Spark Gap Tesla סליל: 14 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:13

זהו הדרכה כיצד לבנות סליל טסלה של ספארק גאפ עם שמלת כלוב של פאראדיי.

הפרויקט הזה לקח לי ולצוות שלי (3 סטודנטים) 16 ימי עבודה, הוא עולה בסביבות 500 דולר, אני מבטיח לכם שזה לא יעבוד מהפעם הראשונה:), החלק החשוב ביותר הוא שעליכם להבין את כל התיאוריה שמאחורי ולדעת כיצד להתמודד עם הרכיבים שאתה בוחר.

במדריך זה אקח אותך בכל התיאוריה שמאחורי, המושגים, הנוסחאות, בניית צעד אחר צעד עבור כל החלקים. אם אתה רוצה לבנות סלילים קטנים או גדולים יותר הרעיון והנוסחאות יהיו זהים.

הדרישות לפרויקט זה:

- ידע ב: ציוד חשמל, אלקטרוניקה, אלקטרומגנטיות ומעבדה

- אוסצילוסקופ

- שנאי שלט ניאון; 220V עד 9kV

- קבלים במתח גבוה

- כבלי נחושת או צינורות נחושת

- עץ לבניית השלדה שלך

- צינור PVC לסליל המשני

- צינור מתכתי גמיש לטורויד

- מאוורר חשמלי קטן 220V לפער הניצוצות

- ניירות אלומיניום ורשת לשמלת כלוב פאראדיי

- חוטים מבודדים למשנית

- מנורות ניאון

- ווסת מתח אם אין לך 220VAC יציב

- חיבור לקרקע

- הרבה סבלנות

שלב 1: היכרות עם סליל טסלה Spark Gap

סליל טסלה הוא שנאי תהודה המכיל מעגל LC ראשוני ומשני. שתי מעגלי ה- LC שתוכננו על ידי הממציא ניקולה טסלה בשנת 1891, מחוברים זה לזה באופן רופף. הכוח מסופק למעגל הראשי באמצעות שנאי צעד, אשר טוען קבל. בסופו של דבר, המתח על פני הקבל יגדל מספיק כדי לקצר פער ניצוץ. הקבל יזרק דרך פער הניצוץ ואל הסליל הראשי. האנרגיה תתנדנד הלוך ושוב בין הקבל הראשי למשרן הסליל הראשי בתדרים גבוהים (בדרך כלל 50 קילוהרץ- 2 מגהרץ). הסליל הראשי מצורף למשרן במעגל המשני, הנקרא סליל משני. לראש הסליל המשני מצורף עומס עליון המספק קיבול למעגל ה- LC המשני. כאשר המעגל העיקרי מתנדנד, כוח נגרם בסליל המשני שבו המתח מוכפל פעמים רבות. מתח גבוה, שדה זרם נמוך מתפתח סביב העומס העליון וקשתות של פריקת ברקים במפגן מתוק של נפלאות. מעגלי ה- LC הראשוניים והמשניים חייבים להתנדנד באותו תדר כדי להשיג העברת כוח מרבית. המעגלים בסליל בדרך כלל "מכוונים" לאותו תדר על ידי התאמת השראות הסליל הראשי. סלילי טסלה יכולים לייצר מתח יציאה מ -50 קילו וולט למספר מיליוני וולט עבור סלילים גדולים.

שלב 2: תיאוריה

חלק זה יכסה את כל תורת הפעולה של סליל טסלה רגיל. נשקול כי המעגלים הראשוניים והמשניים הם מעגלי RLC בעלי התנגדות נמוכה, התואמים את המציאות.

מהסיבות האמורות, ההתנגדות הפנימית של הרכיב אינה מיוצגת. אנו נחליף גם את השנאי המוגבל הנוכחי. אין לזה שום השפעה לגבי תיאוריה טהורה.

