Bobina Tesla

Haga clic en un componente de arriba, o seleccione de la lista a continuación. Componentes de bobina Tesla

La bobina Tesla más simple consta de solo 6 partes básicas que se muestran en la fotografía de la izquierda:

Los transformadores de letreros de neón (que se muestran en la parte inferior izquierda) proporcionan el suministro de alto voltaje que se requiere para operar la brecha de la chispa.

La energía de los transformadores carga el banco de condensadores de alto voltaje (se muestra en la parte inferior derecha).

La energía de los condensadores se transfiere al devanado primario cuando se dispara la chispa. El espacio de la chispa (que se muestra en la parte inferior central) es un espacio estático de estilo RQ con enfriamiento de aire forzado.

La energía en la bobina primaria se transfiere a la bobina secundaria por acoplamiento magnético entre las dos bobinas.

Cuando la energía se transfiere a la bobina secundaria, se produce un voltaje extremadamente alto en la parte superior de la bobina secundaria.

El toroide es el último lugar donde se detiene la electricidad antes de que salte al aire.

Esta bobina Tesla es tan simple como se obtiene, sin embargo, hay muchos componentes adicionales que se pueden agregar para mejorar la seguridad, la confiabilidad y el rendimiento.

Las propiedades importantes de cada componente se discuten a continuación:

HV Supply Transformer,

Hay dos tipos de transformadores que se utilizan en las aplicaciones de Tesla Coil. Aquellos con limitación de corriente incorporada y aquellos que requieren limitación de corriente externa. Los transformadores de neón y los transformadores de encendido del quemador de aceite tienen una limitación de corriente integrada y son ideales para la conexión directa a un sistema de bobina Tesla. Sin embargo, los transformadores de distribución de energía y los transformadores de la fuente de alimentación de los transmisores de radio, etc., son ejemplos de transformadores que requieren una limitación de corriente externa antes de que puedan usarse con éxito en un sistema Tesla Coil. Más detalles sobre la limitación de corriente están dando en la sección sobre lastre.

Los transformadores de señal de neón están disponibles en voltajes desde aproximadamente 2kV rms hasta un máximo de 15kV. Están diseñados con corrientes de salida de entre 8 mA y 120 mA, aunque se pueden conectar varias unidades en paralelo para aumentar la capacidad de salida de corriente. Los transformadores de letreros de neón generalmente se encapsulan con un compuesto sólido para brindar protección de bajo costo.

Los transformadores de potencia vienen en todas las formas y tamaños. La que se muestra en la imagen de arriba es una unidad de 14 kV con una potencia nominal de 25 kVA diseñada para la distribución de energía en la red de suministro. Los transformadores de potencia están típicamente llenos de aceite y están considerablemente sobre diseñados. Esto significa que tienen una tasa de mortalidad más baja en el entorno hostil de Tesla Coil. A menudo, también se pueden superar su clasificación actual en intervalos cortos.

Las limitaciones prácticas impuestas a la tensión de alimentación y la corriente son las siguientes:

Límite inferior de voltaje,

Esto está limitado por el voltaje requerido para hacer que la chispa se dispare suavemente. En la práctica, los electrodos de chispa podrían colocarse muy juntos, de modo que solo se requiere un pequeño voltaje para iniciar la ruptura. Sin embargo, se debe aumentar la corriente para mantener un rendimiento de potencia suficiente debido a la baja tensión. Esta alta corriente erosiona rápidamente los electrodos y causa la obstrucción del pequeño espacio debido a la formación de óxidos metálicos. La bobina que se muestra en la imagen anterior utiliza un suministro de 6 kV y no recomendaría el uso de una tensión de alimentación más baja con una chispa estática debido al problema de obstrucción.

Límite de tensión superior,

Hay muchas razones por las que es deseable una alta tensión de alimentación inicial. En primer lugar, reduce la corriente requerida para obtener una cantidad determinada de energía, y como la mayoría de las pérdidas son proporcionales a I², esto reduce significativamente las pérdidas y mejora el rendimiento. En segundo lugar, la energía en el condensador del tanque es proporcional a V², por lo que usar un suministro alto es una buena manera de obtener un alto almacenamiento de energía en el condensador del tanque. En tercer lugar, se pueden utilizar espacios de chispa más amplios que tienden a funcionar más suavemente sin obstrucciones. El límite superior de la tensión de alimentación generalmente se impone por el riesgo de ruptura dieléctrica del transformador en sí, o más probablemente del capacitor del tanque. Por encima de los 20 kV, la formación de corona comienza a convertirse en un problema incluso en algunos componentes llenos de aceite, y puede degradar rápidamente el aislamiento y provocar fallas. La última bobina que estoy desarrollando funciona con un voltaje de suministro máximo de 24 kV y utiliza un condensador de tanque tipo MMC.

Límite de corriente inferior,

La corriente proporcionada por el suministro es responsable de cargar el condensador del tanque. La corriente mínima requerida depende del tamaño del condensador, la cantidad de tiempo que se le permite cargar y la tensión a la que debe cargarse. En general, los condensadores de tanques más grandes y las velocidades de disparo más rápidas requieren más corriente. Un sistema con un capacitor pequeño puede dar resultados razonables con un suministro limitado a alrededor de 15 mA, aunque las corrientes entre 100 mA y 1A son más comunes.

Límite superior de corriente,

El límite de corriente superior se impone por la capacidad de la chispa para extinguirse. Si hay demasiada corriente de suministro disponible, la chispa (que se muestra en el diagrama de circuito anterior) se sobrecalienta y no se puede "apagar" cuando la corriente de suministro alta fluye a través de él. Algunos tipos de chispas son mejores para manejar corrientes altas, pero en general, la corriente de suministro máxima se encuentra en el rango de cientos de miliamperios para sistemas de bobina Tesla de tamaño pequeño a moderado.

Condensador del tanque primario,

El condensador del tanque utilizado en un circuito primario de bobina Tesla está expuesto posiblemente a las condiciones más severas que se espera que cualquier condensador soporte. Un condensador de tanque típico se cargará a unos 20 kV en unos pocos milisegundos, y luego se descargará completamente en unos pocos pies de tubo de cobre en unos pocos microsegundos. Esto da lugar a corrientes pico increíblemente altas, rápidas inversiones de voltaje y alta tensión dieléctrica. Todo el proceso se repite una y otra vez varios cientos de veces por segundo.

Debido a este tratamiento severo, la especificación y la construcción del capacitor del tanque primario son de gran importancia para lograr un buen rendimiento y vida útil. Algunas características importantes del condensador del tanque se enumeran a continuación.

Voltaje,

El voltaje nominal del capacitor debe ser correcto para el sistema o la falla es cierta. El voltaje observado por el capacitor del tanque casi siempre será mucho más alto que el voltaje de salida normal del transformador de suministro, y se deben considerar muchas cosas, como el aumento de resonancia, el disparo inductivo y los disparos faltantes al especificar el capacitor. Es muy difícil estimar el voltaje visto por el capacitor en un diseño particular, y las simulaciones y el modelado por computadora son, con mucho, la mejor manera de tener una idea de las tensiones a las que estará sujeto este capacitor sin riesgo de dañar ningún componente real. Los voltajes pico de 3 veces la clasificación RMS del transformador de suministro no son infrecuentes en el condensador del tanque.

Resistencia dieléctrica,

El dieléctrico del capacitor debe estar clasificado adecuadamente para uso de CA. Incluso si se usa una fuente de CC para cargar el capacitor, todavía habrá una gran inversión de polaridad a medida que el capacitor se descarga en la bobina primaria. El dieléctrico de un capacitor de alto voltaje debe ser un buen aislante, y por lo tanto, cualquier carga parcial que pueda acumularse dentro del dieléctrico no se puede alejar. Si estas cargas parciales permanecen en el dieléctrico cuando cambia la polaridad del voltaje del capacitor, el dieléctrico se somete a una tensión adicional. Por esta razón, es importante tener en cuenta la inversión de polaridad al elegir una clasificación de voltaje adecuada.

