Bobina Tesla para intervalo de ignição: 14 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:35

Este é um tutorial sobre como construir uma Bobina Tesla Spark Gap com um vestido gaiola de Faraday.

Este projeto levou eu e minha equipe (3 alunos) 16 dias úteis, custa em torno de 500 dólares, garanto que não vai funcionar da primeira vez:), o mais importante é que você tem que entender toda a teoria por trás e saber como lidar com os componentes que você escolher.

Neste instrutível, vou levá-lo através de toda a teoria por trás, os conceitos, as fórmulas, uma construção passo a passo para todas as partes. Se você deseja construir bobinas menores ou maiores, o conceito e as fórmulas serão os mesmos.

Os requisitos para este projeto:

- Conhecimento em: Equipamentos elétricos, eletrônicos, eletromagnéticos e de laboratório

- Osciloscópio

- Transformador de sinal de néon; 220V a 9kV

- Capacitores de alta tensão

- Cabos de cobre ou tubos de cobre

- Madeira para construir seu chassi

- Tubo de PVC para a bobina secundária

- Tubo metálico flexível para o Toroid

- Um pequeno ventilador elétrico de 220 V para o centelhador

- Papéis e malha de alumínio para o vestido gaiola de Faraday

- Fios isolados para o secundário

- Lâmpadas de néon

- Regulador de tensão se você não tiver um 220VAC estável

- Conexão ao terra

- Muita paciência

Etapa 1: Introdução à Bobina Tesla Spark Gap

Uma bobina de Tesla é um transformador de ressonância que contém um circuito LC primário e secundário. Projetado pelo inventor Nikola Tesla em 1891, os dois circuitos LC são fracamente acoplados. A energia é fornecida ao circuito primário por meio de um transformador elevador, que carrega um capacitor. Eventualmente, a tensão através do capacitor aumentará o suficiente para encurtar um centelhador. O capacitor irá descarregar através do centelhador e na bobina primária. A energia irá oscilar para frente e para trás entre o capacitor primário e o indutor da bobina primária em altas frequências (normalmente 50 kHz - 2 MHz). A bobina primária é acoplada a um indutor no circuito secundário, chamado de bobina secundária. Presa ao topo da bobina secundária está uma carga superior que fornece capacitância para o circuito LC secundário. À medida que o circuito primário oscila, a energia é induzida na bobina secundária, onde a tensão é multiplicada várias vezes. Um campo de alta tensão e baixa corrente se desenvolve em torno da carga superior e arcos de descarga elétrica em uma doce demonstração de grandiosidade. Os circuitos LC primário e secundário devem oscilar na mesma frequência para atingir a transferência de potência máxima. Os circuitos da bobina são geralmente "sintonizados" na mesma frequência, ajustando a indutância da bobina primária. As bobinas Tesla podem produzir tensões de saída de 50 quilovolts a vários milhões de volts para bobinas grandes.

Etapa 2: Teoria

Esta seção cobrirá a teoria completa de operação de uma bobina Tesla convencional. Consideraremos que os circuitos primário e secundário são circuitos RLC com baixa resistência, o que está de acordo com a realidade.

Pelas razões acima mencionadas, a resistência interna do componente não está representada. Também substituiremos o transformador com limitação de corrente. Isso não tem impacto sobre a teoria pura.

Observe que algumas partes do circuito secundário são desenhadas em linhas pontilhadas. Isso ocorre porque eles não são diretamente visíveis no aparelho. Em relação ao capacitor secundário, veremos que sua capacidade está realmente distribuída, sendo a carga superior apenas "uma placa" deste capacitor. Em relação ao centelhador secundário, ele é mostrado no esquema como forma de representar onde ocorrerão os arcos.

Esta primeira etapa do ciclo é o carregamento do capacitor primário pelo gerador. Vamos supor que sua frequência seja de 50 Hz. Como o gerador (NST) é limitado por corrente, a capacidade do capacitor deve ser escolhida cuidadosamente para que seja totalmente carregado em exatamente 1/100 segundos. Na verdade, a voltagem do gerador muda duas vezes por período e, no próximo ciclo, ele recarregará o capacitor com polaridade oposta, o que não muda absolutamente nada sobre a operação da bobina de Tesla.

