Электрическая схема как собрать катушку тесла. Главные свойства катушки Тесла. Конструируем более «серьезное» устройство

Мы можем увидеть и приобрести в магазин миниатюрную катушку Тесла в виде игрушки или декоративного светильника. Принцип действия такой же как у самого Тесла. Не чем не отличается, кроме масштабов и напряжения.

Давайте попробуем сделать катушку Тесла в домашних условиях.

— это резонансный трансформатор. В основном это LC схемы, настроенные на одну резонансную частоту.

Высоковольтный трансформатор используется для зарядки конденсатора.

Как только конденсатор достигает достаточного уровня заряда, он разряжается на разрядник и там проскакивает искра. Происходит короткое замыкание первичной обмотки трансформатора и в ней начинаются колебания.

Поскольку ёмкость конденсатора фиксирована, схема настраивается путем изменения сопротивления первичной обмотки, изменяя точку подключения к ней. При правильной настройке, очень высокое напряжение будет в верхней части вторичной обмотки, что приведет к впечатляющим разрядам в воздухе. В отличие от традиционных трансформаторов, соотношение витков между первичной и вторичной обмотками практически не влияет на напряжение.

Этапы строительства

Спроектировать и построить катушку Тесла довольно легко. Для новичка это кажется сложной задачей (мне это тоже казалось сложным), но можно получить рабочую катушку, следуя инструкциям в этой статье и проделав небольшие расчеты. Конечно, если вы хотите очень мощную катушку, нет никакого способа кроме изучения теории и проведения множества расчетов.

Вот основные шаги, с которых следует начать:

Выбор источника питания. Трансформаторы которые используются в неоновых вывесках, вероятно, лучше всего подойдут для начинающих, так как они относительно дешевые. Я рекомендую трансформаторы с выходным напряжением не меньше чем 4кВ.
Изготовление разрядника. Это могут быть просто два винта, вкрученных в паре миллиметров друг от друга, но я рекомендую приложить немного больше усилий. Качество разрядника сильно влияет на производительность катушки.
Расчет ёмкости конденсатора. Используя формулу ниже, рассчитайте резонансную емкость для трансформатора. Значение конденсатора должно быть примерно в 1,5 раза больше этого значения. Вероятно, лучшим и наиболее эффективным решение будет сборка конденсаторов. Если вы не хотите тратить деньги, можете попробовать изготовить конденсатор сами, но он может не работать, а его емкость трудно определить.
Изготовление вторичной обмотки. Используйте 900-1000 витков эмалированной медной проволоки 0,3-0,6мм. Высота катушки обычно равна 5 её диаметрам. Водосточная труба из ПВХ, возможно, не самый лучший, но доступный материал для катушки. Полый металлический шар прицеплен к верхней части вторичной обмотки, а её нижняя часть заземлена. Для этого желательно использовать отдельное заземление, т.к. при использовании общедомового заземления есть шанс испортить другие электроприборы.
Изготовление первичной обмотки. Первичная обмотка может быть сделана из толстого кабеля, или ещё лучше из медной трубки. Чем толще трубка, тем меньше резистивных потерь. 6 миллиметровой трубы вполне достаточно для большинства катушек. Помните, что толстые трубы намного сложнее сгибать и медь трескается при многочисленных перегибах. В зависимости от размера вторичной обмотки, от 5 до 15 витков с шагом от 3 до 5 мм должно хватить.
Соедините все компоненты, настройте катушку, и все готово!

Перед тем как начать делать катушку Тесла настоятельно рекомендуется ознакомиться с правилами ТБ и работы с высокими напряжениями!

Также обратите внимание, что не были упомянуты схемы защиты трансформатора. Они не были использованы, и пока проблем нет. Ключевое слово здесь — пока.

Катушка делалась в основном из тех деталей, которые были в наличии.
Это были:
4кВ 35mA трансформатор от неоновой вывески.
0.3мм медная проволока.
0.33μF 275V конденсаторы.
Пришлось докупить 75мм водосточную трубу ПВХ и 5 метров 6мм медной трубки.

Вторичная обмотка

Вторичная обмотка сверху и снизу покрыта пластиковой изоляцией, для предотвращения пробоя

Вторичная обмотка была первым изготовленным компонентом. Я намотал около 900 витков провода вокруг сливной трубы высотой около 37см. Длина использованного провода была примерно 209 метров.

Индуктивности и емкости вторичной обмотки и металлической сферы (либо тороида) можно рассчитать по формулам которые можно найти на других сайтах. Имея эти данные можно рассчитать резонансную частоту вторичной обмотки:
L = [(2πf) 2 C] -1

При использовании сферы диаметром 14см, резонансная частота катушки равна примерно 452 кГц.

Металлическая сфера или тороид

Первой попыткой было изготовление металлической сферы путем обвертывания пластикового шара фольгой. Я не смог разгладить фольгу на шаре достаточно хорошо, и решил изготовит тороид. Я сделал небольшой тороид, обмотав алюминиевой лентой гофрированную трубу, свернутую в круг. Я не смог получить очень гладкий тороид, но он работает лучше, чем сфера из-за своей формы и за счет большего размера. Для поддержки тороида под него был подложен фанерный диск.

Первичная обмотка

Первичная обмотка состоит из медных трубок диаметром 6 мм, намотанных по спирали вокруг вторичной. Внутренний диаметр обмотки 17см, внешний 29см. Первичная обмотка содержит 6 витков с расстоянием 3 мм между ними. Из-за большого расстояния между первичной и вторичной обмоткой, они могут быть слабо связаны между собой.
Первичная обмотка вместе с конденсатором является LC генератором. Необходимая индуктивность может быть рассчитана по следующей формуле:
L = [(2πf) 2 C] -1
С — емкость конденсаторов, F-резонансная частота вторичной обмотки.

Но эта формула и калькуляторы основанные на ней дают лишь приблизительное значение. Правильный размер катушки должен быть подобран экспериментально, поэтому лучше сделать её слишком большой, чем слишком маленькой. Моя катушка состоит из 6 витков и подключена на 4 витке.

Конденсаторы

Сборка из 24 конденсаторов с гасящим резистором 10МОм на каждом

Так как у меня было большое количество мелких конденсаторов, я решил собрать их в один большой. Значение конденсаторов может быть рассчитано по следующей формуле:
C = I ⁄ (2πfU)

Значение конденсатора для моего трансформатора 27.8 нФ. Фактическое значение должно быть немного больше или меньше этого, так как быстрый рост напряжения в связи с резонансом может привести к поломке трансформатора и / или конденсаторов. Небольшую защиту от этого обеспечивают гасящие резисторы.

Моя сборка конденсаторов состоит из трех сборок с 24 конденсаторами в каждой. Напряжение в каждой сборке 6600 В, общая ёмкость всех сборок 41.3нФ.

Каждый конденсатор имеет свой 10 МОм гасящий резистор. Это важно, так как отдельные конденсаторы могут сохранять заряд в течение очень долгого времени после того, как питание было отключено. Как видно из рисунка ниже, номинальное напряжение конденсатора является слишком низким, даже для 4 кВ трансформатора. Чтобы хорошо и безопасно работать оно должно быть по крайней мере, 8 или 12 кВ.

Разрядник

Мой разрядник это просто два винта с металлическим шариком в середине.
Расстояние регулируется таким образом, что разрядник будет искрить только тогда, когда он является единственным подключенным к трансформатору. Увеличение расстояния между ними теоретически может увеличить длину искры, но есть риск разрушения трансформатора. Для большей катушки необходимо строить разрядник с воздушным охлаждением.

Характеристики

Колебательный контур
Трансформатор NST 4кВ 35мА
Конденсатор 3 × 24 275VAC 0.33μF
Разрядник: два шурупа и металлический шар

Первичная обмотка
Внутренний диаметр 17см
Диаметр трубки обмотки 6 мм
Расстояние между витками 3 мм
Длина трубки первичной обмотки 5м
Витки 6

Вторичная обмотка
Диаметр 7,5 см
Высота 37 см
Проволока 0.3мм
Длина провода около 209m
Витки: около 900

Из этой статьи вы узнаете, как сделать своими руками катушку Тесла на транзисторах средних размеров.

Шаг 1: Опасно!

В отличие от других экспериментов с высоким напряжением, катушки Теслы могут быть очень опасными. Если вас ударит током от стримеров, вы не почувствуете боли, но ваше кровообращение и нервная система могут серьезно пострадать. Не касайтесь их ни при каких обстоятельствах!

Кроме того, я не несу ответственности за причиненный ущерб вашему здоровью.

Это не означает, что вы не должны работать с высоким напряжением, хотя, если это ваш первый высоковольтный проект, лучше начать со схем хорошего трансформатора микроволновой печи и не рисковать здоровьем!

Шаг 2: Необходимые материалы

Показать еще 4 изображения

Общая стоимость сборки в домашних условиях составила около 1500 рублей, поскольку у меня уже были древесина, бутылки, ПВХ и клей.

Вторичная катушка:

Труба ПВХ 38мм (чем длиньше, тем лучше)
Около 90 метров 0.5мм медного провода
4 см ПВХ-винт (см. Рисунок)
5 см металлический фланец с резьбой
Эмаль в баллончике
Круглый, гладкий металлический предмет для разрядки

Основание:

Различные куски дерева
Длинные болты, гайки и шайбы

Первичная катушка:

Около 3м тонкой медной трубки

Конденсаторы:

6 стеклянных бутылок
Столовая соль
Масло (я использовал рапсовое. Минеральное масло предпочтительнее, поскольку оно не плесневеет, но у меня его не было).
Много алюминиевой фольги
Источник питания с высоким напряжением, например неоновый, масляный или другой трансформатор, который выдает не менее 9 кВ около 30 мА.

Шаг 3: Вторичная катушка

Зафиксируйте трубу, чтобы обернуть вокруг один конец провода. Медленно и осторожно начинайте обматывать катушку, следя за тем, чтобы вы не наслаивали провода и не оставляли пробелов. Этот шаг — самая сложная и утомительная часть, но потратив много времени, вы получите отличную катушку. Примерно через каждые 20 витков наматывайте кольцо из маскирующей ленты вокруг катушки, чтобы катушка не распуталась. По завершении зафиксируйте плотной лентой обе стороны катушки и нанесите 2-3 слоя эмали.

Подсказки:

Я построил установку для намотки моей катушки, которая состояла из мотора от микроволновки (3 об / мин) и шарикового подшипника.
Используйте небольшой кусок дерева с выемкой (как на рисунке), чтобы выпрямить провод и затянуть катушку.

