Для чего нужна катушка тесла?

Поздравляю Кота с Днём Рождения, желаю тёплой батареи, свежего вискаса лосося и уютного шкафа! Ещё хочу сказать огромное спасибо всей администрации сайта за то, что поддерживаете сайт и предоставляете нам такой отличный источник качественной и интересной информации.

Предисловие

Ещё в начале этого лета я буквально заболел идеей построить трансформатор Тесла. В конце июля сделал сетевой качер, а вот на этой неделе я закончил делать SSTC(Solid State Tesla Coil — катушка Тесла на твёрдотельных элементах). Почему именно SSTC? Потому, что для этого типа не нужно ни дефицитных и дорогих конденсаторов, ни не менее дорогих ламп. Все детали были купленны в радиолюбительском магазине в областном центре, пришлось немнгого поездить на электричках, но постройка Трансформатора Тесла (далее — ТТ) обошлась мне всего в 800р и заняла 2 недели. Теперь обо всём по порядку.

Основные понятия (те, кто представляют, что такое ТТ — могут не читать)

Трансформатор Тесла — это устройство для получения высокого напряжения, запатентованное Н.Теслой в 1896г. Работает он по принципу резонанса — т.е. высокое напряжение на выходе достигается путём подачи на первичную обмотку импульсов в нужный момент. Подробнее об этом в своём видео рассказывает Сергей Булавинов.

Изготовление трансформатора

В первую очередь сделаем резонатор. Для этого нам понадобится:

  • Труба пластиковая канализационная диаметром 110мм;

  • Провод намоточный, я использовал ПЭВТЛ 1071 диаметром 0,15мм, но лучше подойдёт ПЭТВ2 диаметром 0,18мм.

  • Гофрированный воздуховод 80*1500мм, но если есть возможность — лучше взять 60 или 70мм в диаметре;

  • Пистолет с термоклеем;

  • Шруповёрт и сверло 1,5мм.

Для начала намотаем саму обмотку. Для этого отрезаем кусок пластиковой трубы длиной 200мм и со стороны, отрезанной на заводе — она немножко заострённая, сделаем бортик из термоклея. Он нужен для того, чтобы провод не сползал. Теперь сверлим два отверстия. Одно около бортика, другое — отступив 180мм.

В отверстие около бортика продеваем начало нашего провода, оставляем внутри трубы около 20см — это — холодный конец обмотки. Теперь начинаем наматывать провод в произвольную сторону, фиксируя каждые 5см малярным скотчем. Наматываем обмотку длиной 180мм, отрезаем, оставляя «хвост» длиной сантиметров 10 и продеваем его через верхнее отверстие. Также заливаем отверстие термоклеем. Вроде всё просто, но это самая трудоёмкая часть, на неё у меня ушло два вечера. В итоге имеем это:

Теперь изготовим тороид. Вокруг нашей трубы делаем «бублик» из воздуховода и оборачиваем стык алюминиевым скотчем.Надеваем этот «бублик» сверху на обмотку. Приклееваем. Теперь лудим маленькую площадочку на воздуховоде со внутренней стороны и припаеваем «хвост», который мы оставили. Резонатор готов. Теперь делаем первичную обмотку. Нам нужно:

  • 10см кусок пластиковой трубы 160мм в диаметре или подходящий по размеру цветочный горшок;

  • Шуруповёрт, сверло 5-6мм;

  • Пластиковые хомуты;

  • Сам провод, примерно 4 метра, я использовал одножильный «мягкий» провод 6мм.

Сверлим 4 отверстия на высоте 2см на противоположных сторонах. Теперь отмеряем от каждого отверстия ещё 4,5см вверх и сверлим ещё 4 отверстия. Также просверлим отверстие для провода заземления, который пойдёт ко вторичке. Должно получиться примерно так:

Теперь пропускаем через отверстия пластиковые хомуты, наматываем 5 витков провода и фиксируем это хомутами. Получится что-то наподобие этого:

Первичка готова, осталось лишь соединить её с резонатором. Для этого я вначале приклеил первичку к куску фанеры, пропустил через просверленное отверстие провод заземления и потом уже приклеил резонатор. Получилось вот так:

Теперь к электроннике.

