bobina de Tesla

Una bobina de Tesla es un circuito transformador resonante eléctrico diseñado por el inventor Nikola Tesla en 1891. ^{[1] [2]} Se utiliza para producir electricidad de corriente alterna de alta tensión , baja corriente y alta frecuencia . ^{[3] [4] [5] [6] [7] [8] [9]} Tesla experimentó con varias configuraciones diferentes que consistían en dos, o en ocasiones tres, circuitos eléctricos resonantes acoplados .

bobina de Tesla

Bobina de Tesla en Questacon , el centro nacional de ciencia y tecnología en Canberra , Australia
Usos	Aplicación en demostraciones educativas, iluminación novedosa , música.
Inventor	Nikola Tesla
Artículos relacionados	Transformador , campo electromagnético , resonancia

Tesla utilizó estos circuitos para realizar experimentos innovadores en iluminación eléctrica , fosforescencia , generación de rayos X , fenómenos de corriente alterna de alta frecuencia , electroterapia y transmisión de energía eléctrica sin cables . Los circuitos de bobina de Tesla se utilizaron comercialmente en transmisores de radio sparkgap para telegrafía inalámbrica hasta la década de 1920, ^{[1] [10] [11] [12] [13] [14]} y en equipos médicos como electroterapia y dispositivos de rayos violetas . Hoy en día, su uso principal es para pantallas de entretenimiento y educativas, aunque todavía se utilizan bobinas pequeñas como detectores de fugas para sistemas de alto vacío. ^{[9] [15]}

Operación

Bobina de Tesla casera en funcionamiento, que muestra descargas de cepillo del toroide. El alto campo eléctrico hace que el aire alrededor del terminal de alto voltaje se ionice y conduzca electricidad, lo que permite que la electricidad se filtre al aire en coloridas descargas de corona , descargas de cepillo y arcos serpentinos . Las bobinas de Tesla se utilizan para entretenimiento en museos de ciencia y eventos públicos, y para efectos especiales en películas y televisión.

Una bobina Tesla es un oscilador de radiofrecuencia que impulsa un transformador resonante de doble sintonización con núcleo de aire para producir altos voltajes a bajas corrientes. ^{[10] [16] [17] [18] [19] [20]} Los circuitos originales de Tesla, así como la mayoría de las bobinas modernas, utilizan un espacio de chispa simple para excitar las oscilaciones en el transformador sintonizado. Los diseños más sofisticados utilizan interruptores de transistor o tiristor ^[16] o osciladores electrónicos de tubo de vacío para impulsar el transformador resonante.

Las bobinas de Tesla pueden producir voltajes de salida desde 50  kilovoltios hasta varios millones de voltios para bobinas grandes. ^{[16] [18] [20]} La salida de corriente alterna está en el rango de frecuencia de radio baja , generalmente entre 50 kHz y 1 MHz. ^{[18] [20]} Aunque algunas bobinas impulsadas por osciladores generan una corriente alterna continua , la mayoría de las bobinas Tesla tienen una salida pulsada; ^[16] el alto voltaje consiste en una rápida cadena de pulsos de corriente alterna de radiofrecuencia.

El circuito de bobina Tesla excitado por chispa común, que se muestra a continuación, consta de estos componentes: ^{[17] [21]}

• Un transformador de suministro de alto voltaje (T) , para aumentar el voltaje de la red de CA a un voltaje lo suficientemente alto como para saltar el espacio de chispas. Los voltajes típicos están entre 5 y 30 kilovoltios (kV). ^[21]
• Un condensador (C1) que forma un circuito sintonizado con el devanado primario L1 del transformador Tesla
• Una vía de chispa (SG) que actúa como un interruptor en el circuito primario
• La bobina Tesla (L1, L2) , un transformador resonante de doble sintonización con núcleo de aire , que genera el voltaje de salida alto.
• Opcionalmente, un electrodo capacitivo (carga superior) (E) en forma de esfera de metal liso o toro unido al terminal secundario de la bobina. Su gran área de superficie suprime la descomposición prematura del aire y las descargas de arco, lo que aumenta el factor Q y el voltaje de salida.

Transformador resonante

Un circuito equivalente más detallado del secundario que muestra las contribuciones de varias capacitancias parásitas.