Quando o capacitor está totalmente carregado, a centelha dispara e, portanto, fecha o circuito primário. Conhecendo a intensidade do campo elétrico de ruptura do ar, a largura do centelhador deve ser ajustada de forma que ele dispare exatamente quando a tensão através do capacitor atingir seu valor de pico. O papel do gerador termina aqui.

Agora temos um capacitor totalmente carregado em um circuito LC. A corrente e a tensão irão, portanto, oscilar na frequência de ressonância do circuito, como foi demonstrado antes. Esta frequência é muito alta em comparação com a frequência da rede elétrica, geralmente entre 50 e 400 kHz.

Os circuitos primário e secundário são acoplados magneticamente. As oscilações que ocorrem no primário irão, portanto, induzir uma força eletromotriz no secundário. À medida que a energia do primário é despejada no secundário, a amplitude das oscilações no primário diminuirá gradualmente, enquanto as do secundário se amplificarão. Essa transferência de energia é feita por indução magnética. A constante de acoplamento k entre os dois circuitos é propositalmente mantida baixa, geralmente entre 0,05 e 0,2.

As oscilações no primário, portanto, agirão um pouco como um gerador de tensão CA colocado em série no circuito secundário.

Para produzir a maior tensão de saída, os circuitos sintonizados primário e secundário são ajustados para ressonância um com o outro. Como o circuito secundário geralmente não é ajustável, isso geralmente é feito por uma derivação ajustável na bobina primária. Se as duas bobinas fossem separadas, as frequências ressonantes dos circuitos primário e secundário seriam determinadas pela indutância e capacitância em cada circuito

Etapa 3: Distribuição da capacitância dentro do circuito secundário

A capacitância secundária Cs é muito importante para fazer a bobina de tesla funcionar, a capacitância da bobina secundária é necessária para os cálculos da frequência de ressonância, se você não levar em consideração todos os parâmetros não verá centelha. Esta capacitância consiste em muitas contribuições e é difícil de calcular, mas vamos olhar seus principais componentes.

Carga superior - Solo.

A maior fração da capacitância secundária vem da carga superior. Na verdade, temos um capacitor cujas "placas" são a carga superior e o solo. Pode ser surpreendente que este seja realmente um capacitor, já que essas placas são conectadas através da bobina secundária. No entanto, sua impedância é bastante alta, então há realmente uma grande diferença de potencial entre eles. Chamaremos Ct esta contribuição.

Voltas da bobina secundária.

A outra grande contribuição vem da bobina secundária. É feito de muitas voltas adjacentes de fio de cobre esmaltado e sua indutância é, portanto, distribuída ao longo de seu comprimento. Isso implica que há uma ligeira diferença de potencial entre duas curvas adjacentes. Temos então dois condutores em potencial diferente, separados por um dielétrico: um capacitor, em outras palavras. Na verdade, existe um capacitor com cada par de fios, mas sua capacidade diminui com a distância, portanto, pode-se considerar a capacidade apenas entre duas espiras adjacentes uma boa aproximação.

Vamos chamar de Cb a capacidade total da bobina secundária.

Na verdade, não é obrigatório ter uma carga superior em uma bobina Tesla, já que cada bobina secundária terá sua própria capacidade. No entanto, essa carga de topo é crucial para ter lindas faíscas.

Haverá capacidade extra dos objetos ao redor. Este capacitor é formado pela carga superior de um lado e objetos condutores (paredes, canos, móveis, etc.) do outro lado.

Chamaremos o capacitor desses fatores externos Ce.

Como todos esses "capacitores" estão em paralelo, a capacidade total do circuito secundário será dada por:

Cs = Ct + Cb + Ce

Etapa 4: Concepção e Construção

No nosso caso, usamos um regulador de tensão automático para manter a entrada de tensão para o NST em 220V

E contém um filtro de linha CA integrado (YOKOMA ELECTRIC WORKS., LTD. No Japão - Modelo AVR-2)

Este instrumento pode ser encontrado em máquinas de Raios-X ou comprado diretamente no mercado.

O transformador de alta tensão é a parte mais importante da bobina aTesla. É simplesmente um transformador de indução. Sua função é carregar o capacitor primário no início de cada ciclo. Além de sua potência, sua robustez é muito importante, pois deve suportar excelentes condições de operação (um filtro de proteção às vezes é necessário).

O transformador de sinais de néon (NST) que estamos usando para nossa bobina de tesla, as características (valores rms) são as seguintes:

Vout = 9000 V, Iout = 30 mA

A corrente de saída é, de fato, 25 mA, 30 mA é o pico que cai para 25 mA após a partida.

Agora podemos calcular sua potência P = V I, o que será útil para definir as dimensões globais da bobina de Tesla, bem como uma ideia aproximada do comprimento de suas faíscas.

P = 225 W (para 25 mA)

Impedância NST = NST Vout ∕ NST Iout = 9000 / 0,25 = 360 KΩ

Etapa 5: Circuito Primário

Capacitor:

O papel do capacitor primário é armazenar uma certa quantidade de carga para o ciclo seguinte, bem como formar um circuito LC junto com o indutor primário.

O capacitor primário é geralmente feito de várias dezenas de capacitores conectados em uma configuração em série / paralela chamada de Multi-Mini Capacitor (MMC)

O capacitor primário é usado com a bobina primária para criar o circuito LC primário. Um capacitor de tamanho ressonado pode danificar um NST, portanto, um capacitor de tamanho maior que ressonar (LTR) é fortemente recomendado. Um capacitor LTR também fornecerá mais energia por meio da bobina de Tesla. Diferentes intervalos primários (estáticos vs. rotativos de sincronização) exigirão capacitores primários de tamanhos diferentes.

Cres = Capacitância de ressonância primária (uF) = 1 ∕ (2 * π * Impedância NST * Fin NST) = 1 / (2 * π * 360 000 * 50) = 8,8419nF

CLTR = Capacitância estática primária maior que a ressonância (LTR) = Capacitância de ressonância primária × 1,6

= 14,147nF

(isso pode ser ligeiramente diferente de uma aproximação para outra, coeficiente recomendado 1,6-1,8)

Usamos capacitores de 2000V 100nF, Nb = Cunit / Cequiv = 100nF / 0,0119 uF = 9 Capacitores. Portanto, para exatamente 9 caps, temos Ceq = 0,0111uF = capacitância MMC.

Pense em conectar resistores de alta potência, 10MOhms em paralelo a cada capacitor para segurança.

Indutância:

O papel do indutor primário é gerar um campo magnético a ser injetado no circuito secundário, bem como formar um circuito LC com o capacitor primário. Este componente deve ser capaz de transportar correntes pesadas sem perdas excessivas.

Geometrias diferentes são possíveis para a bobina primária. No nosso caso, vamos adaptar a espiral arquimeada plana como uma bobina primária. Esta geometria naturalmente leva a um acoplamento mais fraco e reduz o risco de formação de arco no primário: portanto, é preferível em bobinas potentes. No entanto, é bastante comum em bobinas de baixa potência devido à sua facilidade de construção. Aumentar o acoplamento é possível baixando a bobina secundária para o primário.

Seja W a largura da espiral dada por W = Rmax - Rmin e R seu raio médio, ou seja, R = (Rmax + Rmin) / 2, ambos expressos em centímetros. Se a bobina tem N voltas, uma fórmula empírica que produz sua indutância L em microhenrys é:

Lflat = (0,374 (NR) ^ 2) / (8R + 11W).

Para a forma de helicóptero Se chamarmos R de raio da hélice, H sua altura (ambos em centímetros) e N seu número de voltas, uma fórmula empírica que produz sua indutância L em microhenrys é: Lhelic = (0,374 (NR) ^ 2) / (9R + 10H).

São muitas fórmulas que você pode usar e verificar, elas darão resultados próximos, a forma mais precisa é usar o osciloscópio e medir a resposta de frequência, mas as fórmulas também são necessárias para construir a bobina. Você também pode usar um software de simulação como JavaTC.

Fórmula 2 para forma plana: L = [0,25 * N ^ 2 * (D1 + N * (W + S)) ^ 2] / [15 * (D1 + N * (W + S)) + 11 * D1]

onde N: número de voltas, W: diâmetro do fio em polegadas, S: espaçamento do fio em polegadas, D1: diâmetro interno em polegadas

Dados de entrada da minha Bobina Tesla:

Raio interno: 4,5 polegadas, 11,2 voltas, espaçamento de 0,25 polegadas, diâmetro do fio = 6 mm, raio externo = 7,898 polegadas.

L usando a Fórmula 2 = 0,03098mH, de JavaTC = 0,03089mH

Portanto, frequência primária: f1 = 271,6 KHz (L = 0,03089 mH, C = 0,0111MFD)

Experiência de laboratório (sintonização de frequência primária)

e obtivemos ressonância em 269-271KHz, que verifica o cálculo, ver Figuras.

Etapa 6: Spark Gap

A função do centelhador é fechar o circuito LC primário quando o capacitor estiver suficientemente carregado, permitindo assim oscilações livres dentro do circuito. Este é um componente de importância primordial em uma bobina de Tesla porque sua frequência de fechamento / abertura terá uma influência considerável na saída final.

Um centelhador ideal deve disparar apenas quando a tensão no capacitor é máxima e reabrir apenas quando cai para zero. Mas é claro que este não é o caso em um centelhador verdadeiro, às vezes ele não dispara quando deveria ou continua a disparar quando a voltagem já diminuiu;

Para o nosso projeto, usamos um centelhador estático com dois eletrodos esféricos (construído com duas alças de gaveta) que projetamos manualmente. E pode ser ajustado manualmente também girando as cabeças esféricas.

Etapa 7: Circuito Secundário

Bobina:

A função da bobina secundária é trazer um componente indutivo para o circuito LC secundário e coletar a energia da bobina primária. Este indutor é um solenóide com núcleo de ar, geralmente tendo entre 800 e 1500 voltas adjacentes estreitamente enroladas. Para calcular o número de voltas que foram feitas, esta fórmula rápida evitará um certo trabalho fastidioso:

Bitola do fio 24 = 0,05 cm, diâmetro de PVC 4 polegadas, número de voltas = 1100 espirais, altura necessária = 1100 x 0,05 = 55 cm = 21,6535 polegadas. => L = 20,853 mH

onde H é a altura da bobina ed o diâmetro do fio utilizado. Outro parâmetro importante é o comprimento l de que precisamos para fazer a bobina inteira.

L = µ * N ^ 2 * A / H. Onde µ representa a permeabilidade magnética do meio (≈ 1,257 · 10−6 N / A ^ 2 para ar), N o número de voltas do solenóide, H sua altura total e A a área de uma volta.

Carga superior:

A carga superior atua como a "placa" superior do capacitor formada pela carga superior e o solo. Ele adiciona capacidade ao circuito LC secundário e oferece uma superfície a partir da qual os arcos podem se formar. É possível, na verdade, operar uma bobina de Tesla sem uma carga superior, mas os desempenhos em termos de comprimento de arco costumam ser ruins, já que a maior parte da energia é dissipada entre as voltas da bobina secundária em vez de alimentar as faíscas.

Capacitância toróide 1 = ((1+ (0,2781 - diâmetro do anel ∕ (diâmetro total))) × 2,8 × sqrt ((pi × (diâmetro total × diâmetro do anel)) ∕ 4))

Capacitância toróide 2 = (1,28 - Diâmetro do anel ∕ Diâmetro total) × sqrt (2 × pi × Diâmetro do anel × (Diâmetro total - Diâmetro do anel))

Capacitância toróide 3 = 4,43927641749 × ((0,5 × (diâmetro do anel × (diâmetro total - diâmetro do anel))) ^ 0,5)

Capacitância Toróide Média = (Capacitância Toróide 1 + Capacitância Toróide 2 + Capacitância Toróide 3) ∕ 3

Portanto, para o nosso toroide: diâmetro interno 4”, diâmetro externo = 13”, espaçamento do final do enrolamento secundário = 5cm.

C = 13,046 pf

Capacitância da bobina secundária:

Capacitância secundária (pf) = (0,29 × altura do enrolamento do fio secundário + (0,41 × (diâmetro da forma secundária ∕ 2)) + (1,94 × sqrt (((diâmetro da forma secundária ∕ 2) 3) ∕ altura do enrolamento do fio secundário))

Csec = 8,2787 pF;

Também é interessante saber a capacitância (parasitária) da bobina. Aqui também a fórmula é complicada no caso geral. Usaremos o valor gerado por JAVATC ("Capacitância shunt efetiva" sem carga superior):

Cres = 6,8 pF

Portanto, para o circuito secundário:

Ctot = 8,27 + 13,046 = 21,316pF

Lsec = 20,853mH

Resultados de experimentos de laboratório:

Veja as imagens acima para o procedimento de teste e resultados de teste.

Etapa 8: ajuste de ressonância

Definir os circuitos primário e secundário em ressonância, fazer com que compartilhem a mesma frequência de ressonância, é de primordial importância para uma boa operação.

A resposta de um circuito RLC é mais forte quando conduzido em sua frequência de ressonância. Em um bom circuito RLC, a intensidade da resposta cai drasticamente quando a frequência de acionamento se desvia do valor ressonante.

Nossa frequência de ressonância = 267,47 kHz.

Métodos de ajuste:

O ajuste é geralmente feito ajustando a indutância primária, simplesmente porque é o componente mais fácil de modificar. Como esse indutor tem espiras largas, é fácil modificar sua auto-indutância batendo no conector final em um determinado ponto da espiral.

O método mais simples para obter esse ajuste é por tentativa e erro. Para isso, começa-se a bater no primário em um ponto supostamente próximo ao ressonante, acende-se a bobina e avalia-se o comprimento do arco. Em seguida, a espiral é girada um quarto de volta para a frente / para trás e reavalia-se o resultado. Depois de algumas tentativas, pode-se prosseguir com etapas menores e, finalmente, obter o ponto de derivação onde o comprimento do arco é o mais alto. Normalmente, este toque

ponto irá de fato definir a indutância primária de forma que ambos os circuitos estejam em ressonância.

Um método mais preciso envolveria uma análise da resposta individual de ambos os circuitos (na configuração acoplada, é claro, isto é, sem separar fisicamente os circuitos) com um gerador de sinal e um osciloscópio.

Os próprios arcos podem produzir alguma capacitância extra. Portanto, é aconselhável definir a frequência de ressonância primária ligeiramente mais baixa do que a secundária, a fim de compensar isso. No entanto, isso é perceptível apenas com bobinas de Tesla poderosas (que podem produzir arcos com mais de 1 m).

Etapa 9: Tensão na centelha secundária

A Lei de Paschen é uma equação que dá a tensão de ruptura, ou seja, a tensão necessária para iniciar uma descarga ou arco elétrico, entre dois eletrodos em um gás em função da pressão e do comprimento do gap.

Sem entrar em cálculos detalhados usando a fórmula complexa, para condições normais é necessário 3,3MV para ionizar 1m de ar entre dois eletrodos. No nosso caso, temos arcos de cerca de 10-13 cm, então ficará entre 340KV e 440KV.

Etapa 10: vestido Faraday Cage

Uma gaiola de Faraday ou escudo de Faraday é um invólucro usado para bloquear campos eletromagnéticos. Uma blindagem de Faraday pode ser formada por uma cobertura contínua de material condutor ou, no caso de uma gaiola de Faraday, por uma malha de tais materiais.

Projetamos uma gaiola de faraday de quatro camadas, aterrada e usável, conforme mostrado na imagem (materiais usados: Alumínio, algodão, couro). Você também pode testá-lo colocando seu telefone celular dentro, ele perderá o sinal, ou colocando-o na frente de sua bobina de tesla e colocar algumas lâmpadas de néon dentro da gaiola, elas não acenderão, então você pode ligá-lo e experimentar.

Etapa 11: Apêndices e Referências

Etapa 12: Construindo a bobina primária

Etapa 13: Testando o NST

Etapa 14: Construindo a Bobina Primária