CONSTRUCCION DE MINI BOBINA DE TESLA

Cachimuel Benito Rumy bcachimuel@est.ups.edu.ecRodrguez Ortiz Dennis Pauldrodriguezor@est.ups.edu.ecVargas Palacios No Misaelnvargasp@est.ups.edu.ec Prez Llerena Cristian Javiercperezll@est.ups.edu.ec UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA TEORIA ELECTROMAGNETICA.Fecha: 05/02/2015

Resumen. Comenzaremos expresando la gran cantidad de aplicaciones y funcionalidades del electromagnetismo que no solo estn presentes en mbitos cientficos, es decir, no solo se presentan tales fenmenos fsicos en un laboratorio sino que tambin se pueden presenciar en la cotidianidad. Los encontramos en un simple audfono, en un radio e incluso en dispositivos tan complejos y sofisticados como el acelerador de partculas. Hay que resaltar que se puede analizar una infinidad de elementos que basan su funcionamiento en conceptos bsicos tanto del magnetismo como de la electricidad. As, se decide afrontar el anlisis y restauracin de un elemento representativo de la transmisin inalmbrica de energa. Tal elemento es conocido como Bobina de Tesla.

Palabras Clave: Bobina de Tesla, electricidad inalmbrica.

1. Objetivos:

General: Analizar y comprender las principales caractersticas, principios de funcionamiento y construccin de una bobina de Tesla.Especficos: Comprobar el correcto funcionamiento de la bobina Tesla, con el fin de demostrar el efecto de resonancia elctrica para elevar la frecuencia de una seal.

Usar diferentes elementos como bombillas incandescentes, fluorescentes y diodos led para verificar el funcionamiento inalmbrico y el alcance de la Bobina de Tesla.2. MARCO TERICO

Introduccin [1] La Bobina de Tesla es un generador electromagntico que produce alta tensiones a elevadas frecuencias con efectos observables tales como efluvios, coronas y arcos elctricos. Su nombre se lo debe a Nikola Tesla, un brillante ingeniero mecnico y elctrico de origen serbio que vivi en la segunda mitad del siglo XIX y a principios del siglo XX. En 1891, desarroll un equipo generador de alta frecuencia y alta tensin con el cual pensaba transmitir la energa elctrica sin necesidad de conductores, es decir, su objetivo era alimentar diversos aparatos y/o sistemas elctricos con una sola fuente de energa, la cual transmitira electricidad de forma inalmbrica mediante el fenmeno de la induccin, utilizando un nuevo sistema de energa diseado por l mismo, el sistema de energa alterna.[2] Modernos entusiastas de alta tensin suelen construir bobinas de Tesla que son similares a algunos de los diseos de ncleo de aire "despus" de Tesla. Estos por lo general consisten en un circuito primario tanque, un circuito LC en serie compuesto por un condensador de alta tensin, va de chispas y la bobina primaria, y el circuito LC secundario, un circuito resonante en serie que consiste de la bobina secundaria adems de un terminal de capacitancia o "carga superior . " En el diseo ms avanzado de Tesla, el circuito LC secundaria se compone de un transformador de bobina secundaria de ncleo de aire colocado en serie con un resonador helicoidal. Bobinas ms modernas usan slo una nica bobina helicoidal que comprende tanto el resonador secundario y primario. La bobina helicoidal se conecta entonces al terminal, que forma una "placa" de un condensador, la otra 'placa' siendo la Tierra. El circuito LC primaria se sintoniza de modo que resuena a la misma frecuencia que el circuito LC secundaria. Las bobinas primaria y secundaria estn magnticamente acoplados, la creacin de un transformador de ncleo de aire resonante sintonizado doble. A principios de aceite aislado bobinas de Tesla necesitan aisladores grandes y largos en sus terminales de alta tensin para evitar la descarga de aire. Posteriormente versin bobinas Tesla extienden sus campos elctricos a grandes distancias para evitar tensiones elctricas de alta en el primer lugar, lo que permite el funcionamiento al aire libre.Bobinas Tesla ms modernos usan toroides simples, tpicamente fabricadas a partir de hilado de metal o conducto de aluminio flexible, para controlar el campo elctrico de alta cerca de la parte superior de la secundaria y para dirigir la chispa hacia afuera y lejos de los devanados primario y secundario.Transmisores ms avanzados bobina de Tesla implican una red ms fuertemente acoplado con ncleo de aire de resonancia del transformador o "oscilador maestro" la salida de la cual se alimenta entonces a otro resonador, a veces llamado el "bobina extra". El principio es que la energa se acumula en la bobina adicional y el papel de secundario del transformador es interpretado por el oscilador maestro separada secundaria; las funciones no son compartidas por una sola secundaria. En algunos sistemas de transmisin de aumento de tres modernas bobinas de la bobina adicional se coloca a cierta distancia del transformador. Acoplamiento magntico directo a la secundaria superior no es deseable, ya que la tercera bobina est diseado para ser accionado mediante la inyeccin de corriente de RF directamente en el extremo inferior.Esta configuracin de bobina de Tesla en particular se compone de una bobina secundaria en estrecha relacin con un primario inductivo, y uno de cuyos extremos est conectado a una placa de tierra {} la Tierra, mientras que su otro extremo se condujo a travs de una bobina de autoinduccin separada, y de un cilindro metlico que lleva la corriente a la terminal. La bobina primaria puede ser excitada por cualquier fuente deseada de la corriente de alta frecuencia. El requisito importante es que los lados primario y secundario deben estar sintonizados a la misma frecuencia de resonancia para permitir la transferencia eficiente de la energa entre los circuitos resonantes primario y secundario. El conductor del eje para el terminal est en la forma de un cilindro con superficie lisa de un radio mucho mayor que la de las placas metlicas esfricas, y se ensancha en la parte inferior en una capucha. La bobina secundaria est enrollada en un tambor de material aislante, con sus vueltas juntas. Cuando se supera el efecto del pequeo radio de curvatura del cable en s, la bobina secundaria inferior se comporta como un conductor de gran radio de curvatura, correspondiente a la del tambor. La parte superior de la bobina extra puede ser extendida hasta la terminal de Patente EE.UU. 1119732 y el fondo debe ser un poco por debajo de la vuelta ms alta de la bobina primaria. Esto disminuye la tendencia de la carga para salir del cable de conexin a la vez y pasar a lo largo del soporte.

3. Materiales y Equipos.

Resistencias de 330 ohm y 22K Baquelita perforada Transistor 2222A Switch Batera de 9V Cable magntico calibre 40 y 30 Diodos LEDS Lmpara fluorescente Cautn Estao 4. Desarrollo y procedimiento

El principio de funcionamiento se basa en que este circuito es un amplificador realimentado positivamente, eso implica que entre a oscilar indefinidamente. Cuando el circuito es encendido, el transistor se energiza; en ese momento su corriente de colector empieza a subir. La configuracin de las espiras es tal que la corriente que circula por la bobina conectada al colector de este transistor, induce una tensin por ley de Faraday en la bobina que est conectada a la base de dicho transistor.

Fig. 1 Circuito de mini bobina de Tesla.

En esta bobina la corriente de base sube haciendo que la de colector aumente cada vez ms con lo que se logra un efecto regenerativo. Llega un momento en que el transistor se encuentra totalmente saturado. Como la corriente por colector no puede aumentar ms, la derivada del flujo magntico en la bobina de colector de este transistor se hace nula. Por ley de Faraday no hay tensin inducida en una bobina si el flujo no cambia.

Eso hace que la corriente de base disminuya y la corriente de colector del transistor tambin lo hace. Esta disminucin en colector hace que la base se apague ms rpido por el mismo motivo que produjo el encendido (recordemos que es realimentacin positiva, lo que pasa a la salida vuelve a la entrada para que el efecto se acente ms an). Pero la disminucin de la corriente de colector ocasiona que la corriente de base del otro transistor aumente, por lo que su colector empieza a conducir cada vez ms hasta saturarse. El ciclo se repite indefinidamente.

[3] El 2N2222, tambin identificado como PN2222, es un transistor bipolar NPN de baja potencia de uso general.

Sirve tanto para aplicaciones de amplificacin como de conmutacin. Puede amplificar pequeas corrientes a tensiones pequeas o medias; por lo tanto, slo puede tratar potencias bajas (no mayores de medio Watts). Puede trabajar a frecuencias medianamente altas.

Por todas esas razones, es un transistor de uso general, frecuentemente utilizados en aplicaciones de radio por los constructores aficionados de radios. Es uno de los transistores oficiales utilizados en el BITX. Su versatilidad ha permitido incluso al club de radioaficionados Norcal lanzar en 1999 un desafo de construir un transceptor de radio utilizando nicamente hasta 22 ejemplares de este transistor - y ningn circuito integrado.

Fig. 2 Configuracin de transistor 2222A.

Las hojas de especificaciones sealan como valores mximos garantizados 500 miliamperios, 50 voltios de tensin de colector, y hasta 500 milis vatios de potencia. La frecuencia de transicin es de 250 a 300 MHz, lo que permite utilizarlo en aplicaciones de radio de alta frecuencia (hasta 300 MHz). La beta (factor de amplificacin, hFe) del transistor es de por lo menos 100; valores de 150 son tpicos.