שים לב שחלקים מסוימים של המעגל המשני מצוירים בקווים מנוקדים. הסיבה לכך היא שהם אינם נראים ישירות על המנגנון. לגבי הקבל המשני, נראה כי הקיבולת שלו בעצם מופצת, העומס העליון הוא רק "צלחת אחת" של הקבל הזה. לגבי פער הניצוץ המשני, הוא מוצג בסכימה כדרך לייצג היכן יתרחשו הקשתות.

השלב הראשון של המחזור הוא טעינת הקבל הראשי על ידי הגנרטור. נניח שהתדר שלו יהיה 50 הרץ. מכיוון שהגנרטור (NST) מוגבל בזרם, יש לבחור את קיבולת הקבל בקפידה כך שהוא יטען במלואו תוך 1/100 שניות בדיוק. ואכן, המתח של הגנרטור משתנה פעמיים בתקופה, ובמחזור הבא הוא יטען מחדש את הקבל בקוטביות הפוכה, דבר שאינו משנה דבר לגבי פעולת סליל טסלה.

כאשר הקבל טעון במלואו, פער הניצוץ יורה ולכן סוגר את המעגל העיקרי. בידיעת עוצמת השדה החשמלי של התמוטטות האוויר, יש להגדיר את רוחב פער הניצוץ כך שהוא יורה בדיוק כאשר המתח על פני הקבל מגיע לשיא השיא שלו. תפקידו של הגנרטור מסתיים כאן.

כעת יש לנו קבל טעון במעגל LC. הזרם והמתח ינועו אפוא בתדר התהודה של המעגלים, כפי שהוכח קודם לכן. תדר זה גבוה מאוד בהשוואה לתדר החשמל, בדרך כלל בין 50 ל- 400 קילוהרץ.

המעגלים הראשוניים והמשניים מחוברים מגנטית. התנודות המתרחשות בראשוניות יגרמו אפוא לכוח אלקטרומוטורי במשני. ככל שהאנרגיה של הבסיס תיזרק למשנית, משרעת התנודות ביסודי תפחת בהדרגה ואילו אלו של המשנית יתחזקו. העברת אנרגיה זו מתבצעת באמצעות אינדוקציה מגנטית. קבוע הצימוד k בין שני המעגלים נשמר בכוונה נמוך, בדרך כלל בין 0.05 ל -0.2.

התנודות במערכת הראשית יפעלו אפוא קצת כמו מחולל מתח AC הממוקם בסדרה על המעגל המשני.

כדי לייצר את מתח המוצא הגדול ביותר, המעגלים המכוונים הראשוניים והמשניים מותאמים לתהודה זה עם זה. מכיוון שבדרך כלל המעגל המשני אינו מתכוונן, הדבר נעשה בדרך כלל באמצעות ברז מתכוונן על הסליל הראשי. אם שני הסלילים היו נפרדים, תדרי התהודה של המעגלים הראשוניים והמשניים נקבעו על פי השראות והקיבול בכל מעגל

שלב 3: חלוקת הקיבול בתוך המעגל המשני

הקיבול המשני Cs באמת חשוב כדי לגרום לסליל הטסלה לעבוד, הקיבול של הסליל המשני נחוץ לחישובי תדר התהודה, אם לא תיקח בחשבון את כל הפרמטרים לא תראה ניצוץ. קיבול זה מורכב מתרומות רבות וקשה לחישוב, אך נבחן את מרכיביו העיקריים.

עומס עליון - קרקע.

החלק הגבוה ביותר של הקיבול המשני מגיע מהעומס העליון. אכן, יש לנו קבל שה"צלחות "שלו הן העומס העליון והאדמה. זה עשוי להיות מפתיע שאכן מדובר בקבל מכיוון שהלוחות הללו מחוברות למרות הסליל המשני. עם זאת, העכבה שלה גבוהה למדי ולכן למעשה יש הבדל פוטנציאלי ביניהם. אנו נקרא ל- Ct תרומה זו.

סיבובים של הסליל המשני.

התרומה הגדולה הנוספת מגיעה מהסליל המשני. הוא עשוי מפניות רבות סמוכות של חוט נחושת אמייל ולכן השראותו מופצת לאורכו. זה מרמז שיש הבדל פוטנציאלי קל בין שני סיבובים סמוכים. לאחר מכן יש לנו שני מוליכים בעלי פוטנציאל שונה, המופרדים על ידי דיאלקטרי: קבל, במילים אחרות. למעשה, יש קבל עם כל זוג חוטים, אבל הקיבולת שלו יורדת עם המרחק, ולכן אפשר לשקול את הקיבולת רק בין שני סיבובים סמוכים לקירוב טוב.

בואו נקרא Cb הקיבולת הכוללת של הסליל המשני.

למעשה, לא חובה להטעין עומס עליון על סליל טסלה, מכיוון שלכל סליל משני תהיה יכולת משלו. עם זאת, לעומס עליון יש חשיבות מכרעת עבור ניצוצות יפים.

תהיה קיבולת נוספת מהאובייקטים שמסביב. קבל זה נוצר על ידי העומס העליון בצד אחד והובלת חפצים (קירות, צינורות אינסטלציה, רהיטים וכו ') בצד השני.

נקרא את הקבל של גורמים חיצוניים אלה Ce.

מכיוון שכל "קבלים" אלה נמצאים במקביל, הקיבולת הכוללת של המעגל המשני תינתן על ידי:

Cs = Ct + Cb + Ce

שלב 4: תפיסה ובנייה

במקרה שלנו השתמשנו בווסת מתח אוטומטי כדי לשמור על כניסת המתח ל- NST ב 220V

והוא מכיל מסנן קו AC מובנה (YOKOMA ELECTRIC WORKS., LTD. Japan-Model AVR-2)

ניתן למצוא מכשיר זה במכונות רנטגן או לקנות ישירות מהשוק.

שנאי המתח הגבוה הוא החלק החשוב ביותר בסליל aTesla. זה פשוט שנאי אינדוקציה. תפקידו להטעין את הקבל הראשי בתחילת כל מחזור. מלבד העוצמה שלו, החוסן שלו חשוב מאוד מכיוון שהוא חייב לעמוד בתנאי הפעלה נהדרים (לפעמים יש צורך במסנן הגנה).

שנאי סימני הניאון (NST) שבו אנו משתמשים עבור סליל הטסלה שלנו, המאפיינים (ערכי rms) הם הבאים:

Vout = 9000 V, Iout = 30 mA

זרם הפלט הוא למעשה 25mA, 30mA הוא השיא שיורד ל -25 mA לאחר ההתחלה.

כעת נוכל לחשב את כוחו P = V I, אשר יהיה שימושי לקביעת הממדים הגלובליים של סליל טסלה וכן מושג גס של אורך הניצוצות שלו.

P = 225 W (עבור 25 mA)

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

שלב 5: מעגל ראשוני

קַבָּל:

תפקידו של הקבל הראשי לאחסן כמות מסוימת של מטען למחזור הקרוב וכן ליצור מעגל LC יחד עם המשרן הראשי.

הקבל הראשי עשוי בדרך כלל מכמה עשרות כובעים המחוברים בתצורה של סדרות / מקבילות הנקראות קבל רב מיני (MMC)

הקבל הראשי משמש עם הסליל הראשי ליצירת מעגל ה- LC הראשי. קבל בגודל תהודה יכול לפגוע ב- NST, לכן מומלץ מאוד לקבל קבלים בגודל גדול יותר מהדהוד (LTR). קבל LTR יספק גם את מירב הכוח באמצעות סליל טסלה. פערים ראשוניים שונים (סיבוב סטטי לעומת סינכרון) ידרשו קבלים ראשוניים בגדלים שונים.

סקר = קיבולת תהודה ראשונית (uF) = 1 ∕ (2 * π * עכבה NST * סנפיר NST) = 1/ (2 * π * 360 000 * 50) = 8.8419nF

CLTR = קיבולת סטטית ראשונית גדולה יותר (LTR) קיבול סטטי (uF) = קיבולת תהודה ראשית × 1.6

= 14.147nF

(זה יכול להיות שונה במקצת מקירוב למקדם אחר מומלץ 1.6-1.8)

השתמשנו בקבלים 2000V 100nF, Nb = Cunit/Cequiv = 100nF/0.0119 uF = 9 קבלים. אז עבור 9 כובעים בדיוק יש לנו קיבול Ceq = 0.0111uF = MMC.

