Cómo fabricamos la bobina Tesla más grande de Rusia

Antecedentes historicos

El siglo XIX fue una especie de era del salvaje oeste en la física experimental del electromagnetismo. Robert Van de Graaff, Lord Kelvin, Nikola Tesla y muchos otros científicos, investigadores e ingenieros descubrieron más y más fenómenos nuevos, y luego escalaron sus instalaciones a enormes tamaños. Algunas de sus creaciones aún funcionan, por ejemplo, el generador gigante Van de Graaff de seis metros en el Museo de Ciencias de Boston , y algunas, como la conocida torre Wordencliff, nunca han nacido.



Con el tiempo y el desarrollo de la ciencia y la tecnología, la atención de los científicos cambió a otras direcciones, pero los entusiastas individuales continuaron recolectando, estudiando y mejorando los desarrollos clásicos en el campo de los altos voltajes, la electrostática, la física del plasma, alguien debido a una creencia insaciable en la teoría del éter y la energía libre, que Algo por curiosidad, o para resolver problemas aplicados altamente especializados, alguien simplemente porque se lo entregó.

Recientemente, desde finales de los años 90, esta rama de la ingeniería ha experimentado un renacimiento relacionado con el interés del mundo del espectáculo y la industria del entretenimiento en atraer la atención a las categorías de bobinas de Tesla , intensificadas en la última década después de la invención de DRSSTC , que actualmente representa la mayor parte Forma técnicamente perfecta de la bobina Tesla, que utiliza transistores de potencia en lugar de la brecha de chispa clásica, que le permite cambiar rápidamente, durante varios períodos de oscilación, la frecuencia de la descarga ( BPS ) y, como resultado, reproduce música directamente con la ayuda de un rayo emergente. Un ejemplo es el conocido modelo de producción OneTesla, que, con todo el constructor mal concebido propuesto por los autores, es bastante funcional con una aplicación manual determinada.

En este momento, los transformadores de Tesla y los dispositivos relacionados (escaleras de Jacob, generadores de Marx y Cockroft-Walton, columnas de plasma, generadores Van de Graaff, etc.) de varios tamaños y entretenimiento se utilizan de forma continua en una serie de proyectos de espectáculos organizados en torno a ellos. Los EE. UU. (Arc Attack), Rusia (TeslaFX), Gran Bretaña (Lords of Lightning), China (por desgracia, los jeroglíficos no entrenados) y otros países brillan periódicamente en el mundo del espectáculo (efectos especiales en Harry Potter, el aprendiz de brujo, conciertos de Metallica, etc. ), y también están presentes como exhibición Cada museo de la ciencia que se precie.

El tamaño importa

En resumen, en un momento, un grupo de ingenieros aficionados, largos y firmemente inmersos en tesstroeniya colectiva, decidieron que ya estaban aburridos de jugar en el arenero, haciendo pequeñas bobinas interiores (e incluso medianas al aire libre), y decidieron hacer algo especial. En ese momento, ya teníamos (como nos parecía) suficiente experiencia en el desarrollo de bobinas de Tesla de varias topologías y el modelo matemático disponible permitió escalar el diseño típico varias veces. De hecho, las únicas limitaciones claramente notables fueron el tamaño de la habitación disponible, el poder de la toma de corriente y las finanzas (aunque, lo que está allí, al final todo se reduce a las finanzas). Habiendo estimado el presupuesto, las horas de trabajo y otras cosas aburridas, se decidió limitar la instalación a unos tres metros de altura, con una potencia estimada de aproximadamente 30-40 kW. Para aquellos conocedores de la materia:





La tecnología, por supuesto, fue elegida específicamente por DRSSTC, porque con el enfoque correcto y la ausencia de errores, su costo (así como el peso y las dimensiones) es mucho menor que el de otras opciones (abertura de chispa o tubo de radio) con los mismos parámetros finales. Bueno, y, por supuesto, puedes tocar música en él.

Principio modular

En el diseño inicial de una bobina Tesla suficientemente grande, el proyecto se puede dividir en varios módulos (devanado primario, devanado secundario, toroide, carcasa, inversor de potencia, controlador, panel de control, sistemas eléctricos auxiliares, etc.), cada uno de los cuales se inventa y fabrica por separado. después de lo cual se juntan, se sintonizan y depuran secuencialmente en el proceso y, como resultado, explotan y comienzan a emitir rayos. Por lo general, la mayoría de los transformadores Tesla son ensamblados solo por entusiastas de principio a fin, pero, en primer lugar, ya teníamos un equipo más o menos bien coordinado con una distribución de funciones (gerente de proyecto, diseñador, desarrollador (también conocido como probador) y varias personas en el anzuelo - un instalador, un cerrajero, etc.), y, en segundo lugar, la tarea en sí misma era bastante ambiciosa, y quería hacerlo sin gastos innecesarios, pero al mismo tiempo de manera más o menos cualitativa, tanto como sea posible para un prototipo y un diseño único. Por lo tanto, todos pueden hacer lo suyo, mientras se comunican simultáneamente para sincronizar los módulos entre sí, y como gerente de este proyecto, puedo hablar sobre cada uno de los módulos por separado, y también mostrar lo que sucedió al final.

Preparación y manejo de materiales.

Después de la discusión, la reflexión y varios verbos sobre el tema, el concepto general fue aprobado por una decisión colectiva y describí un bosquejo primitivo en 3ds max. El bosquejo era necesario para comprender la escala de la tarea, comprender las proporciones mutuas básicas de los módulos, como un punto de partida para el diseño y elevar la moral del equipo. Basado en el boceto, el diseñador ensambló el proyecto en Creo Elements (entonces todavía Pro / Engineer), ya observando tamaños específicos, formas de conectar partes entre sí y otros matices. De acuerdo con los resultados de este proyecto, se crearon dibujos: partes de la carcasa, base de devanado primario, caja toroidal, automatización y eléctrica, así como el bloque condensador del circuito primario ( MMC ).









Como materiales estructurales, utilizamos fibra de vidrio de 18 mm de espesor, procesada por corte por chorro de agua (debido a su alta estabilidad estructural y térmica, otros métodos de procesamiento resultaron no rentables), madera contrachapada gruesa para el cuerpo y un compuesto de aluminio y plástico para la unidad de automatización (para proteger de una bobina potente frente a la interferencia electromagnética, que afecta negativamente a sus propios circuitos de control), así como al policarbonato en varios lugares. La madera contrachapada y el plástico se procesaron en una fresadora CNC, que era propiedad de un vecino de la fábrica, donde nuestro equipo estaba involucrado en toda esta indecencia. Creo Elements le permite crear programas de control listos para usar de forma inmediata para el CNC, lo que fue de gran ayuda en el proceso: de hecho, simplemente alquilamos una máquina e hicimos lo que necesitábamos cuando era necesario.

Primaria y secundaria

El devanado secundario se enrollaba en un marco clásico: una tubería de alcantarilla de PVC naranja grande (en serio, esta es la mejor de las opciones disponibles para bobinas Tesla de cualquier tamaño en términos de precio, disponibilidad e idoneidad). El alambre esmaltado (diámetro 1,06 mm), enrollado de un lado a otro, en una capa, luego recubierto con epoxi, convirtió la tubería en un inductor de gran tamaño, esperando su momento de gloria: el secundario de la bobina gigante Tesla. Las dimensiones totales de la tubería resultaron 310x1800 mm.







El devanado primario, también clásico, enrollamos un tubo de cobre para aires acondicionados, con un diámetro de 22 mm (7/8 pulgadas). Las bobinas se colocaron cuidadosamente en las ranuras cortadas en fibra de vidrio con un chorro de agua con un abrasivo bajo una presión de miles de atmósferas, y ahora dos módulos, uno primario y uno secundario, el esqueleto de cualquier bobina Tesla, estaban conectados entre sí. El proyecto gradualmente tomó forma y color.

Toroide

Con un toroide, un elemento necesario de cualquier bobina de Tesla potente, sin embargo, todo resultó ser más complicado. Inicialmente, también se planeó seguir un camino probado y usar corrugación de aluminio para la ventilación. En la práctica, resultó que esta es una solución extremadamente única: la corrugación se pliega instantáneamente por cualquier movimiento descuidado, y con las dimensiones planificadas tendrá que ser reemplazada con cada transporte del dispositivo.



Por lo tanto, después de un estudio del problema, robé la idea de que encontré una opción interesante en la Web, y el diseñador la modeló teniendo en cuenta nuestra escala y emitió un proyecto para el ensamblaje. El hecho es que el requisito principal para el toroide de la bobina Tesla es su "suavidad" en términos de campos electromagnéticos, ya que cualquier disminución o irregularidad representa los puntos de formación de descarga en corona, lo que provoca la descomposición del aire antes de alcanzar la potencia máxima y, además quitar parte de la longitud útil de la cremallera. Pero hay una advertencia relacionada con el hecho de que las líneas de campo del campo parecen rodear el toroide con zonas equipotenciales, como resultado de lo cual se puede ensamblar a partir de componentes que, cuando se unen correctamente, forman un campo que es lo suficientemente suave como para evitar que la bobina Tesla funcione descarga donde no es necesario.



En general, el resultado resultó ser muy inusual en apariencia, relativamente simple de fabricar, confiable en operación y sorprendentemente efectivo en comparación con otras versiones conocidas de esta parte importante de la bobina Tesla. El diámetro de la tubería de aluminio es de 50 mm, y el tamaño total de todo lo que parece un OVNI es de aproximadamente dos metros de diámetro. Los separadores de círculos para tubos se cortaron de madera contrachapada en la misma fresa CNC, y soldeé el marco central desde una esquina de acero.







Sobre esto, en principio, se completó la parte estructural.

Parte de potencia

En un inversor de potencia para bobinas Tesla grandes, a menudo se usan módulos IGBT : estos son ladrillos negros (o blancos) con dos a tres (a veces hasta 10) terminales de alimentación y varios terminales para control, normalmente utilizados en inversores de potencia: unidades de carga potentes, subestaciones de transformación, convertidores de frecuencia para motores, vehículos eléctricos, etc. Debido al gran tamaño del cristal, estos módulos pueden soportar una sobrecarga significativa a corto plazo en la corriente de funcionamiento (hasta 10 veces la nominal), que es extremadamente ygodno pulsada inversor Tesla bobina de acuerdo DRSSTC-tecnología, ya que el ciclo de servicio (el tiempo durante el cual las vibraciones se producen en el circuito y la corriente fluye a través de los transistores, el calentamiento de los cristales), hay típicamente de aproximadamente 5-10%. Pero, por otro lado, la gran mayoría de estos módulos IGBT están diseñados para operar frecuencias del orden de unidades, al menos decenas de kilohercios (sin embargo, recientemente la situación ha mejorado y los módulos modernos pueden operar hasta 100 kHz). Usarlos a una frecuencia más alta a menudo conduce a problemas con el control del obturador, el sobrecalentamiento y las explosiones (sin explosiones).



El costo de un módulo, incluso usado, puede ser relativamente alto (desde unidades hasta cientos de miles de rublos), por lo que decidimos ir a lo seguro y suministrar dos módulos CM600DU-24NFH con una reserva de sobretensión (600 amperios de corriente continua, 1200 voltios, dos transistores en la conmutación de medio puente) de acuerdo con el esquema de "puente completo" (como usted sabe, un puente completo está hecho de dos medios puentes - K.O.), o simplemente "puente". Se colocó un radiador correspondiente a sus dimensiones a través de un par de cucharaditas de pasta térmica KPT-8, se conectaron mediante neumáticos de cobre y se equiparon con el kit de carrocería necesario: condensadores electrolíticos y de película.



Hay muchos conocimientos empíricos astutos al inventar la forma real de conectar estas partes, diseñadas para reducir riesgos y maximizar la confiabilidad de tales estructuras, pero los campos de esta entrada son demasiado limitados para que pueda contarte sobre ellos si sabes a lo que me refiero. No había garantías de que lo resultante no explotaría en el primer intento de encenderlo, pero en ese momento parecía un riesgo aceptable.

Automatizacion y Electrica

El electricista de control no contenía nada particularmente interesante. Era necesario asegurar una carga suave de electrolitos (para que no destruyeran las máquinas en el escudo en el momento en que se encendió la unidad): un arrancador automático (de hecho, un gran relé de potencia) y varias resistencias de potencia lo resolvieron.



Un puente de diodos de 150 amperios enderezó la red (por cierto, todo el diseño fue creado, por supuesto, para una potencia trifásica, que se asoció con muchos descubrimientos interesantes diferentes, antes de que no hiciéramos nada durante tres fases, especialmente de tal potencia), los ventiladores volaron el puente de diodos y Al mismo tiempo, el radiador de la unidad de potencia y las lámparas en el panel frontal representaban un semáforo, informando amablemente cuándo es posible tocar partes de la bobina con las manos, cuándo es mejor no estarlo y cuándo es conveniente estar lo más alejado posible para no atrapar la descarga en la corona.

Conductor

El controlador de control es un tema aparte, y tal vez algún día pueda contarte más al respecto. Su objetivo principal es aplicar, en los momentos correctos, una señal de control a las puertas de los transistores, encendiéndolos y apagándolos de tal manera que mantengan y amplifiquen las oscilaciones que surgen en el circuito primario, mientras los modulan con la frecuencia suministrada desde el panel de control (esto es exactamente lo que se necesita para la reproducción Carretes Tesla). Bueno, también hay una gran cantidad de diversas funciones que optimizan este proceso y manejan todas las excepciones (como exceder la corriente máxima permitida para los transistores: OCD , protección contra sobrecalentamiento, etc.), un detector de fase, llamado así. un predictor que proporciona conmutación de transistores a corriente cero, y otras cosas absolutamente necesarias para el funcionamiento del inversor de bobina Tesla. Su circuito actual (así como el diseño de la placa, fotos de la placa, información sobre los componentes utilizados y la existencia de esta placa) es propiedad intelectual del desarrollador y, por lo tanto, no puedo compartirlo, pero incluso si pudiera, me temo que no tengo suficiente comprensión y profesionalidad para contarlo claramente. La bobina Tesla es muy fácil de describir usando analogías en los dedos, pero el modelo matemático que es correcto desde el punto de vista del desarrollo de la electrónica es extremadamente complejo y contiene muchas sutilezas obvias (así como con la parte de potencia), por lo que la mayoría de los teslostroiteley solo usan un conjunto de reglas generales y soluciones preparadas para La construcción de sus bobinas, que en nuestro caso no era aplicable. Hay muchos artículos en la red sobre los principios del funcionamiento de DRSSTC, así como proyectos de controladores abiertos (y cerrados, pero disponibles para la compra), por ejemplo, del colega chino Loneoceans : cualquiera puede leer más allí.

Control remoto MIDI

El panel de control (también conocido como interrater) era un sintetizador MIDI simple con varias configuraciones primitivas, que recibía archivos MIDI (o datos de las perillas de control) y emitía una señal de control para el controlador a través del cable óptico. Con él, en principio, todo era simple y comprensible, porque decidimos no perder el tiempo desarrollando lo que podemos comprar, y simplemente lo hicimos: compramos el acabado. Él, por supuesto, resultó ser un producto semiacabado con errores, pero ahorró cientos de horas hombre estudiando el protocolo MIDI, haciendo una placa, depurando el microcontrolador y atrapando los errores inevitables. Lo principal es que en ese momento hizo frente a su tarea perfectamente. El control remoto se compró a un colega estadounidense-teslostroitel, y en ese momento era el único vendido con soporte para tarjeta SD, es decir, capaz de reproducir música sin un dispositivo MIDI externo o computadora portátil. Esto era crítico, porque existían temores legítimos de que la interferencia de la operación de una bobina tan grande colgaría con fuerza todos los componentes electrónicos dentro de un cierto radio de la misma, y ​​la suspensión de un teclado MIDI, cuyos desarrolladores en una pesadilla no podrían proporcionar un nivel de señales espurias, si estos el teclado controla la misma bobina de Tesla, que causa interferencia, está llena de retroalimentación positiva no controlada y, como resultado ... correctamente, explosiones. No queríamos explosiones.



Dado que el control remoto se vendió en forma de una placa soldada y cosida con una dispersión de partes remotas, tuvimos que desarrollar un estuche para ella, donde la placa misma, la alimentación, cuatro codificadores, cuatro botones, una pantalla y numerosos conectores (cuatro transmisores ópticos, entrada MIDI, entrada USB, ranura para tarjeta SD). En el camino, se revelaron muchos tipos de defectos del autor, en particular, la ausencia de cualquier tipo de control nutricional (impulsado por Krona? Ion de litio? No lo escuché), que tuvo que corregirse y completarse para que pudiera usarse según lo previsto. La quimera resultante, a pesar de una serie de fallas repugnantes en algunas condiciones fallidas, afronta con éxito la tarea principal hasta el día de hoy.De alguna manera no encontré su fotografía, pero se puede ver en uno de los cuadros a continuación, en la sección "inspección inicial": una caja negra al lado del cable de alimentación en el lado derecho de la imagen. Todavía hay un cuadro del video del autor del circuito y el firmware, aquí está.

Banco de condensadores

Como condensador resonante, elegimos los condensadores de película de potencia de uno de los fabricantes nacionales, especialmente desarrollados (de acuerdo con el catálogo del fabricante) para la operación pulsada. Cinco piezas con una capacidad total de aproximadamente 1.2 microfaradios, y un voltaje máximo de 20 kilovoltios, conectados por un bus de cobre con tornillos de latón. Por cierto, se gastó una cantidad significativa de sujetadores de latón en todo el proyecto, debido a las enormes corrientes en kiloamperios, combinados con un poderoso campo magnético del devanado primario, el acero galvanizado y los sujetadores inoxidables se calientan al instante, lo que en última instancia puede conducir a efectos especiales no planificados (sí Sí, explosiones). Por lo tanto, en la barra colectora de condensadores, y en general en todas las conexiones de alimentación en el circuito primario, era necesario usar solo cobre y latón.Las primeras pruebas mostraron la ingenuidad de intentar poner algo ferromagnético y / o no transmitir corriente eléctrica lo suficientemente bien.

El siguiente paso fue configurar el controlador. Para hacer esto, es suficiente ensamblar el circuito primario (banco de condensadores, primario y puente) como un todo, conectar el controlador a los transistores del puente y comenzar a aplicar suavemente el voltaje, siguiendo las formas de onda en el osciloscopio en diferentes partes del circuito. Si todo se hace correctamente, la generación automática se produce a la frecuencia calculada en el circuito primario (en nuestro caso, aproximadamente 50 kHz). Al mismo tiempo, no se necesita un secundario y no se producen descargas, pero los datos recopilados son suficientes para establecer el predictor, el TOC y detectar errores en la instalación o los parámetros seleccionados de las piezas. Esta parte resultó ser simple y fácil (por cierto, en este modo, el devanado primario puede funcionar como una cocina de inducción para cocinar; existen precedentes para freír huevos en una sartén que se encuentra encima de la primaria),y fuimos con una descendencia casi nacida a una fábrica grande y medio abandonada de la fábrica para finalmente verificar nuestra creación in vivo.





La prueba resultó ser rápida, vibrante y un poco predecible: después de haber emitido varias descargas de cuatro metros, la bobina de Tesla dijo "Estoy cansado de ti, me voy" y dejó de funcionar con un fuerte estallido en algún lugar dentro de la caja. Un estudio posterior de este fenómeno mostró que en el proceso de selección de la frecuencia óptima, cometimos un error en una vuelta del devanado primario, y el desajuste resultante al cambiar los transistores fue suficiente para que, como dicen en el argo profesional de teslostroitelnoy, fueran violados, es decir, se volvieron completamente inutilizables debido a la transición silicio contenido en ellos en un estado gaseoso (como en el chiste de que los transistores funcionan, dicen, sobre humo mágico; cuando sale, dejan de funcionar). Un kit de transistor de repuesto permaneció en el laboratorio,y el resto del tiempo asignado nos peleamos lánguidamente entre nosotros y lanzamos otras bobinas de Tesla que llevamos con nosotros como parte de un ensayo para el festival GEEK PICNIC (bajo el cual se programó el lanzamiento del proyecto).

¿Para qué fue todo esto?

Bueno, luego hubo un poco de trabajo en los errores, tarifas bulliciosas, llegando a la isla Elagin, donde la mencionada GEEK PICNIC tradicionalmente tiene lugar en San Petersburgo, pruebas nocturnas antes del día de nuestro festival de bobinas, ya con un nuevo toroide tubular y al máximo (perdón por la tautología intencional). El día siguiente fue la hora X (durante la cual durante aproximadamente quince minutos saltamos alrededor de la multitud que no quería comenzar una obra maestra hasta que encontramos una jamba de instalación: el transformador de corriente se conectó en la fase incorrecta), Vivaldi, la Marcha Imperial y Mario con un rayo despojándolo todos cuadricópteros con cámaras, cincuenta mil espectadores que observaron lo que estaba sucediendo, algunos con admiración, algunos con sorpresa, algunos indiferentemente incomprensibles, algunos a través de las pantallas de sus teléfonos inteligentes y tabletas, varios lanzamientos de repetición a la luz del día, donde la descarga apenas se nota que podría ser oído bien) y - después del final de la fiesta, pero antes del cierre del parque - de unos minutos de las más grandes bobinas de Tesla musicales en Rusia en el crepúsculo de verano, que todavía a veces se interponen en frente de mis ojos.















Sosteniendo el control remoto de tal cosa y mirando casi un rayo real de seis metros con tentáculos amenazantes, surgiendo y cambiando en el movimiento de sus dedos, este es todavía uno de mis recuerdos más fuertes de nueve años de trabajo en bobinas Tesla y efectos especiales de alto voltaje. Pero, por desgracia, nada dura para siempre, e indignado por lo que está sucediendo (dicen que la gente no quiere irse mientras te diviertes aquí), el guardia del parque exigió que la tienda se doblara y se desplegara, lo cual se hizo.





Desafortunadamente, desde entonces nunca hemos logrado lanzar esta bobina Tesla nuevamente. Rediseñamos el proyecto de la unidad de potencia, mejoramos el controlador, hicimos un progreso significativo en la comprensión de los principios de todo el asunto, pero la falta de una plataforma adecuada para tales experimentos, por desgracia, sigue siendo un obstáculo insuperable y costoso. La bobina se encuentra en forma de componentes en mi casa y está esperando en las alas. Algún día lo volveré a encender. O tal vez no ella, sino una nueva, dos o tres veces más. Quien sabe

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