テスラコイルの製作 （SGTC）
テスラコイルについて
テスラコイルとは、「調相結合トランス」とも呼ばれる、共振現象を利用した特殊な変圧器です。非常に大きな放電を見る事ができ、映画やマジックショー等でも演出として使用されています。
なお、今回の解説記事は「スパークギャップテスラコイル （SGTC）」の物です。
動作原理
回路図です。
保護回路の回路を描いていないのは、保護回路として作った物が複数あるからです。
詳細は後で記述します。
まず、トランスによって昇圧された電源がコンデンサに充電されていきます。
そして、一定電圧以上まで電荷が溜まるとスパークギャップにて放電が起き、共振回路を作り、1次コイルと2次コイルが共振します。
通常ならばコイルに電流が流れると磁界が生じます。
しかし、2次側が共振していると、1次側のインピーダンスが減少し、大電流が流れ、高電圧がかかります。
また、1次コイルと2次コイルの磁界の位相が重なり、強い結合（カップリング）が得られます。
2次コイルにて増幅された高電圧はトロイドに溜められて、空気中へ放電します。
今回は、スイッチングをコンデンサ＋スパークギャップという組み合わせで行いましたが、スイッチングを半導体化した「ソリッドステートテスラコイル （SSTC）」と、呼ばれる物もあります。
こちらは、小型、低電圧で駆動できる優れ物です。 いつか作ってみたいです。
製作
電源
電源にはNST「Neon Sign Transformer」、ネオントランスと呼ばれるトランスを使用します。
下は15cm定規ですが、斜めから撮っている為パースで小さく見えます。
NSTは20cm程度。
出力は15kV 20mA 300W 程度です。
当初はMOTと呼ばれるトランスで昇圧を試みましたが、電圧が足りなかった為NSTに変更となりました。
MOT「Microwave Oven Transformer」は2000V 500mA 1000W で、電圧こそ低いものの電力自体はNSTを遥かに上回っている為、MOTに自作トランスを追加する等して駆動する事も可能です。
トランス類は大抵、鉄の塊で重いので、注意が必要です。
スパークギャップ
某ホームセンターに売っていた電池ケースにボルトと袋ナットを入れてスパークギャップとしています。
配線は圧着端子なので、取り外しが非常に楽です。
一番右の物は試作機なので、一つだけ色が違います。
試作機はボルトの長さが短いので、後に修正されて量産型と同じ色になりました。
コンデンサ
20kV@4000pF のオイルコンデンサです。
Digi-key様から、アメリカより輸入しました。
7000円と、非常に高価な部品でこのテスラコイルの部品の中では恐らく一番高価です。
1次コイル
2次コイルへと電気エネルギーを渡す部分です。
φ6mmのなまし銅管を使いました。
曲げるのが非常に難しく、くせがある為、外側の部分はかなり歪んでいます。
この歪みは後に修正されています。
2次コイル
高電圧を更に増幅する部分です。
PEWφ0.55mを900回巻きです。
幅は56cm。ただ、長さですと誤差が生まれやすいので重さで計算しています。
900回はPEW322mに相当します。
PEWφ0.55mmは473.4/kgなので、322mは約680gとなります。
PEWは巻く前に重さを量っておき、そこから必要な分を引いた重さになるまで巻く方が良いです。
今回はPEW自体が1150gでしたので、1150-680=470g残る様に巻けば良いという事になります。
保護回路
今回使用する保護回路は、ローパスフィルターと呼ばれる物で有害な高周波の信号をカットし、その名の通り低い周波数の信号のみを通す回路です。LPFの中には、RCフィルタと、LCフィルタの２つがあります。
こちらはRCフィルタ。 抵抗とコンデンサのみの簡単な物です。
一定以上の周波数の信号をカットしますが、その周波数はfc=1/(2πRC)で求まります。
RCフィルターには、さらにこれをもう１つつなげた「2次RCフィルター」なる物もあります。
興味のある方は調べてみてください。幸せになれます。
次に、LCフィルター。RCフィルターと殆ど変わりません。抵抗がコイルに置き換わっただけです。
こちらも同じくfc=1/(2πLC)で求まります。
ちなみに、さっきから高周波をカットするとか言っていますが、厳密には出力電圧が入力電圧の1/√2倍になります。
なので、今回の様に、なるべく高周波をカットしたい時は、fcの値を少し小さめにしてあげた方が良いかもしれません。
また、バンドパスフィルターといって、不要な部分をカットするのではなく、必要な部分のみ通すフィルターもあります。
他にも、専用の素子を用いた、「VCVS型フィルター」とかもあります。これも興味のある方は是非。
そして、これらをテスラコイルに応用していきます。
今回はLCフィルターを使います。
・・・が、コンデンサが中々入手できません。
一応、インダクタ（コイル）だけでもフィルターとして使えるのですが、やっぱりLCフィルターの方が安心できる。
今回は、100kHz程度以上の信号がカットされれば良いので、必要なコンデンサの容量は550pF程度。
そんなに大容量でもないので、秋葉原辺りで見つかるかと思います。
最悪、Digi-key様より輸入できるので、入手には困らないとは思いますが、入手まではまだ、時間が掛かりそうです。
トロイド
トロイドは、2次コイルで増幅された高電圧、電荷を溜める部分です。
いわゆるドーナツ型で、電荷を溜めるのには最も適した形です。
全体の直径は50cm程度になると思います。
2次コイルからの放電があまり大きくないので、まだ製作には取り掛かっていません。
今回は、φ8mmのアルミダクトを用いて、トロイドを製作します。
制御装置
秋月の調光器にスナバ回路を組み込んだ物。
恐らく、一番適当に作った所なのに、一番完成度が高く見える。
写真のプラグとケーブルは、後に三端子のアース対応型のプラグと、12A耐電流のケーブルに変更されています。
スナバ回路。
サージからトライアックを守ります。
配線
某ホームセンターにて購入したラバーラックにレイアウト。
配線には圧着端子を使用している為、取り外しが容易です。
暫定的に完成。
一応、5mのケーブルを標準装備しています。
まとめるともじゃもじゃ。
動画追記:2011/3/21
Blogの方には上げてましたが、こちらに載せ忘れていたので追記。二次コイルからの放電を確認
コロナ放電です。
せっかく綺麗に放電してたのに、何も考えないで火花放電させてしまいました。
ここで、二次コイルの一部が焼けてしまい、放電しなくなりました。
（作者の都合上）現状で共振点を探すのは難しいので、ここで一旦SGTCは保留にします。