Qığılcım boşluğu Tesla Bobini: 14 addım

2024 Müəllif: John Day | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2024-01-30 07:44

Bu, Faraday qəfəs paltarı ilə bir Spark Gap Tesla Bobinin necə qurulacağına dair bir dərsdir.

Bu layihə mənə və komandama (3 tələbə) 16 iş günü sərf etdi, təxminən 500 ABŞ dollarına başa gəlir, sizi əmin edim ki, ilk dəfə işləməyəcək:) və seçdiyiniz komponentlərlə necə davranacağınızı bilirsiniz.

Bu təlimatda, sizi bütün hissələr üçün addım -addım quraraq bütün nəzəriyyəni, anlayışları, düsturları nəzərdən keçirəcəyəm. Kiçik və ya daha böyük bobinlər qurmaq istəyirsinizsə, konsepsiya və düsturlar eyni olacaq.

Bu layihə üçün tələblər:

- Biliklər: Elektrik, elektronika, elektromaqnit və laboratoriya avadanlığı

- Osiloskop

- Neon Bürc transformatoru; 220V -dan 9kV -a qədər

- Yüksək gərginlikli kondansatörlər

- Mis kabellər və ya mis kabellər

- Şassinizi qurmaq üçün ağac

- İkinci dərəcəli bobin üçün PVC boru

- Toroid üçün çevik metal boru

- Qığılcım boşluğu üçün kiçik 220V elektrik fanatı

- Faraday qəfəs paltarı üçün alüminium kağızlar və mesh

- İkincisi üçün izolyasiya edilmiş tellər

- Neon lampalar

- Sabit 220VAC yoxdursa, Gərginlik Tənzimləyicisi

- Torpağa qoşulma

- Çox səbr

Addım 1: Spark Gap Tesla Bobininə Giriş

Tesla bobini, birincil və ikincil LC dövrəsi olan rezonans transformatorudur. 1891 -ci ildə ixtiraçı Nikola Tesla tərəfindən hazırlanan iki LC dövrəsi bir -birinə sərbəst bağlanmışdır. Güc, bir kondansatörü dolduran bir artım transformatoru vasitəsilə birincil dövrə verilir. Nəhayət, kondansatör üzərindəki gərginlik kifayət qədər artacaq və bir qığılcım boşluğunu qısaldır. Kondansatör qığılcım boşluğundan və birincil bobinə axacaq. Enerji yüksək tezliklərdə (adətən 50 kHz-2 MHz) birincil kondansatör və birincil bobin indüktoru arasında irəli və irəli salınacaq. Birincil bobin, ikincil bobin adlanan ikincil dövrədəki bir endüktöre bağlanır. İkincil bobinin üstünə, ikincil LC dövrəsi üçün tutum təmin edən üst yük əlavə olunur. Birincil dövrə salındıqca, gərginliyin dəfələrlə vurulduğu ikincil bobində güc yaranır. Yüksək gərginlik və aşağı cərəyan sahəsi, böyük bir yük və şimşək axıdılması ətrafında inkişaf edir. Birincil və ikincil LC sxemləri maksimum güc ötürülməsinə nail olmaq üçün eyni tezlikdə salınmalıdır. Bobindəki dövrələr, birincil bobinin endüktansını tənzimləyərək, ümumiyyətlə eyni tezliyə "köklənir". Tesla bobinləri böyük bobinlər üçün 50 kilovoltdan bir neçə milyon volta qədər çıxış gərginliyi istehsal edə bilər.

Addım 2: nəzəriyyə

Bu bölmə, adi Tesla rulonunun tam işləmə nəzəriyyəsini əhatə edəcək. Birincil və ikincil sxemlərin reallığa uyğun gələn aşağı müqavimətli RLC sxemləri olduğunu nəzərə alacağıq.

Yuxarıda göstərilən səbəblərə görə komponentin daxili müqaviməti təmsil olunmur. Cərəyanı məhdud olan transformatoru da dəyişdirəcəyik. Bunun təmiz nəzəriyyəyə heç bir təsiri yoxdur.

İkinci dövrənin bəzi hissələrinin nöqtəli xətlərlə çəkildiyini unutmayın. Bunun səbəbi cihazda birbaşa görünməməsidir. İkincili kondansatörlə əlaqədar olaraq, tutumunun əslində paylandığını, üst yükün yalnız bu kondansatörün "bir lövhəsi" olduğunu görəcəyik. İkincil qığılcım boşluğuna gəldikdə, qövslərin harada olacağını göstərmək üçün sxematik şəkildə göstərilmişdir.

Dövrün bu ilk addımı, birincil kondansatörün generator tərəfindən doldurulmasıdır. Onun tezliyinin 50 Hz olduğunu düşünürük. Jeneratör (NST) cərəyanla məhdud olduğundan kondansatörün tutumu diqqətlə seçilməlidir ki, tam 1/100 saniyədə tam doldurulsun. Həqiqətən, generatorun gərginliyi bir dövrdə iki dəfə dəyişir və növbəti dövrədə, Tesla bobininin işləməsi ilə bağlı heç bir şey dəyişdirməyən, əksinə polarite ilə kondansatörü yenidən dolduracaq.

Kondansatör tam doldurulduqda, qığılcım boşluğu yanır və buna görə də əsas dövrə bağlanır. Havanın elektrik sahəsinin parçalanmasının intensivliyini bilə -bilə, qığılcım boşluğunun genişliyi elə qurulmalıdır ki, kondansatör üzərindəki gərginlik pik dəyərinə çatanda tam olaraq yanar. Generatorun rolu burada bitir.

İndi bir LC dövrəsində tam yüklü bir kondansatör var. Cərəyan və gərginlik, əvvəllər göstərildiyi kimi, dövrələrin rezonans tezliyində salınacaq. Bu tezlik şəbəkə tezliyi ilə müqayisədə çox yüksəkdir, ümumiyyətlə 50 ilə 400 kHz arasındadır.

Birincil və ikincil sxemlər maqnitlə bağlanır. Birincidə baş verən salınımlar, ikincil olaraq bir elektromotor qüvvəyə səbəb olacaq. Birincinin enerjisi ikinciyə atıldıqca, ilkinin salınımlarının amplitudu tədricən azalacaq, ikincinin enerjisi isə artacaq. Bu enerji ötürülməsi maqnit induksiyası ilə həyata keçirilir. İki dövrə arasındakı birləşmə sabit k, məqsədli olaraq aşağı saxlanılır, ümumiyyətlə 0,05 ilə 0,2 arasındadır.

Birincildəki salınımlar, bir az ikincil dövrə üzərində ardıcıl olaraq yerləşdirilən AC gərginlik generatoru kimi hərəkət edəcək.

Ən böyük çıxış gərginliyini istehsal etmək üçün əsas və ikincil tənzimlənmiş sxemlər bir -biri ilə rezonansa uyğunlaşdırılır. İkincil dövrə ümumiyyətlə tənzimlənmədiyindən, bu, ümumiyyətlə, birincil bobindəki tənzimlənən bir kran ilə aparılır. İki bobin ayrı olsaydı, birincil və ikincil dövrələrin rezonans tezlikləri hər bir dövrədəki endüktans və kapasitansla təyin olunacaqdı.

Addım 3: İkinci Dövrə daxilində Kapasitansın Paylanması

İkincili kapasitans Cs, tesla bobinin işləməsi üçün həqiqətən vacibdir, rezonans tezliyinin hesablanması üçün ikincil bobinin tutumu lazımdır, əgər bütün parametrləri nəzərə almasanız bir qığılcım görməyəcəksiniz. Bu tutum bir çox töhfədən ibarətdir və hesablanması çətindir, lakin onun əsas komponentlərinə baxacağıq.

Üst yük - Zəmin.

İkincili kapasitansın ən yüksək hissəsi üst yükdən gəlir. Həqiqətən, "lövhələri" üst yük və torpaq olan bir kondansatörümüz var. Bu lövhələrin ikincil bobindən bağlandığı üçün bunun həqiqətən bir kondansatör olması təəccüblü ola bilər. Bununla birlikdə, empedansı olduqca yüksəkdir, buna görə də aralarında potensial bir fərq var. Ct -yə bu töhfə deyəcəyik.

İkincili bobinin dönmələri.

Digər böyük töhfə ikincil bobindən gəlir. Emaye mis telin bir çox bitişik döngələrindən hazırlanır və buna görə də endüktansı uzunluğu boyunca paylanır. Bu, iki bitişik döngə arasında kiçik bir potensial fərqin olduğunu göstərir. Daha sonra dielektriklə ayrılmış fərqli potensiala malik iki konduktorumuz var: başqa sözlə bir kondansatör. Əslində, hər bir cüt telli bir kondansatör var, ancaq məsafə ilə onun tutumu azalır, buna görə də yalnız iki bitişik döngə arasındakı tutumu yaxşı bir yaxınlaşma hesab etmək olar.

Cb -ni ikincil bobinin ümumi tutumu adlandıraq.

Əslində, hər bir ikincil bobin öz qabiliyyətinə malik olacağından, Tesla rulonunda üst yükə malik olmaq məcburi deyil. Bununla birlikdə, gözəl bir qığılcım əldə etmək üçün üst yük çox vacibdir.

Ətrafdakı obyektlərin əlavə gücü olacaq. Bu kondansatör bir tərəfdən üst yükdən və digər tərəfdən keçirici cisimlərdən (divarlar, santexnika boruları, mebel və s.) Əmələ gəlir.

Bu xarici amillərin kondansatörünü Ce adlandıracağıq.

Bütün bu "kondansatörler" paralel olduğu üçün, ikincil dövrənin ümumi tutumu aşağıdakılar tərəfindən veriləcəkdir:

Cs = Ct + Cb + Ce

Addım 4: Konsepsiya və Tikinti

Bizim vəziyyətimizdə NST üçün 220V -də gərginlik girişini saxlamaq üçün avtomatik bir gərginlik tənzimləyicisindən istifadə etdik

Və daxili AC xətti filtrindən ibarətdir (YOKOMA ELECTRIC WORKS., LTD. Yaponiyada Model AVR-2)

Bu cihazı X-Ray maşınlarında tapmaq olar və ya birbaşa bazardan almaq olar.

Yüksək gərginlikli transformator aTesla bobininin ən vacib hissəsidir. Sadəcə bir induksiya transformatorudur. Onun rolu, hər bir dövrün əvvəlində əsas kondansatörü doldurmaqdır. Mükəmməl iş şəraitinə tab gətirməli olduğu üçün gücündən başqa, möhkəmliyi çox vacibdir (bəzən qoruyucu filtr tələb olunur).

Tesla bobinimiz üçün istifadə etdiyimiz neon işarələri transformatoru (NST) xüsusiyyətləri (rms dəyərləri) aşağıdakılardır:

Vout = 9000 V, Iout = 30 mA

Çıxış cərəyanı, əslində, 25mA, 30mA, işə salındıqdan sonra 25 mA -ya düşən zirvədir.

İndi gücünü hesablaya bilərik P = V I, Tesla bobininin qlobal ölçülərini və qığılcımlarının uzunluğu haqqında kobud bir fikir təyin etmək üçün faydalı olacaq.

P = 225 W (25 mA üçün)

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

Addım 5: Əsas Dövrə

Kondansatör:

Əsas kondansatörün rolu, gələcək dövr üçün müəyyən miqdarda yük yığmaqla yanaşı birincil induktorla birlikdə bir LC dövrə meydana gətirməkdir.

Birincil kondansatör, ümumiyyətlə Multi-Mini Kondansatör (MMC) adlanan bir sıra / paralel konfiqurasiyada bağlanmış bir çox qapaqdan hazırlanır.

Əsas kondansatör, birincil LC dövrə yaratmaq üçün birincil bobinlə birlikdə istifadə olunur. Rezonans ölçülü bir kondansatör bir NST -ə zərər verə bilər, buna görə də rezonansdan daha böyük (LTR) ölçülü bir kondansatör şiddətlə tövsiyə olunur. Bir LTR kondansatörü də Tesla bobini vasitəsilə ən çox gücü təmin edəcək. Fərqli birincil boşluqlar (statik və senkron fırlanan) fərqli ölçülü birincil kondansatörlərə ehtiyac duyar.

