Spla Gap Tesla катушкасы: 14 қадам

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-30 10:23

Бұл Faraday торлы көйлегімен Tesla Spark Gap -ті қалай жасау керектігі туралы оқулық.

Бұл жоба маған және менің командама (3 студент) 16 жұмыс күнін алды, бағасы шамамен 500 АҚШ долларын құрайды, мен сізге сендіремін, бұл бірінші рет жұмыс істемейді:), ең бастысы - сіз барлық теорияны түсінуіңіз керек. және сіз таңдаған компоненттермен қалай жұмыс істеу керектігін біліңіз.

Бұл нұсқаулықта мен сізге барлық теорияларды, тұжырымдамаларды, формулаларды, барлық бөліктерді кезең -кезеңмен құруды қарастырамын. Егер сіз кішірек немесе үлкен катушкалар жасағыңыз келсе, тұжырымдама мен формулалар бірдей болады.

Бұл жобаға қойылатын талаптар:

- Электроника, электроника, электромагниттік және зертханалық жабдықтарды білу

- Осциллограф

- Неон белгісі трансформаторы; 220 В -тан 9 кВ -қа дейін

- жоғары вольтты конденсаторлар

- Мыс кабельдері немесе мыс құбырлары

- Сіздің шассиді жасау үшін ағаш

- қайталама катушкаға арналған ПВХ құбыры

- Тороид үшін икемді металл құбыр

- Шамдар үшін шағын 220В электр желдеткіші

- Фарадейден жасалған торлы көйлекке арналған алюминий қағаздар мен тор

- екіншілікке арналған оқшауланған сымдар

- Неонды шамдар

- Егер сізде тұрақты 220ВС болмаса, кернеу реттегіші

- Жерге қосылу

- Көп шыдамдылық

1 -қадам: Spla Gap Tesla катушкасына кіріспе

Tesla катушкасы - резонансты трансформатор, оның құрамында LC негізгі және қайталама тізбегі бар. 1891 жылы өнертапқыш Никола Тесла ойлап тапқан, LC екі тізбегі бір -бірімен тығыз байланысты. Қуат конденсаторды зарядтайтын күшейткіш трансформатор арқылы бастапқы тізбекке беріледі. Ақыр соңында, конденсатордағы кернеу жеткілікті түрде артады және ұшқын саңылауын қысқартады. Конденсатор ұшқын саңылауы арқылы және бастапқы катушкаға ағызылады. Энергия жоғары жиілікте (әдетте 50 кГц-2 МГц) бастапқы конденсатор мен бастапқы катушка индукторы арасында алға-артқа тербеледі. Бастапқы катушка қайталама катушка деп аталатын қайталама тізбектегі индукторға қосылады. Екіншілік катушканың жоғарғы жағына екінші LC тізбегінің сыйымдылығын қамтамасыз ететін жоғарғы жүктеме бекітілген. Бастапқы тізбек тербеліс кезінде кернеу бірнеше есе көбейтілетін қайталама катушкада қуат пайда болады. Жоғары кернеу мен төмен ток өрісі керемет жүктемені және найзағай разрядының айналасында дамиды. Қуаттың максималды берілуіне қол жеткізу үшін LC негізгі және қайталама тізбектері бірдей жиілікте тербелуі керек. Катушкадағы тізбектер әдетте бастапқы катушканың индуктивтілігін реттеу арқылы сол жиілікке «реттеледі». Tesla катушкалары үлкен катушкалар үшін 50 киловольттен бірнеше миллион вольтке дейінгі шығыс кернеулерін шығара алады.

2 -қадам: теория

Бұл бөлімде кәдімгі Tesla катушкасының жұмысының толық теориясы қамтылады. Біз негізгі және қайталама тізбектер шындыққа сәйкес келетін төмен қарсылықты RLC тізбектері екенін қарастырамыз.

Жоғарыда аталған себептерге байланысты компоненттің ішкі кедергісі көрсетілмеген. Біз сондай-ақ ток шектелген трансформаторды ауыстырамыз. Бұл таза теорияға әсер етпейді.

