TechnoAttic@tut.by
Главная страница

SGTC

        Spark Gap Tesla Coil или катушка (генератор, трансформатор) Тесла с искровым разрядником является наиболее простым по конструкции устройством из всех типов катушек Тесла и в тоже время самым небезопасным. Поражение электрическим током при высоком напряжении источников питания искровых генераторов может привести к смертельному исходу при случайном прикосновении к неизолированным токоведущим частям. По этой причине предупреждение:

        Каждый, кто строит SGTC, делает это на свой страх и риск и под свою собственную ответственность. Сайт не является руководством к действию. Информация представлена в ознакомительных целях. Если Вы не являетесь специалистом в области электрики, электроники, радиотехники и тп. то постройкой SGTC заниматься не стоит. Если катушка Тесла строится впервые, то наилучшим вариантом будет ознакомление с более безопасными устройствами, такими как Качер и однотактные SSTC. После получения некоторого опыта можно переходить к более мощным генераторам.

         Для тех, кто всё же решился строить SGTC вот простейшая схема.

Рисунок 1 – Принципиальная схема простейшей SGTC

         Генератор в моем исполнении выглядел как показано на рисунке 2. Фото и видео работы не сохранилось. Рабочая частота 180-200кГц. Разряд с L2 около 15см. В разряднике часто зажигалась дуга – это недостаток.

Рисунок 2 – Простейшая SGTC

         Номиналы деталей не обязательно должны соответствовать представленной схеме. Главное правильно выполнить расчет связанных контуров L1C1 и L2C2.
         Для расчета катушек существует множество программ, например vctesla или наиболее известная WinTesla и др. Можно считать по формулам в ручную. Это весьма трудоемко, и так делал сам Н.Тесла потому что у него небыло компьютера.
         Расчет был выполнен от имеющейся в наличии проволки для обмотки L2 и каркаса для неё же. Н.Тесла рассчитывал всё наоборот, выбирая сперва рабочую частоту и длину волны и под неё изготавливал катушку. Формулы расчета собраны с разных сайтов в интернете.

Таблица 1 – Расчетные формулы для резонансных контуров

Параметр Формула Обозначения Номер
        Индуктивность однослойной цилиндрической катушки. (разновидности одной формулы, дающие одинаковый результат).    L – индуктивность катушки, мкГн;
   D – диаметр катушки, см;
   l – длина намотки катушки, см;
   W – число витков,шт;
   Lо – коэффициент, зависящий от отношения длины катушки к ее диаметру.

(1)

(2)
(3)
        Индуктивность плоской спиральной катушки. (в данном случае результаты различаются в несколько раз)    W – ширина намотки, дюйм;
   r – радиус до центра намотки, дюйм.

(4)
   L — индуктивность катушки, мкГн;
   Dmin – минимальный диаметр спирали, см;
   Dmax – максимальный диаметр спирали, см;
    h – шаг намотки спирали, мм;
    n – число витков.

(5)
        Собственная емкость однослойной цилиндрической катушки.(все три варианта дают приблизительно одинаковый результат)    Собственная емкость однослойной цилиндрической катушки в пФ численно приблизительно равна радиусу намотки в см. Это справедливо при
   Это самый простой и быстрый способ, и на удивление довольно точный.

(6)

   


   

   С – собственная емкость катушки, пФ;
   H – коэффициент, характеризующий форм-фактор катушки, представлен в виде таблицы;
   D – диаметр катушки, см.
   l – длина намотки на каркасе катушки, см.

(7)
   D – диаметр катушки, см;
   l – длина намотки на каркасе катушки, см.

(8)
        Дополнительная емкость вторичного контура (сфера, тороид) Сдоп. Емкость сферы

   Rсф – радиус сферы, см;
   π = 3,14;
   εо=8,854∙10-12 Ф/м;
   εr=1.

(9)
Емкость тороида

   Td1 – внешний диаметр тороида, см;
   Td2 – диаметр трубы тороида, см.

(10)
        Общая емкость вторичного контура Собщ.    С – собственная емкость катушки;
   Сдоп– емкость тороида или сферы.

(11)
        Частота колебательного контура.    f – частота колебательного контура, Гц;
   L – индуктивность контура, Гн;
   С – емкость контура, Ф.

(12)
        Зная индуктивности первичной и вторичной обмоток, а так же емкость вторичного контура можно определить необходимую емкость первичного контура.    С1 – емкость первичного контура;
   С2 – емкость вторичного контура;
   L1 – индуктивность первичного контура;
   L2 – индуктивность вторичного контура.

(13)
        Длина витка провода на катушке.    Lo– длина витка, см;
   D – диаметр катушки, см.

(14)
        Длина провода всей обмотке катушки.    Ln – длина провода обмотки, м;
   W – количество витков;
   Lo – длина витка, см.

(15)
        Длина волны в катушке.    λ – длина волны, м;
   с = 3∙108м/с – скорость света.

(16)
        Четверть длины волны.    λ – длина волны, м;

(17)

         Есть еще множество параметров, которые можно посчитать в трансформаторе Тесла. Пока что ограничимся расчетом резонансной части. Его достаточно для постройки простейшей SGTC. Файл расчета можно скачать тут Резонансный расчет SGTC. Открываем с помощью MathCad13, подставляем свои значения.

         Нужно проектировать высоковольтную катушку так, чтобы четверть-волновой резонанс и максимум напряжения стоячей волны, которая в ней возникает, приходились приблизительно на её края. Передвигать максимум напряжения в катушке можно с помощью увеличения или уменьшения дополнительной емкости Сдоп вторичного контура.

Рисунок 3 – График распределения напряжения по длине высоковольтной катушки

         Следует учитывать, что наличие каркаса увеличивает емкость ВЧ катушки по сравнению с расчетной на 15..30%, каркас с канавками под провод увеличивает емкость до 40%, пропитка и обволакивание катушки лаком или клеем увеличивает емкость до 50% и выше. Так же емкость увеличивают близкорасположенные сторонние объекты, например первичная обмотка L1. По этой причине точную настройку трансформатора Тесла можно осуществить только на практике. Межвитковая емкость ВЧ катушек незначительна. Подробнее об этом можно почитать тут .

         Генератор просуществовал так (рис.2) недолгое время и вскоре видоизменился. Схема с учетом доработок представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 – Принципиальная схема SGTC

         Добавлен второй трансформатор питания и фильтр, защищающий трансформаторы от проникновения ВЧ из колебательного контура. В балласт добавлена вторичная обмотка от неисправного МОТа. Изменены параметры резонансного контура.

        Выглядело это вот так (рис.5).

Рисунок 5 – Внешний вид SGTC после доработки

        Рассмотрим кратко работу генератора. Напряжение сети 220В поступает на повышающие трансформаторы Т1 и T2 (Microwave Oven Transformer или кратко МОТ), которые чаще всего встречается в микроволновых печках. Их мощность примерно 800-900Вт при выходном напряжении 2100В. Трансформаторы увеличивают напряжение примерно в 10 раз. На выходе двух трансформаторов (рис.4) 4кВ. При этом ток одного МОТ может достигать 4А. С таким током трансформатор не способен работать долгое время, он сильно перегревается и могут перегореть обмотки. Чтобы ограничить большой, ток в цепь добавлен балластный резистор R1. Он снижает ток через МОТ, но при этом сам прилично греется. Мощность резистора 100 Ватт, номинал 1кОм. Резистор сильно нагревается уже после одной минуты работы и это главный недостаток схемы. Оптимальным вариантом является замена резистора на высоковольтный дроссель большой индуктивности (несколько Гн), которого у меня, к сожалению, не было.
        Защитный от ВЧ фильтр не рассчитывался. Он состоит из дросселей на феррите от трансформаторов строчной развертки и двух конденсаторов КВИ-3, 3300пФ 11кВ. Дроссель состоит из примерно 200 витков проводом 0,5 в ПВХ изоляции. Что имелось в наличии, то и было установлено.
         Провода для всех соединений деталей лучше выбрать из цельной жили диаметром не менее 1,5мм. Если после работы SGTC присутствует сильный нагрев проводов (особенно в первичном колебательном контуре), то необходимо еще увеличить их диаметр. Так же необходима их хорошая изоляция. В моей SGTC происходили КЗ между проводом от трансформатора питания и конденсатором фильтра на расстоянии около 4-5см когда провод был без изоляции (точнее в лаковом покрытии).
         Контурный конденсатор С1 – это К41-1а 0,1мкФ, 6,3 кВ, не самый удачный вариант. На фото ниже сравнение двух конденсаторов.

Рисунок 6 – Конденсаторы К41-1а – раздутый и нормальны

        Первый конденсатор раздулся после десятка запусков SGTC. Второй в контур не устанавливался.

        Ниже картинка как делать не следует.

Рисунок 7 – К15-5 в конденсаторной батарее

        К15-5 применялись в связи с отсутствием вообще каких либо конденсаторов. С ними генератор работает нестабильно. Резонанс всегда куда-то уплывает. Они греются. Соединять конденсаторы вместе тоже большой радости не вызывает.
        Помимо этих в колебательный контур устанавливались конденсаторы КВИ-3. Они лучше всего подходят для небольших SGTC.

Рисунок 8 – КВИ-3 4700пФ, 11кВ

         Проблема состоит в том, что КВИ весьма проблематично найти в Минске. Лет пять назад конденсаторы для искровой катушки Тесла можно было встретить в двух-трех киосках на радиомаркете в Ждановичах и, если повезет на «Поле-чудес» (не знаю существует ли оно сейчас). Возможно, есть и другие типы конденсаторов, но я их не проверял.Напряжение конденсатора должно быть хотябы в 1,5-2 раза выше напряжения источника питания, т.е. с запасом.

         Искровой разрядник (К1 на схеме) – это просто два куска толстой проволки или два болта, разделенные небольшим воздушным промежутком. Позже болты были заменены на два небольших металлических шарика. Чем шире расстояние в разряднике, тем выше напряжение его сработки. Если не выполнены какие-либо условия (большая емкость С1, большой ток, маленькое расстояние в разряднике, не настроен резонанс и пр.), то в разряднике может просто загореться дуга от МОТ и ни каких колебаний в контуре не происходит. Число разрядов в секунду не подсчитывалось.

        После того, как конденсатор С1 (или конденсаторная сборка) зарядится в разряднике происходит пробой воздуха и загорается дуга, через которую конденсатор разряжается на катушку L1. За время (а оно весьма мало), пока эта дуга горит, в первичном контуре трансформатора (L1C1) происходит большое количество колебаний определенной частоты, которые постепенно затухают. Когда С1 разрядится, дуга гаснет и конденсатор снова начинает заряжаться от источника питания. Весь цикл повторяется снова. Первичный контур передает энергию во вторичный через индуктивную связь катушек.

        Катушка L1сперва была выполнена в виде плоской спирали, а затем, для увеличения коэффициента связи между L1 и L2 она была сделана в виде конической спирали. Чем больше коэффициент связи катушек, тем большая энергия передается во вторичный контур. Во втором варианте использован фидер GSM (оплетка). Его внешняя оплетка сделана из гофрированной медной трубки диаметром 1 (или 1,25) см. Построено несколько катушек с разным углом наклона обмотки. Над L1 закреплен разорванный заземленный виток – Strike-ring. Его задача - защищать первичную обмотку от попадания высоковольтных разрядов из вторичной обмотки.

Рисунок 9 – Первичная обмотка из фидера GSM

         Катушка L2 состоит из 2000 витков проводом диаметром 0,16 мм на каркасе 11см. Длина намотки 43 см. Над вершиной L2 закреплена небольшая металлическая сфера. У сферы обязательно должен быть разрядник – иголка, шуруп или что то подобное.
        SGTC как и все другие генераторы рассматривалась как составная часть системы передачи электроэнергии однопроводным способом. Поэтому было намотано две высоковольтные катушки. Генератор строился одним из первых, и еще не хватало знаний о том, каким образом можно получить ток в нагрузке приемника при однопроводной передаче. По этой причине первая попытка передачи оказалась неудачной.

Рисунок 10 – Разряды с SGTC

         Дело было давнее и сохранилось только несколько видео снятых при настройке катушки. В хорошо настроенной катушке разряды 40-50 см и возможно даже больше.

         Видео тестовых запусков (Ссылка) (Ссылка)

         Затем эта SGTC эволюционировала в RSGTC о чем будет написано позже, когда я вытащу её из глубин чердака и сделаю нормальные фото.