Расчет катушки тесла. Катушка Тесла

Катушка тесла наверняка знакома многим по компьютерным играм или художественным фильмам. Если кто и не знает, что это проясним, это специальное приспособление , которое создает высокое напряжение высокой частоты. Если говорить проще, то благодаря катушке тесла можно держать искру в руках, зажигать лампочку без проводов и так далее.

Перед тем, как приступить к изготовлению нашей катушки, предлагаем посмотреть видеоролик

Нам понадобится:
- 200 м медного провода диаметром от 0.1 до 0.3 мм;
- провод диаметром 1 мм;
- 15-30 см пластиковой канализационной трубы диаметром от 4 до 7 см;
- 3-5 см канализационной трубы диаметром от 7 до 10 см
- транзистор D13007;
- радиатор для транзистора;
- переменный резистор на 50 кОм;
- постоянный резистор на 75 Ом и 0.25 вт.;
- источник питания на 12-18 вольт и ток 0.5 на ампера;
- паяльник, припой и канифоль.

Длинный кусок трубы необходим для вторичной обмотки, а короткий для первичной. Если найти трубу такого диаметра не удается, то можно заменить ее обычным скотчем, как это делает автор. Медный провод можно достать из старых трансформаторов или же просто приобрести на рынке.

С материалами разобрались, можно приступить к сборке. Сборку, по словам автора видео, лучше начинать не с первичной, а со вторичной катушки, то есть длинной трубы. Для этого берем трубу, которая отныне будет каркасом и закрепляем на ней проволоку.

Теперь нужно намотать примерно 1000 витков, обращая на то, чтобы не было перехлестов, больших расстояний между витками. Автор утверждает, что это сделать не так сложно, как может показаться с первого взгляда, и при желании можно закончить работу за час-полтора.

Когда обмотка вторичного каркаса окончена советуется покрыть ее лаком или просто обклеить скотчем, чтобы конструкция не испортилась со временем.

Теперь можно приступить к первичной обмотке. Делается она обычным проводом диаметром 1 мм. Провод можно использовать абсолютно любой. Обмотать нужно примерно 5-7 витков.

Крепим транзистор D13007 на радиаторе, затем припаиваем провод, идущий от вторичной обмотки к одному контакту транзистора.

На тот же контакт припаиваем постоянный резистор.

На втором конце постоянного резистора припаиваем переменный резистор.

Теперь берем первичную обмотку, засовываем вторичную в нее и припаиваем два провода, которые идут с нее на переменный резистор и резистор D13007.

Подключаем плюсовой и минусовой провода к тем же резисторам и подключаем нашу катушку тесла к источнику. Если желаемого эффекта не наблюдается, то нужно всего лишь поменять местами провода, идущие от первичной обмотки.

Сегодня трансформатором Тесла называют высокочастотный высоковольтный резонансный трансформатор, и в сети можно найти множество примеров ярких реализаций этого необычного устройства. Катушка без ферромагнитного сердечника, состоящая из множества витков тонкого провода, увенчанная тором, испускает настоящие молнии, впечатляя изумленных зрителей. Но все ли помнят, как и для чего создавался изначально этот удивительный прибор?

История данного изобретения начинается с конца 19 века, когда гениальный ученый-экспериментатор , работая в США, только поставил перед собой задачу научиться передавать электрическую энергию на большие расстояния без проводов.

Указать конкретный год, когда именно пришла к ученому эта идея, вряд ли можно точно, однако известно, что 20 мая 1891 года Никола Тесла выступил с подробной лекцией в Колумбийском университете, где представил сотрудникам Американского института электроинженеров свои идеи, и кое-что проиллюстрировал, показав наглядные эксперименты.

Целью первых демонстраций было — показать новый способ получения света посредством использования для этого токов высокой частоты и высокого напряжения, а также раскрыть особенности этих токов. Справедливости ради отметим, что современные энергосберегающие люминесцентные лампы работают именно на принципе, который как раз и предложил для получения света Тесла.

Окончательная теория относительно именно вырисовывалась постепенно, ученый потратил несколько лет жизни, доводя до ума свою технологию, много экспериментируя и совершенствуя кропотливо каждый элемент схемы, он разрабатывал прерыватели, изобретал стойкие высоковольтные конденсаторы, придумывал и модифицировал контроллеры цепей, но так и не смог воплотить свой замысел в жизнь в том масштабе, в каком хотел.

Однако теория до нас дошла. Доступны дневники, статьи, патенты и лекции Николы Тесла, в которых можно найти исходные подробности относительно данной технологии. Принцип действия резонансного трансформатора можно узнать, прочитав например патенты Николы Тесла №787412 или №649621, уже доступные сегодня в сети.

