Небольшая катушка Тесла своими руками

Введение

В 1997 году я заинтересовался катушкой Тесла и решил построить свою. К сожалению, я потерял интерес к ней, прежде чем я смог её запустить. Через несколько лет я нашел свою старую катушку, немного пересчитал её и продолжил строительство. И снова я забросил ее. В 2007 году друг показал мне свою катушку, напомнив мне о моих незавершенных проектах. Я опять нашел свою старую катушку, пересчитал все и в этот раз завершил проект.

Катушка Тесла — это резонансный трансформатор. В основном это LC схемы, настроенные на одну резонансную частоту.

Высоковольтный трансформатор используется для зарядки конденсатора.

Как только конденсатор достигает достаточного уровня заряда, он разряжается на разрядник и там проскакивает искра. Происходит короткое замыкание первичной обмотки трансформатора и в ней начинаются колебания.

Поскольку ёмкость конденсатора фиксирована, схема настраивается путем изменения сопротивления первичной обмотки, изменяя точку подключения к ней. При правильной настройке, очень высокое напряжение будет в верхней части вторичной обмотки, что приведет к впечатляющим разрядам в воздухе. В отличие от традиционных трансформаторов, соотношение витков между первичной и вторичной обмотками практически не влияет на напряжение.

Этапы строительства

Спроектировать и построить катушку Тесла довольно легко. Для новичка это кажется сложной задачей (мне это тоже казалось сложным), но можно получить рабочую катушку, следуя инструкциям в этой статье и проделав небольшие расчеты. Конечно, если вы хотите очень мощную катушку, нет никакого способа кроме изучения теории и проведения множества расчетов.

Вот основные шаги, с которых следует начать:

Выбор источника питания. Трансформаторы которые используются в неоновых вывесках, вероятно, лучше всего подойдут для начинающих, так как они относительно дешевые. Я рекомендую трансформаторы с выходным напряжением не меньше чем 4кВ.
Изготовление разрядника. Это могут быть просто два винта, вкрученных в паре миллиметров друг от друга, но я рекомендую приложить немного больше усилий. Качество разрядника сильно влияет на производительность катушки.
Расчет ёмкости конденсатора. Используя формулу ниже, рассчитайте резонансную емкость для трансформатора. Значение конденсатора должно быть примерно в 1,5 раза больше этого значения. Вероятно, лучшим и наиболее эффективным решение будет сборка конденсаторов. Если вы не хотите тратить деньги, можете попробовать изготовить конденсатор сами, но он может не работать, а его емкость трудно определить.
Изготовление вторичной обмотки. Используйте 900-1000 витков эмалированной медной проволоки 0,3-0,6мм. Высота катушки обычно равна 5 её диаметрам. Водосточная труба из ПВХ, возможно, не самый лучший, но доступный материал для катушки. Полый металлический шар прицеплен к верхней части вторичной обмотки, а её нижняя часть заземлена. Для этого желательно использовать отдельное заземление, т.к. при использовании общедомового заземления есть шанс испортить другие электроприборы.
Изготовление первичной обмотки. Первичная обмотка может быть сделана из толстого кабеля, или ещё лучше из медной трубки. Чем толще трубка, тем меньше резистивных потерь. 6 миллиметровой трубы вполне достаточно для большинства катушек. Помните, что толстые трубы намного сложнее сгибать и медь трескается при многочисленных перегибах. В зависимости от размера вторичной обмотки, от 5 до 15 витков с шагом от 3 до 5 мм должно хватить.
Соедините все компоненты, настройте катушку, и все готово!

Перед тем как начать делать катушку Тесла настоятельно рекомендуется ознакомиться с правилами ТБ и работы с высокими напряжениями!

Также обратите внимание, что не были упомянуты схемы защиты трансформатора. Они не были использованы, и пока проблем нет. Ключевое слово здесь — пока.

Детали

Катушка делалась в основном из тех деталей, которые были в наличии.
Это были:
4кВ 35mA трансформатор от неоновой вывески.
0.3мм медная проволока.
0.33μF 275V конденсаторы.
Пришлось докупить 75мм водосточную трубу ПВХ и 5 метров 6мм медной трубки.

