Spark Gap Tesla Bobini: 14 Adım

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:17

Bu, bir Faraday kafes elbise ile bir Spark Gap Tesla Bobininin nasıl oluşturulacağına dair bir eğitimdir.

Bu proje ben ve ekibim (3 öğrenci) 16 iş günü sürdü, maliyeti yaklaşık 500 USD, sizi temin ederim ki ilk seferde çalışmayacaktır:) ve seçtiğiniz bileşenlerle nasıl başa çıkacağınızı bilin.

Bu talimatta, sizi arkasındaki tüm teori, kavramlar, formüller, tüm parçalar için adım adım inşa edeceğim. Daha küçük veya daha büyük bobinler yapmak istiyorsanız, konsept ve formüller aynı olacaktır.

Bu proje için gereksinimler:

- Bilgi: Elektrik, elektronik, elektromanyetik ve laboratuvar ekipmanları

- Osiloskop

- Neon Tabela transformatörü; 220V - 9kV

- Yüksek voltajlı kapasitörler

- Bakır kablolar veya bakır borular

- Kasanızı oluşturmak için ahşap

- İkincil bobin için PVC boru

- Toroid için esnek metal boru

- Kıvılcım aralığı için küçük bir 220V elektrikli Fan

- Faraday kafes elbise için alüminyum kağıtlar ve ağ

- İkincil için yalıtımlı teller

- Neon Lambalar

- Stabil bir 220VAC'niz yoksa Voltaj Regülatörü

- Toprak bağlantısı

- Çok sabır

Adım 1: Spark Gap Tesla Bobinine Giriş

Bir Tesla bobini, birincil ve ikincil bir LC devresi içeren bir rezonans transformatörüdür. Mucit Nikola Tesla tarafından 1891'de tasarlanan iki LC devresi gevşek bir şekilde birbirine bağlanmıştır. Güç, bir kondansatörü şarj eden bir yükseltici transformatör aracılığıyla birincil devreye beslenir. Sonunda, kapasitör üzerindeki voltaj, bir kıvılcım aralığını kısa devre yapacak kadar artacaktır. Kondansatör, kıvılcım boşluğundan ve birincil bobine boşalacaktır. Enerji, yüksek frekanslarda (tipik olarak 50 kHz-2 MHz) birincil kapasitör ile birincil bobin indüktörü arasında ileri geri salınır. Birincil bobin, ikincil devrede ikincil bobin adı verilen bir indüktöre bağlanır. İkincil bobinin üstüne, ikincil LC devresi için kapasitans sağlayan bir üst yük eklenmiştir. Birincil devre salınım yaparken, voltajın birçok kez çarpıldığı ikincil bobinde güç indüklenir. Yüksek gerilimli, düşük akımlı bir alan, tepedeki yükün ve yıldırım boşalmasının yaylarının etrafında tatlı bir dehşet görüntüsü içinde gelişir. Maksimum güç aktarımını sağlamak için birincil ve ikincil LC devreleri aynı frekansta salınmalıdır. Bobin içindeki devreler genellikle birincil bobinin endüktansını ayarlayarak aynı frekansa "ayarlanır". Tesla bobinleri, büyük bobinler için 50 kilovolttan birkaç milyon volta kadar çıkış voltajları üretebilir.

2. Adım: Teori

Bu bölüm, geleneksel bir Tesla bobininin tüm çalışma teorisini kapsayacaktır. Birincil ve ikincil devrelerin, gerçeğe uygun düşük dirençli RLC devreleri olduğunu düşüneceğiz.

Yukarıda belirtilen nedenlerden dolayı, bileşenin iç direnci temsil edilmemektedir. Akım sınırlamalı transformatörü de değiştireceğiz. Bunun saf teori ile ilgili bir etkisi yoktur.

