테슬라 코일을 만든 분의 글과 사진.

[dabotab]

경고!!!

테슬라코일은 고주파 고전압 발생장치로서 매우 위험합니다. 테슬라코일의 취급 부주의로 인한 사망사례도 보고 되고 있기 때문에 전기 및 고전압에 관한 지식이 없는 분들은 상당한 주의가 요구되며 감전사고 발생시 본 사이트에서 책임질 수 없음을 알려드립니다. 또한 테슬라코일 작동시 많은 양의 오존이 발생되기 때문에 반드시 환기가 잘되는 곳에서 작동시켜야 합니다.

J.S.Park's 170Watt Teslacoil

이그림은 직접제작한 테슬라코일의 전체형상을 보여준다. 2차코일의 상단에 대충 제작한 토로이달(toroidal)형상의 전극을 달아보았다. 토로이달 형상은 테슬라 코일 작동시 발생되는 스트리머의 길이를 길게해주는 효과가 있다고 알려져있다. 이 전극은 2차코일 보빈의 직경보다 커야하며 표면이 매끈해야 그 효과를 볼 수 있지만 이에 적당한 것을 아직 찾지 못해 철물점에서 플렉시블 호스를 구입해 원형으로 구부리고 알루미늄 테입을 감아 제작하다보니 표면이 매끄럽지 못한 형태로 되었다. 이때문에 첫번째 사진과 같이 스트리머들이 한군데서 나가질 못하고 여러군데서 발생되는 현상을 보여준다. 이것은 곡률(radius)이 작은 부분에서 전하밀도가 커지기 때문이며 표면이 매끈한 상태에서 한군데 뾰족한 부분을 설치하면 그곳으로 스트리머가 발생됨으로서 보다 긴 스트리머를 만들수 있다고 알려져 있다.

이 그림은 2차코일의 윗부분을 보여주고있다. 2차 코일은 직경 0.3 mm의 에나멜 피복 동선을 공작실에 굴러다니는 직경 3"의 PVC파이프를 보빈(bobbin)으로 사용하여 약 1000 turn 감았다. 정확하게 1000 turn은 아니고 대충 1000 turn이다. 이것은 손으로 직접 감으면서 턴수를 세다보니 정확하게 셀수가 없었기 때문이다. 하지만 직경 0.3 mm 코일로 높이 약 300 mm를 빈틈없이 감았기 때문에 약 1000 turn이 감겼으리라 생각된다.

2차코일을 감고난 후 2차코일 표면의 절연성을 높이기 위해 코일 위에 투명락카를 3회에 걸쳐서 도포했다. 외국에서는 보통 니스(varnish)를 사용하지만 제작의 편의상 락카를 사용했다. 2차코일의 윗쪽 마감은 CD케이스를 잘라 순간접착제를 이용해서 보빈상단에 접착시켰고 2차코일 상단에 여러가지 형상의 전극들을 설치할 수 있도록 하기 위해 그 중앙부에 4 mm직경의 구멍을 뚫어 M4 볼트를 2차코일의 끝단과 연결하여 고정시켰다. 그리고 맨위쪽의 Ring magnet는 걍 올려놓아본 것이다. :)

하지만 여기서 중요한 사항은 2차코일의 상단에 올려놓는 전극에 따라 2차코일의 공진주파수가 바뀐다는 것이다. 이것은 그 전극이 코일의 공진주파수를 결정하는 인자인 2차코일쪽의 인덕턴스와 용량성분에 영향을 미치기 때문이다.

1차 코일의 직경은 1.3mm이며 6개의 PE수지를 이용해서 그림과 같이 20 turn 회전시켰다.

이와 같은 형태는 그림에서와 같이 검은색 악어클립의 집어주는 위치를 바꾸어줌으로서 1차코일의 길이를 변화시킬 수 있게 해준다. 이렇게 함으로서 1차코일의 공진주파수를 2차코일의 공진주파수에 맞추어주는 튜닝을 용이하게 할 수 있다.

코일은 구로공구상가의 잘아는 가게에서 공짜로 얻었고, PE수지는 그림과 같은 치수로 20개를 4천원에 구입했다. 각각의 PE수지의 중간높이에 직경 2mm의 구멍을 6mm간격으로 20개씩 첫번째 구멍의 위치를 1mm의 차이를 두면서 뚫었다. 이렇게 가공한 6개의 PE수지는 나무판에 순간접착제를 이용해 고정시켰고 코일은 바깥쪽 구멍에서부터 밀어넣는 식으로 감았다.

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몇년전에 스크랩한 글이니 지금도 이분의 블로그나 카페가 있을런지 모르겠군요.

한번 찾아보시기 바랍니다. 이크! 살아있네.  

테슬라 코일을 만들기 전에  전기계통의 기술 특히 강전(强電=고전압 대전류)에 

지식과 경험 없이는 매우 위험함을 다시 강조합니다.

이 자료들은 단순한 지식의 안내일 뿐이며, 더이상의 자료찾기와 제작은 읽는 분의 의지와 책임에 귀결됩니다. 

21세기를 이끌 새 과학

http://www.tesla-korea.com/main.htm 취미로 만들어본 테슬라코일

www.teslasystems.com 테슬라 시스템 연구소  

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테슬라 코일의 원리

• Description of Components
• How the Components Operate
• LC Circuits
• Voltage Gain
• Resonant Rise
• Oscillation and Tuning

Description of Components(각 요소에 대한 설명)

테슬라코일은 일종의 고전압 공심 공진 변압기이다. 테슬라코일은 6개의 기본요소로 구성된다. 첫번째요소는 1차 트랜스이다. 그것은 고전압 철심 트랜스이다. 두번째는 콘덴서다. 그것은 고전압용의 콘덴서인데 좀 비싼 편이다. 세번째는 스파크 갭이다.즉 자동차의 점화플러그 같은 것을 말한다. 넷째 요소는 2차코일 둘레에 10회~15회 정도 감겨진 굵은 전선으로 된 1차코일이다. 다섯째 요소는 2차코일이다. 그것은 가늘고 수백번 감겨진 공심 코일이다. 공심코일이란 가운대에 철심이 들어가지 않고 속이 비어있는 코일을 말한다. 여섯째 요소는 토로이드(toroid)이다.이것은 주로 알류미늄으로 도너츠 형태로 만드는데 2차코일의 꼭대기에 붙인다. 고전압방전 스파크는 이 토로이드에서 사방으로 튀게 된다.

