Construcción de una bobina Tesla
3. (3ª PRÁCTICA)- BOBINA TESLA (SGTC) y (SSTC)
3.1. Objetivo de esta práctica en particular
El objetivo principal de esta práctica en particular, tal vez más visual y bonita de este
proyecto de fin de curso, es la construcción de una bobina Tesla de tamaño reducido debido
al espacio limitado del cual se dispone para la demostración en público, el cual teníamos que
tener en cuenta a causa de las descargas eléctricas.
En la primera prueba vamos a construir una Spark Gap Tesla Coil (SGTC), llamada así por
el spark gap que la caracteriza y es la clave para crear la frecuencia oscilante amortiguada.
3.2. Historia de la bobina tesla
La Bobina Tesla es un tipo de transformador el cual es capaz de emitir descargas eléctricas
que pueden llegar a medir varios metros, dependiendo del tamaño, y emitir luz por medio de
generación de pulsos de alta tensión que en nuestro caso se producen en el valor que oscila
la frecuencia resonante. Fue inventada por Nikola Tesla el año 1891 la edad de los 35 años.
Unos de los múltiples efectos que causa y que la gente desconoce y que se produce en esta
práctica que vamos a realizar, es el mito del “skin effect”, llamado así por el efecto que se
origina en la piel. Dicho efecto se produce cuando la corriente alterna es de alta frecuencia.
Centrándonos un poco más en el “skin effect”, se basa en la alta frecuencia, ya que a baja
frecuencia la corriente fluye por nuestro cuerpo, intentando circular por las zonas mejor
conductoras de nuestro cuerpo, el sistema nervioso o circulatorio. Pero de alguna manera, la
corriente a frecuencias superiores a 15 y 20 KHz, no produce una descarga letal para nuestro
cuerpo, ya que a altas frecuencias lo que sucede, es que la corriente circula por la superficie
de la piel, y al circular por la piel, no produce daños a las zonas más sensibles del cuerpo y
además la piel tiene una resistencia mucho mayor a la de otras zonas del cuerpo. Para que la
descarga fuera letal, los nervios del sistema nervioso deberían ser activados mediante el flujo
de un número significativo de iones que cruzaran la membrana de los nervios antes que la
corriente se revierta, ya que la corriente es alterna. Por lo tanto sí que podemos tocar las
descargas de corona, pero aun pudiendo tocar dichas descargas, se han demostrado casos,
los cuales han sufrido daños temporales en tejidos, también hormigueo y dolor en
articulaciones durante horas e incluso días. Por otra banda, tampoco es muy seguro tocar una
descarga de corona, ya que incluso si no nos matara el flujo de la corriente por nuestro
cuerpo, algunas bobinas Tesla de tamaño considerable o niveles altos de voltaje (250.000-
500.000 voltios), las descargas de corona pueden causar quemaduras que puedan quemar la
piel e incluso llegar al hueso en niveles extremos. Por lo tanto, en consecuencia a dichos
riesgos, muchos investigadores que han construido una bobina Tesla, han optado por usar
medios de protección para poder observar desde bastante cerca dichos efectos de descarga
de corona, mediante el uso de una jaula de Faraday o trajes de cota de mallas, para evitar la
penetración y el flujo de la corriente por el cuerpo.
3.3. Elementos (SGTC)
3.3.1. Esquema básico
Este tipo de esquema lo escogimos por su particular configuración electrónica, a pesar de
que durante nuestra investigación de la bobina tesla encontramos multitud de esquemas,
escogimos esta por la posición que ocupaba el spark gap o explosor, ya que nos permitía
proteger el transformador primario de las radiofrecuencias (entre 3 KHz y unos 300 GHz) y
también al mismo tiempo facilitar los cálculos para poder realizar la doble resonancia que se
establece entre el circuito primario y el secundario, que ya explicaremos en el apartado de
medidas; ya que si intercambiáramos las posiciones del spark gap y el condensador primario,
tendríamos que tener en cuenta la impedancia de la bobina del transformador.