Clasificación de corriente pico, (dv / dt)

Este es el pico de corriente pico que se espera que sobreviva un capacitor, y generalmente se cotizará a una tasa de repetición específica. Las corrientes de pico experimentadas en el circuito primario de una bobina Tesla pueden variar desde 100 A hasta más de 2000 A. Si se excede la corriente de pico del capacitor del tanque, puede provocar la ablación de las conexiones metalizadas a las placas de los condensadores, o la erosión gradual de las placas. Ambos de estos efectos son altamente indeseables. La erosión del material de la placa provoca cambios en el valor de capacitancia real del componente. Del mismo modo, la ablación de las conexiones eléctricas a las placas aumenta la resistencia en este punto. A altas corrientes, esta resistencia provoca un mayor calentamiento, hasta que la conexión falla finalmente en circuito abierto.

Calificación actual de RMS,

Esto es como la corriente promedio que un capacitor puede manejar sin sobrecalentarse, y es un parámetro muy importante en nuestra aplicación. La clasificación de la corriente RMS es útil porque se puede predecir mediante simulaciones por computadora, y tiene en cuenta la corriente de pico, la tasa de repetición y el ciclo de trabajo del uso previsto. Las corrientes RMS típicas experimentadas en el circuito primario de una bobina Tesla están entre 5A y 100A. Si se excede la clasificación de corriente RMS de un capacitor, el dispositivo se calentará considerablemente. Un calentamiento suave provoca una expansión térmica y cambia el valor de la capacitancia del componente. La mayoría de los condensadores para el servicio de bobina Telsa utilizan polietileno o polipropileno dieléctrico. Ambos de estos materiales se ablandan a temperaturas inferiores a 100 'C. El calentamiento excesivo reducirá las propiedades de aislamiento del dieléctrico y el condensador fallará.

Baja resistencia a la dispersión,

Como la disipación de energía es igual a I²R y la corriente de descarga es extremadamente alta, incluso una pequeña cantidad de resistencia en serie en el condensador dará como resultado que se disipe una gran cantidad de energía como calor. Los condensadores adecuados de descarga de impulsos se hacen generalmente con placas de aluminio o cobre, y hacen uso de conexiones sólidas de las placas a los terminales para minimizar la resistencia en serie.

Inductancia baja,

Cualquier conductor tendrá alguna inductancia perdida, y las placas de un condensador no son una excepción. Esta inductancia generalmente sería despreciable, pero si el condensador se construye de tal manera que las placas de metal largas se enrollan en un cilindro, la inductancia puede llegar a ser bastante alta. Una alta inductancia parásita en serie con la capacitancia no es deseable porque limita la corriente de pico que el capacitor puede suministrar, y también reduce ligeramente el coeficiente de acoplamiento de la bobina de Tesla en su conjunto. La inductancia en serie puede minimizarse construyendo el condensador del tanque a partir de placas apiladas planas o, alternativamente, utilizando el método de lámina extendida si el capacitor debe rodarse. El método de lámina extendida asegura la conexión a lo largo de todo el borde de las placas enrolladas en cada extremo del rollo, lo que significa que la corriente no tiene que viajar en espiral para pasar de un extremo de la placa al otro. La conexión de lámina extendida también garantiza una conexión de baja resistencia entre cada placa y los terminales eléctricos. Esto es importante a la luz de las altas corrientes pico mencionadas anteriormente.

Baja corriente de fuga,

El dieléctrico del capacitor debe tener una resistencia lo suficientemente alta como para garantizar un flujo de corriente pequeño a la tensión de trabajo. Cualquier corriente de fuga a través del condensador representa la energía de la fuente que se está desperdiciando como calor. Normalmente, la corriente de fuga aumentará a medida que el condensador envejece. Esto se debe a que el efecto de calentamiento inicial hace que empeoren las propiedades de aislamiento del dieléctrico. Esto a su vez provoca un aumento en la corriente de fuga, y eventualmente el dieléctrico puede fallar.

Dieléctrico de baja pérdida de RF,

Aunque el condensador del tanque se carga a una frecuencia relativamente baja, la descarga del condensador en el circuito primario da como resultado una oscilación de alta frecuencia de varios cientos de killohercios. Por lo tanto, el dieléctrico debe ser adecuado para el servicio en estas altas frecuencias. El polietileno y el polipropileno son excelentes materiales dieléctricos para los capacitores de tanques Tesla Coil, ya que presentan factores de pérdida de RF muy bajos y son plásticos relativamente baratos. Su principal desventaja es su punto de fusión relativamente bajo.

Supresión de la corona,

Alrededor de 5 kV, la corona comienza a formarse en el aire en los bordes de las placas y conexiones de los condensadores. Si se permite que esta corona persista, genera calentamiento local, emite luz UV y también produce ozono. El dieléctrico de polietileno se reblandece significativamente con el calentamiento y sufre una descomposición química en presencia de luz UV y ozono. La formación de la corona produce una muerte lenta a medida que el dieléctrico se deteriora gradualmente. Eventualmente, se degrada lo suficiente para que ocurra una ruptura dieléctrica. Por estas razones, la formación de corona es la principal causa de muerte de los capacitores de alto voltaje, y debe minimizarse. Los condensadores de alto voltaje generalmente se llenan con aceite de alta calidad para suprimir la corona, sin embargo, todo el aire restante debe eliminarse con cuidado si se va a eliminar la corona. A voltajes muy altos todavía puede haber alguna formación de corona bajo el aceite.

Para evitar las limitaciones de voltaje y corriente de un solo dispositivo, a menudo se conectan varios condensadores en serie y en bancos paralelos. Esto permite que se logre la clasificación deseada a la vez que se reducen las tensiones observadas por cualquier dispositivo. Hay 5 tipos principales de condensadores que se usan comúnmente en las aplicaciones de bobina Tesla,

Condensadores de agua salada,

Estos utilizan una solución de agua salada como las "placas" y el vidrio como el dieléctrico. Son muy baratos, pero tienen varias desventajas. En primer lugar, dan un valor de capacitancia relativamente bajo para su tamaño. En segundo lugar, el vidrio dieléctrico exhibe una pérdida dieléctrica significativa en las altas frecuencias observadas en Tesla Coils. Finalmente, el agua salada no es el mejor conductor para usar en las placas de un capacitor de alta corriente. Los experimentos originales realizados por Tesla utilizaron este tipo de construcción, aunque hoy en día contamos con plásticos sintéticos que hacen que los dieléctricos sean mucho más eficientes.

Laminado de aluminio / polietileno,

Estos condensadores utilizan dos placas metálicas rectangulares largas, separadas por láminas de polietileno dieléctrico. El condensador se enrolla en un cilindro. Esto duplica la capacitancia ya que cada placa está ahora al lado de la placa opuesta en ambos lados. El autor ha construido muchos condensadores enrollados de polietileno para el servicio de Tesla Coil, y se desempeñan muy bien siempre que estén cuidadosamente construidos y llenos de aceite. Los condensadores de polietileno enrollado proporcionan un valor de capacitancia relativamente alto para un tamaño de envolvente dado, aunque todavía tienen una desventaja significativa. Los condensadores enrollados en casa no son muy tolerantes a los eventos de sobretensión y no se curan automáticamente si se perfora el dieléctrico.

Aluminio / plástico apilados,

Estos condensadores están construidos a partir de muchos cuadrados de aluminio y plástico dieléctrico, que se unen entre sí para obtener la capacitancia requerida. Se hacen conexiones a las placas para formar los terminales del capacitor. La principal ventaja de este método de construcción es que reduce la inductancia en serie porque las placas de condensadores no se enrollan en forma de espiral. Sin embargo, la capacitancia es a menudo baja para un tamaño de envolvente dado, y la construcción consume mucho tiempo.

Condensador de pulso de grado comercial,

Se encuentran disponibles capacitores de descarga de pulso hechos profesionalmente que hacen excelentes capacitores de tanque para aplicaciones de Tesla Coil. El inconveniente es que suelen ser muy caros. Los métodos de construcción son a menudo similares a los utilizados en los dos ejemplos anteriores, sin embargo, se fabrican en condiciones cuidadosamente controladas para evitar la contaminación y minimizar los defectos de producción. Es por esto que el rendimiento y la vida útil son superiores a las piezas hechas en casa. Además, la repetibilidad precisa del proceso de producción permite que características como la "autocorrección" se incorporen en los condensadores de pulso comerciales, lo que los hace más tolerantes al abuso.

MMC,

El MMC (Multi-Miniature-Capacitor) consiste en muchos condensadores comerciales más pequeños conectados entre sí en una serie en serie paralela para lograr el voltaje, la capacitancia y los valores de corriente requeridos. El enfoque MMC permite a los diseñadores de Tesla Coil aprovechar la alta calidad inherente en los capacitores comercialmente producidos en serie, sin el alto costo de un gran dispositivo de alto voltaje hecho a medida. El enfoque MMC también significa que las tensiones de tensión se distribuyen a través de varias decenas de condensadores. Esto significa que el dieléctrico en cada capacitor está trabajando menos duro de lo que sería si fuera el único dieléctrico. Los condensadores MMC son mucho más tolerantes a las excursiones de voltaje excesivo que los condensadores de polietileno enrollado si se diseñan correctamente.

Para obtener más información sobre los tipos de condensadores y los métodos de construcción, consulte la sección que contiene enlaces a otros sitios.

  Gap,

La chispa es básicamente un interruptor de alta potencia. La chispa es la responsable de iniciar la descarga del condensador del tanque en el devanado primario de la bobina de Tesla. Se enciende cuando existe suficiente voltaje a través del espacio de chispa. El aire en la brecha se ioniza y comienza a conducir la electricidad como un interruptor cerrado. La chispa se apaga cuando la corriente que fluye a través de ella cae a un nivel bajo, y la brecha de aire recupera sus propiedades aislantes.

Cuando se usa de esta manera como interruptor, la chispa tiene las siguientes propiedades:

Capacidad de retención de alto voltaje en el estado apagado,

Alta capacidad de carga de corriente en el estado,

Tiempo de encendido extremadamente rápido,

Físicamente escalable a casi cualquier nivel de potencia,

Buen margen de sobrecarga, (robusto)

Todas estas propiedades hacen que la chispa sea ideal para la exigente tarea que presenta una bobina Tesla. La principal desventaja de la chispa como interruptor es que disipa un calor considerable debido a las pérdidas de conducción en el estado de encendido. Para el servicio serio de bobinas Tesla, no hay alternativa al interruptor de chispa. Incluso los dispositivos modernos de estado sólido no se acercan a las capacidades de manejo de potencia pulsada de la chispa. (¡Intente encontrar un IGBT que pueda cambiar de 30kv a 500A en menos de 10 ns!)

Los diseños de chispas son muy variados, pero se pueden clasificar de la siguiente manera:

Brechas de chispa

Chispas estáticas

(sin partes móviles)

Chispas rotativas

(partes móviles)

Brecha estática única

Brecha estática múltiple

Espacio estático disparado

Brecha rotativa asíncrona

Brecha rotativa síncrona

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