図1-1
図1-2
テスラコイル
テスラコイルは空芯の共振コイルとスパークギャップを用い、２次コイルに高周波の高電圧を発生させる装置で、1890年ごろにニコラ・テスラ[1]によって考案された。
テスラコイルは図1-1のように、空心の巻数の少ない１次コイルと巻数の多い２次コイルから成る。
高圧トランスで数千X以上の高圧にして、スパークギャップにより放電させる。 １次コイル側のスパークギャップの放電によって、２次コイルに高周波の高電圧が発生する。
テスラコイルの改良型として、半導体駆動回路を使用したSSTC（Solid State Tesla Coil）がある。
一見すると、テスラコイルはちょっと不思議だ。 テスラコイルは１次コイルの巻き数は2〜4回程度で、コイルの結合係数はかなり小さいのに、なぜ２次コイルには高電圧が発生するのか。 テスラコイルには不明な部分が多く、ナゾの装置と言われているようだ。
テスラコイルに関する著書を検索してみたが、作り方などを書いた著書[2]やサイトはあるが、 詳細な原理や理論などを書いた著書などは見つからなかった。
ウィキペディア（Wikipedia）や他のサイトの内容を簡単にまとめると、次のようになる。
テスラコイルの１次コイル側でスパークギャップの放電によって、いろんな周波数の電気波が発生する。 ２次コイルでは、その電気波の1/4波長、3/4波長、5/4波長・・・の定常波によって高電圧が発生する。 半導体駆動回路の場合は、1/4波長の共振モードで駆動することにより効率的で強力な放電が得られる。
つまり、２次コイルで定常波を発生させることが重要なようだ。
とりあえず、トランジスタを使用した小型のテスラコイル発振器を制作してみた。
回路図
半導体駆動方式テスラコイルの発振器回路を検索したら、いくつか見つかった。 それらを参考すると共に、試作実験の結果から、最終的に図1-2の発振回路になった。
基本的には、出力の逆位相の一部を入力側に戻すことによって発振する帰還発振回路である。
発振するための条件としては、増幅度が大きいほうが良いので、トランジスタをダイリントン接続にして電流増幅率を大きくした。
L2は高電圧を発生させる２次コイルである。
また、テスラコイル・スピーカと言うものがあったので、それを参考にして音声信号で振幅変調できるようにした。 SW1は、通常のテスラコイルとテスラコイル・スピーカを切り替えるスイッチ。
テスラコイルはソケット式にして、簡単に交換できるようにした。
LEDが発光すると発振していることがわかるので便利だが、 LEDの向はネット検索したときに、カソードがGNDの場合とアノードがGNDの2種類があった。
どちらの場合もLEDが発光して発振していることが確認できる。 しかし、アノードがGNDの場合には２次コイルの端子から火花放電しないが、カソードがGNDの場合は火花放電したので、カソードをGNDにした。
使用するコイルによって、白色LEDのときは火花放電するが、赤色LEDでは火花放電しないものがある。
なお、試作実験の段階で3個のトランジスタを壊してしまった。 トランジスタに過電流が流れて壊れたと思われるもの、２次コイルに発生した高電圧が１次コイルに放電して壊れたと思われるもの、原因不明で壊れたもの・・・。
テスラコイルは空芯の共振コイルとスパークギャップを用い、２次コイルに高周波の高電圧を発生させる装置で、1890年ごろにニコラ・テスラ[1]によって考案された。
テスラコイルは図1-1のように、空心の巻数の少ない１次コイルと巻数の多い２次コイルから成る。
高圧トランスで数千X以上の高圧にして、スパークギャップにより放電させる。 １次コイル側のスパークギャップの放電によって、２次コイルに高周波の高電圧が発生する。
テスラコイルの改良型として、半導体駆動回路を使用したSSTC（Solid State Tesla Coil）がある。
一見すると、テスラコイルはちょっと不思議だ。 テスラコイルは１次コイルの巻き数は2〜4回程度で、コイルの結合係数はかなり小さいのに、なぜ２次コイルには高電圧が発生するのか。 テスラコイルには不明な部分が多く、ナゾの装置と言われているようだ。
テスラコイルに関する著書を検索してみたが、作り方などを書いた著書[2]やサイトはあるが、 詳細な原理や理論などを書いた著書などは見つからなかった。
ウィキペディア（Wikipedia）や他のサイトの内容を簡単にまとめると、次のようになる。
テスラコイルの１次コイル側でスパークギャップの放電によって、いろんな周波数の電気波が発生する。 ２次コイルでは、その電気波の1/4波長、3/4波長、5/4波長・・・の定常波によって高電圧が発生する。 半導体駆動回路の場合は、1/4波長の共振モードで駆動することにより効率的で強力な放電が得られる。