Вторичная обмотка

Вторичная обмотка сверху и снизу покрыта пластиковой изоляцией, для предотвращения пробоя

Вторичная обмотка была первым изготовленным компонентом. Я намотал около 900 витков провода вокруг сливной трубы высотой около 37см. Длина использованного провода была примерно 209 метров.

Индуктивности и емкости вторичной обмотки и металлической сферы (либо тороида) можно рассчитать по формулам которые можно найти на других сайтах. Имея эти данные можно рассчитать резонансную частоту вторичной обмотки:
L = [(2πf) 2 C] -1

При использовании сферы диаметром 14см, резонансная частота катушки равна примерно 452 кГц.

Металлическая сфера или тороид

Первой попыткой было изготовление металлической сферы путем обвертывания пластикового шара фольгой. Я не смог разгладить фольгу на шаре достаточно хорошо, и решил изготовит тороид. Я сделал небольшой тороид, обмотав алюминиевой лентой гофрированную трубу, свернутую в круг. Я не смог получить очень гладкий тороид, но он работает лучше, чем сфера из-за своей формы и за счет большего размера. Для поддержки тороида под него был подложен фанерный диск.

Первичная обмотка

Первичная обмотка состоит из медных трубок диаметром 6 мм, намотанных по спирали вокруг вторичной. Внутренний диаметр обмотки 17см, внешний 29см. Первичная обмотка содержит 6 витков с расстоянием 3 мм между ними. Из-за большого расстояния между первичной и вторичной обмоткой, они могут быть слабо связаны между собой.
Первичная обмотка вместе с конденсатором является LC генератором. Необходимая индуктивность может быть рассчитана по следующей формуле:
L = [(2πf) 2 C] -1
С — емкость конденсаторов, F-резонансная частота вторичной обмотки.

Но эта формула и калькуляторы основанные на ней дают лишь приблизительное значение. Правильный размер катушки должен быть подобран экспериментально, поэтому лучше сделать её слишком большой, чем слишком маленькой. Моя катушка состоит из 6 витков и подключена на 4 витке.

Конденсаторы

Сборка из 24 конденсаторов с гасящим резистором 10МОм на каждом

Так как у меня было большое количество мелких конденсаторов, я решил собрать их в один большой. Значение конденсаторов может быть рассчитано по следующей формуле:
C = I ⁄ (2πfU)

Значение конденсатора для моего трансформатора 27.8 нФ. Фактическое значение должно быть немного больше или меньше этого, так как быстрый рост напряжения в связи с резонансом может привести к поломке трансформатора и / или конденсаторов. Небольшую защиту от этого обеспечивают гасящие резисторы.

Моя сборка конденсаторов состоит из трех сборок с 24 конденсаторами в каждой. Напряжение в каждой сборке 6600 В, общая ёмкость всех сборок 41.3нФ.

Каждый конденсатор имеет свой 10 МОм гасящий резистор. Это важно, так как отдельные конденсаторы могут сохранять заряд в течение очень долгого времени после того, как питание было отключено. Как видно из рисунка ниже, номинальное напряжение конденсатора является слишком низким, даже для 4 кВ трансформатора. Чтобы хорошо и безопасно работать оно должно быть по крайней мере, 8 или 12 кВ.

Разрядник

Мой разрядник это просто два винта с металлическим шариком в середине.
Расстояние регулируется таким образом, что разрядник будет искрить только тогда, когда он является единственным подключенным к трансформатору. Увеличение расстояния между ними теоретически может увеличить длину искры, но есть риск разрушения трансформатора. Для большей катушки необходимо строить разрядник с воздушным охлаждением.

Характеристики

Колебательный контур
Трансформатор NST 4кВ 35мА
Конденсатор 3 × 24 275VAC 0.33μF
Разрядник: два шурупа и металлический шар

Первичная обмотка
Внутренний диаметр 17см
Диаметр трубки обмотки 6 мм
Расстояние между витками 3 мм
Длина трубки первичной обмотки 5м
Витки 6

Вторичная обмотка
Диаметр 7,5 см
Высота 37 см
Проволока 0.3мм
Длина провода около 209m
Витки: около 900

Ламповая катушка Тесла на генераторном пентоде ГУ81М

Трансформатор Тесла

Трансформатор Тесла, также катушка Тесла (англ. Tesla coil) — устройство, изобретённое Николой Тесла и носящее его имя. Является резонансным трансформатором, позволяющим получить сверхвысокое напряжение сверхвысокой частоты. Прибор был заявлен патентом США № 568176 от 22 сентября 1896 года, как «Аппарат для производства электрических токов высокой частоты и потенциала».

Описание простейшей конструкции

Простейший трансформатор Тесла состоит из двух катушек — первичной и вторичной, а также разрядника (прерывателя, часто встречается английский вариант (RSG) Rotory Spark Gap), конденсатора, и терминала в качестве которого используется тороид (также тороид служит для увеличения емкости вторичной катушки) (на схеме показан как «выход»).

Виды разрядников

(RSG) Rotory Spark Gap Статика

Первичная катушка обычно содержит несколько витков провода большого диаметра или медной трубки, а вторичная около 1000 витков провода меньшего диаметра. Первичная катушка может быть плоской (горизонтальной), конической или цилиндрической (вертикальной). В отличие от обычных трансформаторов, здесь нет ферромагнитного сердечника. Таким образом взаимоиндукция между двумя катушками гораздо меньше, чем у трансформаторов с ферромагнитным сердечником. Первичная катушка вместе с конденсатором образует колебательный контур, в который включён нелинейный элемент — разрядник.

Разрядник, в простейшем случае обыкновенный газовый, представляет собой два массивных электрода с регулируемым зазором. Электроды должны быть устойчивы к протеканию больших токов через электрическую дугу между ними и иметь хорошее охлаждение.

Вторичная катушка также образует колебательный контур, где роль конденсатора главным образом выполняют ёмкость тороида и собственная межвитковая ёмкость самой катушки. Вторичную обмотку часто покрывают слоем эпоксидной смолы или лака для предотвращения электрического пробоя.

Терминал может быть выполнен в виде диска, заточенного штыря или сферы и предназначен для получения предсказуемых искровых разрядов большой длины.

Таким образом, трансформатор Тесла представляет собой два связанных колебательных контура, что и является главным его отличием от обычных трансформаторов. Для полноценной работы трансформатора эти два колебательных контура должны быть настроены на одну резонансную частоту. Обычно в процессе настройки подстраивают первичный контур под частоту вторичного путём изменения ёмкости конденсатора и числа витков первичной обмотки до получения максимального напряжения на выходе трансформатора.

Модификации трансформаторов Тесла

Во всех типах трансформаторов Тесла основной элемент трансформатора — первичный и вторичный контуры – остается неизменным. Однако одна из его частей — генератор высокочастотных колебаний может иметь различную конструкцию.

На данный момент существуют:
SGTC (Spark Gap Tesla Coil) — классическая катушка Тесла — генератор колебаний выполнен на искровом промежутке (разряднике). Для мощных трансформаторов Тесла наряду с обычными разрядниками (статическими) используются более сложные конструкции разрядника.

Например, RSG (от англ. Rotary Spark Gap, можно перевести как роторный/вращающийся искровой промежуток) или статический искровой промежуток с дополнительными дугогасительными устройствами. В конструкции роторного искрового промежутка используется двигатель (обычно это электродвигатель), вращающий диск с электродами, которые приближаются (или просто замыкают) к ответным электродам для замыкания первичного контура. Скорость вращения вала и расположение контактов выбираются исходя из необходимой частоты следования пачек колебаний. Различают синхронные и асинхронные роторные искровые промежутки в зависимости от управления двигателем. Также использование вращающегося искрового промежутка сильно снижает вероятность возникновения паразитной дуги между электродами. Иногда обычный статический разрядник заменяют многоступенчатым статическим разрядником. Для охлаждения разрядников их иногда помещают в жидкие или газообразные диэлектрики (например, в масло). Типовой прием для гашения дуги в статическом разряднике — это продувка электродов мощной струей воздуха. Иногда для защиты конденсатора колебательного контура применяют статический разрядник, чтобы избежать его перенапряжения, также часто применяют ВЧ фильтры они ставятся сразу после питающего трансформатора и позволяют избежать проникновения вч выбросов за пределы колебательного контура

DRSSTC (Dual Resonant Solid State Tesla Coil) — почти то же что и SGTC, только здесь отсутствует разрядник, а для накачки первичного контура используется генератор на полупроводниковых ключах — IGBT транзисторах или тиристорах. Более продвинутый вариант КТ.

VTTC (Vacuum Tube Tesla Coil) (рус. ЛКТ) — ламповая катушка Тесла. В ней в качестве генератора ВЧ колебаний используются электронные лампы. Обычно это мощные генераторные лампы, такие как ГУ-81, однако встречаются и маломощные конструкции. Одна из особенностей — отсутствие необходимости в высоком напряжении. Для получения сравнительно небольших разрядов достаточно 300-600 Вольт. Также VTTC практически не издает шума, появляющегося при работе катушки Тесла на искровом промежутке. На ней я и остановился.

SSTC (Solid State Tesla Coil) — генератор выполнен на полупроводниках. Самая сложная из всех конструкций. Она включает в себя задающий генератор (с регулируемой частотой, формой, длительностью импульсов) и силовые ключи (мощные полевые MOSFET транзисторы). Однако данный вид катушек Тесла является самым интересным по нескольким причинам: изменяя тип сигнала на ключах, можно кардинально изменять внешний вид разряда. Также ВЧ сигнал генератора можно промоделировать звуковым сигналом, например музыкой — звук будет исходить из самого разряда. Впрочем, аудио модуляция возможна (с небольшими доработками) и в VTTC. К прочим достоинствам можно отнести те же низкое питающее напряжение и отсутствие шума при работе.

В аббревиатурах названий катушек Тесла, питаемых постоянным током, часто присутствуют буквы DC, например DCSGTC.

В отдельную категорию также относят магниферные катушки Тесла.

Схема

Устройство представляет собой мощный высокочастотный автогенератор, выполненный на мощном прямонакальном пентоде ГУ-81М, колебательный контур которого индуктивно связан с вторичным контуром, настроенным в резонанс. Конденсатор С2 задаёт частоту генерации. При данном значении, частота составляет около 400 кГц. Этот конденсатор должен быть высокочастотным керамическим (КВИ-2, КВИ-3,ТГК-У-3, К15У-1(2,3), другие типы не подойдут! Рабочее напряжение конденсатора должно быть не менее 10 кВ, но лучше всего ставить К15У на большие КВАРы (Кило Вольт Ампер Реактивной мощности).

В качестве анодного трансформатора используется МОТ

Современный МОТ

Советские МОТ

МОТ Microwave Oven Tranformer
Современный

Работает в режиме «насыщения» магнитопровода, но при том имеет меньшие габариты, но сильно греется, и работать без принудительного охлаждения может только очень короткое время.

Выходное напряжение MOTа составляет 2кВ (а пиковое 2.8кВ). Такие трансформаторы выпускаются на мощность от 500 до 2000Вт. Кроме первичной и высоковольтной вторичной обмотки, в моте присутствует накальная обмотка. Эта обмотка обычно выдает напряжение 3В и ток 10 ампер. Моты имеют шунты, металлические прямоугольные вставки между вторичной и первичной обмотками которые замыкают часть магнитного потока на себя, тем самым ограничивают ток через обмотки, не давая ему быстро перегреться, если его удалить, то мощность значительно возрастёт, но возрастёт и нагрев.

Советский

От этих недостатков свободен так называемый совмот (Советский МОТ). Как следует из названия, это трансформатор из микроволновок Советского (или Российского) производства. Совмоты рассчитаны на работу без принудительного охлаждения.

