Bobinas Tesla de estado sólido e como elas funcionam: 9 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:36

Eletricidade de alta tensão pode ser PERIGOSA, use as precauções de segurança adequadas em todos os momentos ao trabalhar com bobinas de Tesla ou qualquer outro dispositivo de alta tensão, portanto, jogue pelo seguro ou não brinque.

As bobinas Tesla são um transformador que opera com base no princípio do oscilador auto-ressonante, inventado por Nicola Tesla, um cientista americano da Sérvia. É usado principalmente para produzir voltagem ultra-alta, mas corrente alternada de baixa corrente e alta frequência. A bobina de Tesla é composta de dois grupos de circuitos ressonantes acoplados, às vezes três grupos acoplados. Nicola Tesla experimentou um grande número de configurações de várias bobinas. Tesla usou essas bobinas para realizar experimentos, como iluminação elétrica, raio X, eletroterapia e transmissão de energia de rádio, transmissão e recepção de sinais de rádio.

Realmente não houve muito avanço nas bobinas Tesla desde sua invenção. Além dos componentes de estado sólido, as bobinas Tesla não mudaram muito em mais de 100 anos. Principalmente relegado à educação e aos brinquedos da ciência, quase qualquer pessoa pode comprar um kit on-line e construir uma bobina de Tesla.

Este manual é sobre como construir sua própria bobina de Tesla de estado sólido, como elas funcionam e dicas e truques para solucionar quaisquer problemas ao longo do caminho.

Suprimentos

Fonte de alimentação de 12 volts a fonte SMP que usei era de 12 volts 4 amperes.

Cola Torus para montar a bobina secundária.

Graxa de silicone térmica para montagem do transistor no dissipador de calor.

Solda

As ferramentas para montar o kit, ferro de solda e cortadores laterais.

Multímetro

Osciloscópio

Etapa 1: Eletroímã

Para entender as bobinas e transformadores Tesla, você precisa entender os eletroímãs. Quando uma corrente (seta vermelha) é aplicada a um condutor, ela cria um campo magnético ao redor do condutor. (Setas azuis) Para prever a direção do fluxo do campo magnético, use a regra da mão direita. Coloque sua mão no condutor com o polegar apontando na direção da corrente e seus dedos apontarão na direção do fluxo do campo magnético.

Quando você envolve o condutor em torno de um metal ferroso como aço ou ferro, os campos magnéticos do condutor em espiral se fundem e se alinham, isso é chamado de eletroímã. O campo magnético viaja do centro da bobina para fora de uma extremidade do eletroímã ao redor da bobina e na extremidade oposta de volta para o centro da bobina.

Os ímãs têm um pólo norte e um pólo sul, para prever qual extremidade é o pólo norte ou sul em uma bobina, novamente você usa a regra da mão direita. Só que desta vez com a mão direita na bobina, aponte os dedos na direção do fluxo de corrente no condutor bobinado. (Setas vermelhas) Com o polegar direito apontando diretamente ao longo da bobina, ele deve apontar para a extremidade norte do ímã.

Etapa 2: como os transformadores funcionam

A forma como uma corrente flutuante em uma bobina primária cria uma corrente em uma bobina secundária wirelessley é chamada de lei de Lenz.

Wikipedia

Todas as bobinas em um transformador devem ser enroladas na mesma direção.

Uma bobina irá resistir a uma mudança em um magnético; portanto, quando AC ou uma corrente pulsante é aplicada à bobina primária, ele cria um campo magnético flutuante na bobina primária.

Quando o campo magnético flutuante atinge a bobina secundária, ele cria um campo magnético oposto e uma corrente oposta na bobina secundária.

Você pode usar a regra da mão direita na bobina primária e na secundária para prever a saída do secundário.

Dependendo do número de voltas da bobina primária e do número de voltas da bobina secundária, a tensão muda para uma tensão mais alta ou mais baixa.

Se você achar que o positivo e o negativo são difíceis de seguir na bobina secundária; pense na bobina secundária como uma fonte de energia ou bateria de onde a energia é emitida e pense na bobina primária como uma carga onde a energia é consumida.

As bobinas Tesla são transformadores de núcleo de ar, os campos magnéticos e a corrente funcionam da mesma forma que os transformadores de núcleo de ferro ou ferrite.

Etapa 3: Enrolamento

Embora não seja desenhado no esquema; a bobina secundária mais alta de uma bobina de Tesla está dentro da bobina primária mais curta, esta configuração é chamada de oscilador auto-ressonante.

Obtenha seu enrolamento certo; tanto o enrolamento primário quanto o secundário devem ser enrolados na mesma direção. Não importa se você enrolar as bobinas com uma torção para a direita ou uma torção para a esquerda, desde que ambas as bobinas sejam enroladas na mesma direção.

Ao enrolar o secundário, certifique-se de que os seus enrolamentos não se sobreponham ou a sobreposição pode causar um curto no secundário.

Enrolar as bobinas pode fazer com que o feedback do secundário ligado à base do transistor ou à porta do mosfet tenha a polaridade errada e isso pode impedir que o circuito oscile.

Os terminais positivo e negativo das bobinas primárias são afetados pela torção no enrolamento. Use a regra da mão direita na bobina primária. Certifique-se de que o pólo norte da bobina primária aponta para o topo da bobina secundária.

A fiação cruzada da bobina primária pode fazer com que o feedback do secundário ligado à base do transistor ou à porta do mosfet tenha a polaridade errada e isso pode impedir que o circuito oscile.

Desde que as bobinas sejam enroladas na mesma direção; a falha em oscilar para cruzar a fiação da bobina primária é uma solução fácil na maioria das vezes, basta inverter os cabos da bobina primária.