Если попробовать кратко разобраться в том, как же работает трансформатор Тесла, рассмотреть его устройство и принцип действия, то в этом нет ничего сложного.

Вторичная обмотка трансформатора изготавливается из провода в изоляции (например из эмальпровода), который укладывается виток к витку в один слой на полый цилиндрический каркас, отношение высоты каркаса к его диаметру обычно берут равным от 6 к 1 до 4 к 1.

После намотки вторичную обмотку покрывают эпоксидной смолой или лаком. Первичная обмотка изготавливается из провода относительно большого сечения, она содержит обычно от 2 до 10 витков, и укладывается в форму плоской спирали, либо наматывается подобно вторичной — на цилиндрический каркас диаметром несколько большим, чем у вторичной.

Высота первичной обмотки, как правило, не превышает 1/5 высоты вторичной. К верхнему выводу вторичной обмотки подключают тороид, а нижний ее вывод заземляют. Далее рассмотрим все более подробно.

Например: вторичная обмотка навита на каркас диаметром 110 мм, эмальпроводом ПЭТВ-2 диаметром 0,5 мм, и содержит 1200 витков, таким образом высота ее получается равной примерно 62 см, а длина провода составляет около 417 метров. Пусть первичная обмотка содержит 5 витков толстой медной трубки, навитых на диаметр 23 см, и имеет высоту 12 см.

Далее изготавливают тороид. Его емкость в идеале должна быть такой, чтобы резонансной частоте вторичного контура (заземленная вторичная катушка вместе с тороидом и окружающей средой) соответствовала бы длина провода вторичной обмотки так, что эта длина равнялась бы четверти длины волны (для нашего примера частота получается равной 180 кГц).

Для точного расчета полезной может стать специальная программа для рассчета катушек Тесла, например VcTesla или inca. К первичной обмотке подбирается высоковольтный конденсатор, емкость которого вместе с индуктивностью первичной обмотки образовывала бы колебательный контур, собственная частота которого была бы равна резонансной частоте вторичного контура. Обычно берут близкий по емкости конденсатор, а настройку осуществляют подбором витков первичной обмотки.

Суть работы трансформатора Тесла в каноническом виде заключается в следующем: конденсатор первичного контура заряжается от подходящего источника высокого напряжения, затем он соединяется коммутатором с первичной обмоткой, и так повторяется много раз в секунду.

В результате каждого цикла коммутации возникают затухающие колебания в первичном контуре. Но первичная катушка является для вторичного контура индуктором, поэтому электромагнитные колебания возбуждаются соответственно и во вторичном контуре.

Поскольку вторичный контур настроен в резонанс с первичными колебаниями, то на вторичной обмотке возникает резонанс напряжений, а значит коэффициент трансформации (соотношение витков первичной обмотки и охваченных ею витков вторичной обмотки) нужно умножить еще и на Q - добротность вторичного контура, тогда получится значение реального соотношения напряжения на вторичной обмотке к напряжению на первичной.

А так как длина провода вторичной обмотки равна четверти длины волны индуцируемых в ней колебаний, то именно на тороиде будет находиться пучность напряжения (а в точке заземления — пучность тока), и именно там может иметь место максимально эффектный пробой.

Для питания первичной цепи используют разные схемы, от статичного искрового промежутка (разрядника) с питанием от МОТов (МОТ — высоковольтный трансформатор от микроволновой печи) до резонансных транзисторных схем на программируемых контроллерах с питанием выпрямленным сетевым напряжением, однако суть от этого не меняется.

Вот самые распространенные типы катушек Тесла в зависимости от способа управления ими:

SGTC (СГТЦ, Spark Gap Tesla Coil) - трансформатор Тесла на искровом промежутке. Это классическая конструкция, подобную схему изначально применял сам Тесла. В качестве коммутирующего элемента здесь используется разрядник. В конструкциях малой мощности разрядник представляет собой два куска толстого провода, расположенных на некотором расстоянии, а в более мощных применяются сложные вращающиеся разрядники с использованием двигателей. Трансформаторы этого типа изготавливают если требуется лишь большая длинна стримера, и не важна эффективность.

VTTC (ВТТЦ, Vacuum Tube Tesla Coil) - трансформатор Тесла на электронной лампе. В качестве коммутирующего элемента здесь используется мощная радиолампа, например ГУ-81. Такие трансформаторы могут работать в непрерывном режиме и производить довольно толстые разряды. Данный тип питания чаще всего используют для построения высокочастотных катушек, которые из-за типичного вида своих стримеров получили название “факельники”.

SSTC (ССТЦ, Solid State Tesla Coil) - трансформатор Тесла, в котором в качестве ключевого элемента применяются полупроводники. Обычно это . Данный тип трансформаторов может работать в непрерывном режиме. Внешний вид стримеров, создаваемых такой катушкой может быть самым разным. Этим типом трансформаторов Тесла проще управлять, например можно играть на них музыку.

DRSSTC (ДРССТЦ, Dual Resonant Solid State Tesla Coil) - трансформатор Тесла с двумя резонансными контурами, здесь в качестве ключей используются, как и в SSTC, полупроводники. ДРССТЦ - наиболее сложный в управлении и настройке тип трансформаторов Тесла.

Для получения более эффективной и эффектной работы трансформатора Тесла применяют именно схемы топологии DRSSTC, когда мощный резонанс достигается и в самом первичном контуре, а во вторичном соответственно — более яркая картина, более длинные и толстые молнии (стримеры).

Сам Тесла как мог пытался добиться именно такого режима работы своего трансформатора, и зачатки этой идеи можно увидеть в патенте № 568176, где применяются зарядные дроссели, Тесла потом развивал схему именно по этому пути, то есть стремился максимально эффективно использовать первичную цепь, создавая в ней резонанс. Об этих экспериментах ученого можно прочитать в его дневнике (в печатном виде уже изданы записи ученого об экспериментах в Колорадо-Спрингс, которые он проводил с 1899 по 1900 год).

Говоря о практическом применении трансформатора Тесла не стоит ограничиваться лишь восхищением эстетическим характером получаемых разрядов, и относиться к устройству как к декоративному. Напряжение на вторичной обмотке трансформатора может достигать миллионов вольт, это в конце концов - эффективный источник сверхвысокого напряжения.

Сам Тесла разрабатывал свою систему для передачи электроэнергии на большие расстояния без проводов, используя проводимость верхних воздушных слоев атмосферы. Предполагалось наличие и приемного трансформатора аналогичной конструкции, который бы понижал принятое высокое напряжение до приемлемого для потребителя значения, об этом можно узнать, прочитав патент Тесла №649621.

Особого внимания заслуживает характер взаимодействия трансформатора Тесла с окружающей средой. Вторичный контур является открытым контуром, и система термодинамически отнюдь не является изолированной, она даже не закрытая, это - открытая система. Современные исследования в этом направлении ведутся многими исследователями, и точка на этом пути еще не поставлена.

Андрей Повный

19 июня 2014 в 04:41

Катушка Тесла из хозмага

• DIY или Сделай сам

Имея патологическую тягу к сантехнической фурнитуре никак не могу приучить себя использовать ее по прямому назначению. Всегда в голову лезут идеи, что сделать из труб, фитингов и переходников так, чтобы уже никогда не использовать их в сантехнике. Так получилось и в этот раз. Делаем высоковольтный генератор Тесла на сантехнической фурнитуре.

Почему такой выбор? Все очень просто. Я сторонник элегантных и хорошо повторяемых технических решений. Минимум слесарки, доводки, допилки, доклепки. Жизнь должна радовать легкостью решений и изяществом форм.

Что понадобится?

В магазине оказалось все в наличии и покупка заняла буквально несколько минут.

На снимке все, что необходимо. Привожу оригинальные названия c магазинных этикеток
1. Труба 40x0.25м
2. Переходник кольцо на трубу 40мм
3. Лак высоковольтный (был в арсенале)
4. Муфта переходная на гладкий конец чугунной трубы на 50мм
5. Резиновая манжета на 50мм
6. Медный провод 0,14мм ПЭВ-2 (из старинных запасов)

Стоимость всей фурнитуры около 200 рублей. При покупке лучше выбрать магазин побольше, чтобы не объяснять охранникам и менеджерам зачем вы соединяете несоединяемые элементы с друг другом и как вам помочь найти то, что вам нужно. Также нам понадобится еще несколько недорогих деталей, о которых немного позднее. Но для начала немного отвлечемся…

Катушки Тесла и все такое

О Тесла сказано много и разного, но люди в большинстве своем (в том числе и я) единодушны в своем мнении - Тесла сделал не мало для развития науки и техники для своего времени. Многие его патенты воплотились в жизнь, часть же до сих пор остается за гранью понимания сути. Но основными заслугами Тесла можно считать исследования природы электричества. Особенно высоковольтного. Тесла поражал своих знакомых и коллег удивительными экспериментами в которых он без труда и опаски управлял высоковольтными генераторами, которые вырабатывали сотни тысяч, а иногда и миллионы вольт. В этой статье я описываю изготовление миниатюрного генератора Тесла, теория которого достаточно хорошо и подробно изучена. А теперь к делу!

Что мы должны получить?

В конце концов мы должны собрать наше устройство так, как показано на фото:

Шаг 1. Намотка высоковольтной катушки

Намотку основной высоковольтной катушки проводим на трубку проводом 0.1-0.15 мм. У меня в запасе был провод 0.14 мм. Это, пожалуй, самое занудное занятие. Намотку необходимо делать максимально аккуратно, виток к витку. Можно использовать оснастку, но я намотал катушки вручную. Кстати, я всегда что-то делаю минимум в двух экземплярах. Почему? Во-первых навык. Второе изделие получается просто конфеткой, да и всегда найдется человек, который начнет клянчить устройство (подари, продай, дай попользоваться и т.п.). Отдаю первое, второе остается в коллекции, глаз радуется, дружба крепнет, гармония в мире возрастает.

Шаг 2. Изоляция высоковольтной катушки

Следующий важный шаг - изоляция высоковольтной катушки. Не буду говорить, что катушку надо 20 раз пропитать воском, оборачивать лакотканью или применять вываривание в масле. Все это колчаковские подходы. Мы люди современные, поэтому используем высоковольтный лак (см. первое фото. марку лака не указываю, можно погуглить) и широкую термоусадку. Лаком покрываем в два - три слоя. Сушим слой минимум 20-30 минут. Лак наносится прекрасно. Результат великолепный! Катушка становиться просто вечной! Стоимость лака не велика. Триста рублей баллон. Думаю, хватит на десяток подобных устройств. НО!!!

Лак оказался ОЧЕНЬ ТОКСИЧНЫМ! Буквально через минуту у меня разболелась голова и началась рвота у кота. Работу пришлось остановить. Помещение срочно проветривать, нанесение лака остановить. Срочно пришлось бежать в магазин. Мне купить пиво, а коту молока, чтобы оправиться от отравления:

По хорошему нанесение лака необходимо проводить под вытяжкой, но (после спасения себя и кота) я делал это на улице. Благо погода располагала, не было ветра и пыли, а дождь не лил. Затем необходимо надеть широкую термоусадку и усадить катушку термофеном. Делать это необходимо аккуратно, с середины к краям. Должно получиться плотно и ровно.

Шаг 3. Изготовление индуктора и сбор всей конструкции

Пожалуй, самая ответственная часть генератора. Я анализировал многие конструкции подобных устройств и многие авторы делают одну и ту же ошибку. Во-первых, используется достаточно тонкий провод, во вторых, нет равномерного и существенного (не менее 1 см) зазора с высоковольтной катушкой и используется много витков. Это совершенно не нужно. Достаточно 2..4-х витков в первой трети высоковольтной катушки. Для индуктора используем полую медную отожженную трубку диаметром 8 мм, что обеспечивает минимальную индуктивность и просто великолепные характеристики генератора при эксплуатации. Три витка наматываем на резиновую манжету в пазы. Чтобы трубку не заламывало - наполните ее плотно мелким песком. После аккуратно высыпьте песок. После сбора всей конструкции все должно выглядеть как на фото:

Медная трубка, пожалуй, самая дорогая позиция в этой самоделке. Аж целых 150 рублей. Куплена также в хозмаге.

Некоторые тонкости...

Тонкости связаны с конструкцией контактов индуктора. Они выполнены из отожженной медной полосы и закрыты термоусадкой. Это обеспечивает минимальную индуктивность конструкции, что является очень важным. Контакты спрятаны внутри муфты. Все соединения должны быть как можно короче и выполнены широкими медными лентами, что снижает различные потери. На верх устройства одеваем переходник-кольцо, которое прижимает медный круглый контакт, на который припаян верхний вывод высоковольтной катушки. Конструкция вверху подлита жидкой резиной. В центре выведен мини-разъем.

Шаг 4. Подключение и испытание генератора

Существует примерно 2 миллиона способов запитать подобное устройство. Остановимся на самом простом - с помощью схемы, изображенной на данном рисунке:

Понадобится пара резисторов, конденсатор, транзистор не забудьте поставить на радиатор. Номиналы указаны. Ресурс схемы, думаю, не большой, но учитывая дешевизну транзисторов и срочность желания увидеть результат это уже не в счет.

Если все собрано верно, схема заработает сразу. Если генерации нет, то переключите контакты индуктора наоборот. У меня заработало сразу. Генерация начинается с 5-7 вольт. Уже на 6 вольт генерация устойчивая, на 12 вольт всё пылает вокруг. На фото можно видеть, что вся конструкция обдувается вентилятором, так как транзистор изрядно греется, хоть и поставлен на радиатор. На удивление схема очень надежна. На 12 вольт работает часами и очень устойчиво. При выключенном свете и «дохленькой» лампочке светит ярко. Источник питания для катушки лучше взять помощнее (с выходным током не менее 2-3 ампер).

Видео работы устройства можно посмотреть