Плоская катушка тесла как обмотка электродвигателя. Сборка катушки тесла в домашних условиях. Трансформатор Тесла: принцип действия

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).

Никола Тесла – известный физик, который всю свою жизнь занимался электричеством. Он разработал множество установок и устройств, которые названы его именем. Одно из них – это генератор Тесла, в основе которого лежит эффект вылетающих стримеров, что очень красиво. Поэтому уважающий себя радиолюбитель обязательно должен один раз собрать этот прибор. Тем более это несложно. Итак, как собрать генератор Тесла своими руками (схема прибора и последовательность его сборки)?

Чтобы упростить поставленную задачу, надо разбить весь процесс на три этапа:

1. Сборка вторичной обмотки, она высоковольтная.
2. Сборка первичной обмотки (низковольтной).
3. Сборка схемы управления.

Первый этап

В основе вторичной обмотки лежит цилиндр, вокруг которого и будет наматываться медный провод. Здесь важно, чтобы цилиндр был изготовлен из диэлектрического материала. Поэтому оптимальный вариант (он же самый простой) – это ПВХ труба. Если говорить о размерах, то 50 мм в диаметре и 30 см длиною – это то, что вам необходимо.

Теперь, что касается медного провода. Во-первых, его диаметр. Для нашего устройства подойдет провод диаметром 0,12 мм. Во-вторых, количество витков в обмотке. Рассчитать этот показатель точно практически невозможно, поэтому многие радиолюбители идут опытным путем. Но специалисты отмечают, что меньше 800 витков делать обмотку нельзя. Это связано с коэффициентом полезного действия прибора. Ниже 800 витков КПД резко снижается. В нашем случае берем количество витков – 1600.

Теперь третий показатель – это высота или длина намотки (все зависит от того, как расположить пластиковую трубу: вертикально или горизонтально). Здесь можно просто подсчитать, для этого количество витков умножается на диаметр провода. В нашем случае это будет выглядеть вот так:

1600х0,12=192 мм или 19 см.

После этого можно непосредственно переходить к сборке вторичной обмотки генератора Тесла. Процесс этот трудоемкий, требующий аккуратности и внимательности, так что пару дней вам придется на это затратить.

В первую очередь тонким сверлом в трубе делается отверстие. От него вдоль трубы отмеряется расстояние 19 см, где делается заметка, на которой делается еще одно отверстие сверлом. Теперь в первое отверстие вставляется медный провод, который изнутри трубы чем-нибудь закрепляется. К примеру, скотчем. Обратите внимание, что внутрь ПВХ трубы надо вставить приличный конец провода длиною не меньше 10 см.

Все готово, можно начинать наматывать провод на трубу снизу-вверх. Намотка должна производиться по часовой стрелке, витки должны ложиться аккуратно, плотно прижимаясь друг к другу. Никаких скруток и волн, все четко и ровно. Если вы устали или появились неотложные дела, то последний виток закрепить изолентой, чтобы он не сместился, и не сместились все остальные витки.

Как уже было сказано выше, весь процесс требует внимания и аккуратности. По сути, это 60% всей работы по сборке генераторной установки Тесла. Итак, последний виток уложен, теперь надо откусить провод с запасом в 10 см и вставить его конец во второе отверстие, где изнутри трубы закрепить скотчем.

Но это еще не все. Чтобы обмотка смогла выдержать механические нагрузки, чтобы между витками трансформатора не произошло пробоя, необходимо собранный прибор покрыть защитным изоляционным материалом. Кто-то для этих целей использует эпоксидную смолу, кто-то обычный паркетный лак и другие материалы. Здесь важно равномерно нанести защитное покрытие в несколько слоев (5-6). При этом последующий слой наносится на предыдущий только после полного его высыхания. Лучше всего защиту наносить губкой.

Второй этап

Переходим к изготовлению первичной обмотки генераторной установки Тесла. Для этого вам понадобится толстый изолированный провод из алюминия или из меди. Кстати, чем больше диаметр выбранного вами провода, тем лучше. Хотя есть определенные ограничения, поэтому провод сечением 10 мм² будет нормально.

