Биполярная катушка тесла: Биполярная катушка тесла

Катушка Тесла. Устройство и виды. Работа и применение

Одним из знаменитых изобретений Николы Тесла была катушка Тесла. Это изобретение представляет собой резонансный трансформатор, который образует высокочастотное повышенное напряжение. В 1896 году на изобретение выдан патент, который имел название аппарата для образования электрического тока высокого потенциала и частоты.

Разновидности

Со времен Николы Тесла появилось много различных видов трансформаторов Тесла. Рассмотрим распространенные основные виды таких трансформаторов, как катушка Тесла.

SGTC – катушка, работающая на искровом разряде, имеет классическое устройство, используемое самим Теслой. В этой конструкции элементом коммутации является разрядник. У маломощных устройств разрядник выполнен в виде двух отрезков толстого проводника, находящихся на определенном расстоянии. В устройствах большей мощности используются вращающиеся разрядники сложной конструкции с применением электродвигателей. Такие трансформаторы производят при необходимости получения стримера большой длины, без каких-либо эффектов.

VTTC – катушка на основе электронной лампы, которая является коммутирующим элементом. Подобные трансформаторы способны функционировать в постоянном режиме и выдавать разряды большой толщины. Такой тип питания обычно применяют для создания катушек высокой частоты. Они создают эффект стримера в виде факела.

SSTC – катушка, в конструкции которой в качестве ключа используется полупроводниковый элемент в виде мощного транзистора. Такой вид трансформаторов также способен функционировать в постоянном режиме. Внешняя форма стримеров от такого устройства бывает самой различной. Управление с полупроводниковым ключом более простое, существуют такие катушки Тесла, которые умеют играть музыку.

DRSSTC – трансформатор, имеющий два контура резонанса. Роль ключей играют также полупроводниковые компоненты. Это наиболее сложный в настройке и управлении трансформатор, однако, он используется для создания впечатляющих эффектов. При этом большой резонанс получается в первом контуре. Во втором контуре образуется наиболее яркие толстые и длинные стримеры в виде молний.

Устройство и работа

Элементарный трансформатор Тесла включает в себя две катушки, тороид, конденсатор, разрядник, защитное кольцо и заземление.

Тороид выполняет несколько функций:
  • Снижение частоты резонанса, особенно для вида катушки Тесла с полупроводниковыми ключами.Полупроводниковые элементы плохо функционируют на повышенных частотах.
  • Накапливание энергии перед возникновением электрической дуги. Чем больше размер тороида, тем больше энергии накоплено. В момент пробоя воздуха тороид выдает эту накопленную энергию в электрическую дугу, при этом увеличивая ее.
  • Образование электростатического поля, отталкивающего дугу от вторичной обмотки. Часть этой функции исполняет вторичная обмотка. Однако тороид помогает ей в этом. Поэтому электрическая дуга не бьет во вторичную обмотку по кратчайшему пути.

Обычно наружный диаметр тороида в два раза больше диаметра вторичной обмотки. Тороиды производят из алюминиевой гофры и других материалов.

Вторичная обмотка трансформатора Тесла является основным элементом конструкции. Обычно длина обмотки относится к ее диаметру 5 : 1. Диаметр проводника для катушки выбирают из расчета, чтобы разместилось около 1000 витков, которые должны располагаться плотно между собой. Витки обмотки покрывают несколькими слоями лака или эпоксидной смолы. В качестве каркаса выбирают ПВХ-трубы, которые можно купить в строительном магазине.

Защитное кольцо служит для предохранения от выхода из строя электронных элементов в случае попадания электрической дуги в первичную обмотку. Защитное кольцо устанавливается, если размер стримера (электрической дуги) больше длины вторичной катушки. Это кольцо выполнено в виде медного незамкнутого проводника, заземленного отдельным проводом на общее заземление.

Первичная обмотка чаще всего выполняется из медной трубки, применяемой в кондиционерах. Сопротивление первичной обмотки должно быть небольшим, так как по ней будет проходить большая сила тока. Трубку чаще всего выбирают толщиной 6 мм. Также можно использовать для намотки проводники большого сечения. Первичная обмотка является своеобразным элементом подстройки в таких катушках Тесла, в которых первый контур резонансный. Поэтому место подключения питания выполняют с учетом его перемещения, с помощью которого меняют частоту резонанса первого контура.

Форма первичной обмотки может быть различной: конической, плоской или цилиндрической.

Катушка Тесла должна иметь заземление. Если его не будет, то стримеры будут бить в саму катушку, для замыкания тока.

Колебательный контур образован конденсатором совместно с первичной обмоткой. В этот контур также подключен разрядник, который является нелинейным элементом. Во вторичной обмотке также образован контур колебаний, в котором конденсатором выступает емкость тороида и межвитковая емкость катушки. Чаще всего для предохранения от электрического пробоя вторичную обмотку покрывают лаком или эпоксидной смолой.

В результате катушка Тесла, или другими словами трансформатор, состоит из двух контуров колебаний, связанных между собой. Это и придает трансформатору Тесла необычные свойства, и является основным отличительным качеством от обычных трансформаторов.

При достижении напряжения пробоя между электродами разрядника, образуется электрический лавинообразный пробой газа. При этом происходит разряд конденсатора на катушку через разрядник. Вследствие этого цепь контура колебаний, который состоит из конденсатора и первичной обмотки, остается замкнутой на разрядник. В этой цепи возникают колебания высокой частоты. Во вторичной цепи образуются резонансные колебания, в результате чего возникает высокое напряжение.

Во всех видах катушки Тесла главным элементом являются контуры: первичный и вторичный. Однако генератор колебаний высокой частоты может отличаться по конструкции.

Катушка Тесла по сути дела состоит из двух катушек, не имеющих металлического сердечника. Коэффициент трансформации катушки Тесла в несколько десятков раз выше отношения числа витков обеих обмоток. Поэтому выходное напряжение трансформатора достигает нескольких миллионов вольт, что и обеспечивает мощные электрические разряды длиной в несколько метров. Важным условием является образование контура колебаний первичной обмоткой и конденсатором, вхождение в резонанс этого контура с вторичной обмоткой.

Виды эффектов от катушки Тесла

  • Дуговой разряд – возникает во многих случаях. Он характерен ламповым трансформаторам.
  • Коронный разряд является свечением воздушных ионов в электрическом поле повышенного напряжения, образует голубоватое красивое свечение вокруг элементов устройства с высоким напряжением, а также имеющим большую кривизну поверхности.
  • Спарк по-другому называют искровым разрядом. Он протекает от терминала на землю, либо на заземленный предмет, в виде пучка ярких разветвленных полосок, быстро исчезающих или меняющихся.
  • Стримеры – это тонкие слабо светящиеся разветвляющиеся каналы, содержащие ионизированные атомы газа и свободные электроны. Они не уходят в землю, а протекают в воздух. Стримером называют ионизацию воздуха, образуемую полем трансформатора высокого напряжения.

Действие катушки Тесла сопровождается треском электрического тока. Стримеры могут превращаться в искровые каналы. Это сопровождается большим увеличением тока и энергии. Канал стримера быстро расширяется, давление резко повышается, поэтому образуется ударная волна. Совокупность таких волн подобен треску искр.

Малоизвестные эффекты катушки Тесла

Некоторые люди считают трансформатор Тесла каким-то особенным устройством, обладающим исключительными свойствами. Также есть мнение, что такое устройство способно стать генератором энергии и вечным двигателем.

Иногда говорят, что при помощи такого трансформатора можно передавать электрическую энергию на значительные расстояния, не используя провода, а также создать антигравитацию. Такие свойства не подтверждены и не проверены наукой, но Тесла говорил о скорой доступности таких способностей для человека.

В медицине при длительном воздействии токов высокой частоты и напряжения могут образоваться хронические заболевания и другие отрицательные явления. Также нахождение человека в поле высокого напряжения негативно сказывается на его здоровье. Можно отравиться газами, выделяемыми при функционировании трансформатора без вентиляции.

Применение
  • Величина напряжения на выходе катушки Тесла иногда достигает миллионов вольт, что формирует значительные воздушные электрические разряды длиной в несколько метров. Поэтому такие эффекты применяют в качестве создания показательных шоу.
  • Катушка Тесла нашла применение в медицине в начале прошлого века. Больных обрабатывали маломощными токами высокой частоты. Такие токи протекают по поверхности кожи, оказывают оздоравливающее и тонизирующее влияние, не причиняя при этом никакого вреда организму человека. Однако мощные токи высокой частоты оказывают негативное влияние.
  • Катушка Тесла применяется в военной технике для оперативного уничтожения электронной техники в здании, на корабле, танке. При этом на короткий промежуток времени создается мощный импульс электромагнитных волн. В результате в радиусе нескольких десятков метров сгорают транзисторы, микросхемы и другие электронные компоненты. Это устройство действует абсолютно бесшумно. Существуют такие данные, что частота тока при функционировании такого устройства может достигать 1 ТГц.
  • Иногда такой трансформатор применяется для розжига газоразрядных ламп, а также поиска течи в вакууме.

Эффекты катушки Тесла иногда используют в съемках фильмов, компьютерных играх. В настоящее время катушка Тесла не нашла широкого применения на практике в быту.

Катушка Тесла на будущее

В настоящее время остаются актуальными вопросы, которыми занимался ученый Тесла. Рассмотрение этих проблемных вопросов дает возможность студентам и инженерам институтов взглянуть на проблемы науки более широко, структурировать и обобщать материал, отказаться от шаблонных мыслей.

Взгляды Тесла актуальны сегодня не только в технике и науке, но и для работ в новых изобретениях, применения новых технологий на производстве. Наше будущее даст объяснение явлениям и эффектам, открытым Теслой. Он заложил для третьего тысячелетия основы новейшей цивилизации.

Похожие темы

Как мы для музея науки сделали самую большую катушку Тесла в Украине / Хабр

В 2016 году мне предложили принять участие в проекте по созданию мощной катушки Тесла для музея науки в родном городе. Отказаться означало бы предать свои идеалы и собственных детей, которые обожают научные опыты. Под катом не только описание конструкции получившегося прибора, но и немного о мужской любви к науке, энтузиастах и о том, как рождаются и реализовываются социальные проекты.

Предыстория

Это история о людях. Кто не любит истории о людях, может спокойно пропустить этот раздел.

Вначале немного о себе. Меня зовут Артем. Сейчас я работаю конструктором в одной частной фирме, но по образованию — физик, а методика преподавания физики детям является моим увлечениям. По данной тематике я уже публиковал посты на Geektimes (один и два). Четыре года назад я был полностью погружен наукой, работал в “Лаборатории методики преподавания физики” родного университета, проводил курсы повышения квалификации для учителей всей области, был соведущим кружка “Юных физиков” для детей от 5 лет, а также работал учителем физики и развивал авторский сайт.

Именно тогда в Украине впервые начали проводиться Научные пикники. Это прекрасное мероприятие по популяризации науки, когда университеты, лаборатории, исследовательские центры выходят на площадь вместе с физическими экспонатами, жидким азотом, скелетами и манекенами, микроскопами, телескопами, редкими насекомыми и летучими мышами. В общем, каждый выставляет то, чем занимается и что будет интересно для остальных. Разумеется, в Научном пикнике приняли активное участие и лаборатория, и школа, и кружок, где я работал.

Там я познакомился с одним из организаторов пикника — Сергеем. Этот парень мечтал о музее науки для нашего города и убеждал меня, что если не опускать руки и быть активным, то все обязательно получится.

Так оно и случилось, Научный пикник имел ошеломительный успех, на основании такого положительного результата университет решил дать зеленый свет команде Сергея и щедро выделил под музей некоторые помещения внушительной площади.

Это было, наверное, самое романтичное время. Почти без финансирования попытка сделать из разрушенных помещений музей науки за месяц-два выглядело безумием. Но Сергей не унывал, он носился, как метеорит, латая дыры в полу, завешивал стены без ремонта тканью, изготавливал перегородки и подставки для будущих экспонатов. Сергей проявил поразительную целеустремленность и волю, а также замечательные организационные способности. Наша лаборатория, как и многие другие, помогала проекту демонстрационными приборами и идеями бюджетных, но увлекательных экспонатов.

Музей благополучно открылся, а я уехал с женой и детьми в Черногорию. Там я тоже организовал кружок по астрономии и физике, но основным местом работы уже стал конструкторский отдел.

В прошлом году я вернулся в Украину. Сергей сделал мне экскурсии по обновленному музею. За два года музей сделал ремонт, в несколько раз увеличил экспонатную базу и значительно разросся по занимаемой площади. Было невероятно приятно обнаружить работающим один из демонстрационных приборов — “оптический стол”, который своими руками собирал еще на рассвете проекта.

Сергей рассказал о желании раздобыть для музея “катушку Тесла”, он не только нашел продавца, но договорился с одной замечательной компанией “Х” о спонсировании проекта и даже успел получить деньги. Однако, непосредственно перед продажей, продавец решил увеличить цену в два раза. Разумеется, общение на этом было завершено. А Сергей оказался в незавидном положении.

Спустя некоторое время Сергей позвонил мне и сообщил, что нашел какого-то паренька, который уже собрал несколько небольших катушек Тесла, и готов попробовать собрать катушку покрупнее. Но ему нужна помощь с механикой. Ненавязчиво мне предложили присоединиться к проекту без права отказаться.

Предстояла встреча с этим “тесластроителем”, которого, кстати, тоже звали Сергеем. Вполне очевидно, что он был каким-то фриком, у которого мания к катушкам Тесла, а идея фикс — большая Катушка. Но как только мы начали обсуждать проект, пошли нестыковки с представляемым (мне кажется тут нужно вставить “мною”) образом. Собеседник начал последовательно излагать конструкцию прибора, не повторялся, не говорил ничего лишнего. Все физические термины употреблялись правильно, а физическим явлениям давалась верная трактовка. На все вопросы звучали внятные и логически обоснованные ответы. Оказалось, что я общаюсь адекватным преподавателем известного технического вуза, который действительно увлекается катушками Тесла.

Сергей оказался обладателем такого ценного качества, как скрупулезность. За что сразу завоевал глубокое уважение. Он долго и тщательно подготавливал свое рабочее место, подбирал заранее инструмент и обустраивался, все контакты он всегда, абсолютно всегда, тщательно лудил. Если в спешке выполнить не качественное соединение, то Сергей промолчит, а потом тихонько возьмет и исправит. Может показаться, что такая щепетильность излишняя, но на самом деле она экономит огромное количество времени. Ведь за весь период работы мы ни разу не столкнулись с ошибкой неправильной сборки. Чтобы не путаться среди Сергеев, далее будем называть его Сергеем А., а первого — Сергеем В.

Что такое катушка Тесла?

Я попросил Сергея А. (автора катушки) собственнолично рассказать о катушке. Весь текст в этом разделе принадлежит ему:

В конце 19-го и начале 20-го веков Никола Тесла проводил эксперименты с высоковольтными высокочастотными резонансными трансформаторами без ферромагнитного сердечника (воздушный трансформатор). Этот вид трансформаторов впоследствии был назван трансформатором Теслы или катушкой Тесла.

В настоящее время трансформатор Тесла является скорее игрушкой для тех, кто увлекается DIY и желает заиметь в своей коллекции что-нибудь эдакое, чем устройством, имеющим определенную сферу применения. Нечасто в одной несложной конструкции может сочетаться столько физических явлений. К тому же не найдется такого человека, которого катушка Тесла не сможет удивить видом своих электрических разрядов.

Зачем нужны катушки Тесла? В первую очередь, для образовательных целей. Ведь здесь затрагивается множество тем:

  • в статике – изучение теории, знакомство с электрическими компонентами, чтение схем, научиться пользоваться мультиметром и использовать симуляторы электрических схем, наконец, понять различие между индуктивностью и емкостью;
  • в динамике – электрические колебания, резонанс напряжений, передача энергии, ионизация, природа плазмы, свойства электромагнитного излучения, воздействие тока на живого человека.

Если вы хотите заряжать устройства без проводов, производить впечатление на случайных незнакомцев и вам нравится запах горелой электроники или озона, то это повод собрать себе настольную катушку Тесла, тем более что это дешевле, чем ходить на свидания.
«Построить катушку Тесла — это то, что следует сделать каждому хотя бы один раз»© – какой-то парень.

Первый резонансный трансформатор был построен Николой Тесла в 1891 году и, по сути, являлся беспроводным телеграфом. Принцип работы прямолинеен: необходимо зарядить высоким напряжением большой конденсатор, а затем разрядить его через катушку индуктивности, роль которой выполняет первичная обмотка трансформатора, при этом необходимо замкнуть энергию в образовавшемся колебательном контуре.

Вследствие резонанса напряжений в первичном контуре амплитуда колебаний возрастет, при этом часть энергии будет передана вторичной обмотке трансформатора (что характеризуется коэффициентом связи между обмотками), последняя вместе с металлический тороидом также образуют колебательный контур.

Дальше процесс может быть описан аналогично раскачиванию качели: если толкать качели в нужный момент, то скоро они начнут подлетать очень высоко, это и будет напряжением на выходе из катушки Тесла. Когда напряжение становится настолько высоким, что воздух для него перестает быть диэлектриком, вся накопленная энергия образует электрический разряд, или стример.