El transformador especializado utilizado en el circuito de bobina Tesla, llamado transformador resonante , transformador de oscilación o transformador de radiofrecuencia (RF), funciona de manera diferente a un transformador ordinario utilizado en circuitos de alimentación de CA. ^{[22] [23] [24]} Mientras que un transformador ordinario está diseñado para transferir energía de manera eficiente desde el devanado primario al secundario, el transformador resonante también está diseñado para almacenar temporalmente energía eléctrica. Cada devanado tiene una capacitancia a través de él y funciona como un circuito LC ( circuito resonante, circuito sintonizado ), almacenando energía eléctrica oscilante, de manera análoga a la forma en que un diapasón almacena energía mecánica vibratoria. La bobina primaria (L1), que consta de relativamente pocas vueltas de alambre o tubería de cobre pesado, está conectada a un condensador (C1) a través de la vía de chispa (SG) . ^{[16] [17]} La bobina secundaria (L2) consta de muchas vueltas (de cientos a miles) de alambre fino en una forma cilíndrica hueca dentro del primario. El secundario no está conectado a un capacitor real, pero también funciona como un circuito LC, la inductancia de (L2) resuena con la capacitancia parásita (C2) , la suma de la capacitancia parásita parásita entre los devanados de la bobina y la capacitancia del electrodo de metal toroidal conectado al terminal de alto voltaje. Los circuitos primario y secundario están sintonizados para que resuenen a la misma frecuencia, tienen la misma frecuencia de resonancia . ^[15] Esto les permite intercambiar energía, por lo que la corriente oscilante alterna entre las bobinas primaria y secundaria. En física, estos dos circuitos de tanque acoplados también se conocen como osciladores acoplados.

El diseño peculiar de la bobina viene dictado por la necesidad de lograr bajas pérdidas de energía resistiva ( factor Q alto ) a altas frecuencias, ^{[18] lo} que da como resultado los voltajes secundarios más grandes:

• Los transformadores de potencia ordinarios tienen un núcleo de hierro para aumentar el acoplamiento magnético entre las bobinas. Sin embargo, a altas frecuencias, un núcleo de hierro provoca pérdidas de energía debido a las corrientes parásitas y la histéresis , por lo que no se utiliza en la bobina Tesla. ^[24]
• Los transformadores ordinarios están diseñados para estar "estrechamente acoplados". Debido al núcleo de hierro y la proximidad de los devanados, tienen una alta inductancia mutua (M) , el coeficiente de acoplamiento es cercano a la unidad 0.95 - 1.0, lo que significa que casi todo el campo magnético del devanado primario pasa a través del secundario. ^{[22] [24]} En contraste, el transformador Tesla está "débilmente acoplado", ^{[16] [24]} el devanado primario es de mayor diámetro y está separado del secundario, ^[17] por lo que la inductancia mutua es menor y el coeficiente de acoplamiento es solo de 0,05 a 0,2. ^[25] Esto significa que solo del 5% al ​​20% del campo magnético de la bobina primaria pasa a través de la secundaria cuando está en circuito abierto. ^{[16] [21]} El acoplamiento flojo ralentiza el intercambio de energía entre las bobinas primaria y secundaria, lo que permite que la energía oscilante permanezca en el circuito secundario más tiempo antes de que regrese al primario y comience a disiparse en la chispa.
• Cada devanado también está limitado a una sola capa de cable, lo que reduce las pérdidas por efecto de proximidad . El primario transporta corrientes muy altas. Dado que la corriente de alta frecuencia fluye principalmente en la superficie de los conductores debido al efecto de la piel , a menudo está hecha de tubería o tira de cobre con una gran superficie para reducir la resistencia, y sus espiras están espaciadas, lo que reduce las pérdidas por efecto de proximidad y la formación de arcos entre las espiras. . ^{[26] [27]}

Diseño de bobina unipolar ampliamente utilizado en bobinas modernas. El primario es el devanado en espiral rojo plano en la parte inferior, el secundario es la bobina cilíndrica vertical enrollada con alambre rojo fino. El terminal de alto voltaje es el toro de aluminio en la parte superior de la bobina secundaria

Bobina bipolar, utilizada a principios del siglo XX. Hay dos terminales de salida de alto voltaje, cada uno conectado a un extremo del secundario, con un espacio de chispa entre ellos. El primario es de 12 vueltas de alambre grueso, que se ubica en el punto medio del secundario para desalentar los arcos entre las bobinas.

