Биполярная катушка тесла – Моя биполярная катушка Тесла | Мои увлекательные и опасные эксперименты

Катушка тесла (Трансформатор) самостоятельная сборка собственными силами

Для тех, кому не терпится соорудить нечто необычное, что поразит окружающих, и сделать это своими руками – трансформатор Тесла будет идеальным вариантом. Процесс конструирования увлекает, а сочетание сразу нескольких физических эффектов в одном относительно простом устройстве приводит в восторг и любителей, и профессионалов.

Несмотря на простоту устройства, смастерить теслу не так уж просто. Принцип трансформатора основан на катушках: первичка с малым количеством витков, которая создает искровой контур, и вторичная обмотка, представляющая собою прямую катушку провода. Резонанс частот колебания обмоток вызывает высокое переменное напряжение между двумя концами катушки.

В статье расскажем подробнее, что из себя представляет этот прибор и как можно его собрать своими руками. В качестве бонуса в конце статьи добавлен интересный видеоматериал о трансформаторах Тесла и учебный материал “Способы определения параметров трансформатора Тесла” В. А. Колчановой.

Работа трансформатора тесла

Так выглядит Тесла в действии.

Как правильно называть устройство

Существует много названий для трансформатора Тесла. Все они обозначают одно и то-же устройство. Самое корректное название по моему мнению — “Трансформатор Тесла”, хотя я не стесняюсь использовать и другие, такие как:

  1. Трансформатор Тесла.
  2. Катушка Тесла.
  3. Тесла.

Также существуют сленговые названия трансформатора Тесла, некоторые из них:

  1. Катуха (Котуха).
  2. Койл.

Часто трансформатор называют его типом – СГТЦ, ССТЦ и так далее.

Катушка тесла (Трансформатор) самостоятельная сборка собственными силами

Имя Тесла не склоняется, то есть грамматически не верно говорить: “Трансформатор Теслы”, хотя, если вы так скажите, все вас поймут.

Принцип работы

Трансформатор Тесла состоит из двух обмоток – первичной (Lp) и вторичной (Ls) (их чаще называют “первичка” и “вторичка”). К первичной обмотке подводится переменное напряжение, и она создает магнитное поле.  При помощи этого поля энергия из первичной обмотки передается во вторичную. В этом трансформатор тесла очень похож на самый обычный “железный” трансформатор.

Вторичная обмотка вместе с собственной паразитной (Cs) емкостью образуют колебательный контур, который накапливает переданную ему энергию. Часть времени вся энергия в колебательном контуре храниться в виде напряжения. Таким образом, чем больше энергии мы вкачаем в контур, тем больше напряжения получим.

Катушка тесла Простая схема работы катушки тесла.

Интересный материал для прочтения: факты о понижающих трансформаторах.

Тесла обладает тремя основными характеристиками – резонансной частотой вторичного контура, коэффициентом связи первичной и вторичной обмоток, добротностью вторичного контура.

Что такое резонансная частота колебательного контура, читателю должно быть известно. Я же подробнее остановлюсь на коэффициенте связи и добротности.

Коэффициент связи определяет, насколько быстро энергия из первичной обмотки передается во вторичную, а добротность – насколько долго колебательный контур может сохранять энергию.

Аналогия с качелями

Для того, чтобы лучше понять, как колебательный контур накапливает энергию, и откуда в тесле берется такое большое напряжение, представим качели, которые раскачивает здоровенный мужик. Качели – это колебательный контур, мужик– это первичная обмотка. Скорость качели – это ток во вторичной обмотке, а высота подъема – наше долгожданное напряжение.

Мужик толкает качели, и, таким образом передает в них энергию. И вот, за несколько толчков, качели раскачались и подлетают так высоко, как это только возможно – они накопили много энергии. Тоже самое происходит и с теслой, только когда энергии становится слишком много, происходит пробой воздуха, и мы видим наши красивущий стример.

Катушка тесла (Трансформатор) самостоятельная сборка собственными силами

Естественно, раскачивать качели нужно не абы как, а в точном согласии с их собственными колебаниями.  Количество колебаний качелей в секунду называется “резонансная частота”.

Участок траектории полета качели, на протяжении которого мужик их толкает определяет коэффициент связи. Если мужик будет постоянно держать качели своей здоровенной ручищей, то он раскачает их очень быстро, но качели смогут отклониться только на длину руки мужика. В таком случае говорят, что коэффициент связи равен единице.  Наши качели с большим коэффициентом связи — это аналог обычного трансформатора.

Теперь рассмотрим ситуацию, когда мужик только немного подталкивает качели. В этом случае коэффициент связи мал, а качели отклоняются намного дальше – мужик теперь их не держит. Качели придется раскачивать дольше, но с этим справится даже очень хилый мужик, чуть-чуть толкая их каждый период колебаний. Такие качели и есть аналогом трансформатора Тесла. Чем больше коэффициент связи, тем быстрее во вторичный контур накачивается энергия, но при этом выходное напряжение теслы получается меньше.

Теперь рассмотрим добротность. Добротность – это противоположность трению в качелях. Если трение очень большое (низкая добротность), то мужик своими слабенькими толчками не сможет их раскачать. Таким образом, коэффициент связи и добротность контура должны быть согласованны для достижения максимальной высоты качелей (максимальной длинны стримера).

Так-как добротность вторичной обмотки в трансформаторе Тесла – величина не постоянная (она зависит от стримера), то согласовать эти две величины очень не просто, и поэтому просто подбирают опытным путем. Кратко о принципе работы трансформатора можно посмотреть в видеоролике.

Основные виды катушек

Как выглядит тесла

Самодельная катушка тесла.

Сам Тесла изготавливал Трансформатор только одного типа – на разряднике (СГТЦ).

С тех пор элементная база сильно улучшилась, и появилось множество разных типов катушек, по аналогии их продолжают называть катушками Тесла.

Типы катушек принято называть из английских аббревиатур. Если название необходимо сказать на русском языке, английские аббревиатуры просто говорят русскими буквами без перевода. Самые распространенные типы катушек тесла рассмотрим ниже.

SGTC (СГТЦ, Spark Gap Tesla Coil)

Трансформатор тесла на разряднике. Самая первая и “классическая” конструкция (ее использовал сам Тесла). В качестве ключевого элемента использует разрядник. В маломощных конструкциях разрядник – просто два куска провода, находящихся на некотором расстоянии, а в мощных – сложные вращающиеся разрядники. Трансформаторы этого типа идеальны если вам нужна только большая длинна стримера.

VTTC (ВТТЦ, Vacuum Tube Tesla Coil

Трансформатор тесла на лампе. В качестве ключевого элемента используется мощная радиолампа. Такие трансформаторы могут работать в непрерывном режиме и выдавать толстые, “жирные” стримеры. Этот тип чаще всего используют для высокочастотных тесел, которые из-за характерного вида своих стримеров получили название “факельник”.

SSTC (ССТЦ, Solid State Tesla Coil)

Трансформатор тесла, в котором в качестве ключевого элемента используются полупроводники. Обычно это MOSFET или IGBT транзисторы. Этот тип трансформаторов может работать в непрерывном режиме. Внешний вид стримеров, создаваемых этой катушкой, может быть самый различный. Этим типом Тесел проще всего управлять (играть музыку, к примеру).

Solid State Tesla Coil катушка

Катушка типа Solid State Tesla Coil.

Трансформатор с двумя резонансными контурами, в котором в качестве ключей используются полупроводники, в подавляющем большинстве случаев, это IGBT транзисторы. ДРССТЦ – самый сложный в изготовлении и настройке тип трансформаторов тесла. Характерная длинна стримеров трансформатора этого типа немного меньше, чем у SGTC, а управляемость немногим хуже, чем у SSTC.

Для управления внешним видом стримеров придумали так называемый прерыватель. Изначально с помощью этого устройства останавливали катушку для того, чтобы дать возможность зарядится конденсатором и остыть разрядному терминалу, и, засчет этого, увеличить длину стримеров. Но в последнее время в прерыватели начали встраивать дополнительные функции, к примеру, научили катушки Тесла играть музыку.

Основные детали катушки

Несмотря на то, что существует несколько видов катушек тесла, у всех них есть общие черты. Расскажем о основных деталях теслы сверху вниз.

Основные детали трансформатора тесла

Основные детали катушки трансформатора тесла.

Тороид

Тороиды обычно изготавливают из алюминиевой гофры, хотя есть множество других технологий. Выполняет три функции:

  1. Первая – уменьшение резонансной частоты – это актуально для SSTC и DRSSTC, так как силовые полупроводники плохо работают на высоких частотах.
  2. Вторая – накопление энергии перед образованием стримера. Чем больше тороид, тем больше в нем накоплено энергии и, в момент, когда воздух пробивается, тороид отдает эту энергию в стример, таким образом,  увеличивая его. Для того, чтобы извлечь выгоду из этого явления в теслах с непрерывной накачкой энергии, используют прерыватель.
  3. Третья – формирование электростатического поля, которое отталкивает стример от вторичной обмотки теслы. От части, эту функцию выполняет сама вторичная обмотка, но тороид может ей хорошо помочь. Именно по причине электростатического отталкивания стримера, он не бьет по кратчайшему пути во вторичку.

От использования тороидоа больше всего выиграют теслы с импульсной накачкой – SGTC, DRSSTC и теслы с прерывателями. Типичный внешний диаметр тороида – два диаметра вторички.

Интересный материал в тему: как собрать повышающий трансформатор самостоятельно.

Вторичка

Типичное отношение длинны обмотки теслы к ее диаметру намотки 4:1 – 5:1.  Диаметр провода для намотки теслы обычно выбирают так, чтобы на вторичке помещалось 800-1200 витков. ВНИМАНИЕ, повторюсь еще раз. Не стоит мотать слишком много витков на вторичке тонким проводом. Витки на вторичке нужно распологать как можно плотнее друг к другу.

Для защиты от царапин и от разлезания витков, вторичные обмотки обычно покрывают лаками. Чаще всего для этого применяются эпоксидная смола и полиуретановый лак. Лакировать стоит очень тонкими слоями. Обычно, на вторичку, наносят минимум 3-5 тонких слоев лака.

Мотают вторичку на воздуховодных (белых) или, что хуже, канализационных (серых) ПВХ трубах. Найти эти трубы можно в любом строительном магазине.

Защитное кольцо

Предназначено для того, чтобы стример, попав в первичную обмотку не вывел электронику из строя. Эта деталь устанавливается на тесле, если длинна стримера больше длинны вторичной обмотки. Представляет собой незамкнутый виток медного провода (чаще всего, немного толще, чем тот из которого изготавливается первичка). Защитное кольцо заземляется на общее заземление отдельным проводом.

Первичная обмотка

Обычно изготавливается из медной трубы для кондиционеров. Должна обладать очень маленьким сопротивлением для того, чтобы по ней можно было пропускать большой ток. Толщину трубки обычно выбирают на глаз, в подавляющем большинстве случаев, выбор падает на 6 мм трубку. Также в качестве первички используют провода большего сечения.

Относительно вторичной обмотки устанавливается так, чтобы обеспечить нужный коэффициент связи. Часто играет роль построечного элемента в тех теслах, где первичный контур является резонансным. Точку подключения к первичке делают подвижной и ее перемещением изменяют резонансную частоту первичного контура.

