乾貨| 教你 DIY 特斯拉「磁暴線圈」

2021-01-11 電子工程世界

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注意:此教程僅供參考,如DIY請注意用電安全。

特斯拉線圈又叫泰斯拉線圈,因為這是從"Tesla"這個英文名直接音譯過來的。這是一種分布參數高頻串聯諧振變壓器,可以獲得上百萬伏的高頻電壓。傳統特斯拉線圈的原理是使用變壓器使普通電壓升壓,然後給初級LC迴路諧振電容充電,充到放電閾值的,火花間隙放電導通,初級LC迴路發生串聯諧振,給次級線圈提供足夠高的勵磁功率,其次是和次級LC迴路的頻率相等,讓次級線圈的電感與分布電容發生串聯諧振,這時放電終端電壓最高,於是就看到閃電了。通俗一點說,它是一個人工閃電製造器。 在世界各地都有特斯拉線圈的愛好者,他們做出了各種各樣的設備,製造出了眩目的人工閃電,十分美麗。


先來看些效果圖吧,看看這些特斯拉線圈愛好者們的傑作:





 

上面的圖片充分的展示了特斯拉線圈的「人造閃電」的魅力,就是這神一般的魔力,吸引著許多人來追尋這種美麗的火花,感受人類最初對」天火」那分震撼。


特斯拉線圈的製作前的準備和注意事項:


整個製作我們以變壓器功率為1000w的中型特斯拉線圈為設計標準。(放電距離:>=120cm)(備註:特斯拉線圈的放電距離和功率成正比)。


1:高壓變壓器 1000W 輸入220V 輸出10KV

2:大量無極電容,如用:

0.047uf (1000v~1600v)的cbb電容需要準備100隻左右,有大容量的高壓電容請自己換算。

3:直徑13釐米長1米的聚氯乙烯管(壁厚0.6-1釐米),pvc管材也將就,厚0.8釐米的絕緣板材(不能是木頭!最好塑料)大約2.5平米,厚0.5釐米的絕緣板材(非木!)大約1.5平米,這些都可在家庭裝飾城(就是那些買塗料,板材,工具等的那種大市場裡)買到。

4:導線,多芯銅導線,1000v50A大約6米;10kv1A導線3米。

5:耐壓漆包線,內徑0.5mm 900米長。

6:直徑0.8釐米的銅管(壁厚1mm以上)長8米,直徑3釐米厚>1mm長1米的銅管可在汽車配件或五金等地買到。

7:電手鑽,螺絲刀,手鋸,鉗子等工具,普通螺絲,塑料螺絲,環氧樹脂膠,鋼尺等。

8:用於燃氣熱水器的排氣管(金屬製作,可彎曲,直徑在10釐米以上)製作後期計算得到長度。

 

雖然按照本文設計的是一個」標準」特斯拉線圈,製作者不必花很多精力和時間在它的原理和計算上面,但是出於對特斯拉的尊敬和方便製作者製作其它規格的特斯拉線圈,還是大致了解一下這裡面的原理和計算方法比較好。還有,製作一個特斯拉線圈是會對你的動手能力和電工知識都有提高的好活動。



涉及到特斯拉線圈的一些計算公式:


電弧長度:電弧長度 L(單位:英寸);變壓器功率 P (單位:瓦特);L=1.7*sqrt(P)(sqrt為開方)。

 

電容陣容量:變壓器輸出電壓(交流)E(單位:伏特); 變壓器輸出電流 I(單位:毫安); 電容器陣列最大容量C(單位:微法) ; 交流頻率F(單位:赫茲) C=(10^6)/(6.2832*(E/I)*F) [電容的大小涉及到與變壓器功率的一個匹配問題,當電容過大時在交流上升到頂點時(即sqrt (2)*V時,電容電壓過低無法擊穿打火器的空氣隙則打火器無法啟動就無法工作,整個系統也就無從啟動 ]。


電容陣的計算就是電容的簡單串、並聯,初中就學過,在此就不提了。例如當變壓器功率為1000w時,輸出電壓為10000v(交流),那麼電容匹配為 0.0318uf,手頭有電容規格為:0.047uf (1000v~1600v),再取保險一點到耐壓1500v則需要電容陣列安排如下:15個電容串聯成一個基本鏈(BC);再10個這樣的基本鏈並聯而成(J),共需要電容150個,若每支電容分壓降為630V(這樣可以大幅度延長電容壽命),則:24–BC,16–J,共需384支電容。

 

其他:震蕩頻率:F = 1/(2*Pi*sqrt(L*C))。

 

主線圈相關計算如下圖



次極線圈相關計算如下圖

 

 

放電終端相關計算如下圖

 

特斯拉線圈的主線圈部分


在本特斯拉線圈的設計中主線圈採用銅管繞製成蚊香狀。銅管是用於汽車,供熱,中央空調中的那種管壁較厚的承壓銅管.直徑8毫米大約繞制9-10匝 (大約需要9米)。

 

銅管如下圖(要儘可能選擇外表光滑無鏽無傷的):

 

 

銅管盤成如下圖:

 


這樣盤成的主線圈可以適用於6英寸到8英寸的次極線圈(盤銅管很費時間,也滿費勁,但是不要圖快,要儘可能盤的圓滑),還需要5毫米厚的軟塑料板(非脆性塑料)做主線圈支架,將其按等距離打眼(要打成9毫米的眼,要不穿不進去) 底座選用普通中密度板就可以了,這個底座還有用,將來底下要放其它東西。也儘可能加工好,接下來把銅管和塑料支架穿起來。

 

主線圈支架如圖:

 

 

銅管和塑料支架穿起來如圖 :

 

 

內圈接頭部分,將中密度底版在相應地方開孔引出一個接頭如圖:

 

 

 

再找一截銅管做為接地保險,注意,不可閉合!如圖安裝:




電容陣列的製作

在特斯拉線圈中,有一個好的電容是非常重要的。電容的核心地位是由於所有電弧的能量都是由電容直接提供的,這顯然比較奇特,也反映出了特斯拉其人的天才之處。由於高壓電容很難買到,價格昂貴,所以現在一種普遍的做法是通過對普通無極性電容進行串聯和並聯來達到所需的耐壓和容量。


需要準備的材料:

1.無極性電容,(聚乙烯,聚丙烯,CBB電容等)一般常見高壓電容規格主要有:1600v-0.047uf ,1600v-0.068uf兩種;電阻10兆歐(1000000ohm),大量如下圖:

 


2.有機玻璃板


3.塑料螺絲

 

步驟:

首先計算所需要的電容個數和排列方式,根據以前提到的變壓器匹配計算得到電容量為0.0318uf/10kv,手頭電容規格為1600v-0.047uf,(此處注意:電容的耐壓標示都是直流,而且電容器交流耐壓與電容材質等多種因素有關,不能簡單認為只要將直流耐壓值除以1.414 就得到交流耐壓值.),從壽命和安全性角度出發,建議將每電容分壓值定為450v則得到整個電容陣構成為:22串一鏈,共14鏈並聯,一共308支電容電阻,電阻的用途是為了當停止使用時對電容中的殘留電荷進行放電,使用方法就是每支電容都要並聯一支10兆的電阻(1/4~1/2W )。


安全提示:若沒有放電電阻,則電容陣中儲備的能量將可能存在很久而對人身造成傷害!

 

下圖顯示了一個電容鏈,它是蛇行排布的:

 

 

注意!電容之間不要緊密接觸!要留有一定空隙,層與層之間要用4mm厚的有機玻璃隔離,每層包含兩個鏈,固定使用塑料螺絲(一般都叫尼龍螺絲),每層都有各自的接口使之成為獨立可使用的單元,如圖:

 

 

 

 

次極線圈的製作

特斯拉線圈中的次極線圈是整個特斯拉線圈中製作最耗時耗神的部分。需要如下材料:

1.高質量漆包線,(一定要買好的,目前我國的漆包線質量普遍低下,目前就我所知只有一家企業獲得國際認證),線的直徑從以下選擇:1.0.51mm 或0.57 mm


2.聚氯乙烯管材,直徑15釐米,最少2米,厚度自己感覺結實就好,(一般能買到的大約在4-8mm厚)。


3.要用木頭製作一個繞線架.還要製作兩個圓片用來穿在圓筒兩邊,再在圓片中間打眼,穿入中心軸,架到線架子裡面就可以繞線了。一圈一圈的繞,大約繞900~1000匝就適合本系統了。整個繞線過程大約7-8小時吧,所以在中間休息時一定要把已繞好的部分固定好,免得前功盡棄。繞線時要注意不要使線打結,不要用兩根線接起來使用,市面上夠長度的漆包線不大好找,(大約在500m),但是整卷的線似乎比較貴,所以就看製作者的選擇了,最好有這方面的關係朋友幫忙。


圖例:


聚氯乙烯管材:

 

 

高質量漆包線:

 

 

固定圓桶的圓盤:

 

 

繞線架上的次極線圈:

 

 

次極線圈下接頭(接地線):

 

 

次極線圈上接頭(接放電終端):




製作打火需要以下材料:


1.200mm直徑pvc管材,長400mm

2.90mm長,直徑20mm銅管若干

3.雙頭螺絲若干(是銅管數目兩倍)

 

 

打火器其實相當於一個開關器,未打火時能量由變壓器傳遞到電容陣,當電容陣充電完畢時兩極電壓達到擊穿打火中的縫隙的電壓時,打火器打火,此時電容陣與主線圈形成迴路,完成L/C振蕩進而將能量傳遞到次極線圈。

 

製作步驟:


先將銅管打眼。

 


2.再在pvc管上打眼後,將銅管固定在pvc管內部 (每個銅管與銅管之間的縫隙大約控制在1mm)。

 

 

3.組裝好。

 

 

為了根據需要調整放電縫隙,每相伶螺栓代表1mm的放電縫隙(螺栓即為接線柱)這樣安裝只要變換接線柱就可以很方便的根據你的設計電壓進行調整了。


注意:打火器工作時將會產生很大的熱量,而且往往集中在很小的面積上,所以散熱設備必須很強大!一 般採用小型立式風機如圖(就那種吹婚禮拱門的):一般都在幾百瓦,風量足。只要注意在進風口加上簡單的空氣過濾裝置防止大灰塵就可以了。一般不加風機散熱,特斯拉線圈工作幾十秒後就可能導致打火器高溫變形,加入風機後,一般可以把整個特斯拉線圈的工作時間延長致十幾分鐘。另外,經常在使用後對打火進行清理,去掉電渣和灰塵。

在這部分的製作比較簡單和隨意,我這裡介紹一種比較成熟和簡易的製作方法,也就是最常見的圈型放電終端(因為這和我的程序相對應,更加方便了計算)。


主要材料:

1、4寸直徑的燃氣熱水器通風管,(就是那種全金屬的可彎管,家裡有燃氣熱水器的一看便知)。

 


2、7寸直徑的平底金屬盤(用來做派的),其他類似金屬物也可,關鍵1.平底 2.金屬。

 


3、包裹金幣巧克力的那種較厚的鋁箔。


首先將平底金屬盤底對底用螺絲固定如上圖,接著將鋁管盤成圈狀,使其正好能卡在平底金屬盤製作的骨架上,鋁管的接口口處用鋁箔封口,接線點定位在平底金屬盤骨架中心,組裝好成品,至此特斯拉線圈的所有重要部分已經完成。

 

 

 

 

關於特斯拉線圈的製作其實還有不少需要注意的事情,其中:


1:次極線圈的骨架既那個聚乙烯圓桶的饒線部分是有要求的,一般來說,饒線直徑和饒線部分桶長比例在1:4左右。


2:主線圈的底版可以用一些稍微便宜的材料製作,因為對它的要求不高,當然最好所有的塑料板材都能用雅克力板製作,這樣有結實又漂亮。


3:打火器的製作其實有很多方法,關鍵要注意的是:a.放電部件要導熱快;b.放電部件厚度要足夠;c由於打火器更換頻率最高。所以設計要以容易更換,價格便宜為主。


4:關於高壓電容,前些天見到微波爐內部有一種高壓電容規格為2100AC/1uf且內部集成放電電阻的電容,看來如果使用這種電容也是一個不錯的方案。

 

5:關於主變壓器,一般難以購買,可以去當地電子市場詢問是否可以定做,如果沒有,可以購買霓虹燈電源。在國外特斯拉線圈愛好者中使用比較多,還有就是採購日本二手110VACin–6300vACout變壓器兩個串聯使用。


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