Solid State Tesla Coils και πώς λειτουργούν: 9 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:34

Η ηλεκτρική ενέργεια υψηλής τάσης μπορεί να είναι ΕΠΙΚΙΝΔΥΝΗ, να χρησιμοποιείτε τις κατάλληλες προφυλάξεις ασφαλείας ανά πάσα στιγμή όταν εργάζεστε με πηνία Tesla ή οποιαδήποτε άλλη συσκευή υψηλής τάσης, ώστε να παίζετε με ασφάλεια ή να μην παίζετε.

Τα πηνία Tesla είναι ένας μετασχηματιστής που λειτουργεί με την αρχή του αυτόματου ταλαντωτή, που εφευρέθηκε από τον Νίκολα Τέσλα, έναν Σέρβο Αμερικανό επιστήμονα. Χρησιμοποιείται κυρίως για την παραγωγή πολύ υψηλής τάσης, αλλά χαμηλού ρεύματος, υψηλής συχνότητας AC. Το πηνίο Tesla αποτελείται από δύο ομάδες ηχητικών κυκλωμάτων που συνδέονται, μερικές φορές από τρεις ομάδες. Ο Nicola Tesla δοκίμασε μεγάλο αριθμό διαμορφώσεων διαφόρων πηνίων. Η Tesla χρησιμοποίησε αυτά τα πηνία για να πραγματοποιήσει πειράματα, όπως ηλεκτρικό φωτισμό, ακτίνες Χ, ηλεκτροθεραπεία και ραδιοφωνική μετάδοση ενέργειας, μετάδοση και λήψη ραδιοσήματος.

Πραγματικά δεν έχει γίνει μεγάλη πρόοδος στα πηνία Tesla από την εφεύρεσή τους. Εκτός από τα συστατικά στερεάς κατάστασης, τα πηνία Tesla δεν έχουν αλλάξει πολύ σε πάνω από 100 χρόνια. Κυρίως υποβιβάζεται στην εκπαίδευση και τα παιχνίδια της επιστήμης σχεδόν όλοι μπορούν να αγοράσουν ένα κιτ online και να κατασκευάσουν ένα πηνίο Tesla.

Αυτό το Instructable βασίζεται στην κατασκευή ενός δικού σας πηνίου Tesla στερεάς κατάστασης, πώς λειτουργούν και συμβουλές και κόλπα για να αντιμετωπίσετε τυχόν προβλήματα στην πορεία.

Προμήθειες

Τροφοδοσία 12 βολτ η τροφοδοσία SMP που χρησιμοποίησα ήταν 12 βολτ 4 αμπέρ.

Κόλλα Torus για την τοποθέτηση του δευτερεύοντος πηνίου.

Θερμικό γράσο σιλικόνης για την τοποθέτηση του τρανζίστορ στη ψύκτρα.

Κόλλα μετάλλων

Τα εργαλεία για τη συναρμολόγηση του κιτ, συγκολλητικό σίδερο και πλευρικοί κόφτες.

Πολύμετρο

Παλμοσκόπιο

Βήμα 1: Ηλεκτρομαγνήτης

Για να κατανοήσετε τα πηνία και τους μετασχηματιστές Tesla πρέπει να κατανοήσετε τους ηλεκτρομαγνήτες. Όταν ένα ρεύμα, (Κόκκινο βέλος) εφαρμόζεται σε έναν αγωγό δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο γύρω από τον αγωγό. (Μπλε βέλη) Για να προβλέψετε την κατεύθυνση της ροής των μαγνητικών πεδίων χρησιμοποιήστε τον κανόνα του δεξιού χεριού. Τοποθετήστε το χέρι σας στον αγωγό με τον αντίχειρά σας στραμμένο προς την κατεύθυνση του ρεύματος και τα δάχτυλά σας προς την κατεύθυνση της ροής των μαγνητικών πεδίων.