Катушка тесла (Трансформатор) самостоятельная сборка собственными силами

Существуют трансформаторы Тесла без первичной обмотки. У них питание подается прямо на “земляной” конец вторички. Такой метод питания называется “бэйзфид” (basefeed).

Первичные обмотки обычно делают цилиндрическими, плоскими или коническим. Обычно, плоские первички используются в SGTC, конические- в SGTC и DRSSTC, а цилиндрические — в SSTC, DRSSTC и VTTC.

Заземление

Очень важная деталь теслы. Очень часто задают вопрос – куда же бьют стримеры? Отвечаем на этот вопрос — стримеры бьют в землю! И таким образом они замыкают ток, показанный на картинке синим цветом.

Таким образом, если заземление будет плохое, стримерам будет некуда деваться и им придется бить в теслу (замыкать свой ток), вместо того, чтобы извергаться в воздух. Меня спрашивали – обязательно ли заземлять теслу? Итак, ответ: заземление для теслы – обязательно.

Теоретически, для теслы можно вместо заземления использовать так называемый противовес – искусственное заземление в виде большего проводящего предмета. Практических конструкций с противовесами очень мало.

Катушка тесла (Трансформатор) самостоятельная сборка собственными силами

Внимание! Изготовление тесел с противовесами представляет намного большую опасность, чем тесел с простым заземлением, потому как вся конструкция находится под высоким относительно земли потенциалом. А относительно большая емкость между противовесом и окружающими предметами способна негативно на них повлиять.

Область применения

Неверно считать, что трансформатор Теслы не имеет широкого практического применения. Он используется для поджига газоразрядных ламп и для поиска течей в вакуумных системах. Тем не менее, основное его применение в наши дни — познавательно-эстетическое. В таблице ниже представлены эффекты, возникающие во время работы трансформатора тесла.

Эффекты от трансформатора Тесла

Эффекты, возникающие во время работы трансформатора тесла.

В основном это связано со значительными трудностями при необходимости управляемого отбора высоковольтной мощности или тем более передача её на расстояние от трансформатора, так как при этом устройство неизбежно выходит из резонанса, а также значительно снижается добротность вторичного контура.

Схема для самостоятельной сборки

В данной схеме минимум элементов, что нисколько не облегчает нашу задачу. Ведь чтобы она работала необходимо её не только собрать, но и настроить. Начнем с МОТов.

Такой трансформатор есть в микроволновке. Представляет собой обычный силовой трансформатор с одной лишь разницей, что его сердечник работает в режиме, близком к насыщению.

Схема самодельной сборки теслы

Схема сборки самодельного трансформатора Тесла.

Это означает, что несмотря на малые размеры, он имеет мощность до 1,5 кВт. Однако, есть и отрицательные стороны у такого режима работы. Это и большой ток холостого хода, около 2-4 А, и сильный нагрев даже без нагрузки, про нагрев с нагрузкой я молчу. Обычное выходное напряжение у МОТа — 2000-2200 вольт при силе тока 500-850 мА.

Моты на самодельную теслу

МОТы на трансформатор теслу.

У всех МОТов «первичка» намотана внизу, «вторичка» сверху. Делается это для хорошей изоляции обмоток.

На «вторичке», а иногда и на «первичке» намотана накальная обмотка магнетрона, около 3,6 вольт.

Причём между обмотками можно заметить две металлические перемычки. Это — магнитные шунты.

Основное их назначение — замкнуть на себя часть создаваемого «первичкой» магнитного потока.

Таким образом ограничить магнитный поток через «вторичку» и её выходной ток на некотором уровне.

Катушка тесла (Трансформатор) самостоятельная сборка собственными силами

Внимание! Дилетантов просим отказаться от этой работы! Опасно, высокое напряжение, смертельно для жизни! Напряжение хотя и мало по сравнению со строчником, но сила тока, в сто раз большая, чем безопасный предел 10мА сведет шансы остаться в живых практически к нулю.

КАПы подразумеваются высоковольтные керамические конденсаторы (серий К15У1, К15У2,  ТГК, КТК, К15-11, К15-14 —для установок высокой частоты!).

Фильтр для самодельной теслы

Фильтр от ВЧ для самодельной теслы.

Фильтр от ВЧ: соответственно две катушки, выпоняющие функцию фильтров от напряжения высокой частоты.

В каждой 140 витков медного лакированного провода 0.5 мм в диаметре.

Искровик, который нужен для коммутации питания и возбуждения колебаний в контуре.

Если в схеме не будет искровика, то питание будет, а колебаний нет. А еще блок питания начинает сифонить через первичку — а это короткое замыкание!

 

искровик для самодельного трансформатора

Искровик для самодельного трансформатора Тесла.

Пока искровик не замкнут — капы заряжаются. Как только замыкается — начинаются колебания.  Поэтому ставят балласт в виде дроселей — когда искровик замкнут дросель мешает течь току от блока питания заряжается сам, а потом, когда разрядник разомкнется, заряжает капы с удвоенной злостью.

Наконец-то очередь дошла и до самого трансформатора Теслы: первичная обмотка состоит из 7-9 витков провода очень большого сечения.

Впрочем, подойдёт сантехническая медная трубка. Вторичная обмотка содержит от 400 до 800 витков, тут нужно подстраиваться.

 

 

 

Катушка тесла

Готовая катушка трансформатора Тесла своими руками.

На первичную обмотку подаётся питание. У вторички один вывод надёжно заземлён, второй присоединён к ТОРУ (излучатель молний) .

Тор можно изготовить из вентиляционной гофры. На этом все. Помните о безопасности и желаем удачи в самостоятельной сборке.

 

 

Заключение

В данной статье были рассмотрены основные факты о трансформаторе тесла и способ собрать устройство самостоятельно. Больше информации об этих трансформаторах можно узнать в учебном материале “Способы определения параметров трансформатора Тесла” В. А. Колчановой.

Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте. Также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов. Чтобы подписаться на группу, вам необходимо будет перейти по следующей ссылке: https://vк.coм/еlеctroinfonеt. В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию:

www.bsvi.ru

www.i-dodo.ru

electroinfo.net

Трансформатор тесла принцип работы, схема, применение

катушка тесла - молнии

Трансформатор (катушка) Тесла (Tesla Coil, TC) — это повышающий высокочастотный резонансный трансформатор — два колебательных контура, настроенных на одинаковую резонансную частоту. В сети можно найти множество примеров ярких реализаций этого необычного устройства.

Катушка без ферромагнитного сердечника, состоящая из множества витков тонкого провода, увенчанная тором, испускает настоящие молнии, впечатляя изумленных зрителей.

С точки зрения электротехники в нашем примитивном понимании, трансформатор Теслы — это первичная и вторичная обмотка, простейшая схема, которая обеспечивает питание первичной обмотки на резонансной частоте вторичной обмотки, но выходное напряжение возрастает в сотни раз. В это сложно поверить, но каждый может убедиться в этом сам.

Как работает трансформатор тесла

Катушка Тесла названа так в честь ее изобретателя Николы Тесла (около 1891 года). История данного изобретения начинается с конца 19 века, когда гениальный ученый-экспериментатор Никола Тесла, работая в США, только поставил перед собой задачу научиться передавать электрическую энергию на большие расстояния без проводов. Аппарат для получения токов высокой частоты и высокого потенциала был запатентован Теслой в 1896 году.

Не смотря на то, что существует несколько видов катушек тесла, у всех них есть общие черты.

Трансформатор Тесла – прекрасная игрушка для тех, кто хочет сделать что-то эдакое. Это устройство не перестает поражать окружающих мощью своих огромных разрядов. Более того, сам процесс конструирования трансформатора очень увлекателен – не часто так много физических эффектов сочетаются в одной несложной конструкции.

Несмотря на то, что сама по себе “Тесла” очень проста, многие из тех, кто пытаются ее сконструировать не понимают как работает трансформатор Тесла.

катушка теслакатушка тесла

Принцип действия трансформатора Тесла похож на работу обычного  трансформатора.  Трансформатор Тела состоит из двух обмоток – первичной (Lp) и вторичной (Ls) (их чаще называют “первичка” и “вторичка”). К первичной обмотке подводится переменное напряжение и она создает магнитное поле. При помощи этого поля энергия из первичной обмотки передается во вторичную.

схема катушки теслатрансформатор тесла схема

Вторичная обмотка вместе с собственной паразитной (Cs) емкостью образуют колебательный контур, который накапливает переданную ему энергию. Часть времени вся энергия в колебательном контуре храниться в виде напряжения. Таким образом, чем больше энергии мы вкачаем в контур, тем больше напряжения получим.

схема катушки теслаколебания напряжения в трансформаторе Тесла

Тесла обладает тремя основными характеристиками:

  1. резонансной частотой вторичного контура,
  2. коэффициентом связи первичной и вторичной обмоток,
  3. добротностью вторичного контура.

Коэффициент связи определяет насколько быстро энергия из первичной обмотки передается во вторичную, а добротность – насколько долго колебательный контур может сохранять энергию.

Основные детали  и конструкции трансформатора Тесла

конструкция трансформатора теслаКонструкция трансформатора тесла

Тороид

Тороид – выполняет три функции.

Первая – уменьшение резонансной частоты – это актуально для SSTC и DRSSTC, так как силовые полупроводники плохо работают на высоких частотах.

Вторая – накопление энергии перед образованием стримера.

Стример — это, по сути дела, видимая ионизация воздуха (свечение ионов), создаваемая ВВ-полем трансформатора.

Чем больше тороид, тем больше в нем накоплено энергии  и, в момент, когда воздух пробивается, тороид отдает эту энергию в стример, таким образом,  увеличивая его. Для того, чтобы извлечь выгоду из этого явления в теслах с непрерывной накачкой энергии, используют прерыватель.

Третья – формирование электростатического поля, которое отталкивает стример от вторичной обмотки теслы. От части, эту функцию выполняет сама вторичная обмотка, но тороид может ей хорошо помочь. Именно по причине электростатического отталкивания стримера, он не бьет по кратчайшему пути во вторичку.

От использования тороидоа больше всего выиграют теслы с импульсной накачкой – SGTC, DRSSTC и теслы с прерывателями. Типичный внешний диаметр тороида – два диаметра вторички.

Тороиды обычно изготавливают из алюминиевой гофры, хотя есть множество других технологий,

Вторичная обмотка – основная деталь Теслы

Типичное отношение длинны обмотки теслы к ее диаметру намотки 4:1 – 5:1.

Диаметр провода для намотки теслы обычно выбирают так, чтобы на вторичке помещалось 800-1200 витков.

ВНИМАНИЕ!

Не стоит мотать слишком много витков на вторичке тонким проводом. Витки на вторичке нужно распологать как можно плотнее друг к другу.

Для защиты от царапин и от разлезания витков, вторичные обмотки обычно покрывают лаками. Чаще всего для этого применяются эпоксидная смола и полиуретановый лак. Лакировать стоит очень тонкими слоями. Обычно, на вторичку, наносят минимум 3-5 тонких слоев лака.

Мотают вторичную обмотку на воздуховодных (белых) или, что хуже, канализационных (серых) ПВХ трубах. Найти эти трубы можно в любом строительном магазине.

Защитное кольцо

Защитное кольцо – предназначено для того, чтобы стример, попав в первичную обмотку не вывел электронику из строя. Эта деталь устанавливается на теслу, если длинна стримера больше длинны вторичной обмотки. Представляет собой незамкнутый виток медного провода (чаще всего, немного толще, чем тот из которого изготавливается первичная обмотка трансформатора тесла). Защитное кольцо заземляется на общее заземление отдельным проводом.