СОВМОТ также имеет шунты, и мощность, от полу (маленький квадратный, до 4 (с радиаторами) киловатт, выходное напряжение 2100-4 киловольта (тысячи вольт), и ток в районе полутора ампер, МОТ опасен, для примера привожу дуговой разряд с 2Х киловаттного МОТа

Контуры

Первичная обмотка L1 наматывается первой и находится внизу. Она содержит 35 витков медного провода диаметром 1-1,5 мм и наматывается виток к витку. Обмотка L2 обратной связи наматывается выше на расстоянии от первички не менее 2 см, во избежание пробоя, и содержит 22 витка 0,5 мм провода, намотка также виток к витку. Вторичка L3 намотана на трубе диаметром 7.5см и высотой 45 см проводом 0.4мм. Наверху вторички необходимо установить разрядный терминал в виде металлического штыря.

Читать еще: Генератор факельного разряда на 6П45С

Генераторный пентод ГУ-81М

Предназначен для работы в режимах автогенерации и усиления мощности радиотехнических устройств.

Общие сведения:
Катод — вольфрамовый торированый, карбидированный прямого накала.
Оформление — стеклянное с цоколем.
Высота не более 260 мм.
Диаметр не более 202 мм.
Масса не более 1 кг.

Максимальные предельно допустимые эксплуатационные данные:
Напряжение накала 11,6-13,4В
Напряжение анода на длине волны, В
— на частоте не более 6 МГц 3В
— на частоте не более 24 МГц 2,5В
— на частоте не более 50 МГц 1,5В
Напряжение второй сетки, В: 600

Ток, А
-анода (среднее значение) 0,6А
— первой сетки (среднее значение) 0,02А
— второй сетки (среднее значение) 0,2А

Рассеиваемая мощность, Вт:
— анодом 450
— анодом кратковременно 600
— второй сеткой 120
— первой сеткой 10

Температура оболочки, °С 350

Сборка конденсаторов контурного, ОС, шифтёра, составного диода

Составной диод состоит из соединённых последовательно-параллельно диодных столбов КЦ201А на 2КВ 1А , в результате мы имеем составной диодный столб на 6КВ 2А, конденсаторы шифтёра (однополупериодного удвоителя состоит из 2х конденсаторов 3КВ 1МФ соединённых параллельно в результате мы имеем конденсатор на 3кв, 2МФ, контурный конденсатор состоит из конденсаторов К15У-1 на 12 КВ 750ПФ, ВЧ конденсатор ОС (гридлика) из К15У-1 на 4кв 5НФ. В колебательный контур лучше подходят К15У…. из за их большой КВАР(Кило Вольт Ампер Реактивной мощности)

Результаты с первой схемы

Добавил параллельный гридлик

Измененная схема

Во время изготовления и пробных пусков я понял, что старая схема – никуда не годится и она претерпела несколько существенных изменений.

1-ое триодное включение (все 3 сетки лампы соединены параллельно)
2-ое параллельный гридлик
3-тье добавлены ВЧ фильтры после шифтёра, состоящий из конденсаторов — С5, С6 и дросселей – L5 и L6, который защищает МОТ, и диод шифтёра от ВЧ выбросов

Новая конструкция

После более близкого приближения резонанса, сгорело половина схемы, (диодная сборка, первичный контур, резистор гридлика) после чего, катушка была собрана по новой схеме.

Шифтёр — 3 конденсатора по 3КВ 1МФ соединённые параллельно (3кв 3МФ) диод состоит из 6-ти диодов Д1006 каждый на 12КВ 250МА каждый, (1.5А 12КВ).

Дросселя и конденсаторы (сероватые диски) защищают питание от высокочастотных выбросов.

Результаты с новой схемы

Работа катушки по новой схеме меня обрадовала, при грубой настройке резонанса, разряды стали до 30см (если считать 1см=10кВ, то довольно таки неплохо), но цель 70-80см.