つまり、２次コイルで定常波を発生させることが重要なようだ。
とりあえず、トランジスタを使用した小型のテスラコイル発振器を制作してみた。
回路図
半導体駆動方式テスラコイルの発振器回路を検索したら、いくつか見つかった。 それらを参考すると共に、試作実験の結果から、最終的に図1-2の発振回路になった。
基本的には、出力の逆位相の一部を入力側に戻すことによって発振する帰還発振回路である。
発振するための条件としては、増幅度が大きいほうが良いので、トランジスタをダイリントン接続にして電流増幅率を大きくした。
L2は高電圧を発生させる２次コイルである。
また、テスラコイル・スピーカと言うものがあったので、それを参考にして音声信号で振幅変調できるようにした。 SW1は、通常のテスラコイルとテスラコイル・スピーカを切り替えるスイッチ。
テスラコイルはソケット式にして、簡単に交換できるようにした。
LEDが発光すると発振していることがわかるので便利だが、 LEDの向はネット検索したときに、カソードがGNDの場合とアノードがGNDの2種類があった。
どちらの場合もLEDが発光して発振していることが確認できる。 しかし、アノードがGNDの場合には２次コイルの端子から火花放電しないが、カソードがGNDの場合は火花放電したので、カソードをGNDにした。
使用するコイルによって、白色LEDのときは火花放電するが、赤色LEDでは火花放電しないものがある。
なお、試作実験の段階で3個のトランジスタを壊してしまった。 トランジスタに過電流が流れて壊れたと思われるもの、２次コイルに発生した高電圧が１次コイルに放電して壊れたと思われるもの、原因不明で壊れたもの・・・。
図2-1
表2
図2-2
図2-3
図2-4
発振器と小型テスラコイル
発振器と幾つかの小型テスラコイルを制作した。
小型のテスラコイルはソケット式で、発振器に差し込むようになっており、 図2-1の左端はテスラコイルを差し込んだ状態の発振器で、その右側はその他のテスラコイルである。
発振器は、図1-2の回路を実装した。 放熱のためパワートランジスタにはヒートシンクとファンを付けた。
テスラコイルは、コイルを巻くポリウレタン銅線の太さが違うものやコイル径と長さが違うものを作ってみた。 詳細を表2に示す。
インダクタンスは、実測値である。 テスラコイルは空芯であるが、実験用として、コイルｅは空芯ではなくフェライトバーが入っいる。
２次コイルには熱に強く絶縁性のよいポリイミドテープを巻いた。
火花放電
図2-2のようにロウソクの炎のような、やや紫色の青白い火花放電が起こる。 この火花放電は高周波放電である。
直流の火花放電の場合は、1気圧のときに約30KVの電圧で10mmの火花放電はが発生する。 高周波の火花放電の場合は、周波数が高くなるほど火花電圧は幾分低下する[3]。
直流や低周波の交流の高電圧では感電の危険がある。 高周波の高電圧は、表皮効果により感電の危険は少ないが、火花が指先に放電すると火傷のような跡が残る。 熱いというよりは痛いという感じ。 また、動画のように紙が燃えるので、取り扱いには注意が必要だ。
この火花放電は、図1-2の回路のLEDによって放電の強さが変わる。
赤色LEDでは火花放電がやや弱く、コイル番号ａ、ｃ、ｅはドライバーを放電端子に近づけると火花放電するが、ドライバーを離すと火花放電はしない。
白色LEDでは全コイルが火花放電するが、コイル番号ｅは火花放電がやや弱い。
LEDは種類によって順方向電圧(VF)に違いがあり、赤色や橙色のLEDはおよそ1.8〜2.2V程度で、白色や青色LEDはおよそ3.2V程度である。
LEDの順方向電圧(VF)が高いと火花放電も強くなる。
テスラコイルの１次コイルは、火花放電の強さが強くなるように調整した。 調整方法は、２〜４回巻いた１次コイルを上下に動かして、火花放電が最も強くなる位置を見つけた。
コイルによって、１次コイルの位置が下側で放電が最も強くなるコイルや中央よりやや下の位置で放電が最も強くなるコイルがある。
1/4波長の電圧分布
テスラコイルの２次コイルで1/4波長の定常波を発生するが、それを確認することができる。
図2-3のように、２次コイルにドライバーの先を近づけると火花放電する。 ドライバーの先を２次コイルの上部から下部へ移動すると、火花放電は上部で強く、下部へ移動すると徐々に弱くなり、中央より下では火花放電しなくなる。
２次コイルで1/4波長の定常波を発生することにより、図2-4のように、２次コイルの上端部で電圧が最大で、 下端部でLEDが発光する程度の電圧まで下がるような電圧分布になっていることがわかる。
テスラコイルの２次コイルにはポリイミドテープが巻いてあるのだが、図2-3のように２次コイルにドライバーの先を近づけて火花放電させると、ポリイミドテープが焦げる。
動画のように、２次コイルに蛍光管を近づけると光る。
蛍光管を上部から下部へ移動すると、上部で明るく光り、下部へ移動すると徐々に暗くなる。 蛍光管が光る明るさの変化から、２次コイルの電圧分布が1/4波長の定常波になっていることがわかる。
金属内の自由電子は、気体分子のように振る舞うので、電子気体と考えることもできる。 ２次コイルで1/4波長の定常波を発生した場合、電子気体は縦波(密度波)の定常波になる。
テスラコイル・スピーカー
テスラコイル・スピーカーも試してみた。
入力した音声信号に応じて火花放電の強さが変わり、音が聞こえる。 動画をご覧ください。
発振器と幾つかの小型テスラコイルを制作した。
小型のテスラコイルはソケット式で、発振器に差し込むようになっており、 図2-1の左端はテスラコイルを差し込んだ状態の発振器で、その右側はその他のテスラコイルである。
発振器は、図1-2の回路を実装した。 放熱のためパワートランジスタにはヒートシンクとファンを付けた。
テスラコイルは、コイルを巻くポリウレタン銅線の太さが違うものやコイル径と長さが違うものを作ってみた。 詳細を表2に示す。
インダクタンスは、実測値である。 テスラコイルは空芯であるが、実験用として、コイルｅは空芯ではなくフェライトバーが入っいる。
２次コイルには熱に強く絶縁性のよいポリイミドテープを巻いた。
火花放電
図2-2のようにロウソクの炎のような、やや紫色の青白い火花放電が起こる。 この火花放電は高周波放電である。
直流の火花放電の場合は、1気圧のときに約30KVの電圧で10mmの火花放電はが発生する。 高周波の火花放電の場合は、周波数が高くなるほど火花電圧は幾分低下する[3]。
直流や低周波の交流の高電圧では感電の危険がある。 高周波の高電圧は、表皮効果により感電の危険は少ないが、火花が指先に放電すると火傷のような跡が残る。 熱いというよりは痛いという感じ。 また、動画のように紙が燃えるので、取り扱いには注意が必要だ。
この火花放電は、図1-2の回路のLEDによって放電の強さが変わる。
赤色LEDでは火花放電がやや弱く、コイル番号ａ、ｃ、ｅはドライバーを放電端子に近づけると火花放電するが、ドライバーを離すと火花放電はしない。
白色LEDでは全コイルが火花放電するが、コイル番号ｅは火花放電がやや弱い。
LEDは種類によって順方向電圧(VF)に違いがあり、赤色や橙色のLEDはおよそ1.8〜2.2V程度で、白色や青色LEDはおよそ3.2V程度である。
LEDの順方向電圧(VF)が高いと火花放電も強くなる。
テスラコイルの１次コイルは、火花放電の強さが強くなるように調整した。 調整方法は、２〜４回巻いた１次コイルを上下に動かして、火花放電が最も強くなる位置を見つけた。
コイルによって、１次コイルの位置が下側で放電が最も強くなるコイルや中央よりやや下の位置で放電が最も強くなるコイルがある。
1/4波長の電圧分布
テスラコイルの２次コイルで1/4波長の定常波を発生するが、それを確認することができる。
図2-3のように、２次コイルにドライバーの先を近づけると火花放電する。 ドライバーの先を２次コイルの上部から下部へ移動すると、火花放電は上部で強く、下部へ移動すると徐々に弱くなり、中央より下では火花放電しなくなる。
２次コイルで1/4波長の定常波を発生することにより、図2-4のように、２次コイルの上端部で電圧が最大で、 下端部でLEDが発光する程度の電圧まで下がるような電圧分布になっていることがわかる。
テスラコイルの２次コイルにはポリイミドテープが巻いてあるのだが、図2-3のように２次コイルにドライバーの先を近づけて火花放電させると、ポリイミドテープが焦げる。
動画のように、２次コイルに蛍光管を近づけると光る。
蛍光管を上部から下部へ移動すると、上部で明るく光り、下部へ移動すると徐々に暗くなる。 蛍光管が光る明るさの変化から、２次コイルの電圧分布が1/4波長の定常波になっていることがわかる。
金属内の自由電子は、気体分子のように振る舞うので、電子気体と考えることもできる。 ２次コイルで1/4波長の定常波を発生した場合、電子気体は縦波(密度波)の定常波になる。
テスラコイル・スピーカー
テスラコイル・スピーカーも試してみた。
入力した音声信号に応じて火花放電の強さが変わり、音が聞こえる。 動画をご覧ください。
