Индукционная трансформатор тесла. Что такое трансформатор тесла

Никола Тесла, является катушка или резонансный трансформатор, способный выдавать высокое напряжение с высокой частотой. Для того, чтобы представлять работу этого устройства, необходимо знать принцип работы катушки Тесла.

Трансформатор Тесла: принцип действия

Принцип работы данного устройства сравним с действием обычных качелей. При режиме принудительного раскачивания, максимальная амплитуда находится в пропорции к прилагаемым усилиям. Если же раскачивание производится в свободном режиме, происходит еще больший рост максимальной амплитуды.

В катушке качелями является вторичный контур колебаний, а прилагаемое усилие осуществляет генератор. Они срабатывают в строго обозначенное время.

Конструкция катушки Тесла

В самом простом трансформаторе имеется две катушки - первичная и вторичная. Кроме того, в конструкцию входит разрядник, конденсатор и терминал. В конечном итоге образуются два контура колебаний, связанных между собой. Это является основным отличием катушки Тесла от обычного трансформатора.

Для того, чтобы катушка работала полноценно, оба контура колебания настраиваются на одинаковую частоту резонанса. Настройка производится путем подстройки первичного контура под вторичный, изменяя емкость конденсатора и количество витков. В результате, на выходе катушки образуется максимальное напряжение.

Для работы трансформатора Тесла используется импульсный режим. На первом этапе величина заряда конденсатора должна сравняться с напряжением, вызывающим пробой разрядника. На втором этапе колебания высокой частоты генерируются в первичном контуре. Параллельно включается разрядник, замыкающий трансформатор и убирающий его из общего контура. В противном случае, в первичном контуре могут произойти потери, которые могут повлиять на качество его работы. В нормальной схеме, разрядник, как правило, устанавливается параллельно с источником питания.

Таким образом, значение напряжения на выходе катушки Тесла может составлять несколько миллионов вольт. С помощью такого напряжения, в , достигающие значительной длины. Их внешний вид буквально завораживает, и во многих случаях трансформатор применяется в качестве декоративного изделия.

Принцип действия катушки Тесла помогает найти практическое применение этому устройству. Как правило, ему отводится познавательная и эстетическая роль. Это связано с определенными трудностями в управлении прибором и передаче полученной на расстояние.

Трансформатор Тесла (принцип работы аппарата рассмотрим далее) был запатентован в 1896-м году, 22 сентября. Аппарат представили как прибор, производящий электрические токи высокого потенциала и частоты. Устройство было изобретено Николой Тесла и названо его именем. Рассмотрим далее этот аппарат подробнее.

Трансформатор Тесла: принцип работы

Суть действия прибора можно объяснить на примере всем известных качелей. При их раскачивании в условиях принудительных которая будет максимальной, станет пропорциональной прилагаемому усилию. При раскачивании в свободном режиме максимальная амплитуда при тех же усилиях многократно возрастет. Такова суть и трансформатора Тесла. В качестве качелей в аппарате используется колебательный вторичный контур. Генератор играет роль прилагаемого усилия. При их согласованности (подталкивании в строго необходимые периоды времени) обеспечивается задающий генератор либо первичный контур (в соответствии с устройством).

Описание

Простой трансформатор Тесла включает в себя две катушки. Одна - первичная, другая - вторичная. Также Тесла состоит из тороида (применяется не всегда), конденсатора, разрядника. Последний - прерыватель - встречается в английском варианте Spark Gap. Трансформатор Тесла также содержит "выход" - терминал.

Катушки

Первичная содержит, как правило, провод большого диаметра либо медную трубку с несколькими витками. Во вторичной катушке имеется кабель меньшего сечения. Его витков - около 1000. Первичная катушка может иметь плоскую (горизонтальную), коническую или цилиндрическую (вертикальную) форму. Здесь, в отличие от обычной трансформатора, нет ферромагнитного сердечника. За счет этого существенно снижается взаимоиндукция между катушками. Вместе с конденсатором первичный элемент формирует колебательный контур. В него включен разрядник - нелинейный элемент.

Вторичная катушка тоже формирует колебательный контур. В качестве конденсатора выступают тороидная и собственная катушечная (межвитковая) емкости. Вторичная обмотка часто покрыта слоем лака либо эпоксидной смолы. Это делается во избежание электрического пробоя.

