Funkenstrecken-Tesla-Spule - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:17

Dies ist ein Tutorial zum Bau einer Spark Gap Tesla Coil mit einem Faradayschen Käfigkleid.

Dieses Projekt hat mich und mein Team (3 Studenten) 16 Arbeitstage gekostet, es kostet ungefähr 500 USD, ich versichere Ihnen, dass es nicht vom ersten Mal an funktioniert:), das Wichtigste ist, dass Sie die gesamte Theorie dahinter verstehen müssen und wissen, wie man mit den von Ihnen gewählten Komponenten umgeht.

In diesem anweisbaren werde ich Sie durch die ganze Theorie dahinter, die Konzepte, die Formeln, einen schrittweisen Aufbau für alle Teile führen. Wenn Sie kleinere oder größere Spulen bauen möchten, sind das Konzept und die Formeln gleich.

Die Voraussetzungen für dieses Projekt:

- Kenntnisse in: Elektro-, Elektronik-, Elektromagnet- und Laborgeräte

- Oszilloskop

- Transformator für Leuchtreklamen; 220V bis 9kV

- Hochspannungskondensatoren

- Kupferkabel oder Kupferrohre

- Holz zum Bau Ihres Chassis

- PVC-Rohr für die Sekundärspule

- Flexibles Metallrohr für den Toroid

- Ein kleiner elektrischer 220V-Lüfter für die Funkenstrecke

- Aluminiumpapiere und -gewebe für das Faradaysche Käfigkleid

- Isolierte Drähte für die Sekundärseite

- Neonlampen

- Spannungsregler, wenn Sie keine stabilen 220VAC haben

- Masseverbindung

- Viel Geduld

Schritt 1: Einführung in die Spark Gap Tesla Coil

Eine Tesla-Spule ist ein Resonanztransformator, der einen primären und sekundären LC-Kreis enthält. Die beiden LC-Schaltungen wurden 1891 vom Erfinder Nikola Tesla entworfen und sind lose miteinander verbunden. Die Stromversorgung des Primärkreises erfolgt über einen Aufwärtstransformator, der einen Kondensator auflädt. Schließlich steigt die Spannung am Kondensator ausreichend an, um eine Funkenstrecke kurzzuschließen. Der Kondensator entlädt sich durch die Funkenstrecke und in die Primärspule. Die Energie schwingt zwischen dem Primärkondensator und der Primärspule mit hohen Frequenzen (typischerweise 50 kHz-2 MHz) hin und her. Die Primärspule ist mit einer Induktivität im Sekundärkreis, der sogenannten Sekundärspule, gekoppelt. An der Oberseite der Sekundärspule ist eine obere Last angebracht, die Kapazität für den sekundären LC-Kreis bereitstellt. Wenn der Primärkreis schwingt, wird Strom in der Sekundärspule induziert, wo die Spannung um ein Vielfaches multipliziert wird. Ein Feld mit hoher Spannung und niedrigem Strom entwickelt sich um die obere Last herum und Lichtbögen der Blitzentladung in einer süßen Darstellung von Großartigkeit. Die primären und sekundären LC-Kreise müssen mit der gleichen Frequenz schwingen, um eine maximale Leistungsübertragung zu erreichen. Die Stromkreise in der Spule werden normalerweise durch Einstellen der Induktivität der Primärspule auf die gleiche Frequenz "abgestimmt". Tesla-Spulen können Ausgangsspannungen von 50 Kilovolt bis zu mehreren Millionen Volt für große Spulen erzeugen.

Schritt 2: Theorie

Dieser Abschnitt soll die vollständige Funktionstheorie einer konventionellen Tesla-Spule abdecken. Wir werden davon ausgehen, dass die Primär- und Sekundärkreise RLC-Kreise mit niedrigem Widerstand sind, was der Realität entspricht.

Aus den vorgenannten Gründen wird der Innenwiderstand des Bauteils nicht dargestellt. Wir werden auch den strombegrenzten Transformator ersetzen. Dies hat keinen Einfluss auf die reine Theorie.