Шаг 4: Подготовка основания и намотка первичной катушки

Выровняйте металлическую подставку по центру основания и просверлите отверстия для болтов. Прикрутите болты вверх ногами. Это позволит вам разместить базу для первичной обмотки поверх нее. Затем наденьте на болты основание. Возьмите медную трубку и скрутите её в форму конуса (а не так, как показано на рисунках). Затем установите получившуюся спираль на основание.

Дополнительно было добавлено 2 опоры, на которые я надел обмотку.

Забыл добавить, как сделать разрядник! Это всего лишь два болта в деревянном ящике, и они могут настраиваться и т.д. (См. последнее фото)

Шаг 5: Конденсаторы

Я решил пойти по более дешевому пути и построить конденсаторы самому. Самый простой способ — создать конденсаторы, используя соленую воду, масло и алюминиевую фольгу. Оберните бутылку в фольгу и заполните ее водой. Попытайтесь сделать одинаковое количество воды в каждой бутылке, так как это поможет сохранить стабильную мощность.

Максимальное количество соли, которую вы можете положить в воду, составляет 0,359 г / мл, но в итоге получается много соли, поэтому вы можете значительно уменьшить количество (я использовал 5 граммов на бутылку). Просто убедитесь, что вы используете одинаковое количество соли и воды в каждой бутылке. Теперь понемногу налейте несколько мл масла в бутылку. Пробейте отверстие в верхней части крышки и вставьте в него длинный провод. У вас теперь есть один полностью функционирующий конденсатор, сделайте еще 5 таких же.

Дополнительно: чтобы установить бутылки в верном порядке, найдите какой-нибудь металлический ящик.

Если вы используете неоновый трансформатор, 6 бутылок будет недостаточно. Сделайте 8-12.

Шаг 6: Соединяем все элементы

Подключите все по приложенной схеме. Земля вторичной обмотки не может быть заземлена с землей первичной обмотки, иначе ваша квартира сгорит.

Характеристики моих катушек:

599 витков на вторичной
6.5 витков на первичной

Шаг 7: Запуск!

Вынесите мини катушку Тесла на улицу для первого запуска, так как на самом деле небезопасно запускать что-либо настолько мощное в доме. Поверните переключатель и наслаждайтесь световым шоу! Мой неоновый трансформатор на 9кВ и 30 мА, заставляет катушку выдавать 15-сантиметровые искры. См. Ниже:

Есть несколько вещей, которые, как я понял, я должен изменить в устройстве катушки Тесла. В первую очередь нужно переделать первичную обмотку. Она должна быть обмотана более плотно и с большим количеством витков. Кроме того, я хочу собрать разрядник получше. У меня в планах уже есть новая катушка и она будет около двух метров в высоту!

Никола Тесла по истине гениальный изобретатель всех времен. Он практически создал весь современный мир. Без его изобретений мы бы долго не знали о электрическом токе того, что знаем сейчас.
Одним из ярких и удивительных изобретений Тесла является его катушка или трансформатор. Который как нельзя лучше демонстрирует передачу энергии на расстоянии.
Чтобы провести эксперименты, порадовать и удивить друзей, вы дома можете собрать простой, но вполне работающий прототип. Для этого не понадобиться большое количество дефицитных деталей и много времени.

Для изготовления Катушки Тесла вам понадобиться:

Банка от CD дисков.
Кусок полипропиленовой трубки.
Переключатель.
Транзистор 2n2222 (можно отечественные типа кт815, кт817, кт805 и т.п.).
Резистор 20-60 КОм.
Провода.
Проволока 0,08-0,3 мм.
Батарейка 9 В или другой источник 6-15В.

Инструменты: нож канцелярский, пистолет с горячим клеем, шило, ножницы и может другой инструмент, который есть почти в каждом доме.

Изготовление катушки Тесла своими руками

Первым делом нам необходимо отрезать кусок полипропиленовой трубки длинной примерно 12-20 сантиметров. Диаметр трубы любой, берите какой есть под рукой.

Возьмем тонкую проволоку. Зафиксируем изолентой один конец и начинаем наматывать плотно, виток к витку, пока не закроем всю трубку, оставив 1 сантиметров от края. Как намотаем зафиксируем второй конец проволоки тоже изолентой. Можно горячим клеем, но в этом случае придется немного подождать.

Берем футляр от дисков и делаем три отверстия под проволоку. Смотрите фото.

Вырезаем паз под выключатель с помощью которого будем включать и выключать нашу катушку Тесла.

Чтобы смотрелось получше я покрасил коробку аэрозольной краской.

Вставляем переключатель. Приклеиваем катушку, намотанную на трубке, горячим клеем в середину банки.

Нижний конец проволоки пропускаем через отверстие.

Берем провод потолще. Из него сделаем силовую катушку.

Обматываем вокруг трубки с проволокой. Делаем не вплотную, на некотором расстоянии. Катушка 4-5 витком.

Оба конца, получившейся катушки, пропускаем в отверстия.
Далее собираем схему:

Транзистор я приклеил на горячий глей к крышке от газировки, которую предварительно приклеил так же на горячий клей. Да вообще все элементы, включая провода и батарейку фиксируем этим клеем.

