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A Bobina de Tesla

Depois que foi publicado em nossa página do Facebook um vídeo com uma bobina de Tesla musical, do nosso amigo Fabrício Franzoli, recebi uma centena de mensagens pedindo informações sobre a Bobina de Tesla.

Hoje é o dia de Tesla, dia de seu aniversário,  então vamos começar a falar pelo criador, o grande mestre Nikola Tesla, o mago do AC, e dizer que é muito perigoso brincar com alta tensão, a menos que você seja experiente em eletrônica e já esteja calejado de tanto tomar choque. Leve em conta que uma bobinas de Tesla pode chegar a 200 kV com extrema facilidade e leia o termo de responsabilidade do site!

 

Quem foi Nikola Tesla

Nikola Tesla
Nikola Tesla, aos 34 anos, 1890, fotográfia de Napoleão Sarony

Nikola Tesla nascido em 10 de julho de 1856 em Smiljan na Croácia , mas viveu grande parte de sua vida nos Estados Unidos. Tesla foi um grande inventor e  um futurista,  trabalhando principalmente  na  área relacionado a corrente alternada (AC) e sistema de fornecimento de energia elétrica.

O que é a Bobina de Tesla

Primeiro, esqueça tudo que te ensinaram sobre transformadores e bobina, vamos falar de Tesla, “o cara”! A bobina de Tesla é um transformador ressonante inventado por Nikola Tesla por volta de 1890.

Ela é capaz de gerar alta tensão de baixa corrente, em alta freqüência de corrente alternada, de maneira simples e de fácil construção. Tesla experimentou centenas de bobinas, com milhares de configurações diferentes, por esse motivo não existe “uma” bobina de Tesla e sim milhares.

Para quem é entusiasta da alta-voltagem e eletrônica a bobina de Tesla é a montagem imperdível e com certeza uma experiencia inesquecível.

 

Rádio sparkgap
Rádio sparkgap – tinfoil.com

 

Tesla usava estas bobinas para realizar experiências em equipamentos de iluminação, fosforescência, geração de raios-X, eletroterapia, e a transmissão de energia elétrica sem fios que era o sonho de Tesla.

Inicialmente as bobinas de Tesla foram usadas ​​comercialmente em transmissores de rádio sparkgap para telegrafia sem fio. As bobinas também foram usadas em equipamentos médicos, tais como eletroterapia e equipamento de raios violeta.

Um transformador de bobina de Tesla opera de uma forma significativamente diferente de um transformador  convencional, ou seja, com núcleo de ferro.

Em um transformador convencional, os enrolamentos estão muito firmemente acoplados e o ganho de tensão é determinada pela relação entre o número de espiras nos enrolamentos.

As bobinas de tesla
Enrolamento da bobina de Tesla

O transformador comum funciona bem com tensões normais, mas, com tensões elevadas, o isolamento entre os dois conjuntos de enrolamentos é facilmente quebrada e isso impede que os transformadores com núcleo de ferro possa funcionar em voltagens extremamente elevadas, sem danos.

Diferente do transformador comum que pode acoplar-se  mais de 97% entre os campos dos enrolamentos, os enrolamentos de uma bobina de Tesla são livremente acopladas, com um grande intervalo de ar, e assim o primário e secundário, partilham apenas 10 a 20% de seus respectivos campos magnéticos.

Em vez de um acoplamento pesado,  as transferências de energia (através de acoplamento flexível) é feita por um circuito oscilador ressonante (no primário) para o outro (no secundário) ao longo de uma frequência de ciclos.

Os circuitos primário e secundário da bobina são ajustados para ressonarem em uma  mesma frequência, geralmente na faixa de 50Khz a 500 kHz.

Bobina deTesla no Google
Bobina de Tesla no doodles do Google

Como as transferências de energia do primário para a secundário, a saída de tensão aumenta o secundário até que toda a energia primária disponível for transferida para as secundário, isso tirando as  perdas.

Mesmo com as perdas significativas de folga de faísca, uma bobina de Tesla bem concebida podem transferir mais de 85% da energia armazenada inicialmente no capacitor principal para o circuito secundário.

A tensão ​​a partir de uma bobina de Tesla pode ser significativamente maior do que de um transformador convencional, porque o enrolamento secundário é um solenoide longa camada única e bem isolada.

Além disso, a tensão por turno em qualquer bobina é maior, porque a taxa de variação do fluxo magnético é em altas frequências.

Circuito de uma Bobina de Tesla

Circuito básico da Bobina de Tesla
Circuito básico da Bobina de Tesla. Ilustração: Jirah via: wikipedia.org

 

O circuito básico de uma bobina de Tesla é bastante simples,  funciona da seguinte forma, a tensão de alimentação, que no caso é a da rede elétrica AC, 110 ou 220 Volts é elevada pelo primeiro transformador (high voltage transformer) , chegando a 5 KVolts,

Em série com o transformador, no secundário,  existe um capacitor de alta tensão, que em cada semi-ciclo da tensão, ele se carrega, armazena energia potencial até o valor dessa alta tensão, alcance a tensão necessária para romper o ar da abertura do centelhador (spark gap).

Esse capacitor (ou banco de capacitores) é muito importante, já que quanto maior for a capacitância deste capacitor, maior vai ser a intensidade da corrente que vai passar pela bobina (primary).

A descarga do capacitor (high voltage capacitor) acontece em forma de faísca no centelhador (spark gap), esse centelhador produz pulsos com harmônicas de radio frequência, ou seja, descargas oscilantes, que depende do capacitor usado, essa frequência pode ser de 50Khz a 500 kHz.

Bobina primaria de Tesla
Bobina primaria de Tesla, foto: capturedlightning.org

Então toda vez que isso acontece passa uma tensão elevada através do primário da bobina (primary). Levando em conta a rede elétrica domiciliar AC de 60 Hz, vamos ter 120 pulsos por segundo.

As bobinas primária (primary) e  secundária (secondary) formam um transformador que como falamos acima vai elevar a tensão de  5 KVolts, que dependendo da bobina pode chegar a 100 KVolts facilmente. Mas os resultados finais vão depender das bobinas, do capacitor e do transformador.

Circuito tipico da bobina de Tesla
Circuito básico da bobina de Tesla. Imagem: Omegatron via: wikipedia.org

 

Componentes da Bobina de Tesla “Básica original”

  • High voltage transformer = Transformador com primário da tensão da rede AC e secundário de no minimo 5 KVolts, transformadores de letreiros de Neon ou outros transformadores de AT.
  • spark gap = centelhador ou faiscador, ele deve ter uma abertura  ajustável de 2 a 5 cm.
  • high voltage capacitor = Um capacitor ou um banco de capacitores, é muito ampla a gama para o valor do capacitor, podemos dizer que varia de 1nF a 8nF, depende das bobinas.
  • primary e  secondary = Bobinas primária e secundária de Tesla, sua construção depende do projeto. A bobina primária pode ser feita de fio rígido comum residencial de cobre encapado com 12 AWG, ou mesmo esmaltado, seu enrolamento deve ter 15 espiras radiais com diâmetro de 14 cm sobre a base do secundário, o fio deve ter um comprimento de 8 a 9 mts. O secundário pode ser feito com 1500 a 2000 espiras de fio esmaltado de 22 a 26 AWG, núcleo de ar com forma com diâmetro de 10 cm com 1 metro de comprimento.

 As Modernas Bobinas de Tesla

Atualmente a bobina de Tesla é em sua grande maioria em ” Estado Sólido “, ou seja, transistorizada, na realidade a bobina (primário e secundário) não mudou praticamente nada, o que mudou é a adição de um oscilador que dá um melhor rendimento a bobina.

Chamado de SSTC, sigla de Solid State Tesla Coils ( Bobina de Tesla em Estado Sólido) estes dispositivos são drivers e osciladores que são capazes de gerar e oscilar de maneira a aproveitar plenamente a bobina de Tesla em sua grandiosidade.

Os transistores de potência modernos oferecem uma alternativa cada vez mais viável para as bobinas de Tesla como um desempenho muito melhor e baixo custo.

Num próximo artigo vamos ver o circuito bobina de Tesla em Estado Sólido ( SSTC).

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