Spark Gap Tesla Coil: 14 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:54

Ini adalah tutorial tentang cara membuat Tesla Coil Spark Gap dengan gaun sangkar Faraday.

Proyek ini memakan waktu saya dan tim saya (3 siswa) 16 hari kerja, biayanya sekitar 500 USD, saya jamin itu tidak akan berhasil dari pertama kali:), bagian terpenting adalah Anda harus memahami semua teori di baliknya dan tahu bagaimana menangani komponen yang Anda pilih.

Dalam instruksi ini, saya akan membawa Anda melalui semua teori di balik, konsep, formula, langkah demi langkah membangun untuk semua bagian. Jika Anda ingin membuat gulungan yang lebih kecil atau lebih besar, konsep dan rumusnya akan sama.

Persyaratan untuk proyek ini:

- Pengetahuan dalam: Peralatan listrik, elektronik, elektromagnetik dan lab

- Osiloskop

- Trafo Tanda Neon; 220V hingga 9kV

- Kapasitor tegangan tinggi

- Kabel tembaga atau pipa tembaga

- Kayu untuk membangun sasis Anda

- Pipa PVC untuk kumparan sekunder

- Pipa logam fleksibel untuk Toroid

- Kipas listrik 220V kecil untuk celah percikan

- Kertas aluminium dan jala untuk gaun sangkar Faraday

- Kabel berinsulasi untuk sekunder

- Lampu Neon

- Pengatur Tegangan jika Anda tidak memiliki 220VAC yang stabil

- Sambungan ke tanah

- Banyak kesabaran

Langkah 1: Pengantar Spark Gap Tesla Coil

Kumparan Tesla adalah transformator beresonansi yang berisi rangkaian LC primer dan sekunder. Dirancang oleh penemu Nikola Tesla pada tahun 1891, dua sirkuit LC digabungkan secara longgar. Daya disuplai ke sirkuit primer melalui transformator step-up, yang mengisi kapasitor. Akhirnya, tegangan melintasi kapasitor akan meningkat cukup untuk memperpendek celah percikan. Kapasitor akan keluar melalui celah percikan dan masuk ke kumparan primer. Energi akan berosilasi bolak-balik antara kapasitor primer dan induktor kumparan primer pada frekuensi tinggi (biasanya 50 kHz-2 MHz). Kumparan primer digabungkan ke induktor di sirkuit sekunder, yang disebut kumparan sekunder. Terlampir di bagian atas kumparan sekunder adalah beban atas yang menyediakan kapasitansi untuk rangkaian LC sekunder. Saat rangkaian primer berosilasi, daya diinduksi dalam kumparan sekunder di mana tegangan dikalikan berkali-kali. Tegangan tinggi, medan arus rendah berkembang di sekitar beban atas dan busur pelepasan petir dalam tampilan keangkeran yang manis. Sirkuit LC primer dan sekunder harus berosilasi pada frekuensi yang sama untuk mencapai transfer daya maksimum. Sirkuit dalam kumparan biasanya "disetel" ke frekuensi yang sama dengan menyesuaikan induktansi kumparan primer. Kumparan Tesla dapat menghasilkan tegangan keluaran dari 50 kilovolt hingga beberapa juta volt untuk kumparan besar.

Langkah 2: Teori

Bagian ini akan mencakup teori lengkap pengoperasian kumparan Tesla konvensional. Kami akan mempertimbangkan bahwa sirkuit primer dan sekunder adalah sirkuit RLC dengan resistansi rendah, yang sesuai dengan kenyataan.

Untuk alasan yang disebutkan di atas, resistansi internal komponen tidak terwakili. Kami juga akan mengganti trafo arus terbatas. Ini tidak berdampak pada teori murni.

