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República Bolivariana de Venezuela. Ministerio del Poder Popular para la Educación Superior. Universidad Santa María Facultad de Ingeniería y Arquitectura. Escuela de Telecomunicaciones. Cátedra: Electrónica de Telecom. Profesor(a): Alfredo Perez.

Bobina de Tesla.

La Bobina de Tesla Una bobina de Tesla, o simplemente bobina Tesla, es un tipo de transformador resonante, llamado así en honor a su inventor, el gran científico de origen croata y nacionalizado norteamericano Nikola Tesla. Son transformadores de alta frecuencia que son autorresonantes, y en realidad hay varios tipos de bobinas Tesla, ya que Nikola Tesla experimentó con una gran variedad de bobinas y configuraciones de funcionamiento. Generalmente las bobinas de Tesla generan tensiones de radiofrecuencia (RF) muy elevadas (de decenas de miles e incluso cientos de miles de voltios), por lo que dan lugar a coloridas descargas eléctricas en el aire de alcances que pueden llegar a ser del orden de pocos metros, lo que las hace muy espectaculares. No obstante, estas bobinas proporcionan corrientes muy bajas, aunque muy superiores a las que se podían obtener en la época de Tesla con las fuentes de alta tensión de entonces, que eran máquinas electrostáticas.

El Creador Nikola Tesla (10 de julio de 1856 – 7 de enero de 1943) fue un inventor, ingeniero mecánico e ingeniero eléctrico y uno de los promotores más importantes del nacimiento de la electricidad comercial. Se le conoce, sobre todo, por sus numerosas y revolucionarias invenciones en el campo del electromagnetismo, desarrolladas a finales del siglo XIX y principios del siglo XX. Las patentes de Tesla y su trabajo teórico formaron las bases de los sistemas modernos de potencia eléctrica por corriente alterna (CA), incluyendo el sistema polifásico de distribución eléctrica y el motor de corriente alterna, que tanto contribuyeron al nacimiento de la Segunda Revolución Industrial. La unidad de medida del campo magnético B del Sistema Internacional de Unidades (también denominado densidad de flujo magnético e inducción magnética), el Tesla, fue llamado así en su honor en la Conférence Générale des Poids et Mesures (París, en 1960), como también el efecto Tesla de transmisión inalámbrica de energía a dispositivos electrónicos (que Tesla demostró a pequeña escala con la lámpara incandescente en 1893) el cual pretendía usar para la transmisión intercontinental de energía a escala industrial en su proyecto inconcluso, la Wardenclyffe Tower. Aparte de su trabajo en electromagnetismo e ingeniería electromecánica. Tesla contribuyó en diferente medida al desarrollo de la robótica, el control remoto, el radar, las ciencias de la computación, la balística, la física nuclear, y la física teórica. En 1943, laCorte Suprema de los Estados Unidos lo acreditó como el inventor de la radio. Algunos de sus logros han sido usados, no sin controversia, para justificar varias pseudociencias, teorías sobre OVNIS y sobre anti-gravedad, así como el ocultismo de la Nueva era y teorías sobre la tele transportación.

¿Qué es? La Bobina de Tesla es un generador electromagnético que produce altas tensiones de elevadas frecuencias (radiofrecuencias) con efectos observables como sorprendentes efluvios, coronas y arcos eléctricos. Su nombre se lo debe a Nikola Tesla, un brillante ingeniero que vivió en la segunda mitad del siglo pasado y a principios de éste y que en 1891, desarrolló un equipo generador de alta frecuencia y alta tensión con el cual pensaba transmitir la energía eléctrica sin necesidad de conductores.

Aunque esta idea no prosperó, Tesla es el inventor de la corriente trifásica y de los motores de inducción, que mueven en el presente todas nuestras industrias. La Bobina de Tesla causa gran impresión por su espectacularidad y provoca interés por conocer su funcionamiento; una excelente manera de comprenderla y disfrutarla resulta mediante la construcción de una bobina propia.