Разрядник

Схема трансформатора Тесла включает в себя два массивных электрода. Эти элементы должны обладать устойчивостью к протеканию сквозь больших токов. Обязательно наличие регулируемого зазора и хорошего охлаждения.

Терминал

В резонансный трансформатор Тесла этот элемент может быть инсталлирован в разном исполнении. Терминал может представлять собой сферу, заточенный штырь или диск. Он предназначается для получения искровых предсказуемых разрядов с большой длиной. Таким образом, два связанных колебательных контура образуют трансформатор Тесла.

Энергия из эфира - одна из целей функционирования аппарата. Изобретатель прибора стремился достичь волнового числа Z в 377 Ом. Он изготавливал катушки все большего размера. Нормальная (полноценная) работа трансформатора Тесла обеспечивается в случае, когда оба контура настроены на одну частоту. Как правило, в процессе корректировки осуществляется подстройка первичного под вторичный. Это достигается за счет изменения емкости конденсатора. Также меняется количество витков у первичной обмотки до появления на выходе максимального напряжения.

В будущем предполагается создать несложный трансформатор Тесла. Энергия из эфира будет работать на человечество в полной мере.

Действие

Трансформатор Тесла функционирует в импульсном режиме. Первая фаза - конденсаторный заряд до напряжения пробоя разрядного элемента. Вторая - генерация высокочастотных колебаний в первичном контуре. Включенный параллельно разрядник замыкает трансформатор (источник питания), исключая его из контура. В противном случае он будет вносить определенные потери. Это, в свою очередь, снизит добротность первичного контура. Как показывает практика, такое влияние существенно уменьшает длину разряда. В связи с этим в построенной грамотно схеме разрядник всегда ставится параллельно источнику.

Заряд

Его производит внешний источник на основе низкочастотного повышающего трансформатора. Конденсаторная емкость выбирается так, чтобы она составляла вместе с индуктором определенный контур. Частота его резонанса должна быть равна высоковольтному контуру.

На практике все несколько иначе. Когда осуществляется расчет трансформатора Теслы, не учитывается энергия, которая пойдет на накачку второго контура. Напряжение заряда ограничивается напряжением у пробоя разрядника. Его (если элемент воздушный) можно регулировать. Напряжение пробоя корректируется при изменении формы либо расстояния между электродами. Как правило, показатель находится в пределах 2-20 кВ. Знак напряжения не должен слишком "закорачивать" конденсатор, на котором происходит постоянная смена знака.

Генерация

После того как будет достигнуто напряжение пробоя между электродами, в разряднике формируется электрический лавинообразный пробой газа. Происходит разряжение конденсатора на катушку. После этого резко снижается напряжение пробоя в связи с оставшимися ионами в газе (носителями заряда). Вследствие этого состоящая из конденсатора и первичной катушки цепь контура колебания через разрядник остается замкнутой. В ней образуются высокочастотные колебания. Они постепенно затухают, преимущественно вследствие потерь в разряднике, а также ухода на вторичную катушку электромагнитной энергии. Тем не менее колебания продолжаются, пока током создается достаточное количество зарядных носителей для поддержания в разряднике существенно меньшего напряжения пробоя, чем амплитуда колебаний LC-контура. Во появляется резонанс. Это приводит к возникновению высокого напряжения на терминале.

Модификации

Какого бы типа ни была схема трансформатора Тесла, вторичный и первичный контуры остаются неизменными. Тем не менее один из компонентов основного элемента может быть разной конструкции. В частности, речь идет о колебаний. Например, в модификации SGTC этот элемент выполняется на искровом промежутке.

RSG

Трансформатор Тесла высокой мощности включает в себя более сложную конструкцию разрядника. В частности, это касается модели RSG. Аббревиатура расшифровывается как Rotary Spark Gap. Ее можно перевести следующим образом: вращающийся/роторный искровой либо статический промежуток с дугогасительными (дополнительными) устройствами. В таком случае частота работы промежутка подбирается синхронно частоте конденсаторной подзарядки. Конструкция искрового роторного промежутка включает в себя двигатель (как правило, он электрический), диск (вращающийся) с электродами. Последние или замыкают, или приближаются к ответным компонентам для замыкания.

В некоторых случаях обычный разрядник заменяют многоступенчатым. Для охлаждения этот компонент иногда помещают в газообразные или жидкие диэлектрики (в масло, к примеру). В качестве типового приема гашения дуги статистического разрядника используется продувка электродов с помощью мощной воздушной струи. В ряде случаев трансформатор Тесла классической конструкции дополняется вторым разрядником. Задача этого элемента состоит в обеспечении защиты низковольтной (питающей) зоны от высоковольтных выбросов.

Ламповая катушка

В модификации VTTC используют электронные лампы. Они играют роль генератора колебаний ВЧ. Как правило, это достаточно мощные лампы типа ГУ-81. Но иногда можно встретить и маломощные конструкции. Одной из особенностей в данном случае является отсутствие необходимости обеспечения высокого напряжения. Чтобы получить относительно небольшие разряды, нужно порядка 300-600 В. Кроме того, VTTC почти не издает шума, который появляется, когда трансформатор Тесла функционирует на искровом промежутке. С развитием электроники появилась возможность значительно упростить и уменьшить размер прибора. Вместо конструкции на лампах стали применять трансформатор Тесла на транзисторах. Обычно используется биполярный элемент соответствующей мощности и тока.

Как сделать трансформатор Тесла?

Как выше было сказано, для упрощения конструкции используется биполярный элемент. Несомненно, намного лучше применить полевой транзистор. Но с биполярным проще работать тем, кто недостаточно опытен в сборке генераторов. Обмотка катушек связи и коллектора осуществляется проводом в 0.5-0.8 миллиметров. На высоковольтной детали провод берется 0.15-0.3 мм толщиной. Делается приблизительно 1000 витков. На "горячем" конце обмотки ставится спираль. Питание можно взять с трансформатора в 10 В, 1 А. При использовании питания от 24 В и более значительно увеличивается длина Для генератора можно использовать транзистор КТ805ИМ.

Применение прибора

На выходе можно получить напряжение в несколько миллионов вольт. Оно способно создавать в воздухе внушительные разряды. Последние, в свою очередь, могут обладать многометровой длиной. Эти явления очень привлекательны внешне для многих людей. Любителями трансформатор Тесла используется в декоративных целях.

Сам изобретатель применял аппарат для распространения и генерации колебаний, которые направлены на беспроводное управление приборами на расстоянии (радиоуправление), передачи данных и энергии. В начале ХХ столетия катушка Тесла стала использоваться в медицине. Больных обрабатывали высокочастотными слабыми токами. Они, протекая по тонкому поверхностному слою кожи, не вредили внутренним органам. При этом токи оказывали оздоравливающее и тонизирующее воздействие на организм. Кроме того, трансформатор используется при поджиге газоразрядных ламп и при поиске течей в вакуумных системах. Однако в наше время основным применением аппарата следует считать познавательно-эстетическое.

Эффекты

Они связаны с формированием разного рода газовых разрядов в процессе функционирования устройства. Многие люди коллекционируют трансформаторы Тесла, чтобы иметь возможность наблюдать за захватывающими эффектами. Всего аппарат производит разряды четырех видов. Зачастую можно наблюдать, как разряды не только отходят от катушки, но и направлены от заземленных предметов в ее сторону. На них также могут возникать коронные свечения. Примечательно, что некоторые химические соединения (ионные) при нанесении на терминал могут изменить цвет разряда. К примеру, натриевые ионы делают спарк оранжевым, а борные - зеленым.

Стримеры

Это тускло светящиеся разветвленные тонкие каналы. Они содержат ионизированные газовые атомы и свободные электроны, отщепленные от них. Эти разряды протекают от терминала катушки или от самых острых частей непосредственно в воздух. По своей сути стример можно считать видимой ионизацией воздуха (свечением ионов), которая создается ВВ-полем у трансформатора.

Дуговой разряд

Он образуется достаточно часто. К примеру, если у трансформатора достаточная мощность, при поднесении к терминалу заземленного предмета может образоваться дуга. В некоторых случаях требуется прикосновение предмета к выходу, а затем отведение на все большее расстояние и растягивание дуги. При недостаточной надежности и мощности катушки такой разряд может повредить компоненты.

Спарк

Этот искровой заряд отходит с острых частей или с терминала напрямую в землю (заземленный предмет). Спарк представлен в виде быстро сменяющихся или исчезающих ярких нитевидных полосок, разветвленных сильно и часто. Существует также особый тип искрового разряда. Он называется скользящим.