Perhatikan bahwa beberapa bagian dari sirkuit sekunder digambar dalam garis putus-putus. Hal ini karena mereka tidak langsung terlihat pada peralatan. Mengenai kapasitor sekunder, kita akan melihat bahwa kapasitasnya sebenarnya didistribusikan, beban atas hanya menjadi "satu pelat" kapasitor ini. Mengenai celah percikan sekunder, itu ditunjukkan dalam skema sebagai cara untuk mewakili di mana busur akan terjadi.

Langkah pertama dari siklus ini adalah pengisian kapasitor primer oleh generator. Kami akan menganggap frekuensinya menjadi 50 Hz. Karena generator (NST) dibatasi arus, kapasitas kapasitor harus dipilih dengan cermat sehingga akan terisi penuh tepat dalam 1/100 detik. Memang, tegangan generator berubah dua kali periode, dan pada siklus berikutnya, ia akan mengisi ulang kapasitor dengan polaritas yang berlawanan, yang sama sekali tidak mengubah pengoperasian kumparan Tesla.

Ketika kapasitor terisi penuh, celah percikan api dan oleh karena itu menutup sirkuit primer. Mengetahui intensitas gangguan medan listrik udara, lebar celah percikan harus diatur agar menyala tepat pada saat tegangan melintasi kapasitor mencapai nilai puncaknya. Peran generator berakhir di sini.

Kami sekarang memiliki kapasitor yang terisi penuh dalam rangkaian LC. Arus dan tegangan dengan demikian akan berosilasi pada frekuensi resonansi rangkaian, seperti yang ditunjukkan sebelumnya. Frekuensi ini sangat tinggi dibandingkan dengan frekuensi listrik, umumnya antara 50 dan 400 kHz.

Sirkuit primer dan sekunder digabungkan secara magnetis. Osilasi yang terjadi di primer akan menginduksi gaya gerak listrik di sekunder. Saat energi primer dibuang ke sekunder, amplitudo osilasi di primer secara bertahap akan berkurang sementara yang sekunder akan menguat. Perpindahan energi ini dilakukan melalui induksi magnetik. Konstanta kopling k antara dua sirkuit sengaja dijaga tetap rendah, umumnya antara 0,05 dan 0,2.

Osilasi di primer dengan demikian akan bertindak sedikit seperti generator tegangan AC yang ditempatkan secara seri pada sirkuit sekunder.

Untuk menghasilkan tegangan keluaran terbesar, sirkuit yang disetel primer dan sekunder disesuaikan untuk resonansi satu sama lain. Karena rangkaian sekunder biasanya tidak dapat disetel, ini umumnya dilakukan dengan ketukan yang dapat disesuaikan pada kumparan primer. Jika dua kumparan terpisah, frekuensi resonansi dari rangkaian primer dan sekunder akan ditentukan oleh induktansi dan kapasitansi di setiap rangkaian.

Langkah 3: Distribusi Kapasitansi Dalam Sirkuit Sekunder

Kapasitansi sekunder Cs sangat penting untuk membuat kumparan tesla bekerja, kapasitansi kumparan sekunder diperlukan untuk perhitungan frekuensi resonansi, jika Anda tidak memperhitungkan semua parameter, Anda tidak akan melihat percikan api. Kapasitansi ini terdiri dari banyak kontribusi dan sulit untuk dihitung, tetapi kita akan melihat komponen utamanya.

Beban atas - Tanah.

Fraksi tertinggi dari kapasitansi sekunder berasal dari beban atas. Memang, kami memiliki kapasitor yang "pelat" adalah beban atas dan tanah. Mungkin mengejutkan bahwa ini memang sebuah kapasitor karena pelat-pelat ini terhubung melalui kumparan sekunder. Namun, impedansinya cukup tinggi sehingga sebenarnya ada perbedaan potensial di antara keduanya. Kami akan menyebut Ct kontribusi ini.

Putaran kumparan sekunder.

Kontribusi besar lainnya datang dari kumparan sekunder. Itu terbuat dari banyak lilitan yang berdekatan dari kawat tembaga berenamel dan induktansinya oleh karena itu didistribusikan di sepanjang panjangnya. Ini menyiratkan ada sedikit perbedaan potensial antara dua belokan yang berdekatan. Kami kemudian memiliki dua konduktor pada potensi yang berbeda, dipisahkan oleh dielektrik: kapasitor, dengan kata lain. Sebenarnya, ada kapasitor dengan setiap pasang kabel, tetapi kapasitasnya berkurang seiring dengan jarak, oleh karena itu orang dapat menganggap kapasitas hanya antara dua belokan yang berdekatan sebagai perkiraan yang baik.

Sebut saja Cb kapasitas total kumparan sekunder.

Sebenarnya, tidak wajib memiliki beban atas pada kumparan Tesla, karena setiap kumparan sekunder akan memiliki kapasitasnya sendiri. Namun, beban atas sangat penting untuk memiliki percikan yang indah.

Akan ada kapasitas ekstra dari benda-benda di sekitarnya. Kapasitor ini dibentuk oleh beban atas di satu sisi dan benda konduksi (dinding, pipa ledeng, furnitur, dll.) di sisi lain.

Kami akan memberi nama kapasitor faktor eksternal ini Ce.

Karena semua "kapasitor" ini paralel, kapasitas total rangkaian sekunder akan diberikan oleh:

Cs = Ct + Cb + Ce

Langkah 4: Konsepsi dan Konstruksi

Dalam kasus kami, kami menggunakan pengatur tegangan otomatis untuk mempertahankan input tegangan untuk NST pada 220V

Dan itu berisi filter saluran AC bawaan (YOKOMA ELECTRIC WORKS., LTD. Di Jepang-Model AVR-2)

Alat ini dapat ditemukan di mesin X-Ray atau dibeli langsung dari pasar.

Trafo tegangan tinggi adalah bagian terpenting dari kumparan aTesla. Ini hanyalah sebuah transformator induksi. Perannya adalah untuk mengisi kapasitor primer pada awal setiap siklus. Terlepas dari kekuatannya, ketangguhannya sangat penting karena harus tahan terhadap kondisi operasi yang hebat (kadang-kadang diperlukan filter pelindung).

Trafo neon sign (NST) yang kami gunakan untuk kumparan tesla kami, karakteristik (nilai rms) adalah sebagai berikut:

Vout = 9000 V, Iout = 30 mA

Arus keluaran, pada kenyataannya, 25mA, 30mA adalah puncak yang turun menjadi 25 mA setelah memulai.

Kita sekarang dapat menghitung dayanya P = V I, yang akan berguna untuk mengatur dimensi global kumparan Tesla serta gambaran kasar tentang panjang percikannya.

P = 225 W (untuk 25 mA)

Impedansi NST = NST Vout NST Iout =9000/ 0,25=360 KΩ

Langkah 5: Sirkuit Utama

Kapasitor:

Peran kapasitor primer adalah untuk menyimpan sejumlah muatan untuk siklus yang akan datang serta membentuk rangkaian LC bersama dengan induktor primer.

Kapasitor primer biasanya terbuat dari beberapa lusin tutup yang dirangkai secara seri/paralel yang disebut Multi-Mini Capacitor (MMC)

Kapasitor primer digunakan dengan kumparan primer untuk membuat rangkaian LC primer. Kapasitor berukuran resonansi dapat merusak NST, oleh karena itu kapasitor berukuran Larger Than Resonate (LTR) sangat disarankan. Kapasitor LTR juga akan memberikan daya paling besar melalui kumparan Tesla. Celah primer yang berbeda (putar statis vs. sinkron) akan memerlukan kapasitor primer berukuran berbeda.

