Staattisella kipinävälillä kytketty teslakäämi

Abstract

Insinöörityössä rakennettiin yksivaiheisella syötöllä toimiva staattisella kipinävälillä kytketty pienikokoinen teslakäämi. Laitetta käytettiin kipinöiden eli ionisoituneiden plasmasäikeiden muodostamiseen, jotka purkautuivat ympäröivään ilmaan. Tavoitteena oli saada toisiopiirissä olevasta toroidielektrodista purkautumaan noin 30 cm:n pituisia kipinöitä. Tämän pituuden aikaansaamiseksi toroidin vaihtojännitteen tuli nousta tehollisarvoltaan noin 250 kV:iin. Työssä käsiteltiin vain perinteistä teslakäämiä, jonka muodostivat kaksi resonanssipiiriä ja kipinäväli.

Työssä tutkittiin teslakäämin toiminnan mahdollistavaa teoriaa. Tähän sisältyivät muun muassa yleinen resonanssipiirien toiminta ja ensiö- sekä toisiopiirien toiminnan vaikutus kokonaisuuteen. Työssä käytettyjen komponenttien ominaisuuksia ja niiden arvojen vaikutusta teslakäämin toimintaan tutkittiin teoreettisten laskemien ja käytännön mittausten avulla. Lisäksi esiteltiin muita vaihtoehtoisia komponentteja.

Tärkeä osa työtä oli käyttöturvallisuuteen perehtyminen, koska komponentit toimivat suurjännitteellä. Laitteen toimiessa esiintyi UV-säteilyä ja otsonia. Kipinäpurkaukset aiheuttivat kovaa ääntä ja radiotaajuista häiriösäteilyä, mikä tuli ottaa huomioon käyttöympäristöä valittaessa.

Työtä suoritettaessa havaittiin, että teoreettiset laskelmat auttoivat luomaan pohjaa laitteen oikealle toiminnalle. Parhaan toiminnan mahdollistava hienosäätö tapahtui kuitenkin empiiristen havaintojen pohjalta ensiöpiirin resonanssitaajuutta säätämällä.

In this thesis a single phase fed small static spark gap tesla coil was built. The apparatus was used to create ionized plasma sparks, which were emitted to surrounding air. The goal was to create 30 cm long sparks from the secondary circuit’s toroid. To create such long sparks, toroid’s alternating voltage needed to be raised to about 250 kV rms. This thesis addresses only traditional spark gap tesla coil, formed by two resonant circuits and a spark gap.

In the thesis tesla coil’s theory of operation was examined. Among other things this included general working principle of a resonant circuit and the effects caused by operating primary and secondary circuits. The properties of the used components were examined and the effects of their values to the tesla coil were studied with theoretical calculations and practical measurements.

Important part of the thesis was to get acquainted with safety of the operation, because high voltage components were used. UV radiation and ozone was formed when operating the apparatus. Discharging sparks caused loud noise and RF-interference, which required to pay attention when choosing the area of operation.

While carrying out the thesis, it was observed that theoretical calculations helped to form a base for correct operation of the tesla coil. However, fine tuning for the best operation was performed with empirical observations while adjusting the primary circuit resonant frequency.