Первичная обмотка

Первичная обмотка – обычно изготавливается из медной трубы для кондиционеров. Должна обладать очень маленьким сопротивлением для того, чтобы по ней можно было пропускать большой ток. Толщину трубки обычно выбирают на глаз, в подавляющем большинстве случаев, выбор падает на 6 мм трубку. Так-же в качестве первички используют провода большего сечения.

Относительно вторичной обмотки устанавливается так, чтобы обеспечить нужный коэффициент связи.

Часто играет роль построечного элемента в тех теслах, где первичный контур является резонансным. Точку подключения к первичке делают подвижной и ее перемещением изменяют резонансную частоту первичного контура.

Первичные обмотки обычно делают цилиндрическими, плоскими или  коническим. Обычно, плоские первички используются в SGTC, конические- в SGTC  и DRSSTC, а цилиндрические — в SSTC, DRSSTC и VTTC.

первичные обмотки трансформатора теслапервичные обмотки трансформатора тесла

Заземление

Заземление – как не странно, тоже очень важная деталь теслы. Очень часто задаются вопросом – куда же бьют стримеры? — стримеры бьют в землю!

первичные обмотки трансформатора теслаСтримеры замыкают ток, показанный на картинке синим цветом

Таким образом, если заземление будет плохое, стримерам будет некуда деваться и им придется бить в теслу (замыкать свой ток), вместо того, чтобы извергаться  в воздух.

Поэтому задавая вопрос обязательно ли заземлять теслу?

Заземление для теслы – обязательно.

Существуют трансформаторы Тесла без первичной обмотки. У них питание подается прямо на “земляной” конец вторички. Такой метод питания называется “бэйзфид” (basefeed).

Иногда, в качестве источника бэйзфидного питания используется другой трансформатор Тесла, такой метод питания называют “магниферным” (Magnifier).

Существуют так называемые биполярные теслы, они отличаются тем, что разряд происходит не в в воздух, а между двумя концами вторичной обмотки. Таким образом, путь тока легко может замкнуться и заземление не нужно.

Вот самые распространенные типы катушек Тесла в зависимости от способа управления ими:

  1. SGTC (СГТЦ, Spark Gap Tesla Coil) – трансформатор Тесла на искровом промежутке. Это классическая конструкция, подобную схему изначально применял сам Тесла. В качестве коммутирующего элемента здесь используется разрядник. В конструкциях малой мощности разрядник представляет собой два куска толстого провода, расположенных на некотором расстоянии, а в более мощных применяются сложные вращающиеся разрядники с использованием двигателей. Трансформаторы этого типа изготавливают если требуется лишь большая длинна стримера, и не важна эффективность.
  2. VTTC (ВТТЦ, Vacuum Tube Tesla Coil) – трансформатор Тесла на электронной лампе. В качестве коммутирующего элемента здесь используется мощная радиолампа, например ГУ-81. Такие трансформаторы могут работать в непрерывном режиме и производить довольно толстые разряды. Данный тип питания чаще всего используют для построения высокочастотных катушек, которые из-за типичного вида своих стримеров получили название “факельники”.
  3. SSTC (ССТЦ, Solid State Tesla Coil) – трансформатор Тесла, в котором в качестве ключевого элемента применяются полупроводники. Обычно это IGBT или MOSFET транзисторы. Данный тип трансформаторов может работать в непрерывном режиме. Внешний вид стримеров, создаваемых такой катушкой может быть самым разным. Этим типом трансформаторов Тесла проще управлять, например можно играть на них музыку.
  4. DRSSTC (ДРССТЦ, Dual Resonant Solid State Tesla Coil) – трансформатор Тесла с двумя резонансными контурами, здесь в качестве ключей используются, как и в SSTC, полупроводники. ДРССТЦ – наиболее сложный в управлении и настройке тип трансформаторов Тесла.

Для получения более эффективной и эффектной работы трансформатора Тесла применяют именно схемы топологии DRSSTC, когда мощный резонанс достигается и в самом первичном контуре, а во вторичном соответственно — более яркая картина, более длинные и толстые молнии (стримеры).

Виды эффектов от катушки Тесла

  • Дуговой разряд – возникает во многих случаях. Он характерен ламповым трансформаторам.
    Коронный разряд является свечением воздушных ионов в электрическом поле повышенного напряжения, образует голубоватое красивое свечение вокруг элементов устройства с высоким напряжением, а также имеющим большую кривизну поверхности.
  • Спарк по-другому называют искровым разрядом. Он протекает от терминала на землю, либо на заземленный предмет, в виде пучка ярких разветвленных полосок, быстро исчезающих или меняющихся.
  • Стримеры – это тонкие слабо светящиеся разветвляющиеся каналы, содержащие ионизированные атомы газа и свободные электроны. Они не уходят в землю, а протекают в воздух. Стримером называют ионизацию воздуха, образуемую полем трансформатора высокого напряжения.

Действие катушки Тесла сопровождается треском электрического тока. Стримеры могут превращаться в искровые каналы. Это сопровождается большим увеличением тока и энергии. Канал стримера быстро расширяется, давление резко повышается, поэтому образуется ударная волна. Совокупность таких волн подобен треску искр.

Практическое  применение трансформатор тесла

Величина напряжения на выходе трансформатора Тесла иногда достигает миллионов вольт, что формирует значительные воздушные электрические разряды длиной в несколько метров. Поэтому такие эффекты применяют в качестве создания показательных шоу.

Катушка Тесла нашла практическое применение в медицине в начале прошлого века. Больных обрабатывали маломощными токами высокой частоты. Такие токи протекают по поверхности кожи, оказывают оздоравливающее и тонизирующее влияние, не причиняя при этом никакого вреда организму человека. Однако мощные токи высокой частоты оказывают негативное влияние.

Трансформатор Тесла применяется в военной технике для оперативного уничтожения электронной техники в здании, на корабле, танке. При этом на короткий промежуток времени создается мощный импульс электромагнитных волн. В результате в радиусе нескольких десятков метров сгорают транзисторы, микросхемы и другие электронные компоненты. Это устройство действует абсолютно бесшумно. Существуют такие данные, что частота тока при функционировании такого устройства может достигать 1 ТГц.

Иногда на практике такой трансформатор применяется для розжига газоразрядных ламп, а также поиска течи в вакууме.

Эффекты катушки Тесла иногда используют в съемках фильмов, компьютерных играх.

В настоящее время катушка Тесла не нашла широкого применения на практике в быту.

Новое в трансформаторах тесла

В настоящее время остаются актуальными вопросы, которыми занимался ученый Тесла. Рассмотрение этих проблемных вопросов дает возможность студентам и инженерам институтов взглянуть на проблемы науки более широко, структурировать и обобщать материал, отказаться от шаблонных мыслей. Взгляды Тесла актуальны сегодня не только в технике и науке, но и для работ в новых изобретениях, применения новых технологий на производстве. Наше будущее даст объяснение явлениям и эффектам, открытым Теслой. Он заложил для третьего тысячелетия основы новейшей цивилизации.

трансформатор тесла схема

схема трансформатора тесла на транзисторе

Схема трансформатора тесла выглядит невероятно просто и состоит из:

  1. первичной катушки, выполненной из провода сечением не менее 6 мм², около 5-7 витков;
  2. вторичной катушки, намотанной на диэлектрик, это провод диаметром до 0,3 мм, 700-1000 витков;
  3. разрядника;
  4. конденсатора;
  5. излучателя искрового свечения.

Главное отличие трансформатора Теслы от всех остальных приборов — в нем не применяются ферросплавы в качестве сердечника, а мощность прибора, независимо от мощности источника питания, ограничена только электрической прочностью воздуха. Суть и принцип действия прибора в создании колебательного контура, который может реализовываться несколькими методами:

  1. Генератор колебаний частоты, построенный на основе разрядника, искрового промежутка.
  2. Генератор колебания на лампах.
  3.  На транзисторах.

 

Видео: Стоячие волны в Трансформаторе Тесла, резонанс, коэффициент трансформации

Видео: Трансформатор ТЕСЛА своими руками

Видео: Трансформатор Тесла

Пошаговое объяснение процесса сборки и запуска одного из самых мощных трансформаторов Тесла в России. Конструктор: Блотнер Борис

transformator220.ru

Катушка Тесла своими руками. Схема, принцип работы

Катушка Тесла представляет две катушки L1 и L2, которая посылает большой импульс тока в катушку L1. У катушек Тесла нет сердечника. На первичной обмотке наматывают более 10 витков. Вторичная обмотка тысячу витков. Еще добавляют конденсатор, чтобы минимизировать потери на искровой разряд.

 

Катушка Тесла своими руками

 

Катушка Тесла выдает большой коэффициент трансформации. Он превышает отношение числа витков второй катушки к первой. Выходная разность потенциалов катушки Тесла бывает больше нескольких млн вольт. Это создает такие разряды электрического тока, что эффект получается зрелищным. Разряды бывают длины в несколько метров.

Принцип катушки Тесла

Чтобы понять, как работает катушка Тесла, нужно запомнить правило по электронике: лучше раз увидеть, чем сто услышать. Схема катушки Тесла простая. Это простейшее устройство катушки Тесла создает стримеры.

Из высоковольтного конца катушки Тесла вылетает стример фиолетового цвета. Вокруг нее есть странное поле, которое заставляет светиться люминесцентную лампу, которая не подключена и находится в этом поле.

Стример – это потери энергии в катушке Тесла. Никола Тесла старался избавляться от стримеров за счет того, чтобы подсоединить его к конденсатору. Без конденсатора стримера нет, а лампа горит ярче.

Катушку Тесла можно назвать игрушкой, кто показывает интересный эффект. Она поражает людей своими мощными искрами. Конструировать трансформатор – дело интересное. В одном устройстве совмещаются разные эффекты физики. Люди не понимают, как функционирует катушка.

Катушка Тесла имеет две обмотки. На первую подходит напряжение переменного тока, создающее поле потока. Энергия переходит во вторую катушку. Похожее действие у трансформатора.

 

Катушка Тесла своими руками

 

Вторая катушка и Cs образуют дают колебания, суммирующие заряд. Некоторое время энергия держится в разности потенциалов. Чем больше вложим энергии, на выходе будет больше разности потенциалов.

 

Катушка Тесла своими руками

 

Главные свойства катушки Тесла:

  • Частота второго контура.
  • Коэффициент обеих катушек.
  • Добротность.

Коэффициент связи обуславливает быстроту передачи энергии из одной обмотки во вторичную. Добротность дает время сохранения энергии  контуром.

Подобие с качелями

Для лучшего понимания накапливания, большой разности потенциалов контуром, представьте качели, раскачивающиеся оператором. Тот же контур колебания, а человек служит первичной катушкой. Ход качели – это электрический ток во второй обмотке, а подъем – разность потенциалов.

Оператор раскачивает, передает энергию. За несколько раз они сильно разогнались и поднимаются очень высоко, они сконцентрировали в себе много энергии. Такой же эффект происходит с катушкой Тесла, наступает переизбыток энергии, случается пробивание и виден красивый стример.

Раскачивать колебания качелей нужно в соответствии с тактом. Частота резонанса – число колебаний в сек.

