Устройства и схемы трансформаторов тесла. Катушка тесла из хозмага. Главные свойства катушки Тесла

01.07.2023

Виды катушек Тесла

Собственно, катушка самого Теслы (в составе использовался разрядник);
Трансформатор на радиолампе;
Катушка на транзисторах;
Катушки резонанса (две штуки).

Все катушки имеют схожий принцип работы, различаются только сложность их сборки и используемая электроника.

Рассматривая фото самодельных катушек Тесла, поневоле захочешь точно такую же себе домой. Ведь их работа настолько красивое зрелище, что невозможно оторвать глаз.

Однако многие опасаются браться за изготовление такого прибора, оправдывая это тем, что на работу уйдет много времени и сил, да и еще все это опасно для жизни.

Но заверяем вас, схема обычной катушки Тесла довольно проста. А потому приглашаем вам самостоятельно собрать это необычное устройство.

Пошаговая сборка катушки Тесла самостоятельно

Итак, высший пилотаж нам демонстрировать не нужно, поэтому будем делать самую простую катушку, использующую в своей сборке транзистор. Она наиболее щадящая по затратам времени и денег, а потому идеально нам подходит.

Строение катушки Тесла

Первичная катушка (первичный контур);
Вторичная катушка (вторичный контур);
Источник питания;
Заземление;
Кольцо защиты.

Это основные элементы трансформаторов. Нужно отметить, что в различных видах катушек могут встречаться и другие составляющие.

Принцип работы устройства

Источник питания подает на первичный контур нужное напряжение. После чего контур производит высокочастотные колебания, которые, в свою очередь, вынуждают вторичный контур создать свои колебания, идущие с первыми в резонансе. Благодаря этому, во второй катушке возникает ток с большим напряжением и частотой, который и образует столь ожидаемый эффект — стример. Теперь нужно собрать все элементы в одну кучу.

Необходимые материалы

В роли источника возьмем автомобильный аккумулятор (или любой другой источник постоянного напряжения 12-19 В);
Медный провод (желательно в эмали) диаметром от 0,1 до 0,3 мм. и длинной около 200 метров;
Еще один медный провод диаметром 1 мм;
Два каркаса (диэлектрика). Один (для вторичного контура) диаметром от 4 до 7 см. и длинной 15-30 см. Другой (для первичного контура) должен быть на несколько сантиметров больше в диаметре и короче в длине;
Транзистор D13007 (можно использовать другие, идентичные ему);
Плата;
Немного резисторов на 5 — 75 кОм, мощностью 0,25 Вт.

Сборка катушки Тесла самостоятельно дома

Вот мы плавно и подошли к сборке самой установки. Сначала создадим вторичный контур. Плотно без перехлестов наматываем тонкую проволоку диаметром 0,15 мм на длинный каркас. Нужно сделать не менее 1000 витков (но и сильно много не надо). После этого покрываем катушку лаком в несколько слоев (можно использовать и другие материалы), чтобы проволока не повредилась в дальнейшем.

Теперь о терминале. Он позволяет контролировать стриммеры, однако при небольших мощностях в нем нет необходимости, вместо этого можно просто вывести конец катушки вверх на несколько сантиметров.

Для другой катушки наматываем на оставшийся каркас толстую проволоку. Всего надо сделать 10 витков. Вторичный контур должен находиться внутри первичного.

Теперь устанавливаем все так, чтобы конструкция не свалилась и первичный и вторичный контуры не столкнулись вместе (именно для этого и нужен каркас). В идеале расстояние между ними должно быть в районе 1 см.

После соединяем все воедино. К плюсу источника питания подсоединяем первичный контур и один резистор, к которому последовательно подключаем другой резистор. К концу второго резистора подключаем вторичный контур и транзистор. Другой конец первичного контура подключаем ко второму контакту транзистора. А третий контакт транзистора подключаем к минусу источника питания.

При подключении важно не перепутать контакты транзистора. Также к нему нужно прикрутить радиатор или другое охлаждение. Все готово, можно пробовать устройство на деле. Однако не стоит забывать о безопасности. Ничего не трогать, только в диэлектрике!

Проверить работоспособность установки можно по наличию стримера или, если такового нет, можно поднести лампочку к катушке, и если она загорится, то все в порядке.

Фото катушек Тесла своими руками

Никола Тесла, как и многие другие физики, изучению энергии токов и способам ее передачи, созданию уникальных разработок. Одной из них была катушка Тесла – это , предназначенный для получения токов высокой частоты.

Тесла, определенно, был гением. Именно он принес в мир использование переменного тока и запатентовал множество изобретений. Одно из них - знаменитая катушка, или трансформатор Тесла. Если у вас есть определенные знания и навыки, вы вполне можете самостоятельно создать катушку Тесла дома. Давайте выяснять, какова суть этого устройства и как создать его в домашних условиях, если вам вдруг этого очень сильно захотелось.

Что такое катушка Тесла и зачем она нужна?

Как уже отмечалось ранее, катушка Тесла представляет собой резонансный трансформатор. Назначение трансформатора - изменение значения напряжения электрического тока. Эти приборы бывают соответственно понижающие и повышающие.

Многие пытаются повторить многочисленные уникальнейшие эксперименты великого гения. Однако для этого им придется решить важнейшую задачу – как сделать катушку Теслы в домашних условиях. Но как это сделать? Попробуем подробно описать так, чтобы у вас это получилось с первого раза.

Как сделать катушку Тесла в домашних условиях своими руками

В интернете можно найти массу информации о том, как сделать музыкальную или мини катушку Тесла своими руками. Но мы расскажем и наглядно покажем на примере иллюстраций, как сделать простую катушку Тесла на 220 Вольт в домашних условиях.

Так как это изобретение было создано Николой Тесла для экспериментов с высоковольтными зарядами, в нем присутствуют следующие элементы: источник питания, конденсатор, 2 катушки (именно между ними будет циркулировать заряд), 2 электрода (между ними заряд будет проскакивать).

Катушка Тесла применяется в множестве устройств: от телевидения и ускорителя частиц до игрушек для детей

Для начала работ вам понадобятся следующие детали:

блок питания от неоновых вывесок (питающий трансформатор);
несколько керамических конденсаторов;
металлические болты;
фен (если нет фена, можно использовать вентилятор);
медный провод, покрытый лаком;
металлический шар или кольцо;
тороидальные формы для катушек (можно заменить цилиндрическими);
предохраняющая штанга;
дроссели;
штырь для заземления.

Создание должно происходить по следующим этапам.

Проектирование

Для начала стоит определиться с тем, каких размеров должна быть катушка и где она будет располагаться.

Если финансы позволяют, вы можете создать в домашних условиях просто огромнейший генератор. Но вам стоит помнить об одной важной детали : катушка создает множество искровых разрядов, которые сильно разогревают воздух, заставляя его расширяться. В результате образуется гром. В итоге созданное электромагнитное поле в состоянии вывести из строя все электроприборы. Поэтому лучше создавать ее не в квартире, а где-то в более укромном и удаленном уголке (гараж, мастерская и пр.).

Если хотите заранее определить, насколько длинная дуга получится у вашей катушки или силу мощности необходимого блока питания, произведите следующие замеры: расстояние между электродами в сантиметрах разделите на 4,25, полученное число возведите в квадрат. Итоговое число и будет ваша мощность в Ваттах. И наоборот – чтобы выяснить расстояние между электродами, квадратный корень мощности необходимо умножить на 4,25. Для катушки Тесла, которая будет в состоянии сотворить дугу длиной в полтора метра, потребуется 1 246 Вт. А прибор с блоком питания на один киловатт сможет сделать искру длиной в 1,37 метра.