Cres = Kapasitansi Resonansi Primer (uF) = 1 (2 * * Impedansi NST * NST Fin)=1/ (2*π*360.000 * 50) =8.8419nF

CLTR = Primer lebih besar dari resonansi (LTR) Static Capacitance (uF) = Primer Resonate Capacitance × 1,6

= 14.147nF

(ini bisa sedikit berbeda dari perkiraan ke yang lain, koefisien yang direkomendasikan 1,6-1,8)

Kami menggunakan kapasitor 2000V 100nF, Nb= Cunit/Cequiv= 100nF/0.0119 uF= 9 Kapasitor. Jadi untuk tepat 9 caps kita memiliki Ceq= 0.0111uF= MMC capacitance.

Pikirkan tentang menghubungkan daya tinggi, resistor 10MOhms secara paralel ke setiap kapasitor untuk keamanan.

Induktansi:

Peran induktor primer adalah membangkitkan medan magnet untuk disuntikkan ke rangkaian sekunder serta membentuk rangkaian LC dengan kapasitor primer. Komponen ini harus mampu mengalirkan arus besar tanpa rugi-rugi yang berlebihan.

Geometri yang berbeda dimungkinkan untuk kumparan primer. Dalam kasus kami, kami akan mengadaptasi spiral melengkung datar sebagai kumparan primer. Geometri ini secara alami mengarah pada sambungan yang lebih lemah dan mengurangi risiko busur pada kumparan primer: oleh karena itu lebih disukai pada kumparan yang kuat. Namun agak umum di kumparan daya yang lebih rendah untuk kemudahan konstruksi. Meningkatkan kopling dimungkinkan dengan menurunkan kumparan sekunder ke primer.

Misalkan W adalah lebar spiral yang diberikan oleh W = Rmax Rmin dan R jari-jari rata-ratanya, yaitu R = (Rmax + Rmin)/2, keduanya dinyatakan dalam sentimeter. Jika kumparan memiliki N lilitan, rumus empiris yang menghasilkan induktansi L dalam mikrohenrys adalah:

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

Untuk bentuk heliks Jika kita menyebut R jari-jari heliks, H tingginya (keduanya dalam sentimeter) dan N jumlah putarannya, rumus empiris yang menghasilkan induktansinya L dalam mikrohenrys adalah: Lhelic =(0.374(NR)^2) /(9R+10H).

Ini adalah banyak rumus yang dapat Anda gunakan dan periksa, mereka akan memberikan hasil yang dekat, cara yang paling akurat adalah dengan menggunakan osiloskop dan mengukur respons frekuensi, tetapi rumus juga diperlukan untuk membangun koil. Anda juga dapat menggunakan perangkat lunak simulasi seperti JavaTC.

Rumus 2 untuk bangun datar: L= [0.25*N^2*(D1+N*(W+S))^2]/[15*(D1+N*(W+S))+11*D1]

di mana N: jumlah lilitan, W: diameter kawat dalam inci, S: jarak kawat dalam inci, D1: diameter dalam dalam inci

Input data Tesla Coil saya:

Jari-jari dalam: 4,5 inci, 11,2 putaran, jarak 0,25 inci, diameter kawat = 6 mm, jari-jari luar = 7,898 inci.

L menggunakan Rumus 2=0.03098mH, dari JavaTC= 0.03089mH

Oleh karena itu, frekuensi primer: f1= 271.6 KHz (L=0.03089 mH, C=0.0111MFD)

Pengalaman lab (penyetelan frekuensi utama)

dan kami memperoleh resonansi pada 269-271KHz, yang memverifikasi perhitungan, lihat Gambar.

Langkah 6: Percikan Celah

Fungsi celah percikan adalah untuk menutup rangkaian LC primer ketika kapasitor terisi cukup, sehingga memungkinkan osilasi bebas di dalam rangkaian. Ini adalah komponen yang sangat penting dalam kumparan Tesla karena frekuensi penutupan/pembukaannya akan memiliki pengaruh yang cukup besar pada hasil akhir.

Celah percikan yang ideal harus menyala tepat ketika tegangan melintasi kapasitor maksimal dan terbuka kembali tepat ketika jatuh ke nol. Tapi ini tentu saja tidak terjadi pada celah percikan yang sebenarnya, terkadang tidak menyala ketika seharusnya atau terus menyala ketika tegangan sudah berkurang;

Untuk proyek kami, kami menggunakan celah percikan statis dengan dua elektroda bola (dibangun menggunakan dua pegangan laci) yang kami rancang secara manual. Dan itu bisa disesuaikan secara manual juga dengan memutar kepala bola.

Langkah 7: Sirkuit Sekunder

Gulungan:

Fungsi kumparan sekunder adalah untuk membawa komponen induktif ke rangkaian LC sekunder dan untuk mengumpulkan energi dari kumparan primer. Induktor ini adalah solenoida berinti udara, umumnya memiliki antara 800 dan 1500 lilitan yang berdekatan. Untuk menghitung jumlah belokan yang telah dililitkan, rumus cepat ini akan menghindari pekerjaan rewel tertentu:

Pengukur kawat 24 = 0,05 cm, diameter PVC 4 inci, jumlah lilitan=1100 menara, tinggi yang dibutuhkan=1100 x 0,05= 55 cm = 21,6535 inci. => L= 20,853 mH

dimana H adalah tinggi kumparan dan d diameter kawat yang digunakan. Parameter penting lainnya adalah panjang l yang kita butuhkan untuk membuat seluruh koil.

L=µ*N^2*A/H. Di mana menyatakan permeabilitas magnetik medium (≈ 1,257 · 10−6 N/A^2 untuk udara), N jumlah putaran solenoida, H tinggi totalnya, dan A luas putaran.

Beban Atas:

Beban atas bertindak seperti "pelat" atas kapasitor yang dibentuk oleh beban atas dan tanah. Ini menambah kapasitas ke sirkuit LC sekunder dan menawarkan permukaan dari mana busur dapat terbentuk. Sebenarnya, dimungkinkan untuk menjalankan koil Tesla tanpa beban atas, tetapi kinerja dalam hal panjang busur seringkali buruk, karena sebagian besar energi dihamburkan di antara putaran koil sekunder alih-alih memberi makan bunga api.

Kapasitansi Toroid 1 = ((1+ (0,2781 Diameter Cincin (Diameter Keseluruhan))) × 2,8 × sqrt ((pi × (Diameter Keseluruhan × Diameter Cincin)) 4))

Kapasitansi Toroid 2 = (1,28 Diameter Cincin Diameter Keseluruhan) × sqrt (2 × pi × Diameter Cincin × (Diameter Keseluruhan Diameter Cincin))

Kapasitansi Toroid 3 = 4.43927641749 × ((0.5 × (Diameter Cincin × (Diameter Keseluruhan Diameter Cincin))) ^0.5)

Kapasitansi Toroid Rata-rata= (Kapasitas Toroid 1 + Kapasitansi Toroid 2 + Kapasitansi Toroid 3) 3

Jadi untuk toroid kita:diameter dalam 4”, diameter luar=13”, jarak dari ujung belitan sekunder = 5cm.

C=13,046 pf

Kapasitansi Kumparan Sekunder:

Kapasitansi Sekunder (pf)= (0,29 × Tinggi Gulungan Kawat Sekunder + (0,41 × (Diameter Bentuk Sekunder 2)) + (1,94 × sqrt(((Diameter Bentuk Sekunder 2) 3) ∕ Tinggi Gulungan Kawat Sekunder))

Cs = 8,2787 pF;

Menarik juga untuk mengetahui kapasitansi (parasit) koil. Di sini juga rumusnya rumit dalam kasus umum. Kami akan menggunakan nilai yang dihasilkan oleh JAVATC ("Kapasitas shunt efektif" tanpa beban atas):

Cres = 6,8 pF

Oleh karena itu, untuk sirkuit sekunder:

Ctot=8,27+13,046=21.316pF

Lsec = 20,853mH

Hasil percobaan lab:

Lihat gambar di atas untuk prosedur pengujian dan hasil pengujian.

Langkah 8: Penyetelan Resonansi

Mengatur sirkuit primer dan sekunder pada resonansi, memiliki mereka berbagi frekuensi resonansi yang sama adalah sangat penting untuk operasi yang baik.

Respons rangkaian RLC adalah yang terkuat ketika digerakkan pada frekuensi resonansinya. Dalam rangkaian RLC yang baik, intensitas respons turun tajam ketika frekuensi mengemudi menyimpang dari nilai resonansi.

Frekuensi resonansi kami = 267,47 kHz.

Metode penyetelan:

Penyetelan umumnya dilakukan dengan menyesuaikan induktansi utama, hanya karena itu adalah komponen yang paling mudah untuk dimodifikasi. Karena induktor ini memiliki lilitan yang lebar, maka mudah untuk memodifikasi induktansinya sendiri dengan mengetuk konektor akhir di tempat tertentu dalam spiral.

Metode paling sederhana untuk mencapai penyesuaian ini adalah dengan coba-coba. Untuk ini, seseorang mulai mengetuk primer pada titik yang diduga dekat dengan titik resonansi, menyalakan koil, dan mengevaluasi panjang busur. Kemudian spiral diketuk seperempat putaran ke depan/belakang dan salah satunya mengevaluasi kembali hasilnya. Setelah beberapa kali mencoba, seseorang dapat melanjutkan dengan langkah yang lebih kecil, dan akhirnya akan mendapatkan titik sadap di mana panjang busurnya paling tinggi. Biasanya, penyadapan ini

titik memang akan mengatur induktansi primer seperti kedua rangkaian berada pada resonansi.

Metode yang lebih tepat akan melibatkan analisis respons individu dari kedua sirkuit (dalam konfigurasi yang digabungkan, tentu saja, yaitu tanpa memisahkan sirkuit secara fisik) dengan generator sinyal dan osiloskop.

Arcs sendiri dapat menghasilkan kapasitansi tambahan. Oleh karena itu disarankan untuk mengatur frekuensi resonansi primer sedikit lebih rendah daripada frekuensi sekunder, untuk mengimbanginya. Namun, ini hanya terlihat dengan kumparan Tesla yang kuat (yang dapat menghasilkan busur lebih panjang dari 1m).

Langkah 9: Tegangan di Sekunder-Spark

Hukum Paschen adalah persamaan yang memberikan tegangan tembus, yaitu tegangan yang diperlukan untuk memulai pelepasan atau busur listrik, antara dua elektroda dalam gas sebagai fungsi dari tekanan dan panjang celah.

Tanpa masuk ke dalam perhitungan rinci menggunakan rumus kompleks, untuk kondisi normal membutuhkan 3,3MV untuk mengionisasi 1m udara antara dua elektroda. Dalam kasus kami, kami memiliki busur sekitar 10-13cm sehingga akan berada di antara 340KV dan 440KV.

Langkah 10: Gaun Sangkar Faraday

Sangkar Faraday atau perisai Faraday adalah selungkup yang digunakan untuk memblokir medan elektromagnetik. Perisai Faraday dapat dibentuk dengan penutup terus menerus dari bahan konduktif atau dalam kasus sangkar Faraday, dengan jaring bahan tersebut.

Kami merancang empat lapisan, sangkar faraday yang dapat dipakai dan dibumikan seperti yang ditunjukkan pada gambar (bahan yang digunakan: Aluminium, katun, kulit). Anda dapat mengujinya juga dengan meletakkan ponsel Anda di dalam, itu akan kehilangan sinyal, atau meletakkannya di depan kumparan tesla Anda dan meletakkan beberapa lampu neon di dalam sangkar, mereka tidak akan menyala, lalu Anda bisa memasangnya dan mencobanya.

Langkah 11: Lampiran dan Referensi

Langkah 12: Membangun Kumparan Utama

Langkah 13: Menguji NST

Langkah 14: Membangun Kumparan Utama