Bobina di Tesla a spinterometro: 14 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:01

Questo è un tutorial su come costruire una bobina di Tesla Spark Gap con un abito a gabbia di Faraday.

Questo progetto ha richiesto a me e al mio team (3 studenti) 16 giorni lavorativi, costa circa 500 USD, ti assicuro che non funzionerà dalla prima volta:), la parte più importante è che devi capire tutta la teoria dietro e sapere come trattare con i componenti che scegli.

In questo tutorial, ti guiderò attraverso tutta la teoria alla base, i concetti, le formule, una costruzione passo passo per tutte le parti. Se vuoi costruire bobine più piccole o più grandi, il concetto e le formule saranno le stesse.

I requisiti per questo progetto:

- Conoscenze in: apparecchiature elettriche, elettroniche, elettromagnetiche e di laboratorio

- Oscilloscopio

- Trasformatore per insegne al neon; da 220V a 9kV

- Condensatori ad alta tensione

- Cavi in rame o tubi in rame

- Legno per costruire il tuo telaio

- Tubo in PVC per la batteria secondaria

- Tubo metallico flessibile per il Toroid

- Una piccola ventola elettrica da 220V per lo spinterometro

- Carte e rete in alluminio per il vestito della gabbia di Faraday

- Fili isolati per il secondario

- Lampade al neon

- Regolatore di tensione se non si dispone di un 220VAC stabile

- Collegamento a terra

- Tanta pazienza

Passaggio 1: Introduzione alla bobina di Tesla con spinterometro

Una bobina di Tesla è un trasformatore risonante contenente un circuito LC primario e secondario. Progettati dall'inventore Nikola Tesla nel 1891, i due circuiti LC sono accoppiati in modo lasco. L'alimentazione viene fornita al circuito primario tramite un trasformatore elevatore, che carica un condensatore. Alla fine, la tensione ai capi del condensatore aumenterà sufficientemente per cortocircuitare uno spinterometro. Il condensatore si scaricherà attraverso lo spinterometro e nella bobina primaria. L'energia oscillerà avanti e indietro tra il condensatore primario e l'induttore della bobina primaria ad alte frequenze (tipicamente 50 kHz-2 MHz). La bobina primaria è accoppiata a un induttore nel circuito secondario, chiamato bobina secondaria. Attaccato alla parte superiore della bobina secondaria è un carico superiore che fornisce capacità per il circuito LC secondario. Quando il circuito primario oscilla, la potenza viene indotta nella bobina secondaria dove la tensione viene moltiplicata molte volte. Un campo ad alta tensione e bassa corrente si sviluppa attorno al carico superiore e archi di scarica di fulmini in una dolce dimostrazione di suggestione. I circuiti LC primario e secondario devono oscillare alla stessa frequenza per ottenere il massimo trasferimento di potenza. I circuiti nella bobina sono solitamente "sintonizzati" sulla stessa frequenza regolando l'induttanza della bobina primaria. Le bobine di Tesla possono produrre tensioni di uscita da 50 kilovolt a diversi milioni di volt per bobine di grandi dimensioni.

Fase 2: Teoria

Questa sezione coprirà la teoria completa del funzionamento di una bobina di Tesla convenzionale. Considereremo che i circuiti primari e secondari sono circuiti RLC con bassa resistenza, che si accorda con la realtà.

Per i suddetti motivi non viene rappresentata la resistenza interna del componente. Sostituiremo anche il trasformatore limitato in corrente. Questo non ha alcun impatto sulla teoria pura.

Notare che alcune parti del circuito secondario sono disegnate con linee tratteggiate. Questo perché non sono direttamente visibili sull'apparecchio. Per quanto riguarda il condensatore secondario, vedremo che la sua capacità è effettivamente distribuita, il carico superiore è solo "una piastra" di questo condensatore. Per quanto riguarda lo spinterometro secondario, è mostrato nello schema come un modo per rappresentare dove si verificheranno gli archi.

Questa prima fase del ciclo è la carica del condensatore primario da parte del generatore. Supponiamo che la sua frequenza sia di 50 Hz. Poiché il generatore (NST) è limitato in corrente, la capacità del condensatore deve essere scelta con attenzione in modo che venga caricata completamente in esattamente 1/100 di secondo. In effetti, la tensione del generatore cambia due volte in un periodo e al ciclo successivo ricaricherà il condensatore con polarità opposta, il che non cambia assolutamente nulla del funzionamento della bobina di Tesla.