Historia Bobinas Tesla disruptivas En la primavera de 1891, Tesla realizó una serie de demostraciones con varias máquinas ante el American Institute of Electrical Engineers del Columbia College. Continuando las investigaciones iniciales sobre voltaje y frecuencia de William Crookes, Tesla diseñó y construyó una seriede bobinas que produjeron corrientes de alto voltaje y alta frecuencia. Estas primeras bobinas usaban la acción disruptiva de un explosor (spark-gap) en su funcionamiento. Dicho montaje puede ser duplicado por una bobina Ruhmkorff, dos condensadores y una segunda bobina disruptiva, especialmente construida. La bobina de Ruhmkorff, alimentada a través de una fuente principal de corriente, es conectada a los condensadores en serie por sus dos extremos. Un explosor se coloca en paralelo a la bobina Ruhmkorff antes de los condensadores. Las puntas de descarga eran usualmente bolas metálicas con diámetros inferiores a los 3 cm, aunque Tesla utilizó diferentes elementos para producir las descargas. Los condensadores tenían un diseño especial, siendo pequeños con un gran aislamiento. Estos condensadores consistían en placas móviles en aceite. Cuanto menor eran las placas, mayor era la frecuencia de estas primeras bobinas. Las placas resultaban también útiles para eliminar la elevada autoinductancia de la bobina secundaria, añadiendo capacidad a ésta. También se colocaban placas de mica en el explosor para establecer un chorro de aire a través de él. Esto ayudaba a extinguir el arco eléctrico, haciendo la descarga más abrupta. Una ráfaga de aire se usaba también con este objetivo. Los condensadores se conectan a un circuito primario doble (cada bobina en serie con un condensador). Estos son parte de la segunda bobina disruptiva construida especialmente. Cada primario tiene veinte vueltas de cable cubiertopor caucho No. 16 B & S y están enrollados por separado en tubos de caucho con un grosor no inferior a 3 mm. El secundario tiene 300 vueltas de cable magnético cubierto de seda No. 30 B & S, enrollado en un tubo de caucho y en sus extremos encajado en tubos de cristal o caucho. Los primarios tienen que ser suficientemente largos como para estar holgados al colocar la segunda bobina entre ambos. Los primarios deben cubrir alrededor de 5 cm del secundario. Debe colocarse una división de caucho duro entre las bobinas primarias. Los extremos de las primarias que no están conectados con los condensadores se dirigirán al explosor. En, System of Electric Lighting (23 de junio de 1891), Tesla describió esta primera bobina disruptiva. Concebida con el propósito de convertir y suplir energía eléctrica en una forma adaptada a la producción de ciertos nuevos fenómenos eléctricos, que requerían corrientes de mayores frecuencia y potencial. También especificaba un mecanismo descargador y almacenador de energía en la primera parte de un transformador de radiofrecuencia. Ésta es la primera aparición de una alimentación de corriente de RF capaz de excitar una antena para emitir potente

radiación electromagnética. Otra de estas primeras bobinas Tesla fue protegida en 1897 por patente, Electrical Transformer. Este transformador desarrollaba (o convertía) corrientes de alto potencial y constaba de bobinas primaria y secundaria (opcionalmente, uno de los terminales de la secundaria podía estar conectada eléctricamentecon la primaria; similarmente a las modernas bobinas de encendido). Esta bobina Tesla tenía la secundaria dentro de y rodeada por las convoluciones de la primaria. Esta bobina Tesla constaba de bobinas primaria y secundaria enrolladas en forma de espiral plana. El aparato estaba también conectado a tierra cuando la bobina estaba en funcionamiento.

