Spark Pengo Tesla Coil: 14 Hatua

2024 Mwandishi: John Day | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2024-01-30 12:50

Hii ni mafunzo juu ya jinsi ya kujenga Spark Gap Tesla Coil na mavazi ya ngome ya Faraday.

Mradi huu ulinichukua mimi na timu yangu (wanafunzi 3) siku 16 za kazi, inagharimu karibu dola 500, nitakuhakikishia kuwa haitafanya kazi kutoka mara ya kwanza:), sehemu muhimu zaidi ni kwamba lazima uelewe nadharia yote iliyo nyuma na ujue jinsi ya kushughulika na vifaa unavyochagua.

Katika hii inayoweza kufundishwa, nitakupitisha nadharia yote nyuma, dhana, fomula, hatua kwa hatua kujenga kwa sehemu zote. Ikiwa unataka kujenga coil ndogo au kubwa wazo na fomula zitakuwa sawa.

Mahitaji ya mradi huu:

- Ujuzi katika: Umeme, elektroniki, vifaa vya umeme na vifaa vya maabara

- Oscilloscope

- Neon transformer; 220V hadi 9kV

- capacitors ya voltage kubwa

- nyaya za shaba au mabomba ya shaba

- Mbao ya kujenga chasisi yako

- Bomba la PVC kwa coil ya sekondari

- Bomba la metali lenye kubadilika kwa Toroid

- Shabiki mdogo wa umeme wa 220V kwa pengo la cheche

- Karatasi za alumini na matundu kwa mavazi ya ngome ya Faraday

- waya zilizowekwa kwa sekondari

- Taa za Neon

- Udhibiti wa Voltage ikiwa hauna 220VAC thabiti

- Uunganisho kwa ardhi

- Uvumilivu mwingi

Hatua ya 1: Utangulizi wa Spark Gap Tesla Coil

Coil ya Tesla ni kibadilishaji chenye sauti iliyo na mzunguko wa msingi na sekondari wa LC. Iliyoundwa na mvumbuzi Nikola Tesla mnamo 1891, mizunguko miwili ya LC imeunganishwa kwa hiari pamoja. Nguvu hutolewa kwa mzunguko wa msingi kupitia transformer ya kuongeza-hatua, ambayo huchaji capacitor. Hatimaye, voltage kwenye capacitor itaongeza vya kutosha ili kupunguza pengo la cheche. Capacitor itatoka kupitia pengo la cheche na kuingia kwenye coil ya msingi. Nishati hiyo itatembea kati na nyuma kati ya capacitor ya msingi na inductor ya coil ya msingi katika masafa ya juu (kawaida 50 kHz- 2 MHz). Coil ya msingi imeunganishwa na inductor katika mzunguko wa sekondari, inayoitwa coil ya sekondari. Imeambatanishwa juu ya coil ya sekondari ni mzigo wa juu ambao hutoa uwezo kwa mzunguko wa sekondari wa LC. Kama mzunguko wa msingi unasonga, nguvu husababishwa kwenye coil ya sekondari ambapo voltage huzidishwa mara nyingi. Voltage ya juu, uwanja wa sasa wa chini unakua karibu na mzigo wa juu na arcs ya kutokwa kwa umeme katika onyesho tamu la utisho. Mizunguko ya msingi na sekondari ya LC inapaswa kuzunguka kwa masafa sawa kufikia upeo wa nguvu. Mizunguko kwenye coil kawaida "huwekwa" kwa masafa sawa kwa kurekebisha inductance ya coil ya msingi. Vipuli vya Tesla vinaweza kutoa voltages kutoka kwa kilovolts 50 hadi volts milioni kadhaa kwa coils kubwa.

Hatua ya 2: Nadharia

Sehemu hii itashughulikia nadharia kamili ya utendaji wa koili ya kawaida ya Tesla. Tutazingatia kuwa mizunguko ya msingi na sekondari ni nyaya za RLC zilizo na upinzani mdogo, ambayo inakubaliana na ukweli.

Kwa sababu zilizotajwa hapo awali, upinzani wa ndani wa sehemu hiyo hauonyeshwa. Tutachukua nafasi ya transformer isiyo na kikomo cha sasa. Hii haina athari yoyote kuhusu nadharia safi.