Внимание! Диаметр первичной обмотки должен быть больше диаметра вторичной обмотки в два раза. Если у нас для вторичной обмотки генератора использовалась труба диаметром 50 мм, то для первичной потребуется 100 мм. В принципе, для этих целей можно использовать даже кастрюлю, потому что обмотка нам нужна будет в чистом виде без основы.

Что касается количества витков, то 5-6 штук будет в самый раз. А вот концы обмотки надо вывести вертикально вверх в одну сторону, при этом надо сделать так, чтобы оба конца находились на одном уровне. В принципе, все, первичная обмотка генератора Тесла своими руками (схема несложная) сделана.

Третий этап

Что можно сказать о схеме управления генератором Тесла. Существует множество вариантов: простых и сложных. Есть схемы, с помощью которых регулировку трансформатора надо проводить вручную, есть с автоматической настройкой. Любые схемы вы можете найти в свободном доступе в интернете, так что это не проблема.

В нашем случае была применена вот эта схема:

Разобраться в ней несложно, здесь были применены простые детали, которые наверняка есть у каждого радиолюбителя в наличии. Использовать можно новые и использованные элементы. Собирать блок управления можно на текстолитовой пластине размерами 20х20 см. Для защиты схемы можно сверху установить еще одну пластину, на которую, в свою очередь, монтируются обе обмотки.

Обратите внимание еще раз на схему управления генератором Тесла. Включать тумблеры SA2 и SA3 надо только после того, как генератор будет запущен и в верхней части катушки появится коронарный разряд. После этого можно включать оба тумблера, что приведет к увеличению мощности разряда. Если включение прибора провести с включенными тумблерами, то произойдет резкий бросок тока в цепь транзисторов. А этого лучше избегать.

Каждый человек, вероятнее всего, слышал о том, что такое трансформатор Тесла, который также зачастую называется катушкой Тесла. Эту катушку можно увидеть во многих фильмах, компьютерных играх и телевизионных передачах. Однако мало слышать о том, что существует нечто подобное. Если вас спросят, что именно делает трансформатор Тесла, сможете ли вы дать на этот вопрос ответ? Скорее всего, нет, а если и сможете, то вряд ли вы сумеете рассказать достаточно подробностей. Именно поэтому и существует данная статья. С ее помощью вы сможете узнать все о трансформаторе Тесла, о том, как он устроен, для чего используется, как функционирует и так далее. Естественно, если вы учились по физической специализации, то для вас эти данные не будут новостью, однако большинство людей все же не в курсе деталей, касающихся катушки Тесла. А ведь это очень интересные данные, которые позволят вам расширить кругозор. Как легко можно догадаться, изобретателем этого устройства стал великий ученый Никола Тесла, который запатентовал свое изобретение в 1896 году, описав его как устройство, предназначенное для производства электрических токов высокой частоты. По сути, именно этим катушка Тесла и является, и об этом вы, вероятнее всего, уже знали. Поэтому стоит взглянуть на более интересные и менее известные данные.

В чем суть?

Для начала необходимо объяснить суть работы катушки Тесла. Она может выглядеть по-разному, однако многие люди отмечают, что, так или иначе, она смотрится очень эффектно даже в режиме спокойствия. Что уж говорить о том, когда она приводится в действие, и вокруг нее образуются видимые разряды электричества. Но как именно это происходит? Трансформатор Тесла работает за счет резонансных электромагнитных волн, образующихся в двух обмотках катушки, первичной и вторичной. Первичная обмотка представляет собой часть искрового колебательного центра. Что касается вторичной, то ее роль исполняет уже прямая катушка провода. Когда частота колебаний первичного и вторичного контура совпадает, между концами катушки появляется высокое переменное напряжение, которое вы можете увидеть невооруженным взглядом. Если вам не очень понятно то, как работает трансформатор Тесла, то для примера можно взять обычные качели. С их помощью объяснить работу будет гораздо проще. Если вы раскачиваете качели с помощью принудительных колебаний, то амплитуда будет пропорциональна вашему усилию. Если же вы решите раскачивать качели в режиме свободных колебаний, каждый раз подталкивая качели в необходимый момент, то амплитуда возрастет в несколько раз. То же самое происходит и с катушкой Тесла: при резонансе колебаний двух обмоток возникает гораздо более сильный ток.

