Калькулятор катушки Теслы: катушки, тороид, связь, настройка
От вторичной обмотки до конденсаторной батареи: инструмент рассчитывает индуктивность, собственную ёмкость и резонанс, связь с первичной обмоткой и подходящую настройку. Конструкции сравниваются по их различиям и по компонентам, проверенным сообществом.
Бесплатно, без регистрации
Сокращения и обозначения на этой странице (21)
- SGTC
- Spark Gap Tesla Coil: катушка Тесла с искровым промежутком в качестве ключа.
- SSTC
- Solid State Tesla Coil: катушка Тесла на полупроводниках (MOSFET или IGBT) вместо искрового промежутка.
- DRSSTC
- Dual Resonant Solid State Tesla Coil: SSTC с дополнительно настроенным первичным контуром.
- QCW
- Quasi Continuous Wave: DRSSTC с длинными нарастающими импульсами для прямых разрядов.
- VTTC
- Vacuum Tube Tesla Coil: катушка Тесла с генераторной лампой в качестве генератора.
- NST
- Neon Sign Transformer: высоковольтный трансформатор для неоновых трубок с ограничением тока, например 10 кВ / 30 мА.
- MMC
- Multi Mini Capacitor: батарея из множества одинаковых плёночных конденсаторов, соединённых последовательно и параллельно.
- LTR
- Larger Than Resonant: первичный конденсатор больше резонансной ёмкости трансформатора, обычно примерно в 1,5 раза.
- OCD
- Over Current Detection: отключение драйвера по превышению тока, защищает полупроводники.
- GDT
- Gate Drive Transformer: небольшой трансформатор, управляющий затворами транзисторов с гальванической развязкой.
- IGBT
- Insulated Gate Bipolar Transistor: биполярный транзистор с изолированным затвором для больших напряжений и токов.
- MOSFET
- Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor: полевой транзистор, переключаемый напряжением на затворе.
- MIDI
- Musical Instrument Digital Interface: управляющие данные для музыки; MIDI-прерыватель заставляет разряды играть ноты.
- UD2
- Universal Driver 2 от Steve Ward: распространённая плата драйвера для DRSSTC.
- ВЧ
- Высокая частота: переменные токи и поля примерно от нескольких десятков кГц; здесь в основном от 50 кГц до нескольких МГц.
- k
- Коэффициент связи двух катушек, от 0 до 1: какая доля магнитного поля пронизывает обе катушки.
- Q
- Добротность колебательного контура: 2π f L ÷ R. Высокая — малые потери, узкий резонанс.
- Lp, Ls
- Индуктивность первичной (p) и вторичной (s) катушки.
- Cp
- Ёмкость в первичном контуре (первичный конденсатор или MMC).
- λ/4
- Четверть длины волны λ = c ÷ f (c — скорость света). Вторичная катушка резонирует подобно четвертьволновому излучателю.
- Разряд (bang)
- Одно срабатывание искрового промежутка; энергия одного разряда равна ½ C U².
1. Конструкция
Пять распространённых конструкций различаются ключом, настройкой и видом разрядов. Выбор вверху, сравнение в таблице.
Классическая конструкция с разрядником: высоковольтный трансформатор заряжает конденсатор, разрядник резко разряжает его в первичную обмотку. Первичный и вторичный контуры настроены на одну частоту, энергия перекачивается во вторичный; когда искра гаснет, она остаётся во вторичной обмотке.
Трансформатор для неоновых вывесок (NST) с защитным разрядником и сетевым фильтром; MMC из плёночных импульсных конденсаторов (часто CDE 942C, 0,15 мкФ / 2 кВ); первичная обмотка из медной трубки; статический многозазорный или роторный разрядник; вторичная обмотка из эмалированного провода на пластиковой трубе, соотношение длины к диаметру 4–6 : 1; тор из алюминиевой гофры; отдельное ВЧ-заземление.
| SGTC | SSTC | DRSSTC | QCW | VTTC | |
|---|---|---|---|---|---|
| Ключ | разрядник (статический или роторный) | мост на MOSFET или IGBT | мост на IGBT | мост + buck-преобразователь | генераторная лампа (триод) |
| Настройка | первичный и вторичный | только вторичный | первичный и вторичный | первичный и вторичный | первичный (контур) и вторичный |
| Связь k | 0,1–0,2 | сильнее, чем у SGTC | как у SGTC, немного сильнее | выше 0,4 | средняя |
| Частота | 50–400 кГц | 100 кГц–1 МГц | обычно 40–150 кГц | обычно выше 400 кГц | несколько сотен кГц |
| Разряды | громкие, ветвистые; ориентир по Фрео | непрерывные или импульсные, короче | очень длинные, можно играть по MIDI | прямые «мечи» | тихие факелы, непрерывный режим |
| Преимущества | просто, надёжные компоненты, длинные разряды | без разрядника, с прерывателем может играть музыку | самые длинные разряды в любительской практике, может играть музыку | впечатляющие прямые разряды | тихо, возможен непрерывный режим |
| Недостатки | очень громко, озон, радиопомехи, разрядник изнашивается | полупроводники чувствительны, разряды короче, чем у DRSSTC | сложно, большие токи, ошибки уничтожают IGBT | самая сложная конструкция, высокая нагрузка на полупроводники | высокое анодное напряжение, лампы редкие и дорогие, нагрев |
2. Вторичная обмотка и тороид
Размеры вторичной обмотки и тороида. Чертёж справа в масштабе.
| Витки | 1000 |
| Соотношение длины к диаметру | 4,55 : 1 |
| Индуктивность (Лундин) | 22 mH (Wheeler 21,9 mH) |
| Собственная ёмкость (Медхерст) | 8 pF |
| Ёмкость тороида | 21,7 pF |
| Резонанс без тороида | 379 kHz |
| Резонанс с тороидом | 197 kHz |
| Длина провода | 347 m (0,913 × λ/4) |
| Сопротивление DC / при резонансе | 34,4 Ω / 35,8 Ω |
| Добротность (теоретическая) | 761 |
3. Первичная обмотка, связь и настройка
Плоская спираль (0°), конус (например, 20–30°) или цилиндр (90°). Связь рассчитывается виток за витком из взаимной индуктивности.
| Индуктивность первичной (Уилер) | 20,1 µH |
| Наружный Ø · высота · проводник | Ø 33 cm · 3,47 cm · Проводник 6,16 m |
| Коэффициент связи k | 0,156 |
| Необходимая первичная ёмкость | 32,4 nF |
3.2 колебаний до первой полной передачи через 16,2 µs. Сильнее связь = быстрее передача, но тогда разрядник должен гасить быстрее.
4. Питание и конденсаторная батарея
Для катушек с разрядником: трансформатор для неоновых вывесок (NST), подходящая ёмкость и MMC из отдельных конденсаторов.
| Резонансная ёмкость (NST) | 9,55 nF |
| Ёмкость LTR (статический разрядник) | 14,3 nF |
| Энергия за разряд | 1,43 J · при пиковом 14,1 кВ |
| Сборка MMC | 15 последовательно × 1 параллельно = 15 шт., 10 nF, 30 кВ |
| Длина разряда (ориентир по Фрео) | ≈ 74,8 cm |
Формула
Вторичная: L = µ0 N² A K ÷ l (коэффициент Нагаоки K по Лундину), для сравнения Уилер L = r² N² ÷ (9 r + 10 l). Собственная ёмкость по Медхерсту C = 0,29 l + 0,41 r + 1,94 √(r³ ÷ l) (дюймы, пФ). Тор C = 2,8 (1,2781 − d ÷ D) √(π (D − d) d ÷ 4) (дюймы, пФ), шар 4πε0 r. f = 1 ÷ (2π √(L C)). Первичная по Уилеру: спираль r² N² ÷ (8 r + 11 w), конус √((L_Helix sin θ)² + (L_спираль cos θ)²). Связь k = M ÷ √(Lp Ls), M из взаимной индуктивности коаксиальных колец (эллиптические интегралы). NST: C_res = I ÷ (2π f U), LTR ≈ 1,5 C_res. Разряд по Фрео ≈ 1,7 √P дюйма.
Пример
Труба 110 мм, намотка 50 см эмалированным проводом 0,5 мм: 1000 витков, 22 мГн, без тороида 379 кГц. С тором 120 × 500 мм 197 кГц. Первичная обмотка 8 витков трубкой 6 мм, внутренний диаметр 160 мм, конус 20°: 20 мкГн, k ≈ 0,16, для настройки 32 нФ. NST 10 кВ / 30 мА при 50 Гц имеет резонансную ёмкость 9,5 нФ, LTR около 14 нФ.
Примечания
- Все формулы — приближения для свободно стоящих катушек. Стены, пол, первичная обмотка и разряды смещают резонанс; окончательная настройка выполняется отводом на первичной обмотке.
- Формула для тора эмпирическая (±10–20 %). Для точных значений измерить частоту: подключить к катушке генератор сигналов и найти максимум осциллографом или антенной.
- Добротность теоретическая (медь и скин-эффект). Измеренная обычно заметно ниже из-за каркаса, лака и окружения.
- Связь: у SGTC обычно 0,1–0,2. Слишком сильная связь ведёт к пробоям на вторичной обмотке и плохому гашению разрядника.
- Опасно для жизни: сетевое напряжение, высоковольтный трансформатор и заряженные конденсаторы убивают. Конденсаторы снабдить разрядными резисторами и закорачивать перед каждым прикосновением. ВЧ-разряды обжигают, создают помехи радиосвязи и электронике; эксплуатировать только с отдельным ВЧ-заземлением и вдали от кардиостимуляторов и приборов.