Екіншілік тізбектің кейбір бөліктері нүктелі сызықтармен салынғанын ескеріңіз. Себебі олар аппаратта тікелей көрінбейді. Екіншілік конденсаторға келетін болсақ, оның сыйымдылығы іс жүзінде бөлінгенін көреміз, жоғарғы жүктеме тек осы конденсатордың «бір табақшасы». Екіншілік ұшқын саңылауына қатысты, бұл схемада доғалардың қайда өтетінін көрсету әдісі ретінде көрсетілген.

Циклдің бұл бірінші қадамы - бастапқы конденсатордың генератормен зарядталуы. Біз оның жиілігін 50 Гц деп есептейміз. Генератор (NST) ток шектеулі болғандықтан, конденсатордың сыйымдылығы мұқият таңдалуы керек, сондықтан ол толық 1/100 секунд ішінде толық зарядталады. Шынында да, генератордың кернеуі периодта екі рет өзгереді, ал келесі циклде ол конденсаторды қарама-қарсы полярлықпен қайта зарядтайды, бұл Tesla катушкасының жұмысы туралы ештеңені өзгертпейді.

Конденсатор толық зарядталған кезде, ұшқын саңылауы өртенеді, сондықтан бастапқы тізбекті жабады. Ауаның электр өрісінің бұзылу қарқындылығын біле отырып, ұшқын саңылауының енін конденсатордағы кернеу ең жоғары мәнге жеткенде дәл оталатындай етіп орнату керек. Генератордың рөлі осында аяқталады.

Бізде LC тізбегінде толық жүктелген конденсатор бар. Ток пен кернеу осының алдында көрсетілгендей резонанстық жиілікте тербеліс болады. Бұл жиілік желі жиілігімен салыстырғанда өте жоғары, әдетте 50 мен 400 кГц аралығында.

Бастапқы және қайталама тізбектер магниттік қосылады. Бастапқыда орын алатын тербелістер осылайша екіншісінде электр қозғаушы күш тудырады. Біріншінің энергиясы екіншілікке түсетіндіктен, біріншіліктегі тербеліс амплитудасы біртіндеп төмендейді, ал екіншісінің энергиясы күшейеді. Бұл энергия магниттік индукция арқылы жүзеге асады. Екі тізбек арасындағы k қосылу константасы мақсатты түрде төмен ұсталады, әдетте 0,05 пен 0,2 аралығында.

Бастапқыдағы тербелістер осылайша қайталама тізбекте тізбектелген айнымалы кернеу генераторы сияқты әрекет етеді.

Ең үлкен шығыс кернеуін шығару үшін бастапқы және қайталама реттелген тізбектер бір -бірімен резонансқа келтіріледі. Екіншілік тізбек әдетте реттелмейтіндіктен, бұл әдетте бастапқы катушкадағы реттелетін шүмек арқылы жүзеге асады. Егер екі катушка бөлек болса, бастапқы және қайталама тізбектердің резонанстық жиіліктері әр тізбектегі индуктивтілік пен сыйымдылықпен анықталатын еді.

3 -қадам: Сыйымдылықтың екінші схема бойынша таралуы

Қосалқы сыйымдылық Cs tesla катушкасының жұмыс істеуі үшін өте маңызды, резонанстық жиілікті есептеу үшін қайталама катушканың сыйымдылығы қажет, егер сіз барлық параметрлерді ескермесеңіз, сіз ұшқын көрмейсіз. Бұл сыйымдылық көптеген үлестерден тұрады және есептеу қиын, бірақ біз оның негізгі компоненттерін қарастырамыз.

Жоғарғы жүктеме - Жер.

Екіншілік сыйымдылықтың ең үлкен үлесі жоғарғы жүктемеден келеді. Шынында да, бізде «пластиналар» жоғарғы жүктеме мен жер болып табылатын конденсатор бар. Бұл шынымен де конденсатор екендігі таңқаларлық болуы мүмкін, себебі бұл пластиналар қосалқы катушка арқылы қосылған. Алайда, оның кедергісі өте жоғары, сондықтан олардың арасында әлеуетті айырмашылық бар. Біз Ct -ді бұл үлес деп атаймыз.

Екіншілік катушканың бұрылыстары.

Басқа үлкен үлес қосалқы катушкадан келеді. Ол эмальданған мыс сымның көптеген іргелес бұрылыстарынан жасалған, сондықтан оның индуктивтілігі ұзындығы бойынша таралады. Бұл екі іргелес бұрылыстың арасында шамалы потенциалды айырмашылық бар екенін білдіреді. Бізде диэлектрикпен бөлінген әр түрлі потенциалды екі өткізгіш бар: конденсатор, басқаша айтқанда. Іс жүзінде әр жұп сым бар конденсатор бар, бірақ оның сыйымдылығы қашықтыққа қарай азаяды, сондықтан екі көршілес бұрылыстың арасындағы сыйымдылықты жақсы жақындату деп санауға болады.

Cb қосалқы катушканың жалпы сыйымдылығы деп атайық.

Шындығында, Tesla катушкасында жоғары жүктеме болуы міндетті емес, өйткені әрбір екінші катушка өзінің сыйымдылығына ие болады. Алайда, жоғары жүктеме әдемі ұшқындар үшін өте маңызды.

Айналадағы объектілерде қосымша қуат болады. Бұл конденсатор бір жағынан жоғарғы жүктемеден және екінші жағынан өткізгіш заттардан (қабырғалар, сантехникалық құбырлар, жиһаз және т.б.) пайда болады.

Біз осы сыртқы факторлардың конденсаторын Ce деп атаймыз.

Барлық осы «конденсаторлар» параллель болғандықтан, қайталама тізбектің жалпы сыйымдылығы келесі түрде беріледі:

Cs = Ct + Cb + Ce

4 -қадам: Тұжырымдама және құрылыс

Біздің жағдайда біз автоматты кернеу реттегішін қолдандық, ол кернеудің кернеуін 220 В кернеуде ұстайды

Оның құрамында айнымалы ток желісінің сүзгісі бар (YOKOMA ELECTRIC WORKS., LTD. Жапонияда AVR-2 үлгісінде)

Бұл құралды рентген аппараттарынан табуға немесе тікелей нарықтан сатып алуға болады.

Жоғары кернеулі трансформатор aTesla катушкасының ең маңызды бөлігі болып табылады. Бұл жай ғана индукциялық трансформатор. Оның рөлі - әрбір циклдің басында бастапқы конденсаторды зарядтау. Оның күшінен басқа, оның беріктігі өте маңызды, өйткені ол керемет жұмыс жағдайына төтеп беруі керек (кейде қорғаныс сүзгісі қажет).

Біз Tesla катушкасы үшін қолданатын неонды белгілер трансформаторы (NST) келесідей:

Vout = 9000 V, Iout = 30 мА

Шығу тогы - бұл шын мәнінде 25 мА, 30 мА - шыңы, ол іске қосылғаннан кейін 25 мА дейін төмендейді.

Енді біз оның қуатын P = V I есептей аламыз, бұл Tesla катушкасының жаһандық өлшемдерін, сондай -ақ оның ұшқындарының ұзындығы туралы нақты түсінікті орнатуға пайдалы болады.

P = 225 Вт (25 мА үшін)

NST кедергісі = NST Vout ∕ NST Iout = 9000/ 0.25 = 360 KΩ

5 -қадам: бастапқы тізбек

Конденсатор:

Алғашқы индуктормен бірге LC тізбегін құрумен қатар, алдағы цикл үшін зарядтың белгілі бір мөлшерін сақтау үшін бастапқы конденсатордың рөлі.

Негізгі конденсатор, әдетте, Multi-Mini Capacitor (MMC) деп аталатын тізбектей / параллель конфигурацияланған бірнеше ондаған қақпақтардан тұрады.

Бастапқы конденсатор бастапқы LC тізбегін құру үшін бастапқы катушкамен бірге қолданылады. Резонансты конденсатор NST -ге зақым келтіруі мүмкін, сондықтан резонанстан үлкенірек (LTR) өлшемді конденсаторды қолдану ұсынылады. LTR конденсаторы Tesla катушкасы арқылы ең көп қуат береді. Әр түрлі бастапқы бос орындар (статикалық және синхронды айналмалы) әр түрлі өлшемді бастапқы конденсаторларды қажет етеді.

Cres = бастапқы резонанстың сыйымдылығы (uF) = 1 ∕ (2 * π * NST кедергісі * NST Fin) = 1/ (2 * π * 360 000 * 50) = 8,8419nF

CLTR = Негізгі резонанстан үлкен (СТР) статикалық сыйымдылық (uF) = Резонанстың бастапқы сыйымдылығы × 1,6

= 14.147nF

(бұл жуықтаудан басқасына сәл өзгеше болуы мүмкін, ұсынылған коэффициент 1.6-1.8)

Біз 2000В 100nF конденсаторларды қолдандық, Nb = Cunit/Cequiv = 100nF/0.0119 uF = 9 Capacitors. Дәл 9 қақпақ үшін бізде Ceq = 0.0111uF = MMC сыйымдылығы бар.

Қауіпсіздік үшін әр конденсаторға параллель жоғары қуатты, 10МО резисторларды қосу туралы ойланыңыз.

Индуктивтілік:

Бастапқы индуктордың рөлі - қайталама тізбекке енгізілетін магнит өрісін құру, сонымен қатар бастапқы конденсатормен LC тізбегін құру. Бұл компонент ауыр токты артық шығынсыз тасымалдауға қабілетті болуы керек.

Бастапқы катушка үшін әр түрлі геометрия мүмкін. Біздің жағдайда біз жалпақ спиральды спиральды негізгі катушка ретінде бейімдейміз, бұл геометрия, әрине, әлсіз қосылуға әкеледі және бастапқыда доғаның пайда болу қаупін азайтады: сондықтан ол күшті катушкаларда артықшылық береді. Бұл құрылыстың қарапайымдылығы үшін төменгі қуатты катушкаларда жиі кездеседі. Муфтаны ұлғайту қосалқы катушканы бастапқыға түсіру арқылы мүмкін болады.

W - спиральдың ені W = Rmax - Rmin және R оның орташа радиусы, яғни R = (Rmax + Rmin)/2, екеуі де сантиметрмен берілген. Егер катушкада N бұрылыс болса, оның индуктивтілігін L шығаратын эмпирикалық формула микроэнергияда болады:

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

Спиральды пішін үшін егер біз R спиральдің радиусы, H оның биіктігі (екеуі де сантиметрмен) және N оның бұрылыстар саны деп атайтын болсақ, оның индуктивтілігін L шығаратын эмпирикалық формула микроэнергияда: Lhelic = (0.374 (NR)^2) /(9R+10H).

Бұл сіз қолдана алатын және тексере алатын көптеген формулалар, олар жақын нәтиже береді, осциллографты қолдану мен жиіліктің реакциясын өлшеудің ең дәл әдісі, бірақ формулалар катушканы құруға да қажет. JavaTC сияқты модельдеу бағдарламалық жасақтамасын қолдануға болады.

Жазық пішінге арналған 2 -формула: L = [0.25*N^2*(D1+N*(W+S))^2]/[15*(D1+N*(W+S))+11*D1]

мұнда N: бұрылыстар саны, Вт: сымның диаметрі дюймде, S: дюймдегі сым аралығы, D1: ішкі диаметрі дюймде

Менің Tesla катушкасының кіріс деректері:

Ішкі радиус: 4,5 дюйм, 11,2 бұрылыс, аралығы 0,25 дюйм, сым диаметрі = 6 мм, сыртқы радиус = 7,898 дюйм.

L 2 формуласын қолданып = 0.03098mH, JavaTC = 0.03089mH

Сондықтан, бастапқы жиілік: f1 = 271,6 КГц (L = 0,03089 мГц, С = 0,0111МФД)

Зертханалық тәжірибе (бастапқы жиілікті реттеу)

және біз 269-271 кГц жиілігінде резонансты алдық, ол суретті қараңыз.

6 -қадам: Spark Gap

Ұшқындық саңылаудың функциясы - конденсатор жеткілікті зарядталған кезде негізгі LC тізбегін жабу, осылайша тізбектің ішінде еркін тербелістерге жол беру. Бұл Tesla катушкасының маңызды құрамдас бөлігі, себебі оның жабылу/ашылу жиілігі соңғы шығарылымға айтарлықтай әсер етеді.

Конденсатордағы кернеу максималды болған кезде ұшқынның идеалды саңылауы жануы керек және ол нөлге дейін төмендегенде қайта ашылады. Бірақ бұл, әрине, шынайы ұшқын саңылауында болмайды, кернеу азайған кезде ол кейде жанбайды немесе жалғаса береді;

Біздің жоба үшін біз қолмен жасаған екі сфералық электродпен (екі тартпаның тұтқасы арқылы салынған) статикалық ұшқын саңылауын қолдандық. Оны сфералық бастарды айналдыру арқылы қолмен реттеуге болады.

7 -қадам: Екінші тізбек

Катушка:

Екіншілік катушканың функциясы - индуктивті компонентті екінші LC тізбегіне әкелу және бастапқы катушканың энергиясын жинау. Бұл индуктор-ауалы ядролы электромагнитті, әдетте 800-ден 1500-ге дейін жақын орналасқан. Жараланған бұрылыстардың санын есептеу үшін бұл жылдам формула белгілі бір жұмысты болдырмайды:

Сым өлшегіш 24 = 0,05 см, ПВХ диаметрі 4 дюйм, бұрылыстар саны = 1100 бұрандалар, қажет биіктік = 1100 x 0,05 = 55 см = 21,6535 дюйм. => L = 20.853 мГц

мұндағы Н - катушканың биіктігі мен d қолданылатын сымның диаметрі. Тағы бір маңызды параметр - l, біз бүкіл катушканы жасауымыз керек.

L = µ*N^2*A/H. Мұндағы µ ортаның магниттік өткізгіштігін білдіреді (ауа үшін ≈ 1.257 · 10−6 N/A^2), N соленоидтың айналу саны, H оның жалпы биіктігі және A бұрылыс ауданы.

Жоғарғы жүктеме:

Жоғарғы жүктеме конденсатордың үстіңгі жүктеме мен жерге қосылуынан пайда болған жоғарғы «пластина» сияқты әрекет етеді. Ол екінші LC тізбегіне сыйымдылық қосады және доғалар пайда болатын бетті ұсынады. Шынында да, Tesla катушкасын жоғары жүктеместен іске қосуға болады, бірақ доғаның ұзындығы бойынша көрсеткіштер көбінесе нашар болады, өйткені энергияның көп бөлігі ұшқындарды берудің орнына екінші реттік катушкалар арасында бөлінеді.

Тороид сыйымдылығы 1 = (((1+ (0.2781 - Сақина диаметрі ∕ (Жалпы диаметр)))) × 2.8 × шаршы метр ((pi × (Жалпы диаметр × Сақина диаметрі)) ∕ 4))

Тороид сыйымдылығы 2 = (1.28 - Сақина диаметрі ∕ Жалпы диаметр) × шаршы метр (2 × пи × Сақина диаметрі × (Жалпы диаметр - Сақина диаметрі))

Тороид сыйымдылығы 3 = 4.43927641749 × ((0,5 × (Сақина диаметрі × (Жалпы диаметр - Сақина диаметрі))) ^0,5)

Орташа тороид сыйымдылығы = (Тороид сыйымдылығы 1 + Тороид сыйымдылығы 2 + Тороид сыйымдылығы 3) ∕ 3

Біздің тороид үшін: ішкі диаметрі 4 дюйм, сыртқы диаметрі = 13 дюймдік, екінші реттік ораманың соңынан = 5см.

C = 13.046 pf

Екінші орамның сыйымдылығы:

Екіншілік сыйымдылық (pf) = (0,29 × Қосымша сым орамасының биіктігі + (0,41 × (Қосалқы пішін диаметрі ∕ 2)) + (1,94 × шаршы метр (((Қосымша пішін диаметрі ∕ 2) 3) ∕ Екінші сым орамасының биіктігі))

Csec = 8.2787 pF;

Катушканың (паразиттік) сыйымдылығын білу де қызықты. Бұл жерде формула жалпы жағдайда күрделі. Біз JAVATC (жоғары жүктемесіз «тиімді шунт сыйымдылығы») мәнін қолданамыз:

Cres = 6,8 pF

Демек, қайталама тізбек үшін:

Ctot = 8.27+13.046 = 21.316pF

Lsec = 20.853mH

Зертханалық тәжірибе нәтижелері:

Тестілеу және тестілеу нәтижелері туралы жоғарыдағы суреттерді қараңыз.

8 -қадам: резонансты реттеу

Негізгі және қайталама тізбектерді резонанс кезінде орнату, олардың бірдей резонанстық жиілікті бөлісуі жақсы жұмыс істеу үшін маңызды.

RLC тізбегінің реакциясы оның резонансты жиілігінде қозғалған кезде ең күшті болады. Жақсы RLC схемасында қозғалыс жиілігі резонанстық мәннен ауытққанда жауап қарқындылығы күрт төмендейді.

Біздің резонанстық жиілік = 267,47 кГц.

Реттеу әдістері:

Тюнинг әдетте бастапқы индуктивтілікті реттеу арқылы жүзеге асады, себебі оны өзгерту оңай. Бұл индуктор кең бұрылыстарға ие болғандықтан, спиральдың белгілі бір жеріндегі соңғы коннекторды түрту арқылы оның индуктивтілігін өзгерту оңай.

Бұл түзетуге қол жеткізудің ең қарапайым әдісі-сынақ және қате. Ол үшін резонанстыққа жақын нүктеде бастапқы түймені түрту басталады, катушканы жағады және доға ұзындығын бағалайды. Содан кейін спираль алға/артқа төрттен бір бұрылады және нәтижені қайта бағалайды. Бірнеше әрекеттен кейін сіз кішірек қадамдарды жалғастыра аласыз және ақыры доға ұзындығы ең жоғары болатын нүктеге жетесіз. Әдетте, бұл түрту

нүкте шын мәнінде бастапқы индуктивтілікті орнатады, өйткені екі тізбек те резонансты.

Нақтырақ әдіс сигнал генераторы мен осциллографтың көмегімен екі тізбектің жеке реакциясын (әрине, контурлы конфигурацияда, яғни тізбектерді физикалық түрде ажыратпай) талдауды қамтиды.

Доғалардың өздері қосымша сыйымдылықты шығара алады. Сондықтан оны өтеу үшін бастапқы резонанстық жиілікті екіншісінен сәл төмен қою ұсынылады. Алайда, бұл қуатты Tesla катушкаларында ғана байқалады (ұзындығы 1м -ден асатын доғалар шығара алады).

9-қадам: Екінші реттік ұшқындағы кернеу

Пасхен заңы - қысым мен саңылау ұзындығына байланысты газдағы екі электрод арасындағы разряд кернеуін, яғни разрядты немесе электр доғасын бастау үшін кернеуді беретін теңдеу.

Кешенді формуланы қолдана отырып, егжей -тегжейлі есептеулер жүргізбестен, қалыпты жағдайда екі электрод арасындағы 1м ауаны ионизациялау үшін 3,3МВ қажет. Біздің жағдайда бізде шамамен 10-13 см доғалар бар, сондықтан ол 340кВ пен 440кВ аралығында болады.

10 -қадам: Фарадей Кейдж көйлегі

Фарадей торы немесе Фарадей қалқаны - бұл электромагниттік өрістерді блоктау үшін қолданылатын қоршау. Фарадей қалқаны өткізгіш материалдың үздіксіз қапталуынан немесе Фарадей торының жағдайында осындай материалдардың торынан түзілуі мүмкін.

Біз суретте көрсетілгендей төрт қабатты, жерге тұйықталған, киілетін фарадей торын жасадық (қолданылған материалдар: алюминий, мақта, былғары). Сіз оны ұялы телефонды қою арқылы тексере аласыз, ол сигналды жоғалтады немесе оны Tesla катушкасының алдына қойып, тордың ішіне неонды шамдарды қояды, олар жанбайды, содан кейін сіз оны қосып көріңіз.

11 -қадам: Қосымшалар мен сілтемелер

12 -қадам: бастапқы катушканы құру

13 -қадам: ҰБТ тестілеу

14 -қадам: бастапқы катушканы құру