На протяжении многих лет в конструкцию трансформаторов Теслы вносились изменения, благодаря чему на сегодняшний день существует несколько топологий устройства, обладающих схожим принципом работы, при этом различающиеся на компонентном уровне.

SGTC (Spark Gap Tesla Coil) – трансформатор Тесла на разряднике. Является классическим исполнением, применяемым самим Николой Тесла. В качестве ключевого элемента используется два контакта произвольной формы, между которыми возникает электрический разряд. Конструктивно состоит всего из 6 элементов и работает часто с первого раза. Правда, в маломощных исполнениях ждать красивых разрядов не приходиться, но позажигать лампочки на расстоянии или полюбоваться коронарным свечением — пожалуйста.

Производной этой топологии является вид ARSGTC (Asynchronous Rotary Spark Gap Tesla Coil), где в качестве коммутирующего ключа применяется вращающийся электродвигатель, замыкающий контакты и быстро рвущий образовавшуюся электрическую дугу, что позволяет получить наибольшую длину разрядов при относительно небольшой входной мощности. Данный тип и был нами взять для повторения.

VTTC (Vacuum Tube Tesla Coil) – трансформатор Тесла на радиолампах. Требует работы с высокими анодными напряжениями и не рекомендуется для новичков.

SSTC (Solid State Tesla Coil) – трансформатор Тесла, в котором в качестве ключей используются полупроводниковые компоненты. Наиболее распространено применение транзисторов MOSFET или IGBT (не путать с LGBT). Благодаря использованию современной компонентной базы катушками этого типа можно легко управлять, модулируя частоту молний внешним источником сигнала, например музыкой.

DRSSTC (Dual Resonant SSTC) – катушки Тесла с двойным резонансным контуром. Топология значительно сложнее в изготовлении, чем ее предшественница, но это компенсируется улучшенным соотношением длины разряда к длине вторичной обмотки.

QCWDRSSTC (Quasi-Continuous-Wave DRSSTC) – вариант катушек Тесла с двойным резонансным контуром, но способной производить характерные только для этой топологии длинные прямые молнии, иногда в 10 раз превышающие длину вторичной обмотки.

А еще существуют биполярные катушки Тесла, но об этом в другой раз.

Как видите, катушки Тесла бывают на любой «вкус и цвет», и любой желающий может выбрать себе такую, какую захочет. За последние годы рынок постарался удовлетворить возросший спрос радиолюбителей и экспериментаторов на трансформаторы Теслы, и теперь даже на AliExpress есть наборы, из которых в домашних условиях можно собрать рабочее устройство.

Не в качестве рекламы, но стоит упомянуть группу энтузиастов, которые в начале 2013 года запустили компанию на Кикстартере (что в свое время освещалось) и, успешно собрав необходимую сумму, до настоящего времени продолжают работу над проектом, имеющим название OneTesla. Что его качественно отличает от других проектов — так это открытая документация и схемы, где желающий может, следуя инструкциям, собрать в домашних условиях музыкальную катушку по топологии DRSSTC. Руководствуясь именно инструкциями с сайта OneTesla, я и собрал себе первую рабочую катушку.

Напоследок хочу заметить, что сделать рабочую катушку Тесла очень просто, но сделать такую, чтобы ее не стыдно было показать, все же очень и дорого и трудоемко.


Наш выбор «Old school»

Для любителей циферок — краткое техническое описание нашего экспоната от Сергея А.

Для работы катушки Тесла нужен высоковольтный источник питания, и чтобы сэкономить время на намотку собственного трансформатора, было принято решение воспользоваться готовым. Таким образом в схеме питания задействовано 4 трансформатора от микроволновых печей в последовательном подключении со средней точкой, преобразующие сетевые 220 вольт в напряжение 8600 вольт.

Для обеспечения их охлаждения и во избежание межвитковых пробоев все 4 трансформатора были погружены в синтетическое моторное масло.

В качестве рабочей емкости использовалась батарея из 5 веток по 9 последовательно соединенных конденсаторов (MMC), то есть 45 конденсаторов емкостью 0,1 мкФ и напряжением 2 кВ дали емкость 55 нФ с напряжением 18 кВ. А также использовались коммутирующие провода калибра 8 AWG, медная трубка диаметром 6,35 мм в качестве первичной обмотки с 6 ½ витками. 1000 витков медной проволоки сечением 0,5 мм на вентиляционной трубе диаметром 10 см образует вторичную катушку с длиной намотки 56 см. Тороид выполнен из алюминиевой вентиляционной трубы диаметром 11 см.

Расчетная резонансная частота первичного контура, а затем подтвержденная с помощью генератора импульсов и частотомера, составила 220 кГц. Резонансная частота вторичного контура по расчету и измерениям составляет около 250 кГц, но в момент возникновения стримера, благодаря электрической емкости самого разряда, частота колебаний снижается, и происходит попадание в резонанс между первичным и вторичным контурами, что приводит к увеличению длины молний.


А теперь, о механической составляющей

Имеющийся бюджет не позволял сильно разгуляться. Количество фрезерных и токарных работ пришлось свести к минимуму. Все неответственные детали изготавливались нами собственноручно.

Диск разрывателя был выполнен из текстолита толщиной 8 мм. На диске находится 6 контактов, которые замыкают разрядник. Диск находится на оси двухполюсного асинхронного двигателя мощностью 0,37 кВт. Частота вращения двигателя составляет 2800 об./мин. Учитывая, что за один оборот происходит 6 замыканий, мы получаем 280 замыканий в секунду.

В интернете можно найти работы настоящих маньяков, которые ставят диск разрядника на вал угловой шлифовальной машины:

Подобные решения подкупают своей простотой, но совсем не совместимы с таким понятием, как техника безопасности. Шлифовальная машинка ненадежно крепится к основанию при помощи хомута вокруг ручки. Электроды на диске сильно перегреваются, так как имеют маленькие время и площадь охлаждения. Диск вращается с частотой 4000-6000 об./мин! Это хрупкое равновесие легко нарушить, и тогда раскаленные электроды, как шрапнель, разлетятся в произвольных направлениях. Прошу вас, пользуйтесь угловой шлифовальной машиной только по назначению!

Первичная катушка изготавливалась в форме спирали из медной трубки диаметром ¼”, по этим трубам обычно циркулирует фреон между блоками кондиционера. Геометрия катушки очень важна, от нее зависит индуктивность, а как следствие — и частота колебательного контура. Чтобы форма строго соответствовала расчетной, были разработано незамысловатое крепление из четырех опор. Опоры были изготовлены из листового ПВХ при помощи ЧПУ фрезеровки.

Хороший экспонат — безопасный экспонат


Разумеется, катушка Тесла является опасным устройством, правильнее даже сказать смертельно опасным. Рассмотрим все факторы по мере их важности.

  • Если вы подумали, что надо бояться двухметровых молний, которые летят во всех направлениях, то знайте, это только цветочки. Настоящую опасность представляет первичная обмотка, такая невзрачная спиралька, которая находится под напряжением 8600 В и готова поделится своим током с силой в сотни миллиампер. Нечаянно прикоснутся к ней — верный путь на небо. Молнии тоже могут нанести существенный вред человеку, но их опасность уже на порядок меньше.
  • Стоит также упомянуть, что в процессе работы катушка Тесла генерируется мощное электромагнитное поле. Это поле способно на расстоянии до нескольких метров зажигать газоразрядные лампы, а также в радиусе более десяти метров выводить из строя чувствительные к помехам электроприборы. Таким образом, даже на значительных расстояниях прибор несет реальную угрозу людям с кардиостимуляторами.
  • Кроме того, в процессе работы выделяется огромное количество озона, в Википедии написано, что озон — высокотоксичный газ, обладающий окислительными свойствами, который может привести к преждевременной смерти. Хорошая новость заключается в том, что озон эффективно убивает плесень и бактерии.
  • Не стоит также забывать, что молнии светят не только видимым светом, но и ультрафиолетом, который не особо полезен для глаз.
  • Также необходимо учесть, что установка генерирует шум (порядка 100 Дб на расстоянии 3 метров). Шум вызывает дискомфорт, а также может испугать ребенка.

Перед нами стояла непростая задача — превратить смертельно опасную установку в безопасный и увлекательный экспонат для детей. Было определены следующие средства защиты.

  • Работа экспоната — только в присутствии человека, ознакомленного с ТБ (ведущего).
  • Множественные автоматы, размыкатели и магнитный пускатель. Чтобы на катушку было подано напряжение, должно быть выполнено ряд условий, в частности, подан сигнал из щитка, ключ к которому имеет только ведущий. А вот обесточить установку может даже посетитель. Кроме того, установка отключается сама по реле времени через 40 с.
  • Установку поместили в клетку Фарадея. Клетка имеет собственное заземление и закрывается на замок. Данное средство защищает от молний, экранирует электромагнитное поле, а также выполняет функции надежного ограждения.
  • Перегородка из закаленного стекла толщиной 10 мм. Стекло поглощает ультрафиолет, а также, в комплексе с принудительной вытяжкой, предотвращает попаданию озона в зал с посетителями.
  • Стекло выступает в качестве звукоизоляционной перегородки, оно значительно (-10 Дб) снижает уровень звукового давления. Тем не менее, для маленьких посетителей были дополнительно заказаны шумоподавляющие наушники.

Хочу заметить, что Сергей А. по-своему трактовал назначение клетки Фарадея и стеклянной перегородки:

“В работе трансформатора Теслы прослеживалась некая элегантность, магическая притягательность, настолько, что его одновременно хотелось и показать всем, и не показывать никому, поэтому, следуя своему инстинктивному желанию обезопасить катушку от воздействий внешнего мира, было принято решение разместить ее в помещении без окон, внутри металлической клетки с дверью на замке и за стеной из толстого стекла”.

Как мы попали в UMBRELLA INC.


При включении катушки должна выполняться определенная последовательность. Вначале должен включиться и выйти на рабочий режим электродвигатель, и только после этого может подаваться питание на первичную обмотку. Мы нуждались в блоке управления, который бы обеспечил простой запуск установки, а также выполнял бы ряд других алгоритмов. Собирать устройство “на коленке” даже не рассматривали. Сформулировали ТЗ и обратились за помощью в одно конструкторское бюро “Y”. Наш заказ для них был мелким и совсем не интересным, но, учитывая социальную направленность проекта и малый объем работ, они согласились выполнить его безвозмездно. Мы оплатили только компоненты и изготовление плат на заводе.

Когда работа была завершена, электронщик, мило улыбаясь, протянул мне коробочки с платами. Вместо логотипа фирмы мы нашли скромную надпись “UMBRELLA”. Фирма отказалась от пиара, а электронщик от нашей благодарности.

Пуск и наладка

Все шло по плану. Все детали были изготовлены и становились на предназначенные им места без сюрпризов. Ну почти без сюрпризов. Дело в том, что у нас было желание регулировать частоту прерываний на разрядники. С этой целью для электродвигателя был приобретен частотник национального производства. Этот самый частотник отобрал у нас несколько дней работы, мы были втянуты в смешную, грустную и поучительную историю одновременно. Мораль сводилась к тому, что лучше не использовать частотные регуляторы национального производства. Если будут запросы в комментариях, частотнику будет посвящен отдельный пост с обзором и фотографиями вскрытия.

После отказа от частотного регулирования, установка заработала при первом же пуске. Теоретические расчеты Сергея полностью себя оправдали. Мы обрезали пол лишних витка первичной катушки и попали в резонанс. Все узлы работали штатно.

Ультрафиолет от молний ласкал наши лица, громкие рокоты радовали сердце. Запах озона разнесся по всему помещению площадью 150 м2. Мы поняли, что пора заканчивать работу. Следующие пуски было решено проводить уже в предназначенном помещении, со всеми оговоренными средствами защиты. Мы ждали только окончания строительных работ.

***

Когда ремонт помещения был завершен, у нас оставалось лишь две недели, чтобы установить катушку Тесла, выполнить все подключения и протестировать систему на надежность. Это был маленький срок, учитывая, что двое из трех членов команды имели постоянное место работы за пределами музея науки, а выполнять какие-либо операции в одиночку было нельзя.

Мы перенесли оборудование, выполнили все подключения, все перепроверили, подали питание на платы управление, включили все автоматы, торжественно нажали на кнопку и…
…и ничего не произошло. Вообще ничего. При поиске неисправностей обнаружили, что одна из фаз имеет напряжение 60 В вместо 220 В! К счастью, мы имели доступ ко всем трем фазам и смогли быстро переподключиться. Для нас вопрос решился быстро, а вот в здании, где располагается музей науки, треть оборудования не работала больше недели.

Настоящие трудности поджидали нас в блоке управления катушкой Тесла. Несмотря на то, что все входы и выходы к блоку были гальванически развязаны, а питание к разряднику подавалось по отдельной фазе, как только в разряднике проскакивала первая искра, блок управления сходил с ума. Он или сразу выключал катушку, или не выключал ее вообще, или выключал двигатель. Корень зла крылся в высокочастотных помехах, которые шли от катушки по проводам обратно в сеть. Импульсы были настолько сильны, что индуцировали помехи во всех соседних проводах. В предыдущих тестах мы раскладывали провода так, что они шли на удалении одни от других. Здесь же, согласно проекту дизайнеров, они шли по общим трубам. Нам пришлось внести изменения в проект. Мы вынесли плату управления из общего щита в отдельный заземленный шкаф. Но это ничего не изменило. Вот тут и начались танцы с бубном.

В поисках решений мы перепробовали все, даже прибегали к таким гомеопатическим средствам, как установка ферритовых колец и супрессоров. Время шло, а напряженность возрастала.

Периодически я брал своего старшего шестилетнего сына с собой. Пока мы работали, он весело проводил время в музее. Часто я не приходил, и большую часть работы ребята делали сами. Все с пониманием относились к моему семейному статусу.

В определенный момент к нам присоединился еще один энтузиаст, которого также звали Сергей. Этот парень оказался студентом университета, но весьма толковым. Появление третьего Сергея неожиданно положительным образом сказалось на эффективности нашей компании. С его участием мы установили основную причину неисправности. Слабым звеном оказался вход от кнопки пуска, единственной кнопки, которую должен нажимать посетитель. Мы еще раз изменили проект и провели кабель от кнопки к блоку управления в отдельной трубе. Дополнительно мы перепаяли несколько компонентов на плате. Изменили номиналы подтягивающих резисторов, а также одного резистора из блока подавления дребезга контакта. Эта мера сработала, и проблему мы устранили. Со спокойной душой мы встретили Новый Год вместе у меня дома.

Результат


Открытие экспоната произошло 4 января, с тех пор он штатно работает и развлекает посетителей. В СМИ появились пафосные заголовки: «Ученые восстановили катушку самого Никола Тесла», «Заработала самая большая катушка Тесла в Европе», «В центре Х появилась комната высоких энергий», “Ученые изобрели лекарство от рака” и т. д. Как конструктор, я не испытываю особой гордости по проекту, думаю, что для многих из читателей понятно, что с инженерной точки зрения это довольно простое устройство, выполненное к тому же с некоторыми огрехами.

Но очень приятно вспоминать сам процесс: наши встречи после работы, обсуждение концепций за дешевой буфетной пиццей, первый запуск, утомительную борьбу с неполадками и победы. Почему-то эти воспоминания пересекаются с разными событиями из раннего детства: как в 4 года сделал короткое замыкание в квартире, запихнув шпильку в розетку, как «починил» магнитофон брата, как из досок и гвоздей смастерил себе самолетик и пытался его запустить, как впервые взял в руки паяльник. Реализовав этот маленький проект, каждому из нас удалось воплотить мечты и чаяния детства. От этого мне становится очень тепло и приятно на душе, чем и хочу поделиться с вами.

UPD1

Добавил видео из первых пусков.


frost273

— тот самый Сергей А.

Катушка Тесла

Катушка Тесла представляет собой электрическую схему резонансного трансформатора, разработанную изобретателем Николой Теслой в 1891 году. [1] Она используется для производства высоковольтного , слаботочного и высокочастотного электричества переменного тока . [2] Тесла экспериментировал с рядом различных конфигураций, состоящих из двух, а иногда и трех связанных резонансных электрических цепей .

Тесла использовал эти схемы для проведения новаторских экспериментов в области электрического освещения , фосфоресценции , генерации рентгеновских лучей , явлений высокочастотного переменного тока , электротерапии и передачи электрической энергии без проводов . Схемы катушек Тесла коммерчески использовались в радиопередатчиках с искровым разрядником для беспроводной телеграфии до 1920-х годов [1] [3] и в медицинском оборудовании, таком как электротерапия и фиолетовые лучи.устройства. Сегодня они в основном используются для развлекательных и образовательных дисплеев, хотя небольшие катушки все еще используются в качестве течеискателей для высоковакуумных систем. [4] [5]

Первоначально в катушках Теслы использовались фиксированные или вращающиеся разрядники для обеспечения прерывистого возбуждения резонансного контура; в последнее время для обеспечения необходимого переключения используются электронные устройства. С твердотельными драйверами катушку Тесла можно использовать для генерации звуковых тонов, для создания музыкальных эффектов.

