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Prima di partire con la spiegazione mi pare giusto ringraziare gli utenti del  forum che tanto mi hanno aiutato e grazie ai quali ho imparato pressochè tutto ciò che so sulle bobine di Tesla e il loro funzionamento, ecco il link al forum Teslamaniacs . 

Consiglio vivamente di leggere le Precauzioni da tenere con l'alta tensione, sempre dal forum Teslamaniacs.

Un'altra dritta è utilizzare i programmi Tesla Coil CAD e Ghost Teslacoil Editor  per fare calcoli e vedere i risultati dal lato teorico...ricordatevi che i dati teorici rappresentano la massima e perfetta efficienza di tutti i componenti che avete utilizzato e quindi si possono discostare alquanto dal risultato reale finale.

Se avete bisogno di un po' di teoria di elettronica potete dare un'occhiata QUI.

(i link al forum e ai programmi si aprono con un click sui relativi nomi)

Detto ciò partiamo con la spiegazione...

 

Cos'รจ

Allora, cominciamo con lo spiegare cosa è una bobina di Tesla, in poche semplici parole si tratta di un trasformatore dove però l'avvolgimento primario e quello secondario sono accoppiati, cioè risuonano alla stessa frequenza aumentando considerevolmente il voltaggio in uscita. Il circuito è formato dalle seguenti parti:

-un trasformatore HV--> genera l'alta tensione a partire dalla rete di casa

-un condensatore--> immagazzina energia finchè la tensione non raggiunge livelli tali da bucare l'aria che si trova tra i terminali dello spinterometro

-uno spinterometro--> fa chiudere il circuito quando la tensione nel condensatore è sufficientemente alta e permette quindi il passaggio della corrente elettrica all'avvolgimento primario

-un avvolgimento primario + un avvolgimento secondario--> per effetto dell'induzione elettromagnetica nell'avvolgimento secondario si ha una tensione di molto superiore a quella presente nel primario

-un toriode--> forma il secondo terminale del condensatore formato da : messa a terra-aria-toroide; dove la terra è il primo terminale

Ecco l'immagine per esemplificare la cosa

Tipi

Esistono vari tipi di Bobina di Tesla (Tesla Coil, in inglese) a seconda delle componenti utilizzate:

-SGTC (Spark Gap Tesla Coil)--> la tipologia più semplice, basata su uno "spark gap" (spinterometro) per chiudere il circuito alla giusta carica dei condensatori, è il tipo da me scelto;

-SSTC (Solid State Tesla Coil)-->lo spark gap viene sostituito da ciuruiteria elettronica nel dare il giusto tempismo di scarica;

-VTTC (Vacuum Tube Tesla Coil)--> bobine di tesla con valvole

Il trasformatore HV

Prima di tutto bisogna sapere che tipo di risultati abbiamo in mente di ottenere, con che qualità e con quanto dispendio di tempo e denaro...

 

La prima cosa da scegliere, in base ai nostri sogni scintilliferi, è la potenza del trasformatore; i più comuni per l'utilizzo nelle bobine di tesla sono gli NST(Neon Signs Transformer) in quanto abbastanza robusti e non eccessivamente pericolosi in corrente. Io ho scelto, o meglio ho trovato (perchè si tratta un po' di una caccia  all'oggetto che meglio rispetta i nostri progetti), un NST da 7kV 50mA  che ha una potenza appastanza piccola ed era compatibile con le ridotte dimensioni del mio secondario.

Il condensatore o il banco MMC

Per immagazzinare l'energia necessaria a generare le nostre tanto sognate scariche abbiamo bisogno di un condensatore, ma di che tipo e soprattutto con quali caratteristiche? A questo punto, anche se qualcuno dirà che si perde la parte scientifico/fisica del progetto, io consiglio di cominciare a prendere la mano con GTE (Ghost Teslacoil Editor): avviate il programma e create un nuovo progetto, mettete i dati realtivi al vostro NST e vi accorgerete che andando nell'opzione relativa al condensatore avrete già la tensione di lavoro (in genere è pari al triplo della tensione in uscita dal NST).  Avendo un NST dovrete rispettare in modo abbastanza preciso i valori di capacita in quanto vi permeteranno di sfruttare al massimo il trasformator; di rado si trovano condensatori in vendita con quelle specifiche e si ricorre quindi al metodo del MMC (Multi Mini Capacitor), cioè mettere in sieme (in serie e in parallelo) tanti condensatori da raggiungere i valori di capacità e tensione richiesti, non stupitevi dei numeri, io ho messo insieme 228 condensatori (ovviamente se la tensione risultante sarà superiore a quella indicata non vi sarà alcun problema, ripeto invece di prestare attenzione alla capacità). E' buona norma mettere in parallalo ad ogni condensatore una resistenza così da scaricare compeltamente l'MMC quando non è più alimentato e la bobina è spenta.

