Bobina de Tesla con separación de chispas: 14 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

Este es un tutorial sobre cómo construir una bobina de Tesla Spark Gap con un vestido de jaula de Faraday.

Este proyecto nos llevó a mí y a mi equipo (3 estudiantes) 16 días hábiles, cuesta alrededor de 500 USD, les aseguro que no funcionará desde la primera vez:), lo más importante es que hay que entender toda la teoría detrás y sepa cómo manejar los componentes que elija.

En este instructivo, lo llevaré a través de toda la teoría detrás, los conceptos, las fórmulas, una construcción paso a paso para todas las partes. Si desea construir bobinas más pequeñas o más grandes, el concepto y las fórmulas serán los mismos.

Los requisitos para este proyecto:

- Conocimientos en: Equipos eléctricos, electrónicos, electromagnéticos y de laboratorio.

- osciloscopio

- Transformador de letrero de neón; 220V hasta 9kV

- Condensadores de alto voltaje

- Cables de cobre o tubos de cobre

- Madera para construir tu chasis

- Tubería de PVC para la bobina secundaria

- Tubo metálico flexible para el Toroide

- Un pequeño ventilador eléctrico de 220 V para la descarga de chispas.

- Papeles de aluminio y malla para el vestido jaula de Faraday.

- Cables aislados para el secundario

- Lámparas de neón

- Regulador de voltaje si no tiene un 220VAC estable

- Conexión a tierra

- mucha paciencia

Paso 1: Introducción a la bobina Tesla Spark Gap

Una bobina Tesla es un transformador de resonancia que contiene un circuito LC primario y secundario. Diseñado por el inventor Nikola Tesla en 1891, los dos circuitos LC están acoplados libremente. La energía se suministra al circuito primario a través de un transformador elevador, que carga un condensador. Eventualmente, el voltaje a través del capacitor aumentará lo suficiente como para acortar un espacio de chispa. El condensador se descargará a través del espacio de chispa y entrará en la bobina primaria. La energía oscilará hacia adelante y hacia atrás entre el condensador primario y el inductor de la bobina primaria a altas frecuencias (típicamente 50 kHz-2 MHz). La bobina primaria está acoplada a un inductor en el circuito secundario, llamado bobina secundaria. Unida a la parte superior de la bobina secundaria hay una carga superior que proporciona capacitancia para el circuito LC secundario. A medida que oscila el circuito primario, se induce energía en la bobina secundaria donde el voltaje se multiplica muchas veces. Un campo de alto voltaje y baja corriente se desarrolla alrededor de la carga superior y arcos de descarga de rayos en una dulce exhibición de asombro. Los circuitos LC primario y secundario deben oscilar a la misma frecuencia para lograr la máxima transferencia de potencia. Los circuitos de la bobina normalmente se "sintonizan" a la misma frecuencia ajustando la inductancia de la bobina primaria. Las bobinas de Tesla pueden producir voltajes de salida desde 50 kilovoltios hasta varios millones de voltios para bobinas grandes.

Paso 2: teoría

Esta sección cubrirá la teoría completa del funcionamiento de una bobina Tesla convencional. Consideraremos que los circuitos primario y secundario son circuitos RLC de baja resistencia, lo que concuerda con la realidad.

Por las razones antes mencionadas, la resistencia interna del componente no está representada. También reemplazaremos el transformador de corriente limitada. Esto no tiene ningún impacto con respecto a la teoría pura.

Tenga en cuenta que algunas partes del circuito secundario están dibujadas con líneas de puntos. Esto se debe a que no son directamente visibles en el aparato. En cuanto al condensador secundario, veremos que su capacidad está realmente distribuida, siendo la carga superior sólo "una placa" de este condensador. Con respecto al espacio de chispa secundario, se muestra en el esquema como una forma de representar dónde se producirán los arcos.

Este primer paso del ciclo es la carga del condensador primario por el generador. Supongamos que su frecuencia es de 50 Hz. Debido a que el generador (NST) tiene limitación de corriente, la capacidad del capacitor debe elegirse cuidadosamente para que se cargue por completo en exactamente 1/100 segundos. De hecho, el voltaje del generador cambia dos veces por período y, en el siguiente ciclo, recargará el condensador con polaridad opuesta, lo que no cambia absolutamente nada sobre el funcionamiento de la bobina Tesla.

Cuando el condensador está completamente cargado, la descarga de chispas se dispara y, por lo tanto, cierra el circuito primario. Conociendo la intensidad del campo eléctrico de ruptura del aire, el ancho del espacio de chispa debe establecerse de manera que se dispare exactamente cuando el voltaje a través del capacitor alcanza su valor máximo. El papel del generador termina aquí.

Ahora tenemos un condensador completamente cargado en un circuito LC. La corriente y el voltaje oscilarán así a la frecuencia de resonancia del circuito, como se demostró antes. Esta frecuencia es muy alta en comparación con la frecuencia de la red, generalmente entre 50 y 400 kHz.

Los circuitos primario y secundario están acoplados magnéticamente. Las oscilaciones que tienen lugar en el primario inducirán así una fuerza electromotriz en el secundario. A medida que la energía del primario se vierte en el secundario, la amplitud de las oscilaciones del primario disminuirá gradualmente mientras que las del secundario se amplificarán. Esta transferencia de energía se realiza mediante inducción magnética. La constante de acoplamiento k entre los dos circuitos se mantiene baja a propósito, generalmente entre 0.05 y 0.2.

Las oscilaciones en el primario actuarán así como un generador de voltaje CA colocado en serie en el circuito secundario.

Para producir el voltaje de salida más grande, los circuitos sintonizados primario y secundario se ajustan en resonancia entre sí. Dado que el circuito secundario generalmente no es ajustable, esto generalmente se hace mediante una toma ajustable en la bobina primaria. Si las dos bobinas estuvieran separadas, las frecuencias de resonancia de los circuitos primario y secundario estarían determinadas por la inductancia y capacitancia en cada circuito.

Paso 3: Distribución de capacitancia dentro del circuito secundario

La capacitancia secundaria Cs es realmente importante para que funcione la bobina tesla, la capacitancia de la bobina secundaria es necesaria para los cálculos de la frecuencia de resonancia, si no se tienen en cuenta todos los parámetros no se verá una chispa. Esta capacitancia consta de muchas contribuciones y es difícil de calcular, pero veremos sus componentes principales.

Carga superior: tierra.

La fracción más alta de la capacitancia secundaria proviene de la carga superior. De hecho, tenemos un condensador cuyas "placas" son la carga superior y la tierra. Puede resultar sorprendente que se trate de un condensador, ya que estas placas están conectadas a través de la bobina secundaria. Sin embargo, su impedancia es bastante alta, por lo que en realidad existe una gran diferencia de potencial entre ellos. Llamaremos Ct a esta contribución.

Giros de la bobina secundaria.

La otra gran contribución proviene de la bobina secundaria. Está hecho de muchas vueltas adyacentes de alambre de cobre esmaltado y, por lo tanto, su inductancia se distribuye a lo largo de su longitud. Esto implica que hay una ligera diferencia de potencial entre dos giros adyacentes. Entonces tenemos dos conductores a diferente potencial, separados por un dieléctrico: un capacitor, en otras palabras. En realidad, hay un condensador con cada par de cables, pero su capacidad disminuye con la distancia, por lo tanto, se puede considerar que la capacidad solo entre dos espiras adyacentes es una buena aproximación.

Llamemos Cb a la capacidad total de la bobina secundaria.

En realidad, no es obligatorio tener una carga superior en una bobina Tesla, ya que cada bobina secundaria poseerá su propia capacidad. Sin embargo, una carga superior es crucial para tener hermosas chispas.

Habrá capacidad adicional de los objetos circundantes. Este condensador está formado por la carga superior en un lado y los objetos conductores (paredes, tuberías de plomería, muebles, etc.) en el otro lado.

Nombraremos el condensador de estos factores externos Ce.

Como todos estos "condensadores" están en paralelo, la capacidad total del circuito secundario vendrá dada por:

Cs = Ct + Cb + Ce

Paso 4: concepción y construcción

En nuestro caso utilizamos un regulador de voltaje automático para mantener la entrada de voltaje para el NST en 220V.

Y contiene un filtro de línea de CA incorporado (YOKOMA ELECTRIC WORKS., LTD. En Japón-Modelo AVR-2)

Este instrumento puede encontrarse en máquinas de rayos X o comprarse directamente en el mercado.