Quando il condensatore è completamente carico, lo spinterometro si accende e quindi chiude il circuito primario. Conoscendo l'intensità del campo elettrico di rottura dell'aria, l'ampiezza dello spinterometro deve essere impostata in modo che si attivi esattamente quando la tensione ai capi del condensatore raggiunge il suo valore di picco. Il ruolo del generatore finisce qui.

Ora abbiamo un condensatore a pieno carico in un circuito LC. Corrente e tensione oscilleranno quindi alla frequenza di risonanza dei circuiti, come è stato dimostrato in precedenza. Questa frequenza è molto elevata rispetto alla frequenza di rete, generalmente compresa tra 50 e 400 kHz.

I circuiti primario e secondario sono accoppiati magneticamente. Le oscillazioni che avvengono nel primario indurranno quindi una forza elettromotrice nel secondario. Man mano che l'energia del primario viene scaricata nel secondario, l'ampiezza delle oscillazioni nel primario diminuirà gradualmente mentre quelle del secondario si amplificheranno. Questo trasferimento di energia avviene tramite induzione magnetica. La costante di accoppiamento k tra i due circuiti viene volutamente mantenuta bassa, generalmente compresa tra 0,05 e 0,2.

Le oscillazioni nel primario agiranno quindi un po' come un generatore di tensione alternata posto in serie sul circuito secondario.

Per produrre la massima tensione di uscita, i circuiti sintonizzati primario e secondario sono regolati in risonanza tra loro. Poiché il circuito secondario di solito non è regolabile, ciò viene generalmente fatto da un rubinetto regolabile sulla bobina primaria. Se le due bobine fossero separate, le frequenze di risonanza dei circuiti primario e secondario sarebbero determinate dall'induttanza e dalla capacità di ciascun circuito

Passaggio 3: distribuzione della capacità all'interno del circuito secondario

La capacità secondaria Cs è davvero importante per far funzionare la bobina di tesla, la capacità della bobina secondaria è necessaria per i calcoli della frequenza di risonanza, se non si prendono in considerazione tutti i parametri non si vedrà una scintilla. Questa capacità è costituita da molti contributi ed è difficile da calcolare, ma esamineremo i suoi componenti principali.

Carico dall'alto - Terra.

La frazione più alta della capacità secondaria proviene dal carico superiore. Infatti, abbiamo un condensatore le cui "piastre" sono il carico superiore e la terra. Potrebbe essere sorprendente che questo sia davvero un condensatore poiché queste piastre sono collegate attraverso la bobina secondaria. Tuttavia, la sua impedenza è piuttosto alta, quindi in realtà c'è una differenza potenziale tra di loro. Chiameremo Ct questo contributo.

Giri della bobina secondaria.

L'altro grande contributo viene dalla bobina secondaria. È costituito da molte spire adiacenti di filo di rame smaltato e la sua induttanza è quindi distribuita lungo la sua lunghezza. Ciò implica che c'è una leggera differenza di potenziale tra due svolte adiacenti. Abbiamo quindi due conduttori a potenziale diverso, separati da un dielettrico: un condensatore, in altre parole. In realtà c'è un condensatore con ogni coppia di fili, ma la sua capacità diminuisce con la distanza, quindi si può considerare una buona approssimazione la capacità solo tra due spire adiacenti.

Chiamiamo Cb la capacità totale della bobina secondaria.

In realtà, non è obbligatorio avere un carico dall'alto su una bobina di Tesla, poiché ogni bobina secondaria avrà la propria capacità. Tuttavia, che un carico dall'alto è fondamentale per avere belle scintille.

Ci sarà capacità extra dagli oggetti circostanti. Questo condensatore è formato dal carico dall'alto da un lato e da oggetti conduttori (pareti, tubi idraulici, mobili, ecc.) dall'altro.

Chiameremo il condensatore di questi fattori esterni Ce.