Конструкция трансформатора

Второй момент, который необходимо принять во внимание, когда рассматривается трансформатор Тесла, - схема. Как именно устроена катушка? На самом деле устройство этого трансформатора может быть самым разнообразным, поэтому сейчас вы узнаете о том, как устроена его простейшая версия, которую вы затем можете совершенствовать так, как вам будет этого хотеться. Итак, простейший трансформатор Тесла состоит из нескольких элементов, а именно из входного трансформатора, катушки индуктивности, включающей в себя первичную и вторичную обмотку, а также из разрядника, конденсатора и терминала. Собственно говоря, ток начинает свое движение от входного трансформатора, являющегося источником питания, откуда через разрядник и конденсатор попадает на катушку индуктивности, а оттуда передается на терминал уже в умноженном размере. Причем терминал зачастую выбирается таким, чтобы он лучше всего мог передать подобное напряжение, например, он может быть в форме шара или диска. Как вы понимаете, это самый простой трансформатор Тесла - схема является подтверждением этого. В катушке Тесла может быть больше элементов. Там может присутствовать, например, тороид, который не описан в этой схеме, так как он не является ключевым элементом. Что касается основных элементов, то они все были указаны.

Функционирование

Итак, теперь вы знаете, как устроен трансформатор Тесла. Принцип работы его вам также понятен в целом, но можно и углубиться в детали. Как именно он функционирует? Оказывается, он работает в импульсном режиме. Что это означает? Это значит, что сначала происходит заряд конденсатора до того момента, когда совершится пробой разрядника, и электричество пройдет на катушку индуктивности. Тогда начинается вторая фаза, в ходе которой генерируются высокочастотные колебания. Обратите внимание, что разрядник должен располагаться параллельно источнику питания, благодаря чему он замыкает цепь, когда на катушку поступает ток, тем самым исключая источник питания из цепи. Зачем это нужно? Если остается частью цепи, это может значительно снижать напряжение на выходе из трансформатора. Естественно, результат все равно будет, однако он при этом окажется далеко не самым впечатляющим. Вот так функционирует трансформатор Тесла. Принцип работы вам теперь полностью понятен, однако все еще остаются некоторые детали, которые могут вас заинтересовать.

Заряд для трансформатора

Как вы уже могли заметить, если вы планируете создать мощный трансформатор Тесла, то для этого потребуется учесть абсолютно все детали, так как любые отклонения от нормы будут приводить к тому, что выходное напряжение будет недостаточно высоким, из-за чего эффект будет менее впечатляющим. И особое внимание необходимо уделить стартовому заряду, то есть подбору источника питания. Именно в данном случае нужно подобрать правильный конденсатор, чтобы выходное напряжение было идеальным, а конденсатор себя не «закорачивал». Существует даже трансформатор Тесла с самозапиткой, так что разнообразию конструкций нет пределов. Так что вам стоит помнить, что в данном случае рассматривается самая простая конструкция катушки Тесла.

Генерация

Ну и последнее, на что стоит взглянуть более детально - это непосредственно сам процесс генерации высокочастотного тока. Итак, питание трансформатора Тесла происходит за счет выбранного источника питания, который передает заряд в конденсатор, где он накапливается до того момента, как происходит пробой, в результате которого конденсатор через разрядник разряжается на первичную катушку. Так как напряжение разрядника резко снижается, цепь замыкается, и, как уже было сказано выше, источник питания исключается из цепи. В это время на первичной катушке возникают высокочастотные колебания, которые затем передаются на вторичную катушку, из-за чего колебания становятся резонансными, и на терминале возникает ток высокого напряжения. Вот так работает самый простой трансформатор Тесла, однако существует большое количество самых разнообразных его модификаций.