El transformador de alta tensión es la parte más importante de la bobina aTesla. Es simplemente un transformador de inducción. Su función es cargar el condensador primario al comienzo de cada ciclo. Aparte de su potencia, su robustez es muy importante ya que debe soportar condiciones de funcionamiento fabulosas (a veces es necesario un filtro de protección).

El transformador de letreros de neón (NST) que estamos usando para nuestra bobina tesla, las características (valores rms) son las siguientes:

Vout = 9000 V, Iout = 30 mA

La corriente de salida es, de hecho, 25 mA, 30 mA es el pico que cae a 25 mA después del arranque.

Ahora podemos calcular su potencia P = V I, que será útil para establecer las dimensiones globales de la bobina de Tesla, así como una idea aproximada de la longitud de sus chispas.

P = 225 W (para 25 mA)

Impedancia NST = NST Vout ∕ NST Iout = 9000 / 0.25 = 360 KΩ

Paso 5: circuito primario

Condensador:

El papel del capacitor primario es almacenar una cierta cantidad de carga para el ciclo siguiente, así como formar un circuito LC junto con el inductor primario.

El condensador primario generalmente está hecho de varias docenas de tapas conectadas en una configuración en serie / paralelo llamada Multi-Mini Condensador (MMC)

El condensador primario se usa con la bobina primaria para crear el circuito LC primario. Un condensador de tamaño resonante puede dañar un NST, por lo tanto, se recomienda encarecidamente un condensador de tamaño más grande que el de resonancia (LTR). Un condensador LTR también entregará la mayor potencia a través de la bobina Tesla. Diferentes espacios primarios (estáticos versus rotativos sincronizados) requerirán capacitores primarios de diferentes tamaños.

Cres = Capacitancia de resonancia primaria (uF) = 1 ∕ (2 * π * Impedancia NST * Fin NST) = 1 / (2 * π * 360 000 * 50) = 8.8419nF

CLTR = Capacitancia estática primaria mayor que la resonancia (LTR) (uF) = Capacitancia de resonancia primaria × 1.6

= 14,147 nF

(esto podría diferir ligeramente de una aproximación a otra, coeficiente recomendado 1.6-1.8)

Usamos capacitores de 2000V 100nF, Nb = Cunit / Cequiv = 100nF / 0.0119 uF = 9 capacitores. Entonces, para exactamente 9 tapas, tenemos Ceq = 0.0111uF = capacitancia MMC.

Piense en conectar resistencias de alta potencia de 10 MOhms en paralelo a cada condensador por seguridad.

Inductancia:

La función del inductor primario es generar un campo magnético para inyectarlo en el circuito secundario y formar un circuito LC con el condensador primario. Este componente debe poder transportar mucha corriente sin pérdidas excesivas.

Son posibles diferentes geometrías para la bobina primaria. En nuestro caso adaptaremos la espiral arqueada plana como bobina primaria. Esta geometría conduce naturalmente a un acoplamiento más débil y reduce el riesgo de arco en la primaria: por lo tanto, se prefiere en bobinas potentes. Sin embargo, es bastante común en bobinas de baja potencia por su facilidad de construcción. Es posible aumentar el acoplamiento bajando la bobina secundaria a la primaria.

Sea W el ancho de la espiral dado por W = Rmax - Rmin y R su radio medio, es decir, R = (Rmax + Rmin) / 2, ambos expresados en centímetros. Si la bobina tiene N vueltas, una fórmula empírica que produce su inductancia L en microhenrys es:

Lflat = (0.374 (NR) ^ 2) / (8R + 11W).

Para la forma de la hélice Si llamamos a R el radio de la hélice, H su altura (ambos en centímetros) y N su número de vueltas, una fórmula empírica que da su inductancia L en microhenrys es: Lhelic = (0.374 (NR) ^ 2) / (9R + 10H).

Estas son muchas fórmulas que puede usar y verificar, darán resultados cercanos, la forma más precisa es usar el osciloscopio y medir la respuesta de frecuencia, pero las fórmulas también son necesarias para construir la bobina. También puede utilizar software de simulación como JavaTC.