Далее делаем электрод. Берем мячик от пинг-понга, гольфа или другой небольшой шарик и оборачиваем его алюминиевой фольгой. Излишки отрезаем ножницами.

Содержание:

Заметный импульс в развитии электротехники приходится на первые годы ХХ века, в это время общество и промышленность оценивали инновационные предложения от изобретателей. По мнению специалистов, многие идеи могут развиваться еще несколько десятков и даже сотню лет. Много секретов хранит история, в том числе инновационные идеи и проекты Николы Теслы - это имя стало загадкой для многих поколений людей.

Одно из известных изобретений Теслы - это созданный им трансформатор, чаще его описывают как катушку Теслы (КТ). Демонстрация его работы никого не оставляет равнодушным, можно визуально увидеть электрические разряды, которые могут иметь большие значения. Простота конструкции и получаемый результат всегда вызывают желание сделать подобную катушку самостоятельно.

Резонансный трансформатор Теслы, который в демонстрационном режиме может показать, какими манипуляциями с электричеством и какими методиками на тот период времени владел изобретатель, до настоящего момента ставит традиционную науку в тупик.

Катушка Николы Теслы - это аппарат, с помощью которого получают токи высокой частоты. Реализовывается при помощи первичной и вторичной обмотки, но первичная обмотка получает питание на частоте резонанса вторичной обмотки, при этом напряжение на выходе возрастает в десятки раз.

Тесла в 1896 году запатентовал данное изобретение, которое состоит из следующих элементов:

обмотка первичная из медного провода сечением не меньше 6 миллиметров квадратных, которая выполнена в виде 6–7 витков;
обмотка вторичная, она реализуется на диэлектрик проводом 0,3 миллиметра квадратных и до 800–1000 витков;
разрядное устройство;
емкость (конденсатор);
элемент излучения искры.

Основное отличие КТ от всех других трансформаторов в том, что Никола Тесла в своем изобретении не применял для сердечника ферритовые сплавы, и мощность получаемого устройства зависит только от электрической проницаемости воздуха. Смысл идеи - это создание колебательного контура, который можно сделать, используя несколько методик:

с помощью частотных колебаний - это генератор, реализованный на разрядном элементе;
при помощи ламп - генератор колебаний;
используя элементы радиотехники - транзисторы.

Цель изобретения

По мнению специалистов, Тесла изобретал трансформатор для решения глобального вопроса передачи электрической энергии из одного пункта в другой без применения проводов. Для того чтобы получилась задуманная изобретателем передача энергии при помощи эфира, необходимо на двух удаленных точках иметь по одному мощному трансформатору, которые работали бы на одной частоте в резонансе.

Если проект реализовать, тогда не понадобятся гидроэлектростанции, мощные ЛЭП, наличие кабельных линий, что, конечно, противоречит монопольному владению электрической энергией разными компаниями. С проектом Николы Теслы каждый гражданин общества мог бесплатно воспользоваться электричеством в нужный момент в любом месте, где бы он ни находился. С точки зрения бизнеса эта система нерентабельна, так как она не окупится, ведь электричество становится бесплатным, именно по этой причине патент №645576 до сих пор ожидает своих инвесторов.

Как работает катушка Теслы

Для лучшего понимания работы резонансного трансформатора специалисты рекомендуют посмотреть на его работу, так как простая схема катушки предназначается для создания стримера. Другими словами, происходит потеря энергии, которая переходит на конденсатор, если его подключить, а без него из конца высоковольтной обмотки вылетает фиолетового цвета искра (стример). Вокруг появившегося стримера возникает поле, в которое можно поместить люминесцентную лампу, и она будет светиться, не подключенная визуально ни к какому источнику электрической энергии.

Когда не используется конденсатор, лампа светится ярче, некоторые специалисты устройство Теслы называют игрушкой с захватывающими визуальными эффектами. Всегда возникает желание сделать такой прибор самостоятельно, в нем реализовываются разные физические эффекты при помощи двух обмоток. На первичную обмотку подается переменное напряжение, она создает поток, при помощи которого энергия переходит на вторичную обмотку. По такому же принципу работает большинство трансформаторов.

Основные качественные характеристики КТ:

частота во вторичном контуре;
коэффициент передачи обеих обмоток;
добротность.

Принцип работы простыми словами

Принцип работы катушки Теслы лучше понять, если всю работу устройства сравнить с качелями - так можно подойти к объяснению накапливания энергии, когда человек, он же оператор, представляется первичной катушкой, а ход качели - электротоком в обмотке №2. Высота подъема есть разность потенциалов.

В этом примере оператор начинает раскачивать качели, иными словами, передавать энергию. За пару качков качели поднимаются высоко, это соответствует большой разности потенциалов, наступает момент переизбытка энергии, и в результате этого появляется фиолетовый стример.

Оператор должен раскачивать качели с определенным тактом, который задается частотой резонанса, иными словами, количеством колебаний в одну секунду. Траектория движения качелей имеет длину - это коэффициент связи. Когда раскачиваем качели на длину руки и быстро, он равняется единице. Катушка Теслы - это тот же трансформатор, имеющий повышенный коэффициент передачи.

Когда оператор раскачивает качели, не удерживая их рукой, это можно ассоциировать с малыми связями - чем дольше раскачивать, тем дальше они уходят. Для быстрого накопления энергии коэффициент связи должен быть большой, но на выходе уменьшается разность потенциалов.

Качественную характеристику добротности можно ассоциировать с трением качелей. Зависимость прямая: при большом трении добротность - незначительная величина. Наивысшее значение добротности будет в самой высокой точке раскачивания, когда появляется наиболее высокое значение стримера.

Основные виды

Катушка Николы Теслы изначально имела одно исполнение - с разрядником, но со временем элементная база расширилась, появилось много видов реализации идеи великого изобретателя, и все они называются катушками его имени. Их представляют в аббревиатуре, в английской редакции.

Схема трансформатора Теслы с разрядником - это начальная конструкция, которая обладает незначительной мощностью, если используются два провода. Для большей мощности применяется вращающийся разрядник для мощного стримера.

Катушка трансформатора Теслы, реализованного на радиолампе - это схема, работающая без сбоев, показывающая мощные стримеры, которые применяются для высоких частот.

Простые в управлении катушки, но по принципу работы такие же, как трансформатор Теслы, реализованы при помощи транзисторов. Есть много вариантов таких катушек:

Сложные для настройки с применением полупроводниковых ключей две резонансные катушки, с небольшой длиной фиолетового стримера, по сравнению с разрядником, характеризуются плохой управляемостью:

Для улучшения управляемости КТ были сделаны прерыватели, с их помощью тормозился процесс, и появлялось время на зарядку емкостных накопителей (конденсаторов). Таким решением удлиняется длина разряда.

Элементы в разных конструкциях

Специалисты для самостоятельного создания КТ сделали базу общих элементов, которые могут применяться в разных реализациях резонансного трансформатора:

Тороид, имеющий три основных опции:

снижение резонанса;
накопление величины заряда: когда тороид большой, энергии больше;
организовывается поле статического электричества, которое отталкивается от вторичной обмотки. Сама опция реализуется вторичной обмоткой, но тороид помогает ей в этом, поле отталкивает стример, не дает пробить ему по второй обмотке.

Применять тороид лучше в катушках с прерывателем, в которых происходит накачивание импульсивно. Рекомендуется соблюдение условия: значение диаметра тороида должно быть в два раза выше значения диаметра вторичной обмотки. Изготавливается тороид из гофры или аналогичных ей материалов.

Тороид на схеме:

Основная составляющая всей конструкции - вторичная катушка (обмотка), она должна быть в диаметре больше первичной в пять раз. Провод берется с таким сечением, чтобы вошло в обмотку не меньше 900–1000 витков, плотно намотанных, с лаковым покрытием.
Из ПВХ-материала, который применяется в быту для сантехники, изготавливается каркас.
Защитное кольцо, функциональное назначение которого - оградить первичную обмотку от попадания в нее стримера.
Обмотка первичная, обычно ее изготавливают из конденсаторной, медной трубки, провод должен иметь большое сечение.
Коэффициент связи влияет на расстояние между обмотками: чем дальше, тем меньше связь.
Реализация заземления, для того чтобы стримеры били в него и замыкали ток. При плохом заземлении стример может бить в катушку.

Как изготовить катушку самостоятельно

Для домашней реализации КТ может применяться любой вариант элементов, необходимо помнить об основном принципе ее работы:

надо сделать первичную и вторичную обмотку;
к первичной обмотке подается переменное напряжение;
возникает магнитное поле, которое будет передавать электрическую энергию на вторичную обмотку;
вторичная обмотка создает колебательный контур, в задачу которого входит накапливание энергии, которая будет храниться контуром некоторое время.

Для намотки вторичной обмотки понадобится:

двухдюймовая труба;
провод длиной 100 метров, с эмалированным покрытием;
фитинг из ПВХ-материала двухдюймовый;
болты и гайки, шайбы в ассортименте;
медная трубка длиной в 3 метра.

Чтобы изготовить конденсатор самостоятельно, нужны следующие детали:

стеклянные бутылки, несколько штук;
каменная соль;
фольга;
специальное масло.

Порядок выполнения работ следующий:

Наматываем вторичную обмотку, для этого один конец заготовленного провода крепим в верхней части двухдюймовой трубы, начинаем намотку, не допускаем пересечения провода. Намотка вторичной обмотки проводится плотно. Для фиксации катушки применяем малярный скотч, который мотается через 20 витков.
Полученную обмотку плотно фиксируем скотчем и покрываем эмаль краской.
Для облегчения намотки можно сделать простое приспособление, проволоку направлять через деревянный брусок:

Изготавливаем первичную обмотку. Для ее намотки делаем приспособление из металлического фланца, установленного в центр доски и закрепленного болтами с гайками. Медную трубу превращаем в спираль, разрезая ее таким образом, чтобы при ее растяжении образовался конус.
Делаем разрядник, для этого понадобится два болта и деревянная коробка.
Изготавливаем конденсаторы, для этого в подготовленную бутылку наливаем соленую воду, верх ее обматываем фольгой, через нее пропускаем в бутылку металлическую проволоку.
Соединяем провода, как указано на схеме ниже, обязательно выполняем заземление.

На первичной обмотке получается по схеме 7 витков, на вторичной - 600.

Вывод

Изготовить трансформатор Теслы своими руками, применяя навыки электротехники, не так сложно, но рекомендуется делать предварительный расчет, так как может получиться большое устройство, и искры будут значительно нагревать пространство, а также создавать звук громового разряда. Надо учитывать и влияние создаваемого поля на рядом находящиеся электрические устройства.

Рекомендуется сделать простой расчет дуги, ее длины и мощности. Для этого берем расстояние между электродами (сантиметры) и делим его на коэффициент 4,25, затем полученное значение возводим в квадрат - это и будет мощностью дуги. Расстояние определяем следующим образом: берем полученную мощность и извлекаем из нее корень квадратный, затем умножаем на коэффициент 4,25. Длина дуги разряда в 150 сантиметров будет иметь мощность 1246 ватт. Обмотка мощностью в 1000 ватт дает длину разряда в 137 сантиметров.

Катушка Тесла представляет собой высокочастотный резонансный трансформатор без ферромагнитного сердечника, с помощью которого можно получить высокое напряжение на вторичной обмотке. Под действием высокого напряжения в воздухе происходит электрический пробой, подобно разряду молнии. Устройство изобретено Николой Теслой, и носит его имя.

По типу коммутирующего элемента первичного контура, катушки Тесла подразделяются на искровые (SGTC – Spark gap Tesla coil), транзисторные (SSTC – Solid state Tesla coil, DRSSTC – Dual resonant solid state Tesla coil). Я буду рассматривать только искровые катушки, являющиеся самыми простыми и распространенными. По способу заряда контурного конденсатора, искровые катушки делятся на 2 типа: ACSGTC – Spark gap Tesla coil, а также DCSGTC – Spark gap Tesla coil. В первом варианте, заряд конденсатора осуществляется переменным напряжением, во втором используется резонансный заряд с подведением постоянного напряжения.

Сама катушка представляет собой конструкцию из двух обмоток и тора. Вторичная обмотка цилиндрическая, наматывается на диэлектрической трубе медным обмоточным проводом, в один слой виток к витку, и имеет обычно 500-1500 витков. Оптимальное соотношение диаметра и длины обмотки равно 1:3,5 – 1:6. Для увеличения электрической и механической прочности, обмотку покрывают эпоксидным клеем или полиуретановым лаком. Обычно размеры вторичной обмотки определяют исходя из мощности источника питания, то есть высоковольтного трансформатора. Определив диаметр обмотки, из оптимального соотношения находят длину. Далее подбирают диаметр обмоточного провода, так чтобы количество витков примерно равнялось общепринятому значению. В качестве диэлектрической трубы обычно применяют канализационные пластиковые трубы, но можно изготовить и самодельную трубу, при помощи листов чертежного ватмана и эпоксидного клея. Здесь и далее речь идет о средних катушках, мощностью от 1 кВт и диаметром вторичной обмотки от 10 см.

На верхний конец трубы вторичной обмотки устанавливают полый проводящий тор, обычно выполненный из алюминиевой гофрированной трубы для отвода горячих газов. В основном диаметр трубы подбирают равным диаметру вторичной обмотки. Диаметр тора обычно составляет 0,5-0,9 от длины вторичной обмотки. Тор имеет электрическую емкость, которая определяется его геометрическими размерами, и выступает в роли конденсатора.

Первичная обмотка располагается у нижнего основания вторичной обмотки, и имеет спиральную плоскую или коническую форму. Обычно состоит из 5-20 витков толстого медного или алюминиевого провода. В обмотке протекают высокочастотные токи, вследствие чего скин-эффект может иметь значительное влияние. Из-за высокой частоты ток распределяется преимущественно в поверхностном слое проводника, тем самым уменьшается эффективная площадь поперечного сечения проводника, что приводит к увеличению активного сопротивления и уменьшению амплитуды электромагнитных колебаний. Поэтому лучшим вариантом для изготовления первичной обмотки будет полая медная трубка, или плоская широкая лента. Над первичной обмоткой по внешнему диаметру иногда устанавливают незамкнутое защитное кольцо (Strike Ring) из того же проводника, и заземляют. Кольцо предназначено для предотвращения попадания разрядов в первичную обмотку. Разрыв необходим для исключения протекания тока по кольцу, иначе магнитное поле, созданное индукционным током, будет ослаблять магнитное поле первичной и вторичной обмотки. От защитного кольца можно отказаться, если заземлить один конец первичной обмотки, при этом попадание разряда не причинит вреда компонентам катушки.

Коэффициент связи между обмотками зависит от их взаимного расположения, чем они ближе, тем больше коэффициент. Для искровых катушек типичное значение коэффициента равно K=0,1-0,3. От него зависит напряжение на вторичной обмотке, чем больше коэффициент связи, тем больше напряжение. Но увеличивать коэффициент связи выше нормы не рекомендуется, так как между обмотками начнут проскакивать разряды, повреждающие вторичную обмотку.

На схеме представлен простейший вариант катушки Тесла типа ACSGTC.
Принцип действия катушки Тесла основан на явлении резонанса двух индуктивно связанных колебательных контуров. Первичный колебательный контур состоит из конденсатора С1, первичной обмотки L1, и коммутируется разрядником, в результате чего образуется замкнутый контур. Вторичный колебательный контур образован вторичной обмоткой L2 и конденсатором С2 (тор обладающий емкостью), нижний конец обмотки обязательно заземляется. При совпадении собственной частоты первичного колебательного контура с частотой вторичного колебательного контура, происходит резкое возрастание амплитуды напряжения и тока во вторичной цепи. При достаточно высоком напряжении происходит электрический пробой воздуха в виде разряда, исходящего из тора. При этом важно понимать, что представляет собой замкнутый вторичный контур. Ток вторичного контура течет по вторичной обмотке L2 и конденсатору С2 (тор), далее по воздуху и земле (так как обмотка заземлена), замкнутый контур можно описать следующим образом: земля-обмотка-тор-разряд-земля. Таким образом, захватывающие электрические разряды представляют собой часть контурного тока. При большом сопротивлении заземления разряды, исходящие из тора будут бить прямо по вторичной обмотке, что не есть хорошо, поэтому нужно делать качественное заземление.

После того как размеры вторичной обмотки и тора определены, можно посчитать собственную частоту колебаний вторичного контура. Здесь надо учитывать, что вторичная обмотка кроме индуктивности обладает некоторой емкостью из-за немалых размеров, которую надо учитывать при расчете, емкость обмотки необходимо сложить с емкостью тора. Далее надо прикинуть параметры катушки L1и конденсатора C1первичного контура, так чтобы собственная частота первичного контура была близка к частоте вторичного контура. Емкость конденсатора первичного контура обычно составляет 25-100 нФ, исходя из этого, рассчитывают количество витков первичной обмотки, в среднем должно получиться 5-20 витков. При изготовлении обмотки необходимо увеличить количество витков, по сравнению с расчетным значением, для последующей настройки катушки в резонанс. Рассчитать все эти параметры можно по стандартным формулам из учебника физики, также в сети есть книги по расчету индуктивности различных катушек. Существуют и специальные программы калькуляторы для расчета всех параметров будущей катушки Тесла.

Настройка осуществляется путем изменения индуктивности первичной обмотки, то есть один конец обмотки подсоединен к схеме, а другой никуда не подключается. Второй контакт выполняют в виде зажима, который можно перекидывать с одного витка на другой, тем самым используется не вся обмотка, а только ее часть, соответственно меняется индуктивность, и собственная частота первичного контура. Настройку выполняют во время предварительных запусков катушки, о резонансе судят по длине выдаваемых разрядов. Существует также метод холодной настройки резонанса при помощи ВЧ генератора и осциллографа или ВЧ вольтметра, при этом катушку запускать не надо. Необходимо взять на заметку, что электрический разряд обладает емкостью, вследствие чего собственная частота вторичного контура может немного уменьшаться во время работы катушки. Заземление также может оказывать небольшое влияние на частоту вторичного контура.

Разрядник является коммутирующим элементом в первичном колебательном контуре. При электрическом пробое разрядника под действием высокого напряжения, в нем образуется дуга, которая замыкает цепь первичного контура, и в нем возникают высокочастотные затухающие колебания, в течение которых напряжение на конденсаторе С1 постепенно уменьшается. После того как дуга гаснет, контурный конденсатор С1 вновь начинает заряжаться от источника питания, при следующем пробое разрядника начинается новый цикл колебаний.

Разрядник подразделяется на два типа: статический и вращающийся. Статический разрядник представляет собой два близко расположенных электрода, расстояние между которыми регулируют так чтобы электрический пробой между ними происходил в то время, когда конденсатор С1 заряжен до наибольшего напряжения, или немного меньше максимума. Ориентировочное расстояние между электродами определяют исходя из электрической прочности воздуха, которая составляет около 3 кВ/мм при стандартных условиях окружающей среды, а также зависит от формы электродов. Для переменного сетевого напряжения, частота срабатываний статического разрядника (BPS – beats per second) составит 100Гц.

Вращающийся разрядник (RSG – Rotary spark gap) выполняется на основе электродвигателя, на вал которого насажен диск с электродами, с каждой стороны диска устанавливаются статические электроды, таким образом, при вращении диска, между статическими электродами будут пролетать все электроды диска. Расстояние между электродами делают минимальным. В таком варианте можно регулировать частоту коммутаций в широких пределах управляя электродвигателем, что дает больше возможностей по настройке и управлению катушкой. Корпус двигателя необходимо заземлить, для защиты обмотки двигателя от пробоя, при попадании высоковольтного разряда.

В качестве контурного конденсатора С1 применяют конденсаторные сборки (MMC – Multi Mini Capacitor) из последовательно и параллельно соединенных высоковольтных высокочастотных конденсаторов. Обычно применяют керамические конденсаторы типа КВИ-3, а также пленочные К78-2. В последнее время намечен переход на бумажные конденсаторы типа К75-25, которые неплохо показали себя в работе. Номинальное напряжение конденсаторной сборки для надежности должно быть в 1,5-2 раза больше амплитудного напряжения источника питания. Для защиты конденсаторов от перенапряжения (высокочастотные импульсы) устанавливают воздушный разрядник параллельно всей сборке. Разрядник может представлять собой два небольших электрода.

В качестве источника питания для зарядки конденсаторов используется высоковольтный трансформатор Т1, или несколько последовательно или параллельно соединенных трансформаторов. В основном начинающие тесластроители используют трансформатор из микроволновой печи (MOT – Microwave Oven Transformer), выходное переменное напряжение которого составляет ~2,2 кВ, мощность около 800 Вт. В зависимости от номинального напряжения контурного конденсатора, МОТы соединяют последовательно от 2 до 4 штук. Применение только одного трансформатора не целесообразно, так как из-за небольшого выходного напряжения зазор в разряднике будет очень малым, итогом будут нестабильные результаты работы катушки. Моты имеют недостатки в виде слабой электропрочности, не рассчитаны для работы в длительном режиме, сильно греются при большой нагрузке, поэтому часто выходят из строя. Более разумно использовать специальные масляные трансформаторы типа ОМ, ОМП, ОМГ, которые имеют выходное напряжение 6,3 кВ, 10 кВ, и мощность 4 кВт, 10 кВт. Можно также изготовить самодельный высоковольтный трансформатор. При работе с высоковольтными трансформаторами не следует забывать о технике безопасности, высокое напряжение опасно для жизни, корпус трансформатора необходимо заземлить. При необходимости последовательно с первичной обмоткой трансформатора можно установить автотрансформатор, для регулировки напряжения зарядки контурного конденсатора. Мощность автотрансформатора должна быть не меньше мощности трансформатора T1.

Дроссель Lд в цепи питания необходим для ограничения тока короткого замыкания трансформатора при пробое разрядника. Чаще всего дроссель находится в цепи вторичной обмотки трансформатора T1. Вследствие высокого напряжения, необходимая индуктивность дросселя может принимать большие значения от единиц до десятков Генри. В таком варианте он должен обладать достаточной электропрочностью. С таким же успехом дроссель можно установить последовательно с первичной обмоткой трансформатора, соответственно здесь не требуется высокая электропрочность, необходимая индуктивность на порядок ниже, и составляет десятки, сотни миллигенри. Диаметр обмоточного провода должен быть не меньше диаметра провода первичной обмотки трансформатора. Индуктивность дросселя рассчитывают из формулы зависимости индуктивного сопротивления от частоты переменного тока.

Фильтр низких частот (ФНЧ) предназначен для исключения проникновения высокочастотных импульсов первичного контура в цепь дросселя и вторичной обмотки трансформатора, то есть для их защиты. Фильтр может быть Г-образным или П-образным. Частоту среза фильтра выбирают на порядок меньше резонансной частоты колебательных контуров катушки, но при этом частота среза должна быть намного больше частоты срабатывания разрядника.

При резонансном заряде контурного конденсатора (тип катушки – DCSGTC), используют постоянное напряжение, в отличии от ACSGTC. Напряжение вторичной обмотки трансформатора T1 выпрямляют с помощью диодного моста и сглаживают конденсатором Св. Емкость конденсатора должна быть на порядок больше емкости контурного конденсатора С1, для уменьшения пульсаций постоянного напряжения. Величина емкости обычно составляет 1-5 мкФ, номинальное напряжение для надежности выбирают в 1,5-2 раза больше амплитудного выпрямленного напряжения. Вместо одного конденсатора можно использовать конденсаторные сборки, желательно не забывая про выравнивающие резисторы при последовательном соединении нескольких конденсаторов.

В качестве диодов моста применяют последовательно соединенные высоковольтные диодные столбы типа КЦ201 и др. Номинальный ток диодных столбов должен быть больше номинального тока вторичной обмотки трансформатора. Обратное напряжение диодных столбов зависит от схемы выпрямления, по соображениям надежности обратное напряжение диодов должно быть в 2 раза больше амплитудного значения напряжения. Возможно изготовление самодельных диодных столбов путем последовательного соединения обычных выпрямительных диодов (например 1N5408, Uобр = 1000 В, Iном = 3 А), с применением выравнивающих резисторов.
Вместо стандартной схемы выпрямления и сглаживания можно собрать удвоитель напряжения из двух диодных столбов и двух конденсаторов.

Принцип работы схемы резонансного заряда основан на явлении самоиндукции дросселя Lд, а также применения диода отсечки VDо. В момент времени, когда конденсатор C1 разряжен, через дроссель начинает течь ток, возрастая по синусоидальному закону, при этом в дросселе накапливается энергия в виде магнитного поля, а конденсатор при этом заряжается, накапливая энергию в виде электрического поля. Напряжение на конденсаторе возрастает до напряжения источника питания, при этом через дроссель течет максимальный ток, и падение напряжения на нем равно нулю. При этом ток не может прекратиться мгновенно, и продолжает течь в том же направлении из-за наличия самоиндукции дросселя. Зарядка конденсатора продолжается до удвоенного значения напряжения источника питания. Диод отсечки необходим для предотвращения перетекания энергии от конденсатора обратно в источник питания, так как между конденсатором и источником питания появляется разность потенциалов равная напряжению источника питания. На самом деле напряжение на конденсаторе не достигает удвоенного значения, из-за наличия падения напряжения на диодном столбе.

Применение резонансного заряда позволяет более эффективно и равномерно передавать энергию на первичный контур, при этом для получения одинакового результата (по длине разряда), для DCSGTC требуется меньшая мощность источника питания (трансформатор Т1), чем для ACSGTC. Разряды приобретают характерный плавный изгиб, вследствие стабильного питающего напряжения, в отличии от ACSGTC, где очередное сближение электродов в RSG может приходиться по времени на любой участок синусоидального напряжения, включая попадание на нулевое или низкое напряжение и как следствие переменная длина разряда (рваный разряд).

Ниже на картинке представлены формулы для расчета параметров катушки Тесла:

Предлагаю ознакомиться с моим опытом постройки .