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How the Components Operate(각 요소의 작용)

1차 트랜스는 교류 전압(가정용 120/240 볼트)을 대략 10000볼트 정도로 변환한다. 그 에너지는 고압의 콘덴서를 충전시키기 위해 사용된다. 콘덴서의 전위가 스파크갭을 가로지를만큼 충분히 높아졌을때 , 스파크갭 사이에서 스파크가 일어나면서 콘덴서와 1차코일사이에 폐회로가 완성된다. 콘덴서에 저장된 모든 에너지는 1차코일을 통해 에너지를 전달하게 된다. 콘덴서를 충전시키고 스파크갭에 불꽃방전을 일으키는 과정은 매우 빠르게 반복된다. 스파크갭은 120~1000 헤르쯔로 방전이 일어난다. 에너지가 1차코일로 전달되었을때 1차코일과 2차코일사이에 전자기장이 형성된다. 2차코일은 이 에너지를 흡수하고 전압이 더 크게 증폭된다. 결과적인 출력전압은 소형의 테슬라코일에서는 수십만 볼트가 되고 큰 테슬라코일에서는 수백만 볼트가 형성된다. 코일을 효과적으로 접지(그라운드)시키는것이 매우 중요하다. 2차코일의 바닥의 전선은 접지에 연결된다. 2차코일의 꼭대기의 전선은 토로이드(도낫츠 형태의 모양)에 연결된다. 2차코일 꼭대기의 코일과 토로이드 사이에 수인치정도의 간격을 둔다.

A schematic diagram of a Tesla coil.

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LC Circuits(LC 회로)

테슬라코일은 2개의 LC회로로 구성된다. 그회로는 최적의 효율을 내기위해 정확히 같은 주파수로 일치시켜야 한다. 첫번째 LC회로는 탱크 회로이다. 탱크회로는 콘덴서,스파크 갭,1차코일로 구성된 발진기(oscillator)이다. 2차 LC회로는 일종의 공진 회로인데 2차코일과 토로이드로 구성된다. LC회로는 인덕터(코일)과 커패시터(콘덴서)로 구성된다. LC회로는 인덕터의 리액턴스가 커패시터의 리액턴스가 같을때 공진한다. 리액턴스란 교류회로에서의 저항을 뜻한다. 교류는 사인파 형태를 이루며 항상 변화하는 전류이다. 리액턴스는 단순한 직류회로의 저항과는 다르다. 각 요소의 리액턴스를 찾는것은 계산 페이지에서 설명할 것이다. 아래의 그림은 주파수 , 리액턴스, 공진주파수 사이의 관계를 보여준다. 커패시터의 리액턴스는 X_C 로 표시하고 인덕터의 리액턴스는 X_L.로 표시하였다.

위의 그림에서 주어진 L , C 리액턴스에 대해 리액턴스는 어느 한 주파수에서만 동일하다. 회로는 리액턴스가 일치하는 그 주파수에서 전기적으로 진동한다. 토로이드는 실제적으로 판 형태의 커패시터 역할을 한다. 커패시터 역할을 하는 두번째 판은 접지된 바닥(earth) 그 자체다. 즉 토로이드와 접지된 바닥 그리고 그사이의 공기가 일종의 커패시터 역할을 하는 것이다. 토로이드가 크면 커패시턴스도 더 크게 된다. 또한 2차코일은 자체적으로 커패시턴스 성분을 가지고 있다. 코일의 전선은 그라운드쪽으로 커패시턴성분이 있고, 코일의 각각의 감긴 전선사이에도 커패시턴스 성분이 있다. 비록 이 커패시턴스 성분들은 극히 작은 양이지만 고주파수에서는 그것이 꽤 중요하게 된다. 회로에서의 이 효과는 계산 페이지에서 좀더 상세히 논의될 것이다.

These graphics show the distribution of capacitance throughout the secondary circuit.

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Voltage Gain(전압 이득)

테슬라코일은 일반적인 변압기와는 다른방법으로 큰 전압이득을 얻는다. 일반 변압기의 전압변화는 1차와 2차코일의 감음횟수 비율에 따라 결정된다. 변압기의 1차코일이 5회 감기고 2차코일이 100회 감겨있다면 2차전압은 1차코일 전압의 20배가 된다. 이것이 테슬라코일의 1차,2차코일에도 똑같이 적용되지는 않는다. 테슬라코일의 전압 이득은 1,2차 회로 요소의 다른 임피던스에 의해 결정된다. 예를 들어 0.06 μF 탱크 커패시터가 100 kHz에서 27 ohms의 임피던스를 가지고,토로이드는 30 pF 의 커패시턴스에 100kHz에서 53000 ohms의 임피던스를 가지고 있다고 하자. 임피던스가 클수록 전압 포텐셜은 더 커지고 전류는 작아진다. 이러한 양상은 에너지 보존에 의해 설명될수 있다. 입력 에너지는 손실이 무시된다면 출력 에너지와 같다.

Capacitance	Inductance
J = 0.5 V2 C	J = 0.5 I2 L

J = joules of energy stored(저장된 에너지)
V = peak charge voltage(최대 전압)
I = peak current(최대 전류)
C = capacitance in farads(커패시턴스)
L = inductance in henries(인덕턴스)

joule은 인덕터와 커패시터에 저장된 에너지를 나타내기 위해 사용되는 단위이다. 위의 공식은 각 요소를 통해 흐르는 파워를 시간에 따라 적분함에 의해 나온것이다. 테슬라코일의 적합한 출력 전압은 이공식에 의해 계산될수 있다. 이 공식은 손실없이 1차코일로부터 2차코일로 모든 에너지가 전달된다고 가정한다. 실제로 그렇지는 않다. 실제의 전압은 계산된 값보다 약간 적다. 이 계산에서 RMS값을 사용하지 마라. 피크값이 사용된다. 2차코일의 커패시턴스는 토로이드와 코일의 자체 커패시턴스를 포함한다.

V_S = peak secondary voltage
V_P = peak charge voltage of tank capacitor
C_S = secondary capacitance in farads
C_P = tank capacitance in farads

전압이득에는 제한이 있다. 극히 작은 토로이드를 사용하면 피크전압에서 긴 스파크 길이를 얻을수 없다. 토로이드가 없다면 출력전압은 이론적으로 최대가 된다. 그러나 커패시터가 작을때 코일은 낮은 전압에서 방전할것이다. 2차코일이 반만큼 충전되었을때 아크가 그라운드쪽으로 일어난다면 대부분의 에너지가 아크와 열로 분산된다. 그러면서 계속 2차코일은 1차에 의해 충전되기를 계속한다. 그러나 에너지는 회로의 저장된 에너지를 형성하는것보다는 짧은 아크를 만드는데 쓰여진다. 이 상태로는 2차회로가 피크포텐셜에 도달할수 없고,스파크 길이가 매우 짧게 되버린다. 또한 스파크길이는 단순히 전압만이 아니고 전압과 전류 둘다에 의해 결정된다. 토로이드의 커패시턴스는 코일자체의 커패시턴스보다 더 커야 한다. 토리이드의 커패시턴스가 코일자체의 키패시턴스보다 작게 되면 스파크길이가 작아져버리는것을 관찰에 의해 알수 있다. 또한 토로이드가 너무 크면 주어진 파워 레벨에서 스파크가 일어나지 않을수도 있다. 1,2차 회로는 같은 주파수로 공진해야만 한다. 1차회로의 에너지가 단순히 교류파형의 1/4사이클로 2차회로로 전달되는것은 아니다.

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Resonant Rise

Resonant Rise은 횔에 공급되는 교류파형의 주파수가 직렬 LC회로의 공진주파수와 같을때 LC회로에서 일어난다. 인덕터와 커패시터 요소는 회로에서 요소를 통해 흐르는 전류파형과 전압파형사이에 위상차를 유발시킨다. 순수한 저항만의 회로에서는 위상차는 없다.

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순수한 인덕터만의 회로에서 전류의 위상은 전압의 위상보다 90도(1/4사이클) 빠르다.

LCR회로의 위상각은 백터식으로 계산할수 있다. 잘 튜닝된 공진회로에서는 위상각이 zero가 된다. 테슬라코일의 2차회로는 직렬공진회로이다.

A Parallel LC circuit.	A series LC circuit.

이 그래프는 직렬 LCR회로에서 회로에 공급되는 전압 파형과 전류와의 관계를 보여준다. 공진주파수에서 회로의 전류는 최대가 된다.

1차코일과 2차코일은 느슨하게 연결되어 있기때문에 , 그것은 일반적인 철심 변압기와 같은 방식으로 작동하지는 않는다. 2차코일에 유도된 에너지는 2차코일과 토로이드 커패시터에서 전압 소스로서 작용한다. 1차코일(탱크회로)는 최대의 효율을 얻기 위해 2차코일의 공진주파수와 정확하게 일치하도록 조정되어야 한다.

이 그래프는 2차직렬공진회로에서 교류 소스의 역할을 하는 유도 전압을 보여준다.

공진은 스파크갭을 통한 복수개의 불꽃방전을 통해 일어나는것으로 잘못알고 있는 경우가 많다. 그러나 사실은 그렇지 않다. 이장의 모든 설명과 예들은 한번의 불꽃방전에서 에너지의 유동이 일어나는것이다. 한번의 불꽃방전에서 2차회로로 전이된 에너지는 재빨리 흩어져 버리고 다음 불꽃방전때까지 저장되어 있지는 않다. 스파크갭이 일단 불꽃방전을 끝내면 탱크 커패시터는 다시 충전을 시작하고 2차코일에 남겨진 에너지는 RF전파와 열로 흩어진다. 진동의 주기는 탱크 커패시터의 충전시간에 비하면 매우 짧다. 테슬라 코일이 작동할때 주위의 공기는 좀더 전도성있는 공기로 변하게 된다. 불꽃 아크가 다음 사이클에서 스파크가 일어나기 쉽도록 공기에 이온화된 통로를 만든다. 그러므로 초당 스파크 횟수가 많을수록 최대의 스파크길이는 길어지게 된다.

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Oscillation and Tuning

테슬라코일의 출력 파형은 보통 "ringing" 을 표현되는 탱크회로와 2차공진회로의 진동 응답에 의해 야기된다. 진동은 튜닝된 공진회로에서 에너지의 상호 변환이 인덕터와 커패시터 사이에서 일어나는 과정이다. 커패시터가 피크 전압까지 충전되었을때 스파크갭이 불꽃 방전한다. 그리고 나서 커패시터는 1차 코일로 에너지를 내보낸다. 커패시터는 탱크회로 공진주파수의 1/4 사이클을 형성하면서 피크전압에서 0 볼트가 될때까지 방전한다. 커패시터가 방전되는동안 커패시터의 전압은 감소하고 회로를 통해 흐르는 전류는 증가한다. 1차코일은 이 에너지를 전자기장의 형태로 바꾼다. 1차코일을 통해 흐르는 전류가 최대가 되었을때 커패시터의 전압은 제로(zero)가 된다. 이제 커패시터는 더이상 전류를 공급할수 없으므로 전압이 마이너스로 계속 떨어지기 시작한다. 코일의 자기장은 전류의 흐름에 의해 계속 지속된다. 코일의 전기적 관성에 의해 커패시터가 반대극성의 피크전압에 이를때까지 전류의 흐름은 지속된다. 이제 커패시터는 새로운 극성으로 충전되었다. 이제 커패시터는 또다시 1차 코일로 방전을 시작한다. 이러한 시소게임같은 진동게임같은 진동현상은 스파크갭이 불꽃방전을 멈추는 순간까지 여러번 반복된다.
이 전후의 에너지 진동현상은 진자의 운동에 비교되어 질수 있다. 진자가 왼쪽으로 밀릴때 그것이 피크위치에 이를때까지 왼쪽으로 움직인다. 그리고나서 오른쪽으로 되돌아 온다. 다시 중립위치를 지나가고 다시 오른쪽 피크위치, 다시 왼쪽으로 되돌아온다. 이런식으로 에너지가 소진되어 멈출때까지 각 사이클마다 움직이는 진폭이 점점 조금씩 줄어들면서 좌우로 진동을 계속한다. 아래는 진동이 일어나는 양상을 보여주는 그래프이다. 이 그래프는 충전의 극과, 전류의 흐름방향 , 각 싸이클에서 전류의 파형등을 보여준다.

