandert aan de werking van de Tesla-spoel.

Wanneer de condensator volledig is opgeladen, ontsteekt de vonkbrug en sluit daarom het primaire circuit. Als we de intensiteit van het doorslagelektrisch veld van lucht kennen, moet de breedte van de vonkbrug zo worden ingesteld dat deze precies ontsteekt wanneer de spanning over de condensator zijn piekwaarde bereikt. De rol van de generator eindigt hier.

We hebben nu een volledig geladen condensator in een LC-circuit. Stroom en spanning zullen dus oscilleren op de resonantiefrequentie van de circuits, zoals eerder werd aangetoond. Deze frequentie is zeer hoog in vergelijking met de netfrequentie, meestal tussen 50 en 400 kHz.

De primaire en secundaire circuits zijn magnetisch gekoppeld. De oscillaties die plaatsvinden in de primaire zullen dus een elektromotorische kracht in de secundaire induceren. Naarmate de energie van de primaire in de secundaire wordt gedumpt, zal de amplitude van de oscillaties in de primaire geleidelijk afnemen, terwijl die van de secundaire zullen toenemen. Deze energieoverdracht vindt plaats door magnetische inductie. De koppelingsconstante k tussen de twee circuits wordt bewust laag gehouden, meestal tussen 0,05 en 0,2.

De oscillaties in de primaire zullen dus een beetje werken als een wisselspanningsgenerator die in serie is geplaatst op het secundaire circuit.

Om de grootste uitgangsspanning te produceren, worden de primaire en secundaire afgestemde kringen op resonantie met elkaar afgesteld. Aangezien het secundaire circuit meestal niet instelbaar is, gebeurt dit meestal door een instelbare aftakking op de primaire spoel. Als de twee spoelen gescheiden waren, zouden de resonantiefrequenties van de primaire en secundaire circuits worden bepaald door de inductantie en capaciteit in elk circuit

Stap 3: Distributie van capaciteit binnen het secundaire circuit

De secundaire capaciteit Cs is erg belangrijk om de teslaspoel te laten werken, de capaciteit van de secundaire spoel is nodig voor de berekeningen van de resonantiefrequentie, als je niet met alle parameters rekening houdt zie je geen vonk. Deze capaciteit bestaat uit vele bijdragen en is moeilijk te berekenen, maar we zullen naar de belangrijkste componenten kijken.

Bovenbelasting - Grond.

De hoogste fractie van de secundaire capaciteit komt van de topbelasting. We hebben inderdaad een condensator waarvan de "platen" de bovenbelasting en de grond zijn. Het is misschien verrassend dat dit inderdaad een condensator is, aangezien deze platen via de secundaire spoel zijn verbonden. De impedantie is echter vrij hoog, dus er is eigenlijk een behoorlijk potentieel verschil tussen hen. Deze bijdrage zullen we Ct noemen.

Windingen van de secundaire spoel.

De andere grote bijdrage komt van de secundaire spoel. Het is gemaakt van vele aangrenzende windingen van geëmailleerd koperdraad en de inductantie is daarom over de lengte verdeeld. Dit houdt in dat er een klein potentiaalverschil is tussen twee aangrenzende windingen. We hebben dan twee geleiders met verschillende potentiaal, gescheiden door een diëlektricum: een condensator, met andere woorden. Eigenlijk is er een condensator bij elk paar draden, maar de capaciteit neemt af met de afstand, daarom kan men de capaciteit alleen tussen twee aangrenzende windingen als een goede benadering beschouwen.

Laten we Cb de totale capaciteit van de secundaire spoel noemen.

Het is eigenlijk niet verplicht om een topbelasting op een Tesla-spoel te hebben, omdat elke secundaire spoel zijn eigen capaciteit heeft. Dat een bovenbelasting echter cruciaal is voor het hebben van mooie vonken.

Er komt extra capaciteit van de omliggende objecten. Deze condensator wordt gevormd door de bovenbelasting aan de ene kant en geleidende objecten (muren, leidingen, meubels, etc.) aan de andere kant.

We noemen de condensator van deze externe factoren Ce.

Omdat al deze "condensatoren" parallel staan, wordt de totale capaciteit van het secundaire circuit gegeven door:

Cs = Ct + Cb + Ce

Stap 4: conceptie en constructie

In ons geval hebben we een automatische spanningsregelaar gebruikt om de spanningsingang voor de NST op 220V. te houden

En het bevat een ingebouwd AC-lijnfilter (YOKOMA ELECTRIC WORKS., LTD. In japan-model AVR-2)

Dit instrument kan worden gevonden in röntgenapparaten of rechtstreeks op de markt worden gekocht.

De hoogspanningstransformator is het belangrijkste onderdeel van een Tesla-spoel. Het is gewoon een inductietransformator. Zijn rol is om de primaire condensator aan het begin van elke cyclus op te laden. Afgezien van zijn kracht, is zijn robuustheid erg belangrijk omdat hij bestand moet zijn tegen geweldige bedrijfsomstandigheden (soms is een beschermingsfilter nodig).

De neonreclametransformator (NST) die we gebruiken voor onze teslaspoel, kenmerken (rms-waarden) zijn de volgende:

Uit = 9000 V, Uit = 30 mA

De uitgangsstroom is in feite 25 mA, 30 mA is de piek die na het starten zakt naar 25 mA.

We kunnen nu het vermogen P = V I berekenen, wat handig zal zijn om de globale afmetingen van de Tesla-spoel in te stellen, evenals een ruw idee van de lengte van de vonken.

P = 225 W (voor 25 mA)

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

Stap 5: Primair circuit

Condensator:

De rol van de primaire condensator is om een bepaalde hoeveelheid lading op te slaan voor de komende cyclus en om samen met de primaire inductor een LC-circuit te vormen.

De primaire condensator is meestal gemaakt van enkele tientallen doppen die zijn bedraad in een serie / parallelle configuratie die een Multi-Mini-condensator (MMC) wordt genoemd

De primaire condensator wordt gebruikt met de primaire spoel om het primaire LC-circuit te creëren. Een condensator van resonantieformaat kan een NST beschadigen, daarom wordt een condensator met een groter dan resonantie (LTR) formaat sterk aanbevolen. Een LTR-condensator zal ook het meeste vermogen leveren via de Tesla-spoel. Verschillende primaire openingen (statisch versus synchroon roterend) vereisen primaire condensatoren van verschillende grootte.

Cres = Primaire resonantiecapaciteit (uF) = 1 ∕ (2 * π * NST-impedantie * NST Fin)=1/ (2*π*360 000 * 50) =8,8419nF

CLTR = primaire groter-dan-resonantie (LTR) statische capaciteit (uF) = primaire resonantiecapaciteit × 1,6

= 14.147nF

(dit kan bij benadering enigszins afwijken, aanbevolen coëfficiënt 1,6-1,8)

We gebruikten 2000V 100nF condensatoren, Nb= Cunit/Cequiv= 100nF/0.0119 uF= 9 condensatoren. Dus voor precies 9 caps hebben we Ceq= 0.0111uF= MMC-capaciteit.

Overweeg om voor de veiligheid parallelle weerstanden van 10 MOhms met hoog vermogen aan elke condensator aan te sluiten.

Inductie:

De rol van de primaire inductor is het genereren van een magnetisch veld dat in het secundaire circuit moet worden geïnjecteerd en het vormen van een LC-circuit met de primaire condensator. Dit onderdeel moet zonder al te grote verliezen zware stroom kunnen transporteren.

Voor de primaire spoel zijn verschillende geometrieën mogelijk. In ons geval passen we de platte archimed-spiraal aan als primaire spoel. Deze geometrie leidt natuurlijk tot een zwakkere koppeling en vermindert het risico op boogvorming in de primaire spoel: het heeft daarom de voorkeur op krachtige spoelen. Het is echter vrij gebruikelijk in spoelen met een lager vermogen vanwege het gemak van constructie. Het vergroten van de koppeling is mogelijk door de secundaire spoel in de primaire te laten zakken.

Laat W de breedte van de spiraal zijn, gegeven door W = Rmax − Rmin en R de gemiddelde straal, d.w.z. R = (Rmax + Rmin)/2, beide uitgedrukt in centimeters. Als de spoel N windingen heeft, is een empirische formule die zijn inductantie L in microhenrys oplevert:

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

Voor de spiraalvorm Als we R de straal van de helix noemen, H de hoogte (beide in centimeters) en N het aantal windingen, is een empirische formule die de inductantie L in microhenrys oplevert: Lhelic =(0.374(NR)^2) /(9R+10H).

Dit zijn veel formules die u kunt gebruiken en controleren, ze geven nauwkeurige resultaten, de meest nauwkeurige manier is om de oscilloscoop te gebruiken en de frequentierespons te meten, maar de formules zijn ook nodig voor het bouwen van de spoel. U kunt ook simulatiesoftware zoals JavaTC gebruiken.