Poiché tutti questi "condensatori" sono in parallelo, la capacità totale del circuito secondario sarà data da:

Cs = Ct + Cb + Ce

Passaggio 4: concezione e costruzione

Nel nostro caso abbiamo utilizzato un regolatore di tensione automatico per mantenere l'ingresso di tensione per l'NST a 220V

E contiene un filtro di linea CA integrato (YOKOMA ELECTRIC WORKS., LTD. In Giappone-Modello AVR-2)

Questo strumento può essere trovato nelle macchine a raggi X o acquistato direttamente dal mercato.

Il trasformatore ad alta tensione è la parte più importante di una bobina di Tesla. È semplicemente un trasformatore a induzione. Il suo ruolo è quello di caricare il condensatore primario all'inizio di ogni ciclo. Oltre alla sua potenza, la sua robustezza è molto importante in quanto deve resistere a condizioni di funzionamento eccezionali (a volte è necessario un filtro di protezione).

Il trasformatore per insegne al neon (NST) che stiamo utilizzando per la nostra bobina di tesla, le caratteristiche (valori efficaci) sono le seguenti:

Vout = 9000 V, Iout = 30 mA

La corrente di uscita è infatti di 25mA, 30mA è il picco che scende a 25mA dopo l'avviamento.

Possiamo ora calcolare la sua potenza P = V I, che sarà utile per impostare le dimensioni globali della bobina di Tesla così come un'idea approssimativa della lunghezza delle sue scintille.

P = 225 W (per 25 mA)

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

Passaggio 5: circuito primario

Condensatore:

Il ruolo del condensatore primario è quello di immagazzinare una certa quantità di carica per il ciclo successivo, oltre a formare un circuito LC insieme all'induttore primario.

Il condensatore primario è solitamente costituito da diverse dozzine di condensatori cablati in una configurazione serie/parallelo chiamata Multi-Mini Capacitor (MMC)

Il condensatore primario viene utilizzato con la bobina primaria per creare il circuito LC primario. Un condensatore di dimensioni risonanti può danneggiare un NST, pertanto si consiglia vivamente un condensatore di dimensioni maggiori della risonanza (LTR). Un condensatore LTR fornirà anche la massima potenza attraverso la bobina di Tesla. Spazi primari diversi (statico o sincrono rotativo) richiederanno condensatori primari di dimensioni diverse.

Cres = Capacità di risonanza primaria (uF) = 1 ∕ (2 * π * Impedenza NST * Pinna NST)=1/ (2*π*360 000 * 50) =8.8419nF

CLTR = Capacità statica primaria maggiore della risonanza (LTR) (uF) = Capacità di risonanza primaria × 1,6

= 14.147nF

(questo potrebbe differire leggermente da un'approssimazione all'altra, coefficiente consigliato 1,6-1,8)

Abbiamo usato un condensatore da 2000V 100nF, Nb= Cunit/Cequiv= 100nF/0.0119 uF= 9 condensatori. Quindi per esattamente 9 tappi abbiamo Ceq = 0,0111 uF = capacità MMC.

Pensa a collegare resistori ad alta potenza da 10 MOhm in parallelo a ciascun condensatore per sicurezza.

Induttanza:

Il ruolo dell'induttore primario è quello di generare un campo magnetico da iniettare nel circuito secondario oltre a formare un circuito LC con il condensatore primario. Questo componente deve essere in grado di trasportare forti correnti senza perdite eccessive.

Sono possibili diverse geometrie per la bobina primaria. Nel nostro caso adatteremo la spirale piatta ad arco come bobina primaria. Questa geometria porta naturalmente ad un accoppiamento più debole e riduce il rischio di arco nel primario: è quindi preferita su bobine potenti. È tuttavia piuttosto comune nelle bobine di potenza inferiore per la sua facilità di costruzione. È possibile aumentare l'accoppiamento abbassando la bobina secondaria nel primario.

Sia W la larghezza della spirale data da W = Rmax − Rmin e R il suo raggio medio, cioè R = (Rmax + Rmin)/2, entrambi espressi in centimetri. Se la bobina ha N spire, una formula empirica che fornisce la sua induttanza L in microhenrys è:

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

Per la forma elicoidale Se chiamiamo R il raggio dell'elica, H la sua altezza (entrambi in centimetri) e N il suo numero di spire, una formula empirica che fornisce la sua induttanza L in microhenrys è: Lhelic =(0.374(NR)^2) /(9R+10H).