El circuito de salida puede tener dos formas:

• Unipolar : un extremo del devanado secundario está conectado a un solo terminal de alto voltaje, el otro extremo está conectado a tierra . Este tipo se utiliza en bobinas modernas diseñadas para entretenimiento. El devanado primario está ubicado cerca de la parte inferior, el extremo de bajo potencial del secundario, para minimizar los arcos entre los devanados. Dado que la tierra (Tierra) sirve como ruta de retorno para el alto voltaje, los arcos de transmisión desde el terminal tienden a saltar a cualquier objeto cercano conectado a tierra.
• Bipolar : Ninguno de los extremos del devanado secundario está conectado a tierra y ambos se llevan a terminales de alto voltaje. El devanado primario está ubicado en el centro de la bobina secundaria, equidistante entre los dos terminales de alto potencial, para evitar la formación de arcos.

Ciclo de operación

El circuito funciona en un ciclo rápido y repetitivo en el que el transformador de suministro (T) carga el condensador primario (C1) , que luego se descarga en una chispa a través del espacio de chispa, creando un breve pulso de corriente oscilante en el circuito primario que excita un voltaje de oscilación alto a través del secundario: ^{[19] [21] [24] [28]}

1. La corriente del transformador de suministro (T) carga el condensador (C1) a un voltaje alto.
2. Cuando el voltaje a través del capacitor alcanza el voltaje de ruptura del espacio de chispa (SG) , comienza una chispa, lo que reduce la resistencia del espacio de chispas a un valor muy bajo. Esto completa el circuito primario y la corriente del capacitor fluye a través de la bobina primaria (L1) . La corriente fluye rápidamente de un lado a otro entre las placas del condensador a través de la bobina, generando una corriente oscilante de radiofrecuencia en el circuito primario a la frecuencia resonante del circuito .
3. El campo magnético oscilante del devanado primario induce una corriente oscilante en el devanado secundario (L2) , según la ley de inducción de Faraday . Durante varios ciclos, la energía del circuito primario se transfiere al secundario. La energía total en los circuitos sintonizados se limita a la energía almacenada originalmente en el condensador C1 , de modo que a medida que el voltaje oscilante en el secundario aumenta en amplitud ("ring up"), las oscilaciones en el primario disminuyen a cero. Aunque los extremos de la bobina secundaria están abiertos, que también actúa como un circuito sintonizado debido a la capacitancia (C2) , la suma de la capacitancia parásita entre las vueltas de la bobina, además de la capacitancia del electrodo toroide E . La corriente fluye rápidamente hacia adelante y hacia atrás a través de la bobina secundaria entre sus extremos. Debido a la pequeña capacitancia, el voltaje oscilante a través de la bobina secundaria que aparece en el terminal de salida es mucho mayor que el voltaje primario.
4. La corriente secundaria crea un campo magnético que induce voltaje de regreso en la bobina primaria, y durante varios ciclos adicionales, la energía se transfiere de regreso al primario, lo que hace que el voltaje oscilante en el secundario disminuya ("ring down"). Este proceso se repite, la energía cambia rápidamente de un lado a otro entre los circuitos sintonizados primario y secundario. Las corrientes oscilantes en el primario y secundario se extinguen gradualmente debido a la energía disipada como calor en el espacio de chispas y la resistencia de la bobina.
5. Cuando la corriente a través del espacio de chispa ya no es suficiente para mantener ionizado el aire en el espacio, la chispa se detiene ("apaga"), terminando la corriente en el circuito primario. La corriente oscilante en el secundario puede continuar durante algún tiempo.
6. La corriente del transformador de suministro comienza a cargar el condensador C1 nuevamente y el ciclo se repite.