진동의 결과는 감쇠되는 사인파이다. 진자의 운동처럼, 각 싸이클마다 파형의 크기가 점점 줄어든다. 각사이클의 감소는 LC회로 요소내의 에너지 손실에 의해 야기되는 것이다. 파형은 또한 2차회로쪽으로 에너지를 전달함에 의해 감쇠되어진다. 손실은 1차코일의 전선저항때문에 일어난다. 탱크 커패시터의 경우 매우 낮은 손실을 가진 것을 사용하는 것이 좋다. 고주파수에서 전류는 전선의 중심보다는 표면을 통해 흐른다. 이것은 skin effect(표면 효과)라고 부른다. 이때문에 전류는 전선의 DC(직류) 저항보다도 더 큰 저항을 가지기 때문에 더 적게 흐르게 된다. 이 문제에 대한 해결책은 표면적이 최대인 것을 사용하는 것이다. 아래의 LCR회로에서의 감쇄사인파의 그래프가 그려져 있다. 회로에 손실이 없다면 진동은 무한히 일어날것이고 감쇠효과는 없을 것이다. 실제로 그런 경우는 없다.

Damped sine wave graphic.

아래의 그래프는 탱크회로와 2차회로의 전압파형을 보여준다. 이것들은 테슬라코일에 의해 형성된 파형의 그래프이다.

2차회로의 에너지가 어떤식으로 피크값이 될때까지 서서히 증가하는지를 잘 보아라. 그 지점에서 2차회로는 1차코일로 에너지를 다시 되돌리기 시작한다.(두 회로사이의 진동) 스파크갭은 1차회로의 그래프가 끝나는 시간지점에서 불꽃방전을 멈춘다. 2차회로의 그래프는 그 지점 이후의 회로의 진동을 보여준다. 그때는 1차회로의 연속성이 끝났기 때문에 더이상 1차와 2차회로 사이의 상호작용이 없다. 그러면 2차회로의 남아 있는 에너지는 감쇠사인파를 형성하면서 열과 RF전파로 변환되어 흩어진다.
이 그래프에서는 스파크갭은 3번째 노치(notch)앞에서 불꽃 방전을 멈춘다. 노치(notch)는 탱크회로의 모든에너지가 2차회로로 전달되는 시간지점을 말한다. 어렵긴 하지만 첫번째 노치(notch)에서 불꽃방전이 멈추도록 하는것이 가장 좋다. 이것은 회로에 에너지가 머무는 시간이 길수록 열 등으로 인한 에너지 손실이 많기 때문에 매우 중요한 문제이다. 탱크회로는 더 큰 에너지 손실의 소스가 되는데, 특히 스파갭에서 에너지 손실이 매우 크다. 탱크회로는 수백 암페어로 작용한다. 회로의 성향이 많은 에너지를 열로서 소비한다. 에너지 손실의 양은 I² R과 같다. I는 전류이고 R은 저항이다. 1차와 2차 회로사이의 진동주파수는 coefficient of coupling,tuning,에너지 손실 등에 의해 결정된다.

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테슬라코일의 설계

이 페이지에서는 최대의 효율로 최고전압을 얻도록 테슬코일을 디자인하는 방법에대해 설명할것이다. 최적의 작동을 하도록 모든 요소를 계산하는것은 테슬라코일디자인에서 가장 핵심적인 부분이다. 테슬라코일은 잘 튜닝된 공진회로이다. 단순히 적당한 값으로 대충 만들면 절대로 작동하지 않는다. 이페이지에서는 많은 계산이 요구되므로 계산기를 준비하는것이 좋을것이다.

이 페이지의 목차

• Primary Transformer (1차트랜스 )
• Tank Capacitor (탱크 커패시터 )
• Primary coil (1차코일 )
• Secondary coil (2차코일 )
• Toroid (토로이드 )

테슬라코일을 디자인 하는 방법은 2가지가 있다. 첫번째는 트랜스(변압기)에서부터 시작하는 것이다. 두번째 방법은 2차코일에서부터 시작하는 것이다. 여러분이 이미 트랜스를 샀다면 첫번째 방법으로 시작해야만 한다. 탱크 커패시터에 대해 최대의 커패시턴스(용량)를 찾아라. 그리고 1차와 2차코일을 디자인하게 된다. 여러분은 1차코일을 디자인 해야 하고 탱크회로의 공진주파수를 계산해야만 한다. 그리고나서 1차코일과 매치되도록 적절하게 2차코일을 디자인하라.
2번째 방법은 2차코일을 가지고 시작하는 것이다(첫번째 방법과는 순서가 반대다). 몇가지 이유로 인해 여러분이 특정 주파수에서 테슬라코일이 작동하도록 하고싶다면 여러분은 이방법(2번째 방법)을 사용하면 된다. 우선 원하는 주파수가 되도록 2차코일을 디자인해라.그리고나서 2차코일과 매치되도록 1차코일을 디자인 하면 된다.다음에 여러분이 디자인한 1차코일의 인덕턴스(inductance)를 바탕으로 2차코일에 대해 선택한 공진주파수와 같은 주파수로 탱크회로가 공진하도록 필요한 커패시턴스를 계산하라. 그리고나서 탱크 커패시터의 용량을 수용할수 있는 1차 트랜스에 대한 스펙을 찾아라. 여러분이 1차 트랜스에 대해 특정한 파워레벨를 원한다면 탱크 커패시터가 여러분이 원하는 트랜스와 매치될때까지 2차코일을 다시 디자인하라.
이 계산들을 하는데 너무 시간을 많이 요하기 때문에 여러분이 쉽게 계산할수 있도록 여러 코일 제작자들이 몇가지 컴퓨터 프로그램을 개발했다. Java Calculator page.

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1차 트랜스 계산법 Primary Transformer Calculations

나는 당신이 다른 요소를 만들기를 시작하기 전에 우선 트랜스를 구입할것을 추천한다. 미리 구상해둔 어떤 특정 파워를 갖는 트랜스를 구하기는 쉽지 안을 것이다. 그냥 적당한 파워를 갖고 쉽게 구할수 있는 트랜스를 구입하면 된다.
당신이 구입한 트랜스에 대해 알아야만 할 2가지의 중요한 점이 있다. 첫째는 트랜스 내부의 2차코일의 임피던스이다. 둘째는 당신의 트랜스가 120/240 볼트 전원으로 얻을수 있는 전류량이다. 이것은 당신이 높은 출력의 트랜스를 사용하고자 한다면 매우 중요한 문제이다.
트랜스의 타입에 따라 트랜스의 전기적 특성이 틀려진다. 대부분의 트랜스는 VA (전압 X 전류 ) 의 형식으로 쓰여져 있다. 네온사인 트랜스에는 대부분 내부의 2차코일(테슬라코일의 2차코일이 아니라 트랜스 내부의 2차코일)의 전류와 전압값이 기록되어 있을것이다.

당신이 VA 형식으로 스펙이 기록된 트랜스를 가지고 있다면 아래의 계산공식을 사용하라. 첫째로 I(전류)를 계산하기 위해 트랜스의 VA(전력)값을 V(전압)으로 나누어라.

다음에 트랜스의 내부 2차코일의 임피던스를 찾기 위해 오옴의 법칙(Ohm"s law)를 사용하라. 오옴의 법칙은 E = IZ 이다. E(전압) = volt(볼트) , I(전류) = amps(암페어) , Z(임피던스) = ohms(오옴) 임피던스 Z를 계산하기 위해 트랜스의 출력 전압( V )을 트랜스의 전류값( I )으로 나누어라.

당신은 이장의 다음 색션에서 커패시터값을 계산하기 위해 이 임피던스 Z 값을 사용하게 될것이다. 트랜스 내부의 2차코일의 임피던스는 공급할수 있는 전류량을 제한한다.
여러분의 트랜스에 그 전압과 전류값의 스펙이 나와 있다면 그 임피던스를 계산하기 위해 같은 오옴의 법칙을 사용하면 된다.

여러분이 보통의 트랜스를 사용한다면 VA값을 입력전압(120 or 240 V)로 나눔에 의해 트랜스의 1차코일의 전류를 계산할수 있다. 보통 120볼트보다는 240볼트로 트랜스에 파워를 공급하는것이 더 좋다. 많은 가정에서 100암페어에 240볼트 전선을 사용한다. 예를 들면,10000VA 트랜스는 240V에 41.7암페어를 공급받는다. 120V에서는 83.3암페어를 공급받는다. 즉 240볼트에서는 트랜스는 120볼트일때에 비해 전류가 반으로 줄어든다. 전류가 줄어들면 파워를 공급하기 위한 전선의 두께도 줄어들기 때문에 유리하다. 이 전류계산은 트랜스의 최대 출력일때의 값으로 가정하고 계산하는것이다.
트랜스가 얼마나 큰 전류를 공급받을수 있는지를 알고 난후에 당신은 큰 전류를 받을수 있는 교류 케이블을 사용할 필요가 있다. 여러분이 트랜스를 벽의 콘센트에 플러그로 연결하여 사용하고 싶다면,여러분은 충분한 전류를 수용할수 있는 대용량 콘센트를 사용해야 할것이다. 일반 전기부품상에서 그것들을 구할수 있을것이다. 여러분이 전선의한계를 넘어서는 출력을 내려고 한다면 불이 나고 말것이다.

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탱크 커패시터 계산 Tank Capacitor Calculations

이제 여러분은 트랜스의 임피던스를 알고 있다. 여러분은 탱크커패시터의 필요한 커패시턴스를 계산할수 있다. 아래는 커패시터의 리액턴스 계산공식이다.

XC = 커패시터의 리액턴스(capacitive reactance in ohms)	Z = 트랜스의 임피던스(impedance of the transformer in ohms)
F = 주파수(frequency in hertz)
C = 커패시턴스(capacitance in farads)

커패시터의 리액턴스는 AC(교류) 파형에 대한 커패시터의 저항이다. 커패시터가 충전되었을때 , 그것이 완전하게 충전된후에 AC전압이 커패시터의 전압아래로 떨어지기 시작할때 전류가 흐른다. 커패시터를 가로지르는 입력전압이 그것의 최종 순간값으로부터 변화할때마다 전류는 그것을 통하여 흐른다.
이 공식은 커패시터의 저항을 AC회로에서 표준 오옴(ohms)으로 나타낼수 있는 값으로 변환한다. 커패시터 리액턴스는 커패시턴스 값과 그것이 충전되는 파형의 주파수에 의해 계산된다. 커패시턴스 값이 높을수록 임피던스는 작고, 충전하기 위해 많은 전류를 필요로 하며, 더 많은 에너지를 저장할수 있다. 공식에서 상수 2pi는 원주율(약 3.14)의 2배값을 뜻한다. 그리고 그 값에 주파수 F를 곱하면 각속도가 된다. 파형의 각속도는 단위가 radians/sec 이며 충전속도의 비율을 나타낸다.
여기의 계산 아이디어는 트랜스에 과부하가 걸리지 않는 상태에서 가능한한 최대의 커패시턴스를 찾는것이다. 공식에서 커패시터 리액턴스 (X_C) 에 대하여 트랜스의 임피던스 Z로 치환함에 의해 커패시터는 Z ohms의 부하를 갖는것으로 환산될수 있다. 그것은 트랜스의 최대전류 용량과도 같다. 커패시턴스가 너무 크다면 트랜스에 걸리는 부하는 트랜스에 무리를 일으킬수 있고 커패시터로 전달되는 파워의 양이 감소할것이다. 그러나 커패시턴스는 계산된 최대값보다 적을 것이다. 커패시턴스가 적다면 당신은 큰 스파크를 얻을수 없고 트랜스의 최대 파워를 이용할수 없다. (커패시터는 트랜스가 전달할수 있는 최대 전류를 수용하지 않을 것이다.)
변수 F는 60이다. 왜냐하면 AC교류는 60 헤르쯔이기 때문이다. 트랜스의 임피던스는 변수(X_C)인데 C값으로 계산한다.(이것은 오른쪽의 공식에 보여진다.)

패럿을 마이크로패럿으로 변환하기 위해 1,000,000 을 곱한다. 그리고 마이크로패럿을 패럿으로 변환할때는 1,000,000으로 나눈다. 아래의 변환공식은 패럿대신에 마이크로 패럿을 사용한다. < p>

여러분이 더 작은 커패시턴스 값을 사용하고자 한다면 그것도 가능하다. 여러분의 콘덴서가 얼마나 많은 전류를 2차코일로부터 당겨오는지는 오옴의 법칙에 의해 계산할수 있다. 트랜스의 전압을 커패시턴스의 리액턴스로 나누면 전류값을 알수가 있다. 여기서부터, 여러분은 트랜스의 1차코일이 2차코일에 걸린 부하로 얼마의 전류를 전달하는지 계산할 수가 있다. 여러분이 트랜스의 전류값을 알 필요가 있다든지 그 전류값이 궁금한 것이 아니라면 굳이 이계산을 할필요는 없다. 트랜스의 출력에 걸린 부하가 W watts를 소비한다면 트랜스의 1차코일은 W watts를 소비하는 셈이다. 다시말하면 입력된 전력은 출력 전력과 같다. 오옴의 법칙은 또한 P =IE 이다 여기서 P = 전력(단위 = watts) ,I = 전류(단위 = amps) , E = 전압(단위 = volts) 그러므로 다음 공식이 유도되어진다.

E_PI_P = E_SI_S

E_P =1차전압 primary voltage
I_P =1차전류 primary current in amps
E_S =2차전압 secondary voltage
I_S =2차전류 secondary current in amps

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1차코일 계산 (Primary Coil Calculations)

1차코일의 사이즈는 중요한 요소다. 여러분은 보통 1차코일을 10회에서 15회정도 감아야 한다. 그리고 탭을 몇 개정도 낸다. 이것은 보통 대부분의 코일에서 가장 좋은 출력을 낸다. 그러나 여러분의 디자인이 적절하도록 실험에 의해 수정할 필요가 있다. 여러분은 여러분의 1차코일에 적절한 탭을 사용해야 한다. 예를 들면 당신의 1차코일의 인덕턴스를 계산할 때 12회감음으로 계산했다면,그러나 실제로 튜닝할때는 1차코일은 14에서15회 감음이 적당할것이다. 1차코일은 큰표면적을 가지도록 두꺼운 전도체를 사용해야 한다. 예를 들면 구리선 같은 것. 1차코일 감음 사이의 빈 공간은 그 사이에서 아크가 일어나지 않도록 충분히 넓어야 한다. 간격을 두는 것은 보통 감음 사이에 0.5인치를 초과하지 않는다.

1차코일 디자인에는 4개의 기초적 원리가 있다

1. 1번만 감은 1차코일. 그것은 2차코일의 베이스에서 감고 ,보통 큰 직경을 가진다.
2. 나선형 1차코일(Helical Coil) 그것은 실린더형태로 감은 코일이다.
3. 역원추형 코일(Inverse Conical Coil) 또는 접시형 코일. 그것은 단면이 V자 형태이다. 보통 30° 도의 각도를 가진다.
4. 아르키메데스 나선(Archimedes Spiral),또는 팬케이크 코일. 그것은 나선형태의 평평한 형태의 코일이다.

접시형 코일은 작고 중간정도의 출력을 내는 테슬라코일에 좋다. 고출력의 테슬라코일에 그것을 사용하지 않는다. 왜냐면 토로이드로부터의 스파크가 1차코일로 튀기 쉽기 때문이다. 고출력의 코일에서는 평평한 나선형이 가장 좋은 형태의 1차코일이다. 이 두타입의 코일의 직경은 보통 2차코일 감음의 길이와 같다.
여기에 1차코일 인덕턴스 계산 공식이 있다. 여러분이 설계하는 1차코일의 인덕턴스를 찾기위해 ,또는 특정한 인덕턴스를 갖도록 1차코일의 사이즈를 결정하기 위해 이공식을 사용할수 있다. 당신은 탱크회로의 공진주파수를 찾기위해 1차코일의 인덕턴스를 알 필요가 있다.

Archimedes Spiral(아르키메데스 나선형 코일)

L = inductance of coil in microhenrys (코일의 인덕턴스)(μH) R = average radius of the coil in inches(코일의 평균반경) N = number of turns(감음 횟수) W = width of the coil in inches(코일의 폭)

Helical Coil(나선형 코일)

L = inductance of coil in microhenrys (μH) N = number of turns R = radius of coil in inches (Measure from the center of the coil to the middle of the wire.) H = height of coil in inches(코일의 높이)

Inverse Conical Coil(역 원추형 코일)

L = inductance of coil in microhenrys (μH) L1 = helix factor L2 = spiral factor N = number of turns R = average radius of coil in inches(코일의 평균 반경) H = effective height of the coil in inches(코일의 적절한 높이) W = effective width of the coil in inches(코일의 적절한 폭) X = rise angle of the coil in degrees(코일의 적절한 기울어짐 각도)

몇가지 공식에서,당신은 인덕턴스값을 마이크로헨리가 아니라 헨리단위로 입력해야만 한다.

테슬라코일의 원리페이지에서 논의되었듯이, 인덕터의 리액턴스(X_L)가 커패시터의 리액턴스 reactance (X_C)와 정확히 일치되어야만 공진회로가 제대로 작동한다. 여기에 인덕터 리액턴스와 커패시터 리액턴스 계산공식이 있다.

Inductive Reactance(인덕터의 리액턴스)

X_L = inductive reactance in ohms
F = frequency in hertz
L = inductance in henrys

Capacitive Reactance(커패시터 리액턴스)

X_C = Capacitive reactance in ohms
F = frequency in hertz
C = capacitance in farads

회로는 X_L = X_C. 인 주파수 F에서 공진할것이다. 그래서 이 두 공식의 조합에 의해 공진회로공식이 유도된다.

X_L = X_C

F = frequency in hertz
L = inductance in henrys
C = capacitance in farads

당신이 F에 대해 풀기를 원한다면 아래에 있는 단순화된 공식을 사용하라.

여러분이 테슬라코일을 어떤식으로 디자인하느냐에 따라 ,여러분은 탱크회로에서 미지변수값을 계산하기위해 이 공식을 사용할수 있는 것이다.

다음에 2차코일 다지안을 설명할것이다. 앞에서 말했듯이 여러분은 모든것이 적합하도록 하기위해 이 계산을 여러 번 반복해야만 할것이다.

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2차코일 디자인 Secondary Coil Design

다음 단계는 2차코일을 디자인 하는 것이다. 2차코일은 탱크회로에서 1차코일과 같은 주파수로 공진해야만 한다. 2차코일을 디자인할 때 고려하는 요소중의 하나는 2차코일의 길이와 2차코일의 직경의 비율이다. 아래 챠트는 가장 좋은 출력을 내는 전형적인 스펙을 보여준다. 여러분이 이것들을 그대로 따라할 필요는 없다.

2차코일 사이즈 비율 (Secondary coil aspect ratios)

모든 단위는 인치이다.( All dimensions are in inches.)

Coil Diameter	Aspect Ratio	Length of Coil
3	6:1	18
4	5:1	20
5	4.5:1	22.5
6	4:1	24
7	3.5:1	24.5
8	3.1	24
8+	3:1	multiply by 3 to find length

2차코일에 대한 전선형태에 대한 일반적인 사양은 22 gauge 또는 더 두껍다. 실제로 얇은 전선은 좋지 않다. 그것은 저항값이 너무 크고 ,너무 큰 커패시턴스를 가진다. 고품질의 에나멜선을 사용하는것이 좋다. 효과적으로 촘촘히 감고 싶다면 Regular insulated hookup 전선을 사용하지 않는것이 좋다. 아래에 Richard Quick에 의해 나온 전선 타입의 리스트가 있다.

AWG       D.C. OHMS     WIRE DIAM   APPROX. TURNS PER      FEET PER
SIZE     PER 1000 FT     INCHES     INCH, SOLID ENAMEL      POUND
                                    COVERED
 1        .1264          .2893          X                    3.947
 2        .1593          .2576          X                    4.977
 3        .2009          .2294          X                    6.276
 4        .2533          .2043          X                    7.914
 5        .3195          .1819          X                    9.980
 6        .4028          .1620          X                   12.58
 7        .5080          .1443          X                   15.87
 8        .6405          .1286          7.6                 20.01
 9        .8077          .1144          8.6                 25.23
 10      1.018           .1019          9.6                 31.82
 11      1.284           .0907         10.7                 40.12
 12      1.619           .0808         12.0                 50.59
 13      2.042           .0720         13.5                 63.80
 14      2.524           .0641         15                   80.44
 15      3.181           .0571         16.8                101.40
 16      4.018           .0508         18.9                127.90
 17      5.054           .0453         21.2                161.3
 18      6.386           .0403         23.6                203.4
 19      8.046           .0359         26.4                256.5
 20     10.13            .0320         29.4                323.4
 21     12.77            .0285         33.1                407.8
 22     16.20            .0253         37.0                514.2
 23     20.30            .0226         41.3                648.4
 24     25.67            .0201         46.3                817.7
 25     32.37            .0179         51.7               1031
 26     41.02            .0159         58.0               1300
 27     51.44            .0142         64.9               1639
 28     65.31            .0126         72.7               2067
 29     81.21            .0113         81.6               2607
 30    103.7             .0100         90.5               3287
 31    130.9             .0089        101                 4145
 32    162.0             .0080        113                 5227
 33    205.7             .0071        127                 6591
 34    261.3             .0063        143                 8310
 35    330.7             .0056        158                10480
 36    414.8             .0050        175                13210
 37    512.1             .0045        198                16660
 38    648.2             .0040        224                21010
 39    846.6             .0036        248                26500
 40   1079               .0031        282                33410
 41   1323               .0028
 42   1659               .0025
 43   2143               .0022
 44   2593               .0020
 45   3348               .00176
 46   4207               .00157
 47   5291               .00140

"테슬라2차코일 감음에 대한 일반적인 사양은 22AWG를 사용하거나 ,또는 더큰 직경,double Formvar Magnet wire를 사용하는 것이다. 자주 특수한 전선 사이즈를 가진 테슬라코일도 발견되기도 한다. 위의 모든 자료는 근사적인 값이다. 전선 직경,인치당 감음수,저항,파운드당 피트 등등. 모든 값들은 제작자들간에 조금씩 틀리다. 절연두께는 타입과 제작사에 따라 다를것이다. 인치당 감음수 또한 감음의 질에 따라 변화한다. 실제로 테슬라코일의 감기는 완전하지 못해서 위의 스펙과 약간 달라질 것이 예상된다.

코일 형태를 선택하는 것이 2차코일을 디자인할 때 다음 단계이다. 여러분의 코일은 보통 직경이 4인치보다 더 작아서는 안된다. 큰 테슬라코일은 직경이 12인치를 넘는 코일 형태를 갖는다. 되도록 낮은 손실을 갖는 재료를 사용하도록 해라. PVC는 가격이 싸기 때문에 주로 테슬라코일에 사용되기도 한다. 그러나 그것은 매우 높은 손실을 갖는 재료이다. 폴리에틸렌,폴리스틸렌,폴리프로필렌,lexan,Plexiglas(플렉시 유리)같은 재료들이 가장 적합하다. 코일 형태는 0.125인치 정도로 가능한한 얇아야만 한다. 당신이 실제로 스파크길이를 길게하는데에 신경쓰지 않는다면 가장싼 것을 선택해도 된다.

2차코일은 일반적으로 800 에서 1000회정도 감는다.

T = AH

L = length of wire in feet
D = outer diameter of coil form
H = height of coil in inches
A = number of turns per inch
T = total number of turns

인치당 적절한 감음수를 찾기위해 ,당신이 선택한 전선의 평균 두께를 찾기위해 전선 게이지 챠트를 사용하라.

A = turns per inch
B = thickness of wire in inches

이 코일 계산들은 근사적인것이며 2차코일 제작이 완성되었을 때 다시 수정되어야 할것이다. 같은 게이지 전선에 대해 전선 두께는 각 제조사마다 다를것이다. 파이프가 5인치라고 라벨이 붙어있어도, 실제로 외부의 직경은 5.25인치가 될수 있다.

2차코일의 스펙이 결정된 후에 ,당신은 코일의 인덕턴스를 찾아야 할 필요가 있다. 아래에 나선형(helical) 코일의 인턱턴스 공식을 사용하라.

L = inductance of coil in microhenrys (μH) N = number of turns R = radius of coil in inches H = height of coil in inches

이 인덕턴스 값은 필요한 토로이드 커패시턴스를 찾기 위해 사용될수 있다.

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토로이드 계산 Toroid Calculations

토로이드(방전 터미널)은 테슬라코일의 모든 다른 요소들만큼 중요하다. 토로이드는 2차회로의 공진주파수를 조절하는 것이다. 토로이드는 가상의 평판 커패시터이다. 유전물질은 공기이고, 두번째 평판은 땅(접지) 그 자체다.
2차코일의 인덕터 리액턴스와 토로이드의 커패시터 리액턴스는 디자인된 공진 주파수에 가까이 맞출 필요가 있다. 1차코일은 그래서 정확하게 2차의 주파수와 매치되도록 적당한 횟수로 탭되어 있다. 토로이드의 표면적이 클수록,커패시턴스도 크다. 또한 여러분이 얼마의 토로이드 커패시턴스를 필요로 하는지 결졍하는데 또하나의 요소가 있다. 바로 2차코일 자체의 커패시턴스이다.. 작은 값의 커패시턴스가 2차 공진회로의 주파수에 영향을 미칠수 있다. 2차코일의 커패시턴스는 필요한 토로이드 커패시턴스값을 찾기위해 고려할 필요가 있다.
2차코일의 커패시턴스는 Medhurst 공식에 의해 계산된다. 이공식은 좋은 근사공식이며 대부분의 코일에서 꽤 정확하다. 이것들은 실제의 커패시턴스와 1또는 2 피코패럿 정도의 차이를 가질것이다. 그러나 이것은 1차코일 탭을 조정함에 의해 쉽게 극복될수 있다. 이공식은 많은 감음횟수를 가진 작은 코일에는 부정확하다. 이 Medhurst 공식은 아래에 있다.

C = self capacitance in picofarads
R = radius of coil in inches
L = length of coil in inches

2차코일의 커패시턴스는 전선 에나멜의 유전상수,전선 두께,감음횟수등과 같은 많은 변수들에 의존하며,정확하게 계산하기가 어렵다. 그러나 당신은 그것을 측정할 수가 있다. 오실로스코프는 테슬라코일을 튜닝하고 디자인하는데 큰 도움이 되는 장비다. 여러분이 오실로스코프를 갖고 있지 않다면 여러분에게 한가지 방법을 제안한다. 여러분이 오실로스코프를 살 여유가 없다면 빌려라. 오실로스코프는 너무나 유용한 도구이다. 그리고 당신에게 많은 시간을 절약할수 있도록 해줄것이다. 여러분이 코일의 정확한 자체 커패시턴스 값을 알 필요가 있다면,다음 단계를 따라라
2차코일의 커패시턴스를 찾기위해 여러분은 우선 2차코일이 토로이드나 또는 여분의 커패시턴스 없이 작동할때의 공진주파수를 측정해야만 한다.여러분의 오실로스코프의 프로브에 안테나로의 역할을 하도록 작은 전선을 연결해라. 여러분의 테슬라코일을 토로이드 ,또는 방전 터미널 없이 작동시켜라. 그리고 그것이 공진하는 주파수를 찾기위해 오실로스코프상의 그래프를 지켜보아라. 단순히 작은 테슬라코일을 가지고 실내에서 스코프를 사용함에 의해 여러분은 좋은 결과를 얻을것이다. 그러나 스코프의 전선을 코일의 스파크범위밖으로 잘 유지시켜라. 그러지 않으면 오실로스코프가 고장나게 될것이다. 그러면 여러분이 주파수 측정과 그리고 그것의 자체 커패시턴스를 계산하기 위해 2차코일의 인덕턴스를 사용하라. 공진주파수 공식을 사용하면 된다.

2차회로의 전체 커패시턴스는 토로이드 커패시턴스와 코일 커패시턴스의 총합보다 더 적을것이다. 그것들의 가까운 근접성은 토로이드가 접지로부터 2차코일표면을 보호 하도록 할것이다. 아래에 토로이드에 대한 커패시턴스 공식이 있다.

C = capacitance in picofarads
D₁ = outside diameter of toroid in inches
D₂ = diameter of cross section of toroid in inches

Capacitance of a sphere:

개인적으로 2차커패시터로 구 형태를 사용할 것을 추천하지 않는다. 왜냐면 그것은 토로이드만큼 충분한 공간을 주지않고, 또한 토로이드가 훨씬 인상적으로 보이기 때문이다. 토로이드는 훨씬 좋은 형태의 정전기장을 공급한다. 그래서 스파크가 2차코일의 감음 꼭대로기로부터 나가는 것을 방해한다. 여하튼간에 아래에는 구에 대한 공식이 있다.

C = capacitance in picofarads
R = radius in inches

이제 요소들의 스펙이 계산되어졌고,이에 따라 적당히 튜닝된 테슬라코일이 완성될수 있다. 이 계산들을 할 때, 계산들이 정확하지는 않다. 2차코일 인덕턴스는 전선 두께와 코일 형태 직경 때문에 다 만들어지면 다시 계산되어야 할것이다. 여러분은 항상 필요하다면 감음으로부터 여분의 재료를 잘라낼수 있다. 그것의 사이즈들을 측정하고 인치당 감음횟수를 주의깊게 센 후에 2차코일의 인덕턴스를 다시 계산하라.

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[글쎄다]

어렵네요..ㄷㄷㄷ

[빛나리]

어렵다기 보다는.. 전기전자 그리고 기계분야 지식 & 경험이 풍부하지 않음.. 솔직이 말해 소규모 실험조차 도전하심을 말리고 싶습니다. // 그러나 응용사례품은 얼마던지 구경할 수는 있을 겁니다. 우선 주변에서 찾아보면 가스레인지 점화장치(건전지를 넣는타입)가 그것이며, 탁상용 가스라이터(건전지~) 그리고 조금 전문적인 것으로는 보일러 등의 점화코일, 자동차의 점화장치/이그나이터 등등~ 응용분야와 종류가 헤아릴 수 없을만큼 많습니다. 그러나 테슬라코일의 원형은 '공심코일'로서 엣날 진공관 라디오시절 안테나코일(공심/에어코일)이 꼭 테슬라 코일과 닳았습니다. 어쨋거나 실험조차 몹씨 위험하므로 이론공부부터 하시길~~