Όταν τυλίγετε τον αγωγό γύρω από ένα σιδηρούχο μέταλλο όπως χάλυβα ή σίδηρο, τα μαγνητικά πεδία του σπειροειδούς αγωγού συγχωνεύονται και ευθυγραμμίζονται, αυτό ονομάζεται ηλεκτρομαγνήτης. Το μαγνητικό πεδίο ταξιδεύει από το κέντρο του πηνίου περνάει το ένα άκρο του ηλεκτρομαγνήτη γύρω από το εξωτερικό του πηνίου και στο αντίθετο άκρο πίσω στο κέντρο του πηνίου.

Οι μαγνήτες έχουν βόρειο και νότιο πόλο, για να προβλέψετε ποιο άκρο είναι ο βόρειος ή ο νότιος πόλος σε ένα πηνίο, πάλι χρησιμοποιείτε τον κανόνα του δεξιού χεριού. Μόνο αυτή τη φορά με το δεξί σας χέρι στο πηνίο, δείξτε τα δάχτυλά σας προς την κατεύθυνση της ροής του ρεύματος στον κουλουριασμένο αγωγό. (Κόκκινα βέλη) Με τον δεξί αντίχειρα να δείχνει το στενό κατά μήκος του πηνίου, θα πρέπει να δείχνει προς το βόρειο άκρο του μαγνήτη.

Βήμα 2: Πώς λειτουργούν οι μετασχηματιστές

Το πώς ένα κυμαινόμενο ρεύμα σε ένα πρωτεύον πηνίο δημιουργεί ένα ρεύμα σε ένα δευτερεύον πηνίο ασύρματα ονομάζεται νόμος του Lenz.

Wikipedia

Όλα τα πηνία σε έναν μετασχηματιστή πρέπει να τυλιχτούν στην ίδια κατεύθυνση.

Ένα πηνίο θα αντισταθεί σε αλλαγή μαγνητικού. οπότε όταν εφαρμόζεται AC ή ένα παλμικό ρεύμα στο πρωτεύον πηνίο, δημιουργεί ένα κυμαινόμενο μαγνητικό πεδίο στο πρωτεύον πηνίο.

Όταν το κυμαινόμενο μαγνητικό πεδίο φτάσει στο δευτερεύον πηνίο δημιουργεί ένα αντίθετο μαγνητικό πεδίο και ένα αντίθετο ρεύμα στο δευτερεύον πηνίο.

Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τον κανόνα του δεξιού χεριού στο κύριο πηνίο και το δευτερεύον για να προβλέψετε την έξοδο του δευτερεύοντος.

Ανάλογα με τον αριθμό στροφών στο πρωτεύον πηνίο και τον αριθμό στροφών στο δευτερεύον πηνίο, η τάση αλλάζει σε υψηλότερη ή χαμηλότερη τάση.

Εάν δυσκολεύεστε να ακολουθήσετε το θετικό και το αρνητικό στο δευτερεύον πηνίο. σκεφτείτε το δευτερεύον πηνίο ως πηγή ενέργειας ή μια μπαταρία όπου εξέρχεται ενέργεια και σκεφτείτε το πρωτεύον ως φορτίο όπου καταναλώνεται ενέργεια.

Τα πηνία Tesla είναι μετασχηματιστές πυρήνα αέρα, τα μαγνητικά πεδία και το ρεύμα λειτουργούν με τον ίδιο τρόπο όπως οι μετασχηματιστές πυρήνα σιδήρου ή φερρίτη.

Βήμα 3: Εκκαθάριση

Αν και δεν σχεδιάζεται στο σχηματικό το ψηλότερο δευτερεύον πηνίο ενός πηνίου Tesla βρίσκεται μέσα στο μικρότερο πρωτεύον πηνίο, αυτή η ρύθμιση ονομάζεται ταλαντωτής αυτόματης αντήχησης.

Πάρτε το τύλιγμα σας σωστά. τόσο η κύρια όσο και η δευτερεύουσα περιέλιξη πρέπει να τυλιχτούν στην ίδια κατεύθυνση. Δεν έχει σημασία αν τυλίγετε τα πηνία με μια συστροφή του δεξιού χεριού ή με ένα αριστερό χέρι, εφόσον και τα δύο πηνία τυλίγονται προς την ίδια κατεύθυνση.

Όταν τυλίγετε το δευτερεύον, βεβαιωθείτε ότι τα τυλίγματα δεν επικαλύπτονται ή στην επικάλυψη μπορεί να προκαλέσει βραχυκύκλωμα στο δευτερεύον.

Η διασταυρούμενη περιέλιξη των πηνίων μπορεί να προκαλέσει λάθος πολικότητα στην ανατροφοδότηση από το δευτερεύον που είναι συνδεδεμένο στη βάση του τρανζίστορ ή στην πύλη του mosfet και αυτό μπορεί να αποτρέψει την ταλάντωση του κυκλώματος.

Τα θετικά και αρνητικά καλώδια των κύριων πηνίων επηρεάζονται από τη συστροφή στα τυλίγματα. Χρησιμοποιήστε τον κανόνα του δεξιού χεριού στο κύριο πηνίο. Βεβαιωθείτε ότι ο βόρειος πόλος του κύριου πηνίου δείχνει προς την κορυφή του δευτερεύοντος πηνίου.

Η διασταυρούμενη καλωδίωση του κύριου πηνίου μπορεί να προκαλέσει λάθος πολικότητα στην ανατροφοδότηση από το δευτερεύον που είναι συνδεδεμένο στη βάση του τρανζίστορ ή στην πύλη του mosfet και αυτό μπορεί να αποτρέψει την ταλάντωση του κυκλώματος.

Εφόσον τα πηνία τυλίγονται προς την ίδια κατεύθυνση. Η αποτυχία να ταλαντωθεί κάνει για να διασχίσει την καλωδίωση του κύριου πηνίου είναι μια εύκολη λύση τις περισσότερες φορές, απλώς αντιστρέψτε τα καλώδια του κύριου πηνίου.

Βήμα 4: Πώς λειτουργεί ένα πηνίο Tesla στερεάς κατάστασης

Η βασική στερεά κατάσταση Tesla Coil μπορεί να έχει μόλις πέντε μέρη.

Μια πηγή ενέργειας? σε αυτό το σχηματικό μια μπαταρία.

Μια αντίσταση? ανάλογα με το τρανζίστορ από 1/4 watt 10 kΩ και πάνω.

Ένα τρανζίστορ NPN με ψύκτρα, το τρανζίστορ σε αυτά τα κυκλώματα τείνει να ζεσταίνεται.

Ένα πρωτεύον πηνίο από 2 ή περισσότερες στροφές τυλίγεται προς την ίδια κατεύθυνση με το δευτερεύον πηνίο.

Ένα δευτερεύον πηνίο έως 1.000 στροφές ή περισσότερο 41 AWG τυλίγεται στην ίδια κατεύθυνση με το πρωτεύον.

Βήμα 1. Όταν η ισχύς εφαρμόζεται για πρώτη φορά σε ένα πηνίο Tesla βασικής στερεάς κατάστασης, το τρανζίστορ στο κύκλωμα είναι ανοιχτό ή απενεργοποιημένο. Η ισχύς περνά μέσω της αντίστασης στη βάση των τρανζίστορ που κλείνει το τρανζίστορ ενεργοποιώντας το επιτρέποντας στο ρεύμα να ρέει μέσω του πρωτεύοντος πηνίου. Η τρέχουσα αλλαγή δεν είναι στιγμιαία, χρειάζεται λίγος χρόνος για να μεταβεί το ρεύμα από το μηδενικό ρεύμα στο μέγιστο ρεύμα, αυτό ονομάζεται χρόνος ανόδου.

Βήμα 2. Ταυτόχρονα το μαγνητικό πεδίο στο πηνίο πηγαίνει από το μηδέν σε κάποια ένταση πεδίου. Ενώ το μαγνητικό πεδίο αυξάνεται στο πρωτεύον πηνίο, το δευτερεύον πηνίο αντιστέκεται στην αγορά αλλαγής δημιουργώντας ένα αντίθετο μαγνητικό πεδίο και ένα αντίθετο ρεύμα στο δευτερεύον πηνίο.

Βήμα 3. Το δευτερεύον πηνίο είναι συνδεδεμένο στη βάση του τρανζίστορ, οπότε το ρεύμα στο δευτερεύον πηνίο, (Feedback) θα απομακρύνει το ρεύμα από τη βάση των τρανζίστορ. Αυτό θα ανοίξει το τρανζίστορ απενεργοποιώντας το ρεύμα στο πρωτεύον πηνίο. Όπως και ο χρόνος ανόδου, η τρέχουσα αλλαγή δεν είναι στιγμιαία. Χρειάζεται λίγος χρόνος για να μεταβεί το ρεύμα και το μαγνητικό πεδίο από το μέγιστο στο μηδέν, αυτό ονομάζεται χρόνος πτώσης.

Στη συνέχεια, επιστρέψτε στο Βήμα 1.

Αυτός ο τύπος κυκλώματος ονομάζεται αυτορυθμιζόμενο κύκλωμα ταλάντωσης ή ταλαντωτής συντονισμού. Αυτός ο τύπος ταλαντωτή περιορίζεται σε συχνότητα από τους χρόνους καθυστέρησης του κυκλώματος και του τρανζίστορ ή του mosfet. (Rise Time Fall Time and Plateau Time)

Βήμα 5: Αποτελεσματικότητα

Αυτό το κύκλωμα δεν είναι πολύ αποδοτικό, παράγει ένα τετραγωνικό κύμα, το κύριο πηνίο παράγει μόνο ένα ρεύμα στο δευτερεύον πηνίο κατά τη διάρκεια της μετάβασης των μαγνητικών πεδίων από τη δύναμη μηδενικού πεδίου σε πλήρη ένταση πεδίου και πίσω σε μηδενική ένταση πεδίου, που ονομάζεται χρόνος ανόδου και ώρα πτώσης. Μεταξύ του χρόνου ανόδου και της πτώσης υπάρχει ένα πλάτωμα με το τρανζίστορ κλειστό ή ενεργοποιημένο και το τρανζίστορ ανοιχτό ή απενεργοποιημένο. Όταν το τρανζίστορ είναι εκτός λειτουργίας, το οροπέδιο δεν χρησιμοποιεί ρεύμα, ωστόσο όταν το τρανζίστορ βρίσκεται στο οροπέδιο χρησιμοποιεί και σπαταλά ρεύμα θέρμανσης του τρανζίστορ.

Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το γρηγορότερο τρανζίστορ μεταγωγής που μπορείτε να πάρετε. Με υψηλότερες συχνότητες, το μαγνητικό πεδίο μπορεί να μεταβεί περισσότερο από ό, τι υποχωρεί κάνοντας το πηνίο Tesla πιο αποδοτικό. Ωστόσο, αυτό δεν θα σταματήσει το τρανζίστορ να ζεσταθεί.

Προσθέτοντας ένα LED 3 volt στη βάση των τρανζίστορ, επεκτείνει τους χρόνους ανόδου και πτώσης κάνοντας τη δράση των τρανζίστορ περισσότερο από ένα τριγωνικό κύμα παρά από ένα τετραγωνικό κύμα.

Υπάρχουν δύο άλλα πράγματα που μπορείτε να κάνετε για να μην υπερθερμανθεί το τρανζίστορ. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε μια ψύκτρα για να διαλύσετε την υπερβολική θερμότητα. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε ένα τρανζίστορ υψηλής ισχύος, ώστε το τρανζίστορ να μην είναι υπερβολικά καταπονημένο.