Todo este ciclo tiene lugar muy rápidamente, las oscilaciones desaparecen en un tiempo del orden de un milisegundo. Cada chispa a través del espacio de chispa produce un pulso de alto voltaje sinusoidal amortiguado en el terminal de salida de la bobina. Cada pulso se apaga antes de que ocurra la siguiente chispa, por lo que la bobina genera una cadena de ondas amortiguadas , no un voltaje sinusoidal continuo. ^[19] El alto voltaje del transformador de suministro que carga el capacitor es una onda sinusoidal de 50 o 60 Hz . Dependiendo de cómo se establezca el espacio de chispas, generalmente ocurren una o dos chispas en el pico de cada medio ciclo de la corriente de la red, por lo que hay más de cien chispas por segundo. Por lo tanto, la chispa en el espacio entre chispas parece continua, al igual que las serpentinas de alto voltaje de la parte superior de la bobina.

El devanado secundario del transformador de suministro (T) está conectado a través del circuito primario sintonizado. Podría parecer que el transformador sería una ruta de fuga para la corriente de RF, amortiguando las oscilaciones. Sin embargo, su gran inductancia le da una impedancia muy alta a la frecuencia de resonancia, por lo que actúa como un circuito abierto a la corriente oscilante. Si el transformador de alimentación inadecuada tiene inductancia de fuga , radiofrecuencia estranguladores están colocados en sus conductores del secundario para bloquear la corriente de RF.

Frecuencia de oscilación

Para producir el voltaje de salida más grande, los circuitos sintonizados primario y secundario se ajustan en resonancia entre sí. ^{[18] [19] [22]} Las frecuencias de resonancia de los circuitos primario y secundario,${\displaystyle \scriptstyle f_{1}}$ y ${\displaystyle \scriptstyle f_{2}}$, están determinadas por la inductancia y capacitancia en cada circuito: ^{[18] [19] [22]}

${\displaystyle f_{1}={1 \over {2\pi {\sqrt {L_{1}C_{1}}}}}\qquad \qquad f_{2}={1 \over {2\pi {\sqrt {L_{2}C_{2}}}}}\,}$

Generalmente, el secundario no es ajustable, por lo que el circuito primario se sintoniza, generalmente mediante un toque móvil en la bobina primaria L ₁ , hasta que resuena a la misma frecuencia que el secundario:

${\displaystyle f={1 \over {2\pi {\sqrt {L_{1}C_{1}}}}}={1 \over {2\pi {\sqrt {L_{2}C_{2}}}}}\,}$

Por tanto, la condición para la resonancia entre primaria y secundaria es:

${\displaystyle L_{1}C_{1}=L_{2}C_{2}\,}$

La frecuencia de resonancia de las bobinas Tesla está en la baja frecuencia de radio rango (RF), por lo general entre 50 kHz y 1 MHz. Sin embargo, debido a la naturaleza impulsiva de la chispa, producen ruido de radio de banda ancha y, sin protección, pueden ser una fuente importante de RFI , interfiriendo con la recepción de radio y televisión cercanas.

Tensión de salida

Bobina grande que produce arcos de serpentina de 3,5 metros (10 pies), lo que indica un potencial de millones de voltios

En un transformador resonante, el alto voltaje se produce por resonancia; el voltaje de salida no es proporcional a la relación de vueltas, como en un transformador ordinario. ^{[24] [29]} Se puede calcular aproximadamente a partir de la conservación de energía . Al comienzo del ciclo, cuando comienza la chispa, toda la energía en el circuito primario${\displaystyle W_{1}}$ se almacena en el condensador primario ${\displaystyle C_{1}}$. Si${\displaystyle V_{1}}$es la tensión a la que se rompe la descarga de chispas, que suele estar cerca de la tensión de salida máxima del transformador de alimentación T , esta energía es

${\displaystyle W_{1}={1 \over 2}C_{1}V_{1}^{2}\,}$

Durante el "ring up" esta energía se transfiere al circuito secundario. Aunque una parte se pierde en forma de calor en la chispa y otras resistencias, en las bobinas modernas más del 85% de la energía termina en la secundaria. ^[19] En la cima (${\displaystyle V_{2}}$) de la forma de onda de voltaje sinusoidal secundaria, toda la energía en el secundario ${\displaystyle W_{2}}$ se almacena en la capacitancia ${\displaystyle C_{2}}$ entre los extremos de la bobina secundaria

${\displaystyle W_{2}={1 \over 2}C_{2}V_{2}^{2}\,}$

Suponiendo que no hay pérdidas de energía, ${\displaystyle W_{2}\;=\;W_{1}}$. Sustituyendo en esta ecuación y simplificando, el voltaje secundario pico es ^{[18] [19] [24]}

