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Measurements on Tesla coils

Mesures sur bobines de Tesla

Last update
2010-11-05

Foreword   

We consider here preliminary measurements before first light. A scientific and rational way allows you to get results more quikly than an empirical one. These measurements allow a better adaptation of the various components and a better understanding of the operation. Some very common instruments are necessary.

As an example I use
- A home made signal generator I built in the seventies
- A little pocket frequency meter PFM 1300 I got from Farnell
- A Tektronix 2235 oscilloscope I got at a flea market

A general method is proposed. All the measurements are made with no power applied, so they are not hazardous for the operator, nor for the instruments. Being all based on the resonance, (a word beloved by Nikola Tesla), so the formula for resonant circuits, given in Fig 3, applies to all the cases, F being the frequency at the resonance. The band of frequencies concerned expands approximately from 100 kHz to 1 MHz.

Avant propos   

Nous considérons ici les mesures préliminaires avant toute mise sous tension. Une démarche scientifique et rationelle permet d'obtenir des résultats plus rapidement que la voie empirique. Ces mesures permettent de mieux adapter les divers composants et aussi de mieux comprendre le fonctionnement. Quelques outils de base sont nécessaires.

A titre d'exemple, j'utilise
- Un générateur que je 'home made' dans les années 70
- Un petit fréquencemètre pocket PFM 1300, obtenu chez Farnell
- Un oscilloscope Tektronix 2235 obtenu sur une brocante

Une méthode générale est proposée. Toutes les mesures sont faites hors tension, donc ne présentent aucun danger ni pour l'opérateur, ni pour les instruments. Elles sont toutes basées sur la résonance, (un mot cher à Nikola Tesla), donc la formule des circuits résonants, rappelée en Fig 3, s'applique dans tous les cas, F étant la fréquence à la résonance. La plage de fréquences concernées s'étend approximativement de 100 kHz à 1 MHz.

tc_meas.png

1 - Principles of the measurements

The Fig 1 show a typical setup, the points with the symbol "earth ground" must be simply connected together. The way is the following :

a - Excite the resonance of an LC circuit by the means of the generator, using an appropriate coupling method.
b - Search for the maximum amplitude on the oscilloscope by slowly varying the frequency of the generator.
c - Read the resonant frequency on the frequency meter.

Then, applying the formula, if C is known we can calculate L and vice versa.

1 - Principe de la mesure

La Fig 1 montre un contexte typique, les points symbolisés "terre" doivent être simplement reliés ensemble. La méthode est la suivante :

a - Exciter la résonance d'un circuit LC au moyen du générateur en utilisant un moyen de couplage approprié.
b - Chercher le maximum d'amplitude sur l'oscilloscope en faisant varier lentement la fréquence du générateur.
c - Lire cette fréquence sur le fréquencemètre.

En appliquant alors la formule, si C est connu on peut calculer L et réciproquement.

2 - Some examples

a - Resonant frequency of primary circuit

The typical setup is shown in Fig 1. The primary circuit must be isolated from the secondary circuit for this measurement. The resonant frequencies related to the multiple taps on the primary may be measured. This will help getting the perfect syntony with the secondary circuit.

b - Secondary coil inductance

Search for the resonant frequency of the secondary, taken alone, paralleled with a capacitor whose the capacitance is known, preferably a rather large value in order to minimize the effect of the stray capacitance of the winding. Then, with the help of the formula, calculate the inductance.

c - Self resonant frequency of the secondary coil

The circuit setup is shown in Fig 2, but without the terminal. The little antenna is made with about one meter of wire hanging about one meter from the secondary coil. L being known, as calculated here above or measured with an impedance bridge, this measurement allows you to calculate the stray capacitance of the secondary coil.

d - Resonant frequency of the secondary coil + terminal

The circuit setup is shown in Fig 2. It allows you to calculate the terminal capacitance. For that you have to substract the stray capacitance you got before.

e - Determining the coupling coefficient K

The setup is as in Fig 1 but with primary and secondary normaly coupled. For these measurements to be valid, the primary and secondary circuits must be independently resonant to the same frequency as measured in 2a and 2d above. We found then two maximums, one F1 located below and an other F2 located above the original resonant frequency F0 determined before. This results from the mutual inductance between the resonant coupled circuits. It is then possible to calculate K by the means of the formula :

K = (F0/F1)²-1  or  K = 1-(F0/F2)²

2 - Quelques exemples

a - Féquence de résonance du circuit primaire

Le montage est représenté Fig 1. Pour cette mesure, le circuit primaire sera isolé du circuit secondaire. On peut mesurer les fréquences de résonance correspondant aux différentes prises du primaire, cela aidera à réaliser la syntonie avec le secondaire.


b - Inductance du secondaire

Chercher la résonance du secondaire, pris seul, avec une cpacité de valeur connue, de préférence assez élevée de façon à minimiser l'effet de la capacité parasite du bobinage. Calculer l'inductance au moyen de la formule.


c - Résonance du secondaire sur sa capacité parasite

Le montage est celui de la Fig 2, sans la capacité terminale. La petite antenne est constituée d'un fil d'un mètre suspendu à un mètre du secondaire. L étant connu, comme calculé ci-dessus ou bien mesuré avec un pont d'impédances, cette mesure permet le calcul de la capacité parasite du secondaire.


d - Résonance du secondaire avec sa capacité terminale

Le montage est celui de la Fig 2. Il permet le calcul de la capacité terminale, pour cela on déduira la capacité parasite calculée ci-dessus.

e - Determination du coefficient de couplage K

Le montage est comme en Fig 1 mais avec le secondaire couplé normalement au primaire. Pour que cette mesure soit valide, primaire et secondaire doivent impérativement résoner séparément sur la sur la même fréquence comme mesuré en 2a et 2d ci-dessus. On trouve alors deux maxima, F1 situé au-dessous et F2 situé au-dessus de la fréquence centrale F0 déterminée précédemment. Ceci résulte de la mutuelle inductance entre les circuits résonants couplés. On peut en déduire K d'après la relation :

K = (F0/F1)²-1  ou bien  K = 1-(F0/F2)²

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File: tc_meas.html, Robert L.E. Billon, 2000-08-23 - Last update: 2010-11-05