Коронный разряд

Это свечение ионов, содержащихся в воздухе. Оно происходит в высоконапряженном электрическом поле. В результате создается голубоватое, приятное для глаза свечение около ВВ-компонентов конструкции со значительной кривизной поверхности.

Особенности

В процессе функционирования трансформатора можно услышать характерный электрический треск. Это явление обусловлено процессом, в ходе которого стримеры превращаются в искровые каналы. Он сопровождается резким увеличением количества энергии и Происходит быстрое расширение каждого канала и скачкообразное повышение давления в них. В итоге на границах образуются ударные волны. Их совокупность от расширяющихся каналов формирует звук, который воспринимается как треск.

Воздействие на человека

Как и другой источник такого высокого напряжения, катушка Тесла может быть смертельно опасной. Но существует иное мнение, касающееся некоторых типов аппарата. Поскольку у высокочастотного высокого напряжения есть скин-эффект, а ток существенно отстает от напряжения по фазе и сила тока очень мала, несмотря на потенциал, разряд в человеческое тело не может спровоцировать ни остановку сердца, ни прочие серьезные нарушения в организме.

В 1891 г. Никола Тесла разработал трансформатор (катушку) при помощи которого он ставил эксперименты с электрическими разрядами высоких напряжений. Разработанное Теслой устройство состояло из блока питания, конденсатора, первичной и вторичной катушек, установленных так, что пики напряжения чередуются между ними, и двух электродов, разведенных друг от друга на расстояние. Устройство получило имя своего изобретателя.
Принципы, открытые Тесла при помощи этого устройства, используется сейчас в различных областях, начиная от ускорителей частиц, заканчивая телевизорами и игрушками.

Трансформатор Тесла может быть сделал своими руками. Данная статья посвящена рассмотрению этого вопроса.

Сначала необходимо определиться с размером трансформатора. Можно построить большой прибор, если позволяет бюджет. Следует помнить, что это устройство генерирует разряды высокого напряжения (создают микромолнии), которые нагревают и расширяют окружающий воздух (создают микрогром). Создаваемые электрические поля могут вывести из строя другие электрические приборы. Поэтому строить и запускать трансформатор Тесла не стоит дома; безопаснее делать это в удаленных местах, например, в гараже или сарае.

Величина трансформатора будет зависеть от расстояния между электродами (от величины возникающей искры), которое в свою очередь будет зависеть от потребляемой мощности.

Составные части и сборка схемы трансформатора Тесла

1. Нам понадобится трансформатор или генератор с напряжением 5-15 кВ и силой тока 30-100 миллиампер. Эксперимент не удастся, если эти параметры будут не соблюдены.
2. Источник тока нужно подключить к конденсатору. Важен параметр емкости конденсатора, т.е. способность удерживать электрический заряд. Единица измерения емкости – фарад – Ф. Он определяется как 1 ампер-секунда (или кулон) на 1 вольт. Как правило, емкость измеряется в мелких единицах – мкФ (одна миллионная доля фарада) или пФ (одна триллионная доля фарада). Для напряжения 5 кВ конденсатор должен иметь номинал 2200 пФ.

Еще лучше соединить несколько конденсаторов последовательно. В этом случае каждый конденсатор будет удерживать часть заряда, общий удерживаемый заряд увеличится кратно.

3. Конденсатор(ы) подключается к искровику — промежуток воздуха, между контактами которого происходит электрический пробой. Для того, чтобы контакты выдерживали тепло, выделяемое искрой во время разряда, необходимый их диаметр должен быть 6 мм. минимум. Искровик необходим для возбуждения резонансных колебаний в контуре.
4. Первичная катушка. Делается из толстого медного провода или трубки диаметром 2,5-6 мм., который закручивается в спираль в одной плоскости в количестве 4-6 витков
5. Первичная катушка подключается к разряднику. Конденсатор и первичная катушка должны образовывать первичный контур, попадающий в резонанс с вторичной катушкой.
6. Первичная катушка должны быть хорошо изолирована от вторичной.
7. Вторичная катушка. Делается из тонкой эмалированной медной проволоки (до 0,6 мм). Проволока наматывается на полимерную трубку с пустым сердечником. Высота трубки должна составлять 5-6 ее диаметров. На трубку следует аккуратно намотать 1000 витков. Вторичная катушка может быть помещена внутрь первичной катушки.
8. Вторичную катушку одним концом обязательно заземляют отдельно от других приборов. Лучше всего заземление непосредственно «в землю». Второй провод вторичной катушки подключается к тору (излучателю молний).
9. Тор можно сделать из обыкновенной вентиляционной гофры. Он размещается над вторичной катушкой.
10. Вторичная катушка и тор образуют вторичный контур.
11. Включаем питающий генератор (трансформатор). Трансформатор Тесла работает.

