Como fabricamos a maior bobina de Tesla na Ucrânia para o museu de ciências

Em 2016, fui convidado a participar de um projeto para criar uma poderosa bobina de Tesla para um museu de ciências em minha cidade natal. Recusar seria trair seus ideais e seus próprios filhos que adoram experimentos científicos. Sob o corte, não apenas uma descrição do design do dispositivo resultante, mas também um pouco sobre o amor masculino pela ciência, entusiastas e como os projetos sociais nascem e são implementados.

Antecedentes

Esta é uma história sobre pessoas. Quem não gosta de histórias sobre pessoas pode pular esta seção com segurança.

Primeiro, um pouco sobre você. Meu nome é Artyom. Agora trabalho como designer em uma empresa privada, mas sou físico treinando, e o método de ensino de física para crianças é o meu hobby. Sobre esse assunto, eu já publiquei posts no Geektimes ( um e dois ). Há quatro anos, eu estava completamente imerso em ciências, trabalhei no Laboratório de Métodos de Ensino de Física da minha universidade nativa, realizei cursos de educação continuada para professores em toda a região, co-presidi o grupo de Jovens Físicos para crianças a partir dos 5 anos de idade e também trabalhei como professor de física e desenvolvi o trabalho do autor. site.

Foi então que, na Ucrânia, os piqueniques científicos começaram a ser realizados pela primeira vez. Este é um grande evento para popularizar a ciência, quando universidades, laboratórios e centros de pesquisa saem para a praça com exposições físicas, nitrogênio líquido, esqueletos e manequins, microscópios, telescópios, insetos raros e morcegos. Em geral, todos expõem o que ele faz e o que será interessante para o resto. É claro que o laboratório, a escola e o círculo em que trabalhei participaram ativamente do Science Picnic.

Lá conheci um dos organizadores do piquenique - Sergei. Esse cara sonhava com um museu de ciências para a nossa cidade e me convenceu de que, se você não desistir e ser ativo, tudo vai dar certo.

E assim aconteceu, o Piquenique Científico foi um sucesso retumbante. Com base em um resultado tão positivo, a universidade decidiu dar sinal verde à equipe de Sergey e alocou generosamente algumas instalações de uma área impressionante para o museu.

Provavelmente foi o momento mais romântico. Com quase nenhum financiamento, uma tentativa de transformar um museu de ciências em prédios arruinados em um ou dois meses parecia loucura. Mas Sergey não estava desanimado, corria como um meteorito, remendando buracos no chão, pendurando paredes sem reparo com tecido, fazendo divisórias e suportes para exposições futuras. Sergey mostrou incrível determinação e vontade, além de notáveis ​​habilidades organizacionais. Nosso laboratório, como muitos outros, ajudou o projeto com dispositivos de demonstração e idéias de orçamento, mas exibições fascinantes.

O museu abriu em segurança e eu saí com minha esposa e filhos em Montenegro. Também organizei um círculo sobre astronomia e física, mas o departamento de design já se tornou o principal local de trabalho.

No ano passado, voltei para a Ucrânia. Sergey me deu visitas ao museu renovado. Durante dois anos, o museu fez reparos, aumentou várias vezes a base de exposições e cresceu significativamente na área ocupada. Foi incrivelmente agradável encontrar um dos dispositivos de demonstração funcionando - a “mesa óptica”, que eles montaram com as próprias mãos no início do projeto.

Sergei falou sobre seu desejo de obter uma "bobina de Tesla" para o museu, ele não apenas encontrou um vendedor, mas concordou com uma empresa maravilhosa "X" em patrocinar o projeto e até conseguiu obter o dinheiro. No entanto, pouco antes da venda, o vendedor decidiu dobrar o preço. Obviamente, a comunicação foi concluída. E Sergei estava em uma posição invejável.

Depois de algum tempo, Sergey me ligou e disse que havia encontrado um cara que já havia coletado várias bobinas de Tesla pequenas e estava pronto para tentar montar uma bobina maior. Mas ele precisa de ajuda com a mecânica. Discretamente, fui oferecido a participar do projeto sem o direito de recusar.

Tivemos uma reunião com esse “teslaststroitel”, que, aliás, também foi chamado de Sergey. É bastante óbvio que ele era algum tipo de aberração que tem mania pelas bobinas de Tesla, e a idéia de uma correção é uma grande bobina. Mas assim que começamos a discutir o projeto, havia inconsistências com a imagem sendo apresentada (parece-me aqui inserido "por mim"). O interlocutor começou a expor consistentemente o design do dispositivo, não repetiu, não disse nada supérfluo. Todos os termos físicos foram usados ​​corretamente e os fenômenos físicos receberam a interpretação correta. Respostas claras e lógicas foram respondidas a todas as perguntas. Descobri que estou me comunicando com um professor adequado de uma conhecida universidade técnica, que está realmente interessada em bobinas de Tesla.

Sergei era o dono de uma qualidade tão valiosa quanto a escrupulosidade. Pelo qual ele imediatamente ganhou profundo respeito. Ele preparou seu local de trabalho por um longo tempo e com cuidado, pegou uma ferramenta com antecedência e organizou todos os contatos que sempre, absolutamente sempre, meticulosamente. Se estiver com pressa de fazer uma conexão ruim, Sergey permanecerá em silêncio, e então pegará e consertará silenciosamente. Pode parecer que tal escrupulosidade seja excessiva, mas na verdade economiza uma quantidade enorme de tempo. De fato, durante todo o período de trabalho, nunca encontramos um erro de montagem incorreta. Para não se confundir entre Sergeyev, a seguir o chamaremos de Sergey A. e o primeiro - Sergey V.

O que é uma bobina de Tesla?

Pedi a Sergey A. (autor da bobina) para falar sobre a bobina pessoalmente. O texto inteiro nesta seção pertence a ele:

No final do século XIX e início do século XX, Nikola Tesla conduziu experimentos com transformadores ressonantes de alta tensão e alta frequência sem um núcleo ferromagnético (transformador de ar). Esse tipo de transformador foi posteriormente chamado de transformador de Tesla ou bobina de Tesla.

Atualmente, o transformador da Tesla é mais um brinquedo para quem gosta de bricolage e quer ter algo em sua coleção, em vez de um dispositivo com um certo escopo. Raramente, em um design simples, muitos fenômenos físicos podem ser combinados. Além disso, não haverá uma pessoa que a bobina de Tesla não possa surpreender com a visão de suas descargas elétricas.

Por que as bobinas de Tesla são necessárias? Primeiro de tudo, para fins educacionais. Afinal, muitos tópicos são abordados aqui:

• em estática - o estudo da teoria, familiaridade com componentes elétricos, leitura de circuitos, aprendendo a usar um multímetro e usando simuladores de circuitos elétricos, finalmente, para entender a diferença entre indutância e capacitância;
• em dinâmica - vibrações elétricas, ressonância de tensão, transferência de energia, ionização, natureza do plasma, propriedades da radiação eletromagnética, efeito da corrente em uma pessoa viva.

Se você deseja carregar dispositivos sem fio, para impressionar estranhos aleatórios e você gosta do cheiro de eletrônicos queimados ou ozônio, então esta é uma ocasião para coletar uma bobina de mesa Tesla, especialmente porque é mais barata do que sair em datas.

“Construir uma bobina de Tesla é algo que todos deveriam fazer pelo menos uma vez” © - um cara.

O primeiro transformador ressonante foi construído por Nikola Tesla em 1891 e, de fato, era um telégrafo sem fio. O princípio de operação é direto: é necessário carregar um capacitor grande com alta tensão e depois descarregá-lo através de um indutor, cuja função é o enrolamento primário do transformador, enquanto é necessário um curto-circuito da energia no circuito oscilante resultante.

Devido à ressonância da tensão no circuito primário, a amplitude das oscilações aumentará, enquanto parte da energia será transferida para o enrolamento secundário do transformador (que é caracterizado pelo coeficiente de acoplamento entre os enrolamentos), este último, juntamente com o toróide metálico, também forma um circuito oscilatório.

Além disso, o processo pode ser descrito da mesma forma que o balanço: se você pressionar o balanço no momento certo, eles logo começarão a subir muito alto, essa será a tensão na saída da bobina de Tesla. Quando a tensão se torna tão alta que o ar para ele deixa de ser um isolador, toda a energia acumulada forma uma descarga elétrica ou serpentina.