Etapa 4: como funciona uma bobina Tesla de estado sólido

A Bobina Tesla de estado sólido básico pode ter apenas cinco partes.

Uma fonte de energia; neste esquema, uma bateria.

Um resistor; dependendo do transistor, 1/4 watt 10 kΩ e superior.

Um transistor NPN com dissipador de calor, o transistor nesses circuitos tende a esquentar.

Uma bobina primária de 2 ou mais voltas enrolada na mesma direção da bobina secundária.

Uma bobina secundária de até 1.000 voltas ou mais 41 AWG enrolada na mesma direção que a primária.

Etapa 1. Quando a alimentação é aplicada pela primeira vez a uma bobina de Tesla de estado sólido básico, o transistor no circuito está aberto ou desligado. A energia passa pelo resistor até a base dos transistores, fechando o transistor e ligando-o, permitindo que a corrente flua através da bobina primária. A mudança de corrente não é instantânea, leva um curto tempo para a corrente ir de zero a corrente máxima, isso é chamado de tempo de subida.

Etapa 2. Ao mesmo tempo, o campo magnético na bobina vai de zero a alguma intensidade de campo. Enquanto o campo magnético está aumentando na bobina primária, a bobina secundária resiste à mudança, criando um campo magnético oposto e uma corrente oposta na bobina secundária.

Etapa 3. A bobina secundária é ligada à base do transistor, de modo que a corrente na bobina secundária (Feedback) irá puxar a corrente da base do transistor. Isso abrirá o transistor, desligando a corrente para a bobina primária. Como o tempo de subida, a mudança atual não é instantânea. Demora um pouco para a corrente e o campo magnético irem do máximo a zero, isso é chamado de tempo de queda.

Em seguida, volte para a Etapa 1.

Este tipo de circuito é denominado circuito oscilante autorregulável ou oscilador ressonante. Este tipo de oscilador é limitado em frequência pelos tempos de retardo do circuito e do transistor ou mosfet. (Rise Time Fall Time e Plateau Time)

Etapa 5: Eficiência

Este circuito não é muito eficiente, produzindo uma onda quadrada, a bobina primária apenas produz uma corrente na bobina secundária durante a transição dos campos magnéticos de força de campo zero para força de campo total e de volta para força de campo zero, chamado de tempo de subida e o tempo de outono. Entre o tempo de subida e o tempo de queda, há um platô com o transistor fechado ou ligado e o transistor aberto ou desligado. Quando o transistor está desligado, o platô não está usando corrente, no entanto, quando o transistor está no platô está usando e desperdiçando corrente aquecendo o transistor.

Você pode usar o transistor de comutação mais rápido possível. Com frequências mais altas, o campo magnético pode fazer mais transição do que estabilizar, tornando a bobina de Tesla mais eficiente. No entanto, isso não impedirá o transistor de aquecer.

Ao adicionar um LED de 3 volts à base dos transistores, ele estende os tempos de subida e descida tornando a ação dos transistores mais parecida com uma onda triangular do que uma onda quadrada.

Há duas outras coisas que você pode fazer para evitar que o transistor aqueça demais. Você pode usar um dissipador de calor para dissipar o excesso de calor. Você pode usar um transistor de alta potência para que o transistor não fique sobrecarregado.

Etapa 6: Mini Bobina Tesla

Comprei esta Mini Tesla Coil de 12 volts de um revendedor online.

O Kit Incluído:

1 x placa de PVC

1 x capacitor monolítico 1nF

1 x resistor de 10 kΩ

1 x 1 resistor kΩ

1 x 12V Power Socket

1 x dissipador de calor

1 x transistor BD243C

1 x bobina secundária 333 voltas

1 x parafuso de fixação

2 x led

1 x lâmpada de néon

O Kit não inclui:

Fonte de alimentação de 12 volts a fonte SMP que usei era de 12 volts 4 amperes.

Toro

Cole para montar a bobina secundária.

Graxa de silicone térmica para montagem do transistor no dissipador de calor.

Solda

Etapa 7: Teste

Depois de montar a Mini Tesla Coil, testei-a em uma lâmpada de néon, uma CFL (luz fluorescente compacta) e um tubo fluorescente. A arca era pequena e, desde que eu a colocasse a 1/4 de polegada, ela ilumina tudo que eu experimentei.

O transistor fica muito quente, então não toque no dissipador de calor. Uma bobina Tesla de 12 volts não deve deixar um transistor de 65 watts muito quente, a menos que você se aproxime dos parâmetros máximos dos transistores.

Etapa 8: Uso de energia

O transistor BD243C é um transistor NPN, 65 watts, 100 volts, 6 amperes, 3 MHz, a 12 volts, ele não deve consumir mais de 5,4 amperes e não deve exceder 65 watts.

Quando verifiquei que a corrente no arranque era de 1 ampere, depois de funcionar durante um minuto a corrente caiu para 0,75 amperes. A 12 volts, o que torna a potência de operação de 9 a 12 watts, muito abaixo dos 65 watts para os quais o transistor é classificado.

Quando eu verifiquei os tempos de subida e descida dos transistores, obtive uma onda triangular que quase sempre está em movimento, tornando-o um circuito muito eficiente.

Etapa 9: carregamento superior

As cargas superiores permitem que a carga se acumule em vez de apenas vazar para o ar, dando a você uma maior potência.

Sem uma carga superior, as cargas se acumulam nas pontas pontiagudas do fio e se espalham pelo ar.

As melhores cargas superiores são redondas como um toro ou esferas, de modo que não há pontos que vazem da carga para o ar.

Eu fiz minha carga superior com uma bola que resgatei de um rato e cobri com papel alumínio, não era perfeitamente lisa, mas funcionou bem. Agora posso acender um CFL a até uma polegada de distância.