Простая катушка тесла.

В нашем мире постоянно происходят удивительные вещи. Вот и великий изобретатель Никола Тесла в свое время изобрел чудо техники — катушку Тесла. Это трансформатор, позволяющий повысить выходное напряжение и частоту электрического тока во много раз. В простонародье это устройство называют катушкой Тесла.

Сегодня большое количество техники использует принцип работы изобретения великого физика прошлых лет. Однако с того времени технологии усовершенствовались, поэтому появились более современные виды трансформаторов, однако их также называют катушками Тесла.

Виды катушек Тесла

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

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

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

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

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

Пошаговая сборка катушки Тесла самостоятельно

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

Строение катушки Тесла

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

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

Принцип работы устройства

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

Необходимые материалы

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

Сборка катушки Тесла самостоятельно дома

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

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

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

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

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

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

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

Фото катушек Тесла своими руками

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 .

В 1997 году я заинтересовался катушкой Тесла и решил построить свою. К сожалению, я потерял интерес к ней, прежде чем я смог её запустить. Через несколько лет я нашел свою старую катушку, немного пересчитал её и продолжил строительство. И снова я забросил ее. В 2007 году друг показал мне свою катушку, напомнив мне о моих незавершенных проектах. Я опять нашел свою старую катушку, пересчитал все и в этот раз завершил проект.

Катушка Тесла - 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.

Детали

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.

Изобретенная в 1891 году Николой Тесла, катушка Тесла была создана для проведения экспериментов по изучению высоковольтных разрядов. Это устройство состоит из источника питания, конденсатора, двух катушек, между которыми будет циркулировать заряд, и двух электродов, между которыми будет проскакивать разряд. Катушку Тесла, нашедшую применение в великом множестве устройств (от ускорителя частиц и телевидения до детских игрушек) можно сделать дома из радиодеталей.

Шаги

Часть 1

Проектирование катушки Тесла

Определитесь с размером и расположением катушки Тесла перед тем, как браться за дело. Вы можете сделать настолько большую катушку Тесла, насколько позволяет ваш бюджет; но учтите, создаваемые катушкой искровые разряды разогревают воздух, который сильно расширяется (в результате создавая гром). Электромагнитное поле, создаваемое катушкой, может вывести из строя электроприборы, так что лучше расположить ее в отдаленном месте, вроде гаража или мастерской.

Чтобы выяснить, насколько длинную дугу вы сможете получить, или какой мощности блок питания потребуется, разделите расстояние между электродами в сантиметрах на 4,25 и возведите в квадрат – получите необходимую мощность в Ваттах. Соответственно, чтобы найти расстояние между электродами, умножьте квадратный корень мощности на 4,25. Катушка Тесла, способная создать дугу длинной 1,5 метра, потребует 1 246 Вт. Катушка с блоком питания на 1кВт может создать искру длиной 1,37 метра.
Ознакомьтесь с терминологией. Создание катушки Тесла потребует от вас понимания определенных научных терминов и знания единиц измерения. Вам будет необходимо понимать их значение и смысл, чтобы сделать все правильно. Здесь представлена некоторая информация, которая вам пригодится:
- Электрическая емкость – это способность накапливать и удерживать электрический заряд определенного напряжения. Устройство, созданное для накапливания электрического заряда, называется конденсатор. Единица измерения электрического заряда – фарад (обозначается "Ф"). Фарад можно выразить как 1ампер секунда (Кулон), умноженная на вольт. Зачастую емкость измеряется в долях фарада, таких как микрофарад (мФ) – миллионная доля фарада, пикофарад (пкФ) – триллионная доля фарада.
- Самоиндукция – это явление возникновения ЭДС в проводнике при изменении проходящего через него тока. Высоковольтные провода, по которым течет низкоамперный ток, обладают высокой самоиндукцией. Единица измерения самоиндукции – генри (сокращенно "Гн"). Один генри соответствует цепи, в которой изменение тока со скоростью один ампер в секунду создает ЭДС 1Вольт. Индуктивность часто измеряют в долях генри: миллигенри ("мГн"), тысячная доля генри или микрогенри ("мкГн"), миллионная часть генри.
- Резонансная частота – это частота, на которой потери на передачу энергии минимальны. Для катушки Тесла это частота минимальных потерь при передачи энергии между первичной и вторичной обмотками. Частота измеряется в герцах (сокращенно "Гц"), определяется как один цикл в секунду. Зачастую, резонансная частота измеряется в килогерцах ("кГц"), килогерц равняется 1000 Гц.
Соберите все необходимые детали. Вам понадобится: трансформатор, первичный конденсатор высокой емкости, разрядник, первичная катушка низкой индуктивности, вторичная катушка с высокой индуктивностью, вторичный конденсатор с небольшой емкостью и устройство для гашения высокочастотных импульсов, которые возникают при высоких напряжениях во время работы катушки Тесла. Более подробную информацию о необходимых деталях вы найдете в разделе статьи "Изготовление катушки Тесла".
- Источник питания должен через дроссель питать первичный или накопительный колебательный контур, который состоит из первичного конденсатора, первичной катушки и разрядника. Первичная катушка должна располагаться рядом с вторичной катушкой, которая является элементом вторичного колебательного контура, но контуры не должны быть соединены проводами. Как только вторичный конденсатор накопит достаточный заряд, он будет испускать электрические разряды в воздух.
Сделайте первичный конденсатор. Его можно сделать из множества маленьких конденсаторов, соединенных в цепь, которые будут накапливать равные доли заряда в первичном контуре. Для этого все конденсаторы должны иметь одинаковую емкость. Такой конденсатор называется составным.
- Конденсаторы малой емкости и нагрузочные резисторы можно приобрести в магазине радиодеталей или снять керамические конденсаторы со старого телевизора. Вы также можете сделать конденсаторы из алюминиевой фольги и полиэтиленовой пленки.
- Чтобы добиться максимальной мощности, первичный конденсатор должен полностью заряжаться каждые пол цикла подачи энергии. Для 60 Гц источника питания, заряд должен происходить 120 раз в секунду.
Спроектируйте разрядник. Если вы хотите сделать одиночный разрядник, вам нужно использовать провод минимум 6 миллиметров толщиной, чтобы электроды могли выдерживать тепло, выделяемое во время разряда. Вы также можете сделать многоэлектродный разрядник, роторный разрядник или охлаждать электроды, обдувая воздухом. Для этих целей можно приспособить старый пылесос.

Сделайте обмотку первичной катушки. Сама катушка будет сделана из проволоки, но вам потребуется форма, вокруг которой наматывать проволоку. Следует использовать лакированную медную проволоку, которую вы сможете купить в магазине радиодеталей или снять с ненужного электроприбора. Форма, вокруг которой вы будете обматывать проволоку, должна быль либо цилиндрической, например картонная или пластиковая трубка, либо коническая, например, старый абажур.
- Длина проволоки будет определять индуктивность первичной катушки. Первичная катушка должна обладать низкой индуктивностью, так что она будет состоять из небольшого количества витков. Проволока для первичной катушки не обязательно должна быть сплошной, вы можете скреплять секции, чтобы регулировать индуктивность походу сборки.
Соберите первичный конденсатор, разрядник и первичную катушку в одну цепь. Эта цепь образует первичный колебательный контур.
Сделайте вторичную катушку индуктивности. Как и для первичной катушки, вам нужна цилиндрическая форма, на которую вы будете наматывать проволоку. Вторичная катушка должна иметь такую же резонансную частоту, как и первичная, чтобы избежать потерь. Вторичная катушка должна быть длиннее/выше, чем первичная, так как должна обладать большей индуктивностью и препятствовать разряду вторичного контура, который может привести к тому, что первичная катушка сгорит.
- Если у вас не хватает материалов сделать достаточно большую вторичную катушку, вы можете сделать разрядный электрод, чтобы защитить первичный контур, но это приведет к тому, что большая часть разрядов будет приходиться на этот электрод и их не будет видно.

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.

Этапы строительства

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.

Вторичная обмотка

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

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

Металлическая сфера или тороид

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.

Конденсаторы

Сборка из 24 конденсаторов с гасящим резистором 10МОм на каждом

Разрядник

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