Formule 2 voor platte vorm: L= [0.25*N^2*(D1+N*(W+S))^2]/[15*(D1+N*(W+S))+11*D1]

waarbij N: aantal windingen, W: draaddiameter in inches, S: draadafstand in inches, D1: binnendiameter in inches

Invoergegevens van mijn Tesla Coil:

Binnenradius: 4,5 inch, 11,2 windingen, 0,25 inch afstand, draaddiameter = 6 mm, buitenradius = 7,898 inch.

L met formule 2=0.03098mH, van JavaTC=0.03089mH

Daarom primaire frequentie: f1= 271,6 KHz (L=0,03089 mH, C=0,0111MFD)

Lab ervaring (primaire frequentie tuning)

en we verkregen resonantie bij 269-271 KHz, die de berekening verifiëren, zie figuren.

Stap 6: Spark Gap

De functie van de vonkbrug is om het primaire LC-circuit te sluiten wanneer de condensator voldoende is opgeladen, waardoor vrije oscillaties in het circuit mogelijk zijn. Dit is een essentieel onderdeel van een Tesla-spoel omdat de sluit-/openingsfrequentie een aanzienlijke invloed zal hebben op de uiteindelijke output.

Een ideale vonkbrug moet afgaan op het moment dat de spanning over de condensator maximaal is en weer opengaan net wanneer deze tot nul daalt. Maar dit is natuurlijk niet het geval bij een echte vonkbrug, deze ontsteekt soms niet wanneer het zou moeten of gaat door als de spanning al is afgenomen;

Voor ons project hebben we een statische vonkbrug gebruikt met twee bolvormige elektroden (gebouwd met behulp van twee ladehandvatten) die we handmatig hebben ontworpen. En het kan ook handmatig worden aangepast door de bolvormige koppen te draaien.

Stap 7: Secundair circuit

Spoel:

De functie van de secundaire spoel is om een inductieve component naar de secundaire LC-kring te brengen en de energie van de primaire spoel te verzamelen. Deze spoel is een solenoïde met een luchtkern en heeft in het algemeen tussen de 800 en 1500 nauw gewikkelde aangrenzende windingen. Om het aantal windingen te berekenen dat is gewikkeld, vermijdt deze snelle formule een bepaald kieskeurig werk:

Draaddikte 24 = 0,05 cm, PVC-diameter 4 inch, aantal windingen = 1100 spitsen, benodigde hoogte = 1100 x 0,05 = 55 cm = 21,6535 inch. => L= 20,853 mH

waarbij H de hoogte van de spoel is en d de diameter van de gebruikte draad. Een andere belangrijke parameter is de lengte l die we nodig hebben om de hele spoel te maken.

L=µ*N^2*A/H. Waarbij µ staat voor de magnetische permeabiliteit van het medium (≈ 1.257 · 10−6 N/A^2 voor lucht), N het aantal windingen van de solenoïde, H de totale hoogte en A het oppervlak van een winding.

Bovenste belasting:

De bovenbelasting werkt als de bovenste "plaat" van de condensator gevormd door de bovenbelasting en de grond. Het voegt capaciteit toe aan het secundaire LC-circuit en biedt een oppervlak van waaruit bogen kunnen worden gevormd. Het is inderdaad mogelijk om een Tesla-spoel te laten werken zonder een bovenbelasting, maar de prestaties in termen van booglengte zijn vaak slecht, omdat de meeste energie wordt gedissipeerd tussen de secundaire spoelwindingen in plaats van de vonken te voeden.

Toruscapaciteit 1 = ((1+ (0.2781 − Ringdiameter ∕ (totale diameter))) × 2,8 × sqrt ((pi × (totale diameter × ringdiameter)) ∕ 4))

Toroid Capaciteit 2 = (1,28 − Ringdiameter ∕ Totale Diameter) × sqrt (2 × pi × Ringdiameter × (Algemene Diameter − Ringdiameter))

Toroid Capaciteit 3 = 4,43927641749 × ((0,5 × (Ringdiameter × (Algehele Diameter − Ringdiameter))) ^0,5)

Gemiddelde ringkerncapaciteit = (ringkerncapaciteit 1 + ringkerncapaciteit 2 + ringkerncapaciteit 3) ∕ 3

Dus voor onze ringkern: binnendiameter 4", buitendiameter = 13", afstand vanaf het einde van de secundaire wikkeling = 5 cm.

C=13.046 pf

Secundaire spoelcapaciteit:

Secundaire capaciteit (pf)= (0,29 × secundaire draadwikkelhoogte + (0,41 × (secundaire draaddiameter ∕ 2)) + (1,94 × sqrt((((Secundaire vormdiameter ∕ 2) 3) ∕ secundaire draadwikkelhoogte))

Csec = 8,2787 pF;

Het is ook interessant om de (parasitaire) capaciteit van de spoel te kennen. Ook hier is de formule in het algemeen ingewikkeld. We gebruiken de waarde die wordt verkregen door JAVATC ("Effectieve shuntcapaciteit" zonder topbelasting):

Cres = 6,8 pF

Daarom voor het secundaire circuit:

Ctot=8.27+13.046=21.316pF

Lsec=20,853mH

Resultaten laboratoriumexperimenten:

Zie foto's hierboven voor de procedure van testen en testresultaten.

Stap 8: Resonantie afstemmen

Het instellen van de primaire en secundaire circuits op resonantie, ze dezelfde resonantiefrequentie laten delen, is van primordiaal belang voor een goede werking.

De respons van een RLC-circuit is het sterkst wanneer het wordt aangedreven op zijn resonantiefrequentie. In een goed RLC-circuit daalt de respons-intensiteit sterk wanneer de aandrijffrequentie afwijkt van de resonantiewaarde.

Onze resonantiefrequentie = 267,47 kHz.

Afstemmethoden:

De afstemming wordt over het algemeen gedaan door de primaire inductantie aan te passen, simpelweg omdat dit het gemakkelijkste onderdeel is om te wijzigen. Omdat deze inductor brede windingen heeft, is het gemakkelijk om zijn zelfinductie te wijzigen door op een bepaalde plaats in de spiraal op de laatste connector te tikken.

De eenvoudigste methode om deze aanpassing te bereiken is door trial-and-error. Hiervoor begint men de primaire te tikken op een punt dat zogenaamd dicht bij de resonerende is, steekt de spoel aan en evalueert de booglengte. Vervolgens wordt de spiraal een kwartslag vooruit/achteruit getikt en wordt het resultaat opnieuw geëvalueerd. Na een paar pogingen kan men doorgaan met kleinere stappen en uiteindelijk het tappunt krijgen waar de booglengte het grootst is. Normaal gesproken is dit tikken

punt zal inderdaad de primaire inductantie instellen, omdat beide circuits in resonantie zijn.

Een meer nauwkeurige methode zou een analyse van de individuele respons van beide circuits inhouden (in de gekoppelde configuratie natuurlijk, d.w.z. zonder de circuits fysiek te scheiden) met een signaalgenerator en een oscilloscoop.

Bogen zelf kunnen wat extra capaciteit produceren. Het is daarom aan te raden om de primaire resonantiefrequentie iets lager in te stellen dan de secundaire, om dit te compenseren. Dit is echter alleen merkbaar bij krachtige Tesla-spoelen (die bogen kunnen produceren die langer zijn dan 1 m).

Stap 9: Spanning bij secundaire vonk

De wet van Paschen is een vergelijking die de doorslagspanning geeft, dat wil zeggen de spanning die nodig is om een ontlading of elektrische boog te starten, tussen twee elektroden in een gas als functie van druk en spleetlengte.

Zonder in een gedetailleerde berekening te komen met behulp van de complexe formule, is onder normale omstandigheden 3,3 MV nodig om 1 m lucht tussen twee elektroden te ioniseren. In ons geval hebben we bogen van ongeveer 10-13 cm, dus het zal tussen 340KV en 440KV zijn.

Stap 10: Faraday Cage Dress

Een kooi van Faraday of een schild van Faraday is een behuizing die wordt gebruikt om elektromagnetische velden te blokkeren. Een Faraday-schild kan worden gevormd door een continue bedekking van geleidend materiaal of, in het geval van een kooi van Faraday, door een gaas van dergelijke materialen.

We ontwierpen vier lagen, geaarde, draagbare kooi van Faraday zoals weergegeven in de afbeelding (gebruikte materialen: aluminium, katoen, leer). Je kunt het ook testen door je mobiele telefoon erin te stoppen, het zal het signaal verliezen, of door het voor je teslaspoel te plaatsen en wat neonlampen in de kooi te plaatsen, ze zullen niet oplichten, dan zou je het kunnen opzetten en het proberen.

Stap 11: Bijlagen en referenties

Stap 12: De primaire spoel bouwen

Stap 13: Het testen van de NST

Stap 14: De primaire spoel bouwen