Kumbuka kuwa sehemu zingine za mzunguko wa sekondari zimechorwa kwa mistari ya nukta. Hii ni kwa sababu hazionekani moja kwa moja kwenye vifaa. Kuhusu capacitor ya sekondari, tutaona kuwa uwezo wake unasambazwa kweli kweli, mzigo wa juu tu ni "sahani moja" ya capacitor hii. Kuhusu pengo la cheche ya sekondari, inaonyeshwa katika mpango kama njia ya kuwakilisha mahali ambapo arcs zitafanyika.

Hatua hii ya kwanza ya mzunguko ni kuchaji kwa capacitor ya msingi na jenereta. Tutafikiria masafa yake kuwa 50 Hz. Kwa sababu jenereta (NST) imepunguzwa kwa sasa, uwezo wa capacitor lazima ichaguliwe kwa uangalifu kwa hivyo itatozwa kikamilifu kwa sekunde 1/100. Kwa kweli, voltage ya jenereta inabadilika mara mbili kwa kipindi, na katika mzunguko unaofuata, itachaji tena capacitor na polarity tofauti, ambayo haibadilishi kabisa juu ya utendaji wa coil ya Tesla.

Wakati capacitor imeshtakiwa kikamilifu, pengo la cheche linawaka na kwa hivyo hufunga mzunguko wa msingi. Kujua ukali wa uwanja wa umeme wa kuvunjika kwa hewa, upana wa pengo la cheche lazima iwekwe ili iweze kuwaka haswa wakati voltage kwenye capacitor inafikia thamani yake ya kilele. Jukumu la jenereta linaishia hapa.

Sasa tuna capacitor iliyobeba kikamilifu katika mzunguko wa LC. Sasa na voltage kwa hivyo itatoka kwa mzunguko wa mzunguko wa resonant, kama ilivyoonyeshwa hapo awali. Masafa haya ni ya juu sana ikilinganishwa na masafa ya mains, kwa jumla kati ya 50 na 400 kHz.

Mizunguko ya msingi na sekondari imeunganishwa kwa sumaku. Machafuko yanayofanyika katika msingi yatasababisha nguvu ya umeme katika sekondari. Nguvu ya msingi inapotupwa kwenye sekondari, ukubwa wa viwango vya msingi vitapungua polepole wakati ule wa sekondari utakua. Uhamisho huu wa nishati hufanywa kupitia uingizaji wa sumaku. Kuunganisha mara kwa mara k kati ya nyaya mbili huwekwa chini kwa makusudi, kwa jumla kati ya 0.05 na 0.2.

Macho katika msingi yatatenda kama jenereta ya voltage ya AC iliyowekwa kwenye safu kwenye mzunguko wa sekondari.

Ili kutoa voltage kubwa zaidi ya pato, nyaya za msingi na sekondari zilizobadilishwa hubadilishwa ili kusikilizana. Kwa kuwa mzunguko wa sekondari kawaida haubadiliki, hii kawaida hufanywa na bomba inayoweza kubadilishwa kwenye coil ya msingi. Ikiwa koili mbili zingekuwa tofauti, masafa ya resonant ya nyaya za msingi na za sekondari yangeamuliwa na inductance na capacitance katika kila mzunguko

Hatua ya 3: Usambazaji wa Uwezo Ndani ya Mzunguko wa Sekondari

Uwezo wa sekondari C ni muhimu sana kufanya coil ya tesla ifanye kazi, uwezo wa coil ya sekondari ni muhimu kwa mahesabu ya masafa ya sauti, ikiwa hautazingatia vigezo vyote hautaona cheche. Uwezo huu una michango mingi na ni ngumu kuhesabu, lakini tutaangalia sehemu zake kuu.

Mzigo wa juu - Ardhi.

Sehemu ya juu zaidi ya uwezo wa sekondari hutoka kwa mzigo wa juu. Kwa kweli, tuna capacitor ambaye "sahani" zake ni mzigo wa juu na ardhi. Inaweza kushangaza kwamba hii ni kweli capacitor kwani sahani hizi zimeunganishwa ingawa coil ya sekondari. Walakini, impedance yake ni ya juu sana kwa hivyo kuna tofauti kabisa kati yao. Tutampigia Ct mchango huu.

Zamu ya coil ya sekondari.

Mchango mwingine mkubwa hutoka kwa coil ya sekondari. Imefanywa kwa zamu nyingi zilizo karibu za waya wa shaba iliyoshonwa na inductance yake kwa hivyo inasambazwa kwa urefu wake. Hii inamaanisha kuna tofauti kidogo ya uwezekano kati ya zamu mbili zilizo karibu. Kisha tuna makondakta wawili kwa uwezo tofauti, tukitenganishwa na dielectric: capacitor, kwa maneno mengine. Kweli, kuna capacitor na kila jozi ya waya, lakini uwezo wake hupungua kwa umbali, kwa hivyo mtu anaweza kuzingatia uwezo kati ya mbili tu zilizo karibu zinageuza hesabu nzuri.

Wacha tuite Cb jumla ya uwezo wa coil ya sekondari.

Kwa kweli, sio lazima kuwa na mzigo wa juu kwenye coil ya Tesla, kwani kila coil ya sekondari itakuwa na uwezo wake mwenyewe. Walakini, mzigo wa juu ni muhimu kwa kuwa na cheche nzuri.

Kutakuwa na uwezo wa ziada kuunda vitu vinavyozunguka. Capacitor hii imeundwa na mzigo wa juu kwa upande mmoja na kufanya vitu (kuta, mabomba ya bomba, fanicha, nk) kwa upande mwingine.

Tutataja capacitor ya mambo haya ya nje Ce.

Kwa kuwa "capacitors" hizi zote ziko sawa, uwezo wa jumla wa mzunguko wa sekondari utapewa na:

Cs = Ct + Cb + Ce

Hatua ya 4: Mimba na Ujenzi

Kwa upande wetu tulitumia mdhibiti wa moja kwa moja wa voltage kudumisha uingizaji wa voltage kwa NST saa 220V

Na ina iliyojengwa katika kichungi cha laini ya AC (YOKOMA UMEME KAZI., LTD. Katika japan-Model AVR-2)

Chombo hiki kinaweza kupatikana katika mashine za X-Ray au kununuliwa moja kwa moja kutoka sokoni.

Transformer ya juu ni sehemu muhimu zaidi ya coil yaTesla. Ni tu transformer induction. Jukumu lake ni kuchaji capacitor ya msingi mwanzoni mwa kila mzunguko. Mbali na nguvu yake, unene wake ni muhimu sana kwani lazima iweze kuhimili hali ya utendaji kali (kichungi cha kinga wakati mwingine ni muhimu).

Neon transformer (NST) ambayo tunatumia kwa coil yetu ya tesla, sifa (maadili ya rms) ni yafuatayo:

Piga = 9000 V, Iout = 30 mA

Pato la sasa ni, kwa kweli, 25mA, 30mA ndio kilele ambacho kinashuka hadi 25 mA baada ya kuanza.

Sasa tunaweza kuhesabu nguvu yake P = V I, ambayo itakuwa muhimu kuweka vipimo vya ulimwengu vya coil ya Tesla na wazo mbaya la urefu wa cheche zake.

P = 225 W (kwa 25 mA)

Impedance ya NST = NST Vout ∕ NST Iout = 9000 / 0.25 = 360 KΩ

Hatua ya 5: Mzunguko wa Msingi

Kiongozi:

Jukumu la capacitoris ya msingi kuhifadhi kiwango fulani cha malipo kwa mzunguko unaokuja na pia kuunda mzunguko wa LC pamoja na inductor ya msingi.

Kipaumbele cha msingi kawaida hutengenezwa kwa kofia kadhaa zilizopigwa waya katika safu / usanidi sambamba uitwao Multi-Mini Capacitor (MMC)

Capacitor ya msingi hutumiwa na coil ya msingi kuunda msingi wa LC. Capacitor yenye ukubwa wa juu inaweza kuharibu NST, kwa hivyo capacitor kubwa zaidi kuliko Resonate (LTR) inapendekezwa sana. LTR capacitor pia itatoa nguvu nyingi kupitia coil ya Tesla. Mapungufu tofauti ya msingi (tuli dhidi ya rotary ya usawazishaji) itahitaji vitengo tofauti vya msingi.