Модификации

Для начала вам стоит узнать о том, что классический вариант катушки Тесла, который был описан выше, обозначается следующим образом - SGTC. Последние две буквы расшифровываются как Tesla Coil, что переводится непосредственно как «катушка Тесла». Эти две буквы будут присутствовать в каждом из сокращений, а меняются только первые две. В данном случае SG обозначает Spark Gap, то есть эта катушка Тесла работает на искровом промежутке, создаваемом разрядником. Однако далеко не всегда дела обстоят именно так, поэтому необходимо рассмотреть различные варианты, такие как трансформатор Тесла на транзисторах или на полупроводниках. Первая модификация, на которую можно обратить внимание - это RSGTC, то есть катушка, которая работает на роторном искровом промежутке. В данном случае для питания используется электродвигатель, который вращает диск с электродами. Есть также VTTC, которая известна как ламповая катушка Тесла, работающая за счет электронных ламп. Этот вариант не требует высокого напряжения, а также отличается тишиной работы. Следующий вариант - это SSTC, то есть катушка Тесла, которая работает за счет генератора, основанного на полупроводниках. Эта модификация является одной из самых интересных в плане эффектности, так как с помощью силовых ключей вы можете изменять форму разряда. Модификацией этой версии катушки Тесла является DRSSTC. В данном случае используется двойной резонанс, что дает гораздо более внушительные размеры разряда. Отдельно стоит взглянуть на QCW DRSSTC - эта катушка Тесла характеризуется «плавной накачкой», то есть плавным, а не резким нарастанием всех параметров. В каждом из этих случаев расчет трансформатора Тесла будет отличаться, точно так же, как и его конструкций и, соответственно, его схема.

Использование катушки Тесла

Но как же может быть использована энергия трансформатора Тесла? Этот вопрос задает себе каждый человек, который впервые видит работу этого устройства. Собственно говоря, любование невероятными разрядами, которые имеют огромные размеры и выглядят очень впечатляюще, и является одним из самых главных и популярных способов использования. Этот трансформатор позволяет устроить настоящее шоу, которое способно очаровать любого человека, ведь это не магия, а чистейшая наука. Так что смело можно сказать, что одна из главных ролей трансформатора Тесла является декорация и развлечение. Однако оказывается, что существуют и другие способы использования этой технологии. Например, изначально катушки Тесла использовались для радиоуправления, беспроводной передачи данные и для передачи энергии. Естественно, со временем появлялись более эффективные способы выполнения каждой из этих функций, поэтому постепенно использование катушки Тесла становилось все менее и менее актуальным. Также стоит отметить, что ее использовали в медицине. Дело в том, что высокочастотный разряд, когда его пропускали по коже, не оказывал негативного влияния на внутренние органы человека, но при этом тонизировал кожу человека. В современном мире катушка Тесла уже фактически не используется с практической точки зрения из-за трудностей поддержания постоянной ее работы. Иногда она используется для поджига газоразрядных ламп или же в вакуумных системах, где трансформатор помогает найти течи. Таким образом, применение трансформатора Тесла в современном мире все же в большинстве случаев является декоративным, развлекательным и познавательным.

Эффекты

Вы уже представляете себе устройство трансформатора Тесла, потому на эту тему нет смысла говорить что-то еще. Однако это не значит, что сама по себе тема катушки Тесла исчерпала себя. Например, можно взглянуть на то, какие именно разряды создаются в результате ее деятельности. Оказывается, они не являются случайными: всего выделяют четыре основных вида. Во-первых, вы можете увидеть стримеры, которые представляют собой тусклые разветвленные каналы, которые уходят от терминала в воздух. По сути, они представляют собой визуализацию ионизации воздуха. Во-вторых, вы можете заметить спарки - это искровые разряды, которые уходят с терминала прямо в землю. Отличить их можно за счет того, что они очень сильно выделяются внешне - это пучок ярких искровых каналов. В-третьих, существует коронный разряд - так называется свечение ионов непосредственно в поле высокого напряжения. Ну и, наконец, имеется еще и дуговой разряд, который возникает, если к трансформатору поднести какой-либо заземленный предмет. Этот прием используют многие, когда катушка Тесла применяется для развлекательных мероприятий.