Отличное видео с объяснением принципов работы трансформатора Теслы

Меры предосторожности

Будьте осторожны: напряжение, накапливаемое в трансформаторе Тесла, очень велико и при пробоях ведет к гарантированной смерти. Сила тока также очень большая, гораздо превосходящая величину, безопасную для жизни.

Практического применения трансформатора Тесла нет. Это экспериментальная установка, подтверждающая наши знания о физике электричества.

С эстетической же точки зрения, эффекты, которые порождает трансформатор Тесла, удивительны и красивы. Они во многом зависят от того, насколько правильно он собран, достаточной ли силы ток, правильно ли резонируют контуры. Эффекты могут включать в себя свечение или разряды, образуемые на второй катушке, а могут – полноценные молнии, пробивающие воздух из тора. Возникающие свечения смещены в ультрафиолетовый диапазон спектра.

Вокруг трансформатора Тесла формируется высокочастотное поле. Поэтому, например, при помещении в это поле энергосберегающей лампочки, она начинает светиться. Это же поле приводит к образования большого количества озона.

Мы можем увидеть и приобрести в магазин миниатюрную катушку Тесла в виде игрушки или декоративного светильника. Принцип действия такой же как у самого Тесла. Не чем не отличается, кроме масштабов и напряжения.

Давайте попробуем сделать катушку Тесла в домашних условиях.

— 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:

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.

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

Катушка Тесла представляет собой высокочастотный резонансный трансформатор без ферромагнитного сердечника, с помощью которого можно получить высокое напряжение на вторичной обмотке. Под действием высокого напряжения в воздухе происходит электрический пробой, подобно разряду молнии. Устройство изобретено Николой Теслой, и носит его имя.

По типу коммутирующего элемента первичного контура, катушки Тесла подразделяются на искровые (SGTC – Spark gap Tesla coil), транзисторные (SSTC – Solid state Tesla coil, DRSSTC – Dual resonant solid state Tesla coil). Я буду рассматривать только искровые катушки, являющиеся самыми простыми и распространенными. По способу заряда контурного конденсатора, искровые катушки делятся на 2 типа: ACSGTC – Spark gap Tesla coil, а также DCSGTC – Spark gap Tesla coil. В первом варианте, заряд конденсатора осуществляется переменным напряжением, во втором используется резонансный заряд с подведением постоянного напряжения.

Сама катушка представляет собой конструкцию из двух обмоток и тора. Вторичная обмотка цилиндрическая, наматывается на диэлектрической трубе медным обмоточным проводом, в один слой виток к витку, и имеет обычно 500-1500 витков. Оптимальное соотношение диаметра и длины обмотки равно 1:3,5 – 1:6. Для увеличения электрической и механической прочности, обмотку покрывают эпоксидным клеем или полиуретановым лаком. Обычно размеры вторичной обмотки определяют исходя из мощности источника питания, то есть высоковольтного трансформатора. Определив диаметр обмотки, из оптимального соотношения находят длину. Далее подбирают диаметр обмоточного провода, так чтобы количество витков примерно равнялось общепринятому значению. В качестве диэлектрической трубы обычно применяют канализационные пластиковые трубы, но можно изготовить и самодельную трубу, при помощи листов чертежного ватмана и эпоксидного клея. Здесь и далее речь идет о средних катушках, мощностью от 1 кВт и диаметром вторичной обмотки от 10 см.

На верхний конец трубы вторичной обмотки устанавливают полый проводящий тор, обычно выполненный из алюминиевой гофрированной трубы для отвода горячих газов. В основном диаметр трубы подбирают равным диаметру вторичной обмотки. Диаметр тора обычно составляет 0,5-0,9 от длины вторичной обмотки. Тор имеет электрическую емкость, которая определяется его геометрическими размерами, и выступает в роли конденсатора.