El 2N2222 es fabricado en diferentes formatos, los ms comunes son los TO-92, TO-18, SOT-23, y SOT-223.

Su complemento PNP es el 2N2907. El 2N3904 es un transistor de caractersticas similares pero que slo puede transportar un dcimo de la corriente que el 2N2222 puede transportar; puede usarse como reemplazo del 2N2222 en caso de seales pequeas.

Otro transistor de caractersticas similares, pero de mayor potencia es el 2N2219. Es un transistor en formato TO-39, con una frecuencia de transicin de 300 MHz, por lo cual puede ser usado en transmisores y amplificadores para HF, VHF y una cierta parte de UHF (300 MHz) con una potencia de salida de 1 a 2 watts, sabiendo que la mxima potencia que puede llevar a cabo es de 3 watts. Su complementario PNP es el 2N2905 al igual que el 2N2907. Tambin existe otro transistor que es de similares caractersticas, el cual es el 2N3053, pero su potencia es de 1w y es slo para aplicaciones entre 50 y 100 MHz.

Armado de bobina de Tesla.

1. Enrollar el cable de 1mm de grosor sobre el tubo PVC de 8.4cm de largo y 2cm de dimetro.

2. Identificar los terminales del transistor 2222A. y soldar el colector a la bobina de menor nmero de vueltas es decir al primario con la alimentacin de Vcc y soldar la resistencia de 22K a la base del transistor conjuntamente con un extremo de la bobina secundaria.

Una vez soldados los terminales de la bobina primaria y secundaria conectados a la base y al colector del transistor soldamos un terminal al interruptor.

3. Finalmente conectamos la batera y probamos nuestro circuito.

Resultado final al terminar las conexiones.

5. Anlisis de resultados.

Bobina primaria y secundaria.

Para esta bobina se utiliz lo que se denomina bobina en espiral liso, la cual permite un funcionamiento eficiente, es decir una alta densidad de campo electromagntico. La inductancia para esta bobina se calcul con la siguiente relacin:

Donde se utiliz un conductor de calibre 22 (1.02 mm), con una separacin entre vuelta y vuelta igual al dimetro del mismo. La bobina se llev un total de 25 vueltas y por tanto R= 2.00 cm y C= 8.4 cm.

La frecuencia de Resonancia.

El objetivo de la bobina secundaria es que debe resonar a la misma frecuencia de la bobina primaria. El tipo de bobina utilizada para este propsito es una bobina helicoidal, donde R es el radio y H es la altura de la bobina, la relacin varia de 3:1 hasta 6:1 para un dimetro de 2 cm. La bobina se construy con alambre de cobre calibre 22 (0.253 mm), y tiene un total de 930 espiras, por lo que el clculo de la inductancia es:

Campo magntico.

Campo en el centro de N espiras circulares de radio r.

B= (4.10-7)(10.10-9)(200)/(2.0.02)B= 6.28.10-11[T]

6. Conclusiones

Durante la elaboracin del proyecto se logr el objetivo principal que fue crear una bobina de Tesla ajustable por medio de un circuito amplificador de corriente. Tambin durante el proyecto se obtuvieron los parmetros de diseo tales como; la frecuencia de resonancia, inductancia de las bobinas, que sirvieron para validar la bobina, y se comprob que la frecuencia de resonancia obtenida experimental tena una variacin del 1% al 2%, con la obtenida analticamente.

La bobina de Tesla es un dispositivo que utiliza el principio de resonancia, en este caso elctrica, para la elevacin en la frecuencia de una seal de voltaje mediante un transformador especial, que genera la emisin de un plasma en el aire circundante.

La bobina de Tesla tiene como finalidad encontrar la relacin que existe entre la corriente elctrica y el campo magntico,consta en la representacin de la energa elctrica inalmbrica, al crear o retener tanta energa que a cierto punto puede llegar a ser capaz de romper la resistencia del aire y usar a este como un conductor.

7. Recomendaciones

Tener en cuenta la polarizacin del transistor y el voltaje de saturacin del mismo ya que si no se toma el voltaje de polarizacin exacta este componente puede daarse.

La bobina del secundario no debe tener ninguna separacin para que esta produzca un campo magntico sin perdida.

8. Referencias

[1] Morones Gregorio/ Prcticas de Laboratorio de Fsica / PEARSON.[2] Paul E. Tippens/ Fsica Bsica/ Mc Graw Hill/ Primera Edicin en espaol.[3] Electricidad Bsica/ Van Valkenburch, Nooger & Neville/ Vol.2/Ed. continental.

9. Anexos

Anexo 1: Circuito armado en la baquelita perforada.

Anexo 2: Probando la bobina de Tesla con un led.

Anexo 3: Probando la bobina de Tesla con un foco ahorrador.