${\displaystyle V_{2}=V_{1}{\sqrt {C_{1} \over C_{2}}}=V_{1}{\sqrt {L_{2} \over L_{1}}}.}$

La segunda fórmula anterior se deriva de la primera utilizando la condición de resonancia ${\displaystyle L_{1}C_{1}\;=\;L_{2}C_{2}}$. ^[24] Dado que la capacitancia de la bobina secundaria es muy pequeña en comparación con el condensador primario, el voltaje primario se incrementa a un valor alto. ^[19]

El voltaje pico anterior solo se logra en bobinas en las que no se producen descargas de aire; en las bobinas que producen chispas, como las bobinas de entretenimiento, el voltaje máximo en el terminal está limitado al voltaje al que el aire se descompone y se vuelve conductor. ^{[19] [24] [26]} A medida que aumenta el voltaje de salida durante cada pulso de voltaje, alcanza el punto en el que el aire junto al terminal de alto voltaje se ioniza y la corona , descargas de escobillas y arcos espantapájaros salen del terminal. Esto sucede cuando la intensidad del campo eléctrico excede la rigidez dieléctrica del aire, aproximadamente 30 kV por centímetro. Dado que el campo eléctrico es mayor en los puntos y bordes afilados, las descargas de aire comienzan en estos puntos del terminal de alto voltaje. El voltaje en el terminal de alto voltaje no puede aumentar por encima del voltaje de ruptura del aire, porque la carga eléctrica adicional bombeada al terminal desde el devanado secundario simplemente escapa al aire. El voltaje de salida de las bobinas Tesla al aire libre está limitado a unos pocos millones de voltios por ruptura de aire, ^[15] pero se pueden lograr voltajes más altos mediante bobinas sumergidas en tanques presurizados de aceite aislante .

Electrodo de carga superior o "toroide"

Bobina Tesla DRSSTC de estado sólido con alambre puntiagudo unido al toroide para producir la descarga del cepillo

La mayoría de los diseños de bobinas de Tesla tienen un electrodo metálico liso de forma esférica o toroidal en el terminal de alto voltaje. El electrodo sirve como una placa de un condensador , con la Tierra como la otra placa, formando el circuito sintonizado con el devanado secundario. Aunque el "toroide" aumenta la capacitancia secundaria, que tiende a reducir el voltaje pico, su efecto principal es que su superficie curva de gran diámetro reduce el gradiente de potencial ( campo eléctrico ) en el terminal de alto voltaje; Funciona de manera similar a un anillo de corona , aumentando el umbral de voltaje en el que se producen las descargas de aire, como las descargas de corona y de cepillo. ^{[30] La} supresión de la degradación prematura del aire y la pérdida de energía permite que el voltaje alcance valores más altos en los picos de la forma de onda, creando serpentinas más largas y espectaculares cuando finalmente se producen las descargas de aire. ^[24]

Si el electrodo superior es lo suficientemente grande y suave, es posible que el campo eléctrico en su superficie nunca llegue a ser lo suficientemente alto, incluso en el voltaje máximo, como para causar una descomposición del aire y no se producirán descargas de aire. Algunas bobinas de entretenimiento tienen un "punto de chispa" afilado que se proyecta desde el toro para iniciar las descargas. ^[30]

Tipos

El término "bobina de Tesla" se aplica a varios circuitos de transformadores resonantes de alto voltaje.

Excitación

Los circuitos de bobina Tesla se pueden clasificar según el tipo de "excitación" que utilizan, qué tipo de circuito se utiliza para aplicar corriente al devanado primario del transformador resonante: ^{[15] [31] [32]}

