En verdad, existen varios tipos de bobina Tesla, ya que él experimentó con una gran variedad de tipos diferentes de bobinas y configuraciones de funcionamiento.
Se le llamó así, en honor a su inventor, el científico croata Nikola Tesla, es una especie de transformador resonante. Generalmente la bobina 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 bellas y coloridas descargas eléctricas en el aire, de alcances que pueden llegar a ser del orden de varios 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 aquella época, que eran proporcionadas por máquinas electrostáticas.
Tipos de bobinas
Tesla construyó sus primeras bobinas en la primavera de 1891 basándose en las investigaciones iniciales sobre voltaje y frecuencia del gran físico de origen inglés William Crookes.
Tesla diseñó y también construyó una serie de bobinas que produjeron corrientes de alto voltaje y alta frecuencia. Estas primeras bobinas usaban la acción disruptiva de un explosor o chispero en su funcionamiento.
Dicho chispero básicamente consiste de dos electrodos enfrentados próximos entre sí, esféricos, entre los que se origina una descarga eléctrica cuando se les aplica una diferencia de tensión que sobrepasa un valor límite, el valor de la tensión de ruptura del aire correspondiente a la separación entre electrodos.
La tensión a la que salta la chispa en el explosor es elevada, de varios miles de voltios típicamente (depende de la separación entre electrodos del explosor), por lo que se debe disponer de una fuente de alta tensión para poder aplicar ésta al chispero y hacer saltar las chispas en éste.
Las chispas producidas en el explosor asociado a una bobina Tesla contienen impulsos de alta frecuencia (RF, radiofrecuencia) de gran amplitud, que alimentan el devanado primario de la bobina Tesla propiamente dicha.
Ésta actúa como transformador elevador de tensión autorresonante, por lo que da lugar en su devanado secundario a tensiones de alta frecuencia de muy alta tensión, como se ha dicho anteriormente, de decenas de miles e incluso cientos de miles de voltios, dependiendo del tamaño de la bobina.
El circuito se completa con un condensador de alta tensión, necesario junto con el primario de la bobina Tesla para la generación de los impulsos de alta frecuencia.
Hoy en día la bobina Tesla que funcionan con chispero son alimentadas por un transformador de alta tensión de la red eléctrica, el cual proporciona, por su devanado secundario la alta tensión necesaria para producir las chispas. En la época en que Tesla comenzó a desarrollar sus primeras bobinas de alta tensión, la única fuente de alta tensión disponible era el carrete o bobina de Ruhmkorff, una bobina transformadora que permite obtener tensiones muy elevadas (incluso de miles de voltios) a partir de una corriente continua.
La Bobina Tesla y su historia
Fue ideado hacia 1850 por el mecánico de precisión parisino de origen alemán Heinrich Daniel Ruhmkorff, época en la que casi no se empleaban las corrientes alternas, y es el antecesor de los modernos transformadores eléctricos.
Un carrete o bobina de Ruhmkorff consta de dos devanados realizados sobre un núcleo de hierro dulce, uno de pocas decenas de espiras (el devanado primario) realizado con hilo aislado algo grueso, y un segundo devanado (el devanado secundario) realizado con un número elevado de espiras (cientos e incluso miles) realizadas con hilo muy fino y recubierto de un buen aislante.
Para su funcionamiento en corriente continua el carrete está constituido como un electroimán, el cual opera un contacto eléctrico normalmente cerrado mediante un resorte metálico que está enfrentado a un extremo del núcleo de hierro dulce. Eléctricamente este contacto se dispone en serie con el devanado primario.
Cuando se aplica corriente continua al circuito del devanado primario, el núcleo del carrete se imana por el paso de la corriente eléctrica por el devanado, y con ello atrae el resorte del contacto, el cual se abre. Pero al abrirse el contacto eléctrico, deja de circular corriente por el devanado primario, por lo que cesa la imanación del núcleo del carrete, y con ello desactiva el contacto eléctrico, el cual vuelve a cerrarse. Y al cerrarse, vuelve a circular de nuevo corriente eléctrica por el devanado primario, repitiéndose de nuevo el proceso, y así indefinidamente.
La corriente que circula por el devanado primario se hace pulsante, actuando similarmente a una corriente alterna, provocando en el devanado secundario del carrete una tensión inducida pulsante, normalmente de varios cientos o unos pocos miles de voltios, valor de tensión que depende de la relación de espiras de ambos devanados del carrete (relación que es muy grande en las bobinas de Ruhmkorff).
El devanado primario y el contacto en serie forman, pues, un oscilador que genera impulsos de corriente continua a una frecuencia que depende de las características mecánicas del contacto eléctrico (del resorte, su elasticidad, etc…), aunque es una frecuencia de unas decenas de impulsos por segundo. Debido a las tensiones auto-inducidas en el devanado primario cada vez que se abre el contacto, se forman chispas en éste que lo pueden desgastar con el tiempo, por lo que se suele añadir en paralelo con el contacto un condensador cuya función es absorber estas tensiones auto inducidas, evitando la aparición de las chispas en el contacto.
En los montajes iniciales de Tesla, el carrete Ruhmkorff es alimentado por una fuente principal de corriente continua (típicamente una batería), y su devanado secundario o de alta tensión es conectado a dos condensadores de alta tensión, cada uno en serie con uno de los dos extremos del devanado secundario. Un explosor se coloca en paralelo al devanado secundario del carrete de Ruhmkorff y antes de los condensadores.
Las puntas de descarga del explosor eran usualmente bolas metálicas con diámetros inferiores a los 3 cms.
Aunque Tesla utilizó diferentes elementos para producir las descargas. Los condensadores tenían un diseño especial, siendo pequeños con un gran aislamiento entre placas.
Estos condensadores consistían en placas móviles introducidas en aceite (empleado como dieléctrico). Cuanto menores eran las placas, mayor era la frecuencia generada por estas primeras bobinas (ya que la capacidad del condensador era menor). Las placas resultaban también útiles para compensar la elevada auto inductancia 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 cuando disminuía la tensión entre electrodos del explosor, haciendo la descarga más abrupta. También se empleó una ráfaga de aire con este objetivo.
Los condensadores se conectan a un circuito primario de dos devanados (cada devanado en serie con un condensador). Estos son parte de la segunda bobina disruptiva construida especialmente (que es la auténtica bobina Tesla). Cada primario de la bobina estaba realizado con veinte vueltas de alambre cubierto por caucho y están enrollados por separado en tubos de caucho con un grosor no inferior a 3mm.
El devanado secundario de la bobina tenía 300 vueltas de hilo metálico recubierto de seda, enrollado en un tubo de caucho con sus extremos encajado en tubos de cristal o caucho, y es un devanado mucho más largo que los devanados primarios. Los devanados primarios tienen que ser suficientemente largos como para estar holgados al colocar el devanado secundario entre ambos. Los primarios cubrían unos 5 cm del secundario. Además se colocaba una división de caucho duro entre las bobinas primarias. Los extremos de los devanados primarios que no estaban conectados con los condensadores se conectaban al explosor.
Esta es la descripción de la primera bobina disruptiva realizada por Tesla, publicada en la revista System of Electric Lighting (23-Junio-1891). Tesla fue desarrollando variaciones de estas bobinas posteriormente, como la que patentó en 1897 como Electrical Transformer (patente US0593138, 2-11-1897), una especie de transformador eléctrico con dos devanados (primario y secundario) que convertía corrientes eléctricas a corrientes de alto potencial.
Esta bobina Tesla tenía la bobina secundaria dentro de y rodeada por las espiras de la bobina primaria, y uno de los terminales de la secundaria podía estar conectada eléctricamente con la primaria. Ambos devanados estaban enrollados en forma de espiral plana (con el primario de pocas espiras rodeando por fuera al secundario de muchas espiras, disposición que empleó Tesla inicialmente con bastante frecuencia), y el aparato era conectado a tierra cuando la bobina estaba en funcionamiento.
Tesla siguió desarrollando bobinas, algunas de gran tamaño para manejar potencias elevadas, pensando en la posibilidad de transmitir energía eléctrica a grandes distancias y para comunicaciones sin hilos, empleando estas bobinas como unidades transmisoras y como unidades receptoras, lo que sería uno de los antecedentes de las primeras transmisiones inalámbricas o transmisiones de radio (por ello Nikola Tesla es considerado uno de los pioneros de la radio, aunque oficialmente es el italiano Guillermo Marconi el considerado como inventor de la radio.
Tesla patentó varios de sus desarrollos en este sentido empleando este tipo de bobinas, tales como las patentes System of Transmission of Electrical Energy ( patente US0645576, 20-03-1900 ), Apparatus for Transmission of Electrical Energy ( patente US0649621 ), en las cuales describió nuevas y útiles combinaciones empleadas en bobinas transformadoras, 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 patentaría el Method of Signaling ( patente US0723188, 17 / 03 / 1903 ) y el System of Signaling ( patente US0725605, 14-04-1903 ) para bobinas con una elevada capacitancia transmisora con un electrodo a Tierra, así como el Apparatus for Transmitting Electrical Energy ( patente US1119732, del 18 / 01 / 1902 ), un transformador resonante auto regenerativo de alto voltaje con núcleo de aire que genera un alto voltaje a alta frecuencia.
Este último diseño del año 1902 es ya un diseño mucho más parecido a los diseños de las actuales bobinas Tesla que funcionan a chispa.
Los dispositivos posteriores fueron en varias ocasiones alimentados desde los transformadores de alta tensión, usando bancos de 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 tensión acoplando dos circuitos LC resonantes, usando transformadores con núcleo de aire. A diferencia de las transformadores convencionales, cuya ganancia en tensión está limitada a la razón entre los números de vueltas en los devanados primario y secundario, la ganancia en tensión de una bobina Tesla es proporcional a la raíz cuadrada de la razón de las inductancias secundaria y primaria, y ello es así por el particular comportamiento de este tipo de bobinas a causa de la resonancia de los devanados.
Los explosores rotativos daban mucho mejores resultados que los explosores sencillos, y básicamente consisten en dos contactos fijos, a los cuales se les aplica la alta tensión, y entre los cuales pasa la periferia de un disco de material aislante. En la periferia del disco se disponen una o varias espigas metálicas que lo atraviesan. El disco gira siendo accionado por un motor, y en el preciso instante en que una de las espigas metálicas del disco pase entre los dos contactos fijos ( manteniendo una separación muy pequeña entre ambos ), saltará la chispa entre los electrodos fijos pasando a través de la espiga metálica.
Las típicas bobinas de Tesla están constituidas por dos devanados resonantes acoplados, pero Tesla también experimentó configuraciones con tres devanados resonantes acoplados. Las bobinas que desarrolló Tesla inicialmente podían generar elevadas tensiones de alta frecuencia a frecuencias típicamente del orden de 20 kHz a 100 kHz.
Las bobinas Tesla empleadas actualmente corresponden a este último tipo de bobinas, y son las que construyen usualmente ciertos ingenieros eléctricos y entusiastas de la electrónica. Son bobinas-transformadores autorresonantes con núcleo de aire que generan muy altas tensiones a elevadas frecuencias (desde unas decenas de kilohertzios a algunos Megahertzios, según la construcción de la bobina). La bobina alcanza una gran ganancia de tensión transfiriendo energía durante un número de ciclos desde el devanado primario al secundario (en bobinas excitadas a chispa), estando constituidos ambos devanados como circuitos resonantes. Ambos devanados están sintonizados a la misma frecuencia.
Las bobinas de Tesla modernas constan típicamente de un circuito primario, el cual es un circuito LC (inductancia-condensador) en serie compuesto de un condensador de alto voltaje, un chispero (explosor) y el devanado primario y un circuito secundario, que es un circuito resonante en serie compuesto por el devanado secundario, que suele ser terminado en su parte superior en un toroide metálico.
Al aplicar una alta tensión alterna o pulsante al circuito primario, las chispas generadas en el explosor o chispera producen fuertes impulsos de radiofrecuencia cuya frecuencia dependerá de los condensadores y del bobinado primario. Modernamente se puede emplear un circuito electrónico realizado con lámparas o con transistores de potencia configurado con el devanado primario de la bobina como circuito oscilador de alta frecuencia de potencia.
Físicamente, el devanado primario es un devanado de un número bajo de espiras (desde muy pocas espiras a un par de decenas como máximo), mientras que el devanado secundario es un devanado cilíndrico de una sola capa de espiras, con un número de espiras elevado (varios cientos o pocos miles de espiras), de una longitud mucho mayor que el devanado primario, y en el que las espiras están juntas (por lo que debe realizarse con hilo de cobre esmaltado o bien aislado).
El devanado secundario presenta una frecuencia de autorresonancia elevada (de cientos o miles de kilohertzios) que está determinada por la elevada inductancia del devanado secundario y la baja capacidad parásita entre espiras que presenta el devanado. Si al devanado primario se le aplica corrientes a la frecuencia de autorresonancia de la bobina, se obtienen entre los extremos del devanado secundario muy elevadas tensiones de RF que pueden alcanzar valores de decenas o centenas de miles de voltios (depende de la potencia de las corrientes aplicadas al devanado primario), lo que crea una fuerte ionización en el aire, que puede fácilmente originar descargas de corona alrededor del terminal de alta tensión del devanado secundario (el otro terminal se conecta a tierra), y vistosas descargas eléctricas (similares a los rayos) entre dicho terminal de alta tensión del devanado secundario y el aire que lo circunda, y que puede alcanzar a objetos que estén próximos, sobre todo si tienen contacto físico con el suelo.
Las elevadísimas tensiones de RF generadas en la bobina Tesla no se explican solo por la simple relación del número de espiras entre el devanado primario y el devanado secundario (como ocurriría en cualquier transformador eléctrico ordinario), sino que interviene la autorresonancia del devanado secundario. De hecho, si se varía un poco la frecuencia de las corrientes aplicadas al devanado primario, el valor de la alta tensión generada en el devanado secundario decae notablemente, y ello es debido a que la autorresonancia del devanado secundario es muy aguda, debido al alto valor de inductancia (milihenrios) y la baja capacidad parásita (unos cuantos picofaradios) del devanado secundario: Dicho técnicamente, el devanado secundario presenta un valor de Q muy elevado.
El valor de la capacidad parásita del devanado secundario es tan bajo, que puede ser significativamente alterado por la presencia de objetos próximos a la bobina (por ejemplo, acercando la mano a la bobina en el caso de bobinas de pequeña potencia), que también introducen una capacidad parásita adicional, pudiendo variar la frecuencia de autorresonancia del devanado secundario notablemente.
El devanado secundario de la bobina Tesla se comporta más bien como una corta antena resonante en la cual la tensión entre sus extremos alcanza su máximo valor cuando la “longitud eléctrica” de esta antena corresponda a 1/4 de la longitud de onda a su frecuencia de trabajo.
Debido a las altísimas tensiones que se desarrollan en el devanado secundario de la bobina Tesla, el hilo con que está realizado debe ser un hilo que esté bien aislado eléctricamente para evitar daños por chispas que puedan saltar (además, la tensión entre espira y espira contigua puede alcanzar altos valores), y por el mismo motivo, el devanado primario no está arrollado directamente sobre el devanado secundario, sino que hay una separación suficiente entre las espiras de ambos devanados (por ejemplo, el diámetro de las espiras del devanado primario es bastante superior a las del devanado secundario). Ello implica que, a diferencia de los transformadores convencionales, el acoplamiento entre devanados primario y secundario sea bajo (del orden del 10 al 20%, frente a un 97% típico de los transformadores convencionales).
Este bajo acoplamiento entre devanados también es el responsable de que, como se ha citado anteriormente, la transferencia de energía del devanado primario sobre el devanado secundario no alcance su máximo hasta al cabo de varios ciclos de RF (y no inmediatamente), alcanzándose entonces el máximo valor de tensión de RF en el devanado secundario (El tiempo en que tarda en alcanzarse el máximo valor de la tensión de RF en el secundario disminuye al aumentar el acoplamiento entre devanados).
A pesar de las pérdidas que serían esperables por tan bajo acoplamiento entre devanados, al estar ambos devanados sintonizados, se llega a transferir al devanado secundario hasta un 85% de la energía que es almacenada inicialmente en el condensador del circuito primario de la bobina.
El requerimiento realmente importante de cualquier bobina Tesla es que los circuitos primario y secundario deben estar ajustados a la misma frecuencia de resonancia para permitir transferencias eficientes de energía entre ambos (algo bastante importante, teniendo en cuenta el bajo acoplamiento entre devanados).
Mientras que el devanado secundario es de por sí autorresonante, el devanado primario se debe llevar a la misma frecuencia de resonancia mediante condensadores externos. Para ello originariamente se empleó un condensador de alta tensión y un chispero o explosor para generar sobre el circuito primario impulsos de RF a la frecuencia de la bobina Tesla (es la tecnología de los primeros transmisores de radio de la época de Marconi, los transmisores de chispa, que se emplearon como estaciones de telegrafía sin hilos hasta los años 1920’s), empleándose posteriormente un alternador de alta frecuencia para excitar el devanado primario. El valor del condensador del circuito primario debía ser aquél que pusiera al devanado primario en resonancia a la frecuencia de autorresonancia del devanado secundario.
Actualmente en las más modernas bobinas Tesla el devanado primario es excitado por un oscilador electrónico de RF de potencia, operando a la frecuencia de autorresonancia del devanado secundario. El oscilador, seguido de un amplificador de potencia, ha de ser capaz de entregar al devanado primario tensiones de RF del orden de 100 a 800 V, y los osciladores-amplificadores de RF más adecuados para ello son los realizados con lámparas electrónicas (actualmente anticuadas, y que requieren elevadas tensiones de alimentación), transistores bipolares (menos empleados) o transistores MOSFET de potencia o IGBT, estos últimos empleados para conmutar las corrientes aplicadas al arrolamiento primario de una manera muy rápida.
El devanado secundario se suele realizar sobre un soporte cilíndrico aislante, a espiras juntas, y normalmente se dispone en posición vertical. Uno de los extremos del devanado secundario, el extremo inferior, debe ser conectado a una toma de tierra, mientras que el otro extremo, el superior, se lleva a un electrodo terminal (situado en el extremo superior del soporte cilíndrico) con forma de esfera o toro metálico, de curvatura suave, de manera que forme una superficie conductora grande.
Esta especie de sombrero metálico presenta una cierta capacidad con respecto a tierra, aunque de bajo valor, pero afecta por ello a la resonancia del bobinado secundario, modificando su frecuencia de autorresonancia. No obstante, esta baja capacidad relativa del sombrero superior permite que se cargue a la mayor tensión respecto a tierra que es posible. La superficie conductora exterior de dicho elemento es donde principalmente se acumula la carga eléctrica (ya que actúa como la armadura de un condensador).
Por diversos motivos, la forma de toro es la que mejores resultados proporciona para el sombrero superior del devanado secundario.
Este elemento conductor superior posee un gran radio de curvatura. Este diseño de curvatura amplia pero suave permite al elemento superior acumular cargas eléctricas (en su superficie externa) a muy altas tensiones sin generar coronas o chispas lanzadas sobre el devanado debido al intenso campo eléctrico que se genera alrededor de dicho elemento superior. Con ello se consigue controlar este intenso campo eléctrico y que el elemento superior lance las chispas provocadas directamente fuera, al aire, lejos de los devanados de la propia bobina.
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