Bobinas posteriores Tesla, en la patente System of Transmission of Electrical Energy7 y Apparatus for Transmission of Electrical Energy, describió nuevas y útiles combinaciones empleadas en bobinas transformadoras. Bobinas transmisoras o conductoras preparadas y excitadas para provocar corrientes u oscilaciones que se propagaran por conducción a través del medio natural de un punto a otro punto remoto, y bobinas receptoras de las señales transmitidas. Estas bobinas permitían producir corrientes de muy alto potencial. Más tarde conseguiría Method of Signaling y System of Signaling, para bobinas con una elevada capacitancia transmisiva con un electrodo a Tierra. Algunas de estas bobinas posteriores fueron considerablemente mayores, y operadas a niveles de potencia también mucho mayores. Cuando Tesla patentó un dispositivo en Apparatus for Transmitting Electrical Energy, llamó al dispositivo un transformador resonante autoregenerativo de alto voltaje con núcleo de aire que genera alto voltaje a alta frecuencia. Sin embargo, esta frase ya no se usa. Los dispositivos posteriores fueron en ocasiones alimentados desde transformadores de alto voltaje, usando bancosde condensadores de cristal de botella inmersos en aceite para reducir las pérdidas por descargas de corona, y usaban explosores rotativos para tratar los niveles de alta potencia. Las bobinas Tesla conseguían una gran ganancia en voltaje acoplando dos circuitos LC resonantes, usando transformadores con núcleo de aire. A diferencia de las transformadores convencionales, cuya ganancia está limitada a la razón entre los números de vueltas en los arrollamientos, la ganancia en voltaje de una bobina Tesla es proporcional a la raíz cuadrada de la razón de las inductancias secundaria y primaria. Estas bobinas posteriores son los dispositivos que construyen usualmente los aficionados. Son transformadores resonantes con núcleo de aire que genera muy altos voltajes en radio frecuencias. La bobina alcanza una gran ganancia transfiriendo energía de un circuito resonante (circuito primario) a otro (secundario) durante un número de ciclos. Aunque las bobinas Tesla modernas están diseñadas usualmente para generar largas chispas, los sistemas originales de Tesla fueron diseñados para la comunicación sin hilos, de tal manera que él usaba superficies con gran radio de curvatura para prevenir las descargas de corona y las pérdidas por streamers. La intensidad de la ganancia en voltaje del circuito es proporcional a la cantidad de carga desplazada, que es determinada por el producto de la capacitancia del circuito, el voltaje (que Tesla llamaba “presión”) y la frecuencia de las corrientes empleadas. Tesla tambiénempleó varias versiones de su bobina en experimentos con fluorescencia, rayos x, potencia sin cables para transmisión de energía eléctrica, electroterapia, y corrientes telúricas en conjunto con electricidad atmosférica.

Las bobinas posteriores constan de un circuito primario, el cual es un circuito LC (inductanciacondensador) en serie compuesto de un condensador de alto voltaje, un spark gap, y una bobina primaria; y un circuito secundario, que es un circuito resonante en serie compuesto por la bobina secundaria y el toroide. En los planos originales de Tesla, el circuito LC secundario está compuesto de una bobina secundaria cargada que es colocada en serie con una gran bobina helicoidal. La bobina helicoidal estaba entonces conectada al toroide. La mayor parte de las bobinas modernas usan sólo una única bobina secundaria. El toroide constituye una de las terminales de un condensador, siendo la otra terminal la Tierra. El circuito LC primario es “ajustado” de tal forma que resonará a la misma frecuencia del circuito secundario. Las bobinas primaria y secundaria están débilmente acopladas magnéticamente, creando un transformador con núcleo de aire resonante. Sin embargo, a diferencia de un transformador convencional, que puede acoplar el 97%+ de los campos magnéticos entre los arrollamientos, estos están acoplados, compartiendo sólo el 10-20% de sus respectivos campos magnéticos. La mayoría de los transformadores aislados por aceite necesitan potentes aislantes en sus conexiones para prevenir descargasen el aire. Posteriores versiones de la bobina de Tesla distribuyen su campo eléctrico sobre una larga distancia para prevenir elevado stress eléctrico en el primer lugar, permitiendo así operar libremente en aire. Los terminales consisten en una estructura metálica con la forma de un toroide, cubierta con una placa metálica circular de curvatura suave (formando una superficie conductora muy grande). Tesla usó en su aparato más grande este tipo de elemento dentro de una cúpula. El terminal superior tiene relativa poca capacitancia, cargado al mayor voltaje que es posible. La superficie exterior del conductor elevado es donde principalmente se acumula la carga eléctrica. Posee un gran radio de curvatura, o está compuesto por elementos separados los cuales, respecto a su propio radio de curvatura, están colocados cercanos entre sí de tal forma que la superficie exterior resultante tiene un gran radio. Este diseño permite al terminal soportar muy altos voltajes sin generar coronas o chispas. Tesla durante su proceso de aplicación de patentes describió variados terminales resonadores para la parte superior de sus bobinas posteriores. La mayoría de las bobinas Tesla modernas usan toroides simples, generalmente fabricados de metal fundido o de aluminio flexible, para controlar el intenso campo eléctrico cerca de la parte superior de la secundaria y lanzar las chispas directamente fuera, lejos de los arrollamientos primario y secundario. Algunos de los trabajos de Tesla involucran un transformador de altafrecuencia, de núcleo de aire, fuertemente acoplado, cuya salida alimenta una bobina resonante, algunas veces llamada “bobina extra”, o simplemente una “secundaria superior”. El principio es que la energía se acumula en la bobina superior resonante, y el papel del transformador secundario es llevado a cabo por la secundaria “inferior”; Los papeles no están compartidos por un único secundario. Sistemas modernos de tres bobinas generalmente o colocan la secundaria superior a cierta distancia del transformador, o lo hacen de un diámetro considerablemente menor; no se busca acoplamiento magnético con la secundaria superior, porque cada secundaria está diseñada específicamente para su papel. En detalle, este circuito Tesla consiste en una bobina en relación inductiva cercana con un primario, y una de las terminaciones conectada a una placa a tierra, mientras que la otra está dirigida a través de una bobina de auto-inducción separada (cuya conexión debe ser hecha siempre a, o cerca de, el centro geométrico de la bobina, para asegurar una distribución simétrica

