Простая катушка тесла. Сделай своими руками трансформатор Тесла (Tesla coil)

13.09.2019

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

Давайте попробуем сделать катушку Тесла в домашних условиях.

— это резонансный трансформатор. В основном это LC схемы, настроенные на одну резонансную частоту.

Высоковольтный трансформатор используется для зарядки конденсатора.

Как только конденсатор достигает достаточного уровня заряда, он разряжается на разрядник и там проскакивает искра. Происходит короткое замыкание первичной обмотки трансформатора и в ней начинаются колебания.

Поскольку ёмкость конденсатора фиксирована, схема настраивается путем изменения сопротивления первичной обмотки, изменяя точку подключения к ней. При правильной настройке, очень высокое напряжение будет в верхней части вторичной обмотки, что приведет к впечатляющим разрядам в воздухе. В отличие от традиционных трансформаторов, соотношение витков между первичной и вторичной обмотками практически не влияет на напряжение.

Этапы строительства

Спроектировать и построить катушку Тесла довольно легко. Для новичка это кажется сложной задачей (мне это тоже казалось сложным), но можно получить рабочую катушку, следуя инструкциям в этой статье и проделав небольшие расчеты. Конечно, если вы хотите очень мощную катушку, нет никакого способа кроме изучения теории и проведения множества расчетов.

Вот основные шаги, с которых следует начать:

Выбор источника питания. Трансформаторы которые используются в неоновых вывесках, вероятно, лучше всего подойдут для начинающих, так как они относительно дешевые. Я рекомендую трансформаторы с выходным напряжением не меньше чем 4кВ.
Изготовление разрядника. Это могут быть просто два винта, вкрученных в паре миллиметров друг от друга, но я рекомендую приложить немного больше усилий. Качество разрядника сильно влияет на производительность катушки.
Расчет ёмкости конденсатора. Используя формулу ниже, рассчитайте резонансную емкость для трансформатора. Значение конденсатора должно быть примерно в 1,5 раза больше этого значения. Вероятно, лучшим и наиболее эффективным решение будет сборка конденсаторов. Если вы не хотите тратить деньги, можете попробовать изготовить конденсатор сами, но он может не работать, а его емкость трудно определить.
Изготовление вторичной обмотки. Используйте 900-1000 витков эмалированной медной проволоки 0,3-0,6мм. Высота катушки обычно равна 5 её диаметрам. Водосточная труба из ПВХ, возможно, не самый лучший, но доступный материал для катушки. Полый металлический шар прицеплен к верхней части вторичной обмотки, а её нижняя часть заземлена. Для этого желательно использовать отдельное заземление, т.к. при использовании общедомового заземления есть шанс испортить другие электроприборы.
Изготовление первичной обмотки. Первичная обмотка может быть сделана из толстого кабеля, или ещё лучше из медной трубки. Чем толще трубка, тем меньше резистивных потерь. 6 миллиметровой трубы вполне достаточно для большинства катушек. Помните, что толстые трубы намного сложнее сгибать и медь трескается при многочисленных перегибах. В зависимости от размера вторичной обмотки, от 5 до 15 витков с шагом от 3 до 5 мм должно хватить.
Соедините все компоненты, настройте катушку, и все готово!

Перед тем как начать делать катушку Тесла настоятельно рекомендуется ознакомиться с правилами ТБ и работы с высокими напряжениями!

Также обратите внимание, что не были упомянуты схемы защиты трансформатора. Они не были использованы, и пока проблем нет. Ключевое слово здесь — пока.

Катушка делалась в основном из тех деталей, которые были в наличии.
Это были:
4кВ 35mA трансформатор от неоновой вывески.
0.3мм медная проволока.
0.33μF 275V конденсаторы.
Пришлось докупить 75мм водосточную трубу ПВХ и 5 метров 6мм медной трубки.

Вторичная обмотка

Вторичная обмотка сверху и снизу покрыта пластиковой изоляцией, для предотвращения пробоя

Вторичная обмотка была первым изготовленным компонентом. Я намотал около 900 витков провода вокруг сливной трубы высотой около 37см. Длина использованного провода была примерно 209 метров.

Индуктивности и емкости вторичной обмотки и металлической сферы (либо тороида) можно рассчитать по формулам которые можно найти на других сайтах. Имея эти данные можно рассчитать резонансную частоту вторичной обмотки:
L = [(2πf) 2 C] -1

При использовании сферы диаметром 14см, резонансная частота катушки равна примерно 452 кГц.

Металлическая сфера или тороид

Первой попыткой было изготовление металлической сферы путем обвертывания пластикового шара фольгой. Я не смог разгладить фольгу на шаре достаточно хорошо, и решил изготовит тороид. Я сделал небольшой тороид, обмотав алюминиевой лентой гофрированную трубу, свернутую в круг. Я не смог получить очень гладкий тороид, но он работает лучше, чем сфера из-за своей формы и за счет большего размера. Для поддержки тороида под него был подложен фанерный диск.

Первичная обмотка

Первичная обмотка состоит из медных трубок диаметром 6 мм, намотанных по спирали вокруг вторичной. Внутренний диаметр обмотки 17см, внешний 29см. Первичная обмотка содержит 6 витков с расстоянием 3 мм между ними. Из-за большого расстояния между первичной и вторичной обмоткой, они могут быть слабо связаны между собой.
Первичная обмотка вместе с конденсатором является LC генератором. Необходимая индуктивность может быть рассчитана по следующей формуле:
L = [(2πf) 2 C] -1
С — емкость конденсаторов, F-резонансная частота вторичной обмотки.

Но эта формула и калькуляторы основанные на ней дают лишь приблизительное значение. Правильный размер катушки должен быть подобран экспериментально, поэтому лучше сделать её слишком большой, чем слишком маленькой. Моя катушка состоит из 6 витков и подключена на 4 витке.

Конденсаторы

Сборка из 24 конденсаторов с гасящим резистором 10МОм на каждом

Так как у меня было большое количество мелких конденсаторов, я решил собрать их в один большой. Значение конденсаторов может быть рассчитано по следующей формуле:
C = I ⁄ (2πfU)

Значение конденсатора для моего трансформатора 27.8 нФ. Фактическое значение должно быть немного больше или меньше этого, так как быстрый рост напряжения в связи с резонансом может привести к поломке трансформатора и / или конденсаторов. Небольшую защиту от этого обеспечивают гасящие резисторы.

Моя сборка конденсаторов состоит из трех сборок с 24 конденсаторами в каждой. Напряжение в каждой сборке 6600 В, общая ёмкость всех сборок 41.3нФ.

Каждый конденсатор имеет свой 10 МОм гасящий резистор. Это важно, так как отдельные конденсаторы могут сохранять заряд в течение очень долгого времени после того, как питание было отключено. Как видно из рисунка ниже, номинальное напряжение конденсатора является слишком низким, даже для 4 кВ трансформатора. Чтобы хорошо и безопасно работать оно должно быть по крайней мере, 8 или 12 кВ.

Разрядник

Мой разрядник это просто два винта с металлическим шариком в середине.
Расстояние регулируется таким образом, что разрядник будет искрить только тогда, когда он является единственным подключенным к трансформатору. Увеличение расстояния между ними теоретически может увеличить длину искры, но есть риск разрушения трансформатора. Для большей катушки необходимо строить разрядник с воздушным охлаждением.

Характеристики

Колебательный контур
Трансформатор NST 4кВ 35мА
Конденсатор 3 × 24 275VAC 0.33μF
Разрядник: два шурупа и металлический шар

Первичная обмотка
Внутренний диаметр 17см
Диаметр трубки обмотки 6 мм
Расстояние между витками 3 мм
Длина трубки первичной обмотки 5м
Витки 6

Вторичная обмотка
Диаметр 7,5 см
Высота 37 см
Проволока 0.3мм
Длина провода около 209m
Витки: около 900

Катушка Тесла – плоская спираль, обладающая наравне с индуктивностью большой собственной ёмкостью. Патент на изобретение подан в январе 1894 года. Автором, естественно, стал Никола Тесла. Под этим названием массово известен трансформатор, принцип действия прибора основывается на колебательных контурах.

Война токов

Сегодня это читается, как научный роман, но на стыке XIX и XX века действительно велась война токов. Все началось, когда за наладку работы генератора в Европе компания не заплатила молодому Тесла ни копейки. Хотя награда обещалась солидная. Недолго думая, Тесла покидает родину и плывёт в США. На пути исследователя преследуют неудачи, в итоге путешествие окончилось благополучно. Взять эпизод, когда в дороге теряются все деньги. Отказаться? Нет!

Тесла чудом пробирается на корабль и половину пути находится под эгидой капитана корабля, подкармливающего путешественника в собственной столовой. Отношения чуть охладились, когда молодой Тесла оказался замечен в центре возникшей на палубе потасовки, где раздавал с правой и левой, благодаря внушительному росту (при малом весе). В результате Тесла прибыл на берег и в первый день умудрился помочь с починкой генератора местному торговцу, заработав небольшое вознаграждение.

Имея на руках рекомендательные письма, Никола идёт устраиваться в компанию, где работает денно и нощно, проводя время сна на лежанке в лаборатории. Эдисон сыграл плохую шутку с молодым будущим визави: пообещал солидную награду за улучшения в работе электрического оборудования. Сложность быстро решилась, а изобретатель резьбы для цоколя лампочки сослался на коммерческий розыгрыш. Тесла уже мысленно распределил обещанную награду на проведение опытов, и шутка не вызвала у изобретателя тёплого душевного отклика. Молодой иммигрант покидает компанию с целью создать собственную.

Одновременно Тесла лелеет идеи на предмет борьбы с любителем розыгрышей. Во время прогулки с другом вдруг понимает, как реализовать теорию вращающегося поля Араго: требуется две фазы переменного тока. На момент 80-х годов XIX века идея считалась поистине революционной. Прежде двигатели, лампочки накала (в стадии совершенствования) и большинство лабораторных опытов обходились постоянным током. Так делал Георг Ом.

Тесла берет патент на двухфазный двигатель и заявляет, что возможны и сложные системы. Идеи заинтересовывают Вестингауза, начинается долгая история о правоте. Эдисон, как обычно, не скупился в средствах. Ходят истории, что он брал генератор переменного тока и истязал им до смерти животных. Якобы электрический стул придуман Эдисоном в соавторстве с неизвестным. Причём первый конструктор случайно или намеренно допустил ошибку, да так, что осуждённый мучился долгое время, в довершение буквально взорвался, выплеснув наружу внутренние органы.

Второго бедолагу адвокатам Вестингауза удалось спасти, заменив казнь на пожизненное заключение. Спасение не остановило Эдисона, вознамерившегося к стулу изобрести вдобавок и стол. Тесла постарался продемонстрировать ответный ход, выдвинув ряд аргументов:

Предприимчивые американские дельцы даже карты игральные выпустили, где фигурировала упомянутая война токов. К примеру, на изображении джокера размещена известная башня Ворденклиф, на строение ориентировались писатели-фантасты, режиссёры аналогичного толка кинокартин. Исторические факты уточняют, насколько напряжённой оказалась борьба – причина блеска изобретательского гения. Свитая из 50 витков толстого кабеля катушка Тесла конструктивно входила в состав башни Ворденклифа…

Конструкция катушки Тесла

Это потрясающая возможность, особым образом уложив витки медного провода, экономить на конденсаторных блоках. Если читатели в теме, то слышали про корректоры фазы для снижения трат на электроэнергию. Это конденсаторные блоки, компенсирующие индуктивное сопротивление потребителя. Особенно актуально для трансформаторов и двигателей. Лишние траты показывает лишь счётчик реактивной мощности. Это мнимая энергия, полезной работы у потребителя не выполняющая. Циркулируя туда и сюда, разогревает активные сопротивления проводников. В местности, где ведётся учёт полной мощности (к примеру, предприятия) это ощутимо увеличивает счета на оплату поставщикам электроэнергии.

Теперь несложно понять, как изобретение Тесла планировалось использовать в промышленности. Изобретатель в патенте US 512340 приводит две схожие конструкции катушки:

На первом чертеже представлена плоская спираль. Один вывод катушки Тесла находится на периферии, второй берётся из середины. Конструкция проста в работе. При разнице потенциалов между выводами в 100 В и количестве витков в тысячу, в среднем, между соседними точками спирали падает 0,1 В. Для вычисления цифры делим 100 на 1000. Собственная ёмкость пропорциональна квадрату 0,1 и не окажется слишком большой.
Тогда Тесла предлагает взглянуть на второй чертёж, где представлена катушка бифилярная. Это плоская спираль, но два провода вьются рядом. Причём концы второго контура закорочены и соединены с выводом первого. Получается, что альтернативная нить по длине обнаруживает одинаковый потенциал. Если представить, что к конструкции приложено 100 В, результат изменится. Действительно, теперь поблизости идут провода двух разных нитей, причём на единственной по длине — исключительно нуль. В результате, в среднем, разница потенциалов составляет 50 В, а собственная ёмкость катушки Тесла больше, нежели у предыдущей схемы, в 250000 раз. Это значительная разница, и очевидно, возможно найти выгодные параметры сети. К примеру, Тесла работал на частотах 200 — 300 кГц.

Изобретатель указывает, что испробовал различные формы и конфигурации. В смысле полезности квадрат не отличается от представленного на рисунках круга или прямоугольника. Форму волен выбирать конструктор. Катушки Тесла не находят сегодня массового применения. Изобретателю воспротивились предприниматели. Неизвестен разговор, произошедший между бизнесменами и Эдисоном, но, числясь акционерами новой ГЭС, магнаты прослышали, что башня Ворденклифа, построенная на удобном месте, способна стать первой пташкой в передаче энергии на расстояния без проводов.

Спонсор строительства был хозяином медных заводов и хотел просто продавать металл. Беспроводной метод передачи энергии невыгоден. Если бы Дж. П. Морган знал, что сегодня большая часть кабелей изготавливается из алюминия, возможно, отнёсся бы иначе, но вышло, что Никола Тесла достраивал башню в гордом одиночестве, и конструкция не приняла предполагаемого размаха.

По второй версии Никола Тесла задумал создавать энергию из воздуха, о чем судачат на Ютуб. Некий изобретатель доказывает, что в сердцевину магнита, на равном удалении от полюсов втягивается энергия эфира, и требуется уметь преобразовать её в электричество. Изложена кратко идея Теслы. Мастер-самоучка, осмелившийся на выставке представить генератор свободной энергии на 13 кВт, исчез в неизвестном направлении заодно с семьёй. Подобные факты наводят на мысль, что у башни Ворденклифа оказалось гораздо больше противников, чем принято думать.

По замыслу Тесла предвиделось 30 фабрик в мире. Они производили бы и принимали энергию, вели широкое вещание. По-видимому, посчитали, что это станет крахом местной экономики, хотя двигатели Бедини и сегодня строят, используя теории Тесал. Итак, катушки лежали в основе передающих и приёмных устройств: конструкция идентичная. Но сегодня эти любопытные изобретения надёжно забыты, если не считать микрополосковых технологий, где встречаются квадратные и круглые спирали-индуктивности аналогичного толка.

Трансформатор Тесла

Выше сказано, что в основе передающих устройств лежали катушки Тесла, допустимо назвать резонансными трансформаторами. Посредством трансформаторной связи на катушку Тесла закачивается высокий потенциал. Заряд идёт до пробоя разрядника, потом начинаются колебания на резонансной частоте. Если одна трансформаторная связь через катушку с большим количеством витков передаёт высокое напряжение на излучатель или разрядник.

Любой волен убедиться, что конструкция башни Ворденклиф напоминает гриб, но в основании лежит плоская катушка Тесла. В качестве излучателя применяется больших объёмов тор, обладающий ёмкостным сопротивлением. В современном виде промежуточный контур содержит обычные конденсаторы, настраиваемые под параметры «бублика». Большим достоинством конструкции считается отсутствие ферромагнитных материалов.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Ниже на картинке представлены формулы для расчета параметров катушки Тесла:

Предлагаю ознакомиться с моим опытом постройки .

В 1997 году я заинтересовался катушкой Тесла и решил построить свою. К сожалению, я потерял интерес к ней, прежде чем я смог её запустить. Через несколько лет я нашел свою старую катушку, немного пересчитал её и продолжил строительство. И снова я забросил ее. В 2007 году друг показал мне свою катушку, напомнив мне о моих незавершенных проектах. Я опять нашел свою старую катушку, пересчитал все и в этот раз завершил проект.

Катушка Тесла - это резонансный трансформатор. В основном это LC схемы, настроенные на одну резонансную частоту.

Высоковольтный трансформатор используется для зарядки конденсатора.

Этапы строительства

Вот основные шаги, с которых следует начать:

Выбор источника питания. Трансформаторы которые используются в неоновых вывесках, вероятно, лучше всего подойдут для начинающих, так как они относительно дешевые. Я рекомендую трансформаторы с выходным напряжением не меньше чем 4кВ.
Изготовление разрядника. Это могут быть просто два винта, вкрученных в паре миллиметров друг от друга, но я рекомендую приложить немного больше усилий. Качество разрядника сильно влияет на производительность катушки.
Расчет ёмкости конденсатора. Используя формулу ниже, рассчитайте резонансную емкость для трансформатора. Значение конденсатора должно быть примерно в 1,5 раза больше этого значения. Вероятно, лучшим и наиболее эффективным решение будет сборка конденсаторов. Если вы не хотите тратить деньги, можете попробовать изготовить конденсатор сами, но он может не работать, а его емкость трудно определить.
Изготовление вторичной обмотки. Используйте 900-1000 витков эмалированной медной проволоки 0,3-0,6мм. Высота катушки обычно равна 5 её диаметрам. Водосточная труба из ПВХ, возможно, не самый лучший, но доступный материал для катушки. Полый металлический шар прицеплен к верхней части вторичной обмотки, а её нижняя часть заземлена. Для этого желательно использовать отдельное заземление, т.к. при использовании общедомового заземления есть шанс испортить другие электроприборы.
Изготовление первичной обмотки. Первичная обмотка может быть сделана из толстого кабеля, или ещё лучше из медной трубки. Чем толще трубка, тем меньше резистивных потерь. 6 миллиметровой трубы вполне достаточно для большинства катушек. Помните, что толстые трубы намного сложнее сгибать и медь трескается при многочисленных перегибах. В зависимости от размера вторичной обмотки, от 5 до 15 витков с шагом от 3 до 5 мм должно хватить.
Соедините все компоненты, настройте катушку, и все готово!

Перед тем как начать делать катушку Тесла настоятельно рекомендуется ознакомиться с правилами ТБ и работы с высокими напряжениями!

Также обратите внимание, что не были упомянуты схемы защиты трансформатора. Они не были использованы, и пока проблем нет. Ключевое слово здесь - пока.

Детали

Вторичная обмотка

Вторичная обмотка сверху и снизу покрыта пластиковой изоляцией, для предотвращения пробоя

При использовании сферы диаметром 14см, резонансная частота катушки равна примерно 452 кГц.

Металлическая сфера или тороид

Первичная обмотка

Первичная обмотка состоит из медных трубок диаметром 6 мм, намотанных по спирали вокруг вторичной. Внутренний диаметр обмотки 17см, внешний 29см. Первичная обмотка содержит 6 витков с расстоянием 3 мм между ними. Из-за большого расстояния между первичной и вторичной обмоткой, они могут быть слабо связаны между собой.
Первичная обмотка вместе с конденсатором является LC генератором. Необходимая индуктивность может быть рассчитана по следующей формуле:
L = [(2πf) 2 C] -1
С - емкость конденсаторов, F-резонансная частота вторичной обмотки.