Tesla Coil

!!!Informácie tu uvedené nie sú postačujúce na zostavenie a bezpečné používane TC!!!
Vodivé spojenie s prístrojom ma neohrozuje vďaka vysokej frekvencii zdroja napätia
Nič podobné doma neskúšajte ak si nie ste istý tím čo robíte

Začiatky

Jedného krásneho dňa sa mi do ruky dostala indukčná cievka. Zistil som, že tak trošku dáva iskry pri pripájaní a odpájaní baterky. Tak som si kúpil relé nech to robí namiesto mňa. Aparatúrku som vtesnal do takej krabičky od cukríkov a cievku uzemnil na krabičku. Na jej dno som dal spínač (ak bola položená obvod bol prerušený). No a toto som zakryl črepníkom na ktorý som pripevnil také plôšky (kovové) a na tie som napojil vývod cievky. Potom sa našlo pár jedincov tipu "Jééééj, to máš pekné" a pokúsili sa to poobzerať zo všetkých strán. Takto som sa dopracoval k tomu, že keď mám niečo "divné" niekde položené, ostane mi to tam.

Okrem výchovnej funkcie to hádzalo aj iskričky medzi elektródami pokiaľ to bolo zdvihnuté a nikto to nedržal za elektródy. A iskry sa mi zapáčili. Tak som na nete začal trošku hľadať. Van de Gráafov generátor sa mi robiť nechcelo, tak som došiel k Teslovej cievke.

Dosť mi pomohli české stránky http://rayer.ic.cz, ale je vhodné si stránok na túto tematiku pozrieť viac, aj zahraničných.

Trochu teórie

Zapojenia SGTC

TC (Teslova Cievka / Tesla Coil / Teslov Transformátor) je vlastne zariadenie na výrobu vysokého napätia o vysokej frekvencii.

Zariadenie sa skladá z dvoch obvodov, primárneho a sekundárneho. Primárny obvod je cievka s malým počtov závitov (obvykle do 12) a dačím čo spôsobí oscilácie na konkrétnej frekvencii (rezonančnej sekundárneho obvodu). To dačo rozoberiem neskôr.

Ďalej tu je sekundárna cievka s 800 až 2000 závitmi (je vhodné ju nalakovať, aby sa závity pôsobením tepla a chladu nerozbehli), ktorá nie je nijako vodivo spojená s primárnou (teda by nemala byť, občas nachádzam zapojenia kde je spodný koniec na spoločnej zemi s primárnou). Táto cievka má svoju indukčnosť a medzizávitovú kapacitu. Kapacita tá sa dá zväčšiť pridaním doplnkovej kapacity (guľa popr. toroid). Ďalej má vybíjaciu elektródu, to je to z čoho pôjdu výboje (obvykle na vrchu) ak nepôjdu priamo z doplnkovej kapacity popr. z konca vinutia len tak z drátu. Jej parametre sú teda kapacita (ak je tam prídavná kapacita, celková nie je ich súčtom, ale o niečo menšia, cca o 20 %) a indukčnosť, Thomsonovým vzťahom (alebo odmeraním) zistíme jej rezonančnú frekvenciu, na ktorú potrebujeme naladiť primárny obvod.

Tu by to chcelo znalosti rezonancie, proste ide o to, že pri voľnej väzbe prechádza pri rezonančnej frekvencii k prechodu energie z oscilátora (primárny obvod) do rezonátora (sekundárny obvod). Prenos energie prudko klesá oddialením primárneho obvodu od rezonančnej frekvencie.

A teraz ako sa dosahuje kmitanie primárneho obvodu na rezonančnej frekvencii sekundárneho. Tá frekvencia môže byť približne od 300 kHz do 4 MHz (pri týchto frekvenciách dochádza k tzv. skin efektu a zároveň je vzdialená od frekvencií, na ktorých bežne pracuje ľudské telo). Konkrétna frekvencia závisí na konkrétnom sekundárnom obvode. TC rozdeľujeme podľa toho ako sa dosahuje rezonančná frekvencia na primárnom obvode.

SSTC (Solid State Tesla Coil) - na dosiahnutie požadovanej frekvencie sa používajú polovodiče. Je to tiché, kmity môžu byť v podstate netlmené a viac menej neprerušované, teda nemodulované nízkou frekvenciou. Nevýhodou je, že dnešné polovodiče nie sú dostatočne odolné na takéto niečo alebo $$$ nedostupné. A aj tak dosť hrejú a vyžadujú chladenie a ľahko zhoria. Na druhú stranu sa dá pekne dosahovať koróna, ale je to pre menšie výkony. Zapojenie sa rieši obvykle mostom alebo polo-mostom, ale to (zatiaľ) nie je môj prípad tak to moc nejdem rozpisovať. Ešte sa zvyknú používať jednoduché samo-kmitajúce budiče, ale to skôr demonštračne. Na túto tému si pozrite skôr iné stránky.

VTTC (Vacuum Tube Tesla Coil) - na dosiahnutie požadovanej frekvencie sa používajú elektrónky. Toto sa mi celkom ako nápad páči, ale okrem kenotronu použiteľného tak ako diódu elektrónku nemám, takže nič. PS: VTTS je (pokiaľ viem) jediný spôsob ako dosiahnuť rovný dlhý pseudo-stabilný výboj kolmo nahor.

SGTC (Spark Gap Tesla Coil) - Teslova cievka s iskriskom. Proste sa zostaví jednoduchý LC obvod so správnou frekvenciou a k nemu sa pripojí zdroj napätia. Toto je asi najbližšie pôvodným Teslovým plánom. Schémy sa používajú tie čo som uviedol vyššie na obrázku. Mne osobne sa vidí vhodnejšia tá druhá lebo primárnou cievkou tečie prúd len keď treba (počas oscilácií). Ako to asi pracuje? Z nízkofrekvenčného zdroja sa nabije kondenzátor až po takú hodnotu napätia, kedy sa iskrisko zionizuje a dôjde k preskoku v iskrisku. Tím sa stáva vodivé a dôjde k osciláciám až k okamihu, kedy energia nie je dostatočná aby sa v iskrisku udržal výboj. Potom sa kondenzátor nabíja znova. Takže dochádza k tlmeným kmitom, v podstate modulovaným frekvenciou iskriska. Iskrisko je možno spraviť statické alebo rotačné.

Statické môže byť jednoduché, nejaké dve guličky od seba, no nie je to moc výhodné lebo sa to pekne hreje a zle chladí. Statciké môže byť aj zložené, niekoľko trubiek s medzerami, takto je preskok najprv medzi 1 a 2 potom 2 a 3 až poslednou a predposlednou, teda sa iskra rozloží na väčšej ploche. To sa lepšie chladí. Pre ešte väčšie výkony sa používa rotačné iskrisko. Proste dve elektródy ďaleko od seba a medzi nimi kotúč, ktorý má po stranách niečo vodivé siahajúce skoro až na elektródy, preskoky sú potom podľa otáčok toho čo točí kotúčom, obvykle motor. Každopádne ho treba dáko odizolovať aby nedostal zásah, to by nebolo dobré. Pri rotačnom iskrisku a striedavým napájaním dochádza ešte k problému, že k preskoku nedôjde vždy pri maximálnom nabití kondenzátora, to sa dá synchrónnym motorom ale tie sú drahé.

Pri SGTC je "srdcom" práve rezonančný kondenzátor, ktorý musí zvládať vysoké prúdy a napätia. Behom chvíľky sa vybije z kladnej maximálnej hodnoty na zápornú a to opakovane. Takže sa väčšinou nedá kúpiť. No dá sa u profi firiem objednať, ale je drahý. Takže sú rôzne alternatívy jeho výroby.

Leydenská fľaša, fľašky so slaným roztokom obalené alobalom alebo v ďalšom slanom roztoku. Nevýhodné, jednak to má veľký odpor a ďalej myšlienka vody s vysokým napätím nie je najšťastnejšia.

MMC Multi Mini Capacitor, paralelno-sériové zloženie s viacerých menších kondenzátorov. Často používané, len sa treba vyhnúť použitiu elektrolytov (neradi striedavé napätie, vybuchujú). Nevýhodou je asi vyššia cena pri zháňaní stoviek kondenzátorov, alebo dlhšia doba zberania z rozoberaných vyradených vecí.

Poskladanie vlastného, z dákej vodivej fólie (obvykle alobal) a dákeho dielektrika. Buď zrolovať do zvitkového (2 fólie 2 pruhy alobalu), čo je niekedy sranda zrolovať a odhadnúť kapacitu, alebo platničkový (prekladáte dielektrikum s kúskami fólie), pri tomto je potrebné nastrihať fóliu na potrebnú veľkosť (rátať s rezervou v prospech dielektrika aby nedochádzalo k prierazom), napríklad CD disky / LP platne oblepené alobalom, každá druhá vrstva vývod na jednu stranu a prvá na druhú. Tie sa potom spoja a je provizórny kondenzátor. Celé to má výhodu, že je možné si poskladať pomocou vhodného dielektrika kondenzátor na naozaj vysoké napätie, nevýhoda je doslova obrovský rozmer (a hmotnosť) a zase veľké vnútorné straty.

Skin Efekt a iné

Od istých frekvencií má prúd tú vlastnosť, že sa šíri len povrchom, hoc aj medenej kocky. Dalo by sa povedať, že čím vyššia frekvencia, tím plytkejšia vrstva prúdu. Teda zásah z TC by nemal zasiahnuť vnútorné orgány, iba pokožku, ale aj tú vie pekne popáliť (výboj má od 5000 do 50 000 K). Takže pri stavbe vinutia primárnej cievky, je rovnako vhodná trubka ako aj plný drát. K relatívne bezpečnému skin efektu dochádza asi od 50 kHz.

Samozrejme aj keď dochádza k skin efektu, výboj môže pokožku nepríjemne popáliť a dochádza k rezonácii srdcových chlopní, čo môže niektorým jedincom vadiť. Ďalej v iskrisku a vo výboji sa uvoľňuje veľa ultrafialového žiarenia a vzniká ozónu.

Ďalej si treba uvedomiť, že okrem sekundárnej cievky je v ostatných častiach obvodu smrteľne nebezpečné napätie nepodliehajúce skin efektu, lebo sa tu vyskytuje aj sieťových 50Hz / 60 Hz a v prípade skratu, alebo iného nechceného spojenia primárnej časti so sekundárnou sa celé zariadenie stáva extrémne nebezpečné (vysokofrekvenčný výboj z vybíjacej elektródy vytvára vodivé spojenie, po ktorom môžu putovať aj tieto nechcené nižšie frekvencie).

Ak sa náhodou niekto rozhodol, že si chce zariadenie konštruovať, je veľmi vhodné, aby uvážil aké vedomosti má zo školy, čo všetko sa potrebuje doučiť a určite si pozrieť ešte dáke iné stránky na túto tematiku. Hlavne ohľadne bezpečnosti. A samozrejme dodržovať bezpečnosť práce.

Prvé úspechy

Zapojenie trafka z TV Moja SOČ
pokusy s trafkom Zapojenie trafka z TV - real

Najprv som si spravil takú menšiu (SSTC), ktorej schému som našiel na nete. Iskra 3 mm. Ono to nič nie je, ale aspoň dačo. Sekundár má (ešte ho dakde mám) 433 závitov.

S tím istým sekundárom som sa rozhodol spraviť SGTC. Kondenzátor CD obalené alobalom a tak. Ako zdroj VN do iskriska poslúžilo trafo zo starej TV Merkur (ľavá schéma). Typ zapojenia toho trafa bol taký nešťastný, tranzistor tam vydržal vždy len 5 minút. Na fotke je tranzistor v puzdre TO3, ktoré sa dajú celkom zohnať z rozoberania starých vecí, na SOČ som si potom kúpil irfp150n v puzdre TO247 a teda som mu musel zmeniť aj chladič, použil som chladič z procesora do ktorého som navŕtal dierku na uchytenie tranzistora. Ale iskry som dosiahol tak 2-5 cm. A raz aj korónu (teda z TC nie zo samotného trafa). S touto verziou som sa snažil presadiť aj na SOČ (pravá schéma). Tá elektrónka tam je použitá ako dióda, lebo trafo nemalo dostatočný výkon na to, aby pri danej frekvencii nabilo kondenzátor až tak aby došlo k prierazu v iskrisku (je tam striedavé cca 60 kHz takže sa iba nabíjal a vybíjal...)

Na SOČ som nezvládol otázku "Na čo je to dobré?". No každopádne zapojenie je nešťastné aj v tom, že koniec sekundáru je spojený s primárom.

K tejto povedzme konštrukcii som mal aj zopár naozaj maličkých sekundárnych cievok (vrchnák od zubnej pasty) a ako kondenzátor poslúžil naozaj malý kúsok dielektrika a dva trhance alobalu. Tieto maličké cievočky dávali maličkú ale peknú korónu.

No a samozrejme hral som sa aj so samotným trafkom, veď vysokofrekvenčný vysokonapäťový výstup vie zabaviť chvíľku... Napríklad aj taký maličký Jakobov rebrík.

V Výboj z trafka
V Malý Jakobov rebrík
V Žiarovka pri výstupe z trafa
V Žiarovky a tlejivka pri výstupe z trafa
V Malý SGTC
Mini SGTC

Dlhodobejší projekt

Raz som si v zberných surovinách našiel rozptylové trafo (a ešte jedno mi dal priateľ) na 230V/50Hz takže mi odpadá problém so zapojením trafa (oproti prevádzaniu jednosmerného prúdu na striedavý ako to bolo u baterky toto zapojím do siete a hotovo).

V Jakobov rebrík

Najprv som to tak nejak narýchlo vymyslel na drevenej základni, ale viac menej bez výpočtov a proste počiatočný pokus, tento pokus sa moc neujal a rýchlo som prešiel k terajšej základni, na fotke môžete vidieť ešte pozostatok počiatočnej základne a už prípravy na terajšiu.

Rekonštrukcia základne

Trafo zo zberných surovín je dáke rozptylové takže prvotné pokusy robím s tím, nevadí mu ísť do skratu. Ďalší dôvod tejto voľby je ten, že v obvode nemám tlmivku, ešte som sa nejak nezaujímal ako sa tam má dať a aké má mať parametre. Pri rozptylovom trafe a týchto výkonoch ju môžem zanedbať. Ale nebolo by zlé zohnať dáke silnejšie trafo.

Neporiadok
Trafo Trafo

Ako kostru projektu som použil plexisklo, dáke som doma našiel a ešte dáke mi darovala spolužiačka. Pár dní som si na PC kreslil ako by to mohlo vyzerať, potom som to rysoval na plexi (s dlhšími úvahami, pre najefektívnejšie využitie), potom som sa pár dní hral s pílkou na železo a vŕtačkou.

Podpory primáru

Potom som to mal ísť lepiť. Skúšal som rôzne lepidlá, najlepšie sa zdalo konkrétne sekundové, ale nedržalo to až tak ako som potreboval. Tak som pátral po internete, pýtal sa pár ľudí a najlepšia voľba vyšlo rozpustiť časť PMMA (plexiskla) v chloroforme. Síce bola sranda zohnať chloroform, ale podarilo sa. Ak to dakto bude skúšať podobne, treba dôkladne vetrať, chloroform dokáže človeka uspať a ak na jeho výpary pôsobí slnečné žiarenie vzniká jedovatý fosgén. Ale to sem nepatrí, proste kto chce používať dáke chemikálie nech si poriadne naštuduje ako sa chovajú.

Test lepidla

Keď som všetko dolepil a dovŕtal a dorezal tak som do toho začal navliekať primárnu cievku, hrubý solídny medený drát. Tá konštrukcia je asi taká, kocka s hornou a spodnou stenou a 4 hranami na držanie. Na spodnej stene býva položený kondenzátor a na vrchnej sú lichobežníky v ktorých je uchytené primárne vinutie a v strede je zem kam sa pokladá sekundárne vinutie. Trafo mávam položené mimo konštrukcie a iskrisko mám akože statické, mám medzeru medzi vodičmi (zatiaľ som nič iné nevymyslel, prevádzkujem to krátkodobo tak to stačí).

Navíjanie primáru Detail primáru Konštrukcia z boku Konštrukcia spredu

Na primárnom vinutí sa nachádza ešte jeden necelý závit, ktorý slúži pre budúcnosť keď budú výboje dlhšie ako samotný sekundár tak aby udierali tam a nie do akýchkoľvek iných častí zariadenia. Je to taká ochrana súčiastok. Tento závit sa pripája na koniec sekundárneho vinutia a spolu idú na zem (ktorá nie je spoločná s primárnou, teda nie kolík zástrčke alebo radiátor), ja využívam bleskozvod ale je vhodná aj tyčka zatlčená do zeme.

Port pre sekundár

Sekundárnu cievku mám na PVC trubke a má 2000 ručne motaných závitov (dlhá noc). Výška vinutia 717 mm a priemer 112 mm. Sekundár som po namotaní pár krát nastriekal akrylátovým lakom, aj kvôli izolácii a aj kvôli mechanickej odolnosti, nechcel by som to motať znova. Na výpočty používam svoj program, ale vhodný je aj kalkulátor z Rayer-ovej stránky.

V Lakovanie sekundáru
Sekundár + kondenzátor Lakovanie sekundáru

Sekundár sa skladá so sekundárnej už popísanej cievky a na ňu som si položil toroid spravený s trubky na digestor (zatiaľ nemá upevnenie, je tam len položený) a slúži zároveň ako vybíjacia elektróda.

Na sekundárnej cievke som na spodku spravil ešte port na jednoduché pripojenie na základňu, je to taký kúsok plechu upevnený najprv špajdľami a sekundovým lepidlom a potom zaliate rozpusteným plexi, takže to má aj svoju pevnosť.

Port na sekundári

Zapojenie mám ako na tej pravej schéme v teórii. Ako kondenzátor som zháňal veľa gramofónový platní, z ktorých som si spravil platničkový. Má veľké straty, ale zvláda to rozptylové trafo (14 kV).

Výroba kondenzátora Hotový kondenzátor

Skúšal som si spraviť aj MMC ale na 14 kV je to naozaj veľa kusov a keď mám len časť (zložené do správnej kapacity ale napäťovo slabšie), musím dať iskrisko veľmi tesne aby sa nestihli nabiť a detonovať a teda celkový dojem je horší ako z toho platničkového

MMC

Celkom pekné iskričky sa mi daria z toho dostať, tak okolo 15-20 cm. Viac menej aj korónu, ale nie samostatnú, len keď je blízko vybíjacej elektródy dáke uzemnenie (môj prst).

V Rozsvietenie neónovej trubice - tma
V Výboje do môjho prsta - tma
V Žiarovka pri teslovej cievka - tma
Celok