Cuộn dây Tesla trạng thái rắn và cách chúng hoạt động: 9 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:32

Điện cao áp có thể NGUY HIỂM, hãy luôn sử dụng các biện pháp phòng ngừa an toàn thích hợp khi làm việc với cuộn dây Tesla hoặc bất kỳ thiết bị điện áp cao nào khác, vì vậy hãy chơi an toàn hoặc không chơi.

Cuộn dây Tesla là một máy biến áp hoạt động trên nguyên lý dao động tự cộng hưởng, được phát minh bởi Nicola Tesla, một nhà khoa học người Mỹ gốc Serbia. Nó chủ yếu được sử dụng để sản xuất điện áp cực cao, nhưng dòng điện thấp, điện xoay chiều tần số cao. Cuộn Tesla được cấu tạo bởi hai nhóm mạch cộng hưởng được ghép nối với nhau, đôi khi ba nhóm được ghép nối với nhau. Nicola Tesla đã thử một số lượng lớn các cấu hình của các cuộn dây khác nhau. Tesla đã sử dụng những cuộn dây này để thực hiện các thí nghiệm, chẳng hạn như chiếu sáng điện, tia X, trị liệu điện và truyền năng lượng vô tuyến, truyền và nhận tín hiệu vô tuyến.

Thực sự không có nhiều tiến bộ trong cuộn dây Tesla kể từ khi họ phát minh ra. Ngoài các thành phần ở trạng thái rắn, cuộn dây Tesla không thay đổi nhiều trong hơn 100 năm. Chủ yếu là để giáo dục và đồ chơi khoa học chỉ vì bất kỳ ai cũng có thể mua một bộ phụ kiện trực tuyến và chế tạo một cuộn dây Tesla.

Có thể hướng dẫn này xây dựng một cuộn dây Tesla trạng thái rắn của riêng bạn, cách chúng hoạt động cũng như các mẹo và thủ thuật để giải quyết bất kỳ sự cố nào trong quá trình thực hiện.

Quân nhu

Nguồn điện 12 volt nguồn cung cấp SMP mà tôi đã sử dụng là 12 volt 4 amps.

Keo Torus để gắn cuộn thứ cấp.

Mỡ Silicone Nhiệt để gắn bóng bán dẫn vào bộ tản nhiệt.

Hàn

Các công cụ để lắp ráp bộ, mỏ hàn và máy cắt bên.

Đồng hồ vạn năng

Máy hiện sóng

Bước 1: Nam châm điện

Để hiểu cuộn dây và máy biến áp Tesla, bạn cần hiểu nam châm điện. Khi một dòng điện, (Mũi tên đỏ) được đặt vào một vật dẫn, nó sẽ tạo ra một từ trường xung quanh vật dẫn đó. (Mũi tên xanh) Để dự đoán hướng của dòng từ trường, hãy sử dụng quy tắc bàn tay phải. Đặt bàn tay của bạn trên dây dẫn với ngón tay cái của bạn chỉ theo hướng của dòng điện và các ngón tay của bạn sẽ chỉ theo hướng của dòng từ trường.

Khi bạn quấn dây dẫn xung quanh một kim loại đen như thép hoặc sắt, từ trường của dây dẫn cuộn dây sẽ hợp nhất và căn chỉnh, đây được gọi là nam châm điện. Từ trường đi từ tâm của cuộn dây đi ra một đầu của nam châm điện xung quanh bên ngoài của cuộn dây và ở đầu ngược lại quay trở lại tâm của cuộn dây.

Nam châm có một cực Bắc và một cực Nam, để dự đoán đầu nào là cực Bắc hay cực Nam trong cuộn dây, một lần nữa bạn sử dụng quy tắc bàn tay phải. Lần này chỉ với bàn tay phải của bạn trên cuộn dây, chỉ các ngón tay của bạn theo hướng của dòng điện chạy trong cuộn dây dẫn. (Mũi tên đỏ) Với ngón tay cái bên phải của bạn hướng eo dọc theo cuộn dây, nó sẽ chỉ vào đầu phía bắc của nam châm.

Bước 2: Cách hoạt động của Transformers

Cách dòng điện dao động trong cuộn sơ cấp tạo ra dòng điện trong cuộn thứ cấp không dây được gọi là định luật Lenz.

Wikipedia

Tất cả các cuộn dây trong máy biến áp phải được quấn theo cùng một hướng.

Một cuộn dây sẽ chống lại sự thay đổi của từ trường; trường nên khi đặt điện xoay chiều hoặc dòng điện xung vào cuộn sơ cấp sẽ tạo ra từ trường dao động trong cuộn sơ cấp.

Khi từ trường dao động điều hòa tới cuộn thứ cấp sẽ tạo ra từ trường ngược chiều và dòng điện ngược chiều trong cuộn thứ cấp.

Bạn có thể sử dụng quy tắc bàn tay phải trên cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp để dự đoán đầu ra của cuộn thứ cấp.

Tùy thuộc vào số vòng dây của cuộn sơ cấp và số vòng dây ở cuộn thứ cấp mà điện áp biến đổi thành điện áp cao hơn hoặc thấp hơn.

Nếu bạn thấy dương và âm khó theo dõi trên cuộn thứ cấp; Hãy nghĩ về cuộn dây thứ cấp như một nguồn điện hoặc một pin nơi phát ra điện, và nghĩ về cuộn dây thứ cấp như một tải nơi điện năng được tiêu thụ.

Cuộn Tesla là máy biến áp lõi không khí, từ trường và dòng điện hoạt động giống như máy biến áp lõi sắt hoặc ferit.

Bước 3: Quanh co

Mặc dù nó không được vẽ trong giản đồ; cuộn thứ cấp cao hơn của cuộn Tesla nằm bên trong cuộn sơ cấp ngắn hơn, thiết lập này được gọi là bộ dao động tự cộng hưởng.

Làm đúng hướng gió của bạn; cả cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp phải được quấn theo cùng một hướng. Không thành vấn đề nếu bạn quấn các cuộn dây bằng cách vặn tay phải hay tay trái, miễn là cả hai cuộn dây đều được quấn theo cùng một hướng.

Khi cuộn dây thứ cấp, hãy đảm bảo rằng cuộn dây của bạn không chồng lên nhau hoặc ở sự chồng chéo có thể gây ra đoản mạch ở cuộn thứ cấp.

Việc quấn chéo các cuộn dây có thể gây ra phản hồi từ thứ cấp gắn với đế của bóng bán dẫn hoặc cổng mosfet là cực tính sai và điều này có thể ngăn mạch dao động.

Các cuộn dây sơ cấp dẫn dương và dẫn âm bị ảnh hưởng bởi sự xoắn trong cuộn dây. Sử dụng quy tắc bàn tay phải trên cuộn sơ cấp. Đảm bảo rằng cực bắc của cuộn sơ cấp hướng về phía trên cùng của cuộn thứ cấp.

Việc đấu dây chéo cuộn dây sơ cấp có thể khiến phản hồi từ cuộn dây thứ cấp được gắn với đế của bóng bán dẫn hoặc cổng mosfet là cực tính sai và điều này có thể ngăn mạch dao động.

Miễn là các cuộn dây được quấn theo cùng một hướng; Lỗi không dao động do đấu dây qua cuộn sơ cấp là cách khắc phục dễ dàng nhất, chỉ cần đảo ngược các dây dẫn của cuộn sơ cấp.

Bước 4: Cách hoạt động của cuộn dây Tesla ở trạng thái rắn

Tesla Coil trạng thái rắn cơ bản có thể có ít nhất là năm phần.

Một nguồn điện; trong sơ đồ này một pin.

Một điện trở; tùy thuộc vào bóng bán dẫn 1/4 watt 10 kΩ trở lên.

Một bóng bán dẫn NPN có tản nhiệt, bóng bán dẫn trên các mạch này có xu hướng nóng lên.

Một cuộn sơ cấp có từ 2 vòng trở lên quấn cùng chiều với cuộn thứ cấp.

Cuộn thứ cấp có tối đa 1.000 vòng hoặc hơn 41 AWG quấn cùng chiều với cuộn sơ cấp.

Bước 1. Khi lần đầu tiên cấp nguồn cho cuộn Tesla trạng thái rắn cơ bản, bóng bán dẫn trong mạch sẽ mở hoặc tắt. Nguồn điện đi qua điện trở đến đế của bóng bán dẫn đóng bóng bán dẫn bật nó cho phép dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp. Sự thay đổi dòng điện không phải là tức thời, phải mất một thời gian ngắn để dòng điện đi từ dòng 0 đến dòng cực đại, đây được gọi là thời gian tăng.

Bước 2. Đồng thời từ trường trong cuộn dây đi từ không đến cường độ trường nào đó. Trong khi từ trường tăng lên trong cuộn sơ cấp, cuộn thứ cấp chống lại sự thay đổi mua tạo ra từ trường ngược chiều và dòng điện ngược chiều trong cuộn thứ cấp.

Bước 3. Cuộn thứ cấp được buộc vào đế của bóng bán dẫn để dòng điện trong cuộn thứ cấp, (Phản hồi) sẽ hút dòng điện ra khỏi đế của bóng bán dẫn. Điều này sẽ mở bóng bán dẫn tắt dòng điện vào cuộn sơ cấp. Giống như thời gian tăng, sự thay đổi hiện tại không phải là tức thời. Phải mất một thời gian ngắn để dòng điện và từ trường đi từ cực đại về không, thời gian này được gọi là thời gian rơi.

Sau đó quay lại Bước 1.