Βήμα 6: Mini Tesla Coil

Πήρα αυτό το Mini Tesla Coil 12 volt από έναν διαδικτυακό λιανοπωλητή.

Το κιτ περιλαμβάνει:

1 x Πίνακας PVC

1 x Μονολιθικός πυκνωτής 1nF

Αντίσταση 1 x 10 kΩ

Αντίσταση 1 x 1 kΩ

1 x 12V Υποδοχή ρεύματος

1 x Νιπτήρας

1 x Τρανζίστορ BD243C

1 x Δευτερεύον πηνίο 333 στροφές

1 x Βίδα στερέωσης

2 x Led

1 x λαμπτήρας νέον

Το κιτ δεν περιλαμβάνει:

Τροφοδοσία 12 βολτ η τροφοδοσία SMP που χρησιμοποίησα ήταν 12 βολτ 4 αμπέρ.

Βάση στήλης

Κόλλα για να τοποθετήσετε το δευτερεύον πηνίο.

Θερμική σιλικόνη γράσο για την τοποθέτηση του τρανζίστορ στη ψύκτρα.

Κόλλα μετάλλων

Βήμα 7: Δοκιμή

Μετά τη συναρμολόγηση του Mini Tesla Coil το δοκίμασα σε μια λάμπα νέον, ένα CFL (συμπαγές φως φθορισμού) και έναν σωλήνα φθορισμού. Η κιβωτός ήταν μικρή και όσο την έβαζα μέσα στο 1/4 της ίντσας φωτίζει όλα όσα την δοκίμασα.

Το τρανζίστορ ζεσταίνεται πολύ, οπότε μην αγγίζετε τον ψύκτη. Ένα πηνίο Tesla 12 βολτ δεν πρέπει να κάνει ένα τρανζίστορ 65 watt πολύ ζεστό, εκτός αν πλησιάσετε τις μέγιστες παραμέτρους των τρανζίστορ.

Βήμα 8: Χρήση ισχύος

Το τρανζίστορ BD243C είναι ένα τρανζίστορ NPN, 65 watt 100 volt 6 amp 3MHz, στα 12 βολτ δεν θα πρέπει να τραβά περισσότερο από 5,4 αμπέρ και να μην υπερβαίνει τα 65 watt.

Όταν έλεγξα το ρεύμα κατά την εκκίνηση ήταν 1 amp, μετά το τρέξιμο για ένα λεπτό το ρεύμα έπεσε στα 0,75 αμπέρ. Στα 12 βολτ που κάνει την τρέχουσα ισχύ 9 έως 12 watt, πολύ κάτω από τα 65 watts το τρανζίστορ έχει βαθμολογία.

Όταν έλεγξα ότι τα τρανζίστορ ανεβοκατεβαίνουν, παίρνω ένα κύμα τριγώνου που είναι σχεδόν πάντα σε κίνηση, καθιστώντας το ένα πολύ αποτελεσματικό κύκλωμα.

Βήμα 9: Επάνω φορτίο

Τα κορυφαία φορτία επιτρέπουν τη συσσώρευση φόρτισης αντί απλώς να αιμορραγεί στον αέρα που σας δίνει μεγαλύτερη ισχύ.

Χωρίς κορυφαίο φορτίο, τα φορτία συγκεντρώνονται στις μυτερές άκρες του σύρματος και αιμορραγούν στον αέρα.

Τα καλύτερα κορυφαία φορτία είναι στρογγυλά σαν Torus ή σφαίρες, έτσι ώστε να μην υπάρχουν σημεία που να αιμορραγούν από τη φόρτιση στον αέρα.

Έκανα το κορυφαίο φορτίο μου από μια μπάλα που έσωσα από ένα ποντίκι και το σκέπασα με αλουμινόχαρτο, δεν ήταν απόλυτα λείο αλλά λειτούργησε καλά. Τώρα μπορώ να ανάψω ένα CFL έως και μια ίντσα μακριά.