Queste sono molte formule che puoi usare e controllare, daranno risultati ravvicinati, il modo più accurato è usare l'oscilloscopio e misurare la risposta in frequenza, ma le formule sono necessarie anche per costruire la bobina. Puoi anche utilizzare software di simulazione come JavaTC.

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

dove N: numero di giri, W: diametro del filo in pollici, S: spaziatura del filo in pollici, D1: diametro interno in pollici

Dati di input della mia bobina di Tesla:

Raggio interno: 4,5 pollici, 11,2 giri, spaziatura 0,25 pollici, diametro del filo = 6 mm, raggio esterno = 7,898 pollici.

L usando la Formula 2=0.03098mH, da JavaTC= 0.03089mH

Pertanto, frequenza primaria: f1= 271.6 KHz (L=0.03089 mH, C=0.0111MFD)

Esperienza di laboratorio (sintonizzazione della frequenza primaria)

e abbiamo ottenuto una risonanza a 269-271KHz, che verifica il calcolo, vedi Figure.

Passaggio 6: spinterometro

La funzione dello spinterometro è quella di chiudere il circuito LC primario quando il condensatore è sufficientemente carico, permettendo così libere oscillazioni all'interno del circuito. Questo è un componente di primaria importanza in una bobina di Tesla perché la sua frequenza di chiusura/apertura avrà una notevole influenza sull'uscita finale.

Uno spinterometro ideale deve attivarsi proprio quando la tensione ai capi del condensatore è massima e riaprirsi proprio quando scende a zero. Ma questo ovviamente non è il caso di un vero spinterometro, a volte non si accende quando dovrebbe o continua a sparare quando la tensione è già diminuita;

Per il nostro progetto, abbiamo utilizzato uno spinterometro statico con due elettrodi sferici (costruiti utilizzando due maniglie per cassetti) che abbiamo progettato manualmente. E può essere regolato manualmente anche ruotando le teste sferiche.

Passaggio 7: circuito secondario

Bobina:

La funzione della bobina secondaria è quella di portare un componente induttivo al circuito LC secondario e raccogliere l'energia della bobina primaria. Questo induttore è un solenoide con nucleo d'aria, generalmente avente tra 800 e 1500 spire adiacenti strettamente avvolte. Per calcolare il numero di spire che sono state avvolte, questa formula rapida eviterà un certo lavoro fastidioso:

Diametro filo 24 = 0,05 cm, diametro PVC 4 pollici, numero di spire=1100 spire, altezza necessaria=1100 x 0,05= 55 cm = 21,6535 pollici. => L= 20,853 mH

dove H è l'altezza della bobina e d il diametro del filo utilizzato. Un altro parametro importante è la lunghezza l che ci serve per realizzare l'intera bobina.

L=µ*N^2*A/H. Dove µ rappresenta la permeabilità magnetica del mezzo (≈ 1.257 · 10−6 N/A^2 per l'aria), N il numero di spire del solenoide, H la sua altezza totale e A l'area di una spira.

Carico dall'alto:

Il carico superiore agisce come la "piastra" superiore del condensatore formata dal carico superiore e dalla terra. Aggiunge capacità al circuito LC secondario e offre una superficie da cui possono formarsi archi. È possibile, infatti, far funzionare una bobina di Tesla senza carico dall'alto, ma le prestazioni in termini di lunghezza d'arco sono spesso scarse, poiché la maggior parte dell'energia viene dissipata tra le spire della bobina secondaria invece di alimentare le scintille.

Capacità del toroide 1 = ((1+ (0,2781 − diametro dell'anello ∕ (diametro totale))) × 2,8 × sqrt ((pi × (diametro totale × diametro dell'anello)) ∕ 4))

Capacità del toroide 2 = (1,28 − Diametro dell'anello ∕ Diametro totale) × sqrt (2 × pi × Diametro dell'anello × (Diametro totale − Diametro dell'anello))

Capacità del toroide 3 = 4,43927641749 × ((0,5 × (diametro dell'anello × (diametro totale − diametro dell'anello))) ^0,5)

Capacità media del toroide= (capacità del toroide 1 + capacità del toroide 2 + capacità del toroide 3) ∕ 3

Quindi per il nostro toroide: diametro interno 4", diametro esterno=13", distanza dall'estremità dell'avvolgimento secondario= 5cm.

