Реклама на портале

Самодельный трансформатор тесла с подробной схемой, описанием и деталями. Небольшая катушка тесла своими руками Музыкальная катушка тесла схема на 220в

XIX век был этакой эпохой дикого Запада в экспериментальной физике электромагнетизма. Роберт Ван де Грааф, лорд Кельвин, Никола Тесла и многие другие учёные, исследователи и инженеры открывали всё новые и новые явления, а затем масштабировали производящие их установки до колоссальных размеров. Некоторые из их творений функционируют до сих пор - например, шестиметровый гигантский генератор Ван де Граафа в Бостонском музее науки , а некоторые, как широко известная башня Уорденклифф, так никогда и не появились на свет.

С течением времени и развитием науки и техники внимание учёных переключилось на другие направления, но отдельные энтузиасты продолжали собирать, изучать и совершенствовать классические разработки в области высоких напряжений, электростатики, физики плазмы - кто-то вследствие неугасающей веры в теорию эфира и бесплатную энергию, кто-то из любопытства, или для решения узкоспециальных прикладных задач, кто-то просто потому что ему это доставляло.

В последнее время, примерно с конца 90-х годов, эта отрасль инженерных задач переживает ренессанс, связанный с интересом шоу-бизнеса и индустрии развлечений к притягивающим внимание разрядам катушек Тесла , усилившийся в последнее десятилетие после изобретения DRSSTC , которая на настоящий момент представляет собой наиболее технически совершенный вид катушки Тесла, использующий вместо классического искрового разрядника силовые транзисторы, что позволяет быстро - в течение нескольких периодов колебаний - менять частоту появления разряда (BPS) и, как следствие, воспроизводить музыку непосредственно при помощи появляющихся молний. Один из примеров - известная серийная модель OneTesla, которая, при всей непродуманности предлагаемого авторами конструктора, вполне работоспособна при определённом приложении рук.

На настоящий момент трансформаторы Тесла и родственные им устройства (лестницы Иакова, генераторы Маркса и Кокрофта-Уолтона, плазменные колонны, генераторы Ван де Граафа и т. д.) разных размеров и зрелищности используются на постоянной основе в ряде организованных вокруг них шоу-проектов в США (Arc Attack), России (TeslaFX), Великобритании (Lords of Lightning), Китае (увы, иероглифам не обучен) и других странах, периодически светятся в шоу-бизнесе (спецэффекты в Гарри Поттере, Ученике Чародея, концерты Металлики и пр.), а также присутствуют в качестве экспоната в каждом уважающем себя музее науки.

Размер имеет значение

Короче говоря, в один момент группа инженеров-любителей, давно и прочно погрязших в коллективном тесластроении, решила, что играть в песочнице, делая небольшие комнатные (и даже среднеразмерные уличные) катушки, им уже скучно, и решила сделать что-то особенное. На тот момент у нас уже было (как нам казалось) достаточно опыта в разработке катушек Тесла различных топологий и имеющаяся математическая модель допускала масштабирование типовой конструкции в несколько раз. По факту, единственными явно заметными ограничениями были габариты доступного помещения, мощность розетки, и финансы (хотя, чего уж там, в итоге всё упирается в финансы). Прикинув бюджет, человекочасы и прочие скучные мелочи, было решено ограничиться габаритами установки примерно в три метра высоты, с расчётной мощностью около 30-40 кВт. Для разбирающихся в вопросе:

Итоговые технические характеристики

  • Технология: DRSSTC
  • Общая высота: 3.3 метра
  • Общая масса: ~130 кг
  • Питание: 3ф 380 В
  • Резонансная частота: ~50 кГц
  • Габариты вторичной обмотки: 310х1800 мм, провод 1.06 мм
  • Топология силовой части: полный мост, транзисторы CM600DU-24NFH
  • Пиковая потребляемая мощность: ~35 кВт
  • Пиковая мощность в контуре: ~2 МВт
  • Пиковый ток в контуре: 3800 А
  • Ёмкость первичного контура: 1.2 мкФ
  • Ёмкость электролитов инвертора: 18000 мкФ, 900 вольт
  • Максимальная зарегистрированная длина разряда: 6 метров

Технология, разумеется, была выбрана именно DRSSTC, поскольку при правильном подходе и отсутствии ошибок её стоимость (а также массогабариты) оказывается значительно ниже, чем у других вариантов (искровой разрядник или радиолампа) при тех же конечных параметрах. Ну и ещё, конечно же, на ней можно играть музыку.

Модульный принцип

При первичной проектировке достаточно крупной катушки Тесла проект можно разбить на несколько модулей (первичная обмотка, вторичная обмотка, тороид, корпус, силовой инвертор, драйвер, пульт управления, вспомогательная электрика и т. п.), каждый из которых придумывается и изготавливается в отдельности, после чего они собираются вместе, последовательно настраиваются и отлаживаются в процессе, и в итоге взрываются начинают испускать молнии. Обычно большинство трансформаторов Тесла собираются энтузиастами в одиночку от начала до конца, но у нас, во-первых, уже имелась более-менее слаженная команда с распределением функций (проект-менеджер, проектировщик, разработчик (он же тестировщик), и несколько человек на подхвате - монтажник, слесарь и так далее), а, во-вторых, сама по себе задача стояла довольно амбициозная, и хотелось сделать её без лишних расходов, но при этом более или менее качественно, насколько это возможно для прототипной и уникальной конструкции. Поэтому каждый мог заниматься своим делом, параллельно общаясь для синхронизации модулей между собой, а я, будучи этим самым проект-менеджером, могу рассказать про каждый из модулей по отдельности, а также показать, что получилось в итоге.

Подготовка и материалообработка

После обсуждения, осмысления и различного словоблудия по теме, общий концепт был утверждён коллективным решением и я изобразил примитивный эскиз в 3ds max. Эскиз был нужен для осознания масштабов задачи, понимания основных взаимных пропорций модулей, в качестве отправной точки для проектировки и для поднятия боевого духа команды. На основе эскиза проектировщик собрал проект в Creo Elements (тогда ещё Pro/Engineer), уже с соблюдением конкретных размеров, способов соединения деталей между собой и прочими нюансами. По результатам этого проекта были созданы чертежи: деталей корпуса, основания первичной обмотки, тороида, коробки для автоматики и электрики, а также блока конденсаторов первичного контура (MMC).

В качестве конструкционных материалов мы использовали стеклотекстолит толщиной 18 мм, обработанный методом гидроабразивной резки (ввиду его высокой конструкционной и термической устойчивости, другие методы обработки оказались нерентабельны), толстую фанеру для корпуса и алюминиево-пластиковый композит для блока автоматики (для экранировки от создаваемого катушкой мощного фронта электромагнитных помех, пагубно влияющего на её же собственные управляющие схемы), а также поликарбонат в ряде мест. Фанеру и пластик обрабатывали на ЧПУ фрезере, имевшемся во владении соседа по заводику, где наш коллектив занимался всем этим непотребством. Creo Elements позволяет создавать сразу готовые управляющие программы для ЧПУ, что очень сильно помогло в процессе - мы просто, по факту, арендовали станок и делали на нём что надо когда надо.

Первичка и вторичка

Вторичную обмотку намотали на классическом каркасе - большой оранжевой канализационной трубе из ПВХ (серьёзно, это лучший из имеющихся вариантов для катушек Тесла любых габаритов по соотношению цены, доступности и соответствия задаче). Намотанный виток к витку эмалированный провод (диаметр 1.06 мм) в один слой, покрытый затем эпоксидной смолой, превратил трубу в огромного размера индуктор, с нетерпением ожидающий своей минуты славы - вторичку гигантской катушки Тесла. Итоговые габариты трубы получились 310х1800 мм.

Первичную обмотку - тоже классика - мы намотали медной трубкой для кондиционеров, диаметром 22 мм (7/8 дюйма). Витки аккуратно ложились в пазы, вырезанные в стеклотекстолите струёй воды с абразивом под давлением в тысячи атмосфер, и вот уже два модуля, первичка и вторичка - скелет любой катушки Тесла - соединились друг с другом. Проект понемногу обретал форму и цвет.

Тороид

С тороидом, необходимым элементом любой мощной катушки Тесла, однако, всё оказалось сложнее. Изначально предполагалось также последовать проверенной дорогой и использовать алюминиевую гофру для вентиляции. На практике же обнаружилось, что это чрезвычайно одноразовое решение - гофра мгновенно мнётся от любых неосторожных движений, и при планируемых габаритах её придётся заменять при каждой транспортировке устройства.

Поэтому, после некоторого исследования вопроса, я украл идею наткнулся на один любопытный вариант в Сети, а проектировщик смоделировал его с учётом наших масштабов и выдал проект для сборки. Дело в том, что основное требование к тороиду катушки Тесла - это его «гладкость» с точки зрения электромагнитных полей, поскольку любые заострения или неровности представляют собой точки формирования коронного разряда, который вызывает пробой воздуха раньше, чем достигается максимальная мощность, а, кроме того, забирают на себя часть полезной длины молнии. Но здесь есть один нюанс, связанный с тем, что силовые линии поля как бы обтягивают тороид эквипотенциальными зонами, вследствие чего его можно собрать из составных частей, которые, будучи сложены вместе правильным образом, образуют при работе катушки Тесла поле достаточно гладкое, чтобы предотвратить появление разряда там, где не надо.

В общем, результат оказался очень необычным внешне, относительно простым в производстве, надёжным в эксплуатации и на удивление эффективным в сравнении с другими известными вариантами исполнения этой важной части катушки Тесла. Диаметр алюминиевой трубы - 50 мм, а общий размер всей получившейся штуки, напоминающей НЛО - около двух метров в диаметре. Круги-проставки для трубок вырезали из фанеры всё на том же ЧПУ-фрезере, а центральную раму я сварил из стального уголка.