תחשוב על חיבור נגדים בעלי הספק גבוה של 10MOhms במקביל לכל קבל לבטיחות.

הַשׁרָאוּת:

תפקידו של המשרן העיקרי הוא ליצור שדה מגנטי להזרקה למעגל המשני וכן יצירת מעגל LC עם הקבל הראשי. רכיב זה חייב להיות מסוגל להעביר זרם כבד ללא הפסדים מוגזמים.

סליל ראשוני אפשרי גיאומטריות שונות. במקרה שלנו נתאים את הספירלה הארכימלית השטוחה כסליל ראשוני.גיאומטריה זו מובילה באופן טבעי לצימוד חלש יותר ומפחיתה את הסיכון לקשת בחלקה הראשי: לכן היא מועדפת על סלילים רבי עוצמה. אולם הוא נפוץ למדי בסלילי הספק נמוכים יותר בשל קלות הבנייה שלו. הגדלת הצימוד אפשרית על ידי הורדת הסליל המשני לתוך הראשי.

תן W להיות רוחב הספירלה הנתון ב- W = Rmax - Rmin ו- R ברדיוס הממוצע שלו, כלומר R = (Rmax + Rmin)/2, שניהם מבוטאים בסנטימטרים. אם לסליל יש סיבובים N, נוסחה אמפירית המניבה את השראותה L במיקרוניריס היא:

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

לצורת המסוק אם נקרא R את רדיוס הסליל, H גובהו (הן בסנטימטרים) ו- N מספר הפניות שלו, נוסחה אמפירית המניבה את השראותו L ב- microhenrys היא: Lhelic = (0.374 (NR)^2) /(9R+10H).

מדובר בנוסחאות רבות שניתן להשתמש ולבדוק, הן יניבו תוצאות קרובות, הדרך המדויקת ביותר היא להשתמש באוסילוסקופ ולמדוד את תגובת התדר, אך הנוסחאות נחוצות גם לבניית הסליל. אתה יכול גם להשתמש בתוכנת סימולציה כמו JavaTC.

נוסחה 2 לצורה שטוחה: L = [0.25*N^2*(D1+N*(W+S))^2]/[15*(D1+N*(W+S))+11*D1]

כאשר N: מספר סיבובים, W: קוטר חוט בסנטימטרים, S: מרווח חוטים בסנטימטרים, D1: קוטר פנימי בסנטימטרים

נתוני קלט של סליל הטסלה שלי:

רדיוס פנימי: 4.5 אינץ ', 11.2 סיבובים, מרווח 0.25 אינץ', קוטר חוט = 6 מ מ, רדיוס חיצוני = 7.898 אינץ '.

L באמצעות פורמולה 2 = 0.03098mH, מ- JavaTC = 0.03089mH

לכן, תדר ראשוני: f1 = 271.6 KHz (L = 0.03089 mH, C = 0.0111MFD)

חווית מעבדה (כוונון תדרים ראשוני)

וקיבלנו תהודה ב 269-271KHz, המאמתים את החישוב, ראה איורים.

שלב 6: פער ניצוצות

תפקידו של פער הניצוץ הוא לסגור את מעגל ה- LC הראשי כאשר הקבל טעון מספיק, ובכך לאפשר תנודות חופשיות בתוך המעגל. זהו מרכיב בעל חשיבות עליונה בסליל טסלה מכיוון שתדירות הסגירה/פתיחה שלו תהיה בעלת השפעה ניכרת על התפוקה הסופית.

פער ניצוץ אידיאלי חייב לירות בדיוק כשהמתח על פני הקבל הוא מקסימלי ולפתוח מחדש בדיוק כשהוא יורד לאפס. אבל זה כמובן לא המצב בפער ניצוצות אמיתי, לפעמים זה לא יורה כשצריך או ממשיך לירות כשהמתח כבר פחת;

לפרויקט שלנו השתמשנו בפער ניצוץ סטטי עם שתי אלקטרודות כדוריות (שנבנו באמצעות שתי ידיות מגירות) שעיצבנו באופן ידני. וזה יכול להיות מותאם ידנית גם על ידי סיבוב הראשים הכדוריים.

שלב 7: מעגל משני

סליל:

תפקידו של הסליל המשני הוא להביא רכיב אינדוקטיבי למעגל ה- LC המשני ולאסוף את האנרגיה של הסליל הראשי. משרן זה הוא סולנואיד בעל ליבת אוויר, ובדרך כלל בעל בין 800 ל 1500 פניות צמודות. כדי לחשב את מספר הסיבובים שנפצעו, נוסחה מהירה זו תימנע מעבודה קפדנית מסוימת:

מד תיל 24 = 0.05 ס"מ, קוטר PVC 4 אינץ ', מספר סיבובים = 1100 צריחים, גובה נדרש = 1100 x 0.05 = 55 ס"מ = 21.6535 אינץ'. => L = 20.853 mH

כאשר H הוא גובה הסליל ו- d קוטר החוט המשמש. פרמטר חשוב נוסף הוא האורך l שאנחנו צריכים כדי לייצר את כל הסליל.

L = µ*N^2*A/H. כאשר µ מייצג את החדירות המגנטית של המדיום (≈ 1.257 · 10−6 N/A^2 לאוויר), N מספר סיבובי הסולנואיד, H גובהו הכולל ו- A שטח סיבוב.

עומס עליון:

העומס העליון פועל כמו ה"צלחת "העליונה של הקבל שנוצר על ידי העומס העליון והקרקע. הוא מוסיף קיבולת למעגל ה- LC המשני ומציע משטח שממנו יכולים להיווצר קשתות. למעשה, אפשר להפעיל סליל טסלה ללא עומס עליון, אך הביצועים מבחינת אורך הקשת הם לעתים קרובות ירודים, מכיוון שרוב האנרגיה מתפזרת בין סיבובי הסליל המשני במקום להאכיל את הניצוצות.

קיבול Toroid 1 = ((1+ (0.2781 - קוטר הטבעת ∕ (קוטר כולל))) × 2.8 × sqrt ((pi × (קוטר כולל × קוטר טבעת)) ∕ 4))

קיבול Toroid 2 = (1.28 - קוטר הטבעת ∕ קוטר כולל) × sqrt (2 × pi × קוטר הטבעת × (קוטר כולל - קוטר הטבעת))

קיבול Toroid 3 = 4.43927641749 × ((0.5 × (קוטר טבעת × (קוטר כולל - קוטר טבעת))) ^0.5)

קיבול טורו ממוצע = (קיבול טורו 1 + קיבול טורודי 2 + קיבול טורודי 3) ∕ 3

אז עבור הטורויד שלנו: קוטר פנימי 4”, קוטר חיצוני = 13”, מרווח מקצה הסליל המשני = 5 ס”מ.

C = 13.046 pf

קיבול סליל משני:

קיבול משני (pf) = (0.29 × גובה התפתלות חוטים משניים + (0.41 × (קוטר טופס משני ∕ 2)) + (1.94 × sqrt (((קוטר טופס משני ∕ 2) 3) Height גובה סיבוב חוט משני))

Csec = 8.2787 pF;

מעניין גם לדעת את הקיבול (הטפילי) של הסליל. כאן גם הנוסחה מסובכת במקרה הכללי. אנו נשתמש בערך המובא על ידי JAVATC ("קיבול shunt יעיל" ללא עומס עליון):

סהר = 6.8 pF

לכן, לגבי המעגל המשני:

Ctot = 8.27+13.046 = 21.316pF

Lsec = 20.853mH

תוצאות ניסויי מעבדה:

ראה תמונות למעלה להליך הבדיקה ותוצאות הבדיקה.

שלב 8: כוונון תהודה

הגדרת המעגלים הראשוניים והמשניים בתהודה, יש להם את אותו תדר תהודה היא בעלת חשיבות עליונה לפעולה טובה.

התגובה של מעגל RLC היא החזקה ביותר כאשר היא מונעת בתדר המהדהד שלה. במעגל RLC טוב, עוצמת התגובה יורדת בחדות כאשר תדר הנהיגה נסחף מערך התהודה.

תדר התהודה שלנו = 267.47 קילוהרץ.

שיטות כוונון:

הכוונון מתבצע בדרך כלל על ידי התאמת השראות הראשית, פשוט כי זהו המרכיב הקל ביותר לשינוי. מכיוון שלמשרן זה יש פניות רחבות, קל לשנות את ההשראה העצמית שלו על ידי הקשה על המחבר הסופי במקום מסוים בספירלה.

השיטה הפשוטה ביותר להשיג התאמה זו היא על ידי ניסוי וטעייה. לשם כך מתחילים להקיש על הראשי בנקודה הקרובה לכאורה לתהודה, מדליקה את הסליל ומעריכה את אורך הקשת. ואז מקישים על הספירלה רבע סיבוב קדימה/אחורה ואחד מעריך מחדש את התוצאה. לאחר מספר ניסיונות אפשר להמשיך בצעדים קטנים יותר ולבסוף תקבל את נקודת ההקשה שבה אורך הקשת הוא הגבוה ביותר. בדרך כלל, הקשה זו

נקודה אכן תקבע את ההשראות העיקרית כמו ששני המעגלים נמצאים בתהודה.

שיטה מדויקת יותר תכלול ניתוח של התגובה האינדיבידואלית של שני המעגלים (בתצורה המשולבת, כמובן, כלומר ללא הפרדה פיזית של המעגלים) עם מחולל אותות ואוסילוסקופ.

קשתות עצמן יכולות לייצר קיבול נוסף. לכן מומלץ להגדיר את תדר התהודה הראשי מעט נמוך מהמשני, על מנת לפצות על כך. עם זאת, הדבר מורגש רק עם סלילי טסלה רבי עוצמה (שיכולים לייצר קשתות ארוכות יותר מ -1 מ ').

שלב 9: מתח בספארק משני

חוק פסכן הוא משוואה הנותנת את מתח הפירוק, כלומר המתח הדרוש להפעלת פריקה או קשת חשמלית, בין שתי אלקטרודות בגז כפונקציה של לחץ ואורך פער.

מבלי להיכנס לחישוב מפורט באמצעות הנוסחה המורכבת, עבור תנאים רגילים נדרש 3.3MV כדי ליינן 1 מ 'אוויר בין שתי אלקטרודות. במקרה שלנו יש לנו קשתות בערך 10-13 ס מ כך שזה יהיה בין 340KV ל 440KV.

שלב 10: שמלת כלוב פאראדיי

כלוב פאראדיי או מגן פאראדיי הוא מארז המשמש לחסימת שדות אלקטרומגנטיים. מגן פאראדיי עשוי להיווצר על ידי כיסוי רציף של חומר מוליך או במקרה של כלוב פאראדיי, על ידי רשת של חומרים כאלה.

עיצבנו ארבע שכבות, כלוב פאראדיי מעוגן, לביש כפי שמוצג בתמונה (חומרים משומשים: אלומיניום, כותנה, עור).אתה יכול לבדוק את זה גם על ידי הכנסת הטלפון הנייד שלך פנימה, הוא יאבד את האות, או להניח אותו מול סליל הטסלה שלך ולהכניס כמה מנורות ניאון לתוך הכלוב, הן לא יאירו, ואז תוכל להדליק אותו ולנסות אותו.

שלב 11: נספחים והפניות

שלב 12: בניית הסליל הראשי

שלב 13: בדיקת ה- NST

שלב 14: בניית הסליל הראשי