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

CLTR = Birincil rezonansdan böyük (LTR) Statik Kapasitans (uF) = Birincil Rezonans Kapasitansı × 1.6

= 14.147nF

(bu yaxınlaşmadan bir qədər fərqli ola bilər, tövsiyə olunan əmsal 1.6-1.8)

2000V 100nF kondansatör istifadə etdik, Nb = Cunit/Cequiv = 100nF/0.0119 uF = 9 Capacitors. Tam 9 başlıq üçün Ceq = 0.0111uF = MMC tutumumuz var.

Təhlükəsizlik üçün hər bir kondansatörə paralel olaraq yüksək gücü olan 10MOhms rezistorları bağlamağı düşünün.

Endüktans:

Birincil indüktörün rolu, ikincil dövrə vurulacaq bir maqnit sahəsi yaratmaq və birincil kondansatör ilə bir LC dövrə meydana gətirməkdir. Bu komponent həddindən artıq itkisiz ağır cərəyanı daşımalıdır.

Birincil bobin üçün fərqli həndəsələr mümkündür. Bizim vəziyyətimizdə düz arşivli spiralı birincil bobin kimi uyğunlaşdıracağıq. Bu həndəsə təbii olaraq daha zəif birləşməyə gətirib çıxarır və birincidə yaylanma riskini azaldır: bu səbəbdən güclü bobinlərdə üstünlük verilir. Bununla birlikdə, quruluş asanlığı üçün daha aşağı güc bobinlərində çox yaygındır. Birləşdiricinin artması, ikincil bobini birincilliyə endirməklə mümkündür.

W, spiralin W = Rmax - Rmin və R tərəfindən verilən orta genişliyi, yəni R = (Rmax + Rmin)/2, hər ikisi də santimetrlə ifadə olunsun. Bobin N döngələrinə malikdirsə, mikrohenriyalarda L endüktansını verən empirik bir formula:

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

Sarmal forma üçün R -ni sarmalın radiusu, H -nin hündürlüyü (hər ikisi də santimetrdə) və N -də dönüş sayını adlandırsaq, mikrohenrlərdə L endüktansını verən empirik bir formula: Lhelic = (0.374 (NR)^2) /(9R+10H).

Bunlar istifadə edə biləcəyiniz və yoxlaya biləcəyiniz bir çox düsturlardır, yaxın nəticələr verəcəklər, ən doğru yol osiloskopdan istifadə etmək və tezlik reaksiyasını ölçməkdir, lakin formullar həm də rulonun qurulması üçün lazımdır. JavaTC kimi simulyasiya proqramlarından da istifadə edə bilərsiniz.

Düz forma üçün Formula 2: L = [0.25*N^2*(D1+N*(W+S))^2]/[15*(D1+N*(W+S))+11*D1]

burada N: dönüş sayı, W: tel diametri düym, S: düym tel aralığı, D1: düym daxili diametr

Tesla Bobunun giriş məlumatları:

Daxili radius: 4.5 düym, 11.2 dönüş, 0.25 düym aralıq, tel diametri = 6 mm, xarici radius = 7.898 düym.

L Formula 2 istifadə edərək = 0.03098mH, JavaTC -dən = 0.03089mH

Buna görə də, əsas tezlik: f1 = 271.6 KHz (L = 0.03089 mH, C = 0.0111MFD)

Laboratoriya təcrübəsi (əsas tezlik tənzimlənməsi)

və 269-271KHz-də rezonans əldə etdik, hesablamanı yoxlayırıq, bax Şəkillər.

Addım 6: Spark Gap

Qığılcım boşluğunun funksiyası, kondansatör kifayət qədər doldurulduqda əsas LC dövrəsini bağlamaqdır və beləliklə, dövrə daxilində sərbəst salınımlara imkan verir. Bu, Tesla rulonunda əsas əhəmiyyət kəsb edən bir komponentdir, çünki bağlanma/açılma tezliyi son çıxışa əhəmiyyətli dərəcədə təsir edəcək.

İdeal bir qığılcım boşluğu, kondansatör üzərindəki gərginlik maksimum olduqda yanmalı və sıfıra düşəndə yenidən açılmalıdır. Ancaq bu, əsl qığılcım boşluğunda deyil, bəzən lazım olduqda yanmır və ya gərginlik artıq azaldıqda atəşi davam edir;

Layihəmiz üçün, əllə hazırladığımız iki sferik elektrodlu (iki çekmece sapı istifadə edərək qurulmuş) statik bir qığılcım boşluğundan istifadə etdik. Sferik başlıqları fırlatmaqla da əl ilə tənzimlənə bilər.

Addım 7: İkinci Dövrə

Bobin:

İkincil bobinin funksiyası ikincil LC dövrəsinə induktiv komponent gətirmək və birincil bobinin enerjisini toplamaqdır. Bu indüktör, ümumiyyətlə 800 ilə 1500 arasında bitişik döngələrə malik olan hava nüvəli bir solenoiddir. Yaranan növbə sayını hesablamaq üçün bu sürətli düstur müəyyən bir tələsik işin qarşısını alacaq:

Tel ölçmə cihazı 24 = 0,05 sm, PVC diametri 4 düym, dönüş sayı = 1100 dirək, lazım olan hündürlük = 1100 x 0,05 = 55 sm = 21,6535 düym. => L = 20.853 mH

burada H bobinin hündürlüyü və d istifadə olunan telin diametridir. Başqa bir vacib parametr, bütün bobini etmək üçün lazım olan l uzunluğudur.

L = µ*N^2*A/H. Burada µ mühitin maqnit keçiriciliyini (hava üçün ≈ 1.257 · 10−6 N/A^2), N solenoidin fırlanma sayını, H -nin ümumi hündürlüyünü və A dönmə sahəsini təmsil edir.

Üst Yük:

Üst yük, üst yük və zəmindən əmələ gələn kondansatörün üst "lövhəsi" kimi hərəkət edir. İkincil LC dövrə qabiliyyətini artırır və qövslərin meydana gələ biləcəyi bir səth təklif edir. Əslində, üst yük olmadan bir Tesla bobini işə salmaq mümkündür, amma qövs uzunluğu baxımından performans çox vaxt zəifdir, çünki enerjinin böyük hissəsi qığılcımları qidalandırmaq əvəzinə ikincil bobin döngələri arasında paylanır.

Toroid Kapasitansı 1 = ((1+ (0.2781 - Üzük Çapı ∕ (Ümumi Çap)))) 2.8 × kvadrat ((pi × (Ümumi Çap × Üzük Çapı)) ∕ 4))

Toroid Kapasitansı 2 = (1.28 - Üzük Çapı ∕ Ümumi Çap) × sqrt (2 × pi × Üzük Çapı × (Ümumi Çap - Üzük Çapı))

Toroid Kapasitansı 3 = 4.43927641749 × ((0.5 × (Üzük Çapı × (Ümumi Çap - Üzük Çapı))) ^0.5)

Orta Toroid Kapasitansı = (Toroid Kapasitansı 1 + Toroid Kapasitansı 2 + Toroid Kapasitansı 3) ∕ 3

Toroidimiz üçün: daxili diametri 4 ", xarici diametri = 13", ikincil sarımın ucundan boşluq = 5 sm.

C = 13.046 pf

İkincil Bobin Kapasitansı:

İkincil Kapasitans (pf) = (0.29 × İkincili Tel Sarma Hündürlüyü + (0.41 × (İkincil Form Çapı ∕ 2)) + (1.94 × kv. (((İkincil Form Çapı ∕ 2) 3)

Csec = 8.2787 pF;

Bobin (parazitar) tutumunu bilmək də maraqlıdır. Burada da ümumi halda düstur mürəkkəbdir. JAVATC tərəfindən verilən dəyərdən istifadə edəcəyik ("Yüksək yük olmadan" Effektiv şunt tutumu "):

Cres = 6.8 pF

Buna görə də, ikincil dövrə üçün:

Ctot = 8.27+13.046 = 21.316pF

Lsec = 20.853mH

Laboratoriya təcrübələrinin nəticələri:

Yuxarıdakı şəkillərə baxın və testin nəticələrini yoxlayın.

Addım 8: Rezonans tənzimlənməsi

Birincil və ikincil sxemlərin rezonansa qoyulması, eyni rezonans tezliyini paylaşmalarının yaxşı işləməsi üçün çox önəmlidir.

RLC sxeminin cavabı rezonans tezliyində idarə edildikdə ən güclüdür. Yaxşı bir RLC sxemində, sürücülük tezliyi rezonans dəyərdən uzaqlaşanda cavab intensivliyi kəskin şəkildə aşağı düşür.

Rezonans tezliyimiz = 267.47 kHz.

Ayarlama üsulları:

Ayarlama ümumiyyətlə dəyişdirilmənin ən asan komponenti olduğu üçün birincil endüktansın tənzimlənməsi ilə həyata keçirilir. Bu endüktörün geniş dönüşləri olduğu üçün, spiraldə müəyyən bir yerdə son konnektora vuraraq öz indüktansını dəyişdirmək asandır.

Bu düzəlişə nail olmaq üçün ən sadə üsul sınaq və səhvdir. Bunun üçün, rezonansa yaxın olduğu güman edilən bir yerə birincil vurmağa başlayır, bobini yandırır və qövs uzunluğunu qiymətləndirir. Sonra spiral irəli/geriyə dörddə bir vurulur və nəticəni yenidən qiymətləndirir. Bir neçə cəhddən sonra, daha kiçik addımlarla davam edə bilərsiniz və nəhayət qövs uzunluğunun ən yüksək olduğu vurma nöqtəsinə çatacaqsınız. Normalda bu vuruş

nöqtə həqiqətən hər iki dövrənin rezonansda olduğu kimi əsas endüktansı təyin edəcək.

Daha dəqiq bir üsul, hər iki dövrənin fərdi reaksiyasının (əlbəttə ki, birləşdirilmiş konfiqurasiyada, yəni dövrələri fiziki olaraq ayırmadan) bir siqnal generatoru və bir osiloskopla təhlilini nəzərdə tutur.

Qövslər özləri əlavə bir tutum istehsal edə bilərlər. Buna görə də bunu kompensasiya etmək üçün birincil rezonans tezliyinin ikincilindən bir qədər aşağı olması məsləhət görülür. Ancaq bu, yalnız 1 m -dən daha uzun qövslər istehsal edə bilən güclü Tesla rulonlarında nəzərə çarpır.

Addım 9: İkincili qığılcımdakı gərginlik

Paschen Qanunu, təzyiq və boşluq uzunluğuna görə bir qazdakı iki elektrod arasında parçalanma gərginliyini, yəni boşalma və ya elektrik qövsünü işə salmaq üçün lazım olan gərginliyi verən bir tənlikdir.

Mürəkkəb düsturdan istifadə edərək detallı hesablamalara girmədən normal şərait üçün iki elektrod arasında 1m havanı ionlaşdırmaq üçün 3.3MV lazımdır. Bizim vəziyyətimizdə təxminən 10-13 sm qövslər var, buna görə 340KV və 440KV arasında olacaq.

Addım 10: Faraday Cage Dress

Faraday qəfəsi və ya Faraday qalxanı, elektromaqnit sahələrini bloklamaq üçün istifadə olunan bir korpusdur. Faraday qalxanı davamlı keçirici materialın örtülməsi ilə və ya Faraday qəfəsinin olması halında bu cür materialların bir meshı ilə əmələ gələ bilər.

Şəkildə göstərildiyi kimi dörd qat, torpaqlanmış, geyilə bilən faraday qəfəsi dizayn etdik (istifadə olunan materiallar: alüminium, pambıq, dəri). Cib telefonunuzu içəriyə qoyaraq da sınaya bilərsiniz, siqnalı itirəcək və ya tesla rulonunuzun önünə qoyub qəfəsin içərisinə neon lampalar qoyacaqsınız, yanmayacaq, sonra taxıb sınaya bilərsiniz.

Addım 11: Əlavələr və İstinadlar

Addım 12: Birincil Bobinin Qurulması

Addım 13: NST testi

Addım 14: Birincil Bobinin Qurulması