de la corriente), y de un cilindro metálico que transporta la corriente al terminal. La bobina primaria puede ser excitada por cualquier fuente de corriente de alta frecuencia deseada. El requerimiento importante es que los lados primario y secundario deben estar ajustados a la misma frecuencia resonante para permitir transferencias eficientes de energía entre los circuitos resonantes primario y secundario. Originalmente, un alternador de altafrecuencia o un condensador de descarga eran usados para excitar la bobina primaria. Bobinas Tesla modernas pueden usar tubos de vacío para excitar el primario y generar corriente de alta frecuencia. En el diseño de Tesla, el conductor a la terminal tiene la forma de un cilindro de suave superficie con radio mucho mayor que el de las placas metálicas esféricas, y que se ensancha en la parte más baja en un gancho (que está encajado para evitar pérdidas por corrientes de Foucault y por seguridad). La bobina secundaria está enrollada en un tambor de material aislante, con sus vueltas muy cercanas entre sí. Cuando el efecto de los pequeños radios de curvatura del cable es superado, la bobina secundaria inferior se comporta como un conductor de gran radio de curvatura, correspondiendo al del tambor. El final inferior de la bobina secundaria superior, si se desea, puede ser extendido hasta el terminal, hasta algún lugar por debajo de la vuelta superior de la bobina primaria.

Tipos de bobinas Bobina clásica de Tesla Las clásicas bobinas de Tesla son las bobinas originales inventadas por Nikola Tesla. Estos particulares bobinas de Tesla utilizan la tecnología de brecha de chispa y dos etapas de operación para aumentar la tensión de línea. Contienen un transformador de núcleo de hierro convencional y un transformador con núcleo de aire resonante (la bobina de Tesla real) que trabaja en dos etapas para crear aumentos de alto voltaje. La brecha de chispa crea arcos sobre la alta tensión, y es tan poderosa que puede causar daños a los ojos si se mira directamente. Bobina de Tesla con tubo de vacío (VTTC) Una bobina Tesla con tubo de vacío, también conocido como un VTTC (por sus siglas en inglés), es único, ya que no utiliza una separación de encendido primario. El tubo de vacío proporciona la amplificación para generar energía RF para el circuito primario. Por lo general, opera con voltajes entre 1500 y 6000 voltios. La salida está determinada por la cantidad de potencia producida por el tubo de vacío. Esta energía se bombea continuamente a la bobina de Tesla secundaria. Bobina de Tesla de estado sólido (SSTC) Una bobina Tesla de estado sólido es la versión moderna del diseño original de Tesla. La diferencia entre la bobina clásica y el SSTC es que los condensadores de tanques y espinterómetros han sido reemplazados por componentes de estado sólido. Una bobina de Tesla de estado sólido es un amplificador de potencia de una bobina secundaria en la resonancia. Las SSTC afinan la bobina secundaria al circuito de conmutación de estado sólido. La bobina de Tesla de estado sólido produce menos potencia que el diseño de chispa de la bobina clásica. Bobina de Tesla de estado sólido con resonador doble (DRSSTC)

La bobina de Tesla de estado sólido con doble resonante (DRSSTC, por sus siglas en inglés) es una modificación de la bobina de Tesla de estado sólido. Jimmy Hynes inventó la bobina resonante dual y, con el tiempo, trabajó con Steve Ward para perfeccionarla. La DRSSTC es diferente de la SSTC porque se sintoniza la bobina secundaria al circuito de conmutación de estado sólido y también sintoniza el circuito primario al circuito de conmutación de estado sólido. Parecen bobinas de tipo perturbadores, ya que son capaces de producir arcos de hasta 55 pulgadas (1,4 m).