Длину траектории качели обуславливает коэффициент связи. Если раскачивать качели, то они быстро раскачаются, отойдут ровно на длину руки человека. Этот коэффициент единица. В нашем случае катушка Тесла с повышенным коэффициентом – тот же трансформатор.

Человек толкает качели, но не держит, то коэффициент связи малый, качели отходят еще дальше. Раскачивать их дольше, но для этого не требуется сила. Коэффициент связи больше, чем быстрее в контуре накапливается энергия. Разность потенциалов на выходе меньше.

Добротность – противоположно трению на примере качелей. Когда трение большое, то добротность маленькая. Значит, добротность и коэффициент согласовываются для наибольшей высоты качели, или наибольшего стримера. В трансформаторе второй обмотки катушки Тесла добротность – значение переменное. Два значения сложно согласовать, его подбирают в результате опытов.

Главные катушки Тесла

Тесла изготовил катушку одного вида, с разрядником. База элементов намного улучшилась, возникло много видов катушек, по подобию их также называют катушками Тесла. Виды называют и по-английски, аббревиатурами. Их называют аббревиатурами по-русски, не переводя.

  • Катушка Тесла, имеющая в составе разрядник. Это начальная обычная конструкция. С малой мощностью это два провода. С большой мощностью – разрядники с вращением, сложные. Эти трансформаторы хороши, если необходим мощный стример.
  • Трансформатор на радиолампе. Он работает бесперебойно и дает утолщенные стримеры. Такие катушки применяют для Тесла высокой частоты, они по виду похожи на факелы.
  • Катушка на полупроводниковых приборах. Это транзисторы. Трансформаторы действуют постоянно. Вид бывает различным. Этой катушкой легко управлять.
  • Катушки резонанса в количестве двух штук. Ключами являются полупроводники. Эти катушки самые сложные для настройки. Длина стримеров меньше, чем с разрядником, они хуже управляются.

Чтобы иметь возможность управлять видом, создали прерыватель. Этим устройством тормозили, чтобы было время на заряд конденсаторов, снизить температуру терминала. Так увеличивали длину разрядов. В настоящее время имеются другие опции (играет музыка).

Главные элементы катушки Тесла

В разных конструкциях основные черты и детали общие.

  • Тороид – имеет 3 опции.Первая – снижение резонанса.
    Вторая – скапливание энергии разряда. Чем больше тороид, тем содержится больше энергии. Тороид выделяет энергию, повышает его. Это явление будет выгодным, если применять прерыватель.
    Третья – создание поля со статическим электричеством, отталкивающим от второй обмотки катушки. Эта опция выполняется самой второй катушкой. Тороид ей помогает. Из-за отталкивания стримера полем, он не бьет по короткому пути на вторую обмотку. От применения тороида несут пользу катушки с накачкой импульсами, с прерывателями. Значение наружного диаметра тороида в два раза больше второй обмотки.
    Тороиды можно изготовить из гофры и других материалов.
  • Вторичная катушка – базовая составляющая Тесла.
    Длина в пять раз больше диаметра мотки.
    Диаметр провода рассчитывают, на второй обмотке влезало 1000 витков, витки наматывают плотно.
    Катушку покрывают лаком, чтобы защитить от повреждений. Можно покрывать тонким слоем.
    Каркас делают из труб ПВХ для канализации, которые продаются в магазинах для строительства.
  • Кольцо защиты – служит для попадания стримера в первую обмотку, не повреждая. Кольцо ставится на катушку Тесла, стример по длине больше второй обмотки. Он похож на виток провода из меди, толще провода первой обмотки, заземляется кабелем к земле.
  • Обмотка первичная – создается из медной трубки, использующейся в кондиционерах. Она имеет низкое сопротивление, чтобы большой ток шел по ней легко. Толщину трубы не рассчитывают, берут примерно 5-6 мм. Провод для первичной обмотки применяют с большим размером сечения.
    Расстояние от вторичной обмотки выбирается из расчета наличия необходимого коэффициента связи.
    Обмотка является подстраиваемой тогда, когда первый контур определен. Место, перемещая ее регулирует значение частоты первички.
    Эти обмотки изготавливают в виде цилиндра, конуса.

Катушка Тесла своими руками

 

  • Заземление – это важная составляющая часть.
    Стримеры бьют в заземление, замыкают ток.
    Будет недостаточное заземление, то стримеры будут ударять в катушку.

Катушки подключены к питанию через землю.

Есть вариант подключения питания от другого трансформатора. Этот способ называется «магниферным».

Биполярные катушки Тесла производят разряд между концами вторичной обмотки. Это обуславливает замыкание тока без заземления.

 

Катушка Тесла своими руками

 

Для трансформатора в качестве заземления применяют заземление большим предметом, проводящим электрический ток – это противовес. Таких конструкций немного, они опасны, так как имеет место высокая разность потенциалов между землей. Емкость от противовеса и окружающих вещей отрицательно влияет на них.

Это правило действует для вторичных обмоток, у которых длина больше диаметра в 5 раз, и мощностью до 20 кВА.

Катушка Тесла своими руками

Как изготовить что-то эффектное по изобретениям Тесла? Увидев его идеи и изобретения, будет сделана катушка Тесла своими руками.

Это трансформатор, создающий высокое напряжение. Вы можете трогать искру, зажигать лампочки.

Для изготовления нам нужен медный провод в эмали диаметром 0,15 мм. Подойдет любой от 0,1 до 0,3 мм. Вам нужно порядка двухсот метров. Его можно достать из различных приборов, допустим, из трансформаторов, либо купить на рынке, это будет лучше. Еще вам понадобится несколько каркасов. Во-первых, это каркас для вторичной обмотки. Идеальный вариант – это 5 метровая канализационная труба, но, подойдет что угодно диаметром от 4 до 7 см, длиной 15-30 см.

Для первичной катушки вам понадобится каркас на пару сантиметров больше первого. Также понадобится несколько радиодеталей. Это транзистор D13007, либо его аналоги, небольшая плата, несколько резисторов, 5, 75 килоом 0,25 Вт.

Проволоку мотаем на каркас около 1000 витков без перехлестов, без больших промежутков, аккуратно. Можно управиться за 2 часа. Когда намотка закончена, намазываем обмотку лаком в несколько слоев, либо другим материалом, чтобы она не пришла в негодность.

Намотаем первую катушку. Она мотается на каркасе больше и мотается проводом порядка 1 мм. Здесь подойдет провод, порядка 10 витков.

Если изготавливать трансформатор простого типа, то состав его – это две катушки без сердечника. На первой обмотке около десяти витков толстого провода, на второй – не менее тысячи витков. При изготовлении, катушка Тесла своими руками имеет коэффициент в десятки раз больше, чем число витков второй и первой обмоток.

 

Катушка Тесла своими руками

 

Выходное напряжение трансформатора будет достигать миллионы вольт. Это дает красивое зрелище в несколько метров.

Сложно намотать катушку Тесла своими руками. Еще труднее создать облик катушке для привлечения зрителей.

Сначала необходимо определиться с питанием в несколько киловольт, закрепить к конденсатору. При лишней емкости изменяется значение параметров диодного моста. Далее, подбирается промежуток искры для создания эффекта.

  • Два провода скрепляются, оголенные концы были повернуты в сторону.
  • Выставляется зазор из расчета пробивания немного большем напряжении данной разности потенциалов. Для переменного тока разность потенциалов будет выше определенного.
  • Подключается питание катушке Тесла своими руками.
  • Наматывается вторичная обмотка 200 витков на трубу из изоляционного материала. Если все изготовлено по правилам, то разряд будет хороший, с ветвями.
  • Заземление второй катушки.

Получается катушка Тесла своими руками, которую можно изготовить дома, владея элементарными познаниями в электричестве.

Безопасность

Вторичная обмотка находится под напряжением, способным убить человека. Ток пробивания достигает сотен ампер. Человек может выжить до 10 ампер, поэтому не нужно забывать о мерах защиты.

Расчет катушки Тесла

Без расчетов можно изготовить слишком большой трансформатор, но разряды искры сильно разогревают воздух, создают гром. Электрическое поле выводит из строя электрические приборы, поэтому трансформатор необходимо располагать подальше.

Для расчета длины дуги и мощности расстояние между проводами электродов в см делится на 4,25, далее производится в квадрат, получается мощность (Вт).

Для определения расстояния корень квадратный от мощности умножается на 4,25. Обмотка, создающая разряд дуги в 1,5 метра, должна получать мощность1246 ватт. Обмотка с питанием в 1 кВт создает искру в 1,37 м длины.

Бифилярная катушка Тесла

 

Катушка Тесла своими руками

 

Такой метод намотки провода распределяет емкость больше, чем при стандартной намотке.

Такие катушки обуславливают приближения витков. Градиент конусообразный, а не плоский, в середине катушки, или с провалом.

Емкость тока не изменяется. Из-за сближения участков разность потенциалов между витков во время колебаний повышается. Следовательно, сопротивление емкости при большой частоте в несколько раз снижается, а емкость увеличивается.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Поделиться ссылкой:

elektronchic.ru

Как мы для музея науки сделали самую большую катушку Тесла в Украине / Habr

В 2016 году мне предложили принять участие в проекте по созданию мощной катушки Тесла для музея науки в родном городе. Отказаться означало бы предать свои идеалы и собственных детей, которые обожают научные опыты. Под катом не только описание конструкции получившегося прибора, но и немного о мужской любви к науке, энтузиастах и о том, как рождаются и реализовываются социальные проекты.

Предыстория


Это история о людях. Кто не любит истории о людях, может спокойно пропустить этот раздел.

Вначале немного о себе. Меня зовут Артем. Сейчас я работаю конструктором в одной частной фирме, но по образованию — физик, а методика преподавания физики детям является моим увлечениям. По данной тематике я уже публиковал посты на Geektimes (один и два). Четыре года назад я был полностью погружен наукой, работал в “Лаборатории методики преподавания физики” родного университета, проводил курсы повышения квалификации для учителей всей области, был соведущим кружка “Юных физиков” для детей от 5 лет, а также работал учителем физики и развивал авторский сайт.

Именно тогда в Украине впервые начали проводиться Научные пикники. Это прекрасное мероприятие по популяризации науки, когда университеты, лаборатории, исследовательские центры выходят на площадь вместе с физическими экспонатами, жидким азотом, скелетами и манекенами, микроскопами, телескопами, редкими насекомыми и летучими мышами. В общем, каждый выставляет то, чем занимается и что будет интересно для остальных. Разумеется, в Научном пикнике приняли активное участие и лаборатория, и школа, и кружок, где я работал.

Там я познакомился с одним из организаторов пикника — Сергеем. Этот парень мечтал о музее науки для нашего города и убеждал меня, что если не опускать руки и быть активным, то все обязательно получится.

Так оно и случилось, Научный пикник имел ошеломительный успех, на основании такого положительного результата университет решил дать зеленый свет команде Сергея и щедро выделил под музей некоторые помещения внушительной площади.

Это было, наверное, самое романтичное время. Почти без финансирования попытка сделать из разрушенных помещений музей науки за месяц-два выглядело безумием. Но Сергей не унывал, он носился, как метеорит, латая дыры в полу, завешивал стены без ремонта тканью, изготавливал перегородки и подставки для будущих экспонатов. Сергей проявил поразительную целеустремленность и волю, а также замечательные организационные способности. Наша лаборатория, как и многие другие, помогала проекту демонстрационными приборами и идеями бюджетных, но увлекательных экспонатов.