İkincil devrenin bazı bölümlerinin noktalı çizgilerle çizildiğini unutmayın. Bunun nedeni, cihaz üzerinde doğrudan görünmemeleridir. İkincil kondansatör ile ilgili olarak, kapasitesinin gerçekten dağıtıldığını göreceğiz, üst yük bu kapasitörün yalnızca "bir plakası". İkincil kıvılcım aralığı ile ilgili olarak, arkların nerede olacağını göstermenin bir yolu olarak şematikte gösterilmiştir.

Döngünün bu ilk adımı, birincil kapasitörün jeneratör tarafından doldurulmasıdır. Frekansının 50 Hz olduğunu varsayacağız. Jeneratör (NST) akımla sınırlı olduğundan, kapasitörün kapasitesi tam olarak 1/100 saniyede tamamen şarj olacak şekilde dikkatlice seçilmelidir. Gerçekten de, jeneratörün voltajı bir periyotta iki kez değişir ve bir sonraki döngüde, kapasitörü zıt kutuplu olarak yeniden şarj eder, bu da Tesla bobininin çalışması hakkında kesinlikle hiçbir şeyi değiştirmez.

Kondansatör tamamen şarj olduğunda, kıvılcım aralığı patlar ve bu nedenle birincil devreyi kapatır. Havanın arıza elektrik alanının yoğunluğunu bilerek, kıvılcım aralığının genişliği, tam olarak kapasitör üzerindeki voltaj tepe değerine ulaştığında ateşlenecek şekilde ayarlanmalıdır. Jeneratörün rolü burada sona eriyor.

Artık bir LC devresinde tam yüklü bir kapasitörümüz var. Akım ve voltaj böylece daha önce gösterildiği gibi devrelerin rezonans frekansında salınım yapacaktır. Bu frekans, şebeke frekansına göre çok yüksektir, genellikle 50 ile 400 kHz arasındadır.

Birincil ve ikincil devreler manyetik olarak bağlanmıştır. Birincilde meydana gelen salınımlar böylece ikincilde bir elektromotor kuvveti indükleyecektir. Primerin enerjisi sekondere atıldığında, primerdeki salınımların genliği kademeli olarak azalırken, sekonderinkiler artar. Bu enerji transferi manyetik indüksiyon yoluyla yapılır. İki devre arasındaki bağlantı sabiti k, özellikle 0,05 ile 0,2 arasında, özellikle düşük tutulur.

Birincildeki salınımlar, bu nedenle, ikincil devreye seri olarak yerleştirilmiş bir AC voltaj üreteci gibi hareket edecektir.

En büyük çıkış voltajını üretmek için, birincil ve ikincil ayarlı devreler birbirleriyle rezonansa ayarlanmıştır. İkincil devre genellikle ayarlanabilir olmadığından, bu genellikle birincil bobin üzerinde ayarlanabilir bir musluk ile yapılır. İki bobin ayrı olsaydı, birincil ve ikincil devrelerin rezonans frekansları, her devredeki endüktans ve kapasitans tarafından belirlenirdi.

Adım 3: İkincil Devre İçinde Kapasitansın Dağılımı

İkincil kapasitans Cs, tesla bobininin çalışması için gerçekten önemlidir, ikincil bobinin kapasitansı, rezonans frekansının hesaplanması için gereklidir, tüm parametreleri hesaba katmazsanız bir kıvılcım görmezsiniz. Bu kapasitans birçok katkıdan oluşur ve hesaplanması zordur, ancak ana bileşenlerine bakacağız.

Üst yük - Zemin.

İkincil kapasitansın en yüksek kısmı üst yükten gelir. Gerçekten de, "plakaları" üst yük ve zemin olan bir kapasitörümüz var. Bu plakalar ikincil bobine bağlı olduğundan, bunun gerçekten bir kapasitör olması şaşırtıcı olabilir. Bununla birlikte, empedansı oldukça yüksektir, bu yüzden aslında aralarında oldukça potansiyel bir fark vardır. Bu katkıyı Ct olarak adlandıracağız.

İkincil bobinin dönüşleri.

Diğer büyük katkı ise ikincil bobinden geliyor. Birçok bitişik emaye bakır tel dönüşünden yapılmıştır ve bu nedenle endüktansı uzunluğu boyunca dağıtılır. Bu, iki bitişik dönüş arasında küçük bir potansiyel fark olduğu anlamına gelir. Daha sonra, bir dielektrik ile ayrılmış, farklı potansiyelde iki iletkenimiz var: başka bir deyişle, bir kapasitör. Aslında, her kablo çiftinde bir kapasitör vardır, ancak kapasitesi mesafe ile azalır, bu nedenle yalnızca iki bitişik dönüş arasındaki kapasite iyi bir yaklaşım olarak kabul edilebilir.

İkincil bobinin toplam kapasitesine Cb diyelim.

Aslında, her ikincil bobin kendi kapasitesine sahip olacağından Tesla bobininde üst yük olması zorunlu değildir. Ancak, güzel kıvılcımlar elde etmek için bir üst yük çok önemlidir.

Çevredeki nesnelerden ekstra kapasite olacaktır. Bu kondansatör, bir tarafta üst yük ve diğer tarafta iletken nesneler (duvarlar, tesisat boruları, mobilya vb.) tarafından oluşturulur.

Bu dış faktörlerin kondansatörünü Ce olarak adlandıracağız.

Tüm bu "kapasitörler" paralel olduğundan, ikincil devrenin toplam kapasitesi şu şekilde verilecektir:

Cs = Ct + Cb + Ce

Adım 4: Konsept ve İnşaat

Bizim durumumuzda, NST'nin voltaj girişini 220V'da tutmak için otomatik bir voltaj regülatörü kullandık.

Ve yerleşik bir AC hat filtresi içerir (YOKOMA ELECTRIC WORKS., LTD. Japonya-Model AVR-2'de).

Bu cihaz, X-Ray makinelerinde bulunabilir veya doğrudan piyasadan satın alınabilir.

aTesla bobininin en önemli parçası yüksek gerilim trafosudur. Bu sadece bir endüksiyon transformatörüdür. Rolü, her döngünün başında birincil kapasitörü şarj etmektir. Gücünün yanı sıra, müthiş çalışma koşullarına dayanması gerektiği için sağlamlığı çok önemlidir (bazen bir koruma filtresi gereklidir).

Tesla bobinimiz için kullandığımız neon tabela transformatörü (NST), özellikleri (rms değerleri) aşağıdaki gibidir:

Vout = 9000 V, Iout = 30 mA

Çıkış akımı aslında 25mA'dır, 30mA başladıktan sonra 25 mA'ya düşen tepe değeridir.

Şimdi onun gücünü P = VI hesaplayabiliriz; bu, Tesla bobininin küresel boyutlarını ve ayrıca kıvılcımlarının uzunluğu hakkında kaba bir fikir belirlemek için faydalı olacaktır.

P = 225 W (25 mA için)

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

Adım 5: Birincil Devre

kapasitör:

Birincil kapasitörün rolü, bir sonraki döngü için belirli bir miktarda şarj depolamak ve ayrıca birincil indüktör ile birlikte bir LC devresi oluşturmaktır.

Birincil kapasitör genellikle, Çoklu Mini Kondansatör (MMC) adı verilen bir seri/paralel konfigürasyonda bağlanmış birkaç düzine kapaktan yapılır.

Birincil kondansatör, birincil LC devresini oluşturmak için birincil bobinle birlikte kullanılır. Rezonans boyutlu bir kapasitör NST'ye zarar verebilir, bu nedenle Rezonattan Daha Büyük (LTR) boyutlu bir kapasitör şiddetle tavsiye edilir. Bir LTR kondansatörü ayrıca Tesla bobini aracılığıyla en fazla gücü sağlayacaktır. Farklı birincil boşluklar (statik ve senkron döner), farklı boyutta birincil kapasitörler gerektirecektir.

Cres = Birincil Rezonat Kapasitesi (uF) = 1 ∕ (2 * π * NST Empedansı * NST Fin)=1/ (2*π*360 000 * 50) =8.8419nF

CLTR = Birincil rezonanstan daha büyük (LTR) Statik Kapasitans (uF) = Birincil Rezonans Kapasitansı × 1,6

= 14.147nF

(bu, bir yaklaşımdan diğerine biraz farklı olabilir, önerilen katsayı 1.6-1.8)

2000V 100nF kapasitör kullandık, Nb= Cunit/Cequiv= 100nF/0.0119 uF= 9 Kondansatör. Yani tam olarak 9 büyük harf için Ceq= 0.0111uF= MMC kapasitansına sahibiz.

Güvenlik için her bir kapasitöre paralel olarak yüksek güçlü, 10MOhms dirençler bağlamayı düşünün.

İndüktans:

Birincil indüktörün rolü, ikincil devreye enjekte edilecek bir manyetik alan oluşturmak ve ayrıca birincil kapasitör ile bir LC devresi oluşturmaktır. Bu bileşen, aşırı kayıplar olmadan ağır akımı taşıyabilmelidir.

Birincil bobin için farklı geometriler mümkündür. Bizim durumumuzda yassı kemerli spirali birincil bobin olarak uyarlayacağız. Bu geometri doğal olarak daha zayıf bir bağlantıya yol açar ve birincilde ark oluşma riskini azaltır: bu nedenle güçlü bobinlerde tercih edilir. Bununla birlikte, yapım kolaylığı nedeniyle daha düşük güç bobinlerinde oldukça yaygındır. Bağlantıyı arttırmak, ikincil bobini birincil bobine indirerek mümkündür.

W, spiralin genişliği W = Rmax − Rmin ve R ortalama yarıçapı, yani R = (Rmax + Rmin)/2, her ikisi de santimetre olarak ifade edilsin. Bobinin N dönüşü varsa, mikrohenrys cinsinden endüktansını L veren ampirik bir formül şöyledir:

Ldüz =(0.374(NR)^2)/(8R+11W).

Sarmal şekil için R'ye sarmalın yarıçapı, H'ye yüksekliği (her ikisi de santimetre olarak) ve N'ye dönüş sayısı dersek, endüktansını L mikrohenrys cinsinden veren ampirik bir formül şudur: Lhelik =(0.374(NR)^2) /(9R+10H).

Bunlar kullanabileceğiniz ve kontrol edebileceğiniz birçok formüldür, yakın sonuçlar verecektir, en doğru yol osiloskop kullanmak ve frekans tepkisini ölçmektir ancak formüller bobini oluşturmak için de gereklidir. JavaTC gibi simülasyon yazılımlarını da kullanabilirsiniz.

Düz şekil için formül 2: L= [0.25*N^2*(D1+N*(W+S))^2]/[15*(D1+N*(W+S))+11*D1]

burada N: dönüş sayısı, W: inç cinsinden tel çapı, S: inç cinsinden tel aralığı, D1: inç cinsinden iç çap

Tesla Bobinimin giriş verileri:

İç yarıçap: 4,5 inç, 11,2 dönüş, 0,25 inç aralık, tel çapı=6 mm, dış yarıçap=7,898 inç.

L Formül 2=0.03098mH kullanarak, JavaTC'den= 0.03089mH

Bu nedenle, birincil frekans: f1= 271.6 KHz (L=0.03089 mH, C=0.0111MFD)

Laboratuvar deneyimi (birincil frekans ayarlama)

ve hesaplamayı doğrulayan 269-271KHz'de rezonans elde ettik, bkz. Şekiller.

Adım 6: Kıvılcım Boşluğu

Kıvılcım aralığının işlevi, kapasitör yeterince şarj olduğunda birincil LC devresini kapatmak ve böylece devre içinde serbest salınımlara izin vermektir. Bu, bir Tesla bobininde birincil öneme sahip bir bileşendir çünkü kapanma/açılma frekansı, nihai çıktı üzerinde önemli bir etkiye sahip olacaktır.

İdeal bir kıvılcım aralığı, tam kapasitör üzerindeki voltaj maksimum olduğunda ateşlenmeli ve tam sıfıra düştüğünde yeniden açılmalıdır. Ancak gerçek bir kıvılcım aralığında durum elbette böyle değildir, bazen olması gerektiği halde ateşlemez veya voltaj zaten düştüğünde ateşlemeye devam eder;

Projemiz için manuel olarak tasarladığımız iki küresel elektrotlu (iki çekmece kulpu kullanılarak oluşturulmuş) statik bir kıvılcım aralığı kullandık. Ve küresel kafaları döndürerek manuel olarak da ayarlanabilir.

Adım 7: İkincil Devre

bobin:

İkincil bobinin işlevi, ikincil LC devresine endüktif bir bileşen getirmek ve birincil bobinin enerjisini toplamaktır. Bu indüktör, genellikle 800 ile 1500 arasında yakın sarılmış bitişik dönüşlere sahip olan hava çekirdekli bir solenoiddir. Sarılmış olan dönüşlerin sayısını hesaplamak için, bu hızlı formül belirli bir titiz çalışmayı önleyecektir:

Tel ölçüsü 24 = 0,05 cm, PVC çapı 4 inç, dönüş sayısı=1100 kule, gerekli yükseklik=1100 x 0.05= 55 cm = 21.6535 inç. => L= 20,853 mH

burada H bobinin yüksekliği ve d kullanılan telin çapıdır. Bir diğer önemli parametre ise tüm bobini yapmamız için gereken uzunluk l.

L=µ*N^2*A/H. Burada µ ortamın manyetik geçirgenliğini temsil eder (hava için ≈ 1.257 · 10−6 N/A^2), N solenoidin dönüş sayısını, H toplam yüksekliğini ve A bir dönüşün alanını temsil eder.

Üst Yük:

Üst yük, üst yük ve zemin tarafından oluşturulan kapasitörün üst "plakası" gibi davranır. İkincil LC devresine kapasite ekler ve arkların oluşabileceği bir yüzey sunar. Aslında, bir Tesla bobinini üst yük olmadan çalıştırmak mümkündür, ancak enerjinin çoğu, kıvılcımları beslemek yerine ikincil bobin dönüşleri arasında dağıldığından, ark uzunluğu açısından performanslar genellikle zayıftır.

Toroid Kapasite 1 = ((1+ (0.2781 − Halka Çapı ∕ (Toplam Çap))) × 2.8 × sqrt ((pi × (Toplam Çap × Halka Çapı)) ∕ 4))

Toroid Kapasite 2 = (1.28 − Halka Çapı ∕ Genel Çap) × sqrt (2 × pi × Halka Çapı × (Toplam Çap − Halka Çapı))

Toroid Kapasite 3 = 4.43927641749 × ((0.5 × (Halka Çapı × (Toplam Çap − Halka Çapı))) ^0.5)

Ortalama Toroid Kapasitesi= (Toroid Kapasite 1 + Toroid Kapasite 2 + Toroid Kapasite 3) ∕ 3

Yani toroidimiz için:iç çap 4”, dış çap=13”, sekonder sargının sonundan itibaren boşluk= 5cm.

C=13.046 pf

İkincil Bobin Kapasitansı:

İkincil Kapasitans (pf)= (0,29 × İkincil Tel Sargı Yüksekliği + (0,41 × (İkincil Form Çapı ∕ 2)) + (1,94 × sqrt(((İkincil Form Çapı ∕ 2) 3) ∕ İkincil Tel Sargı Yüksekliği))

Csec= 8.2787 pF;

Bobinin (parazitik) kapasitansını bilmek de ilginçtir. Burada da formül genel durumda karmaşıktır. JAVATC tarafından verilen değeri kullanacağız ("Etkili şönt kapasitansı" üst yük olmadan):

Kre = 6.8 pF

Bu nedenle, ikincil devre için:

Ctot=8.27+13.046=21.316pF

Lsn=20,853mH

Laboratuvar deneyleri sonuçları:

Test prosedürü ve test sonuçları için yukarıdaki resimlere bakın.

Adım 8: Rezonans Ayarı

Birincil ve ikincil devreleri rezonansa ayarlamak, aynı rezonans frekansını paylaşmalarını sağlamak, iyi çalışma için çok önemlidir.

Bir RLC devresinin yanıtı, rezonans frekansında sürüldüğünde en güçlüsüdür. İyi bir RLC devresinde, sürüş frekansı rezonans değerinden saptığında tepki yoğunluğu keskin bir şekilde düşer.

Rezonans frekansımız= 267.47 kHz.

Ayarlama yöntemleri:

Ayar genellikle birincil endüktansı ayarlayarak yapılır, çünkü değiştirilmesi en kolay bileşendir. Bu indüktör geniş dönüşlere sahip olduğundan, son konektöre spiralde belirli bir yere dokunarak kendi endüktansını değiştirmek kolaydır.

Bu ayarlamayı başarmanın en basit yöntemi deneme yanılma yöntemidir. Bunun için, rezonansa yakın olduğu varsayılan bir noktada primere dokunmaya başlar, bobini yakar ve ark uzunluğunu değerlendirir. Ardından spirale dörtte bir ileri/geri vuruş yapılır ve sonuç yeniden değerlendirilir. Birkaç denemeden sonra, daha küçük adımlarla ilerlenebilir ve sonunda yay uzunluğunun en yüksek olduğu kılavuz çekme noktası elde edilir. Normalde, bu dokunma

nokta, her iki devrenin de rezonansta olduğu gibi birincil endüktansı gerçekten ayarlayacaktır.

Daha kesin bir yöntem, her iki devrenin (elbette birleştirilmiş konfigürasyonda, yani devreleri fiziksel olarak ayırmadan) bir sinyal üreteci ve bir osiloskop ile bireysel yanıtının bir analizini içerecektir.

Arkların kendileri ekstra kapasitans üretebilir. Bu nedenle, bunu telafi etmek için birincil rezonans frekansının ikincilden biraz daha düşük ayarlanması tavsiye edilir. Ancak bu, yalnızca güçlü Tesla bobinlerinde (1m'den daha uzun yaylar üretebilen) fark edilir.

Adım 9: İkincil Kıvılcımdaki Gerilim

Paschen Yasası, basınç ve boşluk uzunluğunun bir fonksiyonu olarak bir gazdaki iki elektrot arasında bir deşarj veya elektrik arkı başlatmak için gerekli voltajı yani arıza voltajını veren bir denklemdir.

Karmaşık formülü kullanarak detaylı hesaplamaya girmeden normal şartlar için iki elektrot arasındaki 1m havayı iyonize etmek için 3.3MV gerekir. Bizim durumumuzda yaklaşık 10-13cm yaylarımız var, bu yüzden 340KV ile 440KV arasında olacak.

Adım 10: Faraday Kafes Elbisesi

Faraday kafesi veya Faraday kalkanı, elektromanyetik alanları engellemek için kullanılan bir muhafazadır. Bir Faraday kalkanı, iletken malzemenin sürekli bir şekilde kaplanmasıyla veya bir Faraday kafesi durumunda, bu tür malzemelerin bir ağ örgüsü ile oluşturulabilir.

Dört katmanlı, topraklı, giyilebilir faraday kafesini resimdeki gibi tasarladık (kullanılan malzemeler: Alüminyum, pamuk, deri). Cep telefonunuzu da içine koyarak test edebilirsiniz, sinyal kaybedecek veya tesla bobininizin önüne yerleştirip kafesin içine neon lambalar koyacaksınız, yanmayacaklar, sonra takıp deneyebilirsiniz.

Adım 11: Ekler ve Referanslar

Adım 12: Birincil Bobini Oluşturma

Adım 13: NST'yi Test Etme

Adım 14: Birincil Bobini Oluşturma