Простейшая катушка тесла. Сделай своими руками трансформатор Тесла (Tesla coil)

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

В начале ХХ века электротехника развивалась бешеными темпами. Промышленность и быт получили такое количество электрических технических инноваций, что этого им хватило для дальнейшего развития еще на двести лет вперед. И если постараться выяснить, кому мы обязаны таким революционным рывком в области приручения электрической энергии, то учебники физики назовут десяток имен, безусловно, повлиявших на ход эволюции. Но ни один из учебников не может толком объяснить, почему до сих пор умалчиваются достижения Николы Теслы и кем был на самом деле этот загадочный человек.

Кто вы, мистер Тесла?

Тесла - это новая цивилизация. Ученый был невыгоден правящей элите, невыгоден и сейчас. Он настолько опередил свое время, что до сих пор его изобретения и эксперименты не всегда находят объяснение с точки зрения современнейшей науки. Он заставлял светиться ночное небо над всем Нью-Йорком, над Атлантическим океаном и над Антарктидой, он превращал ночь в белый день, в это время волосы и кончики пальцев у прохожих светились необычным плазменным светом, из-под копыт лошадей высекались метровые искры.

Теслу боялись, он мог запросто поставить крест на монополии по продаже энергии, а если бы захотел, то мог бы сдвинуть с трона всех Рокфеллеров и Ротшильдов вместе взятых. Но он упрямо продолжал эксперименты, до тех пор, пока не погиб при таинственных обстоятельствах, а его архивы были выкрадены и местонахождение их до сих пор неизвестно.

Принцип действия аппарата

О гении Николы Тесла современные ученые могут судить только по десятку изобретений, не попавших под масонскую инквизицию. Если вдуматься в суть его экспериментов, то можно только представить, какой массой энергии мог запросто управлять этот человек. Все современные электростанции вместе взятые не способны выдать такой электрический потенциал, которым владел один единственный ученый, имея в распоряжении самые примитивные устройства, одно из которых мы соберем сегодня.

Трансформатор Тесла своими руками простейшая схема и ошеломляющий эффект от его применения, только даст понятие о том, какими методиками манипулировал ученый и, если честно, в очередной раз поставит в тупик современную науку. С точки зрения электротехники в нашем примитивном понимании, трансформатор Теслы - это первичная и вторичная обмотка, простейшая схема, которая обеспечивает питание первички на резонансной частоте вторичной обмотки, но выходное напряжение возрастает в сотни раз. В это сложно поверить, но каждый может убедиться в этом сам.

Аппарат для получения токов высокой частоты и высокого потенциала был запатентован Теслой в 1896 году. Устройство выглядит невероятно просто и состоит из:

первичной катушки, выполненной из провода сечением не менее 6 мм², около 5-7 витков;
вторичной катушки, намотанной на диэлектрик, это провод диаметром до 0,3 мм, 700-1000 витков;
разрядника;
конденсатора;
излучателя искрового свечения.

Главное отличие трансформатора Теслы от всех остальных приборов - в нем не применяются ферросплавы в качестве сердечника, а мощность прибора, независимо от мощности источника питания, ограничена только электрической прочностью воздуха. Суть и принцип действия прибора в создании колебательного контура, который может реализовываться несколькими методами:

Мы же соберем прибор для получения энергии эфира самым простым способом - на полупроводниковых транзисторах. Для этого нам будет необходимо запастись простейшим комплектом материалов и инструментов:

Схемы трансформатора Тесла

Устройство собирается по одной из прилагаемых схем, номиналы могут меняться, поскольку от них зависит эффективность работы устройства. Сперва наматывается около тысячи витков эмалированного тонкого провода на пластиковый сердечник, получаем вторичную обмотку. Витки лакируются или покрываются скотчем. Количество витков первичной обмотки подбирается опытным путем, но в среднем, это 5-7 витков. Далее устройство подключается согласно схеме.

Для получения эффектных разрядов достаточно поэкспериментировать с формой терминала, излучателя искрового свечения, а о том, что устройство при включении уже работает, можно судить по светящимся неоновым лампам, находящихся в радиусе полуметра от прибора, по самостоятельно включающихся радиолампах и, конечно, по плазменным вспышкам и молниям на конце излучателя.

Игрушка? Ничего подобного. По этому принципу Тесла собирался построить глобальную систему беспроводной передачи энергии, использующую энергию эфира. Для реализации такой схемы необходимо два мощных трансформатора, установленных в разных концах Земли, работающих с одинаковой резонансной частотой.

В этом случае полностью отпадает необходимость в медных проводах, электростанциях, счетах об оплате услуг монопольных поставщиков электроэнергии, поскольку любой человек в любой точке планеты мог бы пользоваться электричеством совершенно беспрепятственно и бесплатно. Естественно, что такая система не окупится никогда, поскольку платить за электричество не нужно. А раз так, то и инвесторы не спешат становиться в очередь на реализацию патента Николы Теслы № 645 576.

Из этой статьи вы узнаете, как сделать своими руками катушку Тесла на транзисторах средних размеров.

Шаг 1: Опасно!

В отличие от других экспериментов с высоким напряжением, катушки Теслы могут быть очень опасными. Если вас ударит током от стримеров, вы не почувствуете боли, но ваше кровообращение и нервная система могут серьезно пострадать. Не касайтесь их ни при каких обстоятельствах!

Кроме того, я не несу ответственности за причиненный ущерб вашему здоровью.

Это не означает, что вы не должны работать с высоким напряжением, хотя, если это ваш первый высоковольтный проект, лучше начать со схем хорошего трансформатора микроволновой печи и не рисковать здоровьем!

Шаг 2: Необходимые материалы

Показать еще 4 изображения

Общая стоимость сборки в домашних условиях составила около 1500 рублей, поскольку у меня уже были древесина, бутылки, ПВХ и клей.

Вторичная катушка:

Труба ПВХ 38мм (чем длиньше, тем лучше)
Около 90 метров 0.5мм медного провода
4 см ПВХ-винт (см. Рисунок)
5 см металлический фланец с резьбой
Эмаль в баллончике
Круглый, гладкий металлический предмет для разрядки

Основание:

Различные куски дерева
Длинные болты, гайки и шайбы

Первичная катушка:

Около 3м тонкой медной трубки

Конденсаторы:

6 стеклянных бутылок
Столовая соль
Масло (я использовал рапсовое. Минеральное масло предпочтительнее, поскольку оно не плесневеет, но у меня его не было).
Много алюминиевой фольги
Источник питания с высоким напряжением, например неоновый, масляный или другой трансформатор, который выдает не менее 9 кВ около 30 мА.

Шаг 3: Вторичная катушка

Зафиксируйте трубу, чтобы обернуть вокруг один конец провода. Медленно и осторожно начинайте обматывать катушку, следя за тем, чтобы вы не наслаивали провода и не оставляли пробелов. Этот шаг — самая сложная и утомительная часть, но потратив много времени, вы получите отличную катушку. Примерно через каждые 20 витков наматывайте кольцо из маскирующей ленты вокруг катушки, чтобы катушка не распуталась. По завершении зафиксируйте плотной лентой обе стороны катушки и нанесите 2-3 слоя эмали.

Подсказки:

Я построил установку для намотки моей катушки, которая состояла из мотора от микроволновки (3 об / мин) и шарикового подшипника.
Используйте небольшой кусок дерева с выемкой (как на рисунке), чтобы выпрямить провод и затянуть катушку.

Шаг 4: Подготовка основания и намотка первичной катушки

Выровняйте металлическую подставку по центру основания и просверлите отверстия для болтов. Прикрутите болты вверх ногами. Это позволит вам разместить базу для первичной обмотки поверх нее. Затем наденьте на болты основание. Возьмите медную трубку и скрутите её в форму конуса (а не так, как показано на рисунках). Затем установите получившуюся спираль на основание.

Дополнительно было добавлено 2 опоры, на которые я надел обмотку.

Забыл добавить, как сделать разрядник! Это всего лишь два болта в деревянном ящике, и они могут настраиваться и т.д. (См. последнее фото)

Шаг 5: Конденсаторы

Я решил пойти по более дешевому пути и построить конденсаторы самому. Самый простой способ — создать конденсаторы, используя соленую воду, масло и алюминиевую фольгу. Оберните бутылку в фольгу и заполните ее водой. Попытайтесь сделать одинаковое количество воды в каждой бутылке, так как это поможет сохранить стабильную мощность.

Максимальное количество соли, которую вы можете положить в воду, составляет 0,359 г / мл, но в итоге получается много соли, поэтому вы можете значительно уменьшить количество (я использовал 5 граммов на бутылку). Просто убедитесь, что вы используете одинаковое количество соли и воды в каждой бутылке. Теперь понемногу налейте несколько мл масла в бутылку. Пробейте отверстие в верхней части крышки и вставьте в него длинный провод. У вас теперь есть один полностью функционирующий конденсатор, сделайте еще 5 таких же.

Дополнительно: чтобы установить бутылки в верном порядке, найдите какой-нибудь металлический ящик.

Если вы используете неоновый трансформатор, 6 бутылок будет недостаточно. Сделайте 8-12.

Шаг 6: Соединяем все элементы

Подключите все по приложенной схеме. Земля вторичной обмотки не может быть заземлена с землей первичной обмотки, иначе ваша квартира сгорит.

Характеристики моих катушек:

599 витков на вторичной
6.5 витков на первичной

Шаг 7: Запуск!

Вынесите мини катушку Тесла на улицу для первого запуска, так как на самом деле небезопасно запускать что-либо настолько мощное в доме. Поверните переключатель и наслаждайтесь световым шоу! Мой неоновый трансформатор на 9кВ и 30 мА, заставляет катушку выдавать 15-сантиметровые искры. См. Ниже:

Есть несколько вещей, которые, как я понял, я должен изменить в устройстве катушки Тесла. В первую очередь нужно переделать первичную обмотку. Она должна быть обмотана более плотно и с большим количеством витков. Кроме того, я хочу собрать разрядник получше. У меня в планах уже есть новая катушка и она будет около двух метров в высоту!

Одним из самых распространенных изобретений Николы Тесла считается трансформатор Тесла. Работа этого устройства основана на действии резонансных электромагнитных стоячих волн в катушках. Этот принцип лег в основу множества современных вещей: , кинескопы телевизоров, зарядка устройств на расстоянии. Благодаря явлению резонанса в момент совпадения частоты колебаний контура первичной обмотки с частотой колебания стоячих волн вторичной обмотки между концами катушки проскакивает дуга.

Несмотря на всю кажущуюся сложность этого генератора, сделать его можно и самому. Технология того, как сделать катушку Тесла своими руками, содержится ниже.

Составные части и принцип работы

Трансформатор Тесла собирается из первичной, вторичной катушки и обвязки, составляемой из разрядника или прерывателя, конденсатора и терминала, служащего выходом.

Первичная обмотка состоит из небольшого числа витков медного провода большого сечения или медной трубки. Она бывает горизонтальной (плоской), вертикальной (цилиндрической) или конической. Вторичная обмотка состоит из большого числа витков меньшего сечения и является наиболее важным узлом конструкции. Отношение ее длины к диаметру должно составлять 4:1, а в основании должно располагаться заземленное защитное кольцо из медного провода, призванное сохранить электронику установки.

Так как работает трансформатор Тесла в импульсном режиме, его конструкция характеризуется тем, что в нее не входит ферромагнитный сердечник. Это позволяет снизить взаимную индукцию между обмотками. Конденсатор, взаимодействуя с первичной катушкой, создает колебательный контур с включенным в него разрядником, в данном случае газовым. Разрядник собирают из массивных электродов, а для большей износостойкости дополнительно снабжают радиаторами.

Принцип работы катушки Тесла следующий. Конденсатор через дроссель заряжается от трансформатора. Скорость зарядки напрямую зависит от показателя индуктивности. Зарядившись до критического уровня, он вызовет пробой разрядника. После этого в первичном контуре генерируются высокочастотные колебания. Одновременно с этим активируется разрядник, убирающий трансформатор из общего контура, замыкая его.

Если это не произошло, то в первичном контуре могут произойти потери, негативно влияющие на его работу. В стандартной схеме параллельно с источником питания устанавливается газовый разрядник.

Таким образом, катушка Тесла на выходе может выдать напряжение в несколько миллионов вольт. От такого напряжения в воздухе возникают разряды электричества, имеющие вид коронарных разрядов и стримеров.

Крайне важно помнить, что эти изделия генерируют токи высокого потенциала и смертельно опасны для жизни. Даже маломощные устройства способны вызывать сильные ожоги, повреждение нервных окончаний, мышечных тканей и связок. Способны вызывать остановку сердца.

Конструкция и сборка

Трансформатор Тесла был запатентован в 1896 г. и по своей конструкции прост для исполнения. Он включает в себя:

Первичную катушку с обмоткой из медной жилы сечением от 6 мм², в количестве достаточном для 5-7 витков.
Вторичную катушку из диэлектрического материала и провода диаметром до 0,5 мм и длиной достаточной для 800-1000 витков.
Полусферы разрядника.
Конденсаторов.
Защитного кольца из медной жилы, как на первичной обмотке трансформатора.

Особенность прибора заключается в том, что его мощность не зависит от мощности питающего источника. Важнее физические свойства воздуха. Устройство может создавать колебательные контуры различными методами:

с использованием разрядника искрового промежутка;
с помощью генератора колебания на транзисторах;
на лампах.