Первичная обмотка располагается у нижнего основания вторичной обмотки, и имеет спиральную плоскую или коническую форму. Обычно состоит из 5-20 витков толстого медного или алюминиевого провода. В обмотке протекают высокочастотные токи, вследствие чего скин-эффект может иметь значительное влияние. Из-за высокой частоты ток распределяется преимущественно в поверхностном слое проводника, тем самым уменьшается эффективная площадь поперечного сечения проводника, что приводит к увеличению активного сопротивления и уменьшению амплитуды электромагнитных колебаний. Поэтому лучшим вариантом для изготовления первичной обмотки будет полая медная трубка, или плоская широкая лента. Над первичной обмоткой по внешнему диаметру иногда устанавливают незамкнутое защитное кольцо (Strike Ring) из того же проводника, и заземляют. Кольцо предназначено для предотвращения попадания разрядов в первичную обмотку. Разрыв необходим для исключения протекания тока по кольцу, иначе магнитное поле, созданное индукционным током, будет ослаблять магнитное поле первичной и вторичной обмотки. От защитного кольца можно отказаться, если заземлить один конец первичной обмотки, при этом попадание разряда не причинит вреда компонентам катушки.

Коэффициент связи между обмотками зависит от их взаимного расположения, чем они ближе, тем больше коэффициент. Для искровых катушек типичное значение коэффициента равно K=0,1-0,3. От него зависит напряжение на вторичной обмотке, чем больше коэффициент связи, тем больше напряжение. Но увеличивать коэффициент связи выше нормы не рекомендуется, так как между обмотками начнут проскакивать разряды, повреждающие вторичную обмотку.


На схеме представлен простейший вариант катушки Тесла типа ACSGTC.
Принцип действия катушки Тесла основан на явлении резонанса двух индуктивно связанных колебательных контуров. Первичный колебательный контур состоит из конденсатора С1, первичной обмотки L1, и коммутируется разрядником, в результате чего образуется замкнутый контур. Вторичный колебательный контур образован вторичной обмоткой L2 и конденсатором С2 (тор обладающий емкостью), нижний конец обмотки обязательно заземляется. При совпадении собственной частоты первичного колебательного контура с частотой вторичного колебательного контура, происходит резкое возрастание амплитуды напряжения и тока во вторичной цепи. При достаточно высоком напряжении происходит электрический пробой воздуха в виде разряда, исходящего из тора. При этом важно понимать, что представляет собой замкнутый вторичный контур. Ток вторичного контура течет по вторичной обмотке L2 и конденсатору С2 (тор), далее по воздуху и земле (так как обмотка заземлена), замкнутый контур можно описать следующим образом: земля-обмотка-тор-разряд-земля. Таким образом, захватывающие электрические разряды представляют собой часть контурного тока. При большом сопротивлении заземления разряды, исходящие из тора будут бить прямо по вторичной обмотке, что не есть хорошо, поэтому нужно делать качественное заземление.

После того как размеры вторичной обмотки и тора определены, можно посчитать собственную частоту колебаний вторичного контура. Здесь надо учитывать, что вторичная обмотка кроме индуктивности обладает некоторой емкостью из-за немалых размеров, которую надо учитывать при расчете, емкость обмотки необходимо сложить с емкостью тора. Далее надо прикинуть параметры катушки L1и конденсатора C1первичного контура, так чтобы собственная частота первичного контура была близка к частоте вторичного контура. Емкость конденсатора первичного контура обычно составляет 25-100 нФ, исходя из этого, рассчитывают количество витков первичной обмотки, в среднем должно получиться 5-20 витков. При изготовлении обмотки необходимо увеличить количество витков, по сравнению с расчетным значением, для последующей настройки катушки в резонанс. Рассчитать все эти параметры можно по стандартным формулам из учебника физики, также в сети есть книги по расчету индуктивности различных катушек. Существуют и специальные программы калькуляторы для расчета всех параметров будущей катушки Тесла.

Настройка осуществляется путем изменения индуктивности первичной обмотки, то есть один конец обмотки подсоединен к схеме, а другой никуда не подключается. Второй контакт выполняют в виде зажима, который можно перекидывать с одного витка на другой, тем самым используется не вся обмотка, а только ее часть, соответственно меняется индуктивность, и собственная частота первичного контура. Настройку выполняют во время предварительных запусков катушки, о резонансе судят по длине выдаваемых разрядов. Существует также метод холодной настройки резонанса при помощи ВЧ генератора и осциллографа или ВЧ вольтметра, при этом катушку запускать не надо. Необходимо взять на заметку, что электрический разряд обладает емкостью, вследствие чего собственная частота вторичного контура может немного уменьшаться во время работы катушки. Заземление также может оказывать небольшое влияние на частоту вторичного контура.

Разрядник является коммутирующим элементом в первичном колебательном контуре. При электрическом пробое разрядника под действием высокого напряжения, в нем образуется дуга, которая замыкает цепь первичного контура, и в нем возникают высокочастотные затухающие колебания, в течение которых напряжение на конденсаторе С1 постепенно уменьшается. После того как дуга гаснет, контурный конденсатор С1 вновь начинает заряжаться от источника питания, при следующем пробое разрядника начинается новый цикл колебаний.

Разрядник подразделяется на два типа: статический и вращающийся. Статический разрядник представляет собой два близко расположенных электрода, расстояние между которыми регулируют так чтобы электрический пробой между ними происходил в то время, когда конденсатор С1 заряжен до наибольшего напряжения, или немного меньше максимума. Ориентировочное расстояние между электродами определяют исходя из электрической прочности воздуха, которая составляет около 3 кВ/мм при стандартных условиях окружающей среды, а также зависит от формы электродов. Для переменного сетевого напряжения, частота срабатываний статического разрядника (BPS – beats per second) составит 100Гц.

Вращающийся разрядник (RSG – Rotary spark gap) выполняется на основе электродвигателя, на вал которого насажен диск с электродами, с каждой стороны диска устанавливаются статические электроды, таким образом, при вращении диска, между статическими электродами будут пролетать все электроды диска. Расстояние между электродами делают минимальным. В таком варианте можно регулировать частоту коммутаций в широких пределах управляя электродвигателем, что дает больше возможностей по настройке и управлению катушкой. Корпус двигателя необходимо заземлить, для защиты обмотки двигателя от пробоя, при попадании высоковольтного разряда.

В качестве контурного конденсатора С1 применяют конденсаторные сборки (MMC – Multi Mini Capacitor) из последовательно и параллельно соединенных высоковольтных высокочастотных конденсаторов. Обычно применяют керамические конденсаторы типа КВИ-3, а также пленочные К78-2. В последнее время намечен переход на бумажные конденсаторы типа К75-25, которые неплохо показали себя в работе. Номинальное напряжение конденсаторной сборки для надежности должно быть в 1,5-2 раза больше амплитудного напряжения источника питания. Для защиты конденсаторов от перенапряжения (высокочастотные импульсы) устанавливают воздушный разрядник параллельно всей сборке. Разрядник может представлять собой два небольших электрода.

В качестве источника питания для зарядки конденсаторов используется высоковольтный трансформатор Т1, или несколько последовательно или параллельно соединенных трансформаторов. В основном начинающие тесластроители используют трансформатор из микроволновой печи (MOT – Microwave Oven Transformer), выходное переменное напряжение которого составляет ~2,2 кВ, мощность около 800 Вт. В зависимости от номинального напряжения контурного конденсатора, МОТы соединяют последовательно от 2 до 4 штук. Применение только одного трансформатора не целесообразно, так как из-за небольшого выходного напряжения зазор в разряднике будет очень малым, итогом будут нестабильные результаты работы катушки. Моты имеют недостатки в виде слабой электропрочности, не рассчитаны для работы в длительном режиме, сильно греются при большой нагрузке, поэтому часто выходят из строя. Более разумно использовать специальные масляные трансформаторы типа ОМ, ОМП, ОМГ, которые имеют выходное напряжение 6,3 кВ, 10 кВ, и мощность 4 кВт, 10 кВт. Можно также изготовить самодельный высоковольтный трансформатор. При работе с высоковольтными трансформаторами не следует забывать о технике безопасности, высокое напряжение опасно для жизни, корпус трансформатора необходимо заземлить. При необходимости последовательно с первичной обмоткой трансформатора можно установить автотрансформатор, для регулировки напряжения зарядки контурного конденсатора. Мощность автотрансформатора должна быть не меньше мощности трансформатора T1.

Дроссель Lд в цепи питания необходим для ограничения тока короткого замыкания трансформатора при пробое разрядника. Чаще всего дроссель находится в цепи вторичной обмотки трансформатора T1. Вследствие высокого напряжения, необходимая индуктивность дросселя может принимать большие значения от единиц до десятков Генри. В таком варианте он должен обладать достаточной электропрочностью. С таким же успехом дроссель можно установить последовательно с первичной обмоткой трансформатора, соответственно здесь не требуется высокая электропрочность, необходимая индуктивность на порядок ниже, и составляет десятки, сотни миллигенри. Диаметр обмоточного провода должен быть не меньше диаметра провода первичной обмотки трансформатора. Индуктивность дросселя рассчитывают из формулы зависимости индуктивного сопротивления от частоты переменного тока.

Фильтр низких частот (ФНЧ) предназначен для исключения проникновения высокочастотных импульсов первичного контура в цепь дросселя и вторичной обмотки трансформатора, то есть для их защиты. Фильтр может быть Г-образным или П-образным. Частоту среза фильтра выбирают на порядок меньше резонансной частоты колебательных контуров катушки, но при этом частота среза должна быть намного больше частоты срабатывания разрядника.


При резонансном заряде контурного конденсатора (тип катушки – DCSGTC), используют постоянное напряжение, в отличии от ACSGTC. Напряжение вторичной обмотки трансформатора T1 выпрямляют с помощью диодного моста и сглаживают конденсатором Св. Емкость конденсатора должна быть на порядок больше емкости контурного конденсатора С1, для уменьшения пульсаций постоянного напряжения. Величина емкости обычно составляет 1-5 мкФ, номинальное напряжение для надежности выбирают в 1,5-2 раза больше амплитудного выпрямленного напряжения. Вместо одного конденсатора можно использовать конденсаторные сборки, желательно не забывая про выравнивающие резисторы при последовательном соединении нескольких конденсаторов.

В качестве диодов моста применяют последовательно соединенные высоковольтные диодные столбы типа КЦ201 и др. Номинальный ток диодных столбов должен быть больше номинального тока вторичной обмотки трансформатора. Обратное напряжение диодных столбов зависит от схемы выпрямления, по соображениям надежности обратное напряжение диодов должно быть в 2 раза больше амплитудного значения напряжения. Возможно изготовление самодельных диодных столбов путем последовательного соединения обычных выпрямительных диодов (например 1N5408, Uобр = 1000 В, Iном = 3 А), с применением выравнивающих резисторов.
Вместо стандартной схемы выпрямления и сглаживания можно собрать удвоитель напряжения из двух диодных столбов и двух конденсаторов.

Принцип работы схемы резонансного заряда основан на явлении самоиндукции дросселя Lд, а также применения диода отсечки VDо. В момент времени, когда конденсатор C1 разряжен, через дроссель начинает течь ток, возрастая по синусоидальному закону, при этом в дросселе накапливается энергия в виде магнитного поля, а конденсатор при этом заряжается, накапливая энергию в виде электрического поля. Напряжение на конденсаторе возрастает до напряжения источника питания, при этом через дроссель течет максимальный ток, и падение напряжения на нем равно нулю. При этом ток не может прекратиться мгновенно, и продолжает течь в том же направлении из-за наличия самоиндукции дросселя. Зарядка конденсатора продолжается до удвоенного значения напряжения источника питания. Диод отсечки необходим для предотвращения перетекания энергии от конденсатора обратно в источник питания, так как между конденсатором и источником питания появляется разность потенциалов равная напряжению источника питания. На самом деле напряжение на конденсаторе не достигает удвоенного значения, из-за наличия падения напряжения на диодном столбе.

Применение резонансного заряда позволяет более эффективно и равномерно передавать энергию на первичный контур, при этом для получения одинакового результата (по длине разряда), для DCSGTC требуется меньшая мощность источника питания (трансформатор Т1), чем для ACSGTC. Разряды приобретают характерный плавный изгиб, вследствие стабильного питающего напряжения, в отличии от ACSGTC, где очередное сближение электродов в RSG может приходиться по времени на любой участок синусоидального напряжения, включая попадание на нулевое или низкое напряжение и как следствие переменная длина разряда (рваный разряд).

Ниже на картинке представлены формулы для расчета параметров катушки Тесла:

Предлагаю ознакомиться с моим опытом постройки .