Bobine Tesla Spark Gap: 14 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:06

Ceci est un tutoriel sur la façon de construire une bobine Spark Gap Tesla avec une robe de cage de Faraday.

Ce projet m'a pris, ainsi qu'à mon équipe (3 étudiants), 16 jours ouvrables, cela coûte environ 500 USD, je vous assure que cela ne fonctionnera pas dès la première fois:), le plus important est que vous devez comprendre toute la théorie derrière et savoir gérer les composants que vous choisissez.

Dans ce instructable, je vais vous expliquer toute la théorie derrière, les concepts, les formules, une construction étape par étape pour toutes les pièces. Si vous voulez construire des bobines plus petites ou plus grandes, le concept et les formules seront les mêmes.

Les exigences pour ce projet:

- Connaissances en: Équipements électriques, électroniques, électromagnétiques et de laboratoire

- Oscilloscope

- Transformateur d'enseigne au néon; 220V à 9kV

- Condensateurs haute tension

- Câbles en cuivre ou tuyaux en cuivre

- Du bois pour construire votre châssis

- Tuyau PVC pour le serpentin secondaire

- Tuyau métallique flexible pour le tore

- Un petit ventilateur électrique 220V pour l'éclateur

- Papiers aluminium et maille pour la robe cage de Faraday

- Fils isolés pour le secondaire

- Lampes au néon

- Régulateur de tension si vous n'avez pas un 220VAC stable

- Connexion à la terre

- Beaucoup de patience

Étape 1: Introduction à la bobine Tesla Spark Gap

Une bobine Tesla est un transformateur à résonance contenant un circuit LC primaire et secondaire. Conçus par l'inventeur Nikola Tesla en 1891, les deux circuits LC sont faiblement couplés. L'alimentation est fournie au circuit primaire par un transformateur élévateur, qui charge un condensateur. Finalement, la tension aux bornes du condensateur augmentera suffisamment pour court-circuiter un éclateur. Le condensateur se déchargera à travers l'éclateur et dans la bobine primaire. L'énergie oscillera entre le condensateur primaire et l'inductance de la bobine primaire à hautes fréquences (généralement 50 kHz-2 MHz). La bobine primaire est couplée à une inductance dans le circuit secondaire, appelée bobine secondaire. Attachée au sommet de la bobine secondaire se trouve une charge supérieure qui fournit la capacité du circuit LC secondaire. Lorsque le circuit primaire oscille, la puissance est induite dans la bobine secondaire où la tension est multipliée plusieurs fois. Un champ à haute tension et à faible courant se développe autour de la charge supérieure et des arcs de décharge de foudre dans une douce démonstration de génialité. Les circuits LC primaire et secondaire doivent osciller à la même fréquence pour obtenir un transfert de puissance maximal. Les circuits de la bobine sont généralement « accordés » à la même fréquence en ajustant l'inductance de la bobine primaire. Les bobines Tesla peuvent produire des tensions de sortie de 50 kilovolts à plusieurs millions de volts pour les grosses bobines.

Étape 2: Théorie

Cette section couvrira la théorie complète du fonctionnement d'une bobine Tesla conventionnelle. On considérera que les circuits primaire et secondaire sont des circuits RLC à faible résistance, ce qui est conforme à la réalité.

Pour les raisons précitées, la résistance interne du composant n'est pas représentée. Nous remplacerons également le transformateur à courant limité. Cela n'a aucun impact sur la théorie pure.

Notez que certaines parties du circuit secondaire sont dessinées en pointillés. En effet, ils ne sont pas directement visibles sur l'appareil. Concernant le condensateur secondaire, nous verrons que sa capacité est effectivement répartie, la charge supérieure n'étant que "une plaque" de ce condensateur. En ce qui concerne l'éclateur secondaire, il est montré dans le schéma comme un moyen de représenter où les arcs auront lieu.

Cette première étape du cycle est la charge du condensateur primaire par le générateur. Nous supposerons que sa fréquence est de 50 Hz. Étant donné que le générateur (NST) est limité en courant, la capacité du condensateur doit être soigneusement choisie afin qu'il soit complètement chargé en exactement 1/100 de seconde. En effet, la tension du générateur change deux fois par période, et au cycle suivant, il rechargera le condensateur avec une polarité opposée, ce qui ne change strictement rien au fonctionnement de la bobine Tesla.

Lorsque le condensateur est complètement chargé, l'éclateur se déclenche et ferme donc le circuit primaire. Connaissant l'intensité du champ électrique de claquage de l'air, la largeur de l'éclateur doit être réglée de manière à ce qu'il se déclenche exactement lorsque la tension aux bornes du condensateur atteint sa valeur de crête. Le rôle du générateur s'arrête ici.

Nous avons maintenant un condensateur entièrement chargé dans un circuit LC. Le courant et la tension oscilleront ainsi à la fréquence de résonance des circuits, comme cela a été démontré auparavant. Cette fréquence est très élevée par rapport à la fréquence du secteur, généralement comprise entre 50 et 400 kHz.

Les circuits primaire et secondaire sont couplés magnétiquement. Les oscillations ayant lieu dans le primaire vont donc induire une force électromotrice dans le secondaire. Au fur et à mesure que l'énergie du primaire est déversée dans le secondaire, l'amplitude des oscillations du primaire diminuera progressivement tandis que celles du secondaire s'amplifieront. Ce transfert d'énergie se fait par induction magnétique. La constante de couplage k entre les deux circuits est volontairement maintenue faible, généralement comprise entre 0,05 et 0,2.

Les oscillations au primaire vont donc agir un peu comme un générateur de tension alternative placé en série sur le circuit secondaire.

Pour produire la tension de sortie la plus élevée, les circuits accordés primaire et secondaire sont ajustés pour résonner l'un avec l'autre. Comme le circuit secondaire n'est généralement pas réglable, cela se fait généralement par une prise réglable sur la bobine primaire. Si les deux bobines étaient séparées, les fréquences de résonance des circuits primaire et secondaire seraient déterminées par l'inductance et la capacité de chaque circuit

Étape 3: Répartition de la capacité au sein du circuit secondaire

La capacité secondaire Cs est vraiment importante pour faire fonctionner la bobine tesla, la capacité de la bobine secondaire est nécessaire pour les calculs de la fréquence de résonance, si vous ne tenez pas compte de tous les paramètres vous ne verrez pas d'étincelle. Cette capacité se compose de nombreuses contributions et est difficile à calculer, mais nous examinerons ses principaux composants.

Charge supérieure - Au sol.

La fraction la plus élevée de la capacité secondaire provient de la charge supérieure. En effet, nous avons un condensateur dont les "plaques" sont la charge supérieure et la masse. Il peut être surprenant qu'il s'agisse bien d'un condensateur car ces plaques sont connectées via la bobine secondaire. Cependant, son impédance est assez élevée, il y a donc une différence potentielle entre eux. Nous appellerons Ct cette contribution.

Tours de la bobine secondaire.

L'autre grande contribution vient de la bobine secondaire. Il est constitué de nombreuses spires adjacentes de fil de cuivre émaillé et son inductance est donc répartie sur sa longueur. Cela implique qu'il y a une légère différence de potentiel entre deux tours adjacents. On a alors deux conducteurs à potentiel différent, séparés par un diélectrique: un condensateur, autrement dit. En fait, il y a un condensateur avec chaque paire de fils, mais sa capacité diminue avec la distance, donc on peut considérer la capacité seulement entre deux spires adjacentes comme une bonne approximation.

Appelons Cb la capacité totale de la bobine secondaire.

En fait, il n'est pas obligatoire d'avoir une charge supérieure sur une bobine Tesla, car chaque bobine secondaire possédera sa propre capacité. Cependant, qu'une charge supérieure est cruciale pour avoir de belles étincelles.

Il y aura une capacité supplémentaire des objets environnants. Ce condensateur est formé par la charge supérieure d'un côté et des objets conducteurs (murs, tuyaux de plomberie, meubles, etc.) de l'autre côté.

Nous nommerons le condensateur de ces facteurs externes Ce.

Comme tous ces "condensateurs" sont en parallèle, la capacité totale du circuit secondaire sera donnée par:

Cs = Ct + Cb + Ce

Étape 4: Conception et construction

Dans notre cas, nous avons utilisé un régulateur de tension automatique pour maintenir la tension d'entrée du NST à 220V

Et il contient un filtre de ligne AC intégré (YOKOMA ELECTRIC WORKS., LTD. Au Japon-Modèle AVR-2)

Cet instrument pourrait être trouvé dans les machines à rayons X ou acheté directement sur le marché.

Le transformateur haute tension est la partie la plus importante d'une bobine Tesla. C'est simplement un transformateur à induction. Son rôle est de charger le condensateur primaire au début de chaque cycle. Outre sa puissance, sa robustesse est très importante car elle doit résister à des conditions de fonctionnement formidables (un filtre de protection est parfois nécessaire).

Le transformateur d'enseignes au néon (NST) que nous utilisons pour notre bobine tesla, les caractéristiques (valeurs efficaces) sont les suivantes:

Vout = 9000 V, Iout = 30 mA

Le courant de sortie est en effet de 25mA, 30mA est le pic qui chute à 25mA après le démarrage.

Nous pouvons maintenant calculer sa puissance P = V I, ce qui sera utile pour définir les dimensions globales de la bobine de Tesla ainsi qu'une idée approximative de la longueur de ses étincelles.

P = 225 W (pour 25 mA)

Impédance NST = NST Vout ∕ NST Iout =9000/0,25=360 KΩ

Étape 5: Circuit primaire

Condensateur:

Le rôle du condensateur primaire est de stocker une certaine quantité de charge pour le cycle à venir ainsi que de former un circuit LC avec l'inducteur primaire.

Le condensateur primaire est généralement constitué de plusieurs dizaines de capuchons câblés dans une configuration série/parallèle appelée Multi-Mini Condensateur (MMC)

Le condensateur primaire est utilisé avec la bobine primaire pour créer le circuit LC primaire. Un condensateur de taille résonante peut endommager un NST, par conséquent, un condensateur de taille plus grande que la résonance (LTR) est fortement recommandé. Un condensateur LTR fournira également le plus de puissance à travers la bobine Tesla. Différents espaces primaires (statiques ou rotatifs de synchronisation) nécessiteront des condensateurs primaires de tailles différentes.

Cres = Capacité de résonance primaire (uF) = 1 (2 * π * Impédance NST * NST Fin)=1/ (2*π*360 000 * 50) =8.8419nF

CLTR = Capacité statique primaire supérieure à la résonance (LTR) (uF) = Capacité de résonance primaire × 1,6

= 14.147nF

(cela peut légèrement différer d'une approximation à une autre, coefficient recommandé 1,6-1,8)

Nous avons utilisé des condensateurs 2000V 100nF, Nb= Cunit/Cequiv= 100nF/0.0119 uF= 9 condensateurs. Donc, pour exactement 9 caps, nous avons Ceq = 0,0111 uF = capacité MMC.

Pensez à connecter des résistances haute puissance de 10 MOhms en parallèle à chaque condensateur pour plus de sécurité.

Inductance:

Le rôle de l'inductance primaire est de générer un champ magnétique à injecter dans le circuit secondaire ainsi que de former un circuit LC avec le condensateur primaire. Ce composant doit pouvoir transporter des courants forts sans pertes excessives.

Différentes géométries sont possibles pour la bobine primaire. Dans notre cas on adaptera la spirale arquée plate en bobine primaire. Cette géométrie conduit naturellement à un couplage plus faible et réduit le risque d'arc dans le primaire: elle est donc privilégiée sur des bobines puissantes. Il est cependant assez courant dans les bobines de faible puissance pour sa facilité de construction. L'augmentation du couplage est possible en abaissant la bobine secondaire dans le primaire.

Soit W la largeur de la spirale donnée par W = Rmax − Rmin et R son rayon moyen, c'est-à-dire R = (Rmax + Rmin)/2, tous deux exprimés en centimètres. Si la bobine a N tours, une formule empirique donnant son inductance L en microhenrys est:

Lplat =(0.374(NR)^2)/(8R+11W).

Pour la forme hélicoïdale Si nous appelons R le rayon de l'hélice, H sa hauteur (tous deux en centimètres) et N son nombre de tours, une formule empirique donnant son inductance L en microhenrys est: Lhelic =(0.374(NR)^2) /(9R+10H).

Ce sont de nombreuses formules que vous pouvez utiliser et vérifier, elles donneront des résultats proches, le moyen le plus précis consiste à utiliser l'oscilloscope et à mesurer la réponse en fréquence, mais les formules sont également nécessaires pour construire la bobine. Vous pouvez également utiliser un logiciel de simulation comme JavaTC.

Formule 2 pour la forme plate: L= [0.25*N^2*(D1+N*(W+S))^2]/[15*(D1+N*(W+S))+11*D1]

où N: nombre de tours, W: diamètre du fil en pouces, S: espacement des fils en pouces, D1: diamètre intérieur en pouces

Données d'entrée de ma bobine Tesla:

Rayon intérieur: 4,5 pouces, 11,2 tours, espacement de 0,25 pouces, diamètre du fil = 6 mm, rayon extérieur = 7,898 pouces.

L en utilisant la formule 2 = 0,03098 mH, de JavaTC = 0,03089 mH

Par conséquent, fréquence primaire: f1= 271,6 KHz (L=0,03089 mH, C=0,0111MFD)

Expérience en laboratoire (réglage de fréquence primaire)

et nous avons obtenu une résonance à 269-271KHz, ce qui vérifie le calcul, voir les figures.

Étape 6: Spark Gap

La fonction de l'éclateur est de fermer le circuit primaire LC lorsque le condensateur est suffisamment chargé, permettant ainsi des oscillations libres à l'intérieur du circuit. C'est un composant de première importance dans une bobine Tesla car sa fréquence de fermeture/ouverture aura une influence considérable sur le rendement final.

Un éclateur idéal doit se déclencher juste au moment où la tension aux bornes du condensateur est maximale et se rouvrir juste au moment où il tombe à zéro. Mais ce n'est bien entendu pas le cas dans un véritable éclateur, il ne s'allume parfois pas alors qu'il le devrait ou continue de s'allumer alors que la tension a déjà diminué;

Pour notre projet, nous avons utilisé un éclateur statique avec deux électrodes sphériques (construites à l'aide de deux poignées de tiroir) que nous avons conçues manuellement. Et il pourrait être ajusté manuellement également en faisant tourner les têtes sphériques.

Étape 7: Circuit secondaire

Bobine:

La fonction de la bobine secondaire est d'amener une composante inductive au circuit secondaire LC et de collecter l'énergie de la bobine primaire. Cet inducteur est un solénoïde à noyau d'air, ayant généralement entre 800 et 1500 spires adjacentes étroitement enroulées. Pour calculer le nombre de tours qui ont été enroulés, cette formule rapide évitera un certain travail fastidieux:

Jauge de fil 24 = 0,05 cm, diamètre PVC 4 pouces, nombre de tours=1100 spires, hauteur nécessaire=1100 x 0,05= 55 cm = 21,6535 pouces. => L= 20,853 mH

où H est la hauteur de la bobine et d le diamètre du fil utilisé. Un autre paramètre important est la longueur l dont nous avons besoin pour fabriquer la bobine entière.

L=µ*N^2*A/H. Où µ représente la perméabilité magnétique du milieu (≈ 1,257 · 10−6 N/A^2 pour l'air), N le nombre de spires du solénoïde, H sa hauteur totale, et A l'aire d'une spire.

Charge supérieure:

La charge supérieure agit comme la "plaque" supérieure du condensateur formée par la charge supérieure et la masse. Il ajoute de la capacité au circuit LC secondaire et offre une surface à partir de laquelle des arcs peuvent se former. Il est possible, en effet, de faire fonctionner une bobine Tesla sans charge supérieure, mais les performances en termes de longueur d'arc sont souvent médiocres, car la majeure partie de l'énergie est dissipée entre les spires de la bobine secondaire au lieu d'alimenter les étincelles.

Capacité du tore 1 = ((1+ (0,2781 − Diamètre de l'anneau ∕ (Diamètre total))) × 2,8 × sqrt ((pi × (Diamètre total × Diamètre de l'anneau)) ∕ 4))

Capacité du tore 2 = (1,28 − Diamètre de la bague ∕ Diamètre total) × sqrt (2 × pi × Diamètre de la bague × (Diamètre total − Diamètre de la bague))

Capacité du tore 3 = 4,43927641749 × ((0,5 × (Diamètre de l'anneau × (Diamètre total − Diamètre de l'anneau))) ^0,5)

Capacité toroïdale moyenne = (Capacité toroïdale 1 + Capacité toroïdale 2 + Capacité toroïdale 3) ∕ 3

Donc pour notre tore:diamètre intérieur 4”, diamètre extérieur=13”, espacement de l'extrémité de l'enroulement secondaire= 5cm.

C=13.046 pf

Capacité de la bobine secondaire:

Capacité secondaire (pf)= (0,29 × hauteur d'enroulement de fil secondaire + (0,41 × (diamètre de forme secondaire ∕ 2)) + (1,94 × sqrt (((diamètre de forme secondaire ∕ 2) 3) ∕ hauteur d'enroulement de fil secondaire))

Csec = 8,2787 pF;

Il est également intéressant de connaître la capacité (parasite) de la bobine. Ici aussi la formule est compliquée dans le cas général. On utilisera la valeur fournie par JAVATC ("Effective shunt capacitance" sans top load):

Cres = 6,8 pF

Donc, pour le circuit secondaire:

Ctot=8.27+13.046=21.316pF

Lsec=20.853mH

Résultats des expériences en laboratoire:

Voir les images ci-dessus pour la procédure de test et les résultats des tests.

Étape 8: Accord de résonance

Mettre les circuits primaire et secondaire en résonance, les faire partager la même fréquence de résonance est primordial pour un bon fonctionnement.

La réponse d'un circuit RLC est la plus forte lorsqu'il est entraîné à sa fréquence de résonance. Dans un bon circuit RLC, l'intensité de la réponse chute fortement lorsque la fréquence d'entraînement s'éloigne de la valeur de résonance.

Notre fréquence de résonance = 267,47 kHz.

Méthodes de réglage:

Le réglage se fait généralement en ajustant l'inductance primaire, simplement parce que c'est le composant le plus facile à modifier. Comme cet inducteur a de larges spires, il est facile de modifier sa propre inductance en tapant le connecteur final à un certain endroit de la spirale.

La méthode la plus simple pour réaliser cet ajustement est par essais et erreurs. Pour cela, on commence à capter le primaire à un point supposé proche du résonant, on allume la bobine et on évalue la longueur de l'arc. Puis la spirale est tapotée d'un quart de tour avant/arrière et on réévalue le résultat. Après quelques essais, on peut procéder par pas plus petits, et on obtient enfin le point de taraudage où la longueur de l'arc est la plus élevée. Normalement, ce tapotement

Le point réglera en effet l'inductance primaire telle que les deux circuits sont en résonance.

Une méthode plus précise impliquerait une analyse de la réponse individuelle des deux circuits (dans la configuration couplée, bien sûr, c'est-à-dire sans séparer physiquement les circuits) avec un générateur de signaux et un oscilloscope.

Les arcs eux-mêmes peuvent produire une capacité supplémentaire. Il est donc conseillé de régler la fréquence de résonance primaire légèrement inférieure à celle du secondaire, afin de compenser cela. Cependant, cela n'est perceptible qu'avec des bobines Tesla puissantes (qui peuvent produire des arcs de plus de 1 m).

Étape 9: Tension à l'étincelle secondaire

La loi de Paschen est une équation qui donne la tension de claquage, c'est-à-dire la tension nécessaire pour amorcer une décharge ou un arc électrique, entre deux électrodes dans un gaz en fonction de la pression et de la longueur de l'entrefer.

Sans entrer dans le calcul détaillé en utilisant la formule complexe, pour des conditions normales, il faut 3,3 MV pour ioniser 1 m d'air entre deux électrodes. Dans notre cas, nous avons des arcs d'environ 10-13 cm, donc ce sera entre 340KV et 440KV.

Étape 10: Robe de cage de Faraday

Une cage de Faraday ou un bouclier de Faraday est une enceinte utilisée pour bloquer les champs électromagnétiques. Un écran de Faraday peut être formé par un revêtement continu de matériau conducteur ou dans le cas d'une cage de Faraday, par un maillage de tels matériaux.

Nous avons conçu une cage de Faraday à quatre couches, mise à la terre et portable, comme indiqué sur la photo (matériaux utilisés: aluminium, coton, cuir). Vous pouvez également le tester en mettant votre téléphone portable à l'intérieur, il perdra le signal, ou en le plaçant devant votre bobine tesla et en mettant des lampes au néon à l'intérieur de la cage, elles ne s'allumeront pas, alors vous pouvez le mettre et l'essayer.

Étape 11: Annexes et références

Étape 12: Construire la bobine primaire

Étape 13: Tester le NST

Étape 14: Construire la bobine primaire