• Bobina Tesla excitada por chispa o por chispa (SGTC) : este tipo utiliza una chispa para cerrar el circuito primario, excitando oscilaciones en el transformador resonante. Los descargadores de chispas tienen desventajas debido a las altas corrientes primarias que deben manejar. Producen un ruido muy fuerte durante el funcionamiento, gas ozono nocivo y altas temperaturas que pueden requerir un sistema de enfriamiento. La energía disipada en la chispa también reduce el factor Q y el voltaje de salida. Las bobinas de Tesla estaban todas excitadas por chispas.
  • Descarga de chispas estática : este es el tipo más común, que se describió en detalle en la sección anterior. Se utiliza en la mayoría de bobinas de entretenimiento. Un voltaje de CA de un transformador de suministro de alto voltaje carga un capacitor, que se descarga a través del espacio de chispas. La velocidad de chispa no es ajustable, pero está determinada por la frecuencia de línea de 50 o 60 Hz. Pueden ocurrir múltiples chispas en cada semiciclo, por lo que los pulsos de voltaje de salida pueden no estar igualmente espaciados.
  • Descarga de chispas activada estática : los circuitos comerciales e industriales a menudo aplican un voltaje de CC de una fuente de alimentación para cargar el condensador y utilizan pulsos de alto voltaje generados por un oscilador aplicado a un electrodo de activación para activar la chispa. ^{[16] [32]} Esto permite controlar la velocidad de chispa y el voltaje de excitación. Los descargadores de chispas comerciales a menudo están encerrados en una atmósfera de gas aislante, como hexafluoruro de azufre , lo que reduce la longitud y, por lo tanto, la pérdida de energía en la chispa.
  • Espacio de chispa giratorio : utilizan un espacio de chispa que consta de electrodos alrededor de la periferia de una rueda girada a alta velocidad por un motor, que crean chispas cuando pasan por un electrodo estacionario. ^[32] Tesla usó este tipo en sus grandes bobinas, y se utilizan hoy en día en grandes bobinas de entretenimiento. La rápida velocidad de separación de los electrodos apaga la chispa rápidamente, lo que permite un apagado de "primera muesca", lo que hace posible voltajes más altos. La rueda generalmente es impulsada por un motor síncrono , por lo que las chispas se sincronizan con la frecuencia de la línea de CA, y la chispa se produce en el mismo punto de la forma de onda de CA en cada ciclo, por lo que los pulsos primarios son repetibles.

Un simple circuito de bobina Tesla de estado sólido resonante en el que el extremo de tierra del secundario suministra la fase de corriente de retroalimentación al oscilador del transistor

Interior de una bobina Tesla de estado sólido. Los transistores que conmutan la corriente primaria están montados en el disipador de calor de aluminio (derecha) .

• Bobina Tesla conmutada o de estado sólido (SSTC) : utilizan dispositivos semiconductores de potencia , generalmente tiristores o transistores como MOSFET o IGBT , ^[16] activados por un circuito oscilador de estado sólido para conmutar pulsos de voltaje de una fuente de alimentación de CC a través del devanado primario . ^[32] Proporcionan excitación pulsada sin las desventajas de una descarga de chispas: el ruido fuerte, las altas temperaturas y la baja eficiencia. La forma de onda de voltaje, frecuencia y excitación se puede controlar con precisión. Los SSTC se utilizan en la mayoría de las aplicaciones comerciales, industriales y de investigación ^[16] , así como en bobinas de entretenimiento de mayor calidad.
  • Bobina Tesla de estado sólido resonante simple (SRSSTC) : en este circuito, el primario no tiene un condensador resonante y, por lo tanto, no es un circuito sintonizado; solo lo secundario es. Los pulsos de corriente al primario desde los transistores de conmutación excitan la resonancia en el circuito sintonizado secundario. Los SSTC de sintonización única son más simples, pero generalmente el circuito resonante tiene un factor Q más bajo y no puede producir un voltaje tan alto a partir de una potencia de entrada determinada como el DRSSTC.
  • Bobina Tesla de estado sólido de doble resonancia (DRSSTC) : el circuito es similar al circuito excitado por chispa sintonizado doble, excepto que en lugar del transformador de alimentación de CA ( T ) en el circuito primario, una fuente de alimentación de CC carga el condensador y en lugar del Los interruptores semiconductores de chispa completan el circuito entre el condensador y la bobina primaria.
  • Bobina de Tesla cantada o bobina de Tesla musical : este no es un tipo de excitación separado, sino una modificación del circuito primario de estado sólido para crear una bobina de Tesla que se puede tocar como un instrumento musical, con descargas de alto voltaje que reproducen tonos musicales simples. Los pulsos de voltaje de excitación aplicados al primario se modulan a una velocidad de audio mediante un circuito "interruptor" de estado sólido, lo que hace que la descarga del arco del terminal de alto voltaje emita sonidos. Hasta ahora solo se han producido tonos y acordes simples; la bobina no puede funcionar como un altavoz , reproduciendo música compleja o sonidos de voz. La salida de sonido se controla mediante un teclado o un archivo MIDI aplicado al circuito a través de unainterfaz MIDI . Sehan utilizadodostécnicas de modulación : AM ( modulación de amplitud del voltaje de excitación) y PFM ( modulación de frecuencia de pulso ). Estos se construyen principalmente como novedades para el entretenimiento.
• Onda continua : En estos el transformador es impulsado por un oscilador de retroalimentación , que aplica un pulso de corriente al devanado primario en cada ciclo de la corriente de RF, excitando una oscilación continua. ^[32] El circuito sintonizado primario sirve como circuito tanque del oscilador, y el circuito se asemeja a un transmisor de radio . A diferencia de los circuitos anteriores que generan una salida pulsada, generan una salida de onda sinusoidal continua . Los tubos de vacío de potencia se utilizan a menudo como dispositivos activos en lugar de transistores porque son más robustos y tolerantes a las sobrecargas. En general, la excitación continua produce voltajes de salida más bajos de una potencia de entrada dada que la excitación pulsada. ^[32]

