Як ми виготовили Tesla Coil для наукового музею Bashny.Net

У 2016 році я був запрошений до участі у проекті, щоб створити потужну косу Тесла для наукового музею в рідному місті. Для того, щоб відмовитися від того, щоб стати справжніми ідеальними і власними дітьми. Далі не тільки опис дизайну отриманого пристрою, але і трохи про чоловічу любов науки, ентузіастів і як народжуються соціальні проекти.





ПідземелляЦе історія про людей. Будь-який, хто не любить історії, може пропустити цей розділ.

Трохи про мене спочатку. Моя назва Артема. Зараз я працюю дизайнером в приватній фірмі, але за допомогою тренінгу – фізиком, викладацькою фізикою для дітей є мій хобі. Я був повністю занурений в науку, працював в «Лабораторії методів викладання фізики» мого рідного університету, провів розширені навчальні курси для вчителів всієї області, приготував коло «Молодих фізиків» для дітей від 5 років, а також працював у фізиці вчителя і розвинув авторський сайт.

Після цього в Україні почалися наукові пікніки. Це чудовий захід для популяризації науки, коли університети, лабораторії, науково-дослідні центри приходять на площу з фізичними експонатами, рідким азотом, скелетами і манекенами, мікроскопами, телескопами, рідкісними комахами і кажанами. В цілому, кожен виявляє, що він робить і що буде цікавим для інших. Звісно, лабораторія, школа, а також гурт, де я працював брав активну участь у науковому пікніці.

Я зустрів одного з організаторів пікніки, Сергія. Цей хлопець мріяв про наявність наукового музею для нашого міста, і він переконував мене, що якщо ви не віддаєте і бути активним, він збирається працювати.

На базі такого позитивного результату університет вирішив дати зелене світло до команди Сергія та щедро виділити деякі кімнати вражаючої площі для музею.

Найромантичніший час. Майже без фінансування, намагаючись перетворити зруйновані місця в музей науки в місяць або два виглядають як божевільність. Але Сергій не був дискурований, він схожий на метеорит, нашиваючи отвори в підлозі, вішали стіни без ремонту з тканиною, виготовленими перегородками і підставками для майбутніх експонатів. Сергій продемонстрував дивовижне визначення, а також чудові організаційні здібності. Наша лабораторія, як багато інших, допомогла проекту з демонстраційними інструментами та ідеями для бюджету, але захоплюючими експонатами.

Музей відкрився безпечно, і я пішов до Чорногорії з дружиною і дітьми. Я також організував коло астрономії та фізики, але головне місце роботи вже було конструкторським відділом.

Минулого року повернувся в Україну. Сергій дав мені екскурсію оновленого музею. Протягом двох років музей зробив ремонт, кілька разів підвищив базу експонатів і значно розширюється в окупованій місцевості. Дуже приємно знайти роботу одного з демонстраційних пристроїв – «оптичний стіл», який зібрав своїми руками на світі проекту.

Сергій розповів про бажання отримати «Tesla котушку» для музею, він не тільки знайшов продавця, але погодився з однією чудовою компанією «X» для спонсорів проекту і навіть вдалося отримати гроші. Тим не менш, перед продажем продавець вирішив подвоювати ціну. Звісно, зв'язок завершено. І Сергій був в невидимому положенні.

Після деякого часу Сергій назвав мене і сказав мені, що він знайшов деякі хлопці, які вже зібрали деякі дрібні котушки Тесла і був готовий спробувати зібрати більшу котушку. Але йому потрібна допомога з механікою. Ненав'язливо я запропонував приєднатися до проекту без права відмови.

На зустрічі з цією «тесластройтером», яка, до речі, була названа Сергієм. Це цілком зрозуміло, що він був деяким фраком, який має манію для Tesla котушки, і ідея виправити є великим котушкою. Але, як тільки ми почали обговорювати проект, були невідповідності з представленим (Я думаю, що тут потрібно вставляти образ “me”). Співрозмовник почав послідовно описати дизайн пристрою, що не повторилося, нічого зайвого не сказав. Всі фізичні умови були правильно використані, а фізичні явища були правильно інтерпретовані. Всі питання відповіли чіткими та логічними відповідями. Виявилося, що я спілкуюсь з достатнім викладачем відомого технічного університету, який дійсно любить Tesla котушки.

Сергій був власником такої цінної якості, як scrupulousness. Для чого він відразу отримав глибоку повагу. Приготував своє робоче місце протягом тривалого часу і ретельно підібрав інструмент заздалегідь і влаштовував всі контакти він завжди, абсолютно завжди, ретельно працював. Якщо поспішати виконувати не якісний зв'язок, Сергій буде мовчати, а потім спокійно приймати і виправити. Здавалося б, така скрупульозність непотрібна, але насправді вона економить величезну кількість часу. Після всього, протягом усього періоду роботи, ми ніколи не зустрілися з неправильною помилкою складання. Для того щоб не плутати серед Сержевів, ми потім будемо називати його Сергієм А., а першим - Сергій В.


Що таке котушка Тесла?Я запросив Сергія А. ( Автор котушки) розповісти про саму котушку. Весь текст в цьому розділі належить йому:


Наприкінці 19-го та початку 20-го століття Нікола Тесла провела експерименти з високовольтними високочастотними резонансними трансформаторами без феромагнітного сердечника. Цей тип трансформатора пізніше був викликаний трансформатором Тесла або котушкою Тесла.

В даний час трансформатор Тесла є більш іграшками для тих, хто любить DIY і хочуть мати щось в колекції, а не пристрій, який має певну сферу. Не часто так багато фізичних явищ можна поєднувати в одному простому дизайні. Крім того, не існує такої особи, що Tesla котушка не зможе здивувати з прицілом електричних розрядів.

Чому потрібно Tesla котушки? Спеціально для навчальних цілей. Після всього, тут багато тем:

• в статичних умовах – теорія навчання, знайомство з електричними компонентами, схемами зчитування, дізнаючись, як використовувати мультиметр і за допомогою тренажерів з електричним контуром, нарешті розуміння різниці між індуктивністю і продуктивністю;
• в динаміці - електричні коливання, стрес-резонанс, передача енергії, іонізація, природа плазми, властивості електромагнітного випромінювання, вплив струму на живу людину.

Якщо ви хочете заряджати пристрої без проводів, вражайте випадкові незнайомці і вам подобається запах з пальової електроніки або озону, то це виправдано, щоб зібрати Tesla настільну котушку, особливо з тих пір, як вона дешевше, ніж триває. «Будівництво Tesla котушки – це те, що кожен повинен робити принаймні один раз». Першим резонансним трансформатором була побудована Nikola Tesla в 1891 році. Принцип роботи прямопередбачуваний: потрібно заряджати великий конденсатор з високою напругою, а потім вивантажити його через протоку котушки, роль якого виконується первинним обмоток трансформатора, при цьому необхідно закрити енергію в утвореному коливальному контурі.

У зв'язку з резонансом напружень в первинному контурі, амплітуда коливань збільшиться, в той час як частина енергії буде передаватися на вторинне обмотування трансформатора (який відрізняється коефіцієнтом зчеплення між обмотоками), останні разом з металевою торойдою також утворюють коливальну схему.

Далі процес можна описати аналогічно по скелянню гойдалки: якщо ви штовхнете гойдалку в потрібний момент, то незабаром вони почнуть літати дуже високою, це буде напругою при виході з Tesla котушки. Коли напруга стає настільки високою, що повітря перестає бути діелектричними, всі збережені енергії формують електричну розрядку, або потоком.

Протягом багатьох років зміни були внесені до проектування трансформаторів Тесла, щоб сьогодні є кілька топологій пристроїв, які мають аналогічний принцип роботи, при цьому відрізнялися на рівні компонентів.

SGTC (Spark Gap Tesla Coil) є трансформатором Тесла. Це класичний перформанс, який використовується компанією Nikola Tesla. В якості основного елемента використовуються дві контакти довільної форми, між якими відбувається електричний розряд. Конструктивно складається з всього 6 елементів і працює найчастіше. Правда, в малопотужних виступах, вам не доведеться чекати красивих розрядів, але лампочки світла на відстані або помилуватися коронарним світом - будь ласка.

Похід цієї топології - ARSGTC (Asynchronous Rotary Spark Gap Tesla Coil) тип, де обертається електродвигун використовується як ключ перемикання, закриваючи контакти і швидко стираючи сформовану електричну дугу, що дозволяє отримати найбільшу довжину розряду порівняно невелику вхідної потужності. Це тип, який ми взяли на повторення.

VTTC (Vacuum Tube Tesla Coil) є трансформатором Тесла на радіо Світильниках. Вимагає роботу з високими анодними напругами і не рекомендується для новачків.

SSTC (Solid State Tesla Coil) є трансформатором Тесла, який використовує компоненти напівпровідників як ключі. Найпоширеніше використання транзисторів є MOSFET або IGBT (не плутати з ЛГБТ). Завдяки використанню сучасної бази компонентів, котушки цього типу можна легко контролювати за допомогою модуляції частоти блискавки зовнішнім джерелом сигналу, таких як музика.

DRSSTC (Dual Resonant SSTC) - Тесла котушки з подвійним резонансним контуром. Топологія набагато складніше виготовляти, ніж його попередник, але це зміщене поліпшення співвідношення довжини розряду до середньої довжини обмотки.

QCWDRSSTC (Quasi-Continuous-Wave DRSSTC) є варіантом спіралі Тесла з подвійним резонансним контуром, але здатний виробляти довгий прямий блиск, характерний тільки для цієї топології, іноді 10 разів довжина вторинної обмотки.

А потім є біполярні котушки Тесла, але про це ще один раз.

Як ви можете побачити, Tesla котушки є для будь-якого "смак і колір", і кожен може вибрати той, хто хоче. В останні роки ринок намагалася зустрітися з підвищеним попитом любителів і експериментаторів для Tesla трансформаторів, а тепер навіть AliExpress пропонує комплекти, з яких можна зібрати робочий пристрій в домашніх умовах.

Не як реклама, але варто згадати групу ентузіастів, які на початку 2013 року запустили компанію на Kickstarter (який в один раз було повідомлено) і, маючи вдало зібрану необхідну суму, продовжує працювати над проектом під назвою OneTesla. Що відрізняє її від інших проектів – відкрита документація та діаграми, де зацікавлена людина може, слідуючи інструкціям, зібрати музичну котушку в домашніх умовах відповідно до топології DRSSTC. Я збирав свою першу робочу котушку.

Нарешті, я хочу відзначити, що це дуже просто, щоб зробити Tesla робочою котушкою, але це все ще дуже дорогий і трудомісткий, щоб зробити це так, щоб він не соромився показати його.

Наш вибір «старої школи»Для шанувальників диал - короткий технічний опис нашої виставки від Сергія А.


Для роботи Tesla котушки потрібен високовольтний джерело живлення, щоб заощадити час на обмотки власного трансформатора, було прийнято рішення використовувати готовий. Таким чином, блок живлення передбачає 4 трансформатори з мікрохвильової печі в серійному з'єднанні з середньою точкою, перетворення мережі 220 вольт на напругу 8600 вольт.

Щоб забезпечити їх охолодження і уникнути перепадів, всі 4 трансформатори занурилися в синтетичну моторну олію.

В якості робочої ємності використовується акумулятор 5 гілок 9 серійно-з'єднаних конденсаторів (МММЦ), тобто 45 конденсаторів потужністю 0,1 мкФ і напругою 2 кВ дав ємність 55 нФ з напругою 18 кВ. А також використовується вимикачі дроти калібру 8 AWG, мідна трубка діаметром 6.35 мм як первинна обмотка з поворотами 6 1⁄2. 1000 обертів мідного дроту з секцією 0,5 мм на вентиляційну трубу діаметром 10 см утворює вторинну котушку довжиною 56 см. Тороїд виготовлений з алюмінієвої вентиляційної труби діаметром 11 см.



Розрахована резонансна частота первинного контуру, а потім підтверджена імпульсним генератором і частотним лічильником, склала 220 кГц. Резонансна частота вторинного контуру згідно розрахунку і вимірювання становить близько 250 кГц, але в момент виникнення струменя, через електричну потужність розряду, частота коливань знижується, і відбувається резонанс між первинними і вторинними контурами, що призводить до збільшення довжини блискавки.

Тепер механічний компонент.Чинний бюджет не дозволяв значно розпушувати. Кількість фрезерних і токарних робіт повинна бути мінімізована. Всі незгодні частини були зроблені нами.

Дискомірний диск був виготовлений з товщиною 8 мм. На диску є 6 контактів, які закривають розрядник. Диск знаходиться на осі двополювального асфальтобетонного двигуна потужністю 0,37 кВт. Частота двигуна 2800 об/хв. З огляду на, що на обертання 6 ланцюгів, ми отримуємо 280 ланцюгів на секунду.

У інтернеті можна знайти роботи реальних маяків, які кладуть диск розрядника на вал кутового шліфувального верстата:



Такі рішення ламаються своєю простотою, але не всі сумісні з таким поняттям, як безпека. Подрібнювач ненадійно прикріплюється до основи затисканням навколо ручки. Електроди на диску дуже перегріваються, так як вони мають короткий час і зону охолодження. Диск обертається з частотою 4000-6000 об/хв! Ця крихка рівновага легко турбувати, а потім червоні-гарячі електроди, як шраплон, буде літати в довільних напрямках. Будь ласка, користуйтеся кутовою шліфувальною машиною тільки за призначенням!



Первинна котушка була виготовлена у вигляді котушки мідної труби діаметром 1⁄4, ці труби зазвичай циркулюють фреон між кондиціонерами. Геометрія котушки дуже важлива, індуктивність залежить від неї, і в результаті частота коливального контуру. Для того, щоб форма строго відповідала розрахунку, розроблено неускладнену кріплення чотирьох опор. Підставки виготовлені з листового ПВХ за допомогою фрезерування з ЧПУ.


Хороший експонат є безпечним експонатом

Звичайно, це небезпечний пристрій, або досить смертельний. Давайте розглянемо всі фактори, як вони важливі.

• Якщо ви думаєте, що ви повинні боятися двометрового блиску, який летить в усіх напрямках, то знаєте, що це тільки квіти. Реальна небезпека - первинна обмотка, така недескрипційна спіраль, яка під напругою 8600 В і готова поділитися своїм струмом силою сотень міліамп. Це правильний шлях до небес. На блискавці також може викликати суттєву шкоду людині, але їх небезпека вже є наказом величини менше.
• Також варто відзначити, що під час роботи Tesla котушки створюється потужне електромагнітне поле. Це поле здатна висвітлювати газорозрядні лампи на відстані декількох метрів, а також відключення електроприладів, чутливих до перешкод в радіусі більше десяти метрів. Таким чином, навіть на значних відстанях пристрій позбавляє реальну загрозу людям з температорами.
• Крім того, робота випромінює величезну кількість озону в процесі, Вікіпедія говорить, що озону є високотоксичним газом з окислювальними властивостями, які можуть призвести до передчасної смерті. Хороша новина полягає в тому, що озону ефективно вбиває цвіль і бактерії.
• Не забудьте, що блиск не тільки видимий світло, але і ультрафіолет світла, який не особливо корисний для очей.
• Також слід зазначити, що установка генерує шум (близько 100 дБ на відстані 3 метрів). Нудота викликає дискомфорт і може також відлягати дитину.

У нас було важко завдання - перетворити смертельну інсталяцію в безпечну і захоплюючу виставу для дітей. Виявлено наступні засоби.

• Робота виставки – тільки при наявності особи, знайомого з ТБ (лідер).
• Кілька автоматів, вимикачів і магнітних тригерів. Для того, щоб напругу нанести на котушку, необхідно виконати ряд умов, зокрема, сигнал віддається від щита, ключ до якого тільки свинець має. Але навіть відвідувач може вимкнути монтаж. Крім того, сама установка закривається на реле часу після 40 секунд.
• Він був поставлений в Faraday клітку. Закривається клітка. Цей інструмент захищає від блискавки, захищає електромагнітне поле, а також виконує функції надійного паркану.
• Товщина скляної перегородки 10 мм. Скло поглинає ультрафіолетове світло, а в поєднанні з вимушеним вилученням запобігає озону від входу в зал з відвідувачами.
• Скло виступає в якості звукоізоляційного розділу, він істотно (-10 дБ) знижує рівень звукового тиску. Тим не менш, для молодших відвідувачів замовили шумопоглинаючі навушники.

Хочу відзначити, що Сергій А. власним чином інтерпретував мету кешу Faraday та скляного розділу:


«У роботі трансформатора Тесла була певна елегантність, чарівна привабливість, тому багато чого було бажати показати всім і не показати кого-небудь, тому, слідуючи його інстинктивним бажанням захистити котушку від впливу зовнішнього світу, було прийнято рішення розмістити його в кімнаті без вікон, всередині металевого клітка з дверима на замок і за стінкою товстого скла. й

Як ми отримали UMBRELLA INC

При перетворенні котушки необхідно виконати певну послідовність. По-перше, електродвигун повинен ввімкнути і перейти в режим роботи, і тільки після цього може поставлятися потужність на первинну обмотку. Для роботи з установкою, а також низкою інших алгоритмів. Щоб зібрати пристрій «на коліні» навіть не розглядався. Сформульовано ТЗ і просить допомогти в одному конструкторському бюро «Я». Нашим замовленням для них був невеликий і не на всіх цікавим, але враховуючи соціальну спрямованість проекту і невелику кількість робіт, вони домовилися виконати її безкоштовно. Ми сплачуємо тільки складові та виготовленню дощок на заводі.

Коли робота була виконана, електроніку, що посміхається солодко, приручили мені коробки дощок. Замість логотипу компанії ми знайшли скромний напис «UMBRELLA». Компанія відмовила від PR, а в електронному вигляді відмовилась від нашої вдячності.


Почати і налаштуватиВсе вирушилося за планом. Всі частини були зроблені і розміщені в своїх призначених місцях без сюрпризів. Майже не здивує. Справа в тому, що нам було бажання регулювати частоту переривань до розрядників. З цією метою було придбано частоту національного виробництва для електродвигуна. Таку ж частоту приймали кілька днів від нас, ми вписали в смішну, сумну і обструктивну історію одночасно. Мораль в тому, що краще не використовувати регулятори частоти національного виробництва. Якщо є запити у коментарях, частота буде присвячена окремому посту з оглядом та автоматичною фото.

Після відмови від оперативного контролю, установка працювала на першому старті. Теоретичні розрахунки Сергія повністю виправдані самі. Ми відрізаємо половину додаткового повороту первинної котушки і потрапила в резонанс. Всі вузли працюють нормально.



Ультрафіолет від блискавки піклується про наших обличчях, голосні рари радують серцем. Запах озону поширюють по всій площі кімнати 150 м2. Ми знаємо, що це було час, щоб закінчити роботу. Наступні запуски вирішили здійснити вже в приміщенні, з усіма узгодженими засобами захисту. Ми просто чекали будівельної роботи на обробку. Коли ремонт був завершений, нам залишилося два тижні, щоб встановити котушку Тесла, завершити всі з'єднання і перевірити систему надійності. Це був короткий проміжок часу, враховуючи, що два з трьох членів команди мали постійне завдання поза межами музею науки, і не вдалося виконати операції самостійно.

Ми перемістили обладнання, зробили всі з'єднання, всі подвійні знімки, закрили живлення до пансіонату, перетворили на всі машини, урочисто притискаючи кнопку і...
...і нічого не відбулося. Немає у всіх. При пошуку несправностей ми знайшли, що одна з етапів має напругу 60 В замість 220 В! На щастя, ми отримали доступ до всіх трьох етапів і змогли швидко від'єднатися. Для нас питання було вирішено швидко, але в будівлі, де знаходиться науковий музей, третина обладнання не працювала більше тижня.

Реальні труднощі чекали нас в контрольній одиниці Tesla котушки. Незважаючи на те, що всі в'їзди і виходи до блоку були оцинковані, і влада до розрядника була подана в окремій фазі, як тільки перша іскра стрибала в розряднику, блок управління пішов з розуму. Він відразу відключив котушку, або не відключив його на всіх, або відключив двигун. Корінь зла була високочастотним втручанням, які вийшли з котушки до дротів назад в мережу. імпульси були настільки міцними, що вони індукували перешкоди у всіх суміжних проводах. У попередніх тестах ми влаштували дроти так, щоб вони були на відстані один від одного. Тут, згідно дизайну дизайнерів, вони пройшли через загальні труби. Ми повинні внести зміни до проекту. У окрему заземлену шафу зайшли контрольний збір. Але нічого не змінилося. Ось де почався барабанний танець.

У пошуках рішень, ми спробували все, навіть вдалися до таких гомеопатичних засобів, як установка феритових кілець і пригнічників. Збільшився час і напруження.

Я взяв мій шестирічний син зі мною. Поки ми працювали, він був веселим в музеї. Нерідко я не прийшов і більшість робіт робили хлопці. Кожен розумів сімейного статусу.

На деякий момент ми приєдналися до іншої ентузіазмії, а також Сергій. Цей хлопець виявився студентом університету, але дуже розумний. Поява третього Сергія несподівано позитивно впливає на ефективність нашої компанії. За його участю ми визначили першопричину несправності. Слабкий зв'язок був входом з кнопки запуску, єдиною кнопкою, яку відвідувач повинен натиснути. Ми знову змінили проект і простягаємо кабель від кнопки до блоку управління в окремій трубі. Крім того, ми продаємо кілька компонентів на дошці. Змінено деномінацію висувних резисторів, а також одного резистора від блоку пригнічення ратутуючого контакту. Працюємо і фіксуємо проблему. Ми відсвяткували Новий рік разом у моєму домі.


Результат

Відкриття виставки відбулося 4 січня, оскільки він працює регулярно і зберігає відвідувачів. У ЗМІ були патологічні заголовки: «Наука відреставрована котушка самого Ніколи Тесла», «Зроблено найбільшу котушку Тесла в Європі», «У центрі X була кімната високих енергій», «Науки придумали ліки від раку», і т.д. Як дизайнер, я не дуже гордий проекту, я думаю, що для багатьох читачів зрозуміло, що з точки зору інженера це досить простий пристрій, виготовлений з деякими недоліками.

Але це дуже приємно, щоб запам'ятати сам процес: наші післяробочі зустрічі, обговорюючи концепції над дешевою фуршетною піцою, перший біг, витончені несправності та виграш. З якоїсь причини ці спогади перетинаються з різними подіями з раннього дитинства: як у віці 4 він зробив коротку схему в квартирі, набиваючи шпильку в гніздо, як він «фіксований» його брата рекордер, як він зробив площину з дощок і нігтів і намагався його запустити, так як він вперше взяв паяльник в руках. Здійснивши цей невеликий проект, кожен з нас вдалося реалізувати мрії та прагнення дитинства. Я хочу поділитися з вами.

P.S. І пам'ятайте, що просто змініть наше споживання – разом ми змінюємо світ!

Джерело: geektimes.ru/post/285328/