Для изготовления трансформатора Тесла своими руками потребуется:

Для первичной обмотки – 3 м тонкой медной трубки диаметром 6 мм либо медная жила того же диаметра и длины.
Для сборки вторичной обмотки необходима ПВХ труба диаметром 5см и длиной около 50 см и резьбовой фитинг ПВХ к ней. Также необходим медный, покрытый лаком или эмалью, провод диаметром 0,5 мм и длиной 90 м.
Металлический фланец с внутренним диаметром 5 см.
Различные гайки, шайбы и болты.
Разрядник.
Гладкая полусфера для терминала.
Конденсатор можно изготовить самостоятельно. Для него потребуются 6 стеклянных бутылочек, поваренная соль, рапсовое или вазелиновое масло, алюминиевая фольга.
Потребуется источник питания, выдающий 9кВ при 30мА.

Тесла проста в реализации. От трансформатора отходят 2 провода с подключенным разрядником. К одному из проводов подключаются конденсаторы. В конце расположена первичная обмотка. Отдельно располагается вторичная катушка с терминалом и заземленным кольцом защиты.

Описание того, как собрать катушку Тесла в домашних условиях:

Изготавливают вторичную обмотку, предварительно закрепив край провода на конце трубы. Наматывать следует равномерно, не допуская обрыва провода. Между витками не должны присутствовать зазоры.
Закончив, оберните обмотку в верхней и нижней частях малярной лентой. После этого покройте обмотку лаком или эпоксидной смолой.
Подготовьте 2 панели для нижнего и верхнего оснований. Подойдет любой диэлектрический материал, лист фанеры или пластика. Установите по центру нижнего основания металлический фланец и закрепите его болтами так, чтобы между нижним и верхним основаниями осталось место.
Подготовьте первичную обмотку, скрутив ее в спираль и закрепив на верхнем основании. Просверлив в нем 2 отверстия, выведите концы трубки в них. Закреплять ее следует так, чтобы исключить соприкосновение обмоток и при этом соблюсти расстояние между ними в 1 см.
Для изготовления разрядника потребуется поместить 2 болта напротив друг друга в деревянную рамку. Расчет сделан на то, что при движении они будут играть роль регулятора.
Конденсаторы изготавливаются следующим образом. Стеклянные бутылки обматывают фольгой и заливают в них соленую воду. Ее состав для всех бутылок должен быть одинаковым – 360 г на 1л воды. Пробивают крышки и вставляют в них провода. Конденсаторы готовы.
Соединяют все узлы по схеме, описанной выше. Обязательно заземляют вторичную обмотку.
Итоговое количество в первичной обмотке должно составить 6,5 витка, во вторичной – 600 витков.

Описанная последовательность действий дает представление о том, как сделать трансформатор Тесла самому.

Включение, проверка и регулировка

Первый запуск желательно производить вне помещения, также стоит подальше убрать все бытовые приборы, чтобы исключить их поломку. Помните о мерах предосторожности! Для запуска выполняют следующие действия:

Проходят по всей цепочке проводов и проверяют, чтобы нигде не соприкасались оголенные контакты, а все узлы были надежно закреплены. В разряднике между болтами оставляют небольшой зазор.
Подают напряжение и наблюдают за появлением стримера. В случае его отсутствия к вторичной обмотке подносят люминесцентную лампу или лампу накаливания. Желательно закрепить их на диэлектрике, подойдет кусок ПВХ трубы. Появление свечения подтверждает, что трансформатор Тесла работает.
В случае отсутствия свечения меняют выводы первичной катушки местами.

Если с первого раза не получилось, не отчаивайтесь. Попробуйте изменить количество витков во вторичной обмотке и расстоянием между обмотками. Подкрутите болты в разряднике.

Мощная катушка Тесла

Отличительной особенностью такой катушки являются ее размеры, сила получаемого тока и метод генерации резонансных колебаний.

Выглядит это следующим образом. После включения заряжается конденсатор. Достигнув максимального уровня заряда, происходит пробой в разряднике. На следующем этапе образуется LC контур – цепь, образованная последовательным включением конденсатора и первичного контура. Это создает во вторичной обмотке резонансные колебания и напряжения высокой мощности.

При этом нечто подобное можно собрать и в домашних условиях. Для этого следует:

Увеличить в 1,5-2,5 раза диаметр катушки и сечение провода.
Изготовить терминал в форме тороида. Для этого подойдет алюминиевая гофра диаметром 100 мм.
Заменить источник постоянного на источник переменного тока, выдающий 3-5кВ.
Сделать надежное заземление.
Убедиться в том, что ваша проводка выдержит такую нагрузку.

Такие трансформаторы могут генерировать мощность до 5кВт и создавать коронарные и дуговые разряды. При этом максимальный эффект достигается при совпадении частоты обоих контуров.

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: