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EXPERIENCIAS CON LA BOBINA DE TESLA



La bobina de Tesla es un generador electromagnético de alta tensión inventado por el ingeniero Nikola Tesla, en Estados Unidos, en el año 1891.

Nikola Tesla, había llegado siete años antes al país, procedente de Europa, para trabajar en los Laboratorios de Máquinas Edison, sin embargo, algunas divergencias laborales y de concepción del futuro de la electricidad le enemistaron con su patrón, iniciando una larga carrera en solitario, salpicada de luces y sobras, en que desarrolló las redes de distribución de corriente alterna y los motores polifásicos de potencia, y contribuyó de manera muy importante a que la radio iniciara su imparable andadura.
Para más información sobre el personaje, ver el Capítulo V - Los Americanos - de la Historia de los Orígenes de la Radio.

Los circuitos básicos de una bobina de Tesla son los siguiente:

 Figura 1: Circuitos básicos de una bobina de Tesla




En la parte izquierda de la Figura 1, podemos ver dos tipos de fuente de alimentación de alta tensión: La que proporciona corriente alterna y la que la convierte en continua mediante un rectificador de media onda y un condensador de filtro.

Y en cuanto al circuito de la bobina de Tesla propiamente dicha, está situada a la derecha de la Figura 1. A partir de los terminales A-B de entrada encontramos un choque de radiofrecuencia, es decir, una bobina de autoinducción considerable que deja pasar la corriente de alimentación, pero impedirá que la alta frecuencia creada en el circuito oscilador pueda retornar hacia la fuente y anularse.
Vemos después un circuito sintonizado, formado por el condensador y la bobina primaria formando un circuito tanque L-C, y aunque en situación estática ambos componentes están separados por un explosor de chispas, al funcionar, el arco que se forma, los une, permitiendo la oscilación.

La bobina primaria, de pocas espiras, normalmente entre 5 y 12, y la secundaria, de muchas espiras (800-1.400), forman un transformador de alta frecuencia y alta tensión, con los dos devanados sintonizados a la misma frecuencia. Y como muestra el siguiente gráfico, aunque la bobina secundaria no tenga en paralelo ningún condensador diferenciado, la capacidad parásita C2 de las espiras de L2 y la propia del sombrero metálico superior, establecen la sintonía.

Capacidades de los circuitos primario y secundario



La frecuencia de oscilación de un circuito tanque es fácil de establecer, ya que responde a la siguiente fórmula:



Siendo el valor fr la frecuencia en Hertzios, L la inductancia de la bobina en Henrios, y C la capacidad del condensador en Faradios, puede establecerse con facilidad la la frecuencia de oscilación de C1-L1, pero en el caso de la bobina secundaria L2 será mucho más difícil, ya que el valor de la capacidad parásita C2 será muy variable, moviéndose entre ámplios márgenes con sólo acercar una mano a la bobina o por la propia ionización del aire circundante.

Por este motivo, el procedimiento más correcto es que una vez se haya medido experimentalmente la frecuencia de resonancia de la bobina secundaria L2, se ajuste el circuito primario C1-L1 a un valor un 20 o un 30% inferior, ya que al funcionar la Tesla, cualquier cambio tenderá a aumentar el valor de C2, con lo que la frecuencia de resonancia de L2 disminuirá.
En cuanto a las medidas físicas para construir las bobinas, existen varias fórmulas empíricas que dan valores aproximados.

Para construir bobinas se puede utilizar la fórmula de Nagaoka: L = 0.3937·F·d·n2 Siendo L en valor en microhenrios, d es el diámetro en cm. y n el número de vueltas, y F es un factor que se puede extraer del eje Y del gráfico siguiente y que depende de la relación entre el diámetro y la longitud de la bobina reflejado en el eje X.


Factor F para bobinas calculadas según la fórmula de Nagaoka



Otra fórmula que no utiliza gráfico es la que se muestra a continuación:

                 0,001 n2 D2
L[mH] = ----------------
                  l + 0,45 D

n = número de espiras, D = diámetro de la bobina en mm, l = longitud del bobinado en mm.

En Internet es fácil encontrar programas de cálculo para los valores de las Teslas, de los componentes y hasta de las medidas físicas de las bobinas, aunque yo prefiero no utilizarlos, porque prefiero improvisar y descubrir un poco por mi cuenta y porque menudo sus resultados no reflejan la realidad.


En cuanto al funcionamiento del oscilador de la bobina de Tesla clásica, es el siguiente:

1) Cuando se conecta la alimentación de alta tensión a los terminales A-B, el condensador del circuito oscilador comienza a cargarse (A) con la polaridad suministrada, que será normalmente postitiva si es una fuente de continua y dependerá de la fase del momento si es una fuente de alterna. En el momento que la tensión llega al punto de ruptura del explosor, se establece un arco entre sus bornes (B), que descarga la energía acumulada por el condensador a través de la bobina primaria, creando una oscilación amortiguada (C) de la frecuencia establecida por los valores L-C. Al agotarse la energía por radiación electromagnética o disipación térmica, se apaga el explosor y el condensador comienza a cargarse de nuevo.


Funcionamiento del oscilador primario



2) El campo magnético creado por la bobina primaria induce en la secundaria una tensión de la misma frecuencia pero muchísimo más alta, provocando las espectaculares descargas características de la bobina de Tesla.

En muchos circuitos, las posiciones del condensador y del explosor están intercambiadas, y éste último cortocircuita el condensador con tierra en vez de con la bobina. Es una disposición alternativa que a veces es más conveniente para que los elementos electromecánicos no estén sujetos a tensión, pero que no afecta significativamente al funcionamiento del conjunto oscilador.

Las dos disposiciones respectivas del condensador y del explosor



Uno de los elementos fundamentales de la Tesla es el explosor, es decir, donde se crea el arco que descarga el condensador y crea la oscilación de alta frecuencia. Los tipos más sencillos están compuestos por dos contactos fijos y próximos, en los que se produce la chispa cuando la tensión sube hasta romper la rigidez dieléctrica del aire (aprox. 30 Kilovolts por centímetro). Pero la experiencia demuestra que se consiguen mejores resultados con los llamados explosores giratorios, formados por dos contactos fijos entre los cuales se ha dispuesto un disco aislante atravesado en un cierto punto por una o varias espigas metálicas. El disco gira mediante un motor, y entonces la chispa saltará en el preciso instante en que una de las espigas pase entre los contactos fijos.

A la vez, hay dos tipos distintos de explosores giratorios. Los asíncronos, adecuados para fuentes de alimentación de corriente continua, y los síncronos, cuya velocidad y posición del disco está controlada por la fase de la corriente alterna de alimentación, de manera que la chispa siempre se produzca en el momento de mayor tensión. En este último tipo, las velocidades o el número de espigas se calculan para se salte un chispa en cada semiciclo, duplicando de esta manera la frecuencia de la propia corriente.


Antiguo explosor rotatorio asíncrono y modelo síncrono actual




Hasta aquí una descripción de las bobinas de Tesla clásicas, de excitación electromecánica, sin embargo, hoy en día se han construido también modelos cuya excitación se efectúa mediante circuitos transistorizados, que crean una oscilación mantenida con una potencia de pico inferior pero de mucha mayor potencia media. Es estos tipos las chispas generadas suelen ser del tipo de arco mantenido, con más consistencia pero menos espectaculares que las descargas arborescentes tipo "rayo" generadas por la excitación electromecánica.




Bien, hasta aquí, una somera descripción del funcionamiento de la bobina de Tesla. En este punto se me ocurrió construir un ejemplar de la misma que fuera fácilmente transportable y con el que pudieran efectuarse demostraciones sin problemas de seguridad, lejos de estos fascinantes pero peligrosos monstruos que podemos encontrar en Internet, que funcionan con tensiones superiores a los 8.000 volts. y son capaces de crear aces de chispas de comportamiento impredecible y de varios metros de longitud.

En primer lugar fabriqué una bobina de alta de 1.200 espiras, de hilo de 0,25 mm, devanada sobre un tubo de PVC de 4 cm. de diámetro, y como "sombrero" utilicé una coctelera de inox cuyo extremo inferior encaja a la perfección en la parte alta de la bobina.

La frecuencia de resonancia de dicha bobina es de 850 khz, valor que encontré utilizando cualquiera de los dos procedimientos del gráfico que viene a continuación.

Montajes para averiguar las frecuencias de resonancia



El de la izquierda no tiene secretos. La bobina de prueba 4 espiras se aproxima a la de alta e induce en ella la señal proveniente del oscilador variable de radiofrecuencia, y la amplitud de la señal resultante se visualiza en la pantalla del osciloscopio. De esta manera, variando la frecuencia del oscilador se podrá hallar el punto de resonancia.

El segundo método, el de la derecha, es más indirecto y no precisa de un generador variable de RF. Basta con uno fijo de onda cuadrada de baja frecuencia. La señal escalón producirá en el circuito tanque una oscilación amortiguada cuya frecuencia es evidentemente la de resonancia, y cuyo período puede leerse directamente en la pantalla del osciloscopio. En nuestro caso, dicho período es de 1,17 microsegundos, y corresponde a la frecuencia de 850 Khz. ya medida anteriormente.


Oscilación amortiguada de 850 Khz. creada por una onda cuadrada sobre mi bobina de alta




Durante esta medida puedo comprobar mi sospecha de lo difícil que es adecuar la frecuencia de la bobina de alta a un valor determinado, ya que bastaba con acercar la mano a 15 cm. para que el valor de 850 Khz. baje a sólo 650.

La bobina primaria se devanó sobre un tubo de PVC de 5 cm. con 12 espiras de hilo de 1,5 mm, con toma en el punto medio. Y en la parte baja se colocó una bobina extra de realimentación de 4 espiras, también con toma central.
El motivo de tal disposición es que en primer lugar he pensado construir un excitador transistorizado, cuyo circuito y montaje real puede verse en las dos imágenes que vienen a continuación.


Circuito y realización práctica del oscilador transistorizado de excitación

 


El circuito es un push-pull autoexcitado con dos transistores de potencia 2SD5072, procedentes de una vieja fuente conmutada de ordenador, montados sobre un radiador de CPU, con su ventilador incorporado , para disipar el calor que genera durante su funcionamiento.

Tras unos cuantos tanteos con la polarización, el oscilador arranca sin problemas. Las chispas generadas en el "sombrero" no son nada del otro mundo, algo así como 3-4 cm., pero el arco es consistente, de un azul intenso y al perecer proporciona bastante intensidad, ya que una aguja conectada a masa y acercada al sombrero llega a ponerse al rojo y a fundir la punta. El consumo es de 1 Amp. a 15 Volts, lo cual arroja la potencia de 15 Wats.

Pese a este discreto valor, la Tesla enciende un tubo fluorescente de 8 wats a una distancia de medio metro, y lo mantiene encendido hasta 1 metro aproximadamente.
En las imágenes que vienen a continuación puede verse la bobina de Tesla montada, y el fluorescente encendido en sus cercanías.

Tesla de excitación electrónica y su funcionamiento iluminando un tubo fluorescente

 


Durante el funcionamiento he observado grandes diferencias en el consumo, que puede pasar de 1 Amp. a más de 3, dependiendo del ajuste de sintonía. Y como no es fácil variar las espiras de una bobina con toma media sin afectar al equilibrio de las dos ramas, he construido una bobina variable por el procedimiento mecánico de variar su longitud.


Bobina primaria de sintonia variable por cambio de longitud

 


La Tesla transistorizada funciona adecuadamente según mis previsiones, y por tanto, el siguiente paso será construir un sistema de excitación electromecánica clásica para la misma.




Tesla de excitación electromecánica

Para ello cambio la bobina primaria por una fija de 12 espiras de hilo desnudo de 1,5 mm. La toma inferior va al negativo del circuito y la superior es variable, mediante una pinza tipo cocodrilo, para poder hallar el punto de resonancia.
En las pruebas he utilizado tres fuentes distintas de corriente continua (cuyos circuitos pueden verse abajo), una de rectificación directa que da unos 300 volts, la segunda es un doblador de tensión de una salida de 600 V. y la tercera es un cuatriplicador que da 1.200.

Tres tipos de fuente de alimentación utilizadas



Todos los diodos son del tipo 1N4017, de uso común, el choque de radiofrecuencia es un simple transformador de alimentación, con su bobinado de 220 volts conectado en serie, y en cuanto a las tres fuentes, están protegidas contra sobrecorrientes por dos bombillas alógenas de 100 wats conectadas en paralelo.

Para obtener un mejor control de la chispa, fabrico además un interruptor rotatorio con un motor de 220 Vca. de un viejo calefactor Braun. El contacto central gira a unas diez revoluciones por segundo, con una escobilla terminal flexible que establece contacto físico con 16 delgas fijadas sobre un anillo de PVC. Para evitar que una excesiva presión frene el giro, la escobilla está dispuesta de tal manera que es la propia fuerza centrífuga la encargada de asegurar el contacto, entonces, si el rozamiento provoca una disminución de revoluciones, disminuye la presión y el giro se estabiliza.


Diagrama del interruptor giratorio



El motivo de utilizar un sistema que establece un contacto entre metal y metal, y no mediante una separación fija, es porque con tensiones tan bajas serían necesarias distancias del orden de 0,1 mm. para que el arco se estableciera, y algo así sería dificil de fabricar con los medios mecánicos de que dispongo, por no citar el problema de compensar las dilataciones térmicas que a buen seguro van a producirse.

Vista de la bobina primaria y del interruptor rotatorio en la Tesla de excitación electromecánica

 


1) En la primera prueba a 300 Volts. las chispas conseguidas son muy potentes y sonoras, de mayor longitud que con el excitador transistorizado.
2) En la segunda prueba a 600 Volts, las chispas son ya de 6 ó 7 cm.
3) En la tercera prueba a 1.200 Volts, las chispas superan los 10 cm, aunque me saltan arcos incontrolables desde la bobina secundaria a la primaria. Lo cual me obliga a modificar esta última, y a construir otra de mayor diámetro (8 cm.) y más aislada que la anterior.

Chorros de chispas entre el "sombrero" y una aguja
 unida a tierra, a 1.200 Volts de alimentación.





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