На этом, в принципе, конструкционная часть была закончена.

Силовая часть

В силовом инверторе для больших катушек Тесла часто используются IGBT-модули - этакие чёрные (или белые) кирпичики с двумя-тремя (иногда до 10) силовыми клеммами и несколькими выводами для управления, штатно используемые в силовых инверторах - мощные блоки зарядки, трансформаторные подстанции, частотные преобразователи для двигателей, электротранспорт и т. п. Вследствие большого размера кристалла, эти модули оказываются способны выдержать значительную кратковременную перегрузку по рабочему току (до 10 раз от номинального), что чрезвычайно выгодно в импульсном инверторе катушки Тесла по DRSSTC-технологии, поскольку рабочий цикл (время, в течение которого происходят колебания в контурах и через транзисторы течёт ток, разогревающий их кристаллы), в нём обычно составляет около 5-10%. Но, с другой стороны, абсолютное большинство этих IGBT-модулей рассчитаны на рабочие частоты порядка единиц, реже десятков килогерц (впрочем, в последнее время ситуация улучшается и современные модули могут работать до 100 кГц). Использование их на большей частоте часто ведёт к проблемам с управлением затворами, перегреву и взрывам (куда ж без взрывов).

Стоимость одного модуля, даже б/у, может быть сравнительно велика (от единиц до сотен тысяч рублей), так что мы решили перестраховаться и поставить с запасом по импульсному току два модуля CM600DU-24NFH (600 ампер непрерывного тока, 1200 вольт, два транзистора в полумостовом включении) по схеме «полный мост» (как известно, полный мост делается из двух полумостов - К. О.), или просто «мост». Посаженные на соответствующий их габаритам радиатор через пару чайных ложек термопасты КПТ-8, они были соединены медными шинами и снабжены необходимым обвесом - силовыми электролитическими и плёночными конденсаторами.

В придумывании актуального способа соединения этих деталей между собой есть масса хитрых эмпирических ноу-хау, призванных сократить риски и максимизировать надёжность подобных конструкций, но поля этой записи слишком узки, чтобы я мог рассказать про них, если вы понимаете о чём я. Не было никаких гарантий, что получившаяся штука не взорвётся при первой же попытке её включить, но на тот момент это казалось приемлемым риском.

Автоматика и электрика

Управляющая электрика не содержала в себе ничего особенно интересного. Нужно было обеспечить плавную зарядку электролитов (чтобы они не выбивали автоматы в щитке в момент включения установки) - с этим справились автоматический пускатель (по сути, большое силовое реле) и несколько силовых резисторов.

Диодный мост на 150 ампер выпрямлял сеть (кстати, вся конструкция создавалась, конечно же, под трёхфазное питание, с чем была связана масса разных интересных открытий - раньше мы не делали ничего под три фазы, тем более такой мощности), вентиляторы обдували диодный мост и заодно радиатор силовой части, а лампочки на передней панели изображали светофор, любезно сообщая, когда можно трогать части катушки руками, когда лучше не стоит, и когда желательно оказаться от неё на максимально возможном расстоянии, чтобы не словить разряд в макушку.

Поскольку продавался пульт в виде распаянной и прошитой платы с россыпью выносных деталек, нам пришлось разработать к ней корпус, куда встали бы сама плата, питание, четыре энкодера, четыре кнопки, дисплей и многочисленные разъёмы (четыре оптопередатчика, MIDI вход, USB вход, слот для SD карты). По ходу дела обнаружилась масса разного рода недоработок автора, в частности, отсутствие какого-либо контроля питания (питать от «Кроны»? Литий-ион? не, не слышал), что пришлось исправлять и доделывать, чтобы этим можно было пользоваться по назначению. Получившаяся в итоге химера, несмотря на ряд отвратительных глюков при некоторых неудачных условиях, успешно справляется с основной задачей и по сей день. Фотографии его у меня как-то не нашлось, но его можно заметить на одном из кадров ниже, в параграфе «первичная проверка» - чёрная коробочка рядом с силовым кабелем в правой части снимка. Ещё есть кадр из видео от автора схемы и прошивки - вот он.

Конденсаторная батарея

В качестве резонансного конденсатора мы выбрали силовые плёночные конденсаторы одного из отечественных производителей, специально разрабатывавшиеся (если верить каталогу производителя) для импульсных режимов работы. Пять штук общей ёмкостью около 1.2 мкф, и максимальным напряжением 20 киловольт, соединённые медной шиной с латунными винтами. Латунного крепежа, кстати, на весь проект ушло значительное количество - из-за огромных токов в килоамперы, в сочетании с мощным магнитным полем от первичной обмотки, и стальной оцинкованный и нержавеющий крепёж моментально разогреваются докрасна, что может в итоге приводить к незапланированным спецэффектам (да-да, взрывам). Поэтому и в ошиновке конденсаторов, и вообще во всех силовых соединениях в первичном контуре пришлось использовать только медь и латунь. Первые же тесты показали наивность попыток поставить туда что-то ферромагнитное и/или недостаточно хорошо пропускающее электрический ток.

