Как мы для музея науки сделали катушку Тесла

Экология потребления.Наука и техника:описание конструкции мощной катушки Тесла, но и немного о мужской любви к науке, энтузиастах и о том, как рождаются и реализовываются социальные проекты.

В 2016 году мне предложили принять участие в проекте по созданию мощной катушки Тесла для музея науки в родном городе. Отказаться означало бы предать свои идеалы и собственных детей, которые обожают научные опыты. Далее не только описание конструкции получившегося прибора, но и немного о мужской любви к науке, энтузиастах и о том, как рождаются и реализовываются социальные проекты.

Предыстория

Это история о людях. Кто не любит истории о людях, может спокойно пропустить этот раздел.

Вначале немного о себе. Меня зовут Артем. Сейчас я работаю конструктором в одной частной фирме, но по образованию — физик, а методика преподавания физики детям является моим увлечениям. Четыре года назад я был полностью погружен наукой, работал в “Лаборатории методики преподавания физики” родного университета, проводил курсы повышения квалификации для учителей всей области, был соведущим кружка “Юных физиков” для детей от 5 лет, а также работал учителем физики и развивал авторский сайт.

Именно тогда в Украине впервые начали проводиться Научные пикники. Это прекрасное мероприятие по популяризации науки, когда университеты, лаборатории, исследовательские центры выходят на площадь вместе с физическими экспонатами, жидким азотом, скелетами и манекенами, микроскопами, телескопами, редкими насекомыми и летучими мышами. В общем, каждый выставляет то, чем занимается и что будет интересно для остальных. Разумеется, в Научном пикнике приняли активное участие и лаборатория, и школа, и кружок, где я работал.

Там я познакомился с одним из организаторов пикника — Сергеем. Этот парень мечтал о музее науки для нашего города и убеждал меня, что если не опускать руки и быть активным, то все обязательно получится.

Так оно и случилось, Научный пикник имел ошеломительный успех, на основании такого положительного результата университет решил дать зеленый свет команде Сергея и щедро выделил под музей некоторые помещения внушительной площади.

Это было, наверное, самое романтичное время. Почти без финансирования попытка сделать из разрушенных помещений музей науки за месяц-два выглядело безумием. Но Сергей не унывал, он носился, как метеорит, латая дыры в полу, завешивал стены без ремонта тканью, изготавливал перегородки и подставки для будущих экспонатов. Сергей проявил поразительную целеустремленность и волю, а также замечательные организационные способности. Наша лаборатория, как и многие другие, помогала проекту демонстрационными приборами и идеями бюджетных, но увлекательных экспонатов.

Музей благополучно открылся, а я уехал с женой и детьми в Черногорию. Там я тоже организовал кружок по астрономии и физике, но основным местом работы уже стал конструкторский отдел.

В прошлом году я вернулся в Украину. Сергей сделал мне экскурсии по обновленному музею. За два года музей сделал ремонт, в несколько раз увеличил экспонатную базу и значительно разросся по занимаемой площади. Было невероятно приятно обнаружить работающим один из демонстрационных приборов — “оптический стол”, который своими руками собирал еще на рассвете проекта.

Сергей рассказал о желании раздобыть для музея “катушку Тесла”, он не только нашел продавца, но договорился с одной замечательной компанией “Х” о спонсировании проекта и даже успел получить деньги. Однако, непосредственно перед продажей, продавец решил увеличить цену в два раза. Разумеется, общение на этом было завершено. А Сергей оказался в незавидном положении.

Спустя некоторое время Сергей позвонил мне и сообщил, что нашел какого-то паренька, который уже собрал несколько небольших катушек Тесла, и готов попробовать собрать катушку покрупнее. Но ему нужна помощь с механикой. Ненавязчиво мне предложили присоединиться к проекту без права отказаться.

Предстояла встреча с этим “тесластроителем”, которого, кстати, тоже звали Сергеем. Вполне очевидно, что он был каким-то фриком, у которого мания к катушкам Тесла, а идея фикс — большая Катушка. Но как только мы начали обсуждать проект, пошли нестыковки с представляемым (мне кажется тут нужно вставить “мною”) образом. Собеседник начал последовательно излагать конструкцию прибора, не повторялся, не говорил ничего лишнего. Все физические термины употреблялись правильно, а физическим явлениям давалась верная трактовка. На все вопросы звучали внятные и логически обоснованные ответы. Оказалось, что я общаюсь адекватным преподавателем известного технического вуза, который действительно увлекается катушками Тесла.

Сергей оказался обладателем такого ценного качества, как скрупулезность. За что сразу завоевал глубокое уважение. Он долго и тщательно подготавливал свое рабочее место, подбирал заранее инструмент и обустраивался, все контакты он всегда, абсолютно всегда, тщательно лудил. Если в спешке выполнить не качественное соединение, то Сергей промолчит, а потом тихонько возьмет и исправит. Может показаться, что такая щепетильность излишняя, но на самом деле она экономит огромное количество времени. Ведь за весь период работы мы ни разу не столкнулись с ошибкой неправильной сборки. Чтобы не путаться среди Сергеев, далее будем называть его Сергеем А., а первого — Сергеем В.
 

Что такое катушка Тесла?

Я попросил Сергея А. (автора катушки) собственнолично рассказать о катушке. Весь текст в этом разделе принадлежит ему:
 

В конце 19-го и начале 20-го веков Никола Тесла проводил эксперименты с высоковольтными высокочастотными резонансными трансформаторами без ферромагнитного сердечника (воздушный трансформатор). Этот вид трансформаторов впоследствии был назван трансформатором Теслы или катушкой Тесла.

В настоящее время трансформатор Тесла является скорее игрушкой для тех, кто увлекается DIY и желает заиметь в своей коллекции что-нибудь эдакое, чем устройством, имеющим определенную сферу применения. Нечасто в одной несложной конструкции может сочетаться столько физических явлений. К тому же не найдется такого человека, которого катушка Тесла не сможет удивить видом своих электрических разрядов.

Зачем нужны катушки Тесла? В первую очередь, для образовательных целей. Ведь здесь затрагивается множество тем:

• в статике – изучение теории, знакомство с электрическими компонентами, чтение схем, научиться пользоваться мультиметром и использовать симуляторы электрических схем, наконец, понять различие между индуктивностью и емкостью;
• в динамике – электрические колебания, резонанс напряжений, передача энергии, ионизация, природа плазмы, свойства электромагнитного излучения, воздействие тока на живого человека.

Если вы хотите заряжать устройства без проводов, производить впечатление на случайных незнакомцев и вам нравится запах горелой электроники или озона, то это повод собрать себе настольную катушку Тесла, тем более что это дешевле, чем ходить на свидания.

«Построить катушку Тесла — это то, что следует сделать каждому хотя бы один раз»© – какой-то парень.

Первый резонансный трансформатор был построен Николой Тесла в 1891 году и, по сути, являлся беспроводным телеграфом. Принцип работы прямолинеен: необходимо зарядить высоким напряжением большой конденсатор, а затем разрядить его через катушку индуктивности, роль которой выполняет первичная обмотка трансформатора, при этом необходимо замкнуть энергию в образовавшемся колебательном контуре.

Вследствие резонанса напряжений в первичном контуре амплитуда колебаний возрастет, при этом часть энергии будет передана вторичной обмотке трансформатора (что характеризуется коэффициентом связи между обмотками), последняя вместе с металлический тороидом также образуют колебательный контур.

Дальше процесс может быть описан аналогично раскачиванию качели: если толкать качели в нужный момент, то скоро они начнут подлетать очень высоко, это и будет напряжением на выходе из катушки Тесла. Когда напряжение становится настолько высоким, что воздух для него перестает быть диэлектриком, вся накопленная энергия образует электрический разряд, или стример.

На протяжении многих лет в конструкцию трансформаторов Теслы вносились изменения, благодаря чему на сегодняшний день существует несколько топологий устройства, обладающих схожим принципом работы, при этом различающиеся на компонентном уровне.

SGTC (Spark Gap Tesla Coil) – трансформатор Тесла на разряднике. Является классическим исполнением, применяемым самим Николой Тесла. В качестве ключевого элемента используется два контакта произвольной формы, между которыми возникает электрический разряд. Конструктивно состоит всего из 6 элементов и работает часто с первого раза. Правда, в маломощных исполнениях ждать красивых разрядов не приходиться, но позажигать лампочки на расстоянии или полюбоваться коронарным свечением — пожалуйста.

Производной этой топологии является вид ARSGTC (Asynchronous Rotary Spark Gap Tesla Coil), где в качестве коммутирующего ключа применяется вращающийся электродвигатель, замыкающий контакты и быстро рвущий образовавшуюся электрическую дугу, что позволяет получить наибольшую длину разрядов при относительно небольшой входной мощности. Данный тип и был нами взять для повторения.

VTTC (Vacuum Tube Tesla Coil) – трансформатор Тесла на радиолампах. Требует работы с высокими анодными напряжениями и не рекомендуется для новичков.

SSTC (Solid State Tesla Coil) – трансформатор Тесла, в котором в качестве ключей используются полупроводниковые компоненты. Наиболее распространено применение транзисторов MOSFET или IGBT (не путать с LGBT). Благодаря использованию современной компонентной базы катушками этого типа можно легко управлять, модулируя частоту молний внешним источником сигнала, например музыкой.

DRSSTC (Dual Resonant SSTC) – катушки Тесла с двойным резонансным контуром. Топология значительно сложнее в изготовлении, чем ее предшественница, но это компенсируется улучшенным соотношением длины разряда к длине вторичной обмотки.

QCWDRSSTC (Quasi-Continuous-Wave DRSSTC) – вариант катушек Тесла с двойным резонансным контуром, но способной производить характерные только для этой топологии длинные прямые молнии, иногда в 10 раз превышающие длину вторичной обмотки.

А еще существуют биполярные катушки Тесла, но об этом в другой раз.

Как видите, катушки Тесла бывают на любой «вкус и цвет», и любой желающий может выбрать себе такую, какую захочет. За последние годы рынок постарался удовлетворить возросший спрос радиолюбителей и экспериментаторов на трансформаторы Теслы, и теперь даже на AliExpress есть наборы, из которых в домашних условиях можно собрать рабочее устройство.

Не в качестве рекламы, но стоит упомянуть группу энтузиастов, которые в начале 2013 года запустили компанию на Кикстартере (что в свое время освещалось) и, успешно собрав необходимую сумму, до настоящего времени продолжают работу над проектом, имеющим название OneTesla. Что его качественно отличает от других проектов — так это открытая документация и схемы, где желающий может, следуя инструкциям, собрать в домашних условиях музыкальную катушку по топологии DRSSTC. Руководствуясь именно инструкциями с сайта OneTesla, я и собрал себе первую рабочую катушку.

Напоследок хочу заметить, что сделать рабочую катушку Тесла очень просто, но сделать такую, чтобы ее не стыдно было показать, все же очень и дорого и трудоемко.

Наш выбор «Old school»

Для любителей циферок — краткое техническое описание нашего экспоната от Сергея А.
 

Для работы катушки Тесла нужен высоковольтный источник питания, и чтобы сэкономить время на намотку собственного трансформатора, было принято решение воспользоваться готовым. Таким образом в схеме питания задействовано 4 трансформатора от микроволновых печей в последовательном подключении со средней точкой, преобразующие сетевые 220 вольт в напряжение 8600 вольт.

Для обеспечения их охлаждения и во избежание межвитковых пробоев все 4 трансформатора были погружены в синтетическое моторное масло.

В качестве рабочей емкости использовалась батарея из 5 веток по 9 последовательно соединенных конденсаторов (MMC), то есть 45 конденсаторов емкостью 0,1 мкФ и напряжением 2 кВ дали емкость 55 нФ с напряжением 18 кВ. А также использовались коммутирующие провода калибра 8 AWG, медная трубка диаметром 6,35 мм в качестве первичной обмотки с 6 ½ витками. 1000 витков медной проволоки сечением 0,5 мм на вентиляционной трубе диаметром 10 см образует вторичную катушку с длиной намотки 56 см. Тороид выполнен из алюминиевой вентиляционной трубы диаметром 11 см.



Расчетная резонансная частота первичного контура, а затем подтвержденная с помощью генератора импульсов и частотомера, составила 220 кГц. Резонансная частота вторичного контура по расчету и измерениям составляет около 250 кГц, но в момент возникновения стримера, благодаря электрической емкости самого разряда, частота колебаний снижается, и происходит попадание в резонанс между первичным и вторичным контурами, что приводит к увеличению длины молний.

А теперь, о механической составляющей

Имеющийся бюджет не позволял сильно разгуляться. Количество фрезерных и токарных работ пришлось свести к минимуму. Все неответственные детали изготавливались нами собственноручно.

Диск разрывателя был выполнен из текстолита толщиной 8 мм. На диске находится 6 контактов, которые замыкают разрядник. Диск находится на оси двухполюсного асинхронного двигателя мощностью 0,37 кВт. Частота вращения двигателя составляет 2800 об./мин. Учитывая, что за один оборот происходит 6 замыканий, мы получаем 280 замыканий в секунду.



В интернете можно найти работы настоящих маньяков, которые ставят диск разрядника на вал угловой шлифовальной машины:



Подобные решения подкупают своей простотой, но совсем не совместимы с таким понятием, как техника безопасности. Шлифовальная машинка ненадежно крепится к основанию при помощи хомута вокруг ручки. Электроды на диске сильно перегреваются, так как имеют маленькие время и площадь охлаждения. Диск вращается с частотой 4000-6000 об./мин! Это хрупкое равновесие легко нарушить, и тогда раскаленные электроды, как шрапнель, разлетятся в произвольных направлениях. Прошу вас, пользуйтесь угловой шлифовальной машиной только по назначению!



Первичная катушка изготавливалась в форме спирали из медной трубки диаметром ¼”, по этим трубам обычно циркулирует фреон между блоками кондиционера. Геометрия катушки очень важна, от нее зависит индуктивность, а как следствие — и частота колебательного контура. Чтобы форма строго соответствовала расчетной, были разработано незамысловатое крепление из четырех опор. Опоры были изготовлены из листового ПВХ при помощи ЧПУ фрезеровки.
 

Хороший экспонат — безопасный экспонат

Разумеется, катушка Тесла является опасным устройством, правильнее даже сказать смертельно опасным. Рассмотрим все факторы по мере их важности.

• Если вы подумали, что надо бояться двухметровых молний, которые летят во всех направлениях, то знайте, это только цветочки. Настоящую опасность представляет первичная обмотка, такая невзрачная спиралька, которая находится под напряжением 8600 В и готова поделится своим током с силой в сотни миллиампер. Нечаянно прикоснутся к ней — верный путь на небо. Молнии тоже могут нанести существенный вред человеку, но их опасность уже на порядок меньше.
• Стоит также упомянуть, что в процессе работы катушка Тесла генерируется мощное электромагнитное поле. Это поле способно на расстоянии до нескольких метров зажигать газоразрядные лампы, а также в радиусе более десяти метров выводить из строя чувствительные к помехам электроприборы. Таким образом, даже на значительных расстояниях прибор несет реальную угрозу людям с кардиостимуляторами.
• Кроме того, в процессе работы выделяется огромное количество озона, в Википедии написано, что озон — высокотоксичный газ, обладающий окислительными свойствами, который может привести к преждевременной смерти. Хорошая новость заключается в том, что озон эффективно убивает плесень и бактерии.
• Не стоит также забывать, что молнии светят не только видимым светом, но и ультрафиолетом, который не особо полезен для глаз.
• Также необходимо учесть, что установка генерирует шум (порядка 100 Дб на расстоянии 3 метров). Шум вызывает дискомфорт, а также может испугать ребенка.

Перед нами стояла непростая задача — превратить смертельно опасную установку в безопасный и увлекательный экспонат для детей. Было определены следующие средства защиты.

• Работа экспоната — только в присутствии человека, ознакомленного с ТБ (ведущего).
• Множественные автоматы, размыкатели и магнитный пускатель. Чтобы на катушку было подано напряжение, должно быть выполнено ряд условий, в частности, подан сигнал из щитка, ключ к которому имеет только ведущий. А вот обесточить установку может даже посетитель. Кроме того, установка отключается сама по реле времени через 40 с.
• Установку поместили в клетку Фарадея. Клетка имеет собственное заземление и закрывается на замок. Данное средство защищает от молний, экранирует электромагнитное поле, а также выполняет функции надежного ограждения.
• Перегородка из закаленного стекла толщиной 10 мм. Стекло поглощает ультрафиолет, а также, в комплексе с принудительной вытяжкой, предотвращает попаданию озона в зал с посетителями.
• Стекло выступает в качестве звукоизоляционной перегородки, оно значительно (-10 Дб) снижает уровень звукового давления. Тем не менее, для маленьких посетителей были дополнительно заказаны шумоподавляющие наушники.

Хочу заметить, что Сергей А. по-своему трактовал назначение клетки Фарадея и стеклянной перегородки:
 

“В работе трансформатора Теслы прослеживалась некая элегантность, магическая притягательность, настолько, что его одновременно хотелось и показать всем, и не показывать никому, поэтому, следуя своему инстинктивному желанию обезопасить катушку от воздействий внешнего мира, было принято решение разместить ее в помещении без окон, внутри металлической клетки с дверью на замке и за стеной из толстого стекла”.

Как мы попали в UMBRELLA INC

При включении катушки должна выполняться определенная последовательность. Вначале должен включиться и выйти на рабочий режим электродвигатель, и только после этого может подаваться питание на первичную обмотку. Мы нуждались в блоке управления, который бы обеспечил простой запуск установки, а также выполнял бы ряд других алгоритмов. Собирать устройство “на коленке” даже не рассматривали. Сформулировали ТЗ и обратились за помощью в одно конструкторское бюро “Y”. Наш заказ для них был мелким и совсем не интересным, но, учитывая социальную направленность проекта и малый объем работ, они согласились выполнить его безвозмездно. Мы оплатили только компоненты и изготовление плат на заводе.

Когда работа была завершена, электронщик, мило улыбаясь, протянул мне коробочки с платами. Вместо логотипа фирмы мы нашли скромную надпись “UMBRELLA”. Фирма отказалась от пиара, а электронщик от нашей благодарности.
 

Пуск и наладка

Все шло по плану. Все детали были изготовлены и становились на предназначенные им места без сюрпризов. Ну почти без сюрпризов. Дело в том, что у нас было желание регулировать частоту прерываний на разрядники. С этой целью для электродвигателя был приобретен частотник национального производства. Этот самый частотник отобрал у нас несколько дней работы, мы были втянуты в смешную, грустную и поучительную историю одновременно. Мораль сводилась к тому, что лучше не использовать частотные регуляторы национального производства. Если будут запросы в комментариях, частотнику будет посвящен отдельный пост с обзором и фотографиями вскрытия.

После отказа от частотного регулирования, установка заработала при первом же пуске. Теоретические расчеты Сергея полностью себя оправдали. Мы обрезали пол лишних витка первичной катушки и попали в резонанс. Все узлы работали штатно.

Когда ремонт помещения был завершен, у нас оставалось лишь две недели, чтобы установить катушку Тесла, выполнить все подключения и протестировать систему на надежность. Это был маленький срок, учитывая, что двое из трех членов команды имели постоянное место работы за пределами музея науки, а выполнять какие-либо операции в одиночку было нельзя.

Мы перенесли оборудование, выполнили все подключения, все перепроверили, подали питание на платы управление, включили все автоматы, торжественно нажали на кнопку и…
…и ничего не произошло. Вообще ничего. При поиске неисправностей обнаружили, что одна из фаз имеет напряжение 60 В вместо 220 В! К счастью, мы имели доступ ко всем трем фазам и смогли быстро переподключиться. Для нас вопрос решился быстро, а вот в здании, где располагается музей науки, треть оборудования не работала больше недели.

Настоящие трудности поджидали нас в блоке управления катушкой Тесла. Несмотря на то, что все входы и выходы к блоку были гальванически развязаны, а питание к разряднику подавалось по отдельной фазе, как только в разряднике проскакивала первая искра, блок управления сходил с ума. Он или сразу выключал катушку, или не выключал ее вообще, или выключал двигатель. Корень зла крылся в высокочастотных помехах, которые шли от катушки по проводам обратно в сеть. Импульсы были настолько сильны, что индуцировали помехи во всех соседних проводах. В предыдущих тестах мы раскладывали провода так, что они шли на удалении одни от других. Здесь же, согласно проекту дизайнеров, они шли по общим трубам. Нам пришлось внести изменения в проект. Мы вынесли плату управления из общего щита в отдельный заземленный шкаф. Но это ничего не изменило. Вот тут и начались танцы с бубном.

В поисках решений мы перепробовали все, даже прибегали к таким гомеопатическим средствам, как установка ферритовых колец и супрессоров. Время шло, а напряженность возрастала.

Периодически я брал своего старшего шестилетнего сына с собой. Пока мы работали, он весело проводил время в музее. Часто я не приходил, и большую часть работы ребята делали сами. Все с пониманием относились к моему семейному статусу.

В определенный момент к нам присоединился еще один энтузиаст, которого также звали Сергей. Этот парень оказался студентом университета, но весьма толковым. Появление третьего Сергея неожиданно положительным образом сказалось на эффективности нашей компании. С его участием мы установили основную причину неисправности. Слабым звеном оказался вход от кнопки пуска, единственной кнопки, которую должен нажимать посетитель. Мы еще раз изменили проект и провели кабель от кнопки к блоку управления в отдельной трубе. Дополнительно мы перепаяли несколько компонентов на плате. Изменили номиналы подтягивающих резисторов, а также одного резистора из блока подавления дребезга контакта. Эта мера сработала, и проблему мы устранили. Со спокойной душой мы встретили Новый Год вместе у меня дома.
 

Результат

Открытие экспоната произошло 4 января, с тех пор он штатно работает и развлекает посетителей. В СМИ появились пафосные заголовки: «Ученые восстановили катушку самого Никола Тесла», «Заработала самая большая катушка Тесла в Европе», «В центре Х появилась комната высоких энергий», “Ученые изобрели лекарство от рака” и т. д. Как конструктор, я не испытываю особой гордости по проекту, думаю, что для многих из читателей понятно, что с инженерной точки зрения это довольно простое устройство, выполненное к тому же с некоторыми огрехами.

Но очень приятно вспоминать сам процесс: наши встречи после работы, обсуждение концепций за дешевой буфетной пиццей, первый запуск, утомительную борьбу с неполадками и победы. Почему-то эти воспоминания пересекаются с разными событиями из раннего детства: как в 4 года сделал короткое замыкание в квартире, запихнув шпильку в розетку, как «починил» магнитофон брата, как из досок и гвоздей смастерил себе самолетик и пытался его запустить, как впервые взял в руки паяльник. Реализовав этот маленький проект, каждому из нас удалось воплотить мечты и чаяния детства. От этого мне становится очень тепло и приятно на душе, чем и хочу поделиться с вами. опубликовано econet.ru