Катушка Тесла представляет собой радиочастотный генератор , который приводит в действие резонансный трансформатор с воздушным сердечником с двойной настройкой для получения высоких напряжений при малых токах. [3] [6] [7] [8] [9] [10] В оригинальных схемах Теслы, а также в большинстве современных катушек используется простой искровой разрядник для возбуждения колебаний в настроенном трансформаторе. Более сложные конструкции используют транзисторные или тиристорные [6] переключатели или электронные генераторы на электронных лампах для управления резонансным трансформатором.

Катушки Тесла могут производить выходные напряжения от 50  киловольт до нескольких миллионов вольт для больших катушек. [6] [8] [10] Выход переменного тока находится в диапазоне низких радиочастот , обычно между 50 кГц и 1 МГц. [8] [10] Хотя некоторые катушки с генератором генерируют непрерывный переменный ток , большинство катушек Тесла имеют импульсный выход; [6] Высокое напряжение состоит из быстрой последовательности импульсов радиочастотного переменного тока.

Специализированный трансформатор, используемый в цепи катушки Тесла, называемый резонансным трансформатором , трансформатором колебаний или радиочастотным (РЧ) трансформатором, работает иначе, чем обычный трансформатор, используемый в силовых цепях переменного тока. [12] [13] [14] В то время как обычный трансформатор предназначен для эффективной передачи энергии от первичной обмотки к вторичной, резонансный трансформатор также предназначен для временного хранения электрической энергии. Каждая обмотка имеет емкость и функционирует как LC-контур (резонансный контур, резонансный контур ) , накапливая колебательную электрическую энергию, аналогично тому, каккамертон накапливает механическую энергию колебаний. Первичная катушка (L1) , состоящая из относительно нескольких витков толстого медного провода или трубки, соединена с конденсатором (C1) через разрядник (SG) . [6] [7] Вторичная катушка (L2) состоит из множества витков (от сотен до тысяч) тонкой проволоки на полой цилиндрической форме внутри первичной обмотки. Вторичная обмотка не подключена к реальному конденсатору, но также функционирует как LC-контур, индуктивность (L2) резонирует с паразитной емкостью (C2) , сумма паразитных паразитных емкостеймежду обмотками катушки и емкостью тороидального металлического электрода, присоединенного к клемме высокого напряжения. Первичная и вторичная цепи настроены так, что они резонируют на одной частоте, имеют одинаковую резонансную частоту . [5] Это позволяет им обмениваться энергией, поэтому колебательный ток чередуется между первичной и вторичной обмотками. В физике эти две связанные колебательные схемы также известны как связанные генераторы.


Схема униполярной катушки Тесла. C2 не является фактическим конденсатором, но представляет собой паразитную емкость вторичных обмоток L2 плюс емкость тороидального электрода E по отношению к земле .Более подробная эквивалентная схема вторичной обмотки, показывающая влияние различных паразитных емкостей.Униполярная конструкция катушки широко используется в современных катушках. Первичная обмотка представляет собой плоскую красную спиральную обмотку внизу, вторичная обмотка представляет собой вертикальную цилиндрическую обмотку, намотанную тонкой красной проволокой. Клемма высокого напряжения представляет собой алюминиевый тор в верхней части вторичной обмотки.

Биполярная катушка, использовавшаяся в начале 20 века. Имеются две высоковольтные выходные клеммы, каждая из которых подключена к одному концу вторичной обмотки с искровым разрядником между ними. Первичная обмотка состоит из 12 витков толстого провода, расположенного посередине вторичной обмотки для предотвращения образования дуги между витками.

Большая катушка, создающая стримеры длиной 3,5 метра (10 футов), что указывает на потенциал в миллионы вольт. Твердотельная катушка Теслы DRSSTC с заостренным проводом, прикрепленным к тороиду для создания щеточного разряда

Простая схема с одной резонансной твердотельной катушкой Тесла, в которой заземляющий конец вторичной обмотки подает фазу тока обратной связи на транзисторный генератор.

Этапы разработки Теслой трансформатора Теслы около 1891 года. (1) Трансформаторы с закрытым сердечником, используемые на низких частотах, (2–7) перестановка обмоток для снижения потерь, (8) удаленный железный сердечник, (9) неполный сердечник, (10– 11) окончательный конический трансформатор Тесла, (12–13) схемы катушки Тесла [31] [32] [33] и Элиу Томсон [30] [34] [35] Катушка Тесла (разряд) Катушка Тесла в террариуме (I) Демонстрация прототипа двойной катушки Теслы Лаборатории молний в Неваде в масштабе 1:12 на выставке Maker Faire 2008 .

Типичная конфигурация цепи. Здесь искровой разрядник замыкает высокочастотный разряд на первом трансформаторе, на который подается переменный ток. Индуктивность, не показанная, защищает трансформатор. Эта конструкция предпочтительна, когда используется относительно хрупкий трансформатор неоновой вывески.

Альтернативная конфигурация схемы. Если конденсатор подключен параллельно первому трансформатору, а искровой разрядник последовательно подключен к первичной обмотке катушки Тесла, трансформатор питания переменного тока должен выдерживать высокое напряжение на высоких частотах.

Небольшая катушка Теслы более позднего типа в действии: на выходе вырабатываются искры диаметром 43 сантиметра (17 дюймов). Диаметр вторичной обмотки составляет 8 см (3,1 дюйма). Источник питания 10 000 В, 60 Гц с ограничением по току . Электрумовая скульптура, самая большая в мире катушка Теслы. Строитель Эрик Орр сидит внутри полого сферического высоковольтного электрода.

Мощный синусоидальный преобразователь EGS002 (EG8010+IR2110)

Синусоидальная инверторная плата SPWM-драйвера EGS002 EG8010 + IR2110 

Технические характеристики:

Напряжение питания цифровой части: 5v
Напряжение питания драйверов: 12v (для MOSFET лучше 20v)
Частота ШИМ(PWM): 23.4KHz
Тактовая частота контроллера: 12MHz
Возможность установки фиксированных значений частоты 50Hz и 60Hz
Плавное изменение частоты два режима 0-100Hz и 0-400Hz
Установка мертвого времени 4 фиксированных значения 300nS; 500nS; 1.0uS; 1.5uS
Плавный пуск(Soft-start)  время 1S
Обратная связь по напряжению, току, температуре
Защита от перегрузок и короткого замыкания
Униполярная и биполярная модуляция

EG8010 — это цифровой инвертор синусоидальной формы с полной функцией встроенного контроля времени. Это относится к двухступенчатой системе преобразования напряжения постоянного тока в переменный ток или одноступенчатой низкочастотной трансформаторной системе постоянного тока. EG8010 может достигать чистой синусоидальной волны 50/60 Гц с высокой точностью, использование внешнего кварцевого резонатора 12 МГц позволяет добиться малых гармонических и искажений. EG8010 — это КМОП-микросхема с встроенным синусоидальным генератором ШИМ, цепью контроля dead time, делитель диапазона, схема плавного пуска, защита цепи, последовательный порт связи RS232, 12832 ЖК-дисплея, и т.д..

EG8010 работает в двух режимах модуляции: униполярная и биполярная.
В режиме униполярной модуляции используется только одно плечо моста (EG8010 вывод SPWMOUT3, SPWMOUT4) на выход SPWM, а другой мостовой вывод (EG8010 контакт SPWMOUT1, SPWMOUT2) используется в качестве массы. Дроссель фильтра должен подключаться к выходу ключа моста SPWM, а цепь обратной связи — к выходу дросселя фильтра SPWM.
При биполярной модуляции оба выхода (EG8010 выводы SPWM3, SPWM4, SPWM1, SPWM2) используются для вывода SPWM. Использование двух дросселей приведет к лучшему результату, а цепь обратной связи обоих каналов  регулируется с помощью сдвоенного потенциометра.
EG8010 имеет встроенную защиту от скачков выходного напряжения при подключении нагрузки. Защита от перенапряжения установлена на 3,15В с задержкой 300мс. Защита от пониженного напряжения установлена на 2,75В с задержкой 3с.  

 

Электроника

Шаговый двигатель представляет собой «цифровую» версию электродвигателя. Ротор перемещается дискретными ступенями, как заданный, а не вращается непрерывно, как обычный двигатель. При остановке, но под напряжением, шаговый двигатель (короткий для шагового двигателя) удерживает свою нагрузку устойчивой с удерживающим моментом . Широкое распространение шагового двигателя за последние два десятилетия было обусловлено господством цифровой электроники. Современная твердотельная электроника для водителя была ключом к ее успеху. И, микропроцессоры легко взаимодействуют с цепями драйвера шагового двигателя.

Примером, предшественником шагового двигателя был сервомотор. Сегодня это более дорогое решение для высокопроизводительных приложений управления движением. Расход и сложность серводвигателя обусловлены дополнительными компонентами системы: датчиком положения и усилителем ошибок. (Рис. Ниже ). По-прежнему можно позиционировать тяжелые нагрузки за пределы степеней более низкого уровня мощности. Высокое ускорение или необычно высокая точность все еще требуют серводвигателя. В противном случае по умолчанию используется степпер из-за низкой стоимости, простой электроники привода, хорошей точности, хорошего крутящего момента, умеренной скорости и низкой стоимости.



Шаговый двигатель против серводвигателя.


Шаговый двигатель позиционирует головки чтения-записи в дисковод гибких дисков. Они когда-то использовались с той же целью в жестких дисках. Тем не менее, высокая скорость и точность, необходимые для современного позиционирования головки жесткого диска, диктуют использование линейного сервомотора (звуковой катушки).

Сервоусилитель представляет собой линейный усилитель с некоторыми сложными для интеграции дискретных компонентов. Для оптимизации усиления сервоусилителя и фазового отклика на механические компоненты требуется значительное проектное усилие. Драйверы шагового двигателя представляют собой менее сложные полупроводниковые переключатели, которые либо «включены», либо «выключены». Таким образом, контроллер шагового двигателя является менее сложным и дорогостоящим, чем контроллер серводвигателя.

Синхронные двигатели Slo-syn могут работать от напряжения сети переменного тока, как однофазный асинхронный двигатель с постоянным конденсатором. Конденсатор генерирует вторую фазу 90 o . При прямом сетевом напряжении мы имеем двухфазный привод. В эти дни чаще встречаются сигналы возбуждения биполярных (±) квадратных волн 2-24 В. Биполярные магнитные поля могут также генерироваться из однополярных ( однополюсников ) напряжений, подаваемых на чередующиеся концы отцентрированной обмотки центра. (Рисунок ниже ) Другими словами, DC можно переключить на двигатель, чтобы он увидел переменный ток. Когда обмотки включаются последовательно, ротор синхронизируется с последующим магнитным полем статора. Таким образом, мы рассматриваем шаговые двигатели как класс синхронного двигателя переменного тока.



Униполярный привод центральной запертой катушки на (b), эмулирует ток переменного тока в одиночной катушке (a).

 

Характеристики

Шаговые двигатели являются прочными и недорогими, потому что ротор не содержит обмоточных колец или коммутатора. Ротор представляет собой цилиндрическое твердое тело, которое также может иметь либо выступающие полюса, либо мелкие зубы. Чаще всего ротор представляет собой постоянный магнит. Определите, что ротор представляет собой постоянный магнит, при помощи беспилотного ручного вращения, показывающего крутящий момент , крутящие моменты. Катушки с шаговым двигателем наматываются в слоистый статор, за исключением конструкции штабеля . Там может быть всего лишь две фазы обмотки или целых пять. Эти фазы часто разделяются на пары. Таким образом, 4-полюсный шаговый двигатель может иметь две фазы, состоящие из линейных пар полюсов, расположенных на расстоянии друг от друга на расстоянии 90 o . Также могут быть несколько пар полюсов на фазу. Например, 12-полюсный степпер имеет 6 пар пар, по три пары на фазу.

Так как шаговые двигатели не обязательно вращаются непрерывно, нет рейтинга мощности. Если они вращаются непрерывно, они даже не подходят к дробной номинальной мощности hp. Они поистине небольшие устройства с малой мощностью по сравнению с другими двигателями. Они имеют номиналы крутящего момента до тысячи дюймов (дюйм-унций) или десять нм (ньютон-метры) для единицы измерения 4 кг. Небольшой шагомер размера «копейки» имеет крутящий момент в сотне нонтон-метра или несколько дюймов-унций. Большинство степлеров составляют несколько дюймов в диаметре с долей нм или несколькими крутящими моментами в унции. Имеющийся крутящий момент зависит от скорости двигателя, инерции нагрузки, крутящего момента нагрузки и электроники привода, как показано на кривой скорости и крутящего момента . (Рис. Ниже ) Напряжённый шаговый держатель имеет относительно высокий рейтинг удерживающего момента . Для работающего двигателя меньше крутящего момента, уменьшающегося до нуля на некоторой высокой скорости. Эта скорость часто не достижима из-за механического резонанса комбинации нагрузки двигателя.



Характеристики скорости шага.


Шаговые двигатели перемещаются на один шаг за шагом, шаг за шагом , когда изменяются формы возбуждения. Шаг угла связан с деталями конструкции двигателя: количеством катушек, количеством полюсов, количеством зубьев. Он может составлять от 90 o до 0,75 o , что соответствует от 4 до 500 шагов за оборот. Приводная электроника может уменьшать шаг шага на пол, перемещая ротор в полушагах .

Степперы не могут мгновенно получать скорости на кривой крутящего момента. Максимальная начальная частота — это максимальная скорость, с которой может быть запущен остановленный и незагруженный степпер. Любая нагрузка сделает этот параметр недостижимым. На практике ступенчатая скорость нарастает во время начала с намного ниже максимальной начальной частоты. При остановке шагового двигателя скорость шага может быть уменьшена до остановки.

Максимальный крутящий момент, при котором шаговый двигатель может запускать и останавливаться, представляет собой момент затяжки . Эта крутящая нагрузка на шаговый двигатель обусловлена ​​фрикционными (тормозными) и инерционными (маховиками) нагрузками на вал двигателя. Как только двигатель достигнет скорости, крутящий момент является максимальным устойчивым крутящим моментом без потери шагов.

Существует три типа шаговых двигателей в порядке возрастания сложности: переменное сопротивление, постоянный магнит и гибрид. Шаговый двигатель с переменным сопротивлением имеет твердотельный ротор из мягкой стали с выступающими полюсами. Шагомер с постоянным магнитом имеет цилиндрический ротор с постоянным магнитом. Гибридный степпер имеет мягкие стальные зубцы, добавленные к ротору постоянного магнита для меньшего угла шага.

Шаговый усилитель с переменной степенью

Шаговый двигатель с переменным сопротивлением полагается на магнитный поток, стремящийся к самому низкому пути сопротивления через магнитную цепь. Это означает, что мягкий магнитный ротор неправильной формы будет двигаться, чтобы закончить магнитную цепь, минимизируя длину любого воздушного зазора с высоким сопротивлением. Статор, как правило, имеет три обмотки, распределенные между парами полюсов, с четырьмя выступающими полюсами ротора с шагом 30 o . (Рис. Ниже ). Обесточенный шаговый двигатель без фиксирующего момента при повороте руки может быть идентифицирован как шаговый двигатель с переменным сопротивлением.



Трехфазные и четырехфазные шаговые двигатели с переменной нагрузкой.


Формы сигналов возбуждения для шага 3-φ можно увидеть в разделе «Двигатель сопротивления». Привод для шага 4-φ показан на рисунке ниже . Последовательное переключение фаз статора создает вращающееся магнитное поле, которое следует за ротором. Однако из-за меньшего числа полюсов ротора ротор движется меньше, чем угол статора для каждого шага. Для шагового двигателя с переменным сопротивлением шаг шага определяется следующим образом:

         Θ S = 360 o / N S
         Θ R = 360 o / N R
         Θ ST = Θ R - Θ S
         Где: Θ S = угол статора, Θ R = угол ротора, Θ ST = угол поворота
         N S = полюсы полюса числа, N P = полюсы числа роторов 



Последовательность шага для шагового переключателя с переменным сопротивлением.


На рисунке выше , переходя от φ 1 к φ 2 и т. Д., Магнитное поле статора вращается по часовой стрелке. Ротор перемещается против часовой стрелки (CCW). Заметьте, чего не бывает! Зубчатый ротор не перемещается к следующему зубцу статора. Вместо этого поле φ2 статора притягивает другой зуб при перемещении ротора CCW, который является меньшим углом (15 o ), чем угол статора 30 o . Угол зубца ротора 45 o входит в расчет по вышеуказанному уравнению. Ротор перемещал CCW на следующий роторный зуб при 45 o , но он выравнивается с CW на зубье статора 30 o . Таким образом, фактическим углом шага является разность между углом статора 45 o и углом ротора 30 o . Как далеко шатер будет вращаться, если ротор и статор имеют одинаковое количество зубов? Нулевая нотация.

При запуске с фазой φ 1 возбуждаются три импульса (φ 2 , φ 3 , φ 4 ), чтобы выровнять «пунктирный» зуб ротора до следующего зубца CCW Tooth, который равен 45 o . С 3-мя импульсами на зуб статора и зубьями 8-статора 24-импульсы или ступени перемещают ротор на 360 o .

Перевернув последовательность импульсов, направление вращения обратнее справа. Направление, скорость шага и количество шагов контролируются контроллером шагового двигателя, подающим драйвер или усилитель. Это можно объединить в одну плату. Контроллер может быть микропроцессором или специализированной интегральной схемой. Драйвер не является линейным усилителем, а простым выключателем, способным обеспечивать достаточно высокий ток для подзарядки шагового усилителя. В принципе, драйвер может быть реле или даже тумблером для каждой фазы. На практике драйвер представляет собой либо дискретные транзисторные переключатели, либо интегральную схему. Оба драйвера и контроллер могут быть объединены в единую интегральную схему, принимающую команду направления и шаговый импульс. Он последовательно выводит ток в соответствующие фазы.



Шаговый двигатель с переменным сопротивлением.


Разберите шагомер нежелательности для просмотра внутренних компонентов. В противном случае мы покажем внутреннюю конструкцию шагового двигателя с переменным сопротивлением на рисунке выше . Ротор имеет выступающие полюса, так что они могут притягиваться к вращающемуся полюсу статора при его переключении. Фактический мотор, намного длиннее нашей упрощенной иллюстрации.



Винт с вилочным захватом с переменным сопротивлением.


Вал часто снабжен винтом. (Рис. Выше ). Это может перемещать головки гибкого диска по команде контроллера флоппи-дисковода.

Шаговые двигатели с изменяемым сопротивлением применяются, когда требуется только умеренный крутящий момент и достаточно грубый угол поворота. Винт-диск, используемый в дисковод гибких дисков, является таким приложением. Когда контроллер включается, он не знает положения каретки. Тем не менее, он может приводить в движение каретку к оптическому прерывателю, калибруя положение, при котором край ножа разрезает прерыватель как «домашний». Контроллер подсчитывает шаговые импульсы из этого положения. Пока момент нагрузки не превышает крутящий момент двигателя, контроллер будет знать положение каретки.

Краткое описание: шаговый двигатель с переменным сопротивлением

  • Ротор представляет собой мягкий железный цилиндр с выступающими (выступающими) полюсами.
  • Это наименее сложный, самый недорогой шаговый двигатель.
  • Шаговый шаговый двигатель без вращающего момента в ручном вращении обесточенного вала двигателя.
  • Большой угол поворота
  • Вильный штырь часто крепится к валу для линейного ступенчатого движения.

Постоянные магниты

Шаговый двигатель с постоянным магнитом имеет цилиндрический ротор с постоянным магнитом. Статор обычно имеет две обмотки. Обмотки могут быть центрированы, чтобы обеспечить однополярную схему драйвера, где полярность магнитного поля изменяется путем переключения напряжения от одного конца к другому из обмотки. Для питания обмоток без центрального крана требуется биполярный привод с переменной полярностью. Чистый шагомер с постоянным магнитом обычно имеет большой угол шага. Вращение вала обесточенного двигателя демонстрирует момент затяжки. Если угол фиксации большой, например, от 7,5 до 90 o , он, скорее всего, является усилителем с постоянным магнитом, а не гибридным шаговым двигателем (следующий подраздел).

Для шаговых двигателей с постоянными магнитами требуются фазированные переменные токи, применяемые к двум (или более) обмоткам. На практике это почти всегда квадратные волны, генерируемые из постоянного тока твердотельной электроникой. Биполярный привод представляет собой квадратные волны, чередующиеся между полярностями (+) и (-), например, от +2,5 В до -2,5 В. Униполярный привод подает (+) и (-) переменный магнитный поток на катушки, разработанные из пары положительных квадратов Волны, приложенные к противоположным концам отцентрированной катушки. Время биполярной или униполярной волны — волновой привод, полный шаг или половинный шаг.

Волновой привод



Последовательность волнового привода PM (a) φ 1 +, (b) φ 2 +, (c) φ 1 -, (d) φ 2 -.


Концептуально простейшим приводом является волновой привод . (Рис. Выше ). Последовательность поворота слева направо положительна. Φ-1 точка северного полюса ротора вверх, (+) φ-2 точки ротора на север справа, отрицательный φ-1 притягивает ротор к северу вниз, (-) φ-2 точки ротора влево , Приведенные ниже волновые формы показывают, что за один раз возбуждается только одна катушка. Хотя это просто, это не создает столько крутящего момента, как другие приводы.



Форма волны: биполярная волна.


Сигналы (рис. Выше ) являются биполярными, поскольку обе полярности (+) и (-) управляют степпиром. Магнитное поле катушки меняет направление вращения, поскольку полярность тока возбуждения меняется на противоположную.



Волновые формы: однополярный волновой привод.


Сигналы формы (рис. Выше ) являются униполярными, поскольку требуется только одна полярность. Это упрощает электронику привода, но требует в два раза больше драйверов. В два раза больше осциллограмм, потому что требуется пара (+) волн для создания переменного магнитного поля при приложении к противоположным концам отцентрированной катушки. Мотор требует переменные магнитные поля. Они могут быть получены либо однополярными, либо биполярными волнами. Однако моторные катушки должны иметь центральные краны для униполярного привода.

Шаговые двигатели с постоянным магнитом изготавливаются с различными конфигурациями свинцовых проволок. (Рисунок ниже )



Схемы подключения шагового двигателя.


4-проводный двигатель может управляться только биполярными сигналами. 6-проводный двигатель, наиболее распространенный вариант, предназначен для однополярного привода из-за центральных ответвлений. Хотя это может быть вызвано биполярными волнами, если центральные краны игнорируются. 5-проводный двигатель может управляться только однополярными волнами, так как общий центральный кран вмешивается, если обе обмотки подключены одновременно. 8-проводная конфигурация редка, но обеспечивает максимальную гибкость. Он может быть подключен для однополярного привода, как для 6-проводного или 5-проводного двигателя. Пара катушек может быть подключена последовательно для высоковольтного биполярного привода с малым током или параллельно для низковольтного высокоточного привода.

Бифилярная обмотка производится путем намотки катушек параллельно двумя проводами, часто красной и зеленой эмалированной проволокой. Этот метод обеспечивает точное соотношение оборотов 1: 1 для центральных резьбовых обмоток. Этот метод обмотки применим ко всем, кроме 4-проводного устройства выше.

Полный привод

Полный шаговый привод обеспечивает больше крутящего момента, чем волновой привод, потому что одновременно оба катушки включаются. Это привлекает полюсы ротора на полпути между двумя полюсами поля. (Рисунок ниже )



Полный шаг, биполярный привод.


Полноступенчатый биполярный привод, как показано на рисунке выше, имеет тот же шаг, что и волновой привод. Для однополярного привода (не показан) требуется пара однополярных сигналов для каждого из вышеуказанных биполярных сигналов, применяемых к концам обмотки с центральным ответвлением. Униполярный привод использует менее сложную и менее дорогостоящую схему драйвера. Дополнительная стоимость биполярного привода оправдана, когда требуется больше крутящего момента.

Пошаговый привод

Шаг угла для данной геометрии шагового двигателя разрезается пополам с помощью полушагового привода. Это соответствует удвоенному количеству импульсов на оборот. (Рис. Ниже ). Половина ступеней обеспечивает большее разрешение при размещении вала двигателя. Например, при половинном шаге двигателе, перемещающем печатающую головку на бумаге струйного принтера, будет вдвое больше плотности точек.



Половина этапов, биполярный привод.


Привод на половину шага представляет собой комбинацию волнового привода и полного шагового привода с одной закрученной обмоткой, за которой следуют оба обмоток, приносящие в два раза больше шага. Ниже приведены однополярные формы сигналов для полушагового привода. Ротор выравнивается с полюсами поля, как для привода волн, так и между полюсами, как для полного шагового привода.

Микросхема возможна со специализированными контроллерами. Изменяя токи на обмотки синусоидально, многие микрошаги могут быть интерполированы между нормальными положениями.

строительство

Конструкция шагового двигателя с постоянным магнитом значительно отличается от чертежей выше. Желательно увеличить число полюсов за пределы, показанное для получения меньшего угла шага. Также желательно уменьшить количество обмоток или, по меньшей мере, увеличить количество обмоток для простоты изготовления.



Шаговый двигатель с постоянным магнитом, 24-полюсная конструкция из нержавеющей стали.


Шагомер с постоянным магнитом (рис. Выше ) имеет только две обмотки, но имеет 24 полюса в каждой из двух фаз. Этот стиль конструкции известен как может складываться . Фазовая обмотка обертывается мягкой стальной оболочкой, пальцы доставляются в центр. Один этап, на временной основе, будет иметь северную сторону и южную сторону. Каждая сторона обертывается к центру пончика с двенадцатью переплетенными пальцами в общей сложности 24 полюса. Эти чередующиеся пальцы с севера на юг будут привлекать ротор постоянного магнита. Если полярность фазы была обращена вспять, ротор скакал бы 360 o / 24 = 15 o . Мы не знаем, в каком направлении, что не полезно. Однако, если мы активизируем φ-1, за которым следует φ-2, ротор будет двигаться на 7.5 o, потому что φ-2 смещается (поворачивается) на 7.5 o от φ-1. См. Ниже смещение. И, если фазы чередуются, он будет вращаться в воспроизводимом направлении. Применение любой из вышеперечисленных осциллограмм приведет к вращению ротора постоянного магнита.

Обратите внимание, что ротор представляет собой серый ферритовый керамический цилиндр, намагниченный в 24-полюсном образце. Это можно просмотреть с помощью магнитной пленки-зрителя или железных опилок, нанесенных на бумажную упаковку. Хотя, цвета будут зелеными для северного и южного полюсов с пленкой.



(A) Внешний вид стека, (b) подробная информация о смещении поля.


Конструкция стиля стека шагового типа шагового генератора является отличительной и легко идентифицируемой уложенными «банками». (Рисунок выше ) Обратите внимание на смещение вращения между двумя фазовыми секциями. Это ключ к тому, что ротор следует за переключением полей между двумя фазами.

Описание: шаговый двигатель с постоянным магнитом

  • Ротор — постоянный магнит, часто ферритовый гильза намагничена многочисленными полюсами.
  • Конструкция из нержавеющей стали обеспечивает множество полюсов из одной катушки с чередующимися пальцами из мягкого железа.
  • Скользящий угол от большой до умеренной.
  • Часто используется в компьютерных принтерах для продвижения бумаги.

Гибридный шаговый двигатель

Гибридный шаговый двигатель сочетает в себе функции как шага с переменной степенью сопротивления, так и шагового двигателя с постоянным магнитом для создания меньшего угла шага. Ротор представляет собой цилиндрический постоянный магнит, намагниченный вдоль оси радиальными мягкими железными зубами (рис. Ниже ). Катушки статора наматываются на чередующиеся полюса с соответствующими зубьями. Обычно между фазовыми парами распределены две фазы обмотки. Эта обмотка может быть центрирована для однополярного привода. Центральный кран достигается за счет бифилярной обмотки , пары проводов, повернутых физически параллельно, но проводящихся последовательно. Полюсы север-юг полярности фазовой подстановки, когда ток возбуждения фазы меняется на противоположный. Для несъемных обмоток требуется биполярный привод.



Гибридный шаговый двигатель.


Обратите внимание, что 48-зубцы на одной секции ротора смещены на половину высоты от другого. См. Подробности полюса ротора. Это смещение зубьев ротора также показано ниже. Благодаря этому смещению ротор эффективно имеет 96 чередующихся полюсов противоположной полярности. Это смещение допускает вращение в 1/96 th шагов вращения, изменяя полярность поля одной фазы. Двухфазные обмотки являются общими, как показано выше и ниже. Хотя, может быть целых пять фаз.

Зубы статора на 8-полюсах соответствуют зубам 48-ротора, за исключением отсутствующих зубьев в пространстве между полюсами. Таким образом, один полюс ротора, скажем, южного полюса, может совпадать с статором в 48 различных положениях. Однако зубы южного полюса смещены от северных зубов на половину зуба. Поэтому ротор может совмещаться с статором в 96 различных положениях. Это смещение половины зуба показано в деталях полюса ротора выше или на рисунке ниже .

Как бы это было недостаточно сложно, основные полюсы статора делятся на две фазы (φ-1, φ-2). Эти фазы статора смещены друг от друга на одну четверть зуба. Эта деталь видна только на принципиальных схемах ниже. В результате ротор движется с шагом четверти зуба, когда фазы чередуются под напряжением. Другими словами, ротор движется в 2 × 96 = 192 шага за оборот для вышеупомянутого шагового устройства.

Вышеприведенный чертеж представляет собой настоящий гибридный шаговый двигатель. Однако мы приводим упрощенное графическое и схематическое представление (рисунок ниже ), чтобы проиллюстрировать детали, не очевидные выше. Обратите внимание на уменьшенное количество катушек и зубьев в роторе и статоре для простоты. На следующих двух рисунках мы попытаемся проиллюстрировать вращение четвертого зуба, вызванное двумя фазами статора, смещенными на четверть зуба, и смещением половины зуба ротора. Квадратное смещение статора зуба в сочетании с синхронизацией тока привода также определяет направление вращения.



Схема гибридного шагового двигателя.

Особенности схемы гибридного шагового двигателя (рисунок выше )

  • Верх ротора с постоянным магнитом — южный полюс, нижний север.
  • Зубы ротора с севера на юг смещены на половину зуба.
  • Если статор φ-1 временно находится под напряжением северной вершины, южный дно.
  • Верхние зубья статора φ-1 выровнены на север к южным зубам ротора.
  • Нижние зубья φ-1 ‘статора выровнены на юг к северным зубам ротора.
  • Достаточный крутящий момент, приложенный к валу для преодоления момента затяжки, приведет к перемещению ротора на один зуб.
  • Если полярность φ-1 была изменена на обратную, ротор будет двигаться на половину зуба, неизвестное направление. Выравнивание было бы южным верхом статора до дна северного ротора, северным дном статора до южного ротора.
  • Зубцы статора φ-2 не совпадают с зубьями ротора при включении φ-1. Фактически, зубцы φ-2 статора смещены на четверть зуба. Это позволит вращать эту величину, если φ-1 обесточен и φ-2 под напряжением. Полярность φ-1 и привода определяет направление вращения.



Последовательность вращения гибридного шагового двигателя.


Гибридное вращение шагового двигателя (рис. Выше )

  • Верх ротора — это постоянный магнит на юг, внизу север. Поля φ1, φ-2 переключаются: включены, выключены, обратные.
  • ( A ) φ-1 = on = north-top, φ-2 = off. Выравнивание (сверху вниз): φ-1 stator-N: ротор-топ-S, φ-1 ‘stator-S: ротор-снизу-N. Начальное положение, вращение = 0.
  • (B) φ-1 = off, φ-2 = on. Выровнять (справа налево): φ-2 stator-N-right: rotor-top-S, φ-2 ‘stator-S: rotor-bottom-N. Поверните 1/4 зуб, общее вращение = 1/4 зуба.
  • (C) φ-1 = reverse (on), φ-2 = off. Выравнивание (снизу вверх): φ-1 stator-S: ротор-нижний-N, φ-1 ‘статор-N: ротор-топ-S. Поверните 1/4 зуба из последнего положения. Общее вращение от начала: 1/2 зуб.
  • Не показано: φ-1 = выключено, φ-2 = обратное (включено). Выровнять (слева направо): общее вращение: 3/4 зуб.
  • Не показано: φ-1 = on, φ-2 = off (то же, что и (a)). Выровнять (сверху вниз): общее вращение 1 зуб.

Недействующий шаговый двигатель с крутящим моментом затяжки является либо шаговым двигателем с постоянным магнитом, либо гибридным шаговым двигателем. Гибридный шаговый двигатель будет иметь малый угол поворота, что намного меньше, чем 7,5 ° от постоянных магнитов. Шаг угла может составлять долю в градусах, что соответствует нескольким сотням шагов за оборот.

Описание: гибридный шаговый двигатель

  • Шаг угла меньше, чем переменный уровень сопротивления или шаговый двигатель с постоянными магнитами.
  • Ротор — это постоянный магнит с тонкими зубцами. Северные и южные зубы смещены на половину зуба для меньшего угла шага.
  • Полюсы статора имеют соответствующие тонкие зубцы того же тона, что и ротор.
  • Обмотки статора разделены на не менее двух фаз.
  • Полюсы одной обмотки статора смещены на четверть зуба для еще меньшего угла шага.

Как работает катушка Теслы

Катушка Теслы известна тем, что вырабатывает чрезвычайно высокое напряжение. В этом разделе мы объясним, как 10-дюймовая катушка oneTesla может достигать напряжения более четверти миллиона вольт с помощью связанных резонансных цепей. Мы будем строить из основ, чтобы дать вам подробное объяснение того, что происходит.

Содержание:

Ток, магнитные поля и индукция

Начнем с основ электромагнетизма.Одно из уравнений Максвелла, закон Ампера, говорит нам, что ток, протекающий по проводу, создает вокруг него магнитное поле.