Далее изучаем терминологию. Для создания столь необычного прибора нужно будет разбираться в узкоспециализированных научных терминах и единицах измерения. И чтобы не оплошать и все сделать верно, придется научиться понимать их смысл и значение. Вот некоторая информация, которая поможет:

Что такое электрическая емкость ? Это способность накапливать и удерживать электрический заряд определенного напряжения. То, что накапливает электрический заряд, называется конденсатором . Фарад – это единица измерения электрических зарядов (Ф). Он может быть выражен через 1 ампер секунду (Кулон), помноженную на вольт. Обычно емкость измеряют в миллионных и триллионных долях фарада (микро- и пикофарадах).
Что такое самоиндукция? Так называют явление возникновения ЭДС в проводнике при изменении проходящего через него тока. У высоковольтных проводов, по которым течет низкоамперный ток, высокая самоиндукция. Ее единица измерения – генри (Гн), который соответствует цепи, где при изменении тока со скоростью один ампер в секунду создается ЭДС 1 Вольт. Обычно индуктивность измеряется в мили- и микрогенри (тысячной и миллионной части).
Что такое резонансная частота ? Так называют частоту, на которой потери на передачу энергии будут минимальными. В катушке Тесла это будет частота минимальных потерь при передаче энергии между первичной и вторичной обмотками. Ее единица измерения – герц (Гц), то есть один цикл в секунду. Обычно резонансная частота измеряется в тысячах Герцах или килогерцах (кГц).

Сбор необходимых деталей

Выше мы уже писали, какие составляющие вам понадобятся для создания катушки Тесла в домашних условиях. И если вы радиолюбитель, у вас непременно найдется что-нибудь из этого (а то и все).

А вот некоторые особенности необходимых деталей:

источник питания должен питать через дроссель накопительный или первичный колебательный контур, состоящий из первичной катушки, первичного конденсатора и разрядника;
первичная катушка должна быть расположена около вторичной катушки, являющейся элементом вторичного колебательного контура, но при этом контуры не должны соединяться проводами. Стоит вторичному конденсатору накопить достаточный заряд, как он тут же начнет высвобождать в воздух электрические заряды.

Создание катушки Тесла

Выбираем трансформатор . Именно питающий трансформатор будет решать, какого размера будет ваша катушка. Большая часть таких катушек работает от трансформаторов, способных выдавать ток от 30 до 100 миллиампер при напряжении от пяти до пятнадцати тысяч вольт. Найти нужный трансформатор можно на ближайшем радиорынке, в интернете или же снять с неоновой вывески.
Делаем первичный конденсатор . Его можно собрать из нескольких более мелких конденсаторов, соединив их в цепи. Тогда они смогут накапливать равные доли заряда в первичном контуре. Правда, нужно, чтобы все мелкие конденсаторы имели одинаковую емкость. Каждый из таких мелких конденсаторов будет называться составным.

Приобрести конденсатор небольшой емкости можно на радиорынке, в интернете или же снять со старого телевизора керамические конденсаторы. Впрочем, если у вас золотые руки, можете и самостоятельно сделать их из алюминиевой фольги с помощью полиэтиленовой пленки.

Для достижения максимальной мощности необходимо, чтобы первичный конденсатор полностью заряжался каждые пол цикла подачи энергии. Для источника питания в 60 Гц нужно, чтобы заряд происходил 120 раз в секунду.