Loại mạch này được gọi là mạch dao động tự điều hòa hay còn gọi là mạch dao động cộng hưởng. Loại dao động này bị giới hạn về tần số bởi thời gian trễ của mạch và bóng bán dẫn hoặc mosfet. (Giờ Rise Time Fall Time và Plateau Time)

Bước 5: Hiệu quả

Mạch này không hiệu quả lắm, tạo ra một sóng vuông, cuộn sơ cấp chỉ tạo ra dòng điện trong cuộn thứ cấp khi từ trường chuyển từ cường độ trường bằng không sang cường độ trường đầy đủ và trở lại cường độ trường bằng không, được gọi là thời gian tăng và giảm thời gian. Giữa thời gian tăng và thời gian giảm có một sự ổn định với bóng bán dẫn đóng hoặc mở và bóng bán dẫn mở hoặc tắt. Khi bóng bán dẫn ở trạng thái ổn định thì không sử dụng dòng điện, tuy nhiên khi bóng bán dẫn ở trạng thái ổn định đang sử dụng và lãng phí dòng điện làm nóng bóng bán dẫn.

Bạn có thể sử dụng bóng bán dẫn chuyển mạch nhanh nhất mà bạn có thể nhận được. Với tần số cao hơn, từ trường có thể chuyển đổi nhiều hơn mức cố định, làm cho cuộn Tesla hoạt động hiệu quả hơn. Tuy nhiên, điều này sẽ không ngăn bóng bán dẫn nóng lên.

Bằng cách thêm một đèn LED 3 volt vào đế bóng bán dẫn, nó kéo dài thời gian tăng và giảm làm cho bóng bán dẫn hoạt động giống như sóng tam giác hơn là sóng vuông.

Có hai điều khác bạn có thể làm để giữ cho bóng bán dẫn không bị quá nóng. Bạn có thể sử dụng đế tản nhiệt để tản nhiệt thừa ra ngoài. Bạn có thể sử dụng bóng bán dẫn công suất cao để bóng bán dẫn không làm việc quá sức.

Bước 6: Cuộn dây Mini Tesla

Tôi nhận được cuộn dây Mini Tesla 12 volt này từ một nhà bán lẻ trực tuyến.

Bộ công cụ bao gồm:

1 x Ban PVC

1 x Tụ điện nguyên khối 1nF

1 x 10 kΩ điện trở

1 x 1 kΩ điện trở

1 x Ổ cắm điện 12V

1 x tản nhiệt

1 x Bóng bán dẫn BD243C

1 x cuộn thứ cấp 333 vòng

1 x vít cố định

2 x Led

1 x Đèn Neon

Bộ công cụ không bao gồm:

Nguồn điện 12 volt nguồn cung cấp SMP mà tôi đã sử dụng là 12 volt 4 amps.

Torus

Keo để gắn cuộn thứ cấp.

Mỡ Silicone Nhiệt để gắn bóng bán dẫn vào bộ tản nhiệt.

Hàn

Bước 7: Kiểm tra

Sau khi lắp ráp Cuộn dây Mini Tesla, tôi đã thử nghiệm nó trên đèn neon, đèn CFL (đèn huỳnh quang nhỏ gọn) và ống huỳnh quang. Chiếc hòm nhỏ và chỉ cần tôi đặt nó trong vòng 1/4 inch thì nó sẽ sáng lên mọi thứ tôi đã thử.

Bóng bán dẫn rất nóng nên không chạm vào bộ tản nhiệt. Cuộn dây Tesla 12 volt không nên làm cho bóng bán dẫn 65 watt quá nóng trừ khi bạn đạt đến thông số tối đa của bóng bán dẫn.

Bước 8: Sử dụng điện năng

Bóng bán dẫn BD243C là bóng bán dẫn NPN, 65 watt 100 volt 6 amp 3MHz, ở 12 volt, nó không được tạo ra hơn 5,4 ampe và không vượt quá 65 watt.

Khi tôi kiểm tra dòng điện lúc khởi động là 1 amp, sau khi chạy một phút dòng điện giảm xuống 0,75 ampe. Ở 12 volt làm cho công suất hoạt động từ 9 đến 12 watt, thấp hơn nhiều so với 65 watt mà bóng bán dẫn được đánh giá.

Khi tôi kiểm tra thời gian tăng và giảm của các bóng bán dẫn, tôi nhận được một sóng tam giác hầu như luôn chuyển động làm cho nó trở thành một mạch rất hiệu quả.

Bước 9: Nạp đầu

Tải hàng đầu cho phép tích tụ điện tích thay vì chỉ chảy vào không khí, mang lại cho bạn công suất đầu ra lớn hơn.

Nếu không có tải trên cùng, các điện tích tập trung vào các đầu nhọn của dây và chảy ra ngoài không khí.

Các tải trên cùng tốt nhất là hình tròn như Torus hoặc hình cầu để không có điểm nào chảy điện tích vào không khí.

Tôi đã thực hiện tải trọng hàng đầu của mình từ một quả bóng tôi vớt được từ một con chuột và phủ nó bằng lá nhôm, nó không hoàn toàn trơn tru nhưng nó hoạt động tốt. Bây giờ tôi có thể chiếu sáng một CFL lên đến một inch.