Изготовление управляющей схемы

В интернете есть много вариаций управляющих схем для SSTC, но все они состоят из перывателя, генератора сигнала, драйвера, трансформатора развязки затворов по напряжению и силовой части — моста или полумоста. За основу была взята эта схема:

Но в связи с невозможностью достать драйвер MOSFET ucc37321, была изменена на такую:

Да-да, схема не моя(ну почти), но в рунете нету гайдов по постройке SSTC, по этому не надо говорить, что это копипаста. На NE555 построен генератор прямоугольных импульсов, выполняющий роль прерывателя, первые 2 элемента 74hc14 приводит сигнал к ттл уровням, а 3 — инвертирует для замены комплиментарной пары из ucc37322 и ucc37321 на пару из двух ucc37322. TR1 – GDT. Намотан на ферритовом кольце марки р3, но лучше использовать N87, 3 обмотки по 7 витков. Для этого рекомендую использовать распущенную витую пару. Вот, собственно он: К PAD1 подключаем антенну-проволоку примерно 20см, в непосредственной близости от катушки. К PAD3 был подключён плюс блока питания на 16 вольт, к PAD3 – минус его-же. К PAD4 и PAD5 подключаются провода от первичной обмотки. А вот к PAD6 и PAD7 – питающее напряжение. Так как у меня нет ЛАТРа — я питал от советского понижающего трансформатора на 50в. Ток был достигал 3 ампера, по этому я поставил не очень мощную диодную сборку AC1, но если вы будете питать от сети или через ЛАТР — поставьте диодную сборку на достаточно большой ток. Электролитический конденсатор лучше заменить более ёмким, желательно на тысячу-две микрофарад, но у меня такового не было. Если трансформатор не начнет работать — поменяйте эти провода местами. Таким образом изменится полярность первички. Разводку приложил.

Заключение

Если вам интересно — можете рассчитать резонансную частоту трансформатора во этим формулам:

Фотографии разрядов:

В следующих своих статьях расскажу о беспроводной передаче энергии с помощью ТТ, для этого нам и понадобится знать резонансную частоту. Пока что всё.

Также не забываем о технике безопасности! Я вот, всего за сутки существования этого ТТ получил 3 удара током. Будьте предельно осторожны! Хоть здесь и высокая частота, но напряжение действительно большое, да и ток может быть немалый. Ещё при первом пуске рекомендую накрыть силовую часть листом бумаги, чтобы в случае взрыва конденсатора или транзисторов вы не пострадали. Удачи в постройке, и берегите лапы!

Хочу выразить благодарнасть сайту flyback.org.ru, членам группы vk.com/hvtesla и Сергею Булавинову за его видео.


В последнее время интерес к Катушкам Тесла все больше, а редкие детали, необходимые для сборки становятся все доступнее широкому кругу людей.
В этой статье я хочу подробно описать процесс сборки Транзисторной Катушки Тесла или SSTC (Solid State Tesla Coil).
ВНИМАНИЕ!
1. В схеме Катушки Тесла действуют смертельно опасные напряжения (310В постоянного тока).
2. Приведенная ниже конструкция Катушки Тесла работает от бытовой сети 220В БЕЗ гальванической развязки.
3. При неаккуратном обращении, сами разряды от Катушки Тесла могут привести к ожогам различной степени тяжести.
4. Катушка Тесла является источником мощного электромагнитного излучения высокой частоты, которое может вывести из строя электронные устройства, находящиеся поблизости. А также, ото всех металлических предметов, находящихся в непосредственной близости от катушки можно тоже получить ожоги.
5. Во время наладки схемы осколки взрывающихся транзисторов могут нанести увечья.
Автор статьи не несет ответственности за травмы полученные вами при сборке данной схемы. Подумайте дважды, прежде чем решите собирать устройство представляющее такую опасность для вашего организма.
1. Вторичная катушка
Итак, первым делом, для пущей мотивации двигаться дальше, нам надо намотать саму Катушку Тесла (КТ). Это самая трудоемкая деталь всей конструкции. В качестве каркаса подойдет любой прочный диэлектрический цилиндр, лучше всего использовать серые канализационные трубы. Для данной схемы не имеет смысла делать слишком большую катушку, потому что не получится раскрыть полностью её возможности, оптимальная длина: 20-30 см и диаметр равный примерно 1/3 длины. В своей конструкции я использовал каркас 25х7 см. Наматывать следует эмалированой медной проволокой диаметром 0.2-0.3 мм в один слой виток к витку ни в коем случае не допуская нахлеста витков друг на друга. После намотки следует сразу же покрыть катушку слоем лака или эпоксидки, иначе через пару часов витки ослабнут и начнут сползать — многочасовой труд на смарку.
2. Тороид
Для увеличения длины разрядов, понижения рабочей частоты, экранирования верхней части катушки и придания ей каноничного вида, следует сделать тороид. Обычно его делают из гофрированной алюминиевой трубы воздуховода свернутой в «бублик». Не желательно, чтобы диаметр трубы тороида превышал диаметр вторичной обмотки, а его внешний диаметр не должен быть больше её высоты. К примеру, при размерах вторички 24х8, тороид можно сделать тоже 8х24. В качестве трубы для тороида для небольших катушек подходит воздуховод инжектора от автомобилей ВАЗ. При закреплении тороида на верху катушки следует поднять его нижний край над краем намотки вторички на 2-5см. И не забудьте электрически соединить верхний вывод катушки с тороидом.
Так же, необходимо разместить разрядный терминал — кусок толстой медной или алюминиевой проволоки, конец которого должен выступать над верхним краем тороида не менее чем на 1/2 его толщины. Длиннее — тоже плохо, влияет на длину стримера. Короче — есть риск пробоя разряда с нижней части тороида в первичную обмотку.