Проектируем разрядник . Чтобы сделать одиночный разрядник, используйте минимум шестимиллиметровый (в толщину) провод. Тогда электроды смогут выдерживать тепло, которое выделяется во время заряда. Кроме того можно сделать многоэлектродный или роторный разрядник, а также осуществлять охлаждение электродов путем воздушного обдува. Для этих целей прекрасно подойдет старый домашний пылесос.
Делаем обмотку первичной катушки . Саму катушку делаем из проволоки, но понадобится форма, вокруг которой придется делать намотку проволоки. Для этих целей используется медная лакированная проволока, купить которую можно в магазине радиоэлектроники или просто снять с любого старого ненужного электроприбора. Форма, вокруг которой будем наматывать проволоку, должна быть конической или цилиндрической формы (пластиковая или картонная трубка, старый абажур и т.д.). Благодаря длине проволоки можно регулировать индуктивность первичной катушки. Последняя должна иметь низкую индуктивность, поэтому в ней должно быть небольшое количество витков. Проволока для первичной катушки не обязательно должна быть сплошной – можно скрепить несколько, чтобы по ходу сборки регулировать индуктивность.
Собираем в одну цепь первичный конденсатор, разрядник и первичную катушку . Данная цепь будет образовывать первичный колебательный контур.
Делаем вторичную катушку индуктивности . Здесь нам также понадобится цилиндрическая форма, куда нужно наматывать проволоку. У этой катушки должна быть та же резонансная частота, что и у первичной, иначе не избежать потерь. Вторичная катушка должна быть выше первичной, потому что у нее будет больше индуктивность и она будет препятствовать разряду вторичного контура (именно он может привести к сгоранию первичной катушки). При нехватке материалов для создания большой вторичной катушки можно сделать разрядный электрод. Это защитит первичный контур, но заставит этот электрод принимать на себя большинство разрядов, в результате чего разряды не будут видны.
Создаем вторичный конденсатор, или терминал . Он должен иметь скругленную форму. Обычно это тор (бубликообразное кольцо) или сфера.
Соединяем вторичный конденсатор и вторичную катушку . Это и будет вторичный колебательный контур, который должен быть заземлен подальше от домашней проводки, которая питает источник катушки Тесла. Для чего это нужно? Так получится избежать блуждания высоковольтных токов по проводке дома и последующего вреда любым подключенным электроприборам. Для отдельного заземления достаточно будет просто вогнать в землю металлический штырь.
Делаем импульсные дроссели . Сделать такую небольшую катушку, способную предотвратить поломку источника питания разрядником, можно, если намотать вокруг тонкой трубки медную проволоку.
Собираем все детали в единое целое . Первичный и вторичный колебательные контуры размещаем рядом, через дроссели присоединяем к первичному контуру питающий трансформатор. Вот и все! Чтобы воспользоваться катушкой Тесла по назначению, достаточно включить трансформатор!

Если у первичной катушки слишком большой диаметр, можно разместить вторичную катушку внутри первичной.

А вот вся последовательность сбора катушки Тесла в картинках:

Совет 1: если вы хотите управлять направлением разрядов, которые выходят из вторичного конденсатора, поместите рядом любой металлический предмет таким образом, чтобы между обоими не было контакта. В этом случае контакт будет принимать форму дуги, тянущейся от конденсатора к предмету. Интересно, что если рядом поместить люминесцентную лампу или лампочку накаливания, то благодаря катушке Тесла они начнут светиться.

Совет 2 : если хотите спроектировать и создать качественную катушку, необходимо произвести сложные математические расчеты. Впрочем, если вы сами не можете их выполнить, ищите помощников или формулы из интернета.

Совет 3 : не стоит приступать к созданию катушки Тесла, если у вас нет соответствующего инженерного опыта или познаний в электронике.

Совет 4 : неоновые вывески последнего поколения содержат полупроводниковые источники питания со встроенным устройством защитного отключения. Это делает их непригодными для создания катушки Тесла !

Мир физики и электроники таит в себе множество тайн и красоту, которую при должном опыте и знаниях может воссоздать каждый своими руками. Так и вы, следуя всем перечисленным советам, всегда сможете собственноручно создать легендарную катушку Тесла дома, поражая гостей и соблазняя противоположный пол. А если гениальный ум и жажда изобретений мешают вам учиться, просто воспользуйтесь услугами сервисов для студентов !

Некоторые изображения взяты из источника:

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

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.
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.

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.
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
Первичная катушка подключается к разряднику. Конденсатор и первичная катушка должны образовывать первичный контур, попадающий в резонанс с вторичной катушкой.
Первичная катушка должны быть хорошо изолирована от вторичной.
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.
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).
Тор можно сделать из обыкновенной вентиляционной гофры. Он размещается над вторичной катушкой.
Вторичная катушка и тор образуют вторичный контур.
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.

Сочетание нескольких физических законов в одном приборе воспринимается далёкими от физики людьми как чудо или фокус: вылетающие разряды, похожие на молнии, светящиеся вблизи катушки люминесцентные лампы, не подключённые к обычной электросети и т.д. При этом собрать катушку тесла своими руками можно из стандартных деталей, продающихся в любом магазине электротехники. Настройку устройства разумнее делегировать тем, кто знаком с принципами электричества, либо тщательно изучить соответствующую литературу.

Как Тесла изобрёл свою катушку

Никола Тесла - величайший изобретатель XX века

Одним из направлений работы Никола Тесла в конце девятнадцатого столетия стала задача передачи электрической энергии на большие расстояния без проводов. 20 мая 1891 года на своей лекции в университете штата Колумбия (США) он продемонстрировал сотрудникам Американского института электроинженерии удивительный прибор. Принцип его действия лежит в основе современных энергосберегающих люминесцентных ламп.

Во время экспериментов с катушкой Румкорфа по методике Генриха Герца Тесла обнаружил перегревание стального сердечника и плавление изоляции между обмотками при подключении к прибору высокоскоростного генератора переменного тока. Тогда он принял решение модифицировать конструкцию, создав воздушный зазор между обмотками и перемещая сердечник в различные положения. Он добавил в схему конденсатор, препятствующий выгоранию катушки.

Принцип работы катушки тесла и применение

При достижении соответствующей разности потенциалов избыток энергии выходит в виде стримера с фиолетовым свечением

Это резонансный трансформатор, в основе работы которого лежит следующий алгоритм:

конденсатор заряжается от высоковольтного трансформатора;
при достижении необходимого уровня заряда происходит разрядка с проскакиванием искры;
в первичной катушке трансформатора происходит замыкание, приводящее к возникновению колебаний;
перебирая точку подключения к виткам первичной катушки, изменяют сопротивление и настраивают всю схему.

В результате высокое напряжение в верхней части вторичной обмотки приведёт к появлению впечатляющих разрядов в воздухе. Для большей наглядности принцип действия устройства сравнивают с качелями, которые раскачивает человек. Качели - это колебательный контур из трансформатора, конденсатора и разрядника, человек - первичная обмотка, ход качели - движение электрического тока, а высота подъёма - разность потенциалов. Достаточно несколько раз с определённым усилием толкнуть качели, как они поднимутся на значительную высоту.

Помимо познавательно-эстетического использования (демонстрация разрядов и светящихся без подключения к сети ламп), устройство нашло своё применение в следующих отраслях:

радиоуправление;
передача данных и энергии без проводов;
дарсонвализация в медицине - обработка поверхности кожи слабыми токами высокой частоты для тонизирования и оздоровления;
поджиг газоразрядных ламп;
поиск течи в вакуумных системах и др.

Изготовление катушки Тесла своими руками в домашних условиях

Проектирование и создание устройства не представляет сложности для людей, знакомых с принципами электротехники и электричества. Однако даже новичку под силу будет справиться с этой задачей, если провести грамотные расчёты и скрупулёзно следовать пошаговой инструкции. В любом случае до начала работ следует обязательно ознакомиться с правилами техники безопасности для работ с высоким напряжением.

Схема

Катушка тесла представляет собой две катушки без сердечника, посылающих большой импульс тока. Первичная обмотка состоит из 10 витков, вторичная - из 1000. Включение в схему конденсатора позволяет снизить до минимума потери искрового заряда. Выходная разность потенциалов превышает миллионы вольт, что позволяет получать эффектные и зрелищные электрические разряды.

Перед тем как взяться за изготовление катушки своими руками, необходимо изучить схему её строения

Инструменты и материалы

Для сбора и последующего функционирования катушки Тесла понадобится подготовить следующие материалы и оборудование:

трансформатор с выходным напряжением от 4 кВ 35 мА;
болты и металлический шарик для разрядника;
конденсатор с рассчитанными параметрами ёмкости не ниже 0,33 µF 275 В;
ПВХ труба диаметром 75 мм;
эмалированная медная проволока сечением 0,3–0,6 мм - пластиковая изоляция предотвращает пробой;
полый металлический шар;
толстый кабель или трубка из меди сечением 6 мм.

Пошаговая инструкция по изготовлению катушки

В качестве источника питания также можно использовать мощные батареи

Алгоритм изготовления катушки состоит из следующих этапов:

Подбор источника питания. Оптимальный вариант для новичка - трансформаторы для неоновых вывесок. В любом случае выходное напряжение на них не должно быть ниже 4кВ.
Изготовление разрядника . От качества этого элемента зависит общая производительность устройства. В самом простом случае это могут быть вкрученные на расстоянии в несколько миллиметров друг от друга обыкновенные болты, между которыми установлен металлический шарик. Расстояние подбирают таким образом, чтобы искра пролетала в том случае, когда только разрядник подключён к трансформатору.
Расчёт ёмкости конденсатора. Резонансную ёмкость трансформатора умножают на 1,5 и получают искомую величину. Конденсатор с заданными параметрами разумнее приобрести готовый, поскольку при отсутствии достаточного опыта сложно собрать этот элемент самостоятельно, чтобы он работал. При этом могут возникнуть сложности с определением его номинальной ёмкости. Как правило, при отсутствии большого элемента конденсаторы катушки представляют собой сборку из трёх рядов по 24 конденсатора в каждом. При этом на каждом конденсаторе должен быть установлен гасящий резистор 10 МОм.
Создание вторичной катушки. Высота катушки равна пяти её диаметрам. Под эту длину подбирают подходящий доступный материал, например, поливинилхлоридную трубу. Её обматывают медной проволокой в 900–1000 витков, а затем покрывают лаком для сохранения эстетичного внешнего вида. К верхней части прикрепляют полый шар из металла, а нижнюю часть заземляют. Желательно продумать отдельное заземление, так как при использовании общедомового велика вероятность выхода из строя других электроприборов. Если готовый металлический шар отсутствует, то его можно заменить другими аналогичными вариантами, выполненными самостоятельно:
- обернуть пластиковый шар фольгой, которую следует тщательно разгладить;
- обмотать алюминиевой лентой гофротрубу, свёрнутую в круг.
Создание первичной катушки. Толщина трубки препятствует резистивным потерям, с увеличением толщины уменьшается её способность к деформированию. Поэтому сильно толстый кабель или трубка будут плохо сгибаться и трескаться в местах сгибов. Шаг между витками выдерживают в 3–5 мм, количество витков зависит от общих габаритов катушки и подбирается экспериментально, также как и место подключения устройства к источнику питания.
Пробный запуск. После выполнения первичных настроек запускают катушку.

Особенности изготовления других видов устройств

Её в основном используют в оздоровительных целях

Для изготовления плоской катушки предварительно готовят основание, на которое последовательно укладывают два медных провода сечением 1,5 мм параллельно плоскости основания. Сверху укладку лакируют, продлевая срок службы. Внешне этот прибор представляет собой ёмкость из двух вложенных друг в друга спиральных обкладок, подключаемых к источнику питания.

Технология изготовления мини-катушки идентична выше рассмотренному алгоритму для стандартного трансформатора, но в этом случае понадобится меньше расходных материалов, а запитать её можно будет от стандартной батарейки «Крона» 9В.

Видео: как создать мини-катушку тесла

При подключении катушки к трансформатору, выводящему ток посредством музыкальных волн высокой частоты, можно получить устройство, разряды которого меняются в зависимости от ритма звучащей музыки. Используется при организации шоу и развлекательных аттракционов.

Катушка Тесла - высокочастотный резонансный трансформатор высокого напряжения. Потери энергии при высокой разнице потенциалов позволяют получать красивые электрические явления в виде молний, самозагорающихся ламп, реагирующих на музыкальный ритм разрядов и др. Собрать этот прибор можно из стандартных электротехнических деталей. Однако не следует забывать о мерах предосторожности как во время создания, так и во время использования устройства.

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).