 Если мы хотим использовать это магнитное поле в своих интересах, как мы это делаем в электромагните, мы наматываем провод. Магнитные поля от отдельных витков складываются в центре.

 Постоянный ток создает статическое магнитное поле. Что происходит, когда мы пропускаем переменный ток через провод? Другое уравнение Максвелла, закон индукции Фарадея, говорит нам, что магнитное поле, изменяющееся во времени, индуцирует напряжение на проводе, пропорциональное скорости изменения магнитного поля:

Если ток внезапно отключится, закон Фарадея говорит нам, что произойдет резкий скачок напряжения.Если через катушку протекает колебательный ток, он индуцирует внутри нее колеблющееся магнитное поле. Это, в свою очередь, индуцирует напряжение на катушке, которое имеет тенденцию противодействовать управляющему току. Интуитивно понятно, что магнитное поле «упорно», индуцируя напряжение, которое препятствует любому изменению поля.

Трансформаторы

Трансформатор использует закон индукции для повышения или понижения переменного напряжения. Он состоит из двух витков проволоки вокруг сердечника. Сердечник изготовлен из мягкого железа или феррита, материалов, которые легко намагничиваются и размагничиваются.

Колебательный ток в первичной обмотке создает колеблющееся магнитное поле в сердечнике. Ядро концентрирует поле, гарантируя, что большая его часть проходит через вторичное. Когда магнитное поле колеблется, оно индуцирует колебательный ток во вторичной катушке. Напряжение на каждом витке провода одинаково, поэтому общее напряжение на катушках пропорционально количеству витков:

.

Поскольку энергия сохраняется, ток на стороне трансформатора с более высоким напряжением меньше в той же пропорции.

 Катушка Тесла — очень продвинутый трансформатор. Давайте кратко рассмотрим, что произошло бы, если бы это был идеальный трансформатор. Первичная обмотка имеет шесть витков, а вторичная около 1800 витков. На первичную обмотку подается напряжение 340 вольт, поэтому на вторичной обмотке будет 340 В x 300 = 102 кВ. Это много! Но не совсем четверть миллиона. Кроме того, поскольку катушка Тесла имеет воздушный сердечник, а катушки расположены относительно далеко друг от друга, лишь небольшая часть магнитного поля, создаваемого первичной обмоткой, фактически связана с вторичной обмоткой.Чтобы лучше понять, что происходит, нам нужно ввести резонансные цепи.

Резонансные схемы

Резонансный контур подобен камертону: он имеет очень сильную амплитудную характеристику на одной конкретной частоте, называемой резонансной или собственной частотой. В случае камертона зубцы сильно вибрируют при возбуждении с частотой, определяемой его размерами и свойствами материала. Резонансный контур достигает самых высоких напряжений при работе на собственной частоте, которая определяется значением его компонентов.

В резонансных цепях используются конденсаторы и катушки индуктивности, поэтому они также известны как LC-цепи. Они также известны как «резервуарные контуры» из-за присутствующих элементов накопления энергии.

Конденсаторы хранят энергию в виде электрического поля между двумя пластинами, разделенными изолятором, известным как диэлектрик. Размер конденсатора зависит от размера пластин, расстояния между ними и свойств диэлектрика. Интересно, что верхняя нагрузка на катушке Теслы действует как однопластинчатый конденсатор, а плоскость заземления, окружающая катушку, действует как противолежащая пластина.Емкость верхней нагрузки определяется ее размерами и близостью к другим объектам.

Катушки индуктивности хранят энергию в виде магнитного поля вокруг провода или в середине петли провода. Первичный индуктор в катушке oneTesla 10” состоит из шести витков провода AWG14, а вторичный — примерно из 1800 витков провода AWG36.

LC-цепь может иметь катушку индуктивности и конденсатор, соединенные последовательно или параллельно. Здесь мы используем последовательные LC-схемы, например:

.

 Рассмотрите, что происходит, когда вы не управляете цепью (предположим, что источник переменного тока на приведенном выше рисунке заменен проводом), а начинаете с заряженного конденсатора.Конденсатор хочет разрядиться, поэтому заряд течет по цепи через катушку индуктивности к другой пластине. При этом внутри катушки индуктивности создается магнитное поле. Когда заряд на каждой пластине конденсатора равен нулю, ток прекращается. Но в этот момент индуктор имеет энергию, накопленную в магнитном поле, которое имеет тенденцию противодействовать изменениям. Магнитное поле разрушается, индуцируя непрерывный ток в том же направлении, тем самым перезаряжая конденсатор и перезапуская цикл в противоположном направлении.

Резонансная частота LC-контура или частота, при которой энергия циклически циркулирует между конденсатором и катушкой индуктивности, как описано выше, составляет:

 

Возбуждение цепи на ее резонансной частоте добавляет энергии в течение каждого цикла. Обеспечивая последовательность своевременных толчков, мы можем достичь чрезвычайно высокого напряжения! В катушке Тесла вспыхивает искра и разряжает цепь, как только напряжение становится достаточно высоким.

DRSSTC

10-дюймовая катушка oneTesla использует топологию с двойным резонансом, отсюда и название твердотельной катушки Тесла с двойным резонансом, или DRSSTC.В DRSSTC цепь, управляющая вторичной LC-цепью, представляет собой другую LC-цепь, настроенную на ту же резонансную частоту. На следующей диаграмме L pri и L sec являются первичной и вторичной катушками индуктивности соответственно. Они слабо связаны, связывая около одной десятой своих магнитных полей.

Есть несколько причин, по которым катушки Тесла не используют магнитный сердечник. Прежде всего, напряжения в катушке Теслы настолько высоки, что сердечник быстро насыщается, а это означает, что он больше не будет намагничиваться после определенной точки.Кроме того, большинство материалов создают сопротивление и нагреваются в магнитном поле, которое быстро переключается, как в случае с катушкой. Высокое напряжение, создаваемое катушкой, также может привести к возникновению дуги на сердечнике. Но самое главное, очень важно, чтобы первичная и вторичная катушки были слабо связаны, чтобы вторичная обмотка не нагружалась первичной.

 

 

 

 

Полумост

Как нам заинтересовать праймериз? Мы используем источник постоянного напряжения и прикладываем напряжение в переменных направлениях к первичной обмотке.

 Переключатели, которые мы используем для подачи постоянного напряжения в переменном направлении на первичную обмотку, представляют собой IGBT, сокращение от биполярных транзисторов с изолированным затвором. IGBT — это транзистор, способный управлять очень высокими напряжениями и токами. Это его условное обозначение:

.

 

Его клеммы обозначены коллектором, затвором и эмиттером как пережиток электронных ламп до эпохи транзисторов. Упрощенная модель IGBT представляет собой нормально открытый ключ, который закрывается при подаче положительного напряжения на затвор (VGE).На следующей схеме полумоста S1 и S2 представляют IGBT. Они попеременно включаются и выключаются, что переключает полярность шины V /2 на первичной обмотке L и первичной обмотке C , первичной дроссельной заслонке и конденсаторе. 10-дюймовая катушка oneTesla питается от напряжения шины 340 В постоянного тока, которое мы получаем от выпрямленного и удвоенного линейного напряжения.

 

На плате управления мы получаем напряжение шины от выпрямленного и удвоенного линейного напряжения. Мы подробно рассмотрим эту часть схемы позже.

 

 

 

 

Бестоковое переключение

Когда IGBT полностью включены (переключатели замкнуты), они являются почти идеальными проводниками. Когда они полностью выключены (переключатели полностью разомкнуты), они являются почти идеальными изоляторами. Однако, когда они находятся в переходном состоянии между полностью открытым и полностью закрытым или наоборот, они ведут себя как резисторы. Напомним, что количество мощности, рассеиваемой в цепи, равно P=VI.Если мы попытаемся переключить IGBT при большом токе в цепи, то он сильно нагреется! Мы должны рассчитать время переключения IGBT на естественное пересечение нуля первичной LC-цепи. На плате oneTesla мы достигаем переключения с нулевым током, определяя первичный ток и используя логику управления, чтобы убедиться, что транзисторы переключаются в нужное время.

Управление воротами

БТИЗ далеки от идеальных переключателей. Мы хотим, чтобы они переключались быстро, чтобы свести к минимуму время, в течение которого они оказывают сопротивление и рассеивают мощность.Проблема с быстрым переключением затворов заключается в том, что они имеют значительную внутреннюю емкость, и требуется много заряда, чтобы заполнить эту емкость и достичь напряжения включения на затворе (напряжение конденсатора определяется выражением V=Q/C ).

 

Чтобы зарядить CGE за как можно более короткое время, мы хотим использовать короткий сильноточный импульс. ИС привода затвора предназначены именно для этого. Мы используем микросхемы UCC3732x, которые могут выдавать до 9 А для коротких импульсов. Логическая схема, предшествующая драйверам затворов, даже близко не способна обеспечить достаточный ток для быстрого включения затворов, поэтому драйверы затворов являются важными компонентами.Наконец, нам нужно изолировать драйверы затвора от IGBT с помощью трансформаторов управления затвором (GDT). Каждому IGBT для включения требуется напряжение затвора, которое должно быть приложено между его затвором и эмиттером. Это легко сделать на нижнем (нижнем) IGBT-транзисторе — его эмиттер всегда заземлен, а это означает, что его затвор нужно только довести до +15 В. С IGBT верхнего (верхнего) IGBT все не так просто, потому что его эмиттер связан с коллектором IGBT нижнего плеча, узел, который колеблется между 0 и V шиной /2 (которая в нашем случае 170 В). ).Это означает, что нам нужно подвести затвор IGBT верхнего плеча к шине V /2 + 15 В, чтобы включить его.

 

К счастью, есть простой способ обойти это! Мы можем управлять первичной обмоткой трансформатора 1:1:1 с помощью (биполярного) управляющего сигнала, полученного от двухтактной пары UCC. В частности, мы управляем первичной обмоткой трансформатора с разницей выходов инвертирующего и неинвертирующего драйвера затвора. Это гарантирует, что в половине случаев этот сигнал будет положительным, а в половине – отрицательным.Благодаря действию трансформатора напряжение на каждой вторичной обмотке GDT гарантированно будет повторять напряжение на первичной обмотке, независимо от того, где мы соединяем концы. Это означает , что мы можем просто подключить вторичную обмотку к затвору и эмиттеру каждого IGBT и гарантировать, что V ge всегда будет колебаться от 0 до 15 В (независимо от потенциала эмиттера).

 

Выпрямитель и удвоитель

 

Полумост в oneTesla управляется сдвоенным выпрямителем, как показано на схеме выше.Этот выпрямитель поочередно заряжает каждый конденсатор на чередующихся полупериодах входного переменного тока, что приводит к удвоению напряжения источника на нагрузке. В положительной части цикла верхний диод проводит и заряжает верхний конденсатор.

 

 

 

 

В отрицательной части цикла нижний диод проводит и заряжает нижний конденсатор. Напряжение на нагрузке представляет собой сумму напряжений на каждом конденсаторе.

 

 

Логика
Как упоминалось ранее, логика управления необходима для определения первичного тока и предотвращения включения и выключения IGBT, когда через них проходит ток. Давайте пройдемся по приведенной выше схеме слева направо. (Обратите внимание, что номера деталей на схеме не соответствуют номерам на плате, но мы используем их здесь только в пояснительных целях. Полную информацию см. в файлах Eagle, доступных по адресу http://onetesla.com/downloads. схематический.)

Трансформатор тока снижает первичный ток до безопасного уровня для использования в логической части платы. R1 — это резистор мощностью 5 Вт, который нагружает трансформатор и ограничивает ток. D1 начинает проводить, когда сигнал превышает 5,7 В, что представляет собой напряжение на шине плюс прямое падение напряжения на диоде, что эффективно предотвращает превышение сигнала 5,7 В. D2 начинает проводить, когда сигнал составляет -0,7 В. Вместе D1 и D2 являются защитными диодами, которые ограничивают сигнал и предотвращают повреждение логических ИС, если сигнал от трансформатора тока слишком высокий.Затем G1 и G2 являются инверторами, которые выравнивают сигнал для последующих ИС.

Оптический приемник выдает 5 В или 0 В в зависимости от сигнала прерывателя. Резисторы R1, R2 и R3 образуют сеть резисторов, которая гарантирует, что катушку можно «щекотать» в работу только сигналом прерывателя при запуске, в отсутствие сигнала обратной связи. Когда катушка только запускается, сигнала обратной связи нет, но сигнал прерывателя поступает на UCC. Когда катушка работает, сигнал обратной связи доминирует в верхней части сигнального пути.

Инвертированный сигнал прерывателя и прямоугольная волна квадратичного сигнала первичного тока затем подаются на триггер D-типа, который выполняет логику, определяющую, когда драйверы затвора получают сигнал. Они включаются только при переходе через нуль, а также при наличии сигнала от прерывателя. D-триггер ведет себя согласно следующей таблице истинности:

В нашей схеме \PRE и D имеют высокий уровень. Инвертированный сигнал прерывателя, подаваемый на \CLR, устанавливает \Q в высокий уровень, когда прерыватель включен.Когда прерыватель выключается, \Q остается на высоком уровне до следующего спадающего фронта CLK (который синхронизирован с переходом через ноль первичного тока), после чего он переключается на низкий уровень.

Драйвер инвертирующего затвора включается, когда IN высокий, а EN низкий. Драйвер неинвертирующего затвора включается, когда IN имеет высокий уровень, а EN высокий уровень.

 

Прерыватель
Прерыватель oneTesla — это устройство на базе микроконтроллера, которое преобразует входящий поток MIDI-команд в поток импульсов для катушки Тесла.Эти импульсы включают или выключают всю катушку, тем самым контролируя пропускную способность и позволяя воспроизводить музыку.

Команды MIDI принимаются через входной разъем MIDI. Согласно спецификациям MIDI, оптоизолятор 4N25 обеспечивает изоляцию, необходимую для устранения контуров заземления. Когда микроконтроллер получает команду включения ноты, он начинает выводить поток импульсов с частотой ноты. Длины этих импульсов задаются таблицей поиска в прошивке. Прерыватель использует отдельные MIDI-каналы для одновременного воспроизведения нескольких нот — для воспроизведения двух каналов программное обеспечение просто генерирует последовательности импульсов, соответствующие каждому каналу, а затем выполняет логическую функцию ИЛИ над последовательностями импульсов перед их выводом.Ограничение максимальной длительности импульса гарантирует, что результирующий поток не будет иметь слишком длинных импульсов.

Регулятор мощности линейно масштабирует ширину импульса в зависимости от положения потенциометра. Хотя это не дает линейной длины искры, оно имеет преимущество в предсказуемом масштабировании потребляемой мощности катушки, функция, которая была бы потеряна, если бы кривые масштабирования были настроены для линейного роста искры.

Так как он делает музыку?

Звук – это волна давления.Его высота определяется частотой волны. Мы можем издавать звук разными способами: обычные динамики вибрируют мембраной, а катушки Тесла используют расширение и сжатие воздуха за счет нагрева от плазмы.

Резонансная частота вторичной обмотки составляет около 230 кГц, что намного выше звукового диапазона. Мы можем использовать всплески искр на частоте 230 кГц для создания волн давления на звуковой частоте. Всплеск искр срабатывает на каждом пике звукового сигнала. Быстрое вспыхивание искр происходит быстрее, чем может разглядеть ваш глаз, поэтому оно выглядит непрерывным, но на самом деле искра формируется и гаснет с интервалами звуковой частоты.Этот метод модуляции известен как модуляция плотности импульсов (PDM) или модуляция с повторением импульсов (PRM).

Ток в первичной обмотке продолжает увеличиваться, пока работает мост. Важно сделать всплески достаточно короткими, чтобы IGBT не перегревались. В течение одного цикла ток на первичной обмотке может кратковременно достигать сотен ампер. Из-за тепловых причин максимальный рабочий цикл моста составляет примерно 10%. В программном обеспечении прерывателя есть справочная таблица частот и времен включения, которые определяются эмпирически путем изменения ширины импульса и наблюдения за искровыми характеристиками.

 

 

Биполярная катушка Теслы с самым высоким напряжением

Согласно Книге рекордов Гиннеса,

Максимальное выходное напряжение биполярной катушки Тесла составляет 500 000 вольт. 21 ноября 2015 г. Дуги катушки Теслы были настроены, чтобы позволить ей гармонировать с другими элементами ансамбля катушек Теслы, названного AudioTesla.

Полный список рекордов 2015 года можно найти в Книге рекордов Гиннеса 2015 года в США.

Пожалуйста, выберите страну из списка соответствующих записей:

AfghanistanAlbaniaAntarcticaAlgeriaAndorraAntigua и BarbudaAzerbaijanArgentinaAustraliaAustriaBahamasBahrainBangladeshCaribbean NetherlandsArmeniaBarbadosBelgiumBermudaBhutanBoliviaBosnia и HerzegovinaBrazilBelizeVirgin IslandsBruneiBulgariaMyanmarBelarusCambodiaCameroonCanadaCayman IslandsCentral африканского RepublicSri LankaChileChinaTaiwanColombiaComorosRepublic из CongoDemocratic Республики CongoCosta RicaCroatiaCubaCyprusCzech RepublicDenmarkDominican RepublicEcuadorEl SalvadorEthiopiaEstoniaFaroe IslandsFalkland (Мальвинских) островов FijiFinlandFranceFrench PolynesiaGabonGeorgiaPalestinian TerritoryGermanyGibraltarGreeceGreenlandGuamGuatemalaGuyanaHoly Престол (Ватикан) ГондурасВенгрияИсландияИндияИндонезияИранИракИрландияИзраильИталияЯмайкаЯпонияКазахстанИорданияКенияСеверная КореяКувейтКыргызстанЛиванЛесотоЛатвияЛиберияЛивияЛихтенштейнЛитваЛюксембургМадагаскарМалайзияМальдивыМалиМальтаМор itiusMexicoMonacoMongoliaMoldovaMoroccoMozambiqueOmanNamibiaNauruNepalNetherlandsNew ZealandNicaraguaNigeriaNorfolk IslandNorwayUnited Штаты Экваторияльная IslandsMicronesiaMarshall IslandsPakistanPanamaPapua Новый GuineaParaguayPeruPhilippinesPolandPortugalPuerto RicoQatarReunionRomaniaRwandaSan MarinoSaudi ArabiaSenegalSerbiaSeychellesSingaporeSlovakiaVietNamSloveniaSomaliaSouth AfricaZimbabweSpainSudanSwedenSwitzerlandSyriaTajikistanThailandTogoTongaTrinidad и TobagoUnited арабских EmiratesTunisiaTurkeyTurkmenistanTurks и Кайкос IslandsUgandaUkraineMacedoniaUnited KingdomJerseyIsle из ManTanzaniaUnited StatesUruguayUzbekistanVenezuelaSamoaYemenZambiaRussia

Изображения по теме

Строительство биполярного тесла катушки

Конструкция биполярного тесла катушки

Высокое напряжение электрошокового пистолета Transformer…

Биполярные катушки Тесла: экспериментальные …

Биполярная катушка Тесла без заземления …

Конструкция биполярной катушки Тесла

Самая большая музыкальная биполярная катушка Тесла …

Другие рекорды США, которые могут вас заинтересовать:

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка браузера на прием файлов cookie

Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее распространенные причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Предоставить доступ без файлов cookie потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только та информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, если вы не решите ввести его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступ к остальной части вашего компьютера, и только сайт, создавший файл cookie, может его прочитать.

Король катушек — Мои гиперлокальные новости

Король катушек

Доктор Хэнк электризует образование

Сара Саха, корреспондент Black Canyon Bullet

«Я должен покормить домашнего кота», — говорит Генри Харрас когда он идет наполнять дозатор кошачьего корма.Мое внимание привлекла стопка виниловых пластинок рядом с раздаточным устройством; наверху была запись Карла Бема симфоний Моцарта. Вскоре из-за какого-то оборудования осторожно вылезает кот.

Три стула с мягкой обивкой, стол с пластиковой крышкой и диспенсер кажутся неуместными посреди этого пространства, которое представляет собой нечто среднее между большим гаражом и маленькой мастерской. На металлическом верстаке разбросаны автомобильные запчасти и инструменты, а тут и там разбросаны музыкальные усилители разных размеров.

Американский флаг висит на южной стене вместе с флагом военнопленных/пропавших без вести. Под флагами стоит большое хитроумное приспособление — биполярная катушка Теслы с самым высоким напряжением в мире, на 500 000 вольт. Катушка была построена прямо здесь, в Блэк-Каньон-Сити, штат Аризона; и в настоящее время сертифицирован официальным сертификатом мировых рекордов Гиннеса.

Доктор Генри Харрас, известный под псевдонимом Хэнк, строит биполярные катушки Теслы, как некоторые строят модели самолетов. Он начал заниматься изготовлением катушек после того, как шестиклассник совершил экскурсию в обсерваторию Гриффита в Лос-Анджелесе, где впервые увидел катушку Тесла.Он построил свою первую катушку еще в 1969 году в возрасте 12 лет — маленькую монопольную катушку.

Харрасс с гордостью говорит о своей первой катушке. «Я получил награду на научной ярмарке округа Ориндж, — вспоминает он. С тех пор он строит катушки. Он рассказал, как он всегда «пытался превзойти своего друга» в продолжающемся соперничестве, и катушки становились все больше и больше, кульминацией чего стала знаменитая «Катушка Hellcat» в 2015 году.

(на фото слева ; Стейси Лейн и Сара Саха из Black Canyon Bullet поддерживают демонстрацию, а AudioTesla Hellcat, предоставленная Dr.Хэнк – в центре.)

«Мне потребовался год, чтобы построить катушку Hellcat; Я даже не знал, сработает ли это», — комментирует Хуррас. Но он понял это, привел ученых, чтобы засвидетельствовать катушку и подтвердил ее сертификат Книги рекордов Гиннеса.

Катушка ни в коем случае не является новым изобретением; на самом деле, он существует уже более века и является одним из многих новых творений изобретателя и инженера-электрика Николы Теслы, который также разработал радио- и радарные волны, флуоресцентные лампы и систему распределения переменного тока, используемую сегодня в наших домах.

Тесла бесповоротно изменил область электроники и наше понимание электричества. Как отмечает Харрас, первое крупное изобретение Теслы — электрический многофазный двигатель переменного тока, или индукторный двигатель и генератор, — сделало электричество доступным для повседневного использования в любых условиях. Усугубленное яростным соперничеством между Николой Теслой и Джорджем Вестингаузом (не говоря уже о Томасе Эдисоне), введение в конце 19 го века систем распределения электроэнергии позволило передавать электрическую энергию в масштабах, позволяющих обеспечить внутреннее освещение в каждом доме. .Это историческое соперничество вошло в историю как «Война токов».

Понять, как ток может перемещаться на большие расстояния, оказалось сложнее, чем предполагалось. Харрасс скрупулезно объяснял, как работает трансформатор, используя автомобильные детали для проведения аналогий и делая пометки на формовочном столе, чтобы понять, как работает его биполярная катушка Теслы. По сути, можно либо понизить (уменьшить), либо повысить (увеличить) напряжение трансформатора, манипулируя соотношением входного и выходного (или первичных и вторичных витков провода).По его словам, независимо от количества витков соотношение должно оставаться постоянным. Электрический ток входит, чтобы выйти в виде тепла; и то, что входит, должно выйти, хотя и преобразованным, как предписывает название устройства. Если электричество должно перемещаться на большее расстояние, то необходимо увеличение напряжения, сохраняя при этом постоянное соотношение вход-выход.

Идеальный трансформатор имеет коэффициент один к одному, но катушка Тесла Харраса имеет гораздо более высокий коэффициент, с большим количеством витков на вторичном проводе и меньшим количеством витков на первичном проводе.Указывая на толстый черный провод, шесть раз опоясывающий внешнюю часть катушки, он объясняет: «Он толстый, потому что через него проходит большой ток».

Наконец, Харрас запускает машину, демонстрируя сначала меньшую биполярную катушку Тесла, а затем катушку Адского кота. Ему требуется немного времени, чтобы «найти свою «золотую середину», естественную частоту вибрации». Это называется резонансом, и он есть у всего; это просто удар по нему.

Повозившись с небольшим ноутбуком, несколькими проводами и несколькими амперами, катушка Теслы начинает воспроизводить музыку в сопровождении светового шоу.Он был создан для воспроизведения высококачественного (читай: практически оглушающего) звука. Это аудио- и световое шоу «два в одном», а шоу Hellcat Coil намного, намного громче, живее и, безусловно, более впечатляющее. Выбор музыки эклектичен: от рок-н-ролла до кантри и классики.

Доктор Харрасс управляет своим «магазином» в Блэк-Каньон-Сити, где он живет последние 22 года. «Скажем так: я жил здесь до того, как на этом холме появились другие дома!» — сообщает он со смехом — искренним смехом.Сейчас он на пенсии, работал в энергокомпании на строительстве подстанций. Он указал, что линии, проходящие через Блэк-Каньон-Сити, идут к электростанциям, расположенным на всем пути от Пейджа на одном конце до Холбрука на другом.

Катушка Hellcat привлекла внимание людей со всего мира. Доктор Харрас упоминает трех врачей из Румынии, мужчину из Дании и ребенка из Болгарии как недавних посетителей. Количество дроп-инов увеличивается во время Western Winter Teslathon, проводимого в Black Canyon City.

Сейчас Харрас посвящает много времени обучению детей электричеству, показывая ученикам начальной и средней школы свои катушки Тесла. Он считает, что путешествие в шестом классе является неотъемлемой частью этого этапа его жизни, на котором он надеется также изменить траекторию интеллектуальной жизни детей.

Номерной знак доктора Хэнка Харраса, пожалуй, лучше всего описывает опыт посещения его лаборатории: абсолютно, необъяснимо, чудесно «БЕЗУМНО».

Для получения дополнительной информации посетите; www.audiotesla.org или свяжитесь с доктором Хэнком по электронной почте [email protected]

Дополнительные заметки от доктора Хэнка –

Никола Тесла был блестящим и плодовитым изобретателем, который в конце 1800-х изобрел такие вещи, как Многофазный (переменный) электрический асинхронный двигатель, намного превосходящий электродвигатель постоянного тока Эдисона, современная система распределения электроэнергии, которую мы используем сегодня, радар, беспроводная передача энергии и флуоресцентные лампы — это лишь некоторые из них. Вероятно, в наших домах нет ни одного прибора, который не был бы связан с одним или несколькими патентами Николы Теслы.Однако с годами его имя стало тенью для других, и до недавнего времени он практически не получал признания за свои многочисленные изобретения.

Одна из моих целей — научить нашу молодежь достижениям Николы Теслы. Наши дети — будущее Америки. Я не могу не подчеркнуть, насколько важно изучать историю, науку и физику в юном возрасте. Эти знания и навыки, полученные благодаря этому, вполне могут привести к успешной и приятной карьере и жизни.

Биполярная катушка Теслы HELLCAT от Audiotesla и награда «Рекорд Гиннеса»™ строить, строить правильно.

Итак, около пяти лет назад мы (Audiotesla) построили одну из первых в мире биполярных катушек Теслы со звуковой модуляцией. Мы были очень довольны результатами. Несмотря на то, что изначально спроектировать и построить его немного сложнее, простота эксплуатации не подлежит сомнению. Эта относительно небольшая катушка (масштабная версия нынешней катушки HELLCAT примерно в одну десятую) оказалась очень надежной и стала основой для проектирования и изготовления гораздо большей катушки HELLCAT Tesla.

Однажды вечером, вдохновленные давним другом Джимом О’Мэлли, мы решили, что если построить что-то большое – это хорошо, то построить что-то действительно большое – еще лучше.(Вот почему мы любим Джима). Так почему бы не построить самую большую биполярную музыкальную катушку Теслы в мире? Требования заключались в том, что эта катушка Теслы не только должна быть больше, чем нынешний обладатель рекорда Гиннеса™, но и должна, так сказать, стереть старый рекорд с поля. И это именно то, что мы сделали. Мы знали, что эта новая катушка Тесла также будет значительно громче, чем модель катушки в масштабе одна десятая. Поэтому, если меньшая катушка заставит нашего магазинного кота «Сквирт» уйти в дикую природу, мы подумали, что новая катушка, вероятно, вызовет раздражение у горных львов в этом районе! В это время мы также восхищались новым Dodge Hellcat Challenger Джима, когда сказали: «Эй, почему бы нам не назвать новую катушку «HELLCAT Audiotesla; самая большая, самая крутая, самая мощная музыкальная биполярная катушка Теслы в мире, и точка!»

Ну, это заняло около года работы, но наши усилия в конце концов окупились.27 октября 2015 года мы инициировали первые разряды молнии от биполярной катушки Теслы HELLCAT. 21 ноября 2015 года мы провели официальное открытие в Блэк-Каньон-Сити, штат Аризона. В мероприятии приняли участие и стали свидетелями инженеры-электрики, ученые и друзья.

После этого мы заполнили необходимые документы для оспаривания действующего на тот момент обладателя Рекорда Гиннеса™. (Ребята из Гиннеса требуют много доказательств, доказательств, фотографий, видео и т. д.)

29 марта 2016 года мы получили одобрение престижной Книги рекордов Гиннеса™.Это был действительно захватывающий день и один из лучших дней, которые только могли быть.

В заключение я хотел бы поблагодарить своих друзей за их поддержку и поддержку, в том числе Джима О’Мэлли, Брюса Комба и мою жену Шаррон.

 

Уникальная музыкальная катушка Теслы поступит в продажу!

Постоянная выставка, которая поразит зрителей всех возрастов видами и звуками

Джефф Килинг

Это должно быть более захватывающим, чем любой экспонат. Краеведческий музей всегда принимал у себя, завораживая любопытных пульсирующими электрическими дугами и ошеломляя их песнями, производимыми, по сути, скорострельными миниатюрными раскатами грома.

Кристофер Хупер работает над звуковой частью катушки Теслы, которая станет новым постоянным мастерством! выставка в июле.

В первую неделю июля музей по адресу 315 E. Main St. в центре Джонсон-Сити представит единственную биполярную музыкальную катушку Теслы в любом музее США — и самое мощное подобное устройство в мире, — сказал исполнительный директор Энди Маркварт.

«Это показывает, куда мы собираемся двигаться как общественная организация», — сказал Маркварт. «Мы собираемся привнести новые вещи с нашим новым объектом, и это своего рода беглый взгляд на более динамичные экспонаты, больше способов обучения и другие вещи, которые люди могут не испытать.

Созданная инженером из Аризоны Эриком Гудчайлдом и специалистом по звуку Кристофером Хупером, катушка станет постоянным экспонатом. Как уникальная машина стоимостью 72 000 долларов была передана в дар Hands On! это отдельная история, как и множество планов и надежд, которые Маркварт возлагает на его использование. То же касается и интересной жизни и наследия Николы Теслы, а также того, как Тесла повлиял на жизнь благодетеля Hands On, в данном случае отставного инженера из Арканзаса по имени Ричард Матиас.

Наконец, есть история о том, как подарок с его пиковой мощностью в 200 000 вольт и его жуткой способностью воспроизводить песни, варьирующиеся от «Рокки Вершины» до «Зала Горного Короля», может повлиять на устремления местной молодежи.

«Речь идет о любопытстве и повседневной осведомленности, а также о людях, которые по-разному смотрят на окружающий мир», — сказал Маркварт. «Это то, что мы хотим сделать».

Энди Маркварт.

На выставке, рассчитанной примерно на 30 человек, будет взиматься дополнительная плата в размере 2 долларов США, и посетители смогут увидеть 15-минутное представление. После видеоролика о Тесле сотрудник объяснит науку об электричестве в целом и катушках Теслы в частности. Впечатление завершится тем, что зрители выберут одну из 18 песен, которые может воспроизводить катушка, в комплекте с молниеносными дугами электричества и нотами, воспроизводимыми так же, как естественная молния производит гром.

Ричард Матиас

Когда Маркварт познакомился с ним, Ричард Матиас был отставным инженером General Electric, работавшим в правлении Среднеамериканского научного музея в Хот-Спрингс, штат Арканзас, а Маркварт был зеленым кандидатом (27 лет) на открытый пост исполнительного директора. Матиас что-то увидел в Маркварте и помог добиться его найма. Он не жалеет об этом, сказал Матиас в среду.

«Я твердо верю в способность Энди воплотить в жизнь замечательные вещи в любом музее, директором которого он является», — сказал Матиас.«Я знал, что он очень оценит выставку катушки Теслы и хорошо представит ее в вашем музее».

Матиас увидел свою первую катушку Тесла в обсерватории Гриффита в Лос-Анджелесе в 1950-х годах. Это вдохновило его на карьеру в области электротехники, и его увлечение странным и одаренным изобретателем (1856-1943) сохранилось. Матиас предоставляет соответствующие средства для программы GE, по которой катушки Теслы поставляются в различные музеи по всей стране.

«Я надеюсь, что это приведет людей к большему признанию многих замечательных вкладов Николы Теслы в человечество», — сказал Матиас о катушке Джонсон-Сити.Среди многих других вещей, Тесле приписывают изобретение электроэнергии переменного тока (типа, используемого в сети) и концепции, лежащей в основе радио.

Инженер Эрик Гудчайлд работает над проводкой катушки в своей лаборатории в Аризоне.

«Я надеюсь, что это вдохновит молодых людей сделать карьеру в науке и технике. Это будет ультрасовременная музыкальная катушка, которая обязательно произведет впечатление на зрителей», — сказал Матиас.

Так каким же образом металлические стержни восьми футов высотой на обоих концах катушки, увенчанные странными кольцами, будут воспроизводить звук дуэльных банджо, играющих «Вершину скалы», при этом излучая ослепительные электрические вспышки?

Матиас сказал, что первичная катушка резонирует с частотой около 55 000 циклов в секунду, действуя как камертон и синхронизируясь с вторичной катушкой.Goodchild разрабатывает модули, генерирующие различные частоты, которые будут летать по дуге в воздухе от одного тороида к другому на расстоянии почти пяти футов. Тороиды действуют как конденсаторы, очень быстро накапливая его, а затем высвобождая. Разные частоты создают разные уровни сжатия воздуха вокруг них, что, в свою очередь, соответствует «нотам» в музыке.

Если песня достаточно проста, две катушки могут посылать свои звуковые частоты с быстрыми изменениями без необходимости в дополнительном «аккомпанементе».Более сложные песни будут сочетать записанную музыку, идущую через динамики, со звуком из катушки Теслы.

Marquart искренне верит, что выставка сочетает в себе сложное и повседневное таким образом, что это может вдохновить молодых людей.

«Каждый день вы находитесь рядом с катушкой Теслы и можете не знать об этом. Мини-катушка Тесла находится в вашем автомобиле — она называется свечой зажигания. Тот же принцип».

Биполярная катушка Теслы близится к завершению в лаборатории.

Музей планирует предложить его в качестве дополнения к школьным экскурсиям.Маркварт сказал, что если это может вдохновить некоторых детей из групп риска, в том числе тех из «цикла бедности» в сельской местности, который, по его словам, менее задокументирован, но так же реален, как и городской, Маркварт сказал, что он будет удовлетворен.

«У детей часто нет такой возможности подумать, что они могут быть даже автомеханиками или сантехниками», — сказал он. «Когда они приезжают сюда, если они могут усвоить эту основную идею сборки чего-либо, вы способствуете разрыву этого цикла и вдохновляете их на то, о чем они, вероятно, никогда не думали до своего визита сюда.

Marquart также ожидает поступления доходов от выставки, которые помогут Hands On! финансировать другие его функции. Он уверен, что прохожие в музее не смогут устоять перед тем, чтобы не заглянуть за старинные стальные двери, когда услышат странные, громкие электрические песни и увидят, как другие выходят из выставки, говоря о том, что они только что видели.

 

биполярных катушек Теслы — K.R. Scott.pdf

  • BipolarTeslaCoils:

    ExperimentersGuide

    K.R.Scott

  • Copyright2016
  • ПРЕДИСЛОВИЕ Thistextisnotmeanttobeadetailedengineeringdocumentonhighvoltagedevices.Itiswrittenfor

    educationalandinformationalpurposesonly.Thereisnohighlevelmath, theoryoranalysis.Thecontentsareacollectionofempiricalexperiencefrommakinghighvoltageequipmentovertheyears.Thereisanenormousamountofinformationonlineandinbooksforthosewhowantthereallytechnicalstuff.Whenbuildingthesedevices, youcanonlycalculateenoughdetailtogetyouintotheballpark, andthenitisalittletrialanderror, goodengineeringpractice, тестирование, fixingandre-тестирование.Это не углубленное исследование, а базовые гайки и болты. Я инженер на пенсии (наполовину на пенсии), и, по сути, речь идет о забавном факторе, позволяющем нашему любопытству уйти в небытие, повеселиться и быть в безопасности.

    Привет, K.R.Scott

  • HighVoltageExperimenterSeries Уиллоу-TechPublishing

    Copyright2016K.R.Scott Copyright2016Allrightsreserved.Nopartofthispublicationmaybereproduced, storedinaretrievalsystem, ortransmittedinanyform, orbyanymeans, электронные, механические, фотокопии, записаны, или иными, withoutthepriorwrittenpermissionofthecopyrightowner.

    ОТКАЗ Theauthorandpublisherhavemadereasonableefforttopresentthisinformationasclear, conciseandaccurateaspossible.However, theycannotbeheldresponsiblefortheuseormiss-useofthismaterial.Wearenotliableforanydamagesincluding (butnotlimitedto), моральный вред propertydamageorlegaldisputesarisingfromtheuseofinformationcontainedinthisbook.DONOTUSETESLACOILSAROUNDPACEMAKERS, INSULINPUMPS, ORHEARINGAIDS.

  • Биполярная катушка Тесла, проданная CENCO 1920s

    Я купил эту катушку на Ebay.

    За исключением очистки, он в очень хорошем состоянии. Я использовал программу TeslaCAD для расчета номинала конденсатора, подключил его к искровому разряднику и трансформатору 9 кВ/30 мА, и он отлично работал после 95 лет!

    Катушка CencoBipolarTeslaCoil

  • Катушка BipolarTeslaCoil работает в волновом режиме, тогда как типичные катушки вертикальной конфигурации с заземленным нижним концом катушки работают в волновом режиме.TheWaveTeslaCoilhasthesecondarycoilgroundedandisslightlymoresensitivetotuningandcouplingthanaBipolarTeslaCoil.OnBipolarCoilsthecouplingisinthecenterareaofthesecondarywithlessproblemofracingsparkstypicallycausedbytootightcouplinginthewavecoiland / orinsulationbreakdown.Awavecoilcanbemoredangerousasinsomeconfigurations, ifthereisashort, oraconductivespark (racingsparks) 60Hzcurrentcanbecarriedonthesecondaryshighfrequencycurrent (lessisolationbetweenprimaryandsecondary) .Thereisoneincidentinthe1910s, whenthishappenedtoastageperformerandhewaselectrocuted.Биполярная катушка Тесла действует как анизолятор, поскольку вторичная обмотка не заземлена и не изолирована от первичной катушки. Биполярная катушка Тесла обеспечивает лучшую производительность, чем волновая катушка, и разряды более впечатляющие. Вы можете заставить биполярную катушку работать в волновом режиме, заземлив один конец.

  • Рис. B представляет собой схему, которую я предпочитаю, так как искровой разрядник используется не только в качестве рабочего искрового разрядника, но и в качестве предохранительного зазора.Onethingthatcanbedone, especiallywithdoorknobtypeceramiccapacitors, istoaddacoupleoffenderwashersseperatedbyanutoneachendofthecaptoactasaheatsink.Capacitorscanalsobepottedinparaffinforextrainsulationandtheparaffinabsorbsalotofheatbeforeitwillmeltandactsasaheatsink.Youcanalsotrydifferentcombinationsofparaffinandcanolaoil.Beeswaxworksverywell.Manyoftheoldhighvoltagecoilsanddeviceswhereinsulatedusingamixtureofbeeswaxandrosin.Beeswaxandlinseedoilwillmakeakindofselfhealinginsulationgel.Tryvarousmixturesmeltedtogethertogettheconsistancyyouwant.Масло канолы используется в качестве подложки для некоторых высоковольтных изоляционных масел. Это одна из нетоксичных замен ПХД (полихлорированные бифенилы).

  • Одна из экспериментальных катушек Tesla.

    GЭлектропитание

    PПервичный приводной трансформатор

    SВторичный приводной трансформатор

    A, BSparkGapЭлектроды

    MЛистовая слюда, расположенная рядом с электродом для обеспечения потока воздуха.

    C,CLeydenJars(Selectedforequalcapacitancevalue

    a,b-Искровой разрядник тщательно отрегулирован.

    K,K-Выход вторичной катушки высокого напряжения/высокой частоты.

  • ThisisaschematicofElihuThomsons (1853-1937) DisruptiveDischargeCoilbasedonTeslaspatent # 454,662.Drivetransformer: 15-20kV.Compressedairquenchedsparkgap.Primary: 15-20turnsheavycopperwire.Secondary: 150turnsfinewireiswoundonaglasscylinder.Thecoilswhereemergedinatankofboiledlinseedoil.Thiscoilproduced150kV.SomeofThomsonslatercoilsproducedsparksover60incheslong.

    ЗАЗОРНИК

    Искровой разрядник сработает вместо искрения, если ток, проходящий через него, станет слишком высоким.e.usingaMOT (MicrowaveOvenTransformertypically2,500volt @ 500maor5,000voltsDC (whenusingthediodeandcapacitorvoltagemultiplierthatwasinthemicrowaveoven.APoleLinetransformers (PolePig) wiredbackwardswillincinerateasmallorpoorlymadesparkgaps.IfyouaregoingtousethismuchenergytodrivetheTeslacoilyouneedtousearotarysparkgapormulti-gap.Inthiscase, theelectrodesneedtobetungstenandaircooled.Note: Thesetypesoftransformersaremoredangerousthanneonsignoroilignitiontransformers.Whenanaccidentalcontactoccurs, thereisaveryhighprobabilityofelectrocutionorattheleaseverybadburns.Другими опасностями, связанными с искровыми разрядниками, являются акустический/электрический шум, сильный ультрафиолетовый свет, опасность поражения электрическим током, пожар и производство больших количеств озона и оксидов азота. Озон имеет очень резкий запах. Вам нужна хорошая вентиляция и свежий воздух.

  • НЕКОТОРЫЕ ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ О ЗАЖИГАХ

    Многозазорные лучше, чем однозазорные.

    Вращающиеся зазоры — самые эффективные зазоры.

    Зазорэлектродныематериалыигеометрическиеэффекты.

    Лучший электродематериалвольфрам.Торированный вольфрам и электрод для точечной сваркидешевле.

    SparkGapsнеобходимо охлаждать.

    Воздушное тушение работает хорошо, а при использовании сухого азота еще лучше.

    Вы можете погасить искровой разрядник сильными редкоземельными магнитами.

    Искровой разрядник постоянно горит открытым (более широкий зазор) и требует регулировки

    Никогда не регулируйте искровой разрядник с подключенной вилкой питания и никогда не полагайтесь на выключение, так как они могут закоротить изнутри.

    Всегда разряжайте конденсатор бака или оставляйте планку заземления, так как крышки могут регенерировать заряд!

    Не смотрите на щель, операция жесткого УФ может сжечь сетчатку (сварщики ожоги похожи на песок и в глаза, где их нет).

    Единственный статический парковочный зазор должен быть отрегулирован как можно шире, но при этом работать надежно.

    Серийные зазоры скорректированы ближе друг к другу.

    БЕЗОПАСНОСТЬ

    Лучшее онлайн-издание по безопасности TeslaCoil было создано несколькими намотчиками и доступно в виде документа htm по адресу:

    http://www.pupman.com/safety.htm

    Вы можете зарегистрироваться по телефону:

    http://[email protected]

    На этом сайте представлены сотни койлеров.Много материала от действительно отличных койлеров.

    Ниже приведены некоторые из общих проблем безопасности:

  • Опасность поражения электрическим током, особенно от цепи привода высокого напряжения, искрового разрядника, первичной катушки.

    Также имейте в виду, что в случае короткого замыкания на землю ток более низкой частоты 60 Гц может проходить через вторичную катушку вместе с высокочастотным током высокого напряжения. Был сценический исполнитель, который работал с большой катушкой Тесла, которая была поражена электрическим током в начале 1900-х годов таким образом.Nevertrustaswitch, ALWAYSunplugthecoilandputashortingwireacrossthecapacitor (ы) .ThedischargesfromthecoilcancauseburnsfromheatandinsomecasesRFburns.Dischargescancausefirewhencombustiblematerialsarepresentandanexplosionifcombustiblefumesareinthearealikeacetone, cleaningsolvents, PVCglue.IhavewitnessedoneexplosionofaPVCsecondarycoilthatwasputtogetherwithPVCglueandtheresidualvaporswhereignitedinsidethecoilform (voiceofexperience) .ThehighvoltagedischargesfromthesparkgapandcoilterminalwillcreatehardUVlight, ozoneandnitrogenoxides.Озон раздражает горло и носовые пазухи, а оксиды азота могут образовывать азотную кислоту в сочетании с влагой в легких и вызывать химически индуцированную пневмонию.

    Опасность шума от искрового промежутка и разрядов высокого напряжения, особенно вращающихся искровых промежутков. Вы можете быть поражены электрическим током от электростатического заряда, который может остаться на поверхности вторичной катушки (особенно если это большая катушка с большой площадью поверхности) после отключения катушки Тесла.

  • DriveTransformer: NeonType9kV / 30mA

    SecondaryCoilwinding2.4×10 # 26AWG520Turns

  • PrimaryCoil: [email protected]/2Turns

    Конденсатор: 2ea1000pF / 20kVinparallel = 2000PF

    DualStaticSparkGap (SteelandBrass)

    ThecalculationswheremadeusingTeslaCAD для этой конкретной области BipolarTeslaCoila:

    Автор:RichardChapman

    http://www.richardsplace.net/tesladownload.htm

    Примечание. Эта программа будет работать с Windows10

  • Намотка/количество витков для 1 дюйма и деление на # витков для получения хорошего диаметра провода. Пример: #26AWGis52 витков/дюйм, разделенных на один = 0,01923. Установите расстояние между витками: 0.

  • Расчет значения конденсатора для согласования линий.

    TeslaMapi — другая популярная программа САПР.

    http://www.teslamap.com/download.html

  • Maintarycoils: TuneSat11Turns

    Конденсатор: 2ea.1000pf / 20kvtotalcapacitance2000pf

    Проверено / Emportedwith9kv / 30maneontransformer.

    Фронтальная панель ящика из твердой древесины.

  • Электроды изготовлены из паяльного стержня с резьбой 8-32 резьбы с резьбовыми латунными шариками на концах.

  • Сборка катушки BaTESLA | Журнал Nuts & Volts


     

    Мне нравится смотреть на патенты прошлого и часто думать, что изобретатель сделал бы с современным оборудованием.Недавно я просматривал патенты Теслы, описывающие печально известную катушку Теслы, и задавался вопросом, как г-н Тесла реализовал бы свою концепцию беспроводной передачи энергии, если бы у него был доступ к электронным компонентам 21-го века, таким как транзисторы и диэлектрики. Я всегда хотел построить катушку Тесла, но меня отталкивала утомительная настройка искровых промежутков и работа с опасно высокими напряжениями. Я решил попробовать построить что-то на основе оригинальной катушки Теслы, используя гораздо более низкое и безопасное входное напряжение, которое, по крайней мере, могло бы быть достаточно мощным, чтобы наслаждаться эффектами Теслы, такими как беспроводное освещение ближайших КЛЛ (компактных люминесцентных ламп), и изучить концепцию.Эта статья представляет собой обзор того, как я приступил к созданию собственной версии твердотельной настольной катушки, похожей на Теслу, с использованием обычных готовых деталей. Он не совсем осветит город, но играть с ним очень весело.

     

    Чем отличается этот дизайн?

    Я не собираюсь подробно объяснять и объяснять теорию этой технологии. Вместо этого я попрошу вас посетить любой из многочисленных интернет-сайтов, освещающих специфику. Достаточно сказать, что в обычной катушке Тесла первичная и вторичная катушки индуктивности имеют общую ось и расположены близко друг к другу.Таким образом, магнитное поле, создаваемое одним индуктором, может генерировать ток в другом.

    Схема в Рисунок 1 показывает основные компоненты катушки Тесла.

    РИСУНОК 1.


    Первичный генератор (или колебательный контур) состоит из плоской спиральной катушки индуктивности с несколькими витками, конденсатора, источника напряжения для зарядки конденсатора и переключателя или разрядника для соединения конденсатора с катушкой индуктивности. Вторичный генератор содержит большую плотно намотанную катушку индуктивности с множеством витков и конденсатор, образованный землей на одном конце и выходной клеммой (обычно сферой или тороидом) на другом.

    Высоковольтный источник питания заряжает конденсатор. Когда конденсатор достигает достаточно высокого напряжения, искровой разрядник срабатывает. Искровой разрядник подобен выключателю в том, что он проводит, когда напряжение становится высоким, и выключается, когда напряжение падает. Когда искровой разрядник срабатывает, энергия, накопленная в конденсаторе, сбрасывается в повышающий трансформатор 1:100. Первичка — около 10 витков толстого провода. Вторичная обмотка — около 1000 витков тонкого провода. С этим соотношением, если вы подаете 10 000 вольт, вы получаете 1 000 000 вольт.Все это происходит со скоростью более 120 раз в секунду, часто создавая множественные разряды во многих направлениях.

    Катушка BaTESLA не использует колебательный контур для колебаний и, что, пожалуй, лучше всего, имеет функцию автонастройки. В моей конструкции PIC генерирует частоту и подает ее на первичную катушку с помощью мощного NPN-транзистора, который ограничивает максимальный потенциал в зависимости от характеристик устройства. Обычные биполярные силовые транзисторы рассчитаны на напряжение от 100 до 200 вольт.Я обнаружил, что возбуждение первичной обмотки на высокой частоте с использованием напряжения от источника всего 12 В приводит к упомянутым выше эффектам, подобным Тесла.

    Более поздние конструкции катушки Тесла представляют собой твердотельные устройства, в которых используются силовые МОП-транзисторы или устройства IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором), которые могут создавать очень высокие потенциалы без необходимости использования электромеханических устройств для передачи энергии на первичную обмотку. Эти конструкции очень дороги, чрезвычайно сложны и очень опасны в работе.

    Сложность любой конструкции Теслы заключается в том, чтобы заставить резонировать первичную и вторичную катушки. Именно здесь дизайн, описанный в этой статье, отличается от более старых и даже большинства современных дизайнов. Вместо того, чтобы испытывать на себе бремя настройки вашего дизайна, чтобы он резонировал, мой метод использует простой микроконтроллер для выполнения большей части грязной работы.

    Программное обеспечение, работающее с проектом, автоматически регулирует частоту и рабочий цикл, обеспечивающие наибольшую выходную мощность вторичной обмотки.Эта функция автонастройки позволяет значительно сократить время проектирования и будет работать практически с любыми размерами катушек и соотношением первичных и вторичных обмоток. Представленная здесь конструкция может быть легко модифицирована для получения гораздо более высоких уровней мощности.

    Все конструкции производят большое количество радиочастотной энергии, которая может нанести ущерб ближайшим неэкранированным чувствительным электронным схемам. Эта схема предназначена для демонстрации эффекта индукции, не представляя опасности для близлежащей электроники и вряд ли причинит вред вам.Пожалуйста, соблюдайте осторожность при работе с этой схемой, если у вас установлен кардиостимулятор или имеются какие-либо имплантированные металлические конструкции.

    Обзор схемы

    Сердцем нашей схемы является микроконтроллер PIC. Схема, показанная на рис. 2 , является фактической схемой, включая автоматический тюнер.

    РИСУНОК 2.


    Используемые катушки довольно просты в изготовлении, но это самая трудоемкая часть проекта.Внутренний диаметр передатчика вторичной катушки не должен быть меньше используемого в этом проекте для обеспечения наилучших характеристик, а длина должна примерно в восемь раз превышать внутренний диаметр катушки. Металлическая конструкция, прикрепленная к концу вторичной катушки L2, служит конденсатором и используется для формирования LC-цепи вторичной обмотки. Если вы отклонитесь от представленного здесь дизайна, вам нужно будет поэкспериментировать, чтобы обнаружить надлежащие характеристики этого элемента.

    Изготовление катушек

    Вторичная обмотка намотана проводом 30 AWG.Выбор диаметра катушки будет определять, какой длины должен быть один провод, чтобы создать достаточное количество витков для желаемого эффекта индукции. Если мы используем слишком маленький диаметр, катушка становится довольно высокой. При слишком большом диаметре трубы длина провода становится неразумной. Я обнаружил, что трубки диаметром от 1,5 до трех дюймов позволяют намотать примерно 450 витков длиной около восьми дюймов. При диаметре 1,5 дюйма для 450 обмоток потребуется около 200 футов эмалированного магнитного провода.

    Магазины электроники Hobby продают небольшие катушки магнитной проволоки необходимой для этого проекта длины. Трубка, которую я использовал для вторичной катушки для прототипа, продавалась как контейнер для нескольких катушек с нитками, но подойдет любая трубка аналогичного размера (например, труба из ПВХ).

    Начните строительство, прикрепив один конец провода к форме примерно на расстоянии от половины до одного дюйма от конца, оставив шесть дюймов длины провода. Наматывайте витки с натяжением так, чтобы витки не болтались и располагались как можно ближе друг к другу, как показано на рис. 3 .

    РИСУНОК 3.


    Заранее отрежьте небольшие отрезки ленты, чтобы использовать их в случае перерывов в процессе намотки. Когда закончите наматывать вторичную обмотку, закрепите конечную обмотку так же, как и начальную. Удалите всю временную ленту, использованную между первой и последней обмоткой, и распылите на катушку прозрачный акриловый аэрозоль и дайте ему высохнуть. (Большинству акриловых спреев требуется около 30 минут для высыхания.) Просверлите три небольших отверстия на каждом конце трубки, чтобы создать компенсатор натяжения, который позволит соединить многожильный провод с магнитным проводом, как показано на Рис. 4 .

    РИСУНОК 4.


    Первичная обмотка очень проста в изготовлении. Площадь поверхности является наиболее важным показателем, который можно получить с помощью изолированного провода большого диаметра или медной трубки. Положение первичного может быть в любой точке вокруг вторичного.

    Глядя на схему , можно увидеть, что первичная и вторичная катушки поляризованы. Если вы наматываете вторичную обмотку по часовой стрелке, первичная обмотка также должна быть намотана по часовой стрелке, чтобы возникла индукция.Посмотрите в разделе ПВХ вашего местного оборудования формы первичной катушки. Хорошим выбором формы будет расширение или уменьшение муфты примерно на два-три дюйма. Оберните два-три витка провода, используемого для шнура питания 120 В, вокруг формы, как показано на рис. 5 .

    РИСУНОК 5.


    Как работает самонастройка?

    Пара катушек приводится в резонанс колеблющимся потенциалом постоянного тока, приложенным к первичной катушке. Это достигается за счет соединения коллектора на одном конце первичной обмотки с входом питания схемы.Мощность создается путем регулирования выхода трансформатора на 24 вольта и используется для питания первичной обмотки. База управляющего транзистора включается и выключается с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с помощью вывода C2 на PIC. Простая программа, работающая на PIC, сканирует частотный диапазон, поскольку она производит выборку выходного сигнала небольшой катушки индуктивности с ферритовым сердечником, установленной под вторичной обмоткой.

    Ток индуцируется в небольшой измерительной катушке, расположенной в ЭМ-поле вторичной обмотки и действующей как приемник энергии, как показано на рис. 6 .

    РИСУНОК 6.


    Обратная связь от напряжения, возникающего на маленьком индукторе, подается на вывод АЦП (аналогово-цифровой контроллер) на контроллере. Напряжение питания выступает в качестве эталона для входящего значения и делит это аналоговое напряжение на цифровой диапазон от нуля до 255. Если питание составляет три вольта, входящее напряжение 1,5 вольт показывает 127, или половину опорного напряжения. Как только регулируемый выход приемника достигает того же или большего значения потенциала, приложенного для запуска микроконтроллера, он фиксируется на этой частоте.Если вы сконструируете катушки, близкие к приведенным спецификациям, первичная обмотка будет индуцировать большую мощность со значительной полосой пропускания около 3 кГц или более по обе стороны от резонансной частоты. Вы должны заметить, что беспроводная мощность для CFL начинается с 700 кГц и достигает 3 МГц.

    Конструкция цепи

    Всю схему можно легко разместить на приподнятой платформе, поддерживающей первичную и вторичную обмотки. Чтобы построить конструкцию, подобную той, что показана здесь, вам потребуются следующие элементы оборудования и инструменты.Начните проектирование с вырезания квадратного куска макетной платы размером 3,5 дюйма и просверлите отверстия диаметром 1/8 дюйма в углах, как показано на Рисунок 7 .

    РИСУНОК 7.


    Основание конструкции изготовлено из лексана 1/8” или аналогичного пластика. Разрежьте два куска Lexan на один квадрат размером 3,5 дюйма и один размером 3,5 дюйма x 5 дюймов и просверлите отверстия 1/8 дюйма в углах, используя печатную плату (PCB) в качестве направляющей. Используя восемь алюминиевых стоек с резьбой один дюйм, смоделируйте сборку печатной платы и квадратов Lexan, как показано на Рисунок 8 , чтобы убедиться, что все выровнено правильно.

    РИСУНОК 8.


    Одним из наиболее важных соображений является включение источника питания. Я разработал прототип этой конструкции со встроенным трансформатором, который требует достаточно высоких стоек, обеспечивающих зазор. Я также предусмотрел внешний источник питания, используя выпрямленный входной разъем, как указано на схеме. Это позволяет вам экспериментировать с различными источниками питания в цепи. Трубка для вторичной катушки крепится к верхней части Lexan, приклеивая одну из торцевых крышек к 1.5-дюймовое отверстие, вырезанное в пластике, как показано на рис. 9 .

    РИСУНОК 9.


    Просверлите небольшое отверстие в нижней части крышки трубки и пропустите через него шестидюймовый провод для подключения к печатной плате. Я использовал пару разъемов SIP «папа» и «мама» для удобного подключения к печатной плате. Я сконструировал тор для катушки из двух банок из-под газировки. Чтобы создать тороид, отпилите один дюйм дна двух алюминиевых банок и отшлифуйте этикетки с обеих половинок вместе с пластиковым покрытием изнутри.Просверлите отверстие в центре обоих днищ; когда банки соединены вместе, вы сможете проверить соединение сверху вниз с помощью мультиметра. Вырежьте соответствующее отверстие в центре другой торцевой крышки трубки и соберите две нижние половины банок, как показано на Рисунок 10 .

    РИСУНОК 10.


    Наконечник для пайки — это удобный способ соединения с концом катушки. После подключения тороида проверьте соединение нижнего провода вторичной обмотки с верхней частью тороида.Сопротивление должно быть таким же, как значение сопротивления только катушки. Вы можете прикрепить проволоку или кусок металла с острыми краями к самой верхней точке тороида, чтобы обеспечить точку прорыва для коронного разряда, если хотите (показано на рис. 11 ). Если вы правильно сконструируете первичную и вторичную геометрию, корона должна саморазряжаться без близлежащего пути заземления.

    РИСУНОК 11.


    Попробуйте прикрепить тонкие алюминиевые или оловянные детали с острыми концами, специально разработанными для наилучшего эффекта короны.Используйте проволоку или жесткий свинцовый компонент, чтобы приподнять металлическую форму. Интенсивность короны зависит от емкости вашего тороида. Конструкция вертушки, использующая круговой массив точек, будет фактически вращаться, когда заряд покидает острые края.

    Сборка печатной платы

    Расположение деталей на печатной плате не критично. Если вы устанавливаете трансформатор 25 В на основание, вы можете захотеть согнуть печатную плату, чтобы она подошла, как показано на Рисунок 12 .

    РИСУНОК 12.


    Гнездо питания, расположенное в левом нижнем углу печатной платы, представляет собой параллельное соединение с выходом 25 В переменного тока трансформатора. Его можно использовать в качестве альтернативного источника входного напряжения.

    Вход 120 В трансформатора подключается к цепи с помощью литого двухконтактного разъема. ВЧ может мешать программированию, поэтому вы можете открыть подачу +V на катушку с помощью дополнительного переключателя SPST, показанного на схеме . Это позволяет программирующему напряжению присутствовать на контроллере, но отключает выход катушки.Конденсатор С4, подключенный к катушке, должен быть расположен как можно ближе к первичной обмотке. Этот большой конденсатор может быть интегрирован в форму катушки, используемой для первичной обмотки. Этот высоковольтный конденсатор важен, и для наилучшей работы он должен выдерживать потенциал не менее 1600 В.

    Конденсатор изготовлен из металлизированного полипропилена и специально разработан для контуров горизонтального резонанса цветных телевизоров и мониторов. Эти конденсаторы может быть трудно найти и дорого купить, и их лучше всего утилизировать с печатных плат монитора или телевизора.

    Как это продемонстрировать

    На емкостной структуре на конце вторичной катушки будет накапливаться высокий потенциал. По соглашению он обычно имеет форму сферы или тороида, чтобы избежать острых краев. Большинство катушек Теслы демонстрируют красивые электрические дуги или короны, которые разряжаются от тороида с помощью какой-либо точки разрыва. Размер тороида, который вы сконструируете, повлияет на то, как будет разряжаться электричество. Если вы используете тороид меньшего размера, электричество будет разряжаться быстрее, но дуги будут не такими длинными.Если вы используете тороид большего размера, электричество будет разряжаться медленнее, но дуги будут намного длиннее.

    Следующей по популярности демонстрацией будет беспроводное освещение газонаполненных трубок, таких как флуоресцентные или даже неоновые. Я намеренно снизил мощность в этой конструкции из соображений безопасности, но вы сможете увидеть короны от одного до трех дюймов от тороида, если прикрепите точку прорыва. При входном напряжении всего 12 В на первичную обмотку пятифутовая КЛЛ светится очень ярко, потребляя всего 100 мА.При 30 вольтах очень ярко выражены короны и издают шипящий звук, и только начинают воздействовать на близлежащую электронику. Риск поражения электрическим током невелик, но может быть риск радиочастотных ожогов от находящихся рядом металлов. Материал не нагревается, а на самом деле создает дугу на коже на высоких частотах.

    Программное обеспечение

    Код, управляющий катушкой, представляет собой небольшую программу на языке Basic в Рисунок 13 .

    setfreq m32    'примечание заданная частота 32 МГц
    b2 = 3 : b4 = 8    'примечание: установите начальные значения для b2 и b4 (2 МГц, 50%-я нагрузка)
    symbol FRQ = b2:    symbol DUTY = b4 ‘примечание символизирует переменные FRQ и DUTY
    Делать пока b0<255    'замечать петлю до тех пор, пока напряжение на приемной катушке не станет максимальным
    readadc c.4,b0    ‘примечание: считывайте напряжение на приемной катушке
    Gosub TESLA    'заметьте переход к процедуре PWMOUT
    Цикл
    ТЕСЛА:
    DUTY = DUTY + 1    'примечание приращение DUTY cycle
    FRQ = FRQ + 1    'приращение примечания FREQUENCY
    PauseUs 1200
    Частота замечания PWMOUT 2, FRQ, DUNK ', генерируемая на PIN C.2
    PauseUs 1200
    Если b0>150, то TESLA    'примечание. Если напряжение на катушке датчика MAX, повторите цикл

    , верните

    РИСУНОК 13.

    Проверка напряжения

    1) Первая точка напряжения, обозначенная как TP1 на схеме , должна быть примерно 38 В постоянного тока. Если напряжения нет, убедитесь, что на первичной обмотке трансформатора есть напряжение 120 В переменного тока. Если присутствует напряжение 120 В переменного тока, проверьте целостность цепи на клеммах переменного тока мостового выпрямителя, отмеченных знаком ~. Напряжение переменного тока должно быть приблизительно 24 В переменного тока. Если это напряжение присутствует, проверьте целостность электролита C2. Если конденсатор подключен правильно, выпрямитель может быть неисправен.

    2) Во второй точке напряжения, обозначенной TP2, должно быть около 3,7 В постоянного тока, которое питает 08M2. Если напряжение отсутствует, проверьте ориентацию стабилитрона Z1. Если диод установлен правильно, убедитесь, что резистор R3 подключен к потенциалу +V постоянного тока на TP1.

    Заключение

    Несмотря на то, что конструкция специально разработана для обеспечения безопасности, всегда существует вероятность поражения электрическим током. Если вы не уверены в работе с какой-либо частью схемы, обратитесь за помощью в проектировании к более опытному специалисту.Надеюсь, этот проект вызовет у вас интерес. НВ


    ПЕРЕЧЕНЬ ДЕТАЛЕЙ

    ПУНКТ КОЛ-ВО ОПИСАНИЕ ИСТОЧНИК
    SW1 1 Тумблер Каталог RadioShack № 275-602
    SW2 1 Ползунковый переключатель Каталог Jameco № 109171
    Т1 1 Трансформатор 25 В Каталог RadioShack № 273-1366
    1 квартал 1 TIP3055 НПН Каталог RadioShack № 276-2020
    ГС 1 Радиатор TO-220 Каталог RadioShack № 276-368
    R1,2 2 120 Ом 1/4 Вт Цифровой ключ № по каталогу 120QBK-ND
    Р3 1 10 кОм один ватт Цифровой ключ № по каталогу 10KWCT-ND
    Р4 1 220 Ом 1/4 Вт Цифровой ключ № по каталогу 220QBK-ND
    Р5 1 1 МОм 1/4 Вт Каталог цифровых ключей № 1MAACT-ND
    Р6 1 10 кОм 1/4 Вт Цифровой ключ № по каталогу A104668CT-ND
    Р7 1 22 кОм 1/4 Вт Цифровой ключ № по каталогу 22KAACT-ND
    F1 1 0.5 ампер Fast Blow Каталог RadioShack № 270-1056
    FH 1 Держатель предохранителя Каталог RadioShack № 270-739
    IC1 1 08M2 КИРКА SparkFun.com #10803
    ИКС 1 Восьмиконтактный разъем для ИС Каталог RadioShack № 276-1995
    Д2 1 Зеленый светодиод 3 мм Каталог RadioShack № 276-009
    Lp 1 Дроссель 1000 мкГн Каталог Jameco № 642927
    BR1 1 Мостовой выпрямитель Каталог RadioShack № 276-268
    BR2 1 Мостовой выпрямитель Каталог RadioShack № 276-1173
    J1 1 Разъем для программирования № по каталогу Jameco 1766180
    Z1 1 4.Стабилитрон 7В № по каталогу Jameco 178773
    Печатная плата 1 Плата общего назначения Каталог Jameco № 206587
    С2 1 Цоколь 100 мкФ 200 В Цифровой ключ № по каталогу 338-2372-ND
    С3 1 1 мкФ 50 В Электролитический Каталог Jameco № 94161
    С4 1 Конденсатор 0,01 мкФ Каталог Jameco № 25523
    ДЖКК 1 Разъем питания 120 В Цифровой ключ № по каталогу 486-2095-ND
    ПЛГ 1 Шнур питания 120 В Цифровой ключ № по каталогу AE9906-ND
    С1 1 Металлизированный полипропиленовый пленочный конденсатор 1 мкФ (см. текст)
    РазноеОборудование:
    1/8” Лексановый материал
    200’ Магнитный провод 30 AWG
    L3 Форма катушки Неметаллическая трубка диаметром 2–3 дюйма
    L2 Coil Form Неметаллическая трубка диаметром 1,5 дюйма с крышками
    Резьбовые стойки с соответствующими винтами

    .

    0 comments on “Биполярная катушка тесла: Биполярная катушка тесла

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *