Bobina de Tesla (SSTC)

Nem só de máquinas eletrostáticas vive o homem... Fiquei curioso sobre os efeitos de altas tensões e altas freqüências após construir minhas máquinas eletrostáticas de Wimshurts. Após ler inúmeros artigos e visitar sites na internet decidi “por a mão na massa” e construir minha primeira bobina de Tesla com excitação por circuito eletrônico, a chamada SSTC – solid state tesla coil (ao invés de um circuito ressonante constituído por transformador de alta tensão, capacitor e gap, a tradicional tesla coil). Este site apresenta o detalhamento do projeto, construção e os resultados obtidos. Não tratarei aqui da teoria envolvida pois esta está fartamente documentada na internet. Ao invés disto minha intenção aqui é fornecer detalhes de sua construção.

Bobinas de Tesla são transformadores elevadores de tensão que tem circuitos sintonizados no secundário (normalmente), mas que também tem versões com o primário sintonizado (as chamadas DRSSTC – double resonance solid state tesla coil). A minha foi projetada para funcionar na primeira modalidade (ou seja, apenas com o secundário sintonizado).

Como pode ser visto no diagrama de blocos, a eletrônica da SSTC por mim construída é relativamente simples. Consiste de um módulo de entrada, responsável por receber o sinal proveniente da própria bobina, que o conforma (deixa “quadrado”) e que depois é amplificado pelo pré-driver e pelo módulo de saída. Entre o driver e a saída há um transformador isolador cuja construção é detalhada mais adiante. A etapa de saída, em configuração “half bridge” (meia ponte) utiliza dois MOSFET´s com características adequadas à esta aplicação (alta capacidade de corrente e baixa resistência quando conduz). Toda esta eletrônica serve para gerar um sinal com o menor tempo de transição (subida e descida) possível e com uma freqüência cujo valor corresponda à freqüência de ressonância do secundário. Ao invés da antena poderia ser ligada à entrada do conformador de sinal um gerador de funções, sendo a freqüência manualmente ajustada. Ocorre que dada a baixa capacitância entre enrolamentos e do domo no secundário a simples presença de objetos próximos muda esta freqüência, que tem que ser continuamente ajustada. Da forma construída, minha SSTC ajusta a freqüência fornecida à bobina secundária automaticamente devido à realimentação positiva provocada pela captação do campo gerado.

O campo eletromagnético gerado pela própria bobina de Tesla é captado pela antena na entrada do circuito integrado 74HC14. Este integrado é constituído de inversores com tecnologia CMOS, que apresentam boa velocidade de operação e alta impedância de entrada. Na entrada do primeiro destes inversores foi colocado um par de diodos para limitar a excursão de sinal de forma a evitar danos ao integrado na eventualidade de um sinal muito alto. Após passar por mais alguns inversores, de forma a assegurar que a forma do sinal a ser aplicado à saída apresente tempos de excursão (subida e descida) o mais curto possível o sinal já “quadrado” é aplicado a um ci 4049, que é composto de seis inversores com alta capacidade de corrente de saída, todos ligados em paralelo. Esta configuração procura assegurar uma baixa impedância de saída, e, por conseguinte, capacidade de sobra para fazer operar o par de transistores que o seguem. Estes transistores servem para baixar ainda mais a impedância e alimentar com corrente suficiente o gate do par de MOSFET´s no primário do transformador de excitação dos MOSFET de saída. Abaixo um oscilograma do sinal no gate do MOSFET IRF830. Pode-se observar que o sinal a 200kHz é bem limpo de oscilações e com tempos de transição bem curtos. Adiante comento porque isto é importante.

Após a saída dos transistores e a entrada dos MOSFET´S do driver há uma rede de diodos cuja função é a de assegurar um pequeno retardo entre o desligamento de um dos MOSFET e o início da condução do outro. Se isto não é feito (como em muitos circuitos que encontrei na web) durante um curto intervalo de tempo ambos os MOSFET estarão conduzindo, colocando a fonte de alimentação literalmente em curto circuito. Isto provoca uma dissipação desnecessária de calor, além de por em risco os componentes. A título de comparar o resultado, medi o consumo do driver com e sem os diodos; para uma mesma potência de saída, encontrei um consumo de cerca de 500 mA sem os diodos e menos de 70 mA com eles…Isto vale também para a etapa de potência.

Após os MOSFET´S do driver há um transformador construído sobre um toróide de ferrite, retirado de uma velha fonte de microcomputador. Aliás cabe aqui uma dica: a maioria do material empregado em meu projeto saiu de fontes de computador danificadas e de reatores eletrônicos para lâmpadas fluorescentes. Aí se encontram diodos rápidos, capacitores para alta voltagem, MOSFET´S, núcleos de ferrite, etc. Material este que não é muito fácil de se encontrar nas hoje já raras lojas de eletrônica... Este transformador serve para isolar o gate dos dois MOSFET de saída que estão em potenciais diferentes, mas necessitam ser excitados adequadamente. São seis espiras para cada enrolamento secundário, feitas com fio 14AWG, e duas espiras para o primário. O sinal do secundário deste transformador deve ser um sinal retangular limpo, sem oscilações, com amplitude de pelo menos 30 volts pico a pico. Usei diodos zener em oposição como forma de limitar a excursão de sinal entre gate e source dos MOSFET´S.

A etapa de saída, que apresenta configuração de meia ponte (“half bridge”) foi implementada com dois MOSFET´S IRFP260, que apresentam resistência baixa quando ligados (0,055ohms segundo o fabricante) o que reduz as perdas por efeito joule sobre os mesmos, além de permitir uma elevada corrente sobre o enrolamento primário do transformador de saída. Medi correntes de mais de 130 amperes de pico (!) sobre a bobina primária usando um shunt não indutivo e um osciloscópio..

Um capacitor de 22nF é mostrado no esquema e serviu para sintonizar também o primário; com isto minha SSTC se transformou numa DRSSTC. Como conseqüência os streamers (faíscas) que normalmente são de 10 a 15 cm passaram a mais de 30 cm devido ao aumento brutal de corrente primária. Apesar de espetacular, como minha bobina não foi pensada para uso intermitente mas sim contínuo, rapidamente os MOSFET aqueceram… e consegui um par de IRFP260 em curo circuito! Em uma próxima modificação vou acrescentar um interruptor ao circuito; desta forma poderei manter a mesma funcionando com este capacitor sem danificar a etapa de saída.

Construção do transformador de alta voltagem

Sem dúvida esta, que parece ser simples, é a parte mais trabalhosa e difícil na implementação de uma bobina de tesla. Dado o grande número de espiras, que não devem se sobrepor, construí um dispositivo para executar o enrolamento. Tal dispositivo consistiu de um motor elétrico retirado de um velho ventilador, daqueles que tem o mecanismo de vai-vem, pois o mesmo tem uma caixa de redução embutida. Ao eixo do mesmo foi fixada uma tampa de cano de esgoto de PVC de 100 mm de tal forma a permitir facilmente fixar o cano que vai servir de base para a bobina. Também foi construído um triângulo de madeira ajustável para suportar a outra extremidade do cano (ver foto abaixo) e um suporte para o carretel de fio esmaltado. O terminal superior é uma saladeira de inox de aproximadamente 30 cm de diâmetro, adquirida num supermercado. O primário foi construído usando cano de 150 mm com 10 espiras de fio 10 AWG com capa de plástico, e sobre a extremidade inferior do cano de 150 mm foi fixada uma tampa para esta bitola, e dentro desta uma tampa de 100 mm, para fixação do enrolamento secundário. Após concluir o enrolamento do secundário o mesmo foi recoberto com verniz acrílico (marca Renner, em spray).

Observar o motor de ventilador de mesa, aproveitado para girar o cano de PVC através de sua caixa de redução (aproximadamente 20 RPM) e o dispositivo construído para suportar o carretel com fio esmaltado (fio 28 AWG)

Como é minha intenção usar esta bobina em minhas aulas de física, procurei construir a mesma da forma mais compacta e simples possível. Para isto usei uma caixa de fonte de computador, que já dispõe de ventilação, conectorização e tamanho adequado. Sobre a tampa da caixa fixei com rebites POP uma tampa de PVC de 150mm que serve de suporte para o enrolamento primário, e dentro desta, concentricamente, fixei uma tampa de 100mm. Desta forma posso colocar e retirar tanto o primário como o secundário sem dificuldade.

O circuito foi montado em uma placa universal de montagem, tomando o cuidado de revestir com solda as trilhas aonde esperava alta corrente; a mesma foi fixada por isolantes plásticos. Acrescentei um porta fusíveis de plástico no painel traseiro, e um pequeno disjuntor de 6 amperes ao painel frontal, além de LED´s vermelhos para alertar o operador sobre sua alimentação.

Os MOSFET de potência foram montados em terminais parafusáveis, para substituição mais fácil (acredite, voce VAI queimar muitos...)

Uma antena telescópica de rádio foi parafusada na tampa de cima (sem isolação). Esta antena tem por função servir de terminal de retorno para os streamers e tem a vantagem de ser ajustável em posição e comprimento, facilitando a vida do operador em demonstrações. Também do lado de fora da caixa fixei uma barra de terminais com acesso à entrada de antena do circuito e uma saída de 12 voltas, pensada para a hipótese de desejar anexar mais algum circuito externo.

O suporte inferior das bobinas primária e secundária foram montados sobre tampas de PVC fixadas na parte superior da caixa de fonte de computador, ver figura.

suporte de fixação das bobinas

vista do painel de controle

Algumas faíscas...

Sem dúvida minha bobina impressiona quando ligada. Streamers (faíscas) de mais de 20 cm são alcançadas sem aquecer praticamente os MOSFET de potência. Minha SSTC pode ficar ligada continuamente sem problema. Abaixo algumas fotos obtidas com ela funcionando. Se ela é ligada sem terminal de escape (ou seja, o domo superior é deixado afastado de qualquer objeto com ponta e nasa é fixado ao mesmo, minimizando efeito corona, esta SSTC é capaz de acender lampadas fluorescentes a mais de 1 metro de distância sem nenhuma conexão física (fios), tal a magnitude do campo elétrico gerado ao seu redor.

Minha bobina foi reformada alguns meses depois para ficar com uma melhor apresentação. Abaixo uma foto de como ela ficou.

Gravei um vídeo com a demonstração desta bobina funcionando. Pode-se observar uma lâmpada fluorescente compacta acendendo em minha mão e as lampadas fluorescentes no teto de meu laboratório acesas por causa do forte campo elétrico irradiado. A freqüência de operação de minha bobina é de 298 kHz e a potência é de 75 watts de RF.

Voltar à minha página inicial

Enviar e-mail para o autor