Музей благополучно открылся, а я уехал с женой и детьми в Черногорию. Там я тоже организовал кружок по астрономии и физике, но основным местом работы уже стал конструкторский отдел.

В прошлом году я вернулся в Украину. Сергей сделал мне экскурсии по обновленному музею. За два года музей сделал ремонт, в несколько раз увеличил экспонатную базу и значительно разросся по занимаемой площади. Было невероятно приятно обнаружить работающим один из демонстрационных приборов — “оптический стол”, который своими руками собирал еще на рассвете проекта.

Сергей рассказал о желании раздобыть для музея “катушку Тесла”, он не только нашел продавца, но договорился с одной замечательной компанией “Х” о спонсировании проекта и даже успел получить деньги. Однако, непосредственно перед продажей, продавец решил увеличить цену в два раза. Разумеется, общение на этом было завершено. А Сергей оказался в незавидном положении.

Спустя некоторое время Сергей позвонил мне и сообщил, что нашел какого-то паренька, который уже собрал несколько небольших катушек Тесла, и готов попробовать собрать катушку покрупнее. Но ему нужна помощь с механикой. Ненавязчиво мне предложили присоединиться к проекту без права отказаться.

Предстояла встреча с этим “тесластроителем”, которого, кстати, тоже звали Сергеем. Вполне очевидно, что он был каким-то фриком, у которого мания к катушкам Тесла, а идея фикс — большая Катушка. Но как только мы начали обсуждать проект, пошли нестыковки с представляемым (мне кажется тут нужно вставить “мною”) образом. Собеседник начал последовательно излагать конструкцию прибора, не повторялся, не говорил ничего лишнего. Все физические термины употреблялись правильно, а физическим явлениям давалась верная трактовка. На все вопросы звучали внятные и логически обоснованные ответы. Оказалось, что я общаюсь адекватным преподавателем известного технического вуза, который действительно увлекается катушками Тесла.

Сергей оказался обладателем такого ценного качества, как скрупулезность. За что сразу завоевал глубокое уважение. Он долго и тщательно подготавливал свое рабочее место, подбирал заранее инструмент и обустраивался, все контакты он всегда, абсолютно всегда, тщательно лудил. Если в спешке выполнить не качественное соединение, то Сергей промолчит, а потом тихонько возьмет и исправит. Может показаться, что такая щепетильность излишняя, но на самом деле она экономит огромное количество времени. Ведь за весь период работы мы ни разу не столкнулись с ошибкой неправильной сборки. Чтобы не путаться среди Сергеев, далее будем называть его Сергеем А., а первого — Сергеем В.

Что такое катушка Тесла?


Я попросил Сергея А. (автора катушки) собственнолично рассказать о катушке. Весь текст в этом разделе принадлежит ему:
В конце 19-го и начале 20-го веков Никола Тесла проводил эксперименты с высоковольтными высокочастотными резонансными трансформаторами без ферромагнитного сердечника (воздушный трансформатор). Этот вид трансформаторов впоследствии был назван трансформатором Теслы или катушкой Тесла.

В настоящее время трансформатор Тесла является скорее игрушкой для тех, кто увлекается DIY и желает заиметь в своей коллекции что-нибудь эдакое, чем устройством, имеющим определенную сферу применения. Нечасто в одной несложной конструкции может сочетаться столько физических явлений. К тому же не найдется такого человека, которого катушка Тесла не сможет удивить видом своих электрических разрядов.

Зачем нужны катушки Тесла? В первую очередь, для образовательных целей. Ведь здесь затрагивается множество тем:

  • в статике – изучение теории, знакомство с электрическими компонентами, чтение схем, научиться пользоваться мультиметром и использовать симуляторы электрических схем, наконец, понять различие между индуктивностью и емкостью;
  • в динамике – электрические колебания, резонанс напряжений, передача энергии, ионизация, природа плазмы, свойства электромагнитного излучения, воздействие тока на живого человека.

Если вы хотите заряжать устройства без проводов, производить впечатление на случайных незнакомцев и вам нравится запах горелой электроники или озона, то это повод собрать себе настольную катушку Тесла, тем более что это дешевле, чем ходить на свидания.
«Построить катушку Тесла — это то, что следует сделать каждому хотя бы один раз»© – какой-то парень.

Первый резонансный трансформатор был построен Николой Тесла в 1891 году и, по сути, являлся беспроводным телеграфом. Принцип работы прямолинеен: необходимо зарядить высоким напряжением большой конденсатор, а затем разрядить его через катушку индуктивности, роль которой выполняет первичная обмотка трансформатора, при этом необходимо замкнуть энергию в образовавшемся колебательном контуре.

Вследствие резонанса напряжений в первичном контуре амплитуда колебаний возрастет, при этом часть энергии будет передана вторичной обмотке трансформатора (что характеризуется коэффициентом связи между обмотками), последняя вместе с металлический тороидом также образуют колебательный контур.

Дальше процесс может быть описан аналогично раскачиванию качели: если толкать качели в нужный момент, то скоро они начнут подлетать очень высоко, это и будет напряжением на выходе из катушки Тесла. Когда напряжение становится настолько высоким, что воздух для него перестает быть диэлектриком, вся накопленная энергия образует электрический разряд, или стример.

На протяжении многих лет в конструкцию трансформаторов Теслы вносились изменения, благодаря чему на сегодняшний день существует несколько топологий устройства, обладающих схожим принципом работы, при этом различающиеся на компонентном уровне.

SGTC (Spark Gap Tesla Coil) – трансформатор Тесла на разряднике. Является классическим исполнением, применяемым самим Николой Тесла. В качестве ключевого элемента используется два контакта произвольной формы, между которыми возникает электрический разряд. Конструктивно состоит всего из 6 элементов и работает часто с первого раза. Правда, в маломощных исполнениях ждать красивых разрядов не приходиться, но позажигать лампочки на расстоянии или полюбоваться коронарным свечением — пожалуйста.

Производной этой топологии является вид ARSGTC (Asynchronous Rotary Spark Gap Tesla Coil), где в качестве коммутирующего ключа применяется вращающийся электродвигатель, замыкающий контакты и быстро рвущий образовавшуюся электрическую дугу, что позволяет получить наибольшую длину разрядов при относительно небольшой входной мощности. Данный тип и был нами взять для повторения.

VTTC (Vacuum Tube Tesla Coil) – трансформатор Тесла на радиолампах. Требует работы с высокими анодными напряжениями и не рекомендуется для новичков.

SSTC (Solid State Tesla Coil) – трансформатор Тесла, в котором в качестве ключей используются полупроводниковые компоненты. Наиболее распространено применение транзисторов MOSFET или IGBT (не путать с LGBT). Благодаря использованию современной компонентной базы катушками этого типа можно легко управлять, модулируя частоту молний внешним источником сигнала, например музыкой.

DRSSTC (Dual Resonant SSTC) – катушки Тесла с двойным резонансным контуром. Топология значительно сложнее в изготовлении, чем ее предшественница, но это компенсируется улучшенным соотношением длины разряда к длине вторичной обмотки.

QCWDRSSTC (Quasi-Continuous-Wave DRSSTC) – вариант катушек Тесла с двойным резонансным контуром, но способной производить характерные только для этой топологии длинные прямые молнии, иногда в 10 раз превышающие длину вторичной обмотки.

А еще существуют биполярные катушки Тесла, но об этом в другой раз.

Как видите, катушки Тесла бывают на любой «вкус и цвет», и любой желающий может выбрать себе такую, какую захочет. За последние годы рынок постарался удовлетворить возросший спрос радиолюбителей и экспериментаторов на трансформаторы Теслы, и теперь даже на AliExpress есть наборы, из которых в домашних условиях можно собрать рабочее устройство.

Не в качестве рекламы, но стоит упомянуть группу энтузиастов, которые в начале 2013 года запустили компанию на Кикстартере (что в свое время освещалось) и, успешно собрав необходимую сумму, до настоящего времени продолжают работу над проектом, имеющим название OneTesla. Что его качественно отличает от других проектов — так это открытая документация и схемы, где желающий может, следуя инструкциям, собрать в домашних условиях музыкальную катушку по топологии DRSSTC. Руководствуясь именно инструкциями с сайта OneTesla, я и собрал себе первую рабочую катушку.

Напоследок хочу заметить, что сделать рабочую катушку Тесла очень просто, но сделать такую, чтобы ее не стыдно было показать, все же очень и дорого и трудоемко.


Наш выбор «Old school»


Для любителей циферок — краткое техническое описание нашего экспоната от Сергея А.
Для работы катушки Тесла нужен высоковольтный источник питания, и чтобы сэкономить время на намотку собственного трансформатора, было принято решение воспользоваться готовым. Таким образом в схеме питания задействовано 4 трансформатора от микроволновых печей в последовательном подключении со средней точкой, преобразующие сетевые 220 вольт в напряжение 8600 вольт.

Для обеспечения их охлаждения и во избежание межвитковых пробоев все 4 трансформатора были погружены в синтетическое моторное масло.

В качестве рабочей емкости использовалась батарея из 5 веток по 9 последовательно соединенных конденсаторов (MMC), то есть 45 конденсаторов емкостью 0,1 мкФ и напряжением 2 кВ дали емкость 55 нФ с напряжением 18 кВ. А также использовались коммутирующие провода калибра 8 AWG, медная трубка диаметром 6,35 мм в качестве первичной обмотки с 6 ½ витками. 1000 витков медной проволоки сечением 0,5 мм на вентиляционной трубе диаметром 10 см образует вторичную катушку с длиной намотки 56 см. Тороид выполнен из алюминиевой вентиляционной трубы диаметром 11 см.

Расчетная резонансная частота первичного контура, а затем подтвержденная с помощью генератора импульсов и частотомера, составила 220 кГц. Резонансная частота вторичного контура по расчету и измерениям составляет около 250 кГц, но в момент возникновения стримера, благодаря электрической емкости самого разряда, частота колебаний снижается, и происходит попадание в резонанс между первичным и вторичным контурами, что приводит к увеличению длины молний.


А теперь, о механической составляющей


Имеющийся бюджет не позволял сильно разгуляться. Количество фрезерных и токарных работ пришлось свести к минимуму. Все неответственные детали изготавливались нами собственноручно.

Диск разрывателя был выполнен из текстолита толщиной 8 мм. На диске находится 6 контактов, которые замыкают разрядник. Диск находится на оси двухполюсного асинхронного двигателя мощностью 0,37 кВт. Частота вращения двигателя составляет 2800 об./мин. Учитывая, что за один оборот происходит 6 замыканий, мы получаем 280 замыканий в секунду.

В интернете можно найти работы настоящих маньяков, которые ставят диск разрядника на вал угловой шлифовальной машины:

Подобные решения подкупают своей простотой, но совсем не совместимы с таким понятием, как техника безопасности. Шлифовальная машинка ненадежно крепится к основанию при помощи хомута вокруг ручки. Электроды на диске сильно перегреваются, так как имеют маленькие время и площадь охлаждения. Диск вращается с частотой 4000-6000 об./мин! Это хрупкое равновесие легко нарушить, и тогда раскаленные электроды, как шрапнель, разлетятся в произвольных направлениях. Прошу вас, пользуйтесь угловой шлифовальной машиной только по назначению!

Первичная катушка изготавливалась в форме спирали из медной трубки диаметром ¼”, по этим трубам обычно циркулирует фреон между блоками кондиционера. Геометрия катушки очень важна, от нее зависит индуктивность, а как следствие — и частота колебательного контура. Чтобы форма строго соответствовала расчетной, были разработано незамысловатое крепление из четырех опор. Опоры были изготовлены из листового ПВХ при помощи ЧПУ фрезеровки.

Хороший экспонат — безопасный экспонат


Разумеется, катушка Тесла является опасным устройством, правильнее даже сказать смертельно опасным. Рассмотрим все факторы по мере их важности.

  • Если вы подумали, что надо бояться двухметровых молний, которые летят во всех направлениях, то знайте, это только цветочки. Настоящую опасность представляет первичная обмотка, такая невзрачная спиралька, которая находится под напряжением 8600 В и готова поделится своим током с силой в сотни миллиампер. Нечаянно прикоснутся к ней — верный путь на небо. Молнии тоже могут нанести существенный вред человеку, но их опасность уже на порядок меньше.
  • Стоит также упомянуть, что в процессе работы катушка Тесла генерируется мощное электромагнитное поле. Это поле способно на расстоянии до нескольких метров зажигать газоразрядные лампы, а также в радиусе более десяти метров выводить из строя чувствительные к помехам электроприборы. Таким образом, даже на значительных расстояниях прибор несет реальную угрозу людям с кардиостимуляторами.
  • Кроме того, в процессе работы выделяется огромное количество озона, в Википедии написано, что озон — высокотоксичный газ, обладающий окислительными свойствами, который может привести к преждевременной смерти. Хорошая новость заключается в том, что озон эффективно убивает плесень и бактерии.
  • Не стоит также забывать, что молнии светят не только видимым светом, но и ультрафиолетом, который не особо полезен для глаз.
  • Также необходимо учесть, что установка генерирует шум (порядка 100 Дб на расстоянии 3 метров). Шум вызывает дискомфорт, а также может испугать ребенка.

Перед нами стояла непростая задача — превратить смертельно опасную установку в безопасный и увлекательный экспонат для детей. Было определены следующие средства защиты.
  • Работа экспоната — только в присутствии человека, ознакомленного с ТБ (ведущего).
  • Множественные автоматы, размыкатели и магнитный пускатель. Чтобы на катушку было подано напряжение, должно быть выполнено ряд условий, в частности, подан сигнал из щитка, ключ к которому имеет только ведущий. А вот обесточить установку может даже посетитель. Кроме того, установка отключается сама по реле времени через 40 с.
  • Установку поместили в клетку Фарадея. Клетка имеет собственное заземление и закрывается на замок. Данное средство защищает от молний, экранирует электромагнитное поле, а также выполняет функции надежного ограждения.
  • Перегородка из закаленного стекла толщиной 10 мм. Стекло поглощает ультрафиолет, а также, в комплексе с принудительной вытяжкой, предотвращает попаданию озона в зал с посетителями.
  • Стекло выступает в качестве звукоизоляционной перегородки, оно значительно (-10 Дб) снижает уровень звукового давления. Тем не менее, для маленьких посетителей были дополнительно заказаны шумоподавляющие наушники.

Хочу заметить, что Сергей А. по-своему трактовал назначение клетки Фарадея и стеклянной перегородки:

“В работе трансформатора Теслы прослеживалась некая элегантность, магическая притягательность, настолько, что его одновременно хотелось и показать всем, и не показывать никому, поэтому, следуя своему инстинктивному желанию обезопасить катушку от воздействий внешнего мира, было принято решение разместить ее в помещении без окон, внутри металлической клетки с дверью на замке и за стеной из толстого стекла”.

Как мы попали в UMBRELLA INC.


При включении катушки должна выполняться определенная последовательность. Вначале должен включиться и выйти на рабочий режим электродвигатель, и только после этого может подаваться питание на первичную обмотку. Мы нуждались в блоке управления, который бы обеспечил простой запуск установки, а также выполнял бы ряд других алгоритмов. Собирать устройство “на коленке” даже не рассматривали. Сформулировали ТЗ и обратились за помощью в одно конструкторское бюро “Y”. Наш заказ для них был мелким и совсем не интересным, но, учитывая социальную направленность проекта и малый объем работ, они согласились выполнить его безвозмездно. Мы оплатили только компоненты и изготовление плат на заводе.

Когда работа была завершена, электронщик, мило улыбаясь, протянул мне коробочки с платами. Вместо логотипа фирмы мы нашли скромную надпись “UMBRELLA”. Фирма отказалась от пиара, а электронщик от нашей благодарности.

Пуск и наладка


Все шло по плану. Все детали были изготовлены и становились на предназначенные им места без сюрпризов. Ну почти без сюрпризов. Дело в том, что у нас было желание регулировать частоту прерываний на разрядники. С этой целью для электродвигателя был приобретен частотник национального производства. Этот самый частотник отобрал у нас несколько дней работы, мы были втянуты в смешную, грустную и поучительную историю одновременно. Мораль сводилась к тому, что лучше не использовать частотные регуляторы национального производства. Если будут запросы в комментариях, частотнику будет посвящен отдельный пост с обзором и фотографиями вскрытия.

После отказа от частотного регулирования, установка заработала при первом же пуске. Теоретические расчеты Сергея полностью себя оправдали. Мы обрезали пол лишних витка первичной катушки и попали в резонанс. Все узлы работали штатно.

Ультрафиолет от молний ласкал наши лица, громкие рокоты радовали сердце. Запах озона разнесся по всему помещению площадью 150 м2. Мы поняли, что пора заканчивать работу. Следующие пуски было решено проводить уже в предназначенном помещении, со всеми оговоренными средствами защиты. Мы ждали только окончания строительных работ.

***

Когда ремонт помещения был завершен, у нас оставалось лишь две недели, чтобы установить катушку Тесла, выполнить все подключения и протестировать систему на надежность. Это был маленький срок, учитывая, что двое из трех членов команды имели постоянное место работы за пределами музея науки, а выполнять какие-либо операции в одиночку было нельзя.

Мы перенесли оборудование, выполнили все подключения, все перепроверили, подали питание на платы управление, включили все автоматы, торжественно нажали на кнопку и…
…и ничего не произошло. Вообще ничего. При поиске неисправностей обнаружили, что одна из фаз имеет напряжение 60 В вместо 220 В! К счастью, мы имели доступ ко всем трем фазам и смогли быстро переподключиться. Для нас вопрос решился быстро, а вот в здании, где располагается музей науки, треть оборудования не работала больше недели.

Настоящие трудности поджидали нас в блоке управления катушкой Тесла. Несмотря на то, что все входы и выходы к блоку были гальванически развязаны, а питание к разряднику подавалось по отдельной фазе, как только в разряднике проскакивала первая искра, блок управления сходил с ума. Он или сразу выключал катушку, или не выключал ее вообще, или выключал двигатель. Корень зла крылся в высокочастотных помехах, которые шли от катушки по проводам обратно в сеть. Импульсы были настолько сильны, что индуцировали помехи во всех соседних проводах. В предыдущих тестах мы раскладывали провода так, что они шли на удалении одни от других. Здесь же, согласно проекту дизайнеров, они шли по общим трубам. Нам пришлось внести изменения в проект. Мы вынесли плату управления из общего щита в отдельный заземленный шкаф. Но это ничего не изменило. Вот тут и начались танцы с бубном.

В поисках решений мы перепробовали все, даже прибегали к таким гомеопатическим средствам, как установка ферритовых колец и супрессоров. Время шло, а напряженность возрастала.

Периодически я брал своего старшего шестилетнего сына с собой. Пока мы работали, он весело проводил время в музее. Часто я не приходил, и большую часть работы ребята делали сами. Все с пониманием относились к моему семейному статусу.

В определенный момент к нам присоединился еще один энтузиаст, которого также звали Сергей. Этот парень оказался студентом университета, но весьма толковым. Появление третьего Сергея неожиданно положительным образом сказалось на эффективности нашей компании. С его участием мы установили основную причину неисправности. Слабым звеном оказался вход от кнопки пуска, единственной кнопки, которую должен нажимать посетитель. Мы еще раз изменили проект и провели кабель от кнопки к блоку управления в отдельной трубе. Дополнительно мы перепаяли несколько компонентов на плате. Изменили номиналы подтягивающих резисторов, а также одного резистора из блока подавления дребезга контакта. Эта мера сработала, и проблему мы устранили. Со спокойной душой мы встретили Новый Год вместе у меня дома.

Результат


Открытие экспоната произошло 4 января, с тех пор он штатно работает и развлекает посетителей. В СМИ появились пафосные заголовки: «Ученые восстановили катушку самого Никола Тесла», «Заработала самая большая катушка Тесла в Европе», «В центре Х появилась комната высоких энергий», “Ученые изобрели лекарство от рака” и т. д. Как конструктор, я не испытываю особой гордости по проекту, думаю, что для многих из читателей понятно, что с инженерной точки зрения это довольно простое устройство, выполненное к тому же с некоторыми огрехами.

Но очень приятно вспоминать сам процесс: наши встречи после работы, обсуждение концепций за дешевой буфетной пиццей, первый запуск, утомительную борьбу с неполадками и победы. Почему-то эти воспоминания пересекаются с разными событиями из раннего детства: как в 4 года сделал короткое замыкание в квартире, запихнув шпильку в розетку, как «починил» магнитофон брата, как из досок и гвоздей смастерил себе самолетик и пытался его запустить, как впервые взял в руки паяльник. Реализовав этот маленький проект, каждому из нас удалось воплотить мечты и чаяния детства. От этого мне становится очень тепло и приятно на душе, чем и хочу поделиться с вами.

UPD1


Добавил видео из первых пусков.
frost273 — тот самый Сергей А.

habr.com

Катушка Тесла. Устройство и виды. Работа и применение

Одним из знаменитых изобретений Николы Тесла была катушка Тесла. Это изобретение представляет собой резонансный трансформатор, который образует высокочастотное повышенное напряжение. В 1896 году на изобретение выдан патент, который имел название аппарата для образования электрического тока высокого потенциала и частоты.

Разновидности

Со времен Николы Тесла появилось много различных видов трансформаторов Тесла. Рассмотрим распространенные основные виды таких трансформаторов, как катушка Тесла.

SGTC – катушка, работающая на искровом разряде, имеет классическое устройство, используемое самим Теслой. В этой конструкции элементом коммутации является разрядник. У маломощных устройств разрядник выполнен в виде двух отрезков толстого проводника, находящихся на определенном расстоянии. В устройствах большей мощности используются вращающиеся разрядники сложной конструкции с применением электродвигателей. Такие трансформаторы производят при необходимости получения стримера большой длины, без каких-либо эффектов.

VTTC – катушка на основе электронной лампы, которая является коммутирующим элементом. Подобные трансформаторы способны функционировать в постоянном режиме и выдавать разряды большой толщины. Такой тип питания обычно применяют для создания катушек высокой частоты. Они создают эффект стримера в виде факела.

SSTC – катушка, в конструкции которой в качестве ключа используется полупроводниковый элемент в виде мощного транзистора. Такой вид трансформаторов также способен функционировать в постоянном режиме. Внешняя форма стримеров от такого устройства бывает самой различной. Управление с полупроводниковым ключом более простое, существуют такие катушки Тесла, которые умеют играть музыку.

DRSSTC – трансформатор, имеющий два контура резонанса. Роль ключей играют также полупроводниковые компоненты. Это наиболее сложный в настройке и управлении трансформатор, однако, он используется для создания впечатляющих эффектов. При этом большой резонанс получается в первом контуре. Во втором контуре образуется наиболее яркие толстые и длинные стримеры в виде молний.

Устройство и работа

Элементарный трансформатор Тесла включает в себя две катушки, тороид, конденсатор, разрядник, защитное кольцо и заземление.

Тороид выполняет несколько функций:
  • Снижение частоты резонанса, особенно для вида катушки Тесла с полупроводниковыми ключами.Полупроводниковые элементы плохо функционируют на повышенных частотах.
  • Накапливание энергии перед возникновением электрической дуги. Чем больше размер тороида, тем больше энергии накоплено. В момент пробоя воздуха тороид выдает эту накопленную энергию в электрическую дугу, при этом увеличивая ее.
  • Образование электростатического поля, отталкивающего дугу от вторичной обмотки. Часть этой функции исполняет вторичная обмотка. Однако тороид помогает ей в этом. Поэтому электрическая дуга не бьет во вторичную обмотку по кратчайшему пути.

Обычно наружный диаметр тороида в два раза больше диаметра вторичной обмотки. Тороиды производят из алюминиевой гофры и других материалов.

Вторичная обмотка трансформатора Тесла является основным элементом конструкции. Обычно длина обмотки относится к ее диаметру 5 : 1. Диаметр проводника для катушки выбирают из расчета, чтобы разместилось около 1000 витков, которые должны располагаться плотно между собой. Витки обмотки покрывают несколькими слоями лака или эпоксидной смолы. В качестве каркаса выбирают ПВХ-трубы, которые можно купить в строительном магазине.

Защитное кольцо служит для предохранения от выхода из строя электронных элементов в случае попадания электрической дуги в первичную обмотку. Защитное кольцо устанавливается, если размер стримера (электрической дуги) больше длины вторичной катушки. Это кольцо выполнено в виде медного незамкнутого проводника, заземленного отдельным проводом на общее заземление.

Первичная обмотка чаще всего выполняется из медной трубки, применяемой в кондиционерах. Сопротивление первичной обмотки должно быть небольшим, так как по ней будет проходить большая сила тока. Трубку чаще всего выбирают толщиной 6 мм. Также можно использовать для намотки проводники большого сечения. Первичная обмотка является своеобразным элементом подстройки в таких катушках Тесла, в которых первый контур резонансный. Поэтому место подключения питания выполняют с учетом его перемещения, с помощью которого меняют частоту резонанса первого контура.

Форма первичной обмотки может быть различной: конической, плоской или цилиндрической.

Катушка Тесла должна иметь заземление. Если его не будет, то стримеры будут бить в саму катушку, для замыкания тока.

Колебательный контур образован конденсатором совместно с первичной обмоткой. В этот контур также подключен разрядник, который является нелинейным элементом. Во вторичной обмотке также образован контур колебаний, в котором конденсатором выступает емкость тороида и межвитковая емкость катушки. Чаще всего для предохранения от электрического пробоя вторичную обмотку покрывают лаком или эпоксидной смолой.

В результате катушка Тесла, или другими словами трансформатор, состоит из двух контуров колебаний, связанных между собой. Это и придает трансформатору Тесла необычные свойства, и является основным отличительным качеством от обычных трансформаторов.

При достижении напряжения пробоя между электродами разрядника, образуется электрический лавинообразный пробой газа. При этом происходит разряд конденсатора на катушку через разрядник. Вследствие этого цепь контура колебаний, который состоит из конденсатора и первичной обмотки, остается замкнутой на разрядник. В этой цепи возникают колебания высокой частоты. Во вторичной цепи образуются резонансные колебания, в результате чего возникает высокое напряжение.

Во всех видах катушки Тесла главным элементом являются контуры: первичный и вторичный. Однако генератор колебаний высокой частоты может отличаться по конструкции.

Катушка Тесла по сути дела состоит из двух катушек, не имеющих металлического сердечника. Коэффициент трансформации катушки Тесла в несколько десятков раз выше отношения числа витков обеих обмоток. Поэтому выходное напряжение трансформатора достигает нескольких миллионов вольт, что и обеспечивает мощные электрические разряды длиной в несколько метров. Важным условием является образование контура колебаний первичной обмоткой и конденсатором, вхождение в резонанс этого контура с вторичной обмоткой.

Виды эффектов от катушки Тесла

  • Дуговой разряд – возникает во многих случаях. Он характерен ламповым трансформаторам.
  • Коронный разряд является свечением воздушных ионов в электрическом поле повышенного напряжения, образует голубоватое красивое свечение вокруг элементов устройства с высоким напряжением, а также имеющим большую кривизну поверхности.
  • Спарк по-другому называют искровым разрядом. Он протекает от терминала на землю, либо на заземленный предмет, в виде пучка ярких разветвленных полосок, быстро исчезающих или меняющихся.
  • Стримеры – это тонкие слабо светящиеся разветвляющиеся каналы, содержащие ионизированные атомы газа и свободные электроны. Они не уходят в землю, а протекают в воздух. Стримером называют ионизацию воздуха, образуемую полем трансформатора высокого напряжения.

Действие катушки Тесла сопровождается треском электрического тока. Стримеры могут превращаться в искровые каналы. Это сопровождается большим увеличением тока и энергии. Канал стримера быстро расширяется, давление резко повышается, поэтому образуется ударная волна. Совокупность таких волн подобен треску искр.

Малоизвестные эффекты катушки Тесла

Некоторые люди считают трансформатор Тесла каким-то особенным устройством, обладающим исключительными свойствами. Также есть мнение, что такое устройство способно стать генератором энергии и вечным двигателем.

Иногда говорят, что при помощи такого трансформатора можно передавать электрическую энергию на значительные расстояния, не используя провода, а также создать антигравитацию. Такие свойства не подтверждены и не проверены наукой, но Тесла говорил о скорой доступности таких способностей для человека.

В медицине при длительном воздействии токов высокой частоты и напряжения могут образоваться хронические заболевания и другие отрицательные явления. Также нахождение человека в поле высокого напряжения негативно сказывается на его здоровье. Можно отравиться газами, выделяемыми при функционировании трансформатора без вентиляции.

Применение
  • Величина напряжения на выходе катушки Тесла иногда достигает миллионов вольт, что формирует значительные воздушные электрические разряды длиной в несколько метров. Поэтому такие эффекты применяют в качестве создания показательных шоу.
  • Катушка Тесла нашла применение в медицине в начале прошлого века. Больных обрабатывали маломощными токами высокой частоты. Такие токи протекают по поверхности кожи, оказывают оздоравливающее и тонизирующее влияние, не причиняя при этом никакого вреда организму человека. Однако мощные токи высокой частоты оказывают негативное влияние.
  • Катушка Тесла применяется в военной технике для оперативного уничтожения электронной техники в здании, на корабле, танке. При этом на короткий промежуток времени создается мощный импульс электромагнитных волн. В результате в радиусе нескольких десятков метров сгорают транзисторы, микросхемы и другие электронные компоненты. Это устройство действует абсолютно бесшумно. Существуют такие данные, что частота тока при функционировании такого устройства может достигать 1 ТГц.
  • Иногда такой трансформатор применяется для розжига газоразрядных ламп, а также поиска течи в вакууме.

Эффекты катушки Тесла иногда используют в съемках фильмов, компьютерных играх. В настоящее время катушка Тесла не нашла широкого применения на практике в быту.

Катушка Тесла на будущее

В настоящее время остаются актуальными вопросы, которыми занимался ученый Тесла. Рассмотрение этих проблемных вопросов дает возможность студентам и инженерам институтов взглянуть на проблемы науки более широко, структурировать и обобщать материал, отказаться от шаблонных мыслей.

Взгляды Тесла актуальны сегодня не только в технике и науке, но и для работ в новых изобретениях, применения новых технологий на производстве. Наше будущее даст объяснение явлениям и эффектам, открытым Теслой. Он заложил для третьего тысячелетия основы новейшей цивилизации.

Похожие темы

electrosam.ru

Биполярный Маркс (MARX 3) | Катушки Тесла и все-все-все

Несмотря на вполне впечатляющий результат, этот генератор Маркса был собран за один вечер без особых хлопот. Я разрезал тонкое оргстекло по размерам, просверлил отверстия — сразу во всей пачке, а резисторы и соединительные провода у меня уже были от неудавшегося проекта биполярного маркса на мегавольт. По сути этот биполярный маркс есть лишь логичное развитие идеи генератора MARX 2, поскольку представляет собой всего лишь навсего его увеличенную копию — те же материалы, те же детали, те же пропорции и расстояния.

В третьем марксе по 11 ступеней в башне, итого — 22 ступени. Максимальная длина пробоя — порядка 73 см; нормальная устойчивая — около 65. По отдельности каждая из башен даёт 33-35 сантиметров пробоя, так что здесь мы имеем дело с простой суммой слагаемых по длине (хотя теоретически можно было бы ожидать от биполярного пробоя большей длины ввиду повышения пробойного напряжения, а на этих участках кривой отношение кВ/мм сухого воздуха для пробоя канала уже нелинейно, т.е. 500 киловольт могут пробить 70-80 см.). Исходя из расстояний в разрядниках, можно считать что создаваемая MARX 3 разность потенциалов составляет порядка 400-500 кВ. Частота следования пробоев — около 0.5 Гц.


И видео! Метки отсутствуют.

teslacoil.ru

Страничка эмбеддера » Как работает трансформатор Тесла на пальцах. Часть 1.

Трансформатор Тесла – прекрасная игрушка для тех, кто хочет сделать что-то эдакое. Это устройство не перестает поражать окружающих мощью своих огромных разрядов. Более того, сам процесс конструирования трансформатора очень увлекателен – не часто так много физических эффектов сочетаются в одной несложной конструкции.

Несмотря на то, что сама по себе “Тесла” очень проста, многие из тех, кто пытаются ее сконструировать не понимают принцип ее работы.

Я планирую целый цикл статей по поводу устройства и работы трансформатора теслы. В этой части я помогу вам разобраться – какие виды тесел бывают, что у них общего и в чем они отличаются.

Как читать эту статью.

Эта статья предполагает, что вы знаете, что такое электрический ток и чем конденсатор отличается от катушки. Я буду стараться излагать все, как можно проще, но, к сожалению, я не всесилен. Если какие-либо моменты останутся непонятными, прошу прочитать еще раз, если и это не поможет, прошу оставить комментарий.

Для того, чтобы не прерывать рассказ ненужными подробностями, но оставаться политкорректным, я буду делать сноски. Сноска будет обозначаться таким образом — [12].

 

Как правильно называть это устройство

Существует много названий для трансформатора Тесла. Все они обозначают одно и то-же устройство. Самое корректное название по моему мнению — “Трансформатор Тесла”, хотя я не стесняюсь использовать и другие, такие как

Замечу, что имя Тесла не склоняется, тоесть грамматически не верно говорить “Трансформатор Теслы”, хотя, если вы так скажите, все вас поймут.

Также существуют сленговые названия трансформатора Тесла, некоторые из них

Часто трансформатор называют его типом – СГТЦ, ССТЦ итп.

 

Принцип работы Трансформатора Тесла.

Трансформатор Тесла состоит из двух обмоток[1] – первичной (Lp) и вторичной (Ls) (их чаще называют “первичка” и “вторичка”). К первичной обмотке подводится переменное напряжение и она создает магнитное поле.  При помощи этого поля энергия из первичной обмотки передается во вторичную. В этом трансформатор тесла очень похож на самый обычный “железный” трансформатор.

Вторичная обмотка вместе с собственной паразитной (Cs) емкостью образуют колебательный контур, который накапливает переданную ему энергию. Часть времени вся энергия в колебательном контуре храниться в виде напряжения. Таким образом, чем больше энергии мы вкачаем в контур, тем больше напряжения получим.

Подробнее про колебательный контур можно почитать по ссылкам: Статья, очень просто описывающая колебательный контур, Wikipedia, Yandex, Google.

Тесла обладает тремя основными характеристиками – резонансной частотой вторичного контура, коэффициентом связи первичной и вторичной обмоток, добротностью вторичного контура.

Что такое резонансная частота колебательного контура, читателю должно быть известно. Я же подробнее остановлюсь на коэффициенте связи и добротности.

Коэффициент связи определяет насколько быстро энергия из первичной обмотки передается во вторичную, а добротность – насколько долго колебательный контур может сохранять энергию.

Есть одна очень хорошая аналогия —

 

Аналогия с качелями

Для того, чтобы лучше понять, как колебательный контур накапливает энергию, и откуда в тесле берется такое большое напряжение, представим качели, которые раскачивает здоровенный мужик. Качели – это колебательный контур, мужик– это первичная обмотка. Скорость качель – это ток в во вторичной обмотке, а высота подъема  – наше долгожданное напряжение.

Мужик толкает качели, и, таким образом передает в них энергию. И вот, за несколько толчков, качели раскачались и подлетают так высоко, как это только возможно – они накопили много энергии. Тоже самое происходит и с теслой, только когда энергии становится слишком много, происходит пробой воздуха и мы видим наши красивущий стример.

Естественно, раскачивать качели нужно не абы-как, а в точном согласии с их собственными колебаниями.  Количество колебаний качель в секунду называется “резонансная частота”.

Участок траектории полета качели, на протяжении которого мужик их толкает определяет коэффициент связи. Если мужик будет постоянно держать качели своей здоровенной ручищей, то он раскачает их очень быстро, но качели смогут отклониться только на длину руки мужика. В таком случае говорят, что коэффициент связи равен единице.  Наши качели с большим коэффициентом связи — это аналог обычного трансформатора.

Теперь рассмотрим ситуация, когда мужик только немного подталкивает качели. В этом случае коэффициент связи мал, а качели отклоняются намного дальше – мужик теперь их не держит. Качели придется раскачивать дольше, но с этим справится даже очень хилый мужик, чуть-чуть толкая их каждый период колебаний.

Такие качели и есть аналогом трансформатора Тесла.

Итак, чем больше коэффициент связи, тем быстрее во вторичный контур накачивается энергия, но при этом выходное напряжение теслы получается меньше.

Теперь рассмотрим добротность. Добротность – это противоположность трению в качелях. Если трение очень большое (низкая добротность), то мужик своими слабенькими толчками не сможет их раскачать. Таким образом, коэффициент связи и добротность контура должны быть согласованны для достижения максимальной высоты качель (максимальной длинны стримера).

Так-как добротность вторичной обмотки в трансформаторе Тесла – величина не постоянная (она зависит от стримера), то согласовать эти две величины очень не просто, и поэтому просто подбирают опытным путем.

 

Основные виды катушек тесла

Сам Тесла изготавливал Трансформатор только одного типа – на разряднике (СГТЦ). С тех пор элементная база сильно улучшилась, и появилось множество разных типов катушек, по аналогии их продолжают называть катушками Тесла. Типы катушек принято называть из английскими аббревиатурами. Если название необходимо сказать на русском языке, английские аббревиатуры просто говорят русскими буквами без перевода.

Самые распространенные типы катушек тесла:

  • SGTC (СГТЦ, Spark Gap Tesla Coil) – трансформатор тесла на разряднике. Самая первая и “классическая” конструкция (ее использовал сам Тесла). В качестве ключевого элемента использует разрядник. В маломощных конструкциях разрядник – просто два куска провода, находящихся на некотором расстоянии, а в мощных – сложные вращающиеся разрядники. Трансформаторы этого типа идеальны если вам нужна только большая длинна стримера.

  • VTTC (ВТТЦ, Vacuum Tube Tesla Coil) – трансформатор тесла на лампе. В качестве ключевого элемента используется мощная радиолампа. Такие трансформаторы могут работать в непрерывном режиме и выдавать толстые, “жирные” стримеры. Этот тип чаще всего используют для высокочастотных тесел, которые из-за характерного вида своих стримеров получили название “факельник”.

  • SSTC (ССТЦ, Solid State Tesla Coil) – трансформатор тесла, в котором в качестве ключевого элемента используются полупроводники. Обычно это MOSFET или IGBT транзисторы. Этот тип трансформаторов может работать в непрерывном режиме. Внешний вид стримеров, создаваемых этой катушкой может быть самый различный. Этим типом Тесел проще всего управлять (играть музыку, к примеру).

  • DRSSTC (ДРССТЦ, ДРка, Dual Resonant Solid State Tesla Coil) – трансформатор с двумя резонансными контурами, в котором в качестве ключей используются полупроводники, в подавляющем большинстве случаев, это IGBT транзисторы. ДРССТЦ – самый сложный в изготовлении и настройке тип трансформаторов тесла. Характерная длинна стримеров трансформатора этого типа немного меньше чем у SGTC, а управляемость немногим хуже, чем у SSTC.

Для управления внешним видом стримеров придумали так называемый прерыватель. Изначально с помощью этого устройства останавливали катушку для того, чтобы дать возможность зарядится конденсатором и остыть разрядному терминалу, и, засчет этого, увеличить длину стримеров. Но в последнее время в прерыватели начали встраивать дополнительные функции, к примеру, научили катушки Тесла играть музыку.

 

 

Основные детали катушки тесла

Не смотря на то, что существует несколько видов катушек тесла, у всех них есть общие черты. Расскажу о основных деталях теслы сверху вниз.

  • Тороид – выполняет три функции.

    Первая – уменьшение резонансной частоты – это актуально для SSTC и DRSSTC, так как силовые полупроводники плохо работают на высоких частотах.

    Вторая – накопление энергии перед образованием стримера. Чем больше тороид, тем больше в нем накоплено энергии  и, в момент, когда воздух пробивается, тороид отдает эту энергию в стример, таким образом,  увеличивая его. Для того, чтобы извлечь выгоду из этого явления в теслах с непрерывной накачкой энергии, используют прерыватель.

    Третяя – формирование электростатического поля, которое отталкивает стример от вторичной обмотки теслы. От части, эту функцию выполняет сама вторичная обмотка, но тороид может ей хорошо помочь. Именно по причине электростатического отталкивания стримера, он не бьет по кратчайшему пути во вторичку.

    От использования тороидоа больше всего выиграют теслы с импульсной накачкой – SGTC, DRSSTC и теслы с прерывателями. Типичный внешний диаметр тороида – два диаметра вторички [4].

    Тороиды обычно изготавливают из алюминиевой гофры, хотя есть множество других технологий, ознакомиться с которыми можно тут.

  • Вторичка – основная деталь теслы.

    Типичное отношение длинны обмотки теслы к ее диаметру намотки 4:1 – 5:1. 

    Диаметр провода для намотки теслы обычно выбирают так, чтобы на вторичке помещалось 800-1200 витков. ВНИМАНИЕ, повторюсь еще раз. Не стоит мотать слишком много витков на вторичке тонким проводом. Витки на вторичке нужно распологать как можно плотнее друг к другу [5].

    Для защиты от царапин и от разлезания витков, вторичные обмотки обычно покрывают лаками. Чаще всего для этого применяются эпоксидная смола и полиуретановый лак. Лакировать стоит очень тонкими слоями. Обычно, на вторичку, наносят минимум 3-5 тонких слоев лака.

    Мотают вторичку на воздуховодных (белых) или, что хуже, канализационных (серых) ПВХ трубах. Найти эти трубы можно в любом строительном магазине.

    С нюансами вторичных обмоток можно ознакомиться тут

  • Защитное кольцо – предназначено для того, чтобы стример, попав в первичную обмотку не вывел электронику из строя. Эта деталь устанавливается на теслу, если длинна стримера больше длинны вторичной обмотки. Представляет собой незамкнутый виток медного провода (чаще всего, немного толще, чем тот из которого изготавливается первичка). Защитное кольцо заземляется на общее заземление отдельным проводом.

  • Первичная обмотка – обычно изготавливается из медной трубы для кондиционеров. Должна обладать очень маленьким сопротивлением для того, чтобы по ней можно было пропускать большой ток. Толщину трубки обычно выбирают на глаз, в подавляющем большинстве случаев, выбор падает на 6 мм трубку. Так-же в качестве первички используют провода большего сечения.

    Относительно вторичной обмотки устанавливается так, чтобы обеспечить нужный коэффициент связи.

    Часто играет роль построечного элемента в тех теслах, где первичный контур является резонансным. Точку подключения к первичке делают подвижной и ее перемещением изменяют резонансную частоту первичного контура.

    Первичные обмотки обычно делают цилиндрическими, плоскими или  коническим. Обычно, плоские первички используются в SGTC, конические- в SGTC  и DRSSTC, а цилиндрические — в SSTC, DRSSTC и VTTC.

     

    Тема на форуме про первичные обмотки

  • Заземление – как не странно, тоже очень важная деталь теслы.

    Очень часто мне задают вопрос – куда же бьют стримеры? Я эту картинку я уже показывал в статье про плазменный шар, но покажу еще раз, и отвечу на этот вопрос — стримеры бьют в землю! И таким образом они замыкают ток, показанный на картинке синим цветом.
    Таким образом, если заземление будет плохое, стримерам будет некуда деваться и им придется бить в теслу (замыкать свой ток), вместо того, чтобы извергаться  в воздух. Меня спрашивали – обязательно ли заземлять теслу? Итак, ответ: заземление для теслы – обязательно [2][3].

[1]: Существуют трансформаторы Тесла без первичной обмотки. У них питание подается прямо на “земляной” конец вторички. Такой метод питания называется “бэйзфид” (basefeed).

Иногда, в качестве источника бэйзфидного питания используется другой трансформатор Тесла, такой метод питания называют “магниферным” (Magnifier).

[2]: Существуют так называемые биполярные теслы, они отличаются тем, что разряд происходит не в в воздух, а между двумя концами вторичной обмотки. Таким образом, путь тока легко может замкнуться и заземление не нужно.

[3]: теоретически, для теслы можно вместо заземления использовать так называемый противовес – искусственное заземление в виде большего проводящего предмета. Практических конструкций с противовесами очень мало.  Внимание! Изготовление тесел с противовесами представляет намного большую опасность, чем тесел с простым заземлением, потому как вся конструкция находится под высоким относительно земли потенциалом. А относительно большая емкость между противовесом и окружающими предметами способна негативно на них повлиять.

[4]: Это правило справедливо для “пней” – вторичных обмоток с отношением длинны к диаметру до 5:1

[5]: Это правило справедливо для тесел с мощностью меньше 20кВА

Задать вопросы по статье можно, оставив комментарий, методические-же вопросы обсуждаются в Этой ветке форума flyback.org.ru. 

 

Следующая часть >>

bsvi.ru

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомление о