Solid State Tesla-spoelen en hoe ze werken: 9 stappen

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:16

Elektriciteit onder hoogspanning kan GEVAARLIJK zijn, neem te allen tijde de juiste veiligheidsmaatregelen wanneer u met Tesla-spoelen of een ander hoogspanningsapparaat werkt, dus speel op veilig of speel niet.

Tesla-spoelen zijn een transformator die werkt volgens het zelfresonerende oscillatorprincipe, uitgevonden door Nicola Tesla, een Servische Amerikaanse wetenschapper. Het wordt voornamelijk gebruikt om ultrahoge spanning, maar lage stroom, hoogfrequente wisselstroom te produceren. De Tesla-spoel is samengesteld uit twee groepen gekoppelde resonantiecircuits, soms drie gekoppelde groepen. Nicola Tesla probeerde een groot aantal configuraties van verschillende spoelen. Tesla gebruikte deze spoelen om experimenten uit te voeren, zoals elektrische verlichting, röntgenstraling, elektrotherapie en radio-energietransmissie, het verzenden en ontvangen van radiosignalen.

Er is echt niet veel vooruitgang geboekt in Tesla-spoelen sinds hun uitvinding. Afgezien van solid-state componenten zijn Tesla-spoelen niet veel veranderd in meer dan 100 jaar. Meestal gedegradeerd tot onderwijs en het speelgoed van de wetenschap, bijna iedereen kan online een kit kopen en een Tesla-spoel bouwen.

Deze Instructable gaat over het bouwen van een eigen solid-state Tesla-spoel, hoe ze werken en tips en trucs om eventuele problemen onderweg op te lossen.

Benodigdheden

12 volt voeding de SMP voeding die ik gebruikte was 12 volt 4 ampère.

Torus Lijm om de secundaire spoel te monteren.

Thermisch siliconenvet voor het monteren van de transistor op het koellichaam.

Soldeer

Het gereedschap om de kit in elkaar te zetten, soldeerbout en zijknippers.

Multimeter

Oscilloscoop

Stap 1: Elektromagneet

Om Tesla-spoelen en -transformatoren te begrijpen, moet u elektromagneten begrijpen. Wanneer een stroom (rode pijl) op een geleider wordt toegepast, creëert het een magnetisch veld rond de geleider. (Blauwe pijlen) Gebruik de rechterhandregel om de richting van de magnetische velden te voorspellen. Plaats uw hand op de geleider met uw duim in de richting van de stroom en uw vingers wijzen in de richting van de magnetische velden die stromen.

Wanneer je de geleider om een ferrometaal zoals staal of ijzer wikkelt, komen de magnetische velden van de opgerolde geleider samen en worden uitgelijnd, dit wordt een elektromagneet genoemd. Het magnetische veld reist vanuit het midden van de spoel en passeert het ene uiteinde van de elektromagneet rond de buitenkant van de spoel en aan het andere uiteinde terug naar het midden van de spoel.

Magneten hebben een noord- en een zuidpool, om te voorspellen welk uiteinde de noord- of zuidpool is in een spoel, gebruik je opnieuw de rechterhandregel. Alleen deze keer met je rechterhand op de spoel, wijs je vingers in de richting van de stroom in de opgerolde geleider. (Rode pijlen) Als uw rechterduim recht langs de spoel wijst, moet deze naar het noordelijke uiteinde van de magneet wijzen.

Stap 2: Hoe transformatoren werken

Hoe een fluctuerende stroom in een primaire spoel draadloos een stroom in een secundaire spoel creëert, wordt de wet van Lenz genoemd.

Wikipedia

Alle spoelen in een transformator moeten in dezelfde richting worden gewikkeld.

Een spoel zal een verandering in een magnetische weerstaan; veld, dus wanneer wisselstroom of een pulserende stroom wordt toegepast op de primaire spoel, creëert het een fluctuerend magnetisch veld in de primaire spoel.

Wanneer het fluctuerende magnetische veld de secundaire spoel bereikt, creëert het een tegengesteld magnetisch veld en een tegenstroom in de secundaire spoel.

U kunt de rechterhandregel op de primaire spoel en de secundaire gebruiken om de uitvoer van de secundaire te voorspellen.

Afhankelijk van het aantal windingen op de primaire spoel, en het aantal windingen op de secundaire spoel, verandert de spanning in een hogere of lagere spanning.

Als u het positieve en negatieve moeilijk te volgen vindt op de secundaire spoel; denk aan de secundaire spoel als een stroombron of een batterij waar stroom uit komt, en denk aan de primaire als een belasting waar stroom wordt verbruikt.

Tesla-spoelen zijn luchtkerntransformatoren, de magnetische velden en stroom werken op dezelfde manier als ijzer- of ferrietkerntransformatoren.

Stap 3: Opwinden

Hoewel het niet in het schema is getekend; de langere secundaire spoel van een Tesla-spoel bevindt zich in de kortere primaire spoel, deze opstelling wordt een zelfresonerende oscillator genoemd.

Zorg dat je wikkeling goed is; zowel de primaire als de secundaire wikkeling moeten in dezelfde richting worden gewikkeld. Het maakt niet uit of u de spoelen opwindt met een draai naar rechts of met een draai naar links, zolang beide spoelen maar in dezelfde richting worden gewikkeld.

Zorg er bij het opwinden van de secundaire voor dat uw wikkelingen elkaar niet overlappen of dat bij de overlap een kortsluiting in de secundaire kan ontstaan.

Door de spoelen kruislings op te winden, kan de feedback van de secundaire die aan de basis van de transistor of de poort van de mosfet is gekoppeld, de verkeerde polariteit hebben en dit kan voorkomen dat het circuit oscilleert.

De positieve en negatieve draden van de primaire spoelen worden beïnvloed door de draaiing in de wikkelingen. Gebruik de rechterhandregel op de primaire spoel. Zorg ervoor dat de noordpool van de primaire spoel naar de bovenkant van de secundaire spoel wijst.

Door de primaire spoel te kruisen, kan de feedback van de secundaire die is verbonden met de basis van de transistor of de poort van de mosfet de verkeerde polariteit hebben en dit kan voorkomen dat het circuit oscilleert.

Zolang de spoelen in dezelfde richting gewikkeld zijn; falen om te oscilleren om de primaire spoel te kruisen, is meestal een gemakkelijke oplossing, draai gewoon de draden van de primaire spoel om.

Stap 4: Hoe een Solid State Tesla-spoel werkt

De standaard solid-state Tesla-spoel kan slechts vijf delen hebben.

Een krachtbron; in dit schema een batterij.

een weerstand; afhankelijk van de transistor een 1/4 watt 10 kΩ en hoger.

Een NPN-transistor met een koellichaam, de transistor op deze circuits wordt vaak heet.

Een primaire spoel van 2 of meer windingen gewikkeld in dezelfde richting als de secundaire spoel.

Een secundaire spoel tot 1.000 windingen of meer 41 AWG gewikkeld in dezelfde richting als de primaire.

Stap 1. Wanneer voor het eerst stroom wordt geleverd aan een standaard solid-state Tesla-spoel, is de transistor in het circuit open of uit. De stroom gaat door de weerstand naar de basis van de transistors, waarbij de transistor wordt gesloten en deze wordt ingeschakeld, waardoor stroom door de primaire spoel kan stromen. De huidige verandering is niet onmiddellijk, het duurt een korte tijd voordat de stroom van nulstroom naar maximale stroom gaat, dit wordt stijgtijd genoemd.

Stap 2. Tegelijkertijd gaat het magnetische veld in de spoel van nul naar enige veldsterkte. Terwijl het magnetische veld in de primaire spoel toeneemt, weerstaat de secundaire spoel de verandering door een tegengesteld magnetisch veld en een tegenstroom in de secundaire spoel te creëren.

Stap 3. De secundaire spoel is vastgemaakt aan de basis van de transistor, zodat de stroom in de secundaire spoel (feedback) de stroom wegtrekt van de basis van de transistor. Hierdoor wordt de transistor geopend en wordt de stroom naar de primaire spoel uitgeschakeld. Net als de stijgtijd is de huidige verandering niet onmiddellijk. Het duurt even voordat de stroom en het magnetische veld van max naar nul gaan, dit wordt de valtijd genoemd.

Dan terug naar stap 1.

Dit type circuit wordt een zelfregulerend oscillerend circuit of een resonante oscillator genoemd. Dit type oscillator wordt in frequentie beperkt door de vertragingstijden van het circuit en de transistor of mosfet. (Stijgingstijd Dalingstijd en Plateautijd)

Stap 5: Efficiëntie

Dit circuit is niet erg efficiënt en produceert een blokgolf, de primaire spoel produceert alleen een stroom in de secundaire spoel tijdens de magnetische velden die overgaan van nul veldsterkte naar volledige veldsterkte en terug naar nul veldsterkte, de stijgtijd genoemd en de herfst tijd. Tussen de stijgtijd en de daaltijd is er een plateau met de transistor gesloten of aan en de transistor open of uit. Wanneer de transistor uit is, gebruikt het plateau geen stroom, maar wanneer de transistor zich op het plateau bevindt, gebruikt en verspilt het stroom de transistor.

U kunt de snelst schakelende transistor gebruiken die u kunt krijgen. Met hogere frequenties kan het magnetische veld meer overgaan dan het plateau is, waardoor de Tesla-spoel efficiënter wordt. Dit zal echter niet voorkomen dat de transistor opwarmt.

Door een LED van 3 volt aan de basis van de transistors toe te voegen, worden de stijg- en daaltijden verlengd, waardoor de transistors meer op een driehoekige golf dan op een blokgolf werken.

Er zijn nog twee andere dingen die u kunt doen om te voorkomen dat de transistor oververhit raakt. U kunt een koellichaam gebruiken om de overtollige warmte af te voeren. U kunt een transistor met een hoog wattage gebruiken, zodat de transistor niet overbelast raakt.

Stap 6: Mini Tesla-spoel

Ik heb deze 12 volt Mini Tesla Coil gekregen van een online winkel.

De Kit Inbegrepen:

1 x PVC-bord

1 x Monolithische condensator 1nF

1 x 10 kΩ weerstand

1 x 1 kΩ weerstand

1 x 12V stopcontact

1 x koellichaam

1 x Transistor BD243C

1 x secundaire spoel 333 windingen

1 x bevestigingsschroef

2 x Led

1 x neonlamp

De kit bevat niet:

12 volt voeding de SMP voeding die ik gebruikte was 12 volt 4 ampère.

Torus

Lijm om de secundaire spoel te monteren.

Thermisch siliconenvet voor het monteren van de transistor op het koellichaam.

Soldeer

Stap 7: Testen

Na het monteren van de Mini Tesla Coil heb ik deze getest op een neonlamp, een spaarlamp (compact TL-licht) en een TL-buis. De ark was klein en zolang ik hem binnen 1/4 inch plaatste, verlicht hij alles waar ik hem op probeerde.

De transistor wordt erg heet, dus raak het koellichaam niet aan. Een Tesla-spoel van 12 volt zou een transistor van 65 watt niet erg heet moeten maken, tenzij je de maximale parameters van de transistors nadert.

Stap 8: Stroomverbruik

De BD243C-transistor is een NPN, 65 watt 100 volt 6 amp 3MHz-transistor, bij 12 volt mag hij niet meer dan 5,4 ampère trekken om 65 watt niet te overschrijden.

Toen ik de stroom bij het opstarten controleerde, was deze 1 ampère, na een minuut draaien daalde de stroom tot 0,75 ampère. Bij 12 volt maakt dat het loopvermogen 9 tot 12 watt, ver onder de 65 watt waarvoor de transistor geschikt is.

Toen ik de stijg- en daaltijden van de transistoren controleerde, kreeg ik een driehoeksgolf die bijna altijd in beweging is, waardoor het een zeer efficiënt circuit is.

Stap 9: bovenbelasting

Topbelastingen zorgen ervoor dat de lading zich opbouwt in plaats van alleen maar in de lucht te bloeden, waardoor u een groter vermogen krijgt.

Zonder een bovenbelasting verzamelen de ladingen zich op de puntige uiteinden van de draad en bloeden ze de lucht in.

De beste topladingen zijn rond als een Torus of een bol, zodat er geen punten zijn die de lading in de lucht laten bloeden.

Ik maakte mijn toplading van een bal die ik van een muis had gered en bedekte het met aluminiumfolie, het was niet perfect glad, maar het werkte goed. Nu kan ik een spaarlamp tot op een centimeter afstand verlichten.