Beachten Sie, dass einige Teile des Sekundärkreises in gestrichelten Linien gezeichnet sind. Dies liegt daran, dass sie auf dem Gerät nicht direkt sichtbar sind. In Bezug auf den Sekundärkondensator werden wir sehen, dass seine Kapazität tatsächlich verteilt ist, wobei die obere Last nur "eine Platte" dieses Kondensators ist. Die Sekundärfunkenstrecke wird im Schema dargestellt, um darzustellen, wo die Lichtbögen entstehen.

Dieser erste Schritt des Zyklus ist das Laden des Primärkondensators durch den Generator. Wir nehmen an, dass seine Frequenz 50 Hz beträgt. Da der Generator (NST) strombegrenzt ist, muss die Kapazität des Kondensators sorgfältig gewählt werden, damit er in genau 1/100 Sekunden vollständig aufgeladen wird. Tatsächlich ändert sich die Spannung des Generators zweimal pro Periode, und beim nächsten Zyklus lädt er den Kondensator mit entgegengesetzter Polarität wieder auf, was absolut nichts am Betrieb der Tesla-Spule ändert.

Wenn der Kondensator vollständig geladen ist, zündet die Funkenstrecke und schließt somit den Primärkreis. Bei Kenntnis der Stärke des elektrischen Durchschlagsfeldes von Luft muss die Breite der Funkenstrecke so eingestellt werden, dass sie genau dann zündet, wenn die Spannung am Kondensator ihren Spitzenwert erreicht. Die Rolle des Generators endet hier.

Wir haben jetzt einen voll geladenen Kondensator in einem LC-Kreis. Strom und Spannung schwingen also mit der Resonanzfrequenz des Schaltkreises, wie zuvor gezeigt wurde. Diese Frequenz ist im Vergleich zur Netzfrequenz sehr hoch, in der Regel zwischen 50 und 400 kHz.

Der Primär- und Sekundärkreis sind magnetisch gekoppelt. Die im Primärteil stattfindenden Schwingungen induzieren somit im Sekundärteil eine elektromotorische Kraft. Wenn die Energie des Primärteils in das Sekundärteil geleitet wird, nimmt die Amplitude der Schwingungen im Primärteil allmählich ab, während sich die des Sekundärteils verstärkt. Diese Energieübertragung erfolgt durch magnetische Induktion. Die Kopplungskonstante k zwischen den beiden Kreisen wird bewusst gering gehalten, in der Regel zwischen 0,05 und 0,2.

Die Schwingungen im Primärkreis wirken somit ein wenig wie ein Wechselspannungsgenerator, der im Sekundärkreis in Reihe geschaltet ist.

Um die größte Ausgangsspannung zu erzeugen, werden der primäre und der sekundäre Schwingkreis auf Resonanz zueinander eingestellt. Da der Sekundärkreis meist nicht einstellbar ist, erfolgt dies in der Regel durch einen einstellbaren Abgriff an der Primärspule. Wenn die beiden Spulen getrennt wären, würden die Resonanzfrequenzen des Primär- und Sekundärkreises durch die Induktivität und Kapazität in jedem Kreis bestimmt

Schritt 3: Kapazitätsverteilung im Sekundärkreis

Die Sekundärkapazität Cs ist wirklich wichtig, damit die Tesla-Spule funktioniert, die Kapazität der Sekundärspule ist für die Berechnung der Resonanzfrequenz notwendig, wenn Sie nicht alle Parameter berücksichtigen, werden Sie keinen Funken sehen. Diese Kapazität besteht aus vielen Beiträgen und ist schwer zu berechnen, aber wir werden uns ihre Hauptkomponenten ansehen.

Oberlast - Boden.

Der höchste Anteil der Sekundärkapazität kommt von der Topload. Tatsächlich haben wir einen Kondensator, dessen "Platten" die obere Last und die Masse sind. Es mag überraschen, dass dies tatsächlich ein Kondensator ist, da diese Platten durch die Sekundärspule verbunden sind. Die Impedanz ist jedoch ziemlich hoch, sodass tatsächlich ein ziemlicher Potenzialunterschied zwischen ihnen besteht. Wir nennen diesen Beitrag Ct.

Windungen der Sekundärspule.

Der andere große Beitrag kommt von der Sekundärspule. Es besteht aus vielen benachbarten Windungen aus Kupferlackdraht und seine Induktivität ist daher über seine Länge verteilt. Dies impliziert, dass zwischen zwei benachbarten Windungen eine geringfügige Potenzialdifferenz besteht. Wir haben dann zwei Leiter auf unterschiedlichem Potential, getrennt durch ein Dielektrikum, also einen Kondensator. Tatsächlich befindet sich in jedem Adernpaar ein Kondensator, aber seine Kapazität nimmt mit der Entfernung ab, daher kann man die Kapazität nur zwischen zwei benachbarten Windungen als gute Näherung betrachten.

Nennen wir Cb die Gesamtkapazität der Sekundärspule.

Tatsächlich ist es nicht zwingend erforderlich, eine Tesla-Spule von oben zu belasten, da jede Sekundärspule ihre eigene Kapazität besitzt. Dass eine Top-Ladung jedoch entscheidend ist, um schöne Funken zu haben.

Es wird zusätzliche Kapazität von den umgebenden Objekten geben. Dieser Kondensator wird auf der einen Seite durch die obere Last und auf der anderen Seite durch leitende Gegenstände (Wände, Sanitärrohre, Möbel etc.) gebildet.

Den Kondensator dieser externen Faktoren nennen wir Ce.

Da alle diese "Kondensatoren" parallel geschaltet sind, ergibt sich die Gesamtkapazität des Sekundärkreises wie folgt:

Cs = Ct + Cb + Ce

Schritt 4: Konzeption und Konstruktion

In unserem Fall haben wir einen automatischen Spannungsregler verwendet, um den Spannungseingang für den NST auf 220 V. zu halten

Und es enthält einen eingebauten AC-Netzfilter (YOKOMA ELECTRIC WORKS., LTD. In Japan-Modell AVR-2)

Dieses Instrument konnte in Röntgengeräten gefunden oder direkt vom Markt gekauft werden.

Der Hochspannungstransformator ist der wichtigste Teil einer Tesla-Spule. Es ist einfach ein Induktionstransformator. Seine Aufgabe besteht darin, den Primärkondensator zu Beginn jedes Zyklus aufzuladen. Neben seiner Leistung ist seine Robustheit sehr wichtig, da er hervorragenden Betriebsbedingungen standhalten muss (manchmal ist ein Schutzfilter erforderlich).

Der Leuchtreklametransformator (NST), den wir für unsere Tesla-Spule verwenden, hat folgende Eigenschaften (Effektivwerte):

Vout = 9000 V, Iout = 30 mA

Der Ausgangsstrom beträgt tatsächlich 25 mA, 30 mA ist die Spitze, die nach dem Start auf 25 mA abfällt.

Wir können nun ihre Leistung P = V I berechnen, was nützlich ist, um die globalen Abmessungen der Tesla-Spule sowie eine grobe Vorstellung von der Länge ihrer Funken festzulegen.

P = 225 W (für 25 mA)

NST Impedanz = NST Vout ∕ NST Iout =9000/ 0,25=360 KΩ

Schritt 5: Primärkreis

Kondensator:

Die Rolle des Primärkondensators besteht darin, eine bestimmte Ladungsmenge für den kommenden Zyklus zu speichern und zusammen mit der Primärinduktivität einen LC-Kreis zu bilden.

Der Primärkondensator besteht normalerweise aus mehreren Dutzend Kappen, die in einer Reihen- / Parallelkonfiguration verdrahtet sind, die als Multi-Mini-Kondensator (MMC) bezeichnet wird.

Der Primärkondensator wird mit der Primärspule verwendet, um den primären LC-Kreis zu bilden. Ein Kondensator in Resonanzgröße kann ein NST beschädigen, daher wird ein Kondensator der Größe Larger Than Resonate (LTR) dringend empfohlen. Ein LTR-Kondensator liefert auch die meiste Leistung durch die Tesla-Spule. Unterschiedliche Primärlücken (statisch vs. Sync-Rotary) erfordern unterschiedlich große Primärkondensatoren.

Cres = Primäre Resonanzkapazität (uF) = 1 ∕ (2 * π * NST Impedanz * NST Fin)=1/ (2*π*360 000 * 50) =8,8419 nF

CLTR = Primäre Größer-als-Resonanz (LTR) Statische Kapazität (uF) = Primäre Resonanzkapazität × 1,6

= 14,147nF

(dies kann von einer Näherung zu einer anderen leicht abweichen, empfohlener Koeffizient 1,6-1,8)

Wir verwendeten 2000V 100nF Kondensatoren, Nb= Cunit/Cequiv= 100nF/0.0119 uF= 9 Kondensatoren. Für genau 9 Kappen haben wir also Ceq = 0,0111uF = MMC-Kapazität.

Denken Sie daran, aus Sicherheitsgründen Hochleistungswiderstände mit 10 MOhm parallel zu jedem Kondensator zu schalten.

Induktivität:

Die Rolle der Primärinduktivität besteht darin, ein magnetisches Feld zu erzeugen, das in den Sekundärkreis eingespeist wird, sowie um mit dem Primärkondensator einen LC-Kreis zu bilden. Dieses Bauteil muss in der Lage sein, Starkstrom ohne übermäßige Verluste zu transportieren.

Für die Primärspule sind unterschiedliche Geometrien möglich. In unserem Fall werden wir die Flachbogenspirale als Primärspule adaptieren. Diese Geometrie führt naturgemäß zu einer schwächeren Kopplung und verringert die Gefahr von Lichtbogenbildung in der Primärspule, wird daher bei leistungsstarken Spulen bevorzugt. Es ist jedoch bei Spulen mit geringerer Leistung aufgrund seiner einfachen Konstruktion ziemlich üblich. Eine Erhöhung der Kopplung ist durch Absenken der Sekundärspule in die Primärspule möglich.

Sei W die Breite der Spirale gegeben durch W = Rmax − Rmin und R ihr mittlerer Radius, d.h. R = (Rmax + Rmin)/2, beide in Zentimetern ausgedrückt. Wenn die Spule N Windungen hat, lautet eine empirische Formel, die ihre Induktivität L in Mikrohenry angibt:

Lflach = (0,374(NR)^2)/(8R+11W).

Für die Wendelform Wenn wir R den Radius der Wendel nennen, H ihre Höhe (beide in Zentimetern) und N ihre Windungszahl, lautet eine empirische Formel, die ihre Induktivität L in Mikrohenrys ergibt: Lhelic =(0.374(NR)^2) /(9R+10H).

Dies sind viele Formeln, die Sie verwenden und überprüfen können. Sie liefern genaue Ergebnisse. Der genaueste Weg besteht darin, das Oszilloskop zu verwenden und den Frequenzgang zu messen, aber die Formeln sind auch für den Bau der Spule erforderlich. Sie können auch Simulationssoftware wie JavaTC verwenden.

Formel 2 für flache Form: L= [0,25*N^2*(D1+N*(W+S))^2]/[15*(D1+N*(W+S))+11*D1]

wobei N: Windungszahl, W: Drahtdurchmesser in Zoll, S: Drahtabstand in Zoll, D1: Innendurchmesser in Zoll

Eingabedaten meiner Tesla-Spule:

Innenradius: 4,5 Zoll, 11,2 Windungen, 0,25 Zoll Abstand, Drahtdurchmesser = 6 mm, Außenradius = 7,898 Zoll.

L mit Formel 2 = 0,03098 mH, von JavaTC = 0,03089 mH

Daher Primärfrequenz: f1= 271.6 KHz (L=0.03089 mH, C=0.0111MFD)

Laborerfahrung (Primärfrequenzabstimmung)

und wir haben eine Resonanz bei 269-271 KHz erhalten, die die Berechnung bestätigt, siehe Abbildungen.

Schritt 6: Funkenstrecke

Die Funktion der Funkenstrecke besteht darin, den primären LC-Kreis zu schließen, wenn der Kondensator ausreichend geladen ist, wodurch freie Schwingungen innerhalb des Kreises ermöglicht werden. Dies ist eine Komponente von größter Bedeutung in einer Tesla-Spule, da ihre Schließ-/Öffnungsfrequenz einen erheblichen Einfluss auf die Endleistung hat.

Eine ideale Funkenstrecke muss genau dann zünden, wenn die Spannung am Kondensator maximal ist, und sich wieder öffnen, wenn sie auf Null abfällt. Dies ist bei einer echten Funkenstrecke natürlich nicht der Fall, sie zündet manchmal nicht, wenn sie sollte oder zündet weiter, wenn die Spannung bereits abgenommen hat;

Für unser Projekt haben wir eine statische Funkenstrecke mit zwei kugelförmigen Elektroden (gebaut mit zwei Schubladengriffen) verwendet, die wir manuell konstruiert haben. Und es könnte auch manuell durch Drehen der Kugelköpfe eingestellt werden.

Schritt 7: Sekundärkreis

Spule:

Die Sekundärspule hat die Aufgabe, eine induktive Komponente in den sekundären LC-Kreis zu bringen und die Energie der Primärspule zu sammeln. Dieser Induktor ist ein Magnet mit Luftkern, der im Allgemeinen zwischen 800 und 1500 eng gewickelte benachbarte Windungen aufweist. Um die Anzahl der gewickelten Windungen zu berechnen, vermeidet diese schnelle Formel eine gewisse mühsame Arbeit:

Drahtstärke 24 = 0,05 cm, PVC-Durchmesser 4 Zoll, Anzahl der Windungen = 1100 Spitzen, benötigte Höhe = 1100 x 0,05 = 55 cm = 21,6535 Zoll. => L= 20.853 mH

wobei H die Höhe der Spule und d der Durchmesser des verwendeten Drahtes ist. Ein weiterer wichtiger Parameter ist die Länge l, die wir benötigen, um die gesamte Spule herzustellen.

L=µ*N^2*A/H. Dabei steht µ für die magnetische Permeabilität des Mediums (≈ 1,257 · 10−6 N/A^2 für Luft), N die Anzahl der Windungen des Magneten, H seine Gesamthöhe und A die Fläche einer Windung.

Top-Last:

Die Topload wirkt wie die obere "Platte" des Kondensators, die durch die Topload und die Masse gebildet wird. Es erhöht die Kapazität des sekundären LC-Kreises und bietet eine Oberfläche, von der aus sich Lichtbögen bilden können. Es ist zwar möglich, eine Tesla-Spule ohne Topload zu betreiben, aber die Leistungen in Bezug auf die Lichtbogenlänge sind oft schlecht, da die meiste Energie zwischen den Sekundärspulenwindungen abgeführt wird, anstatt die Funken zu speisen.

Ringkernkapazität 1 = ((1+ (0,2781 − Ringdurchmesser ∕ (Gesamtdurchmesser))) × 2,8 × sqrt ((pi × (Gesamtdurchmesser × Ringdurchmesser)) ∕ 4))

Ringkernkapazität 2 = (1,28 − Ringdurchmesser ∕ Gesamtdurchmesser) × sqrt (2 × pi × Ringdurchmesser × (Gesamtdurchmesser − Ringdurchmesser))

Toroidkapazität 3 = 4,43927641749 × ((0,5 × (Ringdurchmesser × (Gesamtdurchmesser − Ringdurchmesser))) ^0,5)

Durchschnittliche Toroid-Kapazität = (Toroid-Kapazität 1 + Toroid-Kapazität 2 + Toroid-Kapazität 3) ∕ 3

Also für unseren Toroid: Innendurchmesser 4", Außendurchmesser = 13", Abstand vom Ende der Sekundärwicklung = 5 cm.

C=13.046 pf

Kapazität der Sekundärspule:

Sekundärkapazität (pf) = (0,29 × Sekundärdrahtwicklungshöhe + (0,41 × (Sekundärformdurchmesser ∕ 2)) + (1,94 × sqrt((((Sekundärformdurchmesser ∕ 2) 3) ∕ Sekundärdrahtwicklungshöhe))

Csec = 8,2787 pF;

Interessant ist auch die (parasitäre) Kapazität der Spule. Auch hier ist die Formel im allgemeinen Fall kompliziert. Wir verwenden den Wert von JAVATC ("Effektive Shunt-Kapazität" ohne Top-Last):

Cres = 6,8 pF

Daher für den Sekundärkreis:

Cges=8.27+13.046=21.316pF

Lsec=20.853mH

Ergebnisse von Laborexperimenten:

Siehe Abbildungen oben für das Testverfahren und die Testergebnisse.

Schritt 8: Resonanzabstimmung

Das Einstellen des Primär- und Sekundärkreises auf Resonanz, damit sie dieselbe Resonanzfrequenz haben, ist für einen guten Betrieb von größter Bedeutung.

Die Reaktion einer RLC-Schaltung ist am stärksten, wenn sie mit ihrer Resonanzfrequenz betrieben wird. In einer guten RLC-Schaltung fällt die Ansprechintensität stark ab, wenn die Ansteuerfrequenz vom Resonanzwert abweicht.

Unsere Resonanzfrequenz = 267,47 kHz.

Tuning-Methoden:

Die Abstimmung erfolgt im Allgemeinen durch Anpassen der Primärinduktivität, einfach weil es die am einfachsten zu modifizierende Komponente ist. Da dieser Induktor große Windungen hat, kann seine Selbstinduktivität leicht geändert werden, indem der letzte Stecker an einer bestimmten Stelle in der Spirale angezapft wird.

Die einfachste Methode, um diese Anpassung zu erreichen, ist Trial-and-Error. Dazu fängt man an, die Primärwicklung an einer vermeintlich nahe bei der Resonanz befindlichen Stelle anzuzapfen, zündet die Spule an und wertet die Bogenlänge aus. Dann wird die Spirale eine Vierteldrehung vorwärts/rückwärts geklopft und das Ergebnis neu bewertet. Nach einigen Versuchen kann man mit kleineren Schritten vorgehen und erreicht schließlich den Abstichpunkt, an dem die Bogenlänge am größten ist. Normalerweise ist dieses Klopfen

Punkt wird in der Tat die Primärinduktivität so einstellen, dass beide Schaltungen in Resonanz sind.

Eine genauere Methode wäre eine Analyse des individuellen Verhaltens der beiden Schaltkreise (natürlich in gekoppelter Konfiguration, also ohne physische Trennung der Schaltkreise) mit einem Signalgenerator und einem Oszilloskop.

Lichtbögen selbst können eine zusätzliche Kapazität erzeugen. Es wird daher empfohlen, die primäre Resonanzfrequenz etwas niedriger einzustellen als die sekundäre, um dies zu kompensieren. Dies macht sich jedoch nur bei leistungsstarken Tesla-Spulen bemerkbar (die Lichtbögen mit einer Länge von mehr als 1 m erzeugen können).

Schritt 9: Spannung am Sekundärfunken

Das Paschen-Gesetz ist eine Gleichung, die die Durchbruchspannung, dh die Spannung, die erforderlich ist, um eine Entladung oder einen Lichtbogen zu entzünden, zwischen zwei Elektroden in einem Gas als Funktion von Druck und Spaltlänge angibt.

Ohne eine detaillierte Berechnung mit der komplexen Formel durchzuführen, benötigt es unter normalen Bedingungen 3,3 MV, um 1 m Luft zwischen zwei Elektroden zu ionisieren. In unserem Fall haben wir Bögen von etwa 10-13cm, also zwischen 340KV und 440KV.

Schritt 10: Faradaysches Käfigkleid

Ein Faraday-Käfig oder Faraday-Schild ist ein Gehäuse, das verwendet wird, um elektromagnetische Felder zu blockieren. Eine Faradaysche Abschirmung kann durch eine durchgehende Abdeckung aus leitfähigem Material oder im Fall eines Faradayschen Käfigs durch ein Netz aus solchen Materialien gebildet werden.

Wir haben einen vierlagigen, geerdeten, tragbaren Faraday-Käfig wie im Bild gezeigt entworfen (verwendete Materialien: Aluminium, Baumwolle, Leder). Sie können es auch testen, indem Sie Ihr Mobiltelefon hineinlegen, es verliert das Signal oder legen Sie es vor Ihre Tesla-Spule und legen Sie einige Neonlampen in den Käfig, sie leuchten nicht, dann können Sie es aufsetzen und es ausprobieren.

Schritt 11: Anhänge und Referenzen

Schritt 12: Aufbau der Primärspule

Schritt 13: Testen des NST

Schritt 14: Aufbau der Primärspule