C=13.046 pf

Capacità bobina secondaria:

Capacità Secondaria (pf)= (0,29 × Altezza Avvolgimento Filo Secondario + (0,41 × (Diametro Forma Secondaria ∕ 2)) + (1,94 × sqrt(((Diametro Forma Secondaria ∕ 2) 3) ∕ Altezza Avvolgimento Filo Secondario))

Csec= 8,2787 pF;

È anche interessante conoscere la capacità (parassita) della bobina. Anche qui la formula è complicata nel caso generale. Useremo il valore fornito da JAVATC ("Capacità shunt efficace" senza carico dall'alto):

Cres = 6.8 pF

Pertanto, per il circuito secondario:

Ctot=8.27+13.046=21,316pF

Lsec=20,853mH

Risultati degli esperimenti di laboratorio:

Vedere le immagini sopra per la procedura di test e i risultati dei test.

Passaggio 8: sintonizzazione della risonanza

Impostare i circuiti primario e secondario in risonanza, farli condividere la stessa frequenza di risonanza è di primaria importanza per un buon funzionamento.

La risposta di un circuito RLC è la più forte quando viene pilotato alla sua frequenza di risonanza. In un buon circuito RLC, l'intensità della risposta diminuisce bruscamente quando la frequenza di pilotaggio si allontana dal valore di risonanza.

La nostra frequenza di risonanza = 267,47 kHz.

Metodi di sintonizzazione:

La messa a punto viene generalmente eseguita regolando l'induttanza primaria, semplicemente perché è il componente più semplice da modificare. Poiché questo induttore ha ampie spire, è facile modificare la sua autoinduttanza toccando il connettore finale in un determinato punto della spirale.

Il metodo più semplice per ottenere questa regolazione è per tentativi ed errori. Per questo, si inizia a toccare il primario in un punto presumibilmente vicino a quello risonante, si accende la bobina e si valuta la lunghezza dell'arco. Quindi si tocca la spirale di un quarto di giro avanti/indietro e si rivaluta il risultato. Dopo alcuni tentativi, si può procedere con passaggi più piccoli e si otterrà finalmente il punto di maschiatura in cui la lunghezza dell'arco è la massima. Normalmente, questo tocco

point imposterà infatti l'induttanza primaria poiché entrambi i circuiti sono in risonanza.

Un metodo più preciso implicherebbe un'analisi della risposta individuale di entrambi i circuiti (nella configurazione accoppiata, ovviamente, cioè senza separare fisicamente i circuiti) con un generatore di segnali e un oscilloscopio.

Gli stessi archi possono produrre una capacità extra. Si consiglia quindi di impostare la frequenza di risonanza primaria leggermente inferiore a quella secondaria, in modo da compensare ciò. Tuttavia, questo è evidente solo con potenti bobine di Tesla (che possono produrre archi più lunghi di 1 m).

Passaggio 9: tensione alla scintilla secondaria

La legge di Paschen è un'equazione che fornisce la tensione di rottura, cioè la tensione necessaria per innescare una scarica o un arco elettrico, tra due elettrodi in un gas in funzione della pressione e della lunghezza del gap.

Senza entrare in calcoli dettagliati utilizzando la formula complessa, per condizioni normali sono necessari 3,3 MV per ionizzare 1 m di aria tra due elettrodi. Nel nostro caso abbiamo archi di circa 10-13 cm, quindi sarà tra 340KV e 440KV.

Passaggio 10: vestito dalla gabbia di Faraday

Una gabbia di Faraday o scudo di Faraday è un involucro utilizzato per bloccare i campi elettromagnetici. Uno scudo di Faraday può essere formato da un rivestimento continuo di materiale conduttivo o, nel caso di una gabbia di Faraday, da una maglia di tali materiali.

Abbiamo progettato una gabbia di Faraday a quattro strati, messa a terra, indossabile come mostrato nell'immagine (materiali utilizzati: alluminio, cotone, pelle). Puoi testarlo anche mettendoci dentro il tuo cellulare, perderà segnale, oppure mettendolo davanti alla tua bobina di tesla e mettendo delle lampade al neon all'interno della gabbia, non si illumineranno, quindi potresti metterlo e provarlo.

Passaggio 11: Appendici e riferimenti

Passaggio 12: costruire la bobina primaria

Passaggio 13: test del NST

Passaggio 14: costruire la bobina primaria