Практически сферическая Катушка Тесла в вакууме. Размеры 24х8 у всего.

В моем случае диаметр трубы тороида 11см при диаметре вторички 7см, из-за этого я хлебнул много проблем на первых порах, но итоговая конструкция работает хорошо. Не советую так делать новичкам.
3. Первичная катушка
Первичная катушка может наматываться либо на цилиндрическом каркасе диаметром х2 диаметра вторички, либо, что лучше, делать её конусообразной: нижний диаметр равен диаметру вторички, а верхний — трем диаметрам, высота намотки — треть высоты вторички. Наматывать можно коаксиальным кабелем типа RG-58, объединив центральную жилу и экран. Количество витков — 5-6.

Мой вариант намотки.
4. Электроника
Ну вот мы и добрались до самого интересного. Ниже представлена схема всей электронной части Катушки Тесла.

Рассмотрим её сверху вниз и слева направо. Напряжение через выключатель SW1 поступает на понижающий трансформатор TR1. Пунктир, которым обведен выключатель означает, что он вынесен за пределы корпуса, т.к. Катушка Тесла наводит во всех металлических предметах сильное ВЧ напряжение, то ни в коем случае нельзя располагать выключатели и другие средства управления катушкой в том же корпусе, где располагается электроника, иначе при попытке выключить катушку вы рискуете получит ожоги. Необходимо сделать проводной пульт управления. В нем должны располагаться: тумблер питания платы управления, тумблер питания силовой части, тумблер CW режима, ручки управления прерывателем. Длина проводов не менее метра!

Лицевая сторона пульта управления
Трансформатор TR1 должен обеспечивать выходное действующее напряжение 15В и ток до 1А. Далее идет диодный мост, конденсаторы фильтров и линейные стабилизаторы напряжения U1 и U2 на 15 и 5 вольт соответственно, обвязанные керамическими конденсаторами 0.1мкФ с двух сторон. U2 обязательно должна иметь теплоотвод. Номинальное напряжение конденсатора С1 — 25В, С4, С7 — 16В.
Микросхема U3 это простой генератор сигнала прямоугольной формы, он является необязательным элементом схемы, но с ним намного проще производить отладку. Номиналы времязадающей RC-цепочки R2-C8 подбираются исходя из резонансной частоты вашей вторичной обмотки. Джампер JP1 служит для переключения тестового режима отладки и нормального режима работы.

Плата драйвера
Трансформатор TR2 это трансформатор тока (ТТ), он представляет собой ферритовое кольцо магнитной проницаемостью не менее 2000, диаметром около 2см, вторичная обмотка содержит 50 витков провода в изоляции, диаметр провода не принципиален, главное чтобы 50 витков там поместились и осталось отверстие по центру. Первичная обмотка этого трансформатора это просто прямой провод, проходящий через центр кольца, идущий от нижнего вывода вторички КТ к заземлению. Лично я использовал длинный болт М4, который крепит трансформатор тока корпусу и одновременно является проводником.

Трансформатор тока, сквозь него проходит болт, красный провод ушел в землю, белый к RC цепочке R10-C23, а с обратной стороны доски закреплен нижний вывод вторички
С ТТ сигнал поступает через резистор R3 (0.5 Вт) и конденсатор С9 на ограничитель напряжения на диодах D5-D6, а с них на вход логической микросхемы 74LS04, подойдет и наша К1533ЛН1 или, в принципе, любой ТТЛ инвертор, но нежелательно ставить КМОП. С инверторов сигнал поступает на мощные драйверы транзисторов U5, U6 — UCC37322 (прямой) и UCC37321 (инверсный), эти микросхемы сложно достать, проще заказать по интернету. Если вдруг у вас окажется только две микросхемы UCC37322 или две UCC37321, то можно подключить одну из них между инверторами U4:A и U4:B, так, чтобы на одну поступал прямой сигнал, а на другую инверсный, но лучше так не делать (я сделал именно так). На микросхемы U5, U6 необходимо приклеить на теплопроводный клей алюминиевый теплоотвод.

Конденсатор С15 — пленочный К73-17 2.2 мкФ х 63 В.
Трансформатор TR3 — это Gate Drive Transformer (GDT), наматывается на ферритовом кольце, можно взять такое же, как и для трансформатора тока. Мотается пучком из трех проводов и содержит 10 витков. Однако, первичную обмотку неплохо бы сделать на пару витков больше. Но не больше пары витков!

Разноцветный ГДТ, выше видна RC-цепочка R10-C23, соединенная с фольгой экрана
Микросхема U7 — 555 таймер, реализует прерыватель сигнала (Interrupter). Его выход подключен через резистор R5 ко входам Enable драйверов. Регуляторы частоты и скважности импульсов RV1 и RV2 располагаются во внешнем пульте, их следует соединить с платой управления экранированным кабелем. Экран соединить с общим экраном, про него мы поговорим позже. Тумблер SW3 — отключает прерыватель и подает на вход Enable драйверов напряжение питания, этим самым реализуя режим CW (Continious Wave).
5. Силовая часть
Вот мы и подошли к самому главному и серьезному — силовой части. Она выполнена на мощных IGBT транзисторах Q1, Q2 — IRGP50B60PD1. Использование MOSFET транзисторов себя не оправдало абсолютно, так что, если вы хотите, чтобы Катушка Тесла радовала вас разрядами, а не взрывами транзисторов, то разоритесь на ИГБТ. Я покупал их в магазине радиодеталей за 280р/шт. Резисторы R6-R9 — 10-12 Ом и не менее 2 Вт мощности. Диоды D9,D11 — любые Шоттки не менее чем на 20В и 2А. Диоды D10, D12 — это двунаправленные супрессоры (TVS) на 15В, можно поставить и на 16В. D13, D14 тоже супрессоры, но на 400В. Конденсаторы С19-С22 — К73-17 или импортные аналоги на напряжение 400 или лучше 630 В.
Транзисторы должны быть смонтированы на массивном алюминиевом теплоотводе, который, желательно, продувать компьютерным кулером.
Разводке платы для силовой части нужно уделить особое внимание, очень важно разделить силовые проводники и сигнальные.
Дорожки идущие от ГДТ должны быть проложены отдельно до самых ножек транзисторов, быть как можно короче и без изгибов. Силовые дорожки должны быть как можно толще.
Плата силовой части, видны на затворах резисторы 10Вт, это перебор, но в CW режиме и они нагреваются
6. Заземление и экран
Всю электронику необходимо экранировать, у меня в конструкции деревянный короб обклеен изнутри пищевой фольгой и проклеен алюминиевым скотчем. Верхняя крышка, на которой закреплена сама катушка, имеет разрез в фольге чуть дальше середины, такой, чтобы не образовывался замкнутый виток. С остальным экраном фольга соединяется со стороны противоположной разрезу.
Синие линии — изоляция, красная — соединение.
Общая шина питания платы драйверов соединяется с экраном. Плата силовой части и сетевые цепи изолированы ото всего.
Если вам повезло жить в новых домах с трехжильной проводкой, то заземление у вас есть в розетке и использовать следует именно его, нижний вывод вторичной катушки проходя через трансформатор тока, должен быть подключен к земле. К этой же земле подключается экран, но через RC-цепочку R10-C23, конденсатор С23 — 0.01мкФ на напряжение не менее 1000В типа К78-2, резистор 33-51кОм х 0.5-1Вт.