Fórmula 2 para forma plana: L = [0.25 * N ^ 2 * (D1 + N * (W + S)) ^ 2] / [15 * (D1 + N * (W + S)) + 11 * D1]

donde N: número de vueltas, W: diámetro del cable en pulgadas, S: espacio entre cables en pulgadas, D1: diámetro interior en pulgadas

Datos de entrada de mi bobina Tesla:

Radio interior: 4.5 pulgadas, 11.2 vueltas, espaciado de 0.25 pulgadas, diámetro del alambre = 6 mm, radio exterior = 7.898 pulgadas.

L usando la Fórmula 2 = 0.03098mH, de JavaTC = 0.03089mH

Por lo tanto, frecuencia primaria: f1 = 271.6 KHz (L = 0.03089 mH, C = 0.0111MFD)

Experiencia de laboratorio (sintonización de frecuencia primaria)

y obtuvimos resonancia a 269-271KHz, lo cual verifica el cálculo, ver Figuras.

Paso 6: Spark Gap

La función del espacio de chispa es cerrar el circuito LC primario cuando el capacitor está suficientemente cargado, permitiendo así oscilaciones libres dentro del circuito. Este es un componente de primordial importancia en una bobina Tesla porque su frecuencia de cierre / apertura tendrá una influencia considerable en la salida final.

Un espacio de chispa ideal debe dispararse justo cuando el voltaje a través del capacitor es máximo y reabrirse justo cuando cae a cero. Pero, por supuesto, este no es el caso en una verdadera descarga de chispas, a veces no se dispara cuando debería o continúa disparando cuando el voltaje ya ha disminuido;

Para nuestro proyecto, utilizamos una vía de chispas estática con dos electrodos esféricos (construidos con dos manijas de cajón) que diseñamos manualmente. Y podría ajustarse manualmente también girando las cabezas esféricas.

Paso 7: circuito secundario

Bobina:

La función de la bobina secundaria es llevar un componente inductivo al circuito LC secundario y recolectar la energía de la bobina primaria. Este inductor es un solenoide con núcleo de aire, que generalmente tiene entre 800 y 1500 vueltas adyacentes estrechamente enrolladas. Para calcular el número de vueltas que se han enrollado, esta fórmula rápida evitará un cierto trabajo fastidioso:

Calibre del cable 24 = 0,05 cm, PVC de 4 pulgadas de diámetro, número de vueltas = 1100 agujas, altura necesaria = 1100 x 0,05 = 55 cm = 21,6535 pulgadas. => L = 20,853 mH

donde H es la altura de la bobina yd el diámetro del alambre utilizado. Otro parámetro importante es la longitud l que necesitamos para hacer toda la bobina.

L = µ * N ^ 2 * A / H. Donde µ representa la permeabilidad magnética del medio (≈ 1.257 · 10−6 N / A ^ 2 para el aire), N el número de vueltas del solenoide, H su altura total y A el área de una vuelta.

Carga superior:

La carga superior actúa como la "placa" superior del condensador formado por la carga superior y la tierra. Agrega capacidad al circuito LC secundario y ofrece una superficie a partir de la cual se pueden formar arcos. En realidad, es posible hacer funcionar una bobina Tesla sin una carga superior, pero el rendimiento en términos de longitud de arco suele ser deficiente, ya que la mayor parte de la energía se disipa entre las vueltas de la bobina secundaria en lugar de alimentar las chispas.

Capacitancia toroide 1 = ((1+ (0.2781 - Diámetro del anillo ∕ (Diámetro general))) × 2.8 × sqrt ((pi × (Diámetro general × Diámetro del anillo)) ∕ 4))

Capacitancia toroide 2 = (1,28 - Diámetro del anillo ∕ Diámetro total) × sqrt (2 × pi × Diámetro del anillo × (Diámetro total - Diámetro del anillo))

Capacitancia toroide 3 = 4.43927641749 × ((0.5 × (Diámetro del anillo × (Diámetro total - Diámetro del anillo))) ^ 0.5)

Capacitancia toroide promedio = (Capacitancia toroide 1 + Capacitancia toroide 2 + Capacitancia toroide 3) ∕ 3

Entonces, para nuestro toroide: diámetro interior 4”, diámetro exterior = 13”, espacio desde el extremo del devanado secundario = 5 cm.