Il tipo di condensatori da utilizzare è il polistere o il polipropilene in quanto non sono polarizzati e sono capaci di lavorare a correnti alternate (l'NST ha in uscita una corrente altenata), i migliori per questo impiego sono gli MKP in quanto specializzati nell'utilizzo impulsivo, veloci nella carica e rapidissimi nella fase di scarica.

Il dove trovarli forse sarà una delle parti più difficili del vostro progetto: buttatevi nei negozi di elettronica, nei loro fondi di magazzino, cercate alle fiere di elettronica e alla fine, se non trovate nlla che vi aggradi, cercate su ebay. Cercate preferibilmente stock di condensatori per risparmiare poichè questa parte è assai dispendiosa, aspettatevi di pagare minimo 60 euro (spese spedizione incluse). 

Come fare è semplice: una volta trovato uno stock che vi sembra conveniente inserite i dettagli dei condensatori sul GTE e guardate il numero di condensatori richiesti avendo la precauzione di comprarne in eccesso x poter fare future riparazioni. Se però non siete davanti al vostro computer con l'adorato programmino in aiuto vi farà sicuramente comodo il metodo matematico che sta dietro al calcolo che fa il vostro pc:

Tensione richiesta / Tensione singolo condensatore = numero di condensatori da mettere in serie ottenendo così una stringa

capacità singolo condensatore / numero di condensatori in serie = capacità della stringa

capacità richiesta / capacità stringa = numero di stringhe da collegare in parallelo

Il mio progetto: avendo un trasformatore da 7kV la tensione di lavoro che ho calcolato è 21kV e la capacità calcolata dal programma è 22.74nF, dopo aver cercato per mesi ho scelto lavia di ebay dove ho comprato 5 stock da 50 condesatori l'uno a circa 9 ero l'uno...le specifiche dei condensatori sono 275Vac 0.56uF (560nF) l'MMC che ne è nato è costituito da tre banchi in parallelo ciascuno formato da 76 consensatori in serie per un totale di 20.9kV 22.11nF (la tolleranza è accettabilissima). In parallelo ad ogni condensatore ho messo unaresistenza da 10Mohm 1/4 W.

Ecco il mio MMC finito, ho montato i tre banchi su tre lastre in plexyglass 20x20 (due lastre 20x40 tagliate a metà) e ne ho messa una quarta sopra l'ultimo banco per prevenire che qualcuno ci appoggi la mano o li tocchi (a carica completa è potenzialmente letale). I livelli sono distanziati da cilindri forati di legno tinti di nero, all'interno dei quali passa un'asticella filettata che, passando anche attraverso il plexyglass, tiene tutto stretto.

Lo spinterometro

Lo spinterometro (Spark Gap) può essere considerato come una specie di timer:

Il tipo più semplice è costituito da due elettrodi separati, avvicinati l'uno all'altro con tra di solo solo aria e fissati in modo che uno dei due sia regolabile così da poter gestire il Gap. Quando l'MMC raggiungerà una carica tale da consentire all'elettricità di bucare l'aria presente tra gli elettrodi si formerà un piccolo arco voltaico che andrà a chiudere il circuito consentendo il passaggio di corrente elettrica al primario. Regolando opportunamente la distanza tra gli elettrodi, fino a portarla al massimo possibile affinchè si formi l'arco voltaico, otterremo la massima efficienza dal nostro MMC in questa configurazione.

 Il tipo "Richard Quick" è uno spinterometro più efficiente in quanto ionizza di meno l'aria...un po' di chiarezza: quiando si forma un arco voltaico l'alta tensione che attraversa l'aria ne causa la ionizzazione, l'aria ionizata conduce meglio e quindi farebbe chiudere il vostro circuito prima che i condensatori siano del tutto carichi riducendo le prestazioni della bobina. Lo spinterometro del tipo Richard Quick è costituito nonsolo da due elettrodi, bensì da molti di più tra i quali è diviso il Gap toale che l'arco deve attraversare; è spesso realizzato con tubi in rame affiancati fissati ad un supporto isolante, il primo e l'ultimo tubo sono i terminali e quelli nel mezzo dividono lo spazio di gap. E' consigliabile avvicinare una ventola (tipo quelle per pc) per eliminare comunque l'aria ionizzata e raffreddare i tubetti perchè scaldano moltissimo e il metallo , quando sottoposto a calore, si dilata causando in questo caso una diminuzione dello spazio di gap con (di nuovo) conseguente scarica prematura dell'MMC e prestazioni minori. 

Il tipo rotativo è uno spinterometro mobile che, a differenza dei precedenti (statici), permette di regolare a piacimento la chiusura del gap. Anche qui vi sono vari modi di costruirlo ma fondamentalmente di hanno due elettrodi molto distanziati tra i quali è presente una sbarra di collegamento rotante (spesso sostituida da un disco con contatisporgenti) che viene fatta girare da un motore a velocità variabile e modificando appunto quest'ultima si va a regolare anche il giusto tempismo della rottura del gap e il numero delle rotture del gap per secondo. Un semplice sito dove trovare qualche immagine chiara è QUI.

Il mio progetto: ho scelto il tipo Richard Quick, spesso viene montato all'interno di un tubo in PVC e realizzato con tubi in rae del diametro di 1-2cm ma a me era avanzato del tubo di rame dalla realizzazione del primario e ho utilizzato quello. Ho tagliato e raddrizzato dei tubetti di 10cm e li ho messi all'interno di una morsa di legno: quattro piccolli pezzetti di legno disposti a due a due: due alle estremità inferiori dei tubetti e due a quelle superiori e il tutto tenuto stretto da quattro asticelle filettate e bulloni ai quattro vertici. Un piccolo intoppo....il legno a contatto con i tubetti si inceneriva e ho quindi provveduto mettendo una srisciolina di pvc (ottenuta tagliandola da un tubo)  tra i tubetti e i pezzetti di legno. Non fate caso ai fori sul rame....dovevano servire per ancorarli alla maniera comune ma è stato fallimentare.

Modifica!

Ho infine deciso di optare per uno spinterometro rotativo chq potete vedere QUI

Un po' di luce

E' utile, per capire meglio tutto, leggere questi punti (citaz. dal forum Teslamaniacs , sezione Coils, discussione "Rapporto larghezza-altezza dei secondari" ) :

1-Dovete convincervi che un teslacoil è innanzitutto una bobina, anzi, due bobine... accoppiate... quindi un trasformatore.

2-È un trasformatore... ve ne siete convinti? Bene. Ora dovete convincervi che è anche un trasformatore accordato. Ripetetetevi questa cosa finchè ne siete convinti.

3- Come ogni bobina di questo mondo anche primario e secondario del teslacoil hanno la loro brava induttanza. Cioè, un valore che indica quanto induttive siano. Già, perchè ogni bobina è soggetta ad autoinduzione.

4- A questo punto c'è da capire che il valore in Henry dipende dalla forma fisica della bobina e cioè diametro di avvolgimento, numero di spire e quindi, lunghezza totale.

5-Il diametro dell'avvogimento dipende principalemnte da cosa trovate per casa di rotondo su cui avvolgere la bobina.

6-La lunghezza dell'avvolgimento dipende dal diametro del filo e dal numero di spire che volete avvolgere. Già, perchè una spira accanto all'altra formano la lunghezza. Numero di spire per il diametro del filo più una certa percentuale di aria nel mezzo fanno la lunghezza dell'avvolgimento.

7-Più grande è il diametro maggiore è l'induttanza.
8-Maggiore è la lunghezza più spire ci sono avvolte e maggiore è l'induttanza.
9- Per conoscere l'induttanza di una bobina lineare ci sono le formule del Boreau Of Standards, Nagaoka, ecc...

http://hamwaves.com/antennas/inductance.html

http://en.wikipedia.org/wiki/Inductor

www.mogami.com/e/cad/coil-01.html

10- Maggiore è il numero delle spire del secondario maggiore è la tensione ai sui capi mantenendo costante la variazione di campo nel quale è immerso.

11- Maggiore è il numero di spire del secondario maggiore è l'induttanza, maggiore è l'energia accumulata nel circuito risonante.

12- Maggiore è il numero di spire del secondario a parità di tensione minore è la differenza di potenziale tra spira e spira e quindi la probabilità di un arco interno.

13- Maggiore è il numero di spire del secondario maggiore è la lungheza su cui si svolge e maggiore deve essere il campo magnetico variabile prodotto dal primario per ottenere i soliti risultati.

14- Maggiore è la sezione del filo del primario maggiore è la corrente che può sopportare senza arrossire.

15- Maggiore è la sezione dei fili, sia del primario che del secondario minore è la resistenza in serie dove si hanno le perdite.

16- Maggiore è il numero delle spire maggiore è la capacità distribuita che forma il condensatore in parallelo e quindi minore è la frequenza di risonanza naturale della bobina.

Il primario

Il primario è l'avvolgimento dove viene fornita energia; nella costruzione di una bobina di Tesla è generalmente usato (soprattutto per motivi di estetica e praticità) un tubo di rame che, piegato a mano, va a formare una spirale piatta, conica o elicoidale di una decina di spire. La spirale piatta è la più comune e semplice da realizzare, quella conica pare renda meglio per quanto riguarda l'accoppiamento delle due bobine ma non si notano risultati così sconvolgenti. Ovviamente non è obbligatorio utilizzare del costoso tubo in rame, si può anche ustilizzare del comunissimo filo di rame (abbastanza spesso) o un cavo con anima in rame anch'essa abbastanza spessa, direi 3mm in su, solo che si incappa poi nel problema di dover fare delle tacche dove rimuovere la gomma isolante per poter collegare il secondo capo dell'AT con il quale regolare la risonanza. Al centro di questa spirale viene posizionato il secondario.

Come realizzarlo e come l'ho realizzato: una volta scelto il materiale (tubo o cavo) bisogna scegliere se fare una spirale piatta, conica o elicoidale...io ho scelto (per ovvi motivi di semplicità)  la spirale piatta:

bisogna scegliere quindi le caratterisctiche della spirale cioè quanto deve essere il diametro del nostro conduttore, quanto spazio tra ogni spira ci deve essere, il numero di spire e lo spazio che tenere tra il secondario e la prima spira. Dovete avere già un progetto di come sarà il vostro secondario poichè andrà inserito all'interno del primario e, mettendo i dati nel programma, vi dirà all'incirca dove trovare la risonanza così da sapere quante spire deve avere come minimo il vostro primario. Nel mio caso:

-diametro del conduttore: 6mm

-spazio tra spira e spira: 6mm (circa....durante la realizzazione pratica poi c'è un po' di ovvia variazione)

-numero di spire: 12

-distanza da secondario: 250mm (2,5cm)

Una volta scelte le caratteristiche si può procedere alla realizzazione dei supporti per la spirale (devono essere minimo 4), per facilitare la cosa ho disegnato una serie di circonferenze concentriche sulla base dove andranno ad ancorarsi i supporti ed ho evidenziato i tratti dove saranno presenti le spire e lasciato in bianco gloi spazi vuoti (la circonferenza più piccola al centro rappresenta la base del secondario)...grazie a quasto semplice disegnino per realizzare dei sostegni in modo preciso è bastato appoggiare una prima tavoletta in verticale (sul lato più lungo) e, con l'aiuto di una squadra, riportare le tacche dove creare gli avvallamenti per le spire.

Segnata la tavoletta, ho forato con un trapano a colonna gli alloggiamenti, una volta finiti i fori ho usato questa prima bozza come matrice per forare le altre 4 tavole...successivamente ho tagliato parte della tavoletta in modo la lasciare il foro aperto a formare una U stretta....con un po' di lima e olio di gomito si raggiunge questo risultato...

A questo punto iniziate a piegare il rame facendo attenzione a non rompere i sostegni...io ho avvitato sopra ogni sostegno una tavoletta sottile per tenere ferme le spire piegate mentre modellavo le successive...ad ogni passaggio dentro un supporto ho svitato la vite esterna della tavoletta sottile, l'ho fatta girare quel poco che bastava per far passare il tubo, e una volta sistemato nel suo alloggiamento ho ri-avvitato la tavola che bloccca tutto. L'immagine è abbastanza esplicativa...

Non fate caso al tubo di rame che passa sotto le altre spire, successivamente ho realizzato un foro nella base di legno attraverso il quale l'ho fatto passare.

Finite le 12 spire previste dal progetto ho messo il tutto sotto una torre di dizionari per schiacciare bene il tubo, dopo ciò ho rifinito le spire eccessivamente deformate.

Nella foto si nota un anello di rame sopraelevato rispetto al primario, è lo Strike Rail, ne parlerò nella "Sicurezza"

Il secondario

Il secondario è formato da migliaia di spire di rame finissimo avvolte attorno ad un tubo cavo (spesso in PVC).

Come realizzarlo e come l'ho realizzato: scelti diametro e altezza, a seconda del filo che avete acquistato, potete calcolare con TeslaCAD il numero di spire da riportare in GhostTeslacoilEditor per ottenere i dati relativi alla risonanza necessari per sapere quante spire di primario vi servono.

Nel mio caso:

-tubo: PVC Bianco Avorio

-altezza: 30cm (si intende l'altezza sell'avvolgimento, non quella del tubo)

-diametro: 5cm (si intende il diametro del tubo)

-filo di rame: smaltatura singola, 0.15mm di spessore

-numero di spire: 2000 (o 1999 se vi piave la precisione maniacale)

-altezza del tubo: ho tagliato il tubo a circa 40 cm

Ho realizzato due dischi spessi di legno da incastrare ai due estremi del tubo in PVC al centro dei quali ho fissato due viti così da creare una specie di spiedo. 

Fissate due "L" di acciaio forate alla giusta distanza ho fatto passare le viti all'interno dei fori così da permettere al tubo di ruotare perettamente (è consigliabile rivestire le viti con nastro isolante in modo da evitare che si avvitino all'interno del supporto facendo spostare il nostro tubo).

 

Ho fissato il rocchetto di rame smaltato in modo che potesse svolgersi se tirato e ho iniziato ad avvolgere, a mano....il filo di rame l'ho fissato al tubo praticando tre forellini in linea e facendocelo passare attraverso tipo una cucitura....ho pasciato abbastanza rame ad entrambe le estremità in modo da non aver problemi nella realizzazione die cablaggi. Una volta finito di avvolgere ho dato qualche mano di laccca isolante (ho usato la "V66", isola 40kV/mm) per tenere isolato e incollato tutto poichè dopo alcune ore il rame tenderebbe ad allargarsi vanificando il lavoro certosino dell'avvolgimento.

Bisogna praticare un'attenzione maniacale a disporre ogni spira in modo adiacente a qualla vicina senza che mai si accavallino e mai si creino spazi vuoti...consiglio la visione di QUESTO VIDEO

Il toroide

Il toroide forma, con l'aria e il primario, un altro condensatore dove l'aria è il idelettrico e il primario e il toroide le due armature. Il modo più semplice per realizzarlo è comprare un tubo in alluminio di quelli per le cappe fumarie delle stufe e piegarlo a formare una ciambella i cui valori ci saranno dati da Ghost Teslacoil Editor...non fate caso al cacciavite, era usato come punta per scarica improvvisata.

Questa che vedete nella foto sottostante invece è la punta di scarica definitiva, ho usato una sferetta di quelle forate del geomag o supermag e con dello stagno per saldatura ci ho fissato dentro una sbarretta metallica.

Sicurezza

Vi sono più parti che è possibile aggiungere al circuito della Bobina di Tesla per avere sicurezza verso noi stessi  e per evitare che si danneggi da sola.

 

NOI:

1-invito nuovamente a leggere le Precauzioni;

2- un pannello di controllo per comandare a distanza l'apparecchio: prendete del cavo tripolare da 1.5mmq (io ho preso sei metri...meglio qualche metro in più che esser troppo vicini), connettetelo ad un pannello di controllo con luci, pulsanti e tutto ciò che ritenete utile. IMPORTANTE nel pannello di controllo è la presenza del pulsante monostabile per l'accensione della bobina (cioè l'interruttore che azionate quando mettete in funzione la bobina deve scattare solo quando vi tenete il dito premuto). CONSIGLIATA anche la presenza di un interruttore a chiave;

3-non collegare l'apparecchio direttamente a una spina, è meglio posizionare una presa sul pannello di controllo (preferibilmente "strana" o almeno non la solita coi tre forellini) e munirsi di un cavo separato con la giusta spina per la presa che è stata scelta. Questo per evitare che qualcuno di NON AUTORIZZATO possa prendere la nostra bobina e sepmplicemente attaccarla alla corrente;

4-avvicinarsi all'apparecchio quando non è in funzione e con le debite misure di sicurezza: pinze isolate e guanti;

5-cortocircuitare sempre il banco condensatori alla  fine di ogni utilizzo e ogni volta che si vuol mettere le mani nel circuito (ho realizzato un cavetto di cortocircuito usando del cavo per insegne a neon e due morsetti che aggancio sullo spark gap di sicurezza).

La Bobina: 

1-Strike rail: è quell'anello di rame che si trova qualche centimetro sopra il primario e serve per fugare eventuali scariche dirette verso il primario dirigendole a terra. Lo Strike Rail è un anello aperto collegato alla messa a terra della bobina, quella separata dall'impianto elettrico di casa;

2-Spark Gap di sicurezza per l'MMC: oltre allo spinterometro principale è buona norma metterne uno secondario in  parallelo al banco condensatori tarato in modo che normalmente non scatti ma consenta il passaggio della tensione quando diventa troppo elevata per l'MMC evitando così che si distrugga.

Pannello di controllo

Ho realizzato il mio pannello di controllo con tre interruttori: il primo a chiave (bipolare), il secondo a levetta (bipoalre), il terzo a pulsante (polo unico)...sopra ogni interruttore c'è una luce (quelle da pannello che vanno con i 230V di casa) e quando il relativo interruttore va su ON si accende verificando il passaggio di corrente.

Questo è lo schema del pannello.

Nella foto sottostante si può vedere la presa di cui parlavo per tenere la bobina separata da una spina diretta, basta avere il cavo con la spina corrispondente e l'apparechchio si potrà alimentare senza problemi.

Mobile in legno

Non servono grandi descrizioni, intanto provate a disporre le varie parti del circuito in modo organizzato e prendete qualche misura di dimensioni cercando di immaginarvi come sarà il tutto

-ho preso una tavola 40x80 e l'ho divisa in due così da fare due quadrati che sono andati a costituire il primo e il secondo piano

-nel mio caso è consigliabile realizzare i supporti per primario e strike-rail subito, e fissarli ad una delle due basi che diventerà quella superiore (in quanto una volta fissate le due basi risulta difficile o comunque  scomodo avvitarli)

-realizzata anche la seconda base si passa alla sagomatura dei 4 sostegni che collegano i due piani: ho avvitato ai vertici della prima base quattro sostegni angolati di 45° rispetto ai lati del quadrato che hanno costituito i sostegni per il piano sopraelevato dove alloggiano primario, secondario e strike-rail

-una volta fissato tutto si può fare qualche passaggio con la scartavertratrice per rendere il mobile bello liscio e regolare gli spigoli

-fatto ciò una bella mano di smalto nero lucido completa e rifinisce l'opera face.

...lucidate ben bene il rame del primario e strike rail che brillerà in modo splendido, messo anche in risalto dal colore del mobile...ora oltre che ad una macchina sparafulmini avete anche un bellissimo oggetto da esposizione. BUON LAVORO!

 

Rispetto alla versione iniziale è stato aggiunto uno spinterometro rotativo (Rotary Spark Gap) a velocità regolabile ed è stato definitivamente tarato lo spinterometro di sicurezza dell' MMC ( il banco di condensatori ). Ho anche trovato con una buona approssimazione la giusta posizione del morsetto sul primario che, con la giusta frequenza dello spinterometro ha dato vita a scariche di oltre 30cm quindi con una stima approssimativa di 900,000 Volts (l'aria secca alle pressione di 1 bar ha una rigidità dielettrica di 3Kv/mm ).