Если вы живете в доме, где нет заземления в розетке, то точкой заземления является емкостной делитель на конденсаторах С16-С17, К78-2 0,1мкФ х 2000В. Я на всякий случай ещё зашунтировал их резисторами 100кОм х 1Вт. (В случае наличия заземления в розетке, делитель все равно должен быть).
7. Отладка
После сборки конструкции, прежде чем её включать в розетку, что приведет к неминуемому фейерверку, надо все проверить. Переводим плату драйверов в режим отладки (джампер JP1 в верхнее положение) и в CW режим (тумблер SW3 замкнут).
1) В первую очередь проверяем фазировку подключения транзисторов, для этого подключим силовую часть к источнику постоянного напряжения, например, 24 или 36 вольт, через токоограничительный резистор 10-20 Ом и амперметр и отключим от неё первичную обмотку. С выключенной платой драйверов силовая часть не должна потреблять ток вообще. При включении платы драйверов сила тока, протекающего через силовую часть не должна быть больше 10мА при напряжении питания 36В. Если сила тока близка к своему максимально возможному значению, значит транзисторы включены синфазно и следует поменять местами выводы ГДТ у одного из них.
2) После этого подключаем первичную катушку и повторяем эксперимент. С подключенной первичной катушкой (в отсутсвии вторичной) ток потребления должен быть в районе 100-200мА.
3) Убираем токоограничительный резистор из цепи питания силовой части, устанавливаем вторичную катушку с тороидом внутрь первичной, подключаем к ней заземление через ТТ. Переводим плату драйверов в нормальный режим работы. Питание силовой части пока остается 36В, включаем всё. Берем любую неоновую лампочку, например из стартера ЛДС и подносим её к тороиду, если ток потребления силовой части есть, а лампочка никак не реагирует, меняем фазировку ТТ. После этого должны появится разряды на разрядном терминале, а лампочка должна светится. Ток потребления не должен превышать 3А. При этом не должно наблюдаться никакого нагрева транзисторов. Если все условия соблюдены, пробуем все собирать воедино и включать в сеть, выключив режим CW для начала.
Если все хорошо, то поздравляю, вы собрали Транзисторную Катушку Тесла и можете развлекать гостей невероятными электрическими шоу. Дальнейшая модернизация, увеличение длины разрядов и оптимизация конкретно вашей конструкции выходит далеко за рамки этой статьи, добро пожаловать на соответствующие форумы в интернете.
И напоследок фотосессия:
Малый тороид:
Лампы ИН-8:
Поваренная соль на терминале, большой тороид:
И Видео:
Малый тороид:

Малый тороид, спичка на терминале:

Большой тороид:

Теги: катушка тесла, высокое напряжение

Катушка Тесла представляет собой высокочастотный резонансный трансформатор без ферромагнитного сердечника, с помощью которого можно получить высокое напряжение на вторичной обмотке. Под действием высокого напряжения в воздухе происходит электрический пробой, подобно разряду молнии. Устройство изобретено Николой Теслой, и носит его имя.

По типу коммутирующего элемента первичного контура, катушки Тесла подразделяются на искровые (SGTC – Spark gap Tesla coil), ламповые (VTTC – Vacuum tube Tesla coil), транзисторные (SSTC – Solid state Tesla coil, DRSSTC – Dual resonant solid state Tesla coil). Я буду рассматривать только искровые катушки, являющиеся самыми простыми и распространенными. По способу заряда контурного конденсатора, искровые катушки делятся на 2 типа: ACSGTC – Spark gap Tesla coil, а также DCSGTC – Spark gap Tesla coil. В первом варианте, заряд конденсатора осуществляется переменным напряжением, во втором используется резонансный заряд с подведением постоянного напряжения.

Сама катушка представляет собой конструкцию из двух обмоток и тора. Вторичная обмотка цилиндрическая, наматывается на диэлектрической трубе медным обмоточным проводом, в один слой виток к витку, и имеет обычно 500-1500 витков. Оптимальное соотношение диаметра и длины обмотки равно 1:3,5 – 1:6. Для увеличения электрической и механической прочности, обмотку покрывают эпоксидным клеем или полиуретановым лаком. Обычно размеры вторичной обмотки определяют исходя из мощности источника питания, то есть высоковольтного трансформатора. Определив диаметр обмотки, из оптимального соотношения находят длину. Далее подбирают диаметр обмоточного провода, так чтобы количество витков примерно равнялось общепринятому значению. В качестве диэлектрической трубы обычно применяют канализационные пластиковые трубы, но можно изготовить и самодельную трубу, при помощи листов чертежного ватмана и эпоксидного клея. Здесь и далее речь идет о средних катушках, мощностью от 1 кВт и диаметром вторичной обмотки от 10 см.

На верхний конец трубы вторичной обмотки устанавливают полый проводящий тор, обычно выполненный из алюминиевой гофрированной трубы для отвода горячих газов. В основном диаметр трубы подбирают равным диаметру вторичной обмотки. Диаметр тора обычно составляет 0,5-0,9 от длины вторичной обмотки. Тор имеет электрическую емкость, которая определяется его геометрическими размерами, и выступает в роли конденсатора.

Первичная обмотка располагается у нижнего основания вторичной обмотки, и имеет спиральную плоскую или коническую форму. Обычно состоит из 5-20 витков толстого медного или алюминиевого провода. В обмотке протекают высокочастотные токи, вследствие чего скин-эффект может иметь значительное влияние. Из-за высокой частоты ток распределяется преимущественно в поверхностном слое проводника, тем самым уменьшается эффективная площадь поперечного сечения проводника, что приводит к увеличению активного сопротивления и уменьшению амплитуды электромагнитных колебаний. Поэтому лучшим вариантом для изготовления первичной обмотки будет полая медная трубка, или плоская широкая лента. Над первичной обмоткой по внешнему диаметру иногда устанавливают незамкнутое защитное кольцо (Strike Ring) из того же проводника, и заземляют. Кольцо предназначено для предотвращения попадания разрядов в первичную обмотку. Разрыв необходим для исключения протекания тока по кольцу, иначе магнитное поле, созданное индукционным током, будет ослаблять магнитное поле первичной и вторичной обмотки. От защитного кольца можно отказаться, если заземлить один конец первичной обмотки, при этом попадание разряда не причинит вреда компонентам катушки.

Коэффициент связи между обмотками зависит от их взаимного расположения, чем они ближе, тем больше коэффициент. Для искровых катушек типичное значение коэффициента равно K=0,1-0,3. От него зависит напряжение на вторичной обмотке, чем больше коэффициент связи, тем больше напряжение. Но увеличивать коэффициент связи выше нормы не рекомендуется, так как между обмотками начнут проскакивать разряды, повреждающие вторичную обмотку.
На схеме представлен простейший вариант катушки Тесла типа ACSGTC.
Принцип действия катушки Тесла основан на явлении резонанса двух индуктивно связанных колебательных контуров. Первичный колебательный контур состоит из конденсатора С1, первичной обмотки L1, и коммутируется разрядником, в результате чего образуется замкнутый контур. Вторичный колебательный контур образован вторичной обмоткой L2 и конденсатором С2 (тор обладающий емкостью), нижний конец обмотки обязательно заземляется. При совпадении собственной частоты первичного колебательного контура с частотой вторичного колебательного контура, происходит резкое возрастание амплитуды напряжения и тока во вторичной цепи. При достаточно высоком напряжении происходит электрический пробой воздуха в виде разряда, исходящего из тора. При этом важно понимать, что представляет собой замкнутый вторичный контур. Ток вторичного контура течет по вторичной обмотке L2 и конденсатору С2 (тор), далее по воздуху и земле (так как обмотка заземлена), замкнутый контур можно описать следующим образом: земля-обмотка-тор-разряд-земля. Таким образом, захватывающие электрические разряды представляют собой часть контурного тока. При большом сопротивлении заземления разряды, исходящие из тора будут бить прямо по вторичной обмотке, что не есть хорошо, поэтому нужно делать качественное заземление.

После того как размеры вторичной обмотки и тора определены, можно посчитать собственную частоту колебаний вторичного контура. Здесь надо учитывать, что вторичная обмотка кроме индуктивности обладает некоторой емкостью из-за немалых размеров, которую надо учитывать при расчете, емкость обмотки необходимо сложить с емкостью тора. Далее надо прикинуть параметры катушки L1и конденсатора C1первичного контура, так чтобы собственная частота первичного контура была близка к частоте вторичного контура. Емкость конденсатора первичного контура обычно составляет 25-100 нФ, исходя из этого, рассчитывают количество витков первичной обмотки, в среднем должно получиться 5-20 витков. При изготовлении обмотки необходимо увеличить количество витков, по сравнению с расчетным значением, для последующей настройки катушки в резонанс. Рассчитать все эти параметры можно по стандартным формулам из учебника физики, также в сети есть книги по расчету индуктивности различных катушек. Существуют и специальные программы калькуляторы для расчета всех параметров будущей катушки Тесла.

Настройка осуществляется путем изменения индуктивности первичной обмотки, то есть один конец обмотки подсоединен к схеме, а другой никуда не подключается. Второй контакт выполняют в виде зажима, который можно перекидывать с одного витка на другой, тем самым используется не вся обмотка, а только ее часть, соответственно меняется индуктивность, и собственная частота первичного контура. Настройку выполняют во время предварительных запусков катушки, о резонансе судят по длине выдаваемых разрядов. Существует также метод холодной настройки резонанса при помощи ВЧ генератора и осциллографа или ВЧ вольтметра, при этом катушку запускать не надо. Необходимо взять на заметку, что электрический разряд обладает емкостью, вследствие чего собственная частота вторичного контура может немного уменьшаться во время работы катушки. Заземление также может оказывать небольшое влияние на частоту вторичного контура.

Разрядник является коммутирующим элементом в первичном колебательном контуре. При электрическом пробое разрядника под действием высокого напряжения, в нем образуется дуга, которая замыкает цепь первичного контура, и в нем возникают высокочастотные затухающие колебания, в течение которых напряжение на конденсаторе С1 постепенно уменьшается. После того как дуга гаснет, контурный конденсатор С1 вновь начинает заряжаться от источника питания, при следующем пробое разрядника начинается новый цикл колебаний.

Разрядник подразделяется на два типа: статический и вращающийся. Статический разрядник представляет собой два близко расположенных электрода, расстояние между которыми регулируют так чтобы электрический пробой между ними происходил в то время, когда конденсатор С1 заряжен до наибольшего напряжения, или немного меньше максимума. Ориентировочное расстояние между электродами определяют исходя из электрической прочности воздуха, которая составляет около 3 кВ/мм при стандартных условиях окружающей среды, а также зависит от формы электродов. Для переменного сетевого напряжения, частота срабатываний статического разрядника (BPS – beats per second) составит 100Гц.

Вращающийся разрядник (RSG – Rotary spark gap) выполняется на основе электродвигателя, на вал которого насажен диск с электродами, с каждой стороны диска устанавливаются статические электроды, таким образом, при вращении диска, между статическими электродами будут пролетать все электроды диска. Расстояние между электродами делают минимальным. В таком варианте можно регулировать частоту коммутаций в широких пределах управляя электродвигателем, что дает больше возможностей по настройке и управлению катушкой. Корпус двигателя необходимо заземлить, для защиты обмотки двигателя от пробоя, при попадании высоковольтного разряда.

В качестве контурного конденсатора С1 применяют конденсаторные сборки (MMC – Multi Mini Capacitor) из последовательно и параллельно соединенных высоковольтных высокочастотных конденсаторов. Обычно применяют керамические конденсаторы типа КВИ-3, а также пленочные К78-2. В последнее время намечен переход на бумажные конденсаторы типа К75-25, которые неплохо показали себя в работе. Номинальное напряжение конденсаторной сборки для надежности должно быть в 1,5-2 раза больше амплитудного напряжения источника питания. Для защиты конденсаторов от перенапряжения (высокочастотные импульсы) устанавливают воздушный разрядник параллельно всей сборке. Разрядник может представлять собой два небольших электрода.

В качестве источника питания для зарядки конденсаторов используется высоковольтный трансформатор Т1, или несколько последовательно или параллельно соединенных трансформаторов. В основном начинающие тесластроители используют трансформатор из микроволновой печи (MOT – Microwave Oven Transformer), выходное переменное напряжение которого составляет ~2,2 кВ, мощность около 800 Вт. В зависимости от номинального напряжения контурного конденсатора, МОТы соединяют последовательно от 2 до 4 штук. Применение только одного трансформатора не целесообразно, так как из-за небольшого выходного напряжения зазор в разряднике будет очень малым, итогом будут нестабильные результаты работы катушки. Моты имеют недостатки в виде слабой электропрочности, не рассчитаны для работы в длительном режиме, сильно греются при большой нагрузке, поэтому часто выходят из строя. Более разумно использовать специальные масляные трансформаторы типа ОМ, ОМП, ОМГ, которые имеют выходное напряжение 6,3 кВ, 10 кВ, и мощность 4 кВт, 10 кВт. Можно также изготовить самодельный высоковольтный трансформатор. При работе с высоковольтными трансформаторами не следует забывать о технике безопасности, высокое напряжение опасно для жизни, корпус трансформатора необходимо заземлить. При необходимости последовательно с первичной обмоткой трансформатора можно установить автотрансформатор, для регулировки напряжения зарядки контурного конденсатора. Мощность автотрансформатора должна быть не меньше мощности трансформатора T1.

Дроссель Lд в цепи питания необходим для ограничения тока короткого замыкания трансформатора при пробое разрядника. Чаще всего дроссель находится в цепи вторичной обмотки трансформатора T1. Вследствие высокого напряжения, необходимая индуктивность дросселя может принимать большие значения от единиц до десятков Генри. В таком варианте он должен обладать достаточной электропрочностью. С таким же успехом дроссель можно установить последовательно с первичной обмоткой трансформатора, соответственно здесь не требуется высокая электропрочность, необходимая индуктивность на порядок ниже, и составляет десятки, сотни миллигенри. Диаметр обмоточного провода должен быть не меньше диаметра провода первичной обмотки трансформатора. Индуктивность дросселя рассчитывают из формулы зависимости индуктивного сопротивления от частоты переменного тока.

Фильтр низких частот (ФНЧ) предназначен для исключения проникновения высокочастотных импульсов первичного контура в цепь дросселя и вторичной обмотки трансформатора, то есть для их защиты. Фильтр может быть Г-образным или П-образным. Частоту среза фильтра выбирают на порядок меньше резонансной частоты колебательных контуров катушки, но при этом частота среза должна быть намного больше частоты срабатывания разрядника.
При резонансном заряде контурного конденсатора (тип катушки – DCSGTC), используют постоянное напряжение, в отличии от ACSGTC. Напряжение вторичной обмотки трансформатора T1 выпрямляют с помощью диодного моста и сглаживают конденсатором Св. Емкость конденсатора должна быть на порядок больше емкости контурного конденсатора С1, для уменьшения пульсаций постоянного напряжения. Величина емкости обычно составляет 1-5 мкФ, номинальное напряжение для надежности выбирают в 1,5-2 раза больше амплитудного выпрямленного напряжения. Вместо одного конденсатора можно использовать конденсаторные сборки, желательно не забывая про выравнивающие резисторы при последовательном соединении нескольких конденсаторов.

В качестве диодов моста применяют последовательно соединенные высоковольтные диодные столбы типа КЦ201 и др. Номинальный ток диодных столбов должен быть больше номинального тока вторичной обмотки трансформатора. Обратное напряжение диодных столбов зависит от схемы выпрямления, по соображениям надежности обратное напряжение диодов должно быть в 2 раза больше амплитудного значения напряжения. Возможно изготовление самодельных диодных столбов путем последовательного соединения обычных выпрямительных диодов (например 1N5408, Uобр = 1000 В, Iном = 3 А), с применением выравнивающих резисторов.
Вместо стандартной схемы выпрямления и сглаживания можно собрать удвоитель напряжения из двух диодных столбов и двух конденсаторов.

Принцип работы схемы резонансного заряда основан на явлении самоиндукции дросселя Lд, а также применения диода отсечки VDо. В момент времени, когда конденсатор C1 разряжен, через дроссель начинает течь ток, возрастая по синусоидальному закону, при этом в дросселе накапливается энергия в виде магнитного поля, а конденсатор при этом заряжается, накапливая энергию в виде электрического поля. Напряжение на конденсаторе возрастает до напряжения источника питания, при этом через дроссель течет максимальный ток, и падение напряжения на нем равно нулю. При этом ток не может прекратиться мгновенно, и продолжает течь в том же направлении из-за наличия самоиндукции дросселя. Зарядка конденсатора продолжается до удвоенного значения напряжения источника питания. Диод отсечки необходим для предотвращения перетекания энергии от конденсатора обратно в источник питания, так как между конденсатором и источником питания появляется разность потенциалов равная напряжению источника питания. На самом деле напряжение на конденсаторе не достигает удвоенного значения, из-за наличия падения напряжения на диодном столбе.

Применение резонансного заряда позволяет более эффективно и равномерно передавать энергию на первичный контур, при этом для получения одинакового результата (по длине разряда), для DCSGTC требуется меньшая мощность источника питания (трансформатор Т1), чем для ACSGTC. Разряды приобретают характерный плавный изгиб, вследствие стабильного питающего напряжения, в отличии от ACSGTC, где очередное сближение электродов в RSG может приходиться по времени на любой участок синусоидального напряжения, включая попадание на нулевое или низкое напряжение и как следствие переменная длина разряда (рваный разряд).

Ниже на картинке представлены формулы для расчета параметров катушки Тесла:

Предлагаю ознакомиться с моим опытом постройки катушки Тесла своими руками.

>Последние записи:

  • Часы на газоразрядных индикаторах
  • Стробоскоп своими руками
  • Часы на индикаторах ИВ-11
  • Солнечный трекер

This entry was posted in Ремонт. Bookmark the <a href="https://kabel-house.ru/remont/dlya-chego-nuzhna-katushka-tesla/" title="Permalink to Для чего нужна катушка тесла?" rel="bookmark">permalink</a>.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *