Como fabricamos a maior bobina de Tesla na Rússia

Antecedentes históricos

O século XIX foi uma espécie de era do oeste selvagem na física experimental do eletromagnetismo. Robert Van de Graaff, Lord Kelvin, Nikola Tesla e muitos outros cientistas, pesquisadores e engenheiros descobriram cada vez mais novos fenômenos e, em seguida, ampliaram suas instalações para tamanhos enormes. Algumas de suas criações ainda funcionam - por exemplo, o gigantesco gerador Van de Graaff de seis metros do Museu de Ciência de Boston e alguns, como a conhecida torre Wordencliff, nunca nasceram.



Com o tempo e o desenvolvimento da ciência e da tecnologia, a atenção dos cientistas mudou para outras direções, mas os entusiastas individuais continuaram a coletar, estudar e melhorar os desenvolvimentos clássicos no campo de altas tensões, eletrostática, física de plasma - alguém devido a uma crença insaciável na teoria do éter e na energia livre, que Algo por curiosidade, ou para resolver problemas aplicados altamente especializados, alguém simplesmente porque isso lhe foi entregue.

Recentemente, desde o final dos anos 90, esse ramo da engenharia vem passando por um renascimento relacionado ao interesse do show business e da indústria do entretenimento em atrair atenção para as categorias de bobinas de Tesla , intensificadas na última década após a invenção do DRSSTC , que atualmente representa o mais forma tecnicamente perfeita de bobina de Tesla, usando transistores de potência em vez do clássico gap, que permite que você rapidamente - durante vários períodos de oscilação - altere a frequência da descarga ( BPS ) e, como resultado, reproduz música diretamente com a ajuda de um raio emergente. Um exemplo é o conhecido modelo de produção OneTesla, que, com todo o construtor mal concebido proposto pelos autores, é bastante funcional com uma certa aplicação manual.

No momento, os transformadores de Tesla e dispositivos relacionados (escadas de Jacob, geradores Marx e Cockroft-Walton, colunas de plasma, geradores Van de Graaff etc.) de vários tamanhos e óculos são usados ​​continuamente em vários projetos de espetáculos organizados em torno deles Os EUA (Arc Attack), Rússia (TeslaFX), Grã-Bretanha (Lords of Lightning), China (infelizmente, hieróglifos não treinados) e outros países brilham periodicamente no show business (efeitos especiais em Harry Potter, o Aprendiz de Feiticeiro, concertos do Metallica, etc. ) e também estão presentes como uma exposição Cada museu de ciência que se preze.

O tamanho importa

Em suma, a certa altura, um grupo de engenheiros amadores, longos e firmemente atolados no tesstroeniya coletivo, decidiu que já estava entediado para brincar na caixa de areia, fazendo pequenas bobinas internas (e até médias ao ar livre) e decidiu fazer algo especial. Naquela época, já tínhamos (como nos pareceu) experiência suficiente no desenvolvimento de bobinas de Tesla de várias topologias e o modelo matemático disponível permitiu escalar o projeto típico várias vezes. De fato, as únicas limitações claramente perceptíveis foram o tamanho da sala disponível, o poder da tomada e as finanças (embora, o que existe, no final, tudo se resume a finanças). Tendo estimado o orçamento, horas-homem e outros insignificantes chatos, decidiu-se limitar a instalação a cerca de três metros de altura, com uma potência estimada em cerca de 30-40 kW. Para quem conhece o assunto:





A tecnologia, é claro, foi escolhida especificamente pelo DRSSTC, porque com a abordagem correta e a ausência de erros, seu custo (assim como peso e dimensões) é muito menor do que o de outras opções (centelhador ou tubo de rádio) com os mesmos parâmetros finais. Bem, e, claro, você pode tocar música nele.

Princípio modular

No projeto inicial de uma bobina de Tesla suficientemente grande, o projeto pode ser dividido em vários módulos (enrolamento primário, enrolamento secundário, toróide, alojamento, inversor de energia, acionador, painel de controle, eletricidade auxiliar etc.), cada um dos quais é inventado e fabricado separadamente, após o que se reúnem, são sequencialmente sintonizados e depurados no processo e, como resultado, explodem, começam a emitir raios. Normalmente, a maioria dos transformadores da Tesla é montada apenas por entusiastas do início ao fim, mas, em primeiro lugar, já tínhamos uma equipe mais ou menos bem coordenada com uma distribuição de funções (gerente de projeto, designer, desenvolvedor (também conhecido como testador) e várias pessoas no gancho - um instalador, um serralheiro etc.) e, em segundo lugar, a tarefa em si era bastante ambiciosa, e eu queria fazê-lo sem despesas desnecessárias, mas ao mesmo tempo mais ou menos qualitativamente, o máximo possível para um protótipo e design exclusivo. Portanto, todos podem fazer suas próprias coisas, enquanto se comunicam simultaneamente para sincronizar os módulos, e como gerente de projeto, posso falar sobre cada um dos módulos separadamente e também mostrar o que aconteceu no final.

Preparação e manuseio de materiais

Após discussão, reflexão e várias palavrões sobre o tema, o conceito geral foi aprovado por uma decisão coletiva e eu descrevi um esboço primitivo no 3ds max. O esboço foi necessário para entender a escala da tarefa, entender as proporções mútuas básicas dos módulos, como ponto de partida para o design e elevar o moral da equipe. Com base no esboço, o designer montou o projeto na Creo Elements (então ainda Pro / Engineer), já observando tamanhos específicos, formas de conectar peças entre si e outras nuances. De acordo com os resultados deste projeto, foram criados desenhos: peças da carcaça, base de enrolamento primário, toróide, caixa para automação e elétrica, além de um bloco de capacitores de circuito primário ( MMC ).









Como materiais estruturais, usamos fibra de vidro de 18 mm de espessura, processada por corte a jato de água (devido à sua alta estabilidade estrutural e térmica, outros métodos de processamento se mostraram inúteis), compensado grosso para o gabinete e um composto de alumínio-plástico para a unidade de automação (para blindagem de uma bobina poderosa frente à interferência eletromagnética, afetando adversamente seus próprios circuitos de controle), bem como policarbonato em vários locais. O compensado e o plástico foram processados ​​em uma fresadora CNC, pertencente a um vizinho da fábrica, onde nossa equipe estava envolvida em toda essa indecência. O Creo Elements permite que você crie programas de controle prontos para o CNC, o que ajudou bastante no processo - simplesmente alugamos uma máquina e fizemos o que precisávamos quando necessário.

Primário e secundário

O enrolamento secundário foi enrolado em uma estrutura clássica - um grande tubo de esgoto de PVC laranja (sério, esta é a melhor das opções disponíveis para bobinas de Tesla de qualquer tamanho em termos de preço, disponibilidade e adequação). O fio esmaltado (diâmetro 1,06 mm), enrolado de um lado para o outro, em uma camada, depois revestido com epóxi, transformou o tubo em um indutor de tamanho grande, aguardando ansiosamente seu momento de glória - o secundário da bobina gigante de Tesla. As dimensões totais do tubo resultaram em 310x1800 mm.







O enrolamento primário - também clássico - enrolamos um tubo de cobre para aparelhos de ar condicionado, com um diâmetro de 22 mm (7/8 polegadas). As curvas se encaixam perfeitamente nas ranhuras cortadas em fibra de vidro com um jato de água abrasivo sob uma pressão de milhares de atmosferas, e agora dois módulos, um primário e um secundário - o esqueleto de qualquer bobina de Tesla - estavam conectados um ao outro. O projeto ganhou forma e cor gradualmente.

Toroid

Com um toróide, um elemento necessário de qualquer bobina poderosa de Tesla, no entanto, tudo se tornou mais complicado. Inicialmente, também foi planejado seguir uma estrada comprovada e usar o papelão ondulado de alumínio para ventilação. Na prática, verificou-se que esta é uma solução extremamente única - a ondulação aumenta instantaneamente a partir de qualquer movimento descuidado e, com as dimensões planejadas, terá que ser substituída a cada transporte do dispositivo.



Portanto, depois de algum estudo sobre a questão, roubei a idéia de me deparar com uma opção interessante na Web, e o designer a modelou levando em consideração nossa escala e publicou um projeto para montagem. O fato é que o principal requisito para um toróide de bobina de Tesla é a sua “suavidade” do ponto de vista dos campos eletromagnéticos, uma vez que qualquer redução ou irregularidade representa os pontos de formação de uma descarga de coroa que causa a quebra do ar antes que a potência máxima seja atingida e, além disso, tire parte do comprimento útil do zíper. Mas aqui há uma ressalva relacionada ao fato de que as linhas de campo do campo parecem cercar o toróide com zonas equipotenciais, como resultado do qual ele pode ser montado a partir de componentes que, quando reunidos corretamente, formam um campo suficientemente suave para impedir que a bobina de Tesla funcione descarga onde não é necessário.



Em geral, o resultado se mostrou muito incomum na aparência, relativamente simples de fabricar, confiável na operação e surpreendentemente eficaz em comparação com outras versões conhecidas dessa parte importante da bobina de Tesla. O diâmetro do tubo de alumínio é de 50 mm, e o tamanho total da coisa toda que parece um OVNI tem cerca de dois metros de diâmetro. Os espaçadores de círculos para tubos foram cortados de madeira compensada na mesma fresa CNC, e soldei a estrutura central a partir de um canto de aço.







Sobre isso, em princípio, a parte estrutural foi concluída.

Parte do poder

Em um inversor de energia para grandes bobinas de Tesla, os módulos IGBT são frequentemente usados ​​- são tijolos pretos (ou brancos) com dois a três (às vezes até 10) terminais de energia e vários terminais de controle, normalmente usados ​​em inversores de energia - unidades de carregamento poderosas, subestações de transformadores, conversores de frequência para motores, veículos elétricos, etc. Devido ao grande tamanho do cristal, esses módulos são capazes de suportar uma sobrecarga significativa de curto prazo na corrente de operação (até 10 vezes a nominal), o que é extremamente ygodno pulsado inversor Tesla bobina de acordo DRSSTC-tecnologia, uma vez que o ciclo de funcionamento (o tempo durante o qual as vibrações ocorrem no circuito e a corrente passa através dos transistores, o aquecimento de cristais), não é tipicamente cerca de 5-10%. Mas, por outro lado, a grande maioria desses módulos IGBT é projetada para frequências operacionais da ordem de unidades, pelo menos dezenas de kilohertz (no entanto, recentemente a situação melhorou e os módulos modernos podem operar até 100 kHz). Usá-los em uma frequência mais alta geralmente leva a problemas com o controle do obturador, superaquecimento e explosões (onde sem explosões).



O custo de um módulo, mesmo usado, pode ser relativamente alto (de unidades a centenas de milhares de rublos), por isso decidimos mantê-lo seguro e fornecer dois módulos CM600DU-24NFH com uma reserva de corrente de pico (600 amperes de corrente contínua, 1200 volts, dois transistores) na comutação de meia ponte) de acordo com o esquema de “ponte completa” (como você sabe, uma ponte completa é feita de duas meias pontes - K. O.), ou simplesmente “ponte”. Colocados em um radiador correspondente às suas dimensões através de duas colheres de chá de pasta térmica KPT-8, eles foram conectados por pneus de cobre e equipados com o kit de corpo necessário - capacitores eletrolíticos e de filme de potência.



Há muito conhecimento empírico astuto ao inventar a maneira real de conectar essas partes, projetado para reduzir riscos e maximizar a confiabilidade de tais estruturas, mas os campos dessa entrada são muito estreitos para que eu possa falar sobre eles, se você entende o que quero dizer. Não havia garantias de que a coisa resultante não explodisse na primeira tentativa de ativá-la, mas naquele momento parecia um risco aceitável.

Automação e Elétrica

O eletricista de controle não continha nada de particularmente interessante. Era necessário garantir um carregamento suave dos eletrólitos (para que eles não derrubassem as máquinas na blindagem no momento em que a unidade foi ligada) - um acionador de partida automático (na verdade, um grande relé de potência) e vários resistores de potência.



Uma ponte de diodo de 150 amp endireitou a rede (a propósito, todo o projeto foi criado, é claro, para energia trifásica, que foi associada a muitas descobertas interessantes diferentes - antes de não fazermos nada por três fases, especialmente de tal potência), os ventiladores explodiram a ponte de diodo e ao mesmo tempo, o radiador da unidade de energia e as lâmpadas no painel frontal mostravam um semáforo, informando gentilmente quando é possível tocar partes da bobina com as mãos, quando é melhor não estar e quando é desejável ficar o mais longe possível para não prender a descarga na coroa.

Driver

O driver de controle é um tópico separado, e talvez um dia eu seja capaz de falar mais sobre isso. Seu principal objetivo é aplicar, nos momentos certos, um sinal de controle aos portões dos transistores, ligando-os e desligando-os de forma a manter e amplificar as oscilações que surgem no circuito primário, enquanto modula-as com a frequência fornecida pelo painel de controle (é exatamente isso que é necessário para a reprodução Bobinas de Tesla). Bem, também há várias funções que otimizam esse processo e lidam com todas as exceções (como exceder a corrente máxima permitida para transistores - OCD , proteção contra superaquecimento etc.), um detector de fase, chamado. um preditor que fornece comutação de transistores com corrente zero e outras coisas absolutamente necessárias para a operação do inversor de bobina de Tesla. Seu circuito atual (assim como o layout da placa, as fotos da placa, as informações sobre os componentes usados ​​e a existência dessa placa) é propriedade intelectual do desenvolvedor e, portanto, não posso compartilhá-lo, mas mesmo que pudesse, tenho medo de não ter compreensão e profissionalismo para contar claramente sobre isso. A bobina de Tesla é muito fácil de descrever usando analogias nos dedos, mas o modelo matemático que é correto do ponto de vista do desenvolvimento de eletrônicos é extremamente complexo e contém muitas sutilezas não-óbvias (assim como a parte de poder), portanto, a maioria dos teslostroiteley usa apenas um conjunto de regras práticas e soluções prontas para uso. a construção de suas bobinas, que no nosso caso não era aplicável. Existem muitos artigos na rede sobre os princípios de funcionamento do DRSSTC, bem como projetos de driver abertos (e fechados, mas disponíveis para compra), por exemplo, do colega chinês Loneoceans - qualquer um pode ler mais lá.

Controle remoto MIDI

O painel de controle (também conhecido como interrater) era um sintetizador MIDI simples com várias configurações primitivas, que recebia arquivos MIDI (ou dados dos botões de controle) e emitia um sinal de controle para o driver através do cabo óptico. Com ele, em princípio, tudo era simples e compreensível, porque decidimos não perder tempo desenvolvendo o que podemos comprar e acabamos de fazer - compramos o acabado. Ele, é claro, acabou sendo um produto semi-acabado de buggy, mas economizou centenas de horas-homem estudando o protocolo MIDI, fazendo uma placa, depurando o microcontrolador e detectando os erros inevitáveis. O principal é que, naquele momento, ele lidou perfeitamente com sua tarefa. O controle remoto foi adquirido de um colega americano teslostroitel e, na época, era o único vendido com suporte a cartão SD, ou seja, capaz de tocar música sem um dispositivo MIDI externo ou laptop. Isso foi crítico, porque havia receios legítimos de que a interferência da operação de uma bobina tão grande penduraria firmemente todos os componentes eletrônicos dentro de um determinado raio dela, e a suspensão de algum teclado MIDI, cujos desenvolvedores não poderiam fornecer um nível de sinais espúrios em sonhos terríveis, se estes o teclado controla a própria bobina de Tesla, que causa interferência nela, é repleto de feedback positivo descontrolado e, como resultado ... corretamente, explosões. Não queríamos explosões.



Como o controle remoto foi vendido na forma de uma placa soldada e costurada com uma dispersão de peças remotas, tivemos que desenvolver um caso para ele, onde a própria placa, energia, quatro codificadores, quatro botões, uma tela e vários conectores (quatro transmissores ópticos, entrada MIDI, entrada USB, slot para cartão SD). Ao longo do caminho, muitos tipos de falhas do autor foram revelados, em particular, a ausência de qualquer tipo de controle nutricional (alimentado por Krona? Lítio-íon? Eu não ouvi), que precisou ser corrigido e completado para que pudesse ser usado para a finalidade pretendida. A quimera resultante, apesar de uma série de falhas repugnantes em algumas condições malsucedidas, lida com êxito com a tarefa principal até hoje.De alguma forma, não encontrei a fotografia dele, mas ela pode ser vista em um dos quadros abaixo, na seção “inspeção inicial” - uma caixa preta ao lado do cabo de alimentação no lado direito da imagem. Ainda há um quadro do vídeo do autor do circuito e do firmware - aqui está.

Banco de capacitores

Como capacitor ressonante, escolhemos os capacitores de filme de potência de um dos fabricantes nacionais, especialmente desenvolvidos (de acordo com o catálogo do fabricante) para operação pulsada. Cinco peças com uma capacidade total de cerca de 1,2 microfarads e uma tensão máxima de 20 quilovolts, conectadas por um barramento de cobre com parafusos de latão. A propósito, uma quantidade significativa de fixadores de latão foi gasta em todo o projeto - devido às enormes correntes em quiloamperes, combinadas com um poderoso campo magnético do enrolamento primário, os fixadores de aço galvanizado e inox aquecem instantaneamente em brasa, o que pode levar a efeitos especiais não planejados (sim Sim, explosões). Portanto, no barramento de capacitores e, em geral, em todas as conexões de energia no circuito primário, era necessário usar apenas cobre e latão.Os primeiros testes mostraram a ingenuidade de tentar colocar algo ferromagnético e / ou não transmitir corrente elétrica suficientemente bem.

O próximo passo foi configurar o driver. Para fazer isso, basta montar o circuito primário (banco de capacitores, primário e ponte) como um todo, conectar o driver aos transistores da ponte e começar a aplicar tensão suavemente, rastreando as formas de onda no osciloscópio em diferentes partes do circuito. Se tudo for feito corretamente, a geração automática ocorrerá na frequência calculada no circuito primário (no nosso caso, cerca de 50 kHz). Ao mesmo tempo, um secundário não é necessário e nenhuma descarga ocorre, mas os dados coletados são suficientes para definir o preditor, o TOC e detectar erros na instalação ou nos parâmetros selecionados das peças. Essa parte acabou sendo simples e fácil (a propósito, nesse modo, o enrolamento primário pode funcionar como um fogão de indução para cozinhar - existem precedentes para fritar ovos em uma panela em cima do primário),e fomos com uma prole quase nascida para uma grande e semi-abandonada fábrica para finalmente verificar nossa criação in vivo.





O teste acabou sendo rápido, vibrante e um pouco previsível: após várias descargas de quatro metros, a bobina de Tesla disse: "Estou cansado de você, estou indo embora" e parou de trabalhar com um estalo alto em algum lugar dentro do gabinete. Um estudo subsequente desse fenômeno mostrou que, no processo de seleção da frequência ideal, cometemos um erro em uma volta do enrolamento primário, e a incompatibilidade resultante ao trocar os transistores foi suficiente para que eles, como dizem no teslostroitelnoy argo profissional, foram estuprados, ou seja, se tornaram completamente inutilizáveis ​​devido à transição silício contido neles em estado gasoso (como na piada de que os transistores funcionam, dizem eles, na fumaça mágica - quando sai, eles param de funcionar). Um kit sobressalente de transistor permaneceu no laboratório,e pelo resto do tempo alocado, brigamos um com o outro e lançamos outras bobinas de Tesla que levamos conosco como parte de um ensaio para o festival GEEK PICNIC (no qual o lançamento do projeto foi marcado).

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Bem, houve um pouco de trabalho sobre os bugs, taxas movimentadas, chegada à Ilha Elagin, onde o mencionado GEEK PICNIC tradicionalmente ocorre em São Petersburgo, testes noturnos antes do dia do nosso festival de bobinas, já com um novo toróide tubular e ao máximo (desculpe pela tautologia intencional). O dia seguinte foi a hora X (durante a qual, durante cerca de quinze minutos, pulamos em torno da multidão que não queria iniciar uma obra-prima até encontrarmos um batente de instalação - o transformador atual foi conectado na fase errada), Vivaldi, a Marcha Imperial e Mario com um raio. todos quadrocopters com câmeras, cinquenta mil espectadores que olhavam o que estava acontecendo, alguns com admiração, outros com surpresa, outros com indiferença incompreensível, outros através das telas de seus smartphones e tablets, vários lançamentos de bis à luz do dia, onde a descarga era quase imperceptível (s poderia ser bem ouvido) e - após o fim do festival, mas antes do fechamento do parque - a poucos minutos dos maiores bobinas musicais Tesla na Rússia no crepúsculo de verão, que ainda, por vezes, ficar na frente de meus olhos.















Segurando o controle remoto de uma coisa dessas e olhando para o raio quase real de seis metros atingindo o ar com tentáculos ameaçadores, surgindo e mudando o movimento de seus dedos - essa ainda é uma das minhas memórias mais fortes de nove anos trabalhando em bobinas de Tesla e efeitos especiais de alta tensão. Mas, infelizmente, nada dura para sempre, e indignado com o que está acontecendo (eles dizem que as pessoas não querem sair enquanto você se diverte aqui), o guarda do parque exigiu que a loja fosse dobrada e lançada, o que foi feito.





Infelizmente, desde então, nunca mais conseguimos lançar esta bobina de Tesla novamente. Redesenhamos o projeto da unidade de potência, atualizamos o driver, fizemos um progresso significativo na compreensão dos princípios de tudo, mas a falta de uma plataforma adequada para tais experiências, infelizmente, ainda é um obstáculo intransponível e caro. A bobina está na forma de componentes em minha casa e está esperando nos bastidores. Algum dia eu ligarei novamente. Ou talvez não ela, mas uma nova, duas ou três vezes mais. Quem sabe

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