Первичная проверка

Следующим этапом была настройка драйвера. Для этого достаточно собрать в одно целое первичный контур (конденсаторную батарею, первичку и мост), подключить к транзисторам моста драйвер и плавно начать подавать напряжение, отслеживая на осциллографе формы сигналов в различных участках схемы. Если всё сделано правильно, то в первичном контуре возникает автогенерация на расчётной частоте (в нашем случае около 50 кГц). Вторичка при этом не нужна, и никаких разрядов не возникает, но собираемых данных достаточно, чтобы настроить предиктор, OCD и заметить ошибки в монтаже или выбранных параметрах деталей. Эта часть оказалась простой и лёгкой (кстати, в таком режиме первичная обмотка вполне может работать как индукционная плита для приготовления пищи - есть прецеденты жарки яичницы на сковороде, стоящей поверх первички), и мы отправились вместе с почти родившимся детищем в один большой и полузаброшенный цех заводика, чтобы проверить наконец наше творение in vivo.

Проверка оказалась быстрой, яркой и немного предсказуемой: выдав несколько четырёхметровых разрядов, катушка Тесла сказала «вы мне надоели, я ухожу» и прекратила работать с громким хлопком где-то внутри корпуса. Последующее исследование этого феномена показало, что в процессе подбора оптимальной частоты мы ошиблись на один виток первичной обмотки, и возникшего рассогласования при переключении транзисторов оказалось достаточно, чтобы они, как это говорят на профессиональном тесластроительном арго, насиланили, то есть пришли в полную негодность ввиду перехода содержащегося в них кремния в газообразное состояние (как в том анекдоте, что транзисторы работают, мол, на волшебном дыме - когда он выходит, они работать перестают). Запасной комплект транзисторов остался в лаборатории, и остаток отведённого времени мы вяло переругивались друг с другом и запускали другие взятые с собой катушки Тесла в рамках репетиции к фестивалю GEEK PICNIC (под который был приурочен релиз проекта).

Для чего же всё это было?

Ну а дальше было немного работы над ошибками, суматошные сборы, прибытие на Елагин остров, где традиционно проходит в Питере упомянутый GEEK PICNIC, ночные тесты перед днём фестиваля нашей катушки, уже с новым трубчатым тороидом и на полную катушку (простите за намеренную тавтологию). На следующий день были час X (в течение которого около пятнадцати минут мы прыгали всей толпой вокруг не желающего запускаться шедевра, пока не обнаружили косяк монтажа - трансформатор тока был подключен не в той фазировке), Вивальди, Имперский марш и Марио на молниях, снимающие это всё квадрокоптеры с камерами, полтысячи зрителей, взиравших на происходящее кто с восхищением, кто с удивлением, кто равнодушно-непонимающе, кто через экраны своих смартфонов и планшетов, несколько запусков на бис при дневном свете, где разряд был едва заметен (зато слышно было прекрасно) и - уже после окончания фестиваля, но до закрытия парка - несколько минут работы самой большой музыкальной катушки Тесла в России в летних сумерках, которые до сих пор иногда встают у меня перед глазами.

Держать в руках пульт от такой штуки и смотреть на почти настоящие шестиметровые молнии, угрожающими тентаклями взрезающие воздух, возникающие и изменяющиеся по движению твоих пальцев - это до сих пор одно из самых моих сильных воспоминаний за девять лет работы над катушками Тесла и спецэффектами высоких напряжений. Но, увы, ничто не вечно, и возмущённый происходящим (мол, люди уходить не хотят пока вы тут развлекаетесь) охранник парка потребовал сворачивать лавочку и выкатываться, что и пришлось осуществить.

К сожалению, с тех пор у нас так и не получилось ни разу запустить эту катушку Тесла снова. Мы переработали проект силовой части, проапгрейдили драйвер, значительно продвинулись в понимании принципов работы всего этого дела, но отсутствие площадки, пригодной для проведения подобных экспериментов, увы, всё ещё является труднопреодолимым и дорогостоящим препятствием. Катушка лежит в виде составных частей у меня дома и ждёт своего часа. Когда-нибудь я снова её включу. А может и не её, а новую, ещё раза в два-три больше. Кто знает.

Видео запуска:

Newfag disclaimer

Это мой первый пост на Гиктаймс. В случае положительной критики планирую в дальнейшем рассказать про ряд других интересных проектов смежной тематики. Если вы заметили в тексте или оформлении нарушения каких-либо гласных или негласных правил или рекомендаций сообщества Гиктаймс, прошу указать мне на них для исправления и учёта в будущем.

Работа кинескопных телевизоров, люминесцентных и энергосберегающих лампочек, дистанционная зарядка аккумуляторов обеспечивается специальным устройством - трансформатором (катушкой) Тесла. Для создания эффектных световых зарядов фиолетового цвета, напоминающих молнию, также применяется катушка Тесла. Схема на 220 В позволяет понять устройство этого прибора и при необходимости сделать его своими руками.

Механизм работы

Катушка Тесла представляет собой электроаппарат, способный в несколько раз увеличивать напряжение и токовую частоту. Во время её работы образуется магнитное поле, которое может влиять на электротехнику и состояние человека. Попадающие в воздух разряды способствуют выделению озона. Конструкция трансформатора состоит из следующих элементов:

  • Первичной катушки. Имеет в среднем 5−7 витков провода с диаметром сечения не меньше 6 мм².
  • Вторичной катушки. Состоит из 70−100 витков диэлектрика с диаметром не более 0,3 мм.
  • Конденсатора.
  • Разрядника.
  • Излучателя искрового свечения.

Трансформатор, созданный и запатентованный Николой Тесла в 1896 году, не имеет ферросплавов, которые в других аналогичных приборах используются для сердечников. Мощность катушки ограничивается электрической прочностью воздуха и не зависит от мощности источника напряжения.

При попадании напряжения на первичный контур на нём генерируются высокочастотные колебания. Благодаря им на вторичной катушке возникают резонансные колебания, результатом которых является электрический ток, характеризующийся большим напряжением и высокой частотой. Прохождение этого тока через воздух приводит к возникновению стримера - фиолетового разряда, напоминающего молнию.

Колебания контуров, возникающие в процессе работы катушки Тесла, могут быть сгенерированы разными способами. Чаще всего это происходит с помощью разрядника, лампы или транзистора. Наиболее мощными являются устройства, в которых используются генераторы двойного резонанса.

Исходные материалы

Человеку, обладающему основными знаниями в области физики и электрики, собрать трансформатор Тесла своими руками не составит труда. Необходимо лишь приготовить набор основных деталей:

Обязательным элементом первичной катушки является охлаждающий радиатор, размер которого напрямую влияет на эффективность охлаждения оборудования. В качестве обмотки может быть использована трубка из меди или провод диаметром 5−10 мм.

Вторичная катушка требует обязательной изоляции в виде обработки краской, лаком или другим диэлектриком. Дополнительной деталью этого контура является последовательно подключённый терминал. Его использование целесообразно только при мощных разрядах, при небольших стримерах достаточно вывести конец обмотки вверх на 0,5−5 см.

Схема подключения

Трансформатор Тесла собирается и подключается в соответствии с электрической схемой. Монтаж маломощного устройства следует проводить в несколько этапов:

Сборка более мощного трансформатора происходит по аналогичной схеме. Чтобы добиться большой мощности, потребуется :

Максимальная мощность, которую может достигать правильно собранный трансформатор Тесла, доходит до 4,5 кВт. Такой показатель может быть достигнут с помощью уравнивания частот обоих контуров.

Собранную своими руками катушку Тесла обязательно необходимо проверить. Во время проверочного подключения следует:

  1. Установить переменный резистор в среднюю позицию.
  2. Отследить наличие разряда. При его отсутствии нужно поднести к катушке люминесцентную лампу или лампу накаливания. Её свечение будет свидетельствовать о наличии электромагнитного поля и о работоспособности трансформатора. Также исправность прибора можно определить по самостоятельно зажигающимся радиолампам и вспышкам на конце излучателя.

Первый запуск прибора должен осуществляться при отслеживании температуры. При сильном нагревании требуется подключить дополнительное охлаждение.

Применение трансформатора

Катушка может создавать разные виды зарядов. Чаще всего при её работе возникает заряд в форме дуги.

Свечение воздушных ионов в электрическом поле с повышенным напряжением называют коронным разрядом. Он представляет собой голубоватое излучение, образующееся вокруг деталей катушки, имеющих значительную кривизну поверхности.

Искровой разряд или спарк проходит от терминала трансформатора до поверхности земли либо до заземлённого предмета в виде пучка быстро меняющих форму и гаснущих ярких полос.

Стример выглядит как тонкий слабо светящийся световой канал, имеющий множество разветвлений и состоящий из свободных электронов и ионизированных частиц газа, не уходящих в землю, а протекающих по воздуху.

Создание разного рода электроразрядов при помощи катушки Тесла происходит при большом увеличении тока и энергии, вызывающем треск. Расширение каналов некоторых разрядов провоцирует увеличение давления и образование ударной волны. Совокупность ударных волн по звуку напоминает треск искр при горении пламени.

Эффект от трансформатора такого рода ранее использовали в медицине для лечения заболеваний. Высокочастотный ток, протекая по коже человека, давал оздоровительный и тонизирующий эффект. Он оказывался полезным только при условии невысокой мощности. При возрастании мощности до больших значений получался обратный результат, негативно влияющий на организм.

С помощью такого электроприбора разжигают газоразрядные лампы и обнаруживают течь в вакуумном пространстве. Также его успешно применяют в военной сфере с целью быстрого уничтожения электрооборудования на кораблях, танках или в зданиях. Мощный импульс, генерируемый катушкой за очень короткий период, выводит из строя микросхемы, транзисторы и прочие аппараты, находящиеся в радиусе десятков метров. Процесс уничтожения техники происходит бесшумно.

Самой зрелищной сферой применения являются показательные световые шоу . Все эффекты создаются благодаря формированию мощных воздушных зарядов, длина которых измеряется несколькими метрами. Это свойство позволяет широко применять трансформатор при съёмках фильмов и создании компьютерных игр.

При разработке этого устройства Никола Тесла планировал использовать его для передачи энергии в глобальном масштабе. Идея учёного базировалась на применении двух сильных трансформаторов, располагающихся на разных концах Земли и функционирующих с равной резонансной частотой.

В случае успешного использования такой системы энергопередачи необходимость в электростанциях, медных кабелях и поставщиках электричества полностью бы отпала. Каждый житель планеты смог бы использовать электроэнергию в любом месте абсолютно безвозмездно. Однако в силу экономической нерентабельности замысел знаменитого физика до сих пор не был (и вряд ли когда-то будет) реализован.

Изобретенная в 1891 году Николой Тесла, катушка Тесла была создана для проведения экспериментов по изучению высоковольтных разрядов. Это устройство состоит из источника питания, конденсатора, двух катушек, между которыми будет циркулировать заряд, и двух электродов, между которыми будет проскакивать разряд. Катушку Тесла, нашедшую применение в великом множестве устройств (от ускорителя частиц и телевидения до детских игрушек) можно сделать дома из радиодеталей.

Шаги

Часть 1

Проектирование катушки Тесла

    Определитесь с размером и расположением катушки Тесла перед тем, как браться за дело. Вы можете сделать настолько большую катушку Тесла, насколько позволяет ваш бюджет; но учтите, создаваемые катушкой искровые разряды разогревают воздух, который сильно расширяется (в результате создавая гром). Электромагнитное поле, создаваемое катушкой, может вывести из строя электроприборы, так что лучше расположить ее в отдаленном месте, вроде гаража или мастерской.

    • Чтобы выяснить, насколько длинную дугу вы сможете получить, или какой мощности блок питания потребуется, разделите расстояние между электродами в сантиметрах на 4,25 и возведите в квадрат – получите необходимую мощность в Ваттах. Соответственно, чтобы найти расстояние между электродами, умножьте квадратный корень мощности на 4,25. Катушка Тесла, способная создать дугу длинной 1,5 метра, потребует 1 246 Вт. Катушка с блоком питания на 1кВт может создать искру длиной 1,37 метра.

    • Ознакомьтесь с терминологией. Создание катушки Тесла потребует от вас понимания определенных научных терминов и знания единиц измерения. Вам будет необходимо понимать их значение и смысл, чтобы сделать все правильно. Здесь представлена некоторая информация, которая вам пригодится:

      • Электрическая емкость – это способность накапливать и удерживать электрический заряд определенного напряжения. Устройство, созданное для накапливания электрического заряда, называется конденсатор. Единица измерения электрического заряда – фарад (обозначается "Ф"). Фарад можно выразить как 1ампер секунда (Кулон), умноженная на вольт. Зачастую емкость измеряется в долях фарада, таких как микрофарад (мФ) – миллионная доля фарада, пикофарад (пкФ) – триллионная доля фарада.
      • Самоиндукция – это явление возникновения ЭДС в проводнике при изменении проходящего через него тока. Высоковольтные провода, по которым течет низкоамперный ток, обладают высокой самоиндукцией. Единица измерения самоиндукции – генри (сокращенно "Гн"). Один генри соответствует цепи, в которой изменение тока со скоростью один ампер в секунду создает ЭДС 1Вольт. Индуктивность часто измеряют в долях генри: миллигенри ("мГн"), тысячная доля генри или микрогенри ("мкГн"), миллионная часть генри.
      • Резонансная частота – это частота, на которой потери на передачу энергии минимальны. Для катушки Тесла это частота минимальных потерь при передачи энергии между первичной и вторичной обмотками. Частота измеряется в герцах (сокращенно "Гц"), определяется как один цикл в секунду. Зачастую, резонансная частота измеряется в килогерцах ("кГц"), килогерц равняется 1000 Гц.

    • Соберите все необходимые детали. Вам понадобится: трансформатор, первичный конденсатор высокой емкости, разрядник, первичная катушка низкой индуктивности, вторичная катушка с высокой индуктивностью, вторичный конденсатор с небольшой емкостью и устройство для гашения высокочастотных импульсов, которые возникают при высоких напряжениях во время работы катушки Тесла. Более подробную информацию о необходимых деталях вы найдете в разделе статьи "Изготовление катушки Тесла".

      • Источник питания должен через дроссель питать первичный или накопительный колебательный контур, который состоит из первичного конденсатора, первичной катушки и разрядника. Первичная катушка должна располагаться рядом с вторичной катушкой, которая является элементом вторичного колебательного контура, но контуры не должны быть соединены проводами. Как только вторичный конденсатор накопит достаточный заряд, он будет испускать электрические разряды в воздух.

Часть 2

Изготовление катушки Тесла

  1. Выберите трансформатор. Ваш питающий трансформатор определяет, насколько большую катушку вы сможете сделать. Большинство подобных катушек работает от трансформаторов, которые могут выдавать при напряжении 5,000-15,000 вольт ток 30-100 миллиампер. Вы можете поискать трансформатор на местном радиорынке, купить через интернет или снять с неоновой вывески.

    Сделайте первичный конденсатор. Его можно сделать из множества маленьких конденсаторов, соединенных в цепь, которые будут накапливать равные доли заряда в первичном контуре. Для этого все конденсаторы должны иметь одинаковую емкость. Такой конденсатор называется составным.

    • Конденсаторы малой емкости и нагрузочные резисторы можно приобрести в магазине радиодеталей или снять керамические конденсаторы со старого телевизора. Вы также можете сделать конденсаторы из алюминиевой фольги и полиэтиленовой пленки.
    • Чтобы добиться максимальной мощности, первичный конденсатор должен полностью заряжаться каждые пол цикла подачи энергии. Для 60 Гц источника питания, заряд должен происходить 120 раз в секунду.

  2. Спроектируйте разрядник. Если вы хотите сделать одиночный разрядник, вам нужно использовать провод минимум 6 миллиметров толщиной, чтобы электроды могли выдерживать тепло, выделяемое во время разряда. Вы также можете сделать многоэлектродный разрядник, роторный разрядник или охлаждать электроды, обдувая воздухом. Для этих целей можно приспособить старый пылесос.

    Сделайте обмотку первичной катушки. Сама катушка будет сделана из проволоки, но вам потребуется форма, вокруг которой наматывать проволоку. Следует использовать лакированную медную проволоку, которую вы сможете купить в магазине радиодеталей или снять с ненужного электроприбора. Форма, вокруг которой вы будете обматывать проволоку, должна быль либо цилиндрической, например картонная или пластиковая трубка, либо коническая, например, старый абажур.

    • Длина проволоки будет определять индуктивность первичной катушки. Первичная катушка должна обладать низкой индуктивностью, так что она будет состоять из небольшого количества витков. Проволока для первичной катушки не обязательно должна быть сплошной, вы можете скреплять секции, чтобы регулировать индуктивность походу сборки.

  3. Соберите первичный конденсатор, разрядник и первичную катушку в одну цепь. Эта цепь образует первичный колебательный контур.

    Сделайте вторичную катушку индуктивности. Как и для первичной катушки, вам нужна цилиндрическая форма, на которую вы будете наматывать проволоку. Вторичная катушка должна иметь такую же резонансную частоту, как и первичная, чтобы избежать потерь. Вторичная катушка должна быть длиннее/выше, чем первичная, так как должна обладать большей индуктивностью и препятствовать разряду вторичного контура, который может привести к тому, что первичная катушка сгорит.

    • Если у вас не хватает материалов сделать достаточно большую вторичную катушку, вы можете сделать разрядный электрод, чтобы защитить первичный контур, но это приведет к тому, что большая часть разрядов будет приходиться на этот электрод и их не будет видно.

  4. Сделайте вторичный конденсатор. Вторичный конденсатор, или терминал, должен быть скругленной формы, две самые популярные – тор (кольцо в форме бублика) и сфера.

    Соедините вторичный конденсатор и вторичную катушку. Это будет вторичным колебательным контуром.

    • Ваш вторичный контур должен быть заземлен отдельно от вашей проводки по дому, которая питает источник катушки Тесла. Это необходимо, чтобы избежать блуждания высоковольтных токов по проводке дома и нанесению вреда подключенным электроприборам. Сделать отдельное заземление можно, вогнав металлический штырь в землю.

  5. Сделайте импульсные дроссели. Дроссели – это небольшие катушки, которые предотвращают поломку источника питания разрядником. Вы можете сделать такую катушку, намотав медную проволоку вокруг тонкой трубки, например, обычной шариковой ручки.

  6. Соберите все компоненты вместе. Разместите первичный и вторичный колебательные контуры рядом и присоедините питающий трансформатор к первичному контуру через дроссели. Как только вы включите трансформатор, катушка Тесла готова к работе.

    • Если первичная катушка большого диаметра, вторичная может быть размещена внутри нее.

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 .

Губит людей не пиво...

Не будем забывать о безопасности. Подобные устройства в радиусе до 2-3 метров могут легко вывести из строя тонкую электронику, такую как мобильный телефон, электронные часы на руке и т.п. На человека высокочастотный высоковольтный генератор влияет слабо из-за «скин-эффекта», но все-же будьте осторожны. Дети, коты, птицы и неуравновешенные граждане должны быть на некотором удалении от таких устройств при их включении.

Помните об этом!

PS - По просьбам некоторых читателей добавляю видео с некоторыми подробностями конструкции катушки. Видео доступно по

После успехов с обычными высоковольтными генераторами, решено было построить что-то действительно большое. Конечно, это была DRSSTC .

Справка: QCW DRSSTC — особый тип транзисторных катушек Тесла, характеризующийся плавной накачкой: постепенным и плавным (а не резким как в обычных катушках) нарастанием напряжения и тока первичного контура.

Выбор пал на транзисторы Mitsubishi Electronic IGBT - CM300DY24HA, с номинальными параметрами: максимальный непрерывный ток - 300 A, максимум напряжения К-Э 1200 V. Тесты изготовителей tesla в США показали, что эти транзисторы способны выдерживать непрерывный импульс 4 кА (они взрываются примерно на 5 кА в результате насыщения) и могут безопасно использоваться с импульсными токами до 2 кА. Транзисторы защищены ТВС, способными рассеивать около 12 кВт, а также 5 мкФ / 1 кВ на электропитании.

Принципиальная схема DRSSTC

А это структурная схема генератора:

Технические характеристики Теслы

  • В первичной цепи установлен ограничитель тока на 1400 А.
  • Потребление энергии в сети около 20 А.
  • Резонансная частота составляет 42 кГц.
  • Предельная длина искры 3 метра.
  • Тесла имеет более 2 метра в высоту.
  • Диаметр верхнего тороида - около 1 метра.

Разумеется ни одна DRSSTC не может функционировать без хорошего резонансного конденсатора, и именно там появилась самая большая проблема - чем выше емкость, тем лучше эффект по искре, но и тоньше кошелек... Минимальное напряжение пробоя составляет 8 кВ, однако чем больше, тем лучше. После многих расчетов решено было принять параметры 600nF / 10kV, а это означает необходимость покупки 100 конденсаторов CDE942C20P15kF. Они не единственные конденсаторы подходящие для этой цели, но другие еще дороже.

Следующим шагом было проектирование механической части, расположение ключевых элементов и т. д. Первичка вызвала немало проблем. Одной из концепций была коническая обмотка, но с другой стороны, из-за гораздо лучшего распределения поля остановились на плоской. Обмотка выполнена из мягкой меди диаметром 15 мм с толщиной стенки 1 мм.

Другим важным элементом катушки Тесла является вторичная обмотка. Это классическое решение, которое заключается в использовании в качестве формы под неё канализационной трубы из ПВХ диаметром 200 мм и высотой 1 м. Катушка содержит около 2300 витков проволоки 0,4 мм. Это почти 2 кг меди и около 1,5 км кабеля. Обмотка традиционно залита лаком.

Тороиды представляют собой классическую конструкцию, изготовленную из вентиляционных гофрированных труб. Использование двух тороидов улучшает распределение электрического поля вокруг обмоток, благодаря чему искры неохотно идут внутрь. Также использовались защитные катушки в количестве 2 штуки - одна выше, другая - под первичной плоскостью. Верхняя катушка провода является временной.

Нижняя часть корпуса электроники будет покрыта сеткой, пока закрыта только лицевая сторона, чтобы иметь легкий доступ к деталям во время ввода Теслы в эксплуатацию.

Разумеется, для мощных транзисторов требуется массивный радиатор. Он также охлаждается двумя мощными 120-миллиметровыми вентиляторами. Хотя общее количество выделяемого тепла не велико - большой радиатор и кулеры нужны обязательно, как результат - во время работы радиатор практически холоден.

Следующий ключевой элемент - силовые фильтрующие конденсаторы. Поскольку устройство работает с мощным импульсом, для импульсной работы требуются высоковольтные электролиты значительной мощности и низким импедансом (low esr).

Получение постоянного напряжения 650 В DC несложно, достаточно удвоить напряжение сети 220 В.

Необходимо поставить диодный мост с напряжением выше 320 В (после выпрямления), в частности около 600 В постоянного тока, также были необходимы электролиты способные работать с таким напряжением, однако самое высокое напряжение, которое когда-либо встречалось на любом электролите, было 500 В, но и этого все еще недостаточно. Поэтому необходимо последовательно подключать два электролитических конденсатора, что означает половину емкости и потребность сразу в четырех конденсаторах.

Контроллер управляет промежуточным мостом на MOSFET. Однако на этот раз промежуточный мост питается стабилизированным напряжением 80 В, которое выдает специально сконструированный трансформатор, управляющий затворами транзисторов IGBT. Трансформация этого трансформатора составляет 4: 1: 1: 1: 1. Эта конструкция позволяет получить типичные 20V на затворах, и его применение направлено на значительное сокращение времени их перезарядки.

Молнии безумно громкие и невероятно яркие, но красота требует жертв, поэтому расходы превышают 1000 долларов.

Обсудить статью БОЛЬШАЯ САМОДЕЛЬНАЯ КАТУШКА ТЕСЛА DRSSTC