Cres = Uwezo wa Msingi wa Upatanisho (uF) = 1 ∕ (2 * π * Impedance ya NST * NST Fin) = 1 / (2 * π * 360 000 * 50) = 8.8419nF

CLTR = Msingi mkubwa-kuliko-resonance (LTR) Uwezo Mkali (uF) = Msingi Uwezo wa Uwezo × 1.6

= 14.147nF

(hii inaweza kutofautiana kidogo kutoka kwa takriban hadi nyingine, mgawo uliopendekezwa wa 1.6-1.8)

Tulitumia capacitors 2000V 100nF, Nb = Cunit / Cequiv = 100nF / 0.0119 uF = 9 Capacitors. Kwa hivyo kwa kofia 9 tuna Ceq = 0.0111uF = uwezo wa MMC.

Fikiria juu ya kuunganisha nguvu kubwa, vipingaji vya 10MOhms sambamba na kila capacitor kwa usalama.

Ushawishi:

Jukumu la inductor ya msingi ni kutengeneza uwanja wa sumaku kuingizwa kwenye mzunguko wa sekondari na pia kuunda mzunguko wa LC na capacitor ya msingi. Sehemu hii lazima iweze kusafirisha sasa nzito bila hasara nyingi.

Jiometri tofauti zinawezekana kwa coil ya msingi. Kwa upande wetu tutabadilisha ond iliyosambazwa kama gorofa ya msingi. Jiometri hii kawaida husababisha unganisho dhaifu na hupunguza hatari ya kupigia msingi: kwa hivyo inapendekezwa kwenye kozi zenye nguvu. Hata hivyo ni kawaida katika coil za chini za umeme kwa urahisi wa ujenzi. Kuongeza kuunganishwa kunawezekana kwa kupunguza coil ya sekondari kwenye msingi.

Wacha W iwe upana wa ond uliopewa na W = Rmax - Rmin na R eneo lake la maana, yaani R = (Rmax + Rmin) / 2, zote zikiwa zimeonyeshwa kwa sentimita. Ikiwa coil ina zamu N, fomula ya kimfumo inayotoa inductance yake L katika microhenrys ni:

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

Kwa umbo la helic Ikiwa tunamwita R eneo la helix, H urefu wake (wote kwa sentimita) na N idadi yake ya zamu, fomula ya kimantiki inayosababisha inductance yake L katika microhenrys ni: Lhelic = (0.374 (NR) ^ 2) / (9R + 10H).

Hizi ni fomula nyingi ambazo unaweza kutumia na kukagua, zitatoa matokeo ya karibu, njia sahihi zaidi ni kutumia oscilloscope na kupima majibu ya masafa, lakini fomula pia ni muhimu kwa kujenga coil. Unaweza pia kutumia programu ya kuiga kama JavaTC.

Mfumo 2 wa umbo bapa: L = [0.25 * N ^ 2 * (D1 + N * (W + S)) ^ 2] / [15 * (D1 + N * (W + S)) + 11 * D1]

ambapo N: idadi ya zamu, W: waya kipenyo kwa inchi, S: nafasi ya waya kwa inchi, D1: kipenyo cha ndani kwa inchi

Takwimu za kuingiza za Coil yangu ya Tesla:

Radi ya ndani: inchi 4.5, zamu 11.2, nafasi ya inchi 0.25, kipenyo cha waya = 6 mm, radius ya nje = inchi 7.898.

L kutumia Mfumo 2 = 0.03098mH, kutoka JavaTC = 0.03089mH

Kwa hivyo, masafa ya msingi: f1 = 271.6 KHz (L = 0.03089 mH, C = 0.0111MFD)

Uzoefu wa Maabara (usanidi wa msingi wa msingi)

na tukapata resonance saa 269-271KHz, ambayo inathibitisha hesabu, ona Takwimu.

Hatua ya 6: Spark Pengo

Kazi ya pengo la cheche ni kufunga mzunguko wa msingi wa LC wakati capacitor imeshtakiwa vya kutosha, na hivyo kuruhusu oscillations ya bure ndani ya mzunguko. Hii ni sehemu ya umuhimu mkubwa katika coil ya Tesla kwa sababu mzunguko wake wa kufunga / kufungua utakuwa na ushawishi mkubwa kwenye pato la mwisho.

Pengo bora la cheche lazima liwashi wakati tu voltage kwenye capacitor iko juu na inafunguliwa tena wakati tu iko chini hadi sifuri. Lakini hii sio kweli katika pengo la kweli la cheche, wakati mwingine haina moto wakati inapaswa au inaendelea kuwaka wakati voltage tayari imepungua;

Kwa mradi wetu, tulitumia pengo la cheche tuli na elektroni mbili za duara (zilizojengwa kwa kutumia vipini viwili vya droo) ambazo tulitengeneza kwa mikono. Na inaweza kubadilishwa kwa mikono pia kwa kuzungusha vichwa vya duara.

Hatua ya 7: Mzunguko wa Sekondari

Coil:

Kazi ya coil ya sekondari ni kuleta sehemu ya kufata kwa mzunguko wa sekondari wa LC na kukusanya nishati ya coil ya msingi. Inductor hii ni solenoid iliyotiwa na hewa, kwa ujumla ina kati ya 800 na 1500 karibu na jeraha karibu. Ili kuhesabu idadi ya zamu ambazo zimejeruhiwa, fomula hii ya haraka itaepuka kazi fulani ya kupendeza:

Kupima waya 24 = 0.05 cm, kipenyo cha PVC inchi 4, idadi ya zamu = spires 1100, urefu unahitajika = 1100 x 0.05 = 55 cm = inchi 21.6535. => L = 20.853 mH

ambapo H ni urefu wa coil na d kipenyo cha waya uliotumiwa. Kigezo kingine muhimu ni urefu l tunahitaji kutengeneza coil nzima.

L = µ * N ^ 2 * A / H. Ambapo µ inawakilisha upenyezaji wa sumaku wa kati (≈ 1.257 · 10−6 N / A ^ 2 kwa hewa), N idadi ya zamu ya solenoid, H urefu wake wote, na A eneo la zamu.

Mzigo wa Juu:

Mzigo wa juu hufanya kama "sahani" ya juu ya capacitor iliyoundwa na mzigo wa juu na ardhi. Inaongeza uwezo kwa mzunguko wa sekondari wa LC na inatoa uso ambao arcs zinaweza kuunda. Inawezekana, kwa kweli, kuendesha coil ya Tesla bila mzigo wa juu, lakini maonyesho kwa urefu wa arc mara nyingi ni duni, kwani nguvu nyingi hutawanyika kati ya koili ya sekondari badala ya kulisha cheche.

Uwezo wa Toroid 1 = ((1+ (0.2781 - Kipenyo cha Gonga ∕ (Kipenyo cha Jumla)) × 2.8 × sqrt ((pi × (Kipenyo Kwa ujumla × Kipenyo cha Gonga)) ∕ 4))

Uwezo wa Toroid 2 = (1.28 - Kipenyo cha Gonga ∕ Kipenyo kwa ujumla) × sqrt (2 × pi × Kipenyo cha Gonga × (Kipenyo cha Jumla - Kipenyo cha Gonga))

Uwezo wa Toroid 3 = 4.43927641749 × ((0.5 × (Kipenyo cha Gonga × (Kipenyo cha Jumla - Kipenyo cha Gonga))) ^ 0.5)

Wastani wa Uwezo wa Toroid = (Uwezo wa Toroid 1 + Uwezo wa Toroid 2 + Uwezo wa Toroid 3) ∕ 3

Kwa hivyo kwa toroid yetu: kipenyo cha ndani 4 ", kipenyo cha nje = 13", nafasi kutoka mwisho wa vilima vya sekondari = 5cm.

C = 13.046 pf

Uwezo wa Coil ya Sekondari:

Uwezo wa Sekondari (pf) = (0.29 × Urefu wa Upepo wa waya + (0.41 × (Kipenyo cha Fomu ya Sekondari ∕ 2)) + (1.94 × sqrt (((Kipenyo cha Fomu ya Sekondari ∕ 2) 3) ∕ Urefu wa Upepo wa waya wa pili))

Csec = 8.2787 pF;

Inafurahisha pia kujua uwezo wa vimelea wa (vimelea). Hapa pia fomula ni ngumu katika hali ya jumla. Tutatumia thamani iliyotolewa na JAVATC ("Ufanisi shunt capacitance" bila mzigo wa juu):

Cres = 6.8 pF

Kwa hivyo, kwa mzunguko wa sekondari:

Ctot = 8.27 + 13.046 = 21.316pF

Lsec = 20.853mH

Matokeo ya majaribio ya Maabara:

Tazama picha hapo juu kwa utaratibu wa upimaji na upimaji wa matokeo.

Hatua ya 8: Usanidi wa Sauti

Kuweka mizunguko ya msingi na sekondari kwa sauti, wacha washiriki masafa sawa ya resonant ni ya umuhimu mkubwa kwa utendaji mzuri.

Majibu ya mzunguko wa RLC ni nguvu zaidi wakati inaendeshwa kwa masafa ya resonant. Katika mzunguko mzuri wa RLC, kiwango cha majibu huanguka sana wakati mzunguko wa kuendesha unatoka kwa thamani ya resonant.

Mzunguko wetu wa resonant = 267.47 kHz.

Njia za kupangilia:

Uwekaji kwa ujumla hufanywa kwa kurekebisha inductance ya msingi, kwa sababu tu ni sehemu rahisi zaidi kurekebisha. Kwa kuwa inductor hii ina zamu pana, ni rahisi kurekebisha tabia yake ya kibinafsi kwa kugonga kiunganishi cha mwisho mahali fulani kwenye ond.

Njia rahisi zaidi ya kufikia marekebisho haya ni kwa kujaribu-na-kosa. Kwa hili, mtu huanza kugonga msingi kwa hatua inayodhaniwa kuwa karibu na ile ya resonant, kuwasha coil, na kutathmini urefu wa arc. Kisha ond hupigwa robo ya zamu mbele / nyuma na mtu atathmini tena matokeo. Baada ya kujaribu kadhaa, mtu anaweza kuendelea na hatua ndogo, na mwishowe atapata hatua ya kugonga ambapo urefu wa arc ni wa juu zaidi. Kwa kawaida, kugonga hii

uhakika utaweka inductance ya msingi kama vile mizunguko yote iko kwenye sauti.

Njia sahihi zaidi ingehusisha uchambuzi wa majibu ya mtu binafsi ya mizunguko yote miwili (katika usanidi uliounganishwa, kwa kweli, i.e. bila kutenganisha nyaya) na jenereta ya ishara na oscilloscope.

Arcs wenyewe zinaweza kutoa uwezo wa ziada. Kwa hivyo inashauriwa kuweka masafa ya msingi ya resonant chini kidogo kuliko ya sekondari, ili kulipa fidia hii. Walakini, hii inaonekana tu na coil zenye nguvu za Tesla (ambazo zinaweza kutoa arcs zaidi ya 1m).

Hatua ya 9: Voltage katika Sekondari-Spark

Sheria ya Paschen ni equation ambayo inatoa voltage ya kuvunjika, ambayo ni, voltage muhimu ili kuanza kutokwa au safu ya umeme, kati ya elektroni mbili kwenye gesi kama kazi ya shinikizo na urefu wa pengo.

Bila kupata hesabu ya kina kwa kutumia fomula tata, kwa hali ya kawaida inahitaji 3.3MV ionize 1m ya hewa kati ya elektroni mbili. Kwa upande wetu tuna arcs kuhusu 10-13cm kwa hivyo itakuwa kati ya 340KV na 440KV.

Hatua ya 10: Mavazi ya Cage ya Faraday

Ngome ya Faraday au ngao ya Faraday ni boma linalotumiwa kuzuia uwanja wa umeme. Ngao ya Faraday inaweza kutengenezwa na kifuniko endelevu cha nyenzo zinazoendesha au katika kesi ya ngome ya Faraday, na matundu ya vifaa kama hivyo.

Tulibuni matabaka manne, yaliyowekwa chini, ya kuvaliwa ngome ya siku kuu kama inavyoonekana kwenye picha (vifaa vilivyotumika: Aluminium, pamba, ngozi). Unaweza kuijaribu pia kwa kuweka simu yako ya ndani, itapoteza ishara, au kuiweka mbele ya coil yako ya tesla na kuweka taa za neon ndani ya ngome, hazitaangaza, basi unaweza kuiweka na kuijaribu.

Hatua ya 11: Viambatisho na Marejeleo

Hatua ya 12: Kujenga Coil ya Msingi

Hatua ya 13: Kupima NST

Hatua ya 14: Kujenga Coil ya Msingi