Влияние на здоровье

Выше было указано, что после изобретения катушки Тесла ее использовали в медицинских целях, однако многие источники сообщают, что трансформатор Тесла является смертельно опасным. Кто же прав, а кто обманывает? В большинстве случаев высокое напряжение является для человека смертельным, так как оно ведет к образованию ожогов, а также к остановке сердца. Однако некоторые типы трансформаторов Тесла обладают так называемым скин-эффектом, который позволяет электричеству воздействовать лишь на поверхность предмета, а в данном случае - на кожу человека. Как уже было сказано выше, это тонизирует кожу и омолаживает ее. Опять же, медицинских подтверждений этого факта нет, однако об этом очень много писали в свое время.

Катушка Тесла как часть культуры

Даже если вы не увлекаетесь наукой, все равно, вероятнее всего, уже видели катушку Тесла, так как она используется в самых разнообразных сферах развлечений. В первую очередь ее можно увидеть во многих фильмах, которые выходили на экраны кинотеатров в самые разные годы. Одним из самых известных фильмов, в которых очень важную роль отыграл трансформатор Тесла, стала экранизация одноименного романа «Престиж». Также очень часто катушку Тесла можно встретить в компьютерных играх, где она чаще всего выступает в роли мощного оружия. Более того, вы можете встретить трансформаторы Тесла даже в музыкальном искусстве. Оказывается, вы можете изменять звучание электрического разряда, увеличивая и уменьшая частоту тока. И некоторые исполнители и музыкальные группы используют это, чтобы записывать музыку. А тот, кто не хочет все усложнять, прибегает к помощи катушки Тесла, чтобы создать реалистичные звуки разрядов молний, как это сделала, например, известная певица Бьорк. Таким образом, в современном мире трансформаторы Тесла используются очень широко, однако нельзя сказать, что они применяются по назначению. Свое время в качестве функционального устройства катушка Тесла уже отжила, и она, по сути, должна была кануть в Лету, как и большинство старых устройств. Однако благодаря визуальным эффектам, которые она создает, катушка Тесла смогла дожить до сегодняшнего дня, и ее продолжают использовать постоянно, пусть и в качестве предмета развлечения. Стоит также отметить, что она используется и в обучающих целях, так как именно на ней можно наглядно продемонстрировать начинающим физикам, как выглядит электрический разряд, как он себя ведет и так далее. Проще говоря, трансформатор Тесла - это устройство, которое просуществовало сто лет и не потеряло своей актуальности даже в двадцать первом веке, который всем известен своим невероятным прогрессом в области высоких технологий.

162 года назад родился Никола Тесла — ученый и изобретатель, имя которого овеяно легендами. Ему приписывают изобретение первого , беспроводной передачи электричества и даже «лучей смерти». Но и реальные, изученные и подтвержденные изобретения Теслы впечатляют: он внес огромный вклад в изучение электричества, радиоволн и магнитных полей.

Главным открытием Теслы остается переменный ток. Конечно, гениальный серб не изобрел его (как иногда пишут в популярных статьях), а лишь нашел ему практическое применение. Попутно он сконструировал двигатель и генератор переменного тока, «потомки» которых используются до сих пор.

Компоненты можно разместить на печатной плате либо методом навесного монтажа — на МДФ или картоне.

И пару слов о технике безопасности. Несмотря на то, что разряды катушки Тесла не причиняют человеку вреда вследствие так называемого «скин-эффекта» (ток проходит по поверхности кожи), важно соблюдать электробезопасность при ее сборке и испытаниях. Не рекомендуется и находиться рядом с работающей катушкой слишком долго: высоковольтное поле может негативно повлиять на самочувствие.

А теперь перейдем к сборке устройства. Питание мы уже разобрали выше, а вот пять способов, как и из чего соорудить корпус, катушки и тороид.

Способ первый: «на флейте водосточных труб»

Вот что вам понадобится.

• Выключатель.
• Резистор на 22 кОм.
• Транзистор 2N2222A.
• Коннектор для «кроны».
• Труба ПВХ d=20 мм, отрезок длиной 85 мм.
• Батарейка «крона» 9V.
• Медный провод сечением 0,5 мм.
• Провод в изоляции ПВХ сечением 1 мм, отрезок длиной 15-20 см.
• Обрезок фанеры или ламината размерами примерно 20х20 см.

Порядок сборки здесь почти такой же, как в предыдущих моделях.

1. Начнем с катушки L2. Намотайте медную проволоку на трубу в один слой, виток к витку, отступив от краев примерно на 0,5 см. Первый и последний виток зафиксируйте бумажным скотчем, чтобы намотка не слетала.

2. Прикрепите трубу-катушку на основание из фанеры или ламината с помощью термоклея. Так же закрепите выключатель, транзистор и коннектор для кроны.

3. Делаем катушку L1. Изолированный провод дважды обмотайте вокруг катушки и тоже зафиксируйте термоклеем.

4. Соедините схему в цепь:

♦ нижний конец провода вторичной (длинной) катушки — к среднему контакту транзистора;

♦ резистор — также к среднему контакту транзистора;

♦ верхний конец провода первичной (короткой) катушки — к резистору;

♦ нижний конец провода первичной обмотки — к правому контакту транзистора;

♦ контакт резистора с проводом первичной обмотки — к контакту выключателя;

♦ красный провод коннектора «кроны» (+) — к среднему контакту выключателя;

♦ черный провод коннектора «кроны» (-) — к левому контакту транзистора.

После того как вы установите в коннектор батарейку и нажмете выключатель, катушка заработает. Она не будет давать видимые разряды из-за низкого рабочего напряжения, но сможет зажечь флуоресцентную лампу в вашей руке.

Бонус: гигантская катушка высотой три метра

Этот «рецепт» разработали и опробовали пользователь «Хабра» zerglabs и его команда. Они создали катушку высотой около трех метров с расчётной мощностью примерно в 30-40 кВт. Энтузиасты выбрали разновидность катушки Теслы, известную как DRSSTC — Dual Resonant Solid State Tesla Coil. Она обладает особой «музыкальностью»: издает звуки, высотой которых можно управлять с помощью midi-пульта.

Команда использовала:

• Медный провод 1,6 мм.
• Канализационную ПВХ-трубу d=30 мм, отрезок длиной 180 см.
• Медную трубку диаметром 22 мм.
• Алюминиевые трубы d=50 мм.
• Фанеру и стеклотекстолит для деталей каркаса.

Процесс сборки:

1. Как и предыдущие мастера, zerglabs и его «соучастники» сначала обмотали трубу медным проводом, чтобы сделать вторичный контур. Ее закрепили на подставке из фанеры.

2. Вторичный контур сделали из медной трубки, которую уложили в подставку с пазами. Шесть витков, диаметр 22 мм.

3. Команда соорудила особенный тороид, удобный для транспортировки. Он состоит из фанерных элементов и загнутых алюминиевых труб и в собранном виде похож на скелетированный пончик. Как объясняет zerglabs, поле «обтягивает» тороид, поэтому его можно делать не сплошным.

4. Сборка электрической части. В силовом инверторе для больших катушек Теслы часто используются IGBT-модули. Для гигантской катушки команда взяла два модуля CM600DU-24NFH (600 ампер непрерывного тока, 1200 вольт), соединив их по схеме «мост». Модули скрепили медными шинами и снабдили электролитическими и плёночными конденсаторами. В управляющую автоматику встроили автоматический пускатель (большое силовое реле) и несколько силовых резисторов, чтобы при включении катушка не выбивала предохранители сети.

В конструкцию также вошла батарея конденсаторов: пять штук общей ёмкостью около 1,2 мкф и максимальным напряжением 20 киловольт. Их соединили с помощью медных пластин.

Сложная и секретная часть гигантской катушки — драйвер, модулирующий частоту колебаний. Он позволяет управлять разрядами, в том числе для того, чтобы играть на катушках мелодии. Но его схема — интеллектуальная собственность разработчиков.

В 1891 г. Никола Тесла разработал трансформатор (катушку) при помощи которого он ставил эксперименты с электрическими разрядами высоких напряжений. Разработанное Теслой устройство состояло из блока питания, конденсатора, первичной и вторичной катушек, установленных так, что пики напряжения чередуются между ними, и двух электродов, разведенных друг от друга на расстояние. Устройство получило имя своего изобретателя.
Принципы, открытые Тесла при помощи этого устройства, используется сейчас в различных областях, начиная от ускорителей частиц, заканчивая телевизорами и игрушками.

Трансформатор Тесла может быть сделал своими руками. Данная статья посвящена рассмотрению этого вопроса.

Сначала необходимо определиться с размером трансформатора. Можно построить большой прибор, если позволяет бюджет. Следует помнить, что это устройство генерирует разряды высокого напряжения (создают микромолнии), которые нагревают и расширяют окружающий воздух (создают микрогром). Создаваемые электрические поля могут вывести из строя другие электрические приборы. Поэтому строить и запускать трансформатор Тесла не стоит дома; безопаснее делать это в удаленных местах, например, в гараже или сарае.

Величина трансформатора будет зависеть от расстояния между электродами (от величины возникающей искры), которое в свою очередь будет зависеть от потребляемой мощности.

Составные части и сборка схемы трансформатора Тесла

1. Нам понадобится трансформатор или генератор с напряжением 5-15 кВ и силой тока 30-100 миллиампер. Эксперимент не удастся, если эти параметры будут не соблюдены.
2. Источник тока нужно подключить к конденсатору. Важен параметр емкости конденсатора, т.е. способность удерживать электрический заряд. Единица измерения емкости – фарад – Ф. Он определяется как 1 ампер-секунда (или кулон) на 1 вольт. Как правило, емкость измеряется в мелких единицах – мкФ (одна миллионная доля фарада) или пФ (одна триллионная доля фарада). Для напряжения 5 кВ конденсатор должен иметь номинал 2200 пФ.

Еще лучше соединить несколько конденсаторов последовательно. В этом случае каждый конденсатор будет удерживать часть заряда, общий удерживаемый заряд увеличится кратно.

3. Конденсатор(ы) подключается к искровику — промежуток воздуха, между контактами которого происходит электрический пробой. Для того, чтобы контакты выдерживали тепло, выделяемое искрой во время разряда, необходимый их диаметр должен быть 6 мм. минимум. Искровик необходим для возбуждения резонансных колебаний в контуре.
4. Первичная катушка. Делается из толстого медного провода или трубки диаметром 2,5-6 мм., который закручивается в спираль в одной плоскости в количестве 4-6 витков
5. Первичная катушка подключается к разряднику. Конденсатор и первичная катушка должны образовывать первичный контур, попадающий в резонанс с вторичной катушкой.
6. Первичная катушка должны быть хорошо изолирована от вторичной.
7. Вторичная катушка. Делается из тонкой эмалированной медной проволоки (до 0,6 мм). Проволока наматывается на полимерную трубку с пустым сердечником. Высота трубки должна составлять 5-6 ее диаметров. На трубку следует аккуратно намотать 1000 витков. Вторичная катушка может быть помещена внутрь первичной катушки.
8. Вторичную катушку одним концом обязательно заземляют отдельно от других приборов. Лучше всего заземление непосредственно «в землю». Второй провод вторичной катушки подключается к тору (излучателю молний).
9. Тор можно сделать из обыкновенной вентиляционной гофры. Он размещается над вторичной катушкой.
10. Вторичная катушка и тор образуют вторичный контур.
11. Включаем питающий генератор (трансформатор). Трансформатор Тесла работает.

Отличное видео с объяснением принципов работы трансформатора Теслы

Меры предосторожности

Будьте осторожны: напряжение, накапливаемое в трансформаторе Тесла, очень велико и при пробоях ведет к гарантированной смерти. Сила тока также очень большая, гораздо превосходящая величину, безопасную для жизни.

Практического применения трансформатора Тесла нет. Это экспериментальная установка, подтверждающая наши знания о физике электричества.

С эстетической же точки зрения, эффекты, которые порождает трансформатор Тесла, удивительны и красивы. Они во многом зависят от того, насколько правильно он собран, достаточной ли силы ток, правильно ли резонируют контуры. Эффекты могут включать в себя свечение или разряды, образуемые на второй катушке, а могут – полноценные молнии, пробивающие воздух из тора. Возникающие свечения смещены в ультрафиолетовый диапазон спектра.

Вокруг трансформатора Тесла формируется высокочастотное поле. Поэтому, например, при помещении в это поле энергосберегающей лампочки, она начинает светиться. Это же поле приводит к образования большого количества озона.