Ao longo dos anos, foram feitas alterações no design dos transformadores Tesla, devido às quais hoje existem várias topologias de dispositivos que possuem um princípio de operação semelhante, diferindo no nível do componente.

SGTC (Spark Gap Tesla Coil) - transformador de Tesla em uma faísca. É uma performance clássica usada pelo próprio Nikola Tesla. Como elemento chave, são utilizados dois contatos de forma arbitrária, entre os quais ocorre uma descarga elétrica. Construtivamente consiste em apenas 6 elementos e geralmente funciona na primeira vez. É verdade que em versões de baixa potência, você não precisa esperar por descargas bonitas, mas acenda as lâmpadas à distância ou admire o brilho das coronárias.

A derivada dessa topologia é do tipo ARSGTC (Bobina de Tesla Rotativa Assíncrona), onde um motor elétrico rotativo é usado como chave de comutação, que fecha os contatos e quebra rapidamente o arco elétrico formado, o que permite obter o maior comprimento de descarga com uma potência de entrada relativamente pequena. Esse tipo era para nós levarmos para repetição.

VTTC (bobina de Tesla de tubo de vácuo) - transformador de Tesla em tubos de rádio. Requer trabalho com altas tensões de ânodo e não é recomendado para iniciantes.

SSTC (Solid State Tesla Coil) é um transformador de Tesla no qual os componentes semicondutores são usados ​​como chaves. O uso mais comum é o MOSFET ou IGBT (não deve ser confundido com LGBT). Graças ao uso de uma moderna base de componentes, bobinas desse tipo podem ser facilmente controladas modulando a frequência de raios com uma fonte de sinal externa, como a música.

DRSSTC (SSTC de ressonância dupla) - bobinas de Tesla com um circuito ressonante duplo. A topologia é muito mais complicada de fabricar do que seu antecessor, mas isso é compensado por uma proporção aprimorada do comprimento da descarga com o comprimento do enrolamento secundário.

O QCWDRSSTC ( DRSSTC de onda quase contínua) é uma variante das bobinas de Tesla com um circuito ressonante duplo, mas capaz de produzir longos relâmpagos diretos típicos dessa topologia, às vezes 10 vezes o comprimento do enrolamento secundário.

E há bobinas bipolares de Tesla, mas mais nessa outra hora.

Como você pode ver, as bobinas de Tesla têm qualquer "sabor e cor", e qualquer pessoa pode escolher o que deseja. Nos últimos anos, o mercado tentou atender à crescente demanda de presuntos e experimentadores de transformadores Tesla, e agora mesmo no AliExpress existem kits dos quais você pode montar um dispositivo de trabalho em casa.

Não como um anúncio, mas vale a pena mencionar um grupo de entusiastas que lançaram a empresa no Kickstarter no início de 2013 (que foi coberto no devido tempo) e, depois de coletar com sucesso a quantidade necessária, continuam trabalhando no projeto OneTesla. O que o diferencia qualitativamente de outros projetos é a documentação e os diagramas abertos, onde qualquer pessoa pode seguir as instruções para montar um rolo musical em casa usando a topologia DRSSTC. Guiado pelas instruções do site da OneTesla, montei a primeira bobina de trabalho para mim.

No final, quero observar que é muito simples fazer uma bobina de trabalho Tesla, mas fazer com que não seja embaraçoso mostrar, ainda é muito, caro e demorado.

Nossa seleção de "Old school"

Para os amantes de dígitos - uma breve descrição técnica de nossa exposição de Sergey A.

Para operar a bobina de Tesla, você precisa de uma fonte de energia de alta tensão e, para economizar tempo em enrolar seu próprio transformador, decidiu-se usar o já pronto. Assim, 4 transformadores de fornos de microondas em conexão em série com um ponto médio estão envolvidos no circuito de potência, convertendo a rede elétrica de 220 volts em 8600 volts.

Para garantir o resfriamento e evitar falhas entre turnos, todos os 4 transformadores foram imersos em óleo de motor sintético.

Como capacitância de trabalho, foi utilizada uma bateria de 5 ramos de 9 capacitores conectados em série (MMC), ou seja, 45 capacitores com capacidade de 0,1 μF e uma voltagem de 2 kV resultou em uma capacitância de 55 nF com uma voltagem de 18 kV. E também usava fios de comutação de calibre 8 AWG, um tubo de cobre com diâmetro de 6,35 mm como enrolamento primário com 6 ½ voltas. 1000 voltas de fio de cobre com uma seção transversal de 0,5 mm em um tubo de ventilação com 10 cm de diâmetro formam uma bobina secundária com um comprimento de enrolamento de 56 cm.O toróide é feito de um tubo de ventilação de alumínio com um diâmetro de 11 cm.



A frequência ressonante calculada do circuito primário e confirmada usando um gerador de pulsos e um medidor de frequência foi de 220 kHz. De acordo com cálculos e medições, a frequência ressonante do circuito secundário é de cerca de 250 kHz, mas no momento em que o streamer aparece, devido à capacitância elétrica da própria descarga, a frequência de oscilação diminui e ocorre ressonância entre os circuitos primário e secundário, o que leva a um aumento no comprimento do raio.

E agora, sobre o componente mecânico

O orçamento existente não permitia muito vagar. O número de operações de fresagem e torneamento teve que ser minimizado. Todas as partes não responsáveis ​​foram feitas por nós pessoalmente.

O disco de ruptura foi feito de PCB com 8 mm de espessura. No disco, existem 6 contatos que fecham o pára-raios. O disco está localizado no eixo de um motor de indução bipolar com uma potência de 0,37 kW. A velocidade do motor é de 2800 rpm. Dado que 6 falhas ocorrem em uma revolução, obtemos 280 falhas por segundo.



Na Internet, você encontra o trabalho desses maníacos que colocam a centelha no eixo de uma rebarbadora:



Tais soluções impressionam com sua simplicidade, mas não são de todo compatíveis com um conceito como medidas de segurança. O moedor não está firmemente preso à base com um grampo ao redor da alça. Os eletrodos no disco superaquecem, pois possuem um pequeno tempo e área de resfriamento. O disco gira a uma frequência de 4000-6000 rpm! Esse equilíbrio frágil é fácil de quebrar, e então os eletrodos quentes, como estilhaços, se separam em direções arbitrárias. Por favor, use a rebarbadora apenas para a finalidade a que se destina!



A bobina primária foi feita na forma de uma espiral a partir de um tubo de cobre com um diâmetro de ¼ ”, o freon geralmente circula entre esses tubos entre os aparelhos de ar condicionado. A geometria da bobina é muito importante, a indutância depende dela e, como conseqüência, a frequência do circuito oscilatório. Para garantir que o formulário corresponda estritamente ao design, foi desenvolvida uma fixação descomplicada de quatro suportes. Os suportes foram feitos de chapa de PVC utilizando fresagem CNC.

Boa exposição - exposição segura

Obviamente, a bobina de Tesla é um dispositivo perigoso, mais corretamente até mortal. Considere todos os fatores em ordem de importância.

• Se você pensou que deveria ter medo de raios de dois metros que voam em todas as direções, então essas são apenas flores. O perigo real é o enrolamento primário, uma bobina tão discreta, com tensão de 8600 V e pronta para compartilhar sua corrente com uma força de centenas de miliamperes. Inadvertidamente tocá-la - o caminho certo para o céu. Os raios também podem causar danos significativos aos seres humanos, mas o perigo deles já é uma ordem de magnitude menor.
• Também vale ressaltar que, no processo, a bobina de Tesla gera um poderoso campo eletromagnético. Este campo é capaz de acender lâmpadas de descarga a uma distância de vários metros e também, em um raio de mais de dez metros, pode desativar aparelhos elétricos sensíveis a interferências. Assim, mesmo a distâncias consideráveis, o dispositivo carrega uma ameaça real para pessoas com marca-passos.
• Além disso, uma quantidade enorme de ozônio é liberada durante o trabalho, a Wikipedia diz que o ozônio é um gás altamente tóxico com propriedades oxidantes que podem levar à morte prematura. A boa notícia é que o ozônio mata efetivamente mofo e bactérias.
• Não esqueça que os raios brilham não apenas com luz visível, mas também com luz ultravioleta, o que não é particularmente útil para os olhos.
• Também é necessário levar em consideração que a instalação gera ruído (da ordem de 100 dB a uma distância de 3 metros). O barulho causa desconforto e também pode assustar uma criança.

Enfrentamos uma tarefa difícil - transformar uma instalação mortal em uma exibição segura e emocionante para as crianças. Os seguintes remédios foram identificados.

• O trabalho da exposição - apenas na presença de uma pessoa familiarizada com TB (líder).
• Vários disjuntores, disjuntores e um acionador de partida magnético. Para que a tensão seja aplicada à bobina, várias condições devem ser cumpridas, em particular, um sinal é fornecido pela blindagem, cuja chave é apenas a principal. Mas mesmo um visitante pode desenergizar a instalação. Além disso, a unidade desliga-se por um relé de tempo após 40 s.
• A instalação foi colocada em uma gaiola de Faraday. A gaiola tem seu próprio aterramento e está travada. Essa ferramenta protege contra raios, protege o campo eletromagnético e também serve como uma cerca confiável.
• Divisória de vidro temperado com 10 mm de espessura. O vidro absorve a luz ultravioleta e, em combinação com a tiragem forçada, impede que o ozônio entre na sala com os visitantes.
• O vidro atua como uma partição à prova de som, reduz significativamente (-10 dB) o nível de pressão sonora. No entanto, para visitantes mais jovens, os fones de ouvido com cancelamento de ruído também foram solicitados.

Quero observar que Sergey A. interpretou a nomeação da gaiola de Faraday e da divisória de vidro à sua maneira:

“Na operação do transformador Tesla, havia uma certa elegância, apelo mágico, tanto que ambos queriam ser mostrados a todos e não a ninguém, portanto, seguindo seu desejo instintivo de proteger a bobina dos efeitos do mundo exterior, decidiu-se colocá-la em uma sala sem janelas, dentro de uma gaiola de metal com uma porta na fechadura e atrás de uma parede de vidro grosso. ”

Como chegamos à UMBRELLA INC.

Quando você liga a bobina deve haver uma determinada sequência. Primeiro, o motor elétrico deve ligar e entrar no modo de operação e somente depois disso a energia pode ser fornecida ao enrolamento primário. Precisávamos de uma unidade de controle que garantisse um simples lançamento da instalação, além de executar vários outros algoritmos. Montar o dispositivo “no joelho” nem sequer foi considerado. O TK foi formulado e encaminhado para um escritório de design “Y” para obter ajuda. Nosso pedido para eles era pequeno e nada interessante, mas, dada a orientação social do projeto e a pequena quantidade de trabalho, eles concordaram em concluí-lo gratuitamente. Pagamos apenas pela fabricação de componentes e placas de circuito na fábrica.

Quando o trabalho foi concluído, o engenheiro eletrônico, sorrindo docemente, me entregou caixas com placas. Em vez do logotipo da empresa, encontramos uma inscrição modesta “GUARDA-CHUVA”. A empresa recusou relações públicas e o engenheiro eletrônico recusou nossa gratidão.

Inicialização e comissionamento

Tudo correu conforme o planejado. Todas as peças foram feitas e colocadas nos locais pretendidos sem surpresas. Bem, quase sem surpresas. O fato é que tínhamos o desejo de regular a frequência de interrupções para descarregadores. Para isso, foi adquirido um conversor de frequência da produção nacional para o motor elétrico. Esse chastotnik nos tirou vários dias de trabalho, e fomos atraídos por uma história engraçada, triste e instrutiva ao mesmo tempo. A moral era que é melhor não usar controladores de frequência da produção nacional. Se houver solicitações nos comentários, uma postagem separada com uma revisão e fotos da autópsia será dedicada ao chastotnik.

Após recusar o regulamento de frequência, a instalação começou a funcionar na primeira inicialização. Os cálculos teóricos de Sergey foram totalmente recompensados. Cortamos o piso das voltas extras da bobina primária e caímos em ressonância. Todos os nós funcionaram normalmente.



Raios ultravioletas acariciaram nossos rostos, rugidos altos agradaram o coração. O cheiro de ozônio se espalhou por toda a sala com uma área de 150 m2. Percebemos que era hora de terminar o trabalho. Nos seguintes lançamentos, decidiu-se realizar já na sala designada, com todos os meios de proteção especificados. Esperamos apenas pela conclusão das obras.

***

Quando o reparo da sala foi concluído, restavam apenas duas semanas para instalar a bobina de Tesla, fazer todas as conexões e testar a confiabilidade do sistema. Isso foi pouco, já que dois dos três membros da equipe tinham um local de trabalho permanente fora do museu de ciências, e era impossível realizar qualquer operação sozinho.

Transferimos o equipamento, fizemos todas as conexões, verificamos tudo, fornecemos energia aos quadros de controle, ligamos todas as máquinas, pressionamos solenemente o botão e ...
... e nada aconteceu. Nada mesmo. Ao solucionar problemas, descobrimos que uma das fases tem uma tensão de 60 V em vez de 220 V! Felizmente, tivemos acesso a todas as três fases e pudemos nos reconectar rapidamente. Para nós, o problema foi resolvido rapidamente, mas no prédio onde fica o museu de ciências, um terço do equipamento não funcionou por mais de uma semana.

Dificuldades reais nos aguardavam na unidade de controle de bobina de Tesla. Apesar de todas as entradas e saídas da unidade serem isoladas galvanicamente, e a fonte de alimentação do pára-raios ser fornecida em uma fase separada, assim que a primeira faísca pulou no pára-raios, a unidade de controle ficou louca. Ele desligou imediatamente a bobina ou não a desligou nem desligou o motor. A raiz do mal está na interferência de alta frequência que passou da bobina através dos fios de volta à rede. Os pulsos eram tão fortes que induziam ruído em todos os fios vizinhos. Em testes anteriores, colocamos os fios de forma que eles se afastassem um do outro. Aqui, de acordo com o projeto dos designers, eles caminhavam por canos comuns. Tivemos que fazer alterações no projeto. Removemos o painel de controle do painel comum em um gabinete separado e aterrado. Mas isso não mudou nada.Aqui as danças com um pandeiro começaram.

Em busca de soluções, tentamos de tudo, até recorremos a remédios homeopáticos, como a instalação de anéis e supressores de ferrite. O tempo passou e a tensão aumentou.

Periodicamente, levava comigo meu filho mais velho de seis anos. Enquanto estávamos trabalhando, ele se divertiu no museu. Muitas vezes eu não vim, e os caras fizeram a maior parte do trabalho. Todos eram simpáticos ao meu estado civil.

A certa altura, outro entusiasta se juntou a nós, também chamado Sergey. Esse cara acabou sendo um estudante universitário, mas muito sensato. O surgimento do terceiro Sergey inesperadamente afetou positivamente a eficácia de nossa empresa. Com a participação dele, estabelecemos a principal causa do mau funcionamento. O link fraco foi a entrada do botão Iniciar, o único botão que o visitante deve pressionar. Mais uma vez, mudamos o design e passamos o cabo do botão para a unidade de controle em um tubo separado. Além disso, soldamos vários componentes no quadro. Os valores dos resistores pull-up, bem como um resistor da unidade de supressão de retorno de contato, foram alterados. Essa medida funcionou e resolvemos o problema. Com uma alma calma, comemoramos o Ano Novo juntos em minha casa.

Resultado

A abertura da exposição ocorreu no dia 4 de janeiro, desde então, vem trabalhando regularmente e entretendo visitantes. As manchetes apareceram na mídia: “Os cientistas restauraram a bobina do próprio Nikola Tesla”, “A maior bobina de Tesla da Europa ganhou”, “Uma sala de alta energia apareceu no centro X”, “Os cientistas inventaram a cura para o câncer” etc. Não sinto muito orgulho do projeto, acho que para muitos leitores fica claro que, do ponto de vista da engenharia, esse é um dispositivo bastante simples, feito além de algumas falhas.

Mas é muito agradável recordar o processo em si: nossas reuniões após o trabalho, discussão de conceitos para pizza buffet barata, o primeiro lançamento, a luta tediosa com problemas e vitórias. Por alguma razão, essas memórias se cruzam com diferentes eventos desde a infância: como aos 4 anos ele fez um curto-circuito em um apartamento, enfiando um alfinete na tomada, como o gravador de seu irmão o "consertou", como ele fez um avião com pranchas e pregos e tentou iniciá-lo, pela primeira vez pegou um ferro de soldar. Ao implementar esse pequeno projeto, cada um de nós conseguiu realizar os sonhos e aspirações da infância. Isso me faz sentir muito quente e agradável no coração, que é o que quero compartilhar com você.

UPD1

Adicionado um vídeo dos primeiros lançamentos.
frost273 - o mesmo Sergey A.