Строим трансформатор теслы на дому. Небольшая катушка тесла своими руками

Катушка Тесла – плоская спираль, обладающая наравне с индуктивностью большой собственной ёмкостью. Патент на изобретение подан в январе 1894 года. Автором, естественно, стал Никола Тесла. Под этим названием массово известен трансформатор, принцип действия прибора основывается на колебательных контурах.

Война токов

Сегодня это читается, как научный роман, но на стыке XIX и XX века действительно велась война токов. Все началось, когда за наладку работы генератора в Европе компания не заплатила молодому Тесла ни копейки. Хотя награда обещалась солидная. Недолго думая, Тесла покидает родину и плывёт в США. На пути исследователя преследуют неудачи, в итоге путешествие окончилось благополучно. Взять эпизод, когда в дороге теряются все деньги. Отказаться? Нет!

Тесла чудом пробирается на корабль и половину пути находится под эгидой капитана корабля, подкармливающего путешественника в собственной столовой. Отношения чуть охладились, когда молодой Тесла оказался замечен в центре возникшей на палубе потасовки, где раздавал с правой и левой, благодаря внушительному росту (при малом весе). В результате Тесла прибыл на берег и в первый день умудрился помочь с починкой генератора местному торговцу, заработав небольшое вознаграждение.

Имея на руках рекомендательные письма, Никола идёт устраиваться в компанию, где работает денно и нощно, проводя время сна на лежанке в лаборатории. Эдисон сыграл плохую шутку с молодым будущим визави: пообещал солидную награду за улучшения в работе электрического оборудования. Сложность быстро решилась, а изобретатель резьбы для цоколя лампочки сослался на коммерческий розыгрыш. Тесла уже мысленно распределил обещанную награду на проведение опытов, и шутка не вызвала у изобретателя тёплого душевного отклика. Молодой иммигрант покидает компанию с целью создать собственную.

Одновременно Тесла лелеет идеи на предмет борьбы с любителем розыгрышей. Во время прогулки с другом вдруг понимает, как реализовать теорию вращающегося поля Араго: требуется две фазы переменного тока. На момент 80-х годов XIX века идея считалась поистине революционной. Прежде двигатели, лампочки накала (в стадии совершенствования) и большинство лабораторных опытов обходились постоянным током. Так делал Георг Ом.

Тесла берет патент на двухфазный двигатель и заявляет, что возможны и сложные системы. Идеи заинтересовывают Вестингауза, начинается долгая история о правоте. Эдисон, как обычно, не скупился в средствах. Ходят истории, что он брал генератор переменного тока и истязал им до смерти животных. Якобы электрический стул придуман Эдисоном в соавторстве с неизвестным. Причём первый конструктор случайно или намеренно допустил ошибку, да так, что осуждённый мучился долгое время, в довершение буквально взорвался, выплеснув наружу внутренние органы.

Второго бедолагу адвокатам Вестингауза удалось спасти, заменив казнь на пожизненное заключение. Спасение не остановило Эдисона, вознамерившегося к стулу изобрести вдобавок и стол. Тесла постарался продемонстрировать ответный ход, выдвинув ряд аргументов:

Предприимчивые американские дельцы даже карты игральные выпустили, где фигурировала упомянутая война токов. К примеру, на изображении джокера размещена известная башня Ворденклиф, на строение ориентировались писатели-фантасты, режиссёры аналогичного толка кинокартин. Исторические факты уточняют, насколько напряжённой оказалась борьба – причина блеска изобретательского гения. Свитая из 50 витков толстого кабеля катушка Тесла конструктивно входила в состав башни Ворденклифа…

Конструкция катушки Тесла

Это потрясающая возможность, особым образом уложив витки медного провода, экономить на конденсаторных блоках. Если читатели в теме, то слышали про корректоры фазы для снижения трат на электроэнергию. Это конденсаторные блоки, компенсирующие индуктивное сопротивление потребителя. Особенно актуально для трансформаторов и двигателей. Лишние траты показывает лишь счётчик реактивной мощности. Это мнимая энергия, полезной работы у потребителя не выполняющая. Циркулируя туда и сюда, разогревает активные сопротивления проводников. В местности, где ведётся учёт полной мощности (к примеру, предприятия) это ощутимо увеличивает счета на оплату поставщикам электроэнергии.

Теперь несложно понять, как изобретение Тесла планировалось использовать в промышленности. Изобретатель в патенте US 512340 приводит две схожие конструкции катушки:

• На первом чертеже представлена плоская спираль. Один вывод катушки Тесла находится на периферии, второй берётся из середины. Конструкция проста в работе. При разнице потенциалов между выводами в 100 В и количестве витков в тысячу, в среднем, между соседними точками спирали падает 0,1 В. Для вычисления цифры делим 100 на 1000. Собственная ёмкость пропорциональна квадрату 0,1 и не окажется слишком большой.
• Тогда Тесла предлагает взглянуть на второй чертёж, где представлена катушка бифилярная. Это плоская спираль, но два провода вьются рядом. Причём концы второго контура закорочены и соединены с выводом первого. Получается, что альтернативная нить по длине обнаруживает одинаковый потенциал. Если представить, что к конструкции приложено 100 В, результат изменится. Действительно, теперь поблизости идут провода двух разных нитей, причём на единственной по длине — исключительно нуль. В результате, в среднем, разница потенциалов составляет 50 В, а собственная ёмкость катушки Тесла больше, нежели у предыдущей схемы, в 250000 раз. Это значительная разница, и очевидно, возможно найти выгодные параметры сети. К примеру, Тесла работал на частотах 200 — 300 кГц.

Изобретатель указывает, что испробовал различные формы и конфигурации. В смысле полезности квадрат не отличается от представленного на рисунках круга или прямоугольника. Форму волен выбирать конструктор. Катушки Тесла не находят сегодня массового применения. Изобретателю воспротивились предприниматели. Неизвестен разговор, произошедший между бизнесменами и Эдисоном, но, числясь акционерами новой ГЭС, магнаты прослышали, что башня Ворденклифа, построенная на удобном месте, способна стать первой пташкой в передаче энергии на расстояния без проводов.

Спонсор строительства был хозяином медных заводов и хотел просто продавать металл. Беспроводной метод передачи энергии невыгоден. Если бы Дж. П. Морган знал, что сегодня большая часть кабелей изготавливается из алюминия, возможно, отнёсся бы иначе, но вышло, что Никола Тесла достраивал башню в гордом одиночестве, и конструкция не приняла предполагаемого размаха.

По второй версии Никола Тесла задумал создавать энергию из воздуха, о чем судачат на Ютуб. Некий изобретатель доказывает, что в сердцевину магнита, на равном удалении от полюсов втягивается энергия эфира, и требуется уметь преобразовать её в электричество. Изложена кратко идея Теслы. Мастер-самоучка, осмелившийся на выставке представить генератор свободной энергии на 13 кВт, исчез в неизвестном направлении заодно с семьёй. Подобные факты наводят на мысль, что у башни Ворденклифа оказалось гораздо больше противников, чем принято думать.

По замыслу Тесла предвиделось 30 фабрик в мире. Они производили бы и принимали энергию, вели широкое вещание. По-видимому, посчитали, что это станет крахом местной экономики, хотя двигатели Бедини и сегодня строят, используя теории Тесал. Итак, катушки лежали в основе передающих и приёмных устройств: конструкция идентичная. Но сегодня эти любопытные изобретения надёжно забыты, если не считать микрополосковых технологий, где встречаются квадратные и круглые спирали-индуктивности аналогичного толка.

Трансформатор Тесла

Выше сказано, что в основе передающих устройств лежали катушки Тесла, допустимо назвать резонансными трансформаторами. Посредством трансформаторной связи на катушку Тесла закачивается высокий потенциал. Заряд идёт до пробоя разрядника, потом начинаются колебания на резонансной частоте. Если одна трансформаторная связь через катушку с большим количеством витков передаёт высокое напряжение на излучатель или разрядник.

Любой волен убедиться, что конструкция башни Ворденклиф напоминает гриб, но в основании лежит плоская катушка Тесла. В качестве излучателя применяется больших объёмов тор, обладающий ёмкостным сопротивлением. В современном виде промежуточный контур содержит обычные конденсаторы, настраиваемые под параметры «бублика». Большим достоинством конструкции считается отсутствие ферромагнитных материалов.

Многие из нас восхищаются гением Николы Тесла, который еще в 19 веке сделал такие открытия, что до сих пор не всё его научное наследие исследовано и понято. Одно из его изобретений получило название катушка Тесла или трансформатор Тесла. Подробнее про неё можно прочитать . А здесь мы рассмотрим, как изготовить простую катушку Тесла в домашних условиях.

Что нужно для изготовления катушки Тесла?

Чтобы изготовить катушку Тесла дома, за своим рабочим столом или даже на кухне, нам сначала необходимо запастись всем необходимым.
Итак, предварительно мы должны найти или приобрести следующее.
Из инструментов нам потребуется:

• Паяльник
• Клеевой пистолет
• Дрель с тонким сверлом
• Ножовка
• Ножницы
• Изолента
• Маркер

Для сбора самой катушки Тесла необходимо подготовить следующее:

• Кусок толстой полипропиленовой трубы диаметром 20 мм.
• Медная проволока диаметром 0,08-0.3 мм.
• Кусок толстого провода
• Транзистор типа КТ31117Б или 2N2222A (можно КТ805, КТ815, КТ817)
• Резистор 22 кОм (можно от 20 до 60 кОм брать резисторы)
• Источник питания (Крона)
• Шарик для пинг-понга
• Кусок пищевой фольги
• Основание, на чём будет крепиться изделие - кусок доски или пластика
• Провода для соединения нашей схемы

Подготовив все необходимое приступаем у изготовлению катушки Тесла.

Инструкция по изготовлению катушки Тесла

Самым трудоёмким процессом изготовления катушки Тесла в домашних условиях будет намотка вторичной обмотки L2. Это наиболее значимый элемент в трансформаторе Тесла. И намотка — трудоемких процесс, требующий аккуратности и внимания.

Приготовим основу. Для этого нам подойдет ПВХ труба диаметром от 2-х см.

Отметим на трубе необходимую длину - примерно от 9 до 20 см. Желательно соблюдать пропорцию 4-5:1. Т.е. если у вас труба диаметром 20 мм, то её длина составит от 8 до 10 см.

Затем отпилим ножовкой по оставленной маркером метке. Срез должен быть ровным и перпендикулярным к трубе, т. к. мы затем будем приклеивать эту трубу к доске, а сверху будет приклеен шарик.

Торец трубы надо зашкурить наждачной бумагой с обеих сторон. Необходимо убрать стружку, оставшуюся от отпиливания куска трубы, а также выровнять поверхность для приклеивания её к основе.

С двух концов трубы надо просверлить по одному отверстию. Диаметр этих отверстий должен быть такой, чтобы проволока, которую мы будем использовать при намотке, свободно прошла туда. Т.е. это должны быть маленькие отверстия. Если у вас нет такого тонкого сверла, то можно пропаять трубу, используя тонкий гвоздик, нагревая его на плите.

Пропускаем конец проволоки для намотки в трубу.

Фиксируем этот конец провода с помощью клеевого пистолета. Фиксацию производим с внутренней сторона трубы.

Начинаем намотку проволоки. Для этого можно использовать медную проволоку с изоляцией диаметром от 0,08 до 0,3 мм. Намотка должна быть плотной, аккуратной. Не допускайте перехлёстов. Количество витков от 300 до 1000, в зависимости от вашей трубы и диаметра проволоки. В нашем варианте применяется проволока 0,08 мм. диаметром и 300 витков намотки.

После того, как намотка закончена, обрежьте проволоку, оставив кусок сантиметров 10.

Проденьте проволоку в отверстие и закрепите с внутренней стороны с помощью капельки клея.

Теперь надо приклеить изготовленную катушку к основе. В качестве основы можно взять небольшую доску или кусок пластика размером 15-20 см. Для приклеивания катушки надо аккуратно намазать её торец.

Затем присоединяем вторичную обмотку катушки на свое место на основе.

Затем к основе приклеиваем транзистор, выключатель и резистор. Таким образом все элементы фиксируем на доске.

Делаем катушку L1. Для этого нам потребуется толстая проволока. Диаметр — от 1 мм. и больше, в зависимости от вашей катушки. В нашем случае толщины в 1 мм. проволоки будет достаточно. Берем остаток трубы и наматываем на него 3 витка толстой проволоки в изоляции.

Потом надеваем катушку L1 на L2.

Собираем все элементы катушки Тесла по по этой схеме.

Схема простой катушки Тесла

Все элементы и провода крепим к основе с помощью клеевого пистолета. Батарейку «Крона» также приклеиваем, чтобы ничего не болталось.

Теперь нам предстоит изготовить последний элемент трансформатора Тесла - излучатель. Его можно сделать из теннисного шарика, обернутого пищевой фольгой. Для этого берем кусок фольги и просто оборачиваем в неё шарик. Обрезаем лишнее, чтобы шарик был ровно завернут в фольгу и ничего не торчало.

Присоединяем шарик в фольге к верхнему проводу катушки L2, просовывая провод внутрь фольги. Закрепляем место присоединения кусочком изоленты и приклеиваем шарик к верхушке L2.

Вот и всё! Мы изготовили катушку Тесла своими руками! Так выглядит это устройство.

Теперь осталось только проверить работоспособность изготовленного нами трансформатора Тесла. Для этого надо включить устройство, взять в руки люминесцентную лампу и поднести к катушке. Мы должны увидеть, как загорается и горит поднесенная лампа прямо в руках!

Это означает, что всё получилось и всё работает! Вы стали обладателем собственноручно изготовленной катушки Тесла. Если вдруг возникли проблемы, то проверьте напряжение на батарейке. Часто, если батарейка долго где-то лежала, она уже не работает как положено.
Но надеемся, что у вас все получилось! Можно попробовать менять количества витков на вторичной обмотки катушки L2, а также и количество витков и толщину провода на катушке L1. Источник питания может также быть различным от 6 до 15 В. для таких небольших катушкек. Пробуйте, экспериментируйте! И у вас всё получится!

Трансформатор, увеличивающий напряжение и частоту во много раз, называется трансформатором Тесла. Энергосберегающие и люминесцентные лампы, кинескопы старых телевизоров, зарядка аккумуляторов на расстоянии и многое другое создано благодаря принципу работы этого устройства. Не будем исключать его использование в развлекательных целях, ведь «трансформатор Тесла» способен создавать красивые фиолетовые разряды – стримеры, напоминающие молнию (рис. 1). В процессе работы образуется электромагнитное поле, способное воздействовать на электронные приборы и даже на организм человека, а при разрядах в воздухе происходит химический процесс с выделением озона. Чтобы сделать трансформатор Тесла своими руками, необязательно иметь широкие познания в области электроники, достаточно следовать этой статье.

Составные части и принцип работы

Все трансформаторы Тесла ввиду похожего принципа работы состоят из одинаковых блоков:

1. Источник питания.
2. Первичный контур.

Источник питания обеспечивает первичный контур напряжением необходимой величины и типа. Первичный контур создаёт колебания высокой частоты, генерирующие во вторичном контуре резонансные колебания. В результате на вторичной обмотке образуется ток большого напряжения и частоты, который стремится создать электрическую цепь через воздух - образуется стример.

От выбора первичного контура зависит тип катушки Тесла, источник питания и размер стримера. Остановимся на полупроводником типе. Он отличается простой схемой с доступными деталями, и маленьким питающим напряжением.

Подбор материалов и деталей

Произведём поиск и подбор деталей к каждому вышеперечисленному узлу конструкции:

После намотки изолируем вторичную катушку краской, лаком или другим диэлектриком. Это предотвратит попадание в неё стримера.

Терминал – дополнительная ёмкость вторичного контура, подключённая последовательно. При малых стримерах в нем нет необходимости. Достаточно вывести конец катушки на 0,5–5 см вверх.

После того, как собрали все необходимые детали для катушки Тесла, приступаем к сборке конструкции своими руками.

Конструкция и сборка

Сборку делаем по простейшей схеме на рисунке 4.

Отдельно устанавливаем источник питания. Детали можно собрать навесным монтажом, главное исключить замыкание между контактами.

При подключении транзистора важно не перепутать контакты (рис. 5).

Для этого сверяемся со схемой. Плотно прикручиваем радиатор к корпусу транзистора.

Собирайте схему на диэлектрической подложке: кусок фанеры, пластиковый поднос, деревянная коробка и др. Отделяем схему от катушек диэлектрической пластиной или доской, с миниатюрным отверстием для проводов.

Закрепляем первичную обмотку так, чтобы предотвратить падение и касание со вторичной обмоткой. В центре первичной обмотки оставляем место для вторичной катушки, с учётом того, что оптимальное расстояние между ними 1 см. Каркас использовать необязательно – достаточно надёжного крепления.

Устанавливаем и закрепляем вторичную обмотку. Делаем необходимые соединения согласно схеме. Посмотреть на работу изготовленного трансформатора Тесла можно на видео представленном ниже.

Включение, проверка и регулировка

Перед включением уберите электронные устройства подальше от места испытания, чтобы исключить их поломку. Помните об электробезопасности! Для успешного запуска по порядку выполняем следующие пункты:

1. Выставляем переменный резистор в среднее положение. При подаче питания, убеждаемся в отсутствии повреждений.
2. Визуально проверяем наличие стримера. Если он отсутствует, подносим к вторичной катушке люминесцентную лампочку или лампу накаливания. Свечение лампы подтверждает работоспособность «трансформатора Тесла» и наличие электромагнитного поля.
3. Если устройство не работает, в первую очередь меняем местами выводы первичной катушки, а уже потом проверяем транзистор на пробой.
4. При первом включении следите за температурой транзистора, при необходимости подключите дополнительное охлаждение.

Отличительной особенностью мощного трансформатора Тесла являются большое напряжение, большие габариты устройства и способ получения резонансных колебаний. Немного расскажем о том, как работает и как сделать трансформатор Тесла искрового типа.

Первичный контур работает на переменном напряжении. При включении, происходит заряд конденсатора. Как только конденсатор заряжается по максимуму, происходит пробой разрядника – устройства из двух проводников с искровым промежутком, наполненным воздухом или газом. После пробоя, образуется последовательная цепь из конденсатора и первичной катушки, называемая LC контуром. Именно этот контур создаёт высокочастотные колебания, которые создают во вторичной цепи резонансные колебания и огромное напряжение (рис. 6).

При наличии необходимых деталей, мощный трансформатор Тесла можно собрать своими руками даже в домашних условиях. Для этого достаточно внести изменения в маломощную схему:

1. Увеличить диаметры катушек и сечение провода в 1,1 – 2,5 раза.
2. Добавить терминал в форме тороида.
3. Поменять источник постоянного напряжения на переменный с высоким повышающим коэффициентом, выдающим напряжение 3–5 кВ.
4. Изменить первичный контур согласно схеме на рисунке 6.
5. Добавить надёжное заземление.

Искровые трансформаторы Тесла могут достигать мощности до 4,5 кВт, следовательно, создавать стримеры больших размеров. Наилучший эффект получается при достижении одинаковых показателей частоты обоих контуров. Реализовать это можно расчётом деталей в специальных программах – vsTesla, inca и другие. Скачать одну из русскоязычных программ можно по ссылке: http://ntesla.at.ua/_fr/1/6977608.zip .

Который изготовлен своими руками . Я надеюсь, что описанная ниже информация, станет полезной для читателей и будет использована при изготовлении различных самоделок , в основе которых лежать принципы электричества.

Шаг 1: Опасность

В отличие от других экспериментов с использованием высоковольтного напряжения, разряд от катушки может быть очень опасным. Ваша нервная система и система кровообращения может получить серьезный ущерб. Не прикасайтесь к катушке, не при каких обстоятельствах.

Если это ваш первый проект такого рода, попросите человека с опытом помочь вам и соблюдайте правила техники безопасности.

Шаг 2: Сбор материалов

Катушка вторичной обмотки:

• Пластиковая труба 38 мм в диаметре (чем длиннее, тем лучше);
• Около 90 м медного эмалированного провода диаметром 0,5 мм;
• 38 мм пластиковый переходник;
• 38 мм металлический напольный фланец с резьбой;
• Эмалевая краска в баллончике;
• Круглый, гладкий металлический предмет – клемма для разрядки заряда.

Катушка первичной обмотки:

• Около 3 м тонкой медной трубы.

Конденсаторы:

• 6 стеклянных бутылок;
• Кухонная соль;
• Масло (я использовал рапсовое);
• Алюминиевая фольга.

Блок питания высокого напряжения, который выдает около 9 кВ и 30 мА.

Шаг 3: Наматываем вторичную обмотку

Сделаем небольшое отверстие в верхней части трубы. Проденем в него один конец проволоки и обернём её вокруг трубы. Медленно и осторожно начинаем наматывать катушку, убедившись, что провода не пересекаются, и не остается пробелов. Этот шаг – самый тяжёлый и утомительный, но время будет потрачено не зря – в итоге у вас получится очень качественная катушка. Через каждые 20 витков наклеиваем липкую ленту на проволоку – она будет выступать в качестве барьера, если катушка начнёт разматываться. По завершению работы плотно обернём изоленту вокруг верхней и нижней части катушки и распылим на обмотку 2 или 3 слоя эмали.

Для намотки катушки была изготовлена самоделка , которая состоя из двигателя (3 оборота в минуту) и подшипника.

Шаг 4: Подготавливаем основу и наматываем первичную обмотку

Совместим металлическую подставку с центром нижней доски и просверлим отверстия для болтов. Установим болты «вверх ногами». Это позволит закрепить базу для первичной обмотки гайками с внешней стороны поделки . После чего прикрутим её к основе. Возьмём медную трубку и сформируем из неё перевернутый конус.

Разрядник – два болта торчащих из деревянной доски. Они регулируются, благодаря чему можно проводить настройку.

Шаг 5: Собираем конденсаторы

Вместо того, чтобы покупать конденсаторы, сделаем их своими руками . Для этого нам понадобится соленая вода, масло и алюминиевая фольга. Обернём бутылку фольгой и заполним её водой. Постарайтесь налить равное количество воды в каждую бутылку, так как одинаковый объем поможет сохранить стабильную выходную мощность. Максимальное количество соли, что вы можете разбавить в воде 0,359 г / мл (однако всё расчёты заканчивались тем, что получался сильный соляной раствор, поэтому уменьшил количество до 5 грамм). Убедитесь, что вы используете «правильное» количество соли на объём воды. Теперь влейте по несколько мл масла в бутылку. Пробейте отверстие в крышке и протяните в него длинный провод. Теперь у вас есть один полностью функционирующий конденсатор, нужно сделать еще 5.

Дополнительно, чтобы держать бутылки вместе, сделайте или найдите ящик для них.

Если вы используете БП 15 кВ 30 мА, необходимо использовать 8-12 бутылок, а не 6!

Шаг 6: Подключаем все воедино

Разводим проводку в соответствии со схемой. Земля вторичной обмотки не может быть поставлена на «землю» электросети здания, в этом случае она «сожжёт» все электроприборы в вашем доме.

Характеристики моих катушек:

• 599 витков на вторичной катушке;
• 6.5 витков на основной катушке.

Шаг 7: Запускаем установку

Вынесите её на улицу при первом запуске, поскольку действительно не безопасно запускать такое мощное устройство в помещении (высокий риск пожара). Нажмите на выключатель, и наслаждаться световым шоу. Мой БП с 9кВ и 30 мА, позволяет катушке испускать 15 см искры.

Шаг 8: На будущее…

Есть несколько вещей, которые необходимо изменить в моей следующей установке. Первое – конструкция первичной обмотки. Она должна быть более плотно свернута и состоять из большего числа витков. Второе – более качественно выполнить разрядник.

Спасибо за внимание!

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).