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).

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.

Часть 2

Изготовление катушки Тесла

1. Выберите трансформатор. Ваш питающий трансформатор определяет, насколько большую катушку вы сможете сделать. Большинство подобных катушек работает от трансформаторов, которые могут выдавать при напряжении 5,000-15,000 вольт ток 30-100 миллиампер. Вы можете поискать трансформатор на местном радиорынке, купить через интернет или снять с неоновой вывески.

   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.

2. 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.

3. 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.

4. Сделайте вторичный конденсатор. Вторичный конденсатор, или терминал, должен быть скругленной формы, две самые популярные – тор (кольцо в форме бублика) и сфера.

   Соедините вторичный конденсатор и вторичную катушку. Это будет вторичным колебательным контуром.

   • Ваш вторичный контур должен быть заземлен отдельно от вашей проводки по дому, которая питает источник катушки Тесла. Это необходимо, чтобы избежать блуждания высоковольтных токов по проводке дома и нанесению вреда подключенным электроприборам. Сделать отдельное заземление можно, вогнав металлический штырь в землю.

5. Сделайте импульсные дроссели. Дроссели – это небольшие катушки, которые предотвращают поломку источника питания разрядником. Вы можете сделать такую катушку, намотав медную проволоку вокруг тонкой трубки, например, обычной шариковой ручки.

6. Соберите все компоненты вместе. Разместите первичный и вторичный колебательные контуры рядом и присоедините питающий трансформатор к первичному контуру через дроссели. Как только вы включите трансформатор, катушка Тесла готова к работе.

   • Если первичная катушка большого диаметра, вторичная может быть размещена внутри нее.

162 года назад родился Никола Тесла — ученый и изобретатель, имя которого овеяно легендами. Ему приписывают изобретение первого , беспроводной передачи электричества и даже «лучей смерти». Но и реальные, изученные и подтвержденные изобретения Теслы впечатляют: он внес огромный вклад в изучение электричества, радиоволн и магнитных полей.

Главным открытием Теслы остается переменный ток. Конечно, гениальный серб не изобрел его (как иногда пишут в популярных статьях), а лишь нашел ему практическое применение. Попутно он сконструировал двигатель и генератор переменного тока, «потомки» которых используются до сих пор.

Компоненты можно разместить на печатной плате либо методом навесного монтажа — на МДФ или картоне.

И пару слов о технике безопасности. Несмотря на то, что разряды катушки Тесла не причиняют человеку вреда вследствие так называемого «скин-эффекта» (ток проходит по поверхности кожи), важно соблюдать электробезопасность при ее сборке и испытаниях. Не рекомендуется и находиться рядом с работающей катушкой слишком долго: высоковольтное поле может негативно повлиять на самочувствие.

А теперь перейдем к сборке устройства. Питание мы уже разобрали выше, а вот пять способов, как и из чего соорудить корпус, катушки и тороид.

Способ первый: «на флейте водосточных труб»

Вот что вам понадобится.

• Выключатель.
• Резистор на 22 кОм.
• Транзистор 2N2222A.
• Коннектор для «кроны».
• Труба ПВХ d=20 мм, отрезок длиной 85 мм.
• Батарейка «крона» 9V.
• Медный провод сечением 0,5 мм.
• Провод в изоляции ПВХ сечением 1 мм, отрезок длиной 15-20 см.
• Обрезок фанеры или ламината размерами примерно 20х20 см.

Порядок сборки здесь почти такой же, как в предыдущих моделях.

1. Начнем с катушки L2. Намотайте медную проволоку на трубу в один слой, виток к витку, отступив от краев примерно на 0,5 см. Первый и последний виток зафиксируйте бумажным скотчем, чтобы намотка не слетала.

2. Прикрепите трубу-катушку на основание из фанеры или ламината с помощью термоклея. Так же закрепите выключатель, транзистор и коннектор для кроны.

3. Делаем катушку L1. Изолированный провод дважды обмотайте вокруг катушки и тоже зафиксируйте термоклеем.

4. Соедините схему в цепь:

♦ нижний конец провода вторичной (длинной) катушки — к среднему контакту транзистора;

♦ резистор — также к среднему контакту транзистора;

♦ верхний конец провода первичной (короткой) катушки — к резистору;

♦ нижний конец провода первичной обмотки — к правому контакту транзистора;

♦ контакт резистора с проводом первичной обмотки — к контакту выключателя;

♦ красный провод коннектора «кроны» (+) — к среднему контакту выключателя;

♦ черный провод коннектора «кроны» (-) — к левому контакту транзистора.

После того как вы установите в коннектор батарейку и нажмете выключатель, катушка заработает. Она не будет давать видимые разряды из-за низкого рабочего напряжения, но сможет зажечь флуоресцентную лампу в вашей руке.

Бонус: гигантская катушка высотой три метра

Этот «рецепт» разработали и опробовали пользователь «Хабра» zerglabs и его команда. Они создали катушку высотой около трех метров с расчётной мощностью примерно в 30-40 кВт. Энтузиасты выбрали разновидность катушки Теслы, известную как DRSSTC — Dual Resonant Solid State Tesla Coil. Она обладает особой «музыкальностью»: издает звуки, высотой которых можно управлять с помощью midi-пульта.

Команда использовала:

• Медный провод 1,6 мм.
• Канализационную ПВХ-трубу d=30 мм, отрезок длиной 180 см.
• Медную трубку диаметром 22 мм.
• Алюминиевые трубы d=50 мм.
• Фанеру и стеклотекстолит для деталей каркаса.

Процесс сборки:

1. Как и предыдущие мастера, zerglabs и его «соучастники» сначала обмотали трубу медным проводом, чтобы сделать вторичный контур. Ее закрепили на подставке из фанеры.

2. Вторичный контур сделали из медной трубки, которую уложили в подставку с пазами. Шесть витков, диаметр 22 мм.

3. Команда соорудила особенный тороид, удобный для транспортировки. Он состоит из фанерных элементов и загнутых алюминиевых труб и в собранном виде похож на скелетированный пончик. Как объясняет zerglabs, поле «обтягивает» тороид, поэтому его можно делать не сплошным.

4. Сборка электрической части. В силовом инверторе для больших катушек Теслы часто используются IGBT-модули. Для гигантской катушки команда взяла два модуля CM600DU-24NFH (600 ампер непрерывного тока, 1200 вольт), соединив их по схеме «мост». Модули скрепили медными шинами и снабдили электролитическими и плёночными конденсаторами. В управляющую автоматику встроили автоматический пускатель (большое силовое реле) и несколько силовых резисторов, чтобы при включении катушка не выбивала предохранители сети.

В конструкцию также вошла батарея конденсаторов: пять штук общей ёмкостью около 1,2 мкф и максимальным напряжением 20 киловольт. Их соединили с помощью медных пластин.

Сложная и секретная часть гигантской катушки — драйвер, модулирующий частоту колебаний. Он позволяет управлять разрядами, в том числе для того, чтобы играть на катушках мелодии. Но его схема — интеллектуальная собственность разработчиков.

Никола Тесла, является катушка или резонансный трансформатор, способный выдавать высокое напряжение с высокой частотой. Для того, чтобы представлять работу этого устройства, необходимо знать принцип работы катушки Тесла.

Трансформатор Тесла: принцип действия

Принцип работы данного устройства сравним с действием обычных качелей. При режиме принудительного раскачивания, максимальная амплитуда находится в пропорции к прилагаемым усилиям. Если же раскачивание производится в свободном режиме, происходит еще больший рост максимальной амплитуды.

В катушке качелями является вторичный контур колебаний, а прилагаемое усилие осуществляет генератор. Они срабатывают в строго обозначенное время.

Конструкция катушки Тесла

В самом простом трансформаторе имеется две катушки - первичная и вторичная. Кроме того, в конструкцию входит разрядник, конденсатор и терминал. В конечном итоге образуются два контура колебаний, связанных между собой. Это является основным отличием катушки Тесла от обычного трансформатора.

Для того, чтобы катушка работала полноценно, оба контура колебания настраиваются на одинаковую частоту резонанса. Настройка производится путем подстройки первичного контура под вторичный, изменяя емкость конденсатора и количество витков. В результате, на выходе катушки образуется максимальное напряжение.

Для работы трансформатора Тесла используется импульсный режим. На первом этапе величина заряда конденсатора должна сравняться с напряжением, вызывающим пробой разрядника. На втором этапе колебания высокой частоты генерируются в первичном контуре. Параллельно включается разрядник, замыкающий трансформатор и убирающий его из общего контура. В противном случае, в первичном контуре могут произойти потери, которые могут повлиять на качество его работы. В нормальной схеме, разрядник, как правило, устанавливается параллельно с источником питания.

Таким образом, значение напряжения на выходе катушки Тесла может составлять несколько миллионов вольт. С помощью такого напряжения, в , достигающие значительной длины. Их внешний вид буквально завораживает, и во многих случаях трансформатор применяется в качестве декоративного изделия.

Принцип действия катушки Тесла помогает найти практическое применение этому устройству. Как правило, ему отводится познавательная и эстетическая роль. Это связано с определенными трудностями в управлении прибором и передаче полученной на расстояние.

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!