C = 13.046 pf

Capacitancia de la bobina secundaria:

Capacitancia secundaria (pf) = (0,29 × altura del devanado del cable secundario + (0,41 × (diámetro de forma secundaria ∕ 2)) + (1,94 × sqrt (((diámetro de forma secundaria ∕ 2) 3) ∕ altura del devanado del cable secundario))

Csec = 8,2787 pF;

También es interesante conocer la capacitancia (parásita) de la bobina. Aquí también la fórmula es complicada en el caso general. Usaremos el valor obtenido por JAVATC ("Capacitancia de derivación efectiva" sin carga superior):

Cres = 6,8 pF

Por tanto, para el circuito secundario:

Ctot = 8.27 + 13.046 = 21.316pF

Lsec = 20,853 mH

Resultados de experimentos de laboratorio:

Vea las imágenes de arriba para ver el procedimiento de prueba y los resultados de la prueba.

Paso 8: afinación de resonancia

Establecer los circuitos primario y secundario en resonancia, hacer que compartan la misma frecuencia de resonancia es de primordial importancia para un buen funcionamiento.

La respuesta de un circuito RLC es la más fuerte cuando se maneja a su frecuencia de resonancia. En un buen circuito RLC, la intensidad de respuesta cae bruscamente cuando la frecuencia de excitación se desvía del valor resonante.

Nuestra frecuencia de resonancia = 267,47 kHz.

Métodos de afinación:

La sintonización generalmente se realiza ajustando la inductancia primaria, simplemente porque es el componente más fácil de modificar. Como este inductor tiene vueltas anchas, es fácil modificar su autoinductancia tocando el conector final en un lugar determinado de la espiral.

El método más simple para lograr este ajuste es mediante prueba y error. Para ello, se comienza a tocar el primario en un punto supuestamente cercano al resonante, se enciende la bobina y se evalúa la longitud del arco. Luego, la espiral se golpea un cuarto de vuelta hacia adelante / hacia atrás y se reevalúa el resultado. Después de algunos intentos, se puede continuar con pasos más pequeños y finalmente se obtendrá el punto de roscado donde la longitud del arco es la más alta. Normalmente, este tapping

El punto de hecho establecerá la inductancia primaria, ya que ambos circuitos están en resonancia.

Un método más preciso implicaría un análisis de la respuesta individual de ambos circuitos (en la configuración acoplada, por supuesto, es decir, sin separar físicamente los circuitos) con un generador de señales y un osciloscopio.

Los propios arcos pueden producir alguna capacitancia adicional. Por lo tanto, se recomienda establecer la frecuencia de resonancia primaria ligeramente más baja que la secundaria, para compensar esto. Sin embargo, esto solo se nota con las potentes bobinas de Tesla (que pueden producir arcos de más de 1 m).

Paso 9: voltaje en la chispa secundaria

La Ley de Paschen es una ecuación que da el voltaje de ruptura, es decir, el voltaje necesario para iniciar una descarga o arco eléctrico, entre dos electrodos en un gas en función de la presión y la longitud del espacio.

Sin entrar en cálculos detallados utilizando la fórmula compleja, para condiciones normales se requieren 3.3MV para ionizar 1 m de aire entre dos electrodos. En nuestro caso estamos teniendo arcos de unos 10-13cm por lo que estará entre 340KV y 440KV.

Paso 10: Vestido de jaula de Faraday

Una jaula de Faraday o un escudo de Faraday es un recinto utilizado para bloquear campos electromagnéticos. Un escudo de Faraday puede estar formado por una cubierta continua de material conductor o, en el caso de una jaula de Faraday, por una malla de dichos materiales.

Diseñamos una jaula de faraday portátil de cuatro capas, puesta a tierra, como se muestra en la imagen (materiales usados: aluminio, algodón, cuero). Puedes probarlo también colocando tu teléfono móvil adentro, perderá señal, o colocándolo frente a tu bobina tesla y colocando algunas lámparas de neón dentro de la jaula, no se iluminarán, entonces podrías ponértela y probarla.

Paso 11: Apéndices y referencias

Paso 12: Construcción de la bobina primaria

Paso 13: Probar el NST

Paso 14: Construcción de la bobina primaria