Numero de bobinas

Los circuitos Tesla también pueden clasificarse según la cantidad de bobinas resonantes ( inductores ) que contienen: ^{[33] [34]}

• Dos bobinas o circuitos de doble resonancia : prácticamente todas las bobinas Tesla presentes utilizan el transformador resonante de dos bobinas , que consta de un devanado primario al que se aplican pulsos de corriente y un devanado secundario que produce el alto voltaje, inventado por Tesla en 1891. El término "Bobina de Tesla" normalmente se refiere a estos circuitos.
• Tres bobinas , de triple resonancia , o la lupa circuitos: Estos son circuitos con tres bobinas, con base en el circuito "de aumento del transmisor" de Tesla, que comenzó a experimentar con algún momento antes de 1898 e instalado en su laboratorio de Colorado Springs 1899-1900, y patentado en 1902. ^{[35] [36] [37]} Consisten en un transformador elevador de núcleo de aire de dos bobinas similar al transformador Tesla, con el secundario conectado a una tercera bobina no acoplada magnéticamente a las otras, llamada "extra" o " bobina resonador ", que se alimenta en serie y resuena con su propia capacitancia. La salida se toma del extremo libre de esta bobina. La presencia de tres circuitos de tanque de almacenamiento de energía le da a este circuito un comportamiento resonante más complicado. ^[38] Es objeto de investigación, pero se ha utilizado en pocas aplicaciones prácticas.

Historia

El transformador resonante excitado por chispa de Henry Rowland de 1889, ^[39] un predecesor de la bobina Tesla. ^[40]

Pasos en el desarrollo de Tesla del transformador Tesla alrededor de 1891. (1) Transformadores de núcleo cerrado utilizados a bajas frecuencias, (2-7) reorganización de los devanados para reducir las pérdidas, (8) núcleo de hierro eliminado, (9) núcleo parcial, (10– 11) transformador Tesla cónico final, (12-13) circuitos de bobina Tesla ^{[41] [42] [43]} y Elihu Thomson ^{[40] [44] [45]}

La oscilación eléctrica y los circuitos transformadores de núcleo de aire resonantes se habían explorado antes de Tesla. ^{[46] [45] Los} circuitos resonantes que utilizan jarras de Leyden fueron inventados a partir de 1826 por Felix Savary , Joseph Henry , William Thomson y Oliver Lodge . ^[47] y Henry Rowland construyó un transformador resonante en 1889. ^[40] Elihu Thomson inventó el circuito de bobina Tesla de forma independiente al mismo tiempo que Tesla. ^{[48] [49] [50] [39]} Tesla patentó su circuito de bobina Tesla el 25 de abril de 1891. ^{[51] [2]} y lo demostró públicamente por primera vez el 20 de mayo de 1891 en su conferencia " Experimentos con corrientes alternativas de muy alta frecuencia. y su aplicación a métodos de iluminación artificial ”ante el Instituto Americano de Ingenieros Eléctricos en Columbia College , Nueva York. ^{[52] [53] [43]} Aunque Tesla patentó muchos circuitos similares durante este período, este fue el primero que contenía todos los elementos de la bobina Tesla: transformador primario de alto voltaje, condensador, chispa y "transformador de oscilación" con núcleo de aire. .

Bobinas de Tesla de hoy en día

Descarga eléctrica que muestra los filamentos de plasma parecidos a un rayo de una 'bobina de Tesla'

Bobina de Tesla (descarga)

Bobina de Tesla en terrario (I)

Los entusiastas modernos del alto voltaje generalmente construyen bobinas de Tesla similares a algunos de los diseños de núcleo de aire de dos bobinas "posteriores" de Tesla. Por lo general, estos consisten en un circuito de tanque primario , un circuito LC ( inductancia - capacitancia ) en serie compuesto por un capacitor de alto voltaje , descarga de chispas y bobina primaria , y el circuito LC secundario, un circuito resonante en serie que consta de la bobina secundaria más un capacitancia terminal o "carga superior". En el diseño más avanzado (lupa) de Tesla, se agrega una tercera bobina. El circuito LC secundario está compuesto por una bobina secundaria de transformador de núcleo de aire estrechamente acoplada que impulsa la parte inferior de un resonador helicoidal de tercera bobina independiente. Los sistemas modernos de 2 bobinas utilizan una sola bobina secundaria. La parte superior del secundario se conecta a un terminal de carga superior, que forma una 'placa' de un condensador , siendo la otra 'placa' la tierra (o " tierra "). El circuito LC primario está sintonizado para que resuene a la misma frecuencia que el circuito LC secundario. Las bobinas primaria y secundaria están acopladas magnéticamente, creando un transformador de núcleo de aire resonante de doble sintonía. Las primeras bobinas Tesla aisladas con aceite necesitaban aisladores grandes y largos en sus terminales de alto voltaje para evitar descargas en el aire. Más tarde, las bobinas de Tesla extienden sus campos eléctricos a distancias más grandes para evitar tensiones eléctricas elevadas en primer lugar, lo que permite el funcionamiento al aire libre. La mayoría de las bobinas Tesla modernas también utilizan terminales de salida en forma de toroide. A menudo, estos se fabrican con metal hilado o conductos de aluminio flexible. La forma toroidal ayuda a controlar el alto campo eléctrico cerca de la parte superior del secundario al dirigir las chispas hacia afuera y lejos de los devanados primario y secundario.

Una versión más compleja de una bobina de Tesla, denominada "lupa" por Tesla, utiliza un transformador de "controlador" de resonancia de núcleo de aire más estrechamente acoplado (o "oscilador maestro") y una bobina de salida más pequeña, ubicada remotamente (llamada el "extra" bobina "o simplemente el resonador ) que tiene un gran número de vueltas en una forma de bobina relativamente pequeña. La parte inferior del devanado secundario del conductor está conectada a tierra. El extremo opuesto está conectado a la parte inferior de la bobina adicional a través de un conductor aislado que a veces se llama línea de transmisión. Dado que la línea de transmisión opera a voltajes de RF relativamente altos, generalmente está hecha de tubería de metal de 1 "de diámetro para reducir las pérdidas de corona. Dado que la tercera bobina está ubicada a cierta distancia del controlador, no está acoplada magnéticamente a ella. La energía de RF es en cambio, directamente acoplado desde la salida del controlador a la parte inferior de la tercera bobina, lo que hace que "suene" a voltajes muy altos. La combinación del controlador de dos bobinas y el tercer resonador de bobina agrega otro grado de libertad al sistema, lo que hace que la sintonización sea considerablemente más compleja que la de un sistema de 2 bobinas. La respuesta transitoria para múltiples redes de resonancia (de las cuales la lupa Tesla es un subconjunto) solo se ha resuelto recientemente. ^[54] Ahora se sabe que una variedad de Se encuentran disponibles "modos" de sintonización útiles, y en la mayoría de los modos de funcionamiento, la bobina adicional sonará a una frecuencia diferente a la del oscilador maestro. ^[55]

Conmutación primaria

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Demostración de la bobina Tesla gemela prototipo a escala 1:12 del Laboratorio de rayos de Nevada en la Maker Faire 2008