Por lo contrario a pesar de haber escogido este esquema eléctrico, vamos a mostrarles y
explicar las diferentes posibilidades que se nos presentaron. Primero de todo vamos a
explicar el esquema principal y básico para la comprensión para después entender el porqué
de nuestra elección de entre las múltiples posibles. A continuación les presentamos el
circuito con los detalles del proceso:
Aquí podemos observar el proceso de carga y descarga del circuito. Primero de todo la
corriente que ha sido transformada previamente en el transformador a 10 KV, circula hasta
el condensador ya que por el spark gap la corriente no puede circular a causa de que no tiene
el voltaje suficiente como para romper la tensión de ruptura del aire; cuando la corriente
circula por el condensador y por consiguiente se produce un proceso de carga (mostrada la
gráfica en el extremo inferior izquierdo de la imagen), al almacenarse un cierto voltaje,
cuando llega al valor mínimo para poder romper la tensión de ruptura del aire en el spark
gap, es cuando se produce el cierre del circuito, al cerrarse se genera la frecuencia oscilante
amortiguada, (mostrada en el margen inferior derecho de la imagen), con la cual, al ser
generada dicha frecuencia, se produce el efecto de resonancia ya que previamente en los
cálculos de calibración de la bobina primaria y el condensador primario han sido
sintonizados a una determinada frecuencia (133 KHz). A continuación, cuando el circuito se
cierra, al circular corriente a una determinada frecuencia, se transmite la corriente a la bobina
del circuito secundario y por consiguiente al tener una relación de 5:500 (x:xx, la primera x,
es el número de espiras de la bobina primaria, la xx, es el número de espiras de la bobina
secundaria) espiras, por el principio de los transformadores sube la tensión y se reduce la
intensidad drásticamente. Al subir tanto la tensión del circuito secundario, se producen
descargas de corona, causadas por el hecho de que la “corona” o solenoide, al tener tanta
tensión se producen efectos parásitos de carga eléctrica por lo cual debe considerarse la
capacidad del toroide, y de esta manera podemos ajustar su capacidad para que se produzca
otra resonancia en el circuito secundario y de esa manera conseguir una doble resonancia.
Para concluir con el proceso, el toroide al comportarse como un condensador y almacenar
carga eléctrica, al alcanzar una determinada tensión, es cuando se producen las descargas de
corona o descargas eléctricas.
Ahora les presentaremos la variación que hicimos en el cambio del spark gap por el
condensador primario:
A primera vista se puede observar una clara diferencia entre el circuito A y el circuito B, al
variar la posición del spark gap, cuando se cierra el circuito B (donde el spark gap está
cambiado), podemos observar que la corriente circula por un instante por la zona marcada,
con lo cual es suficiente para proteger el transformador de las radiofrecuencias, a causa de
que la frecuencia generada al ser amortiguada, disminuye lo suficiente para no dañar el
transformador, y si además añadimos que el spark se cierra con ciclos o períodos del orden
de segundos, podemos decir que la corriente circula prácticamente por la zona marcada y
solamente se reinicia el proceso cuando el condensador tiene que volver a cargarse y como
ya hemos dicho, igualmente no se daña el transformador por la reducción de la frecuencia.
3.3.2. Como inventó el esquema eléctrico Nikola Tesla
Nikola Tesla un magnífico ingeniero, que para realizar todo el esquema de la bobina Tesla
tuvo que inventar previamente varias cosas y solucionó muchos aspectos de los cuales eran
inimaginables en esa época. Primero de todo para crear la variación del flujo magnético en
las bobinas tuvo que inventar un “aparato” que le transformase la corriente continua a
corriente alterna, ejemplo:
De esta manera al tener ya corriente alterna tuvo que inventar un sistema que le produjera la
frecuencia necesaria para que las bobinas y condensadores resonasen por consiguiente se
obtiene muy poca pérdida de potencia, ya que al resonar la impedancias se reducen (en caso
ideal a 0) y al reducirse solo “queda” la resistencia de los cables, por lo tanto prácticamente
nula; el spark gap era la solución que realizó, un sistema muy ingenioso propio de un genio
como él, pero había un problema, para poder hacer que el circuito se cerrase y por lo tanto
que el spark gap funcionara, necesitaba algo que elevara la tensión mucho para poder romper
la tensión del aire, ya que en aquel entonces el sistema que él inventó para poder transformar
la corriente continua a alterna tenía poca tensión de salida y entonces puso un transformador
que le crease dicha tensión necesaria. Este fue el racionamiento por el cual hemos
investigado y razonado sobre como lo hizo el ingenioso e increíble Nikola Tesla.
3.3.3. Transformador de alta tensión
El transformador de alta tensión es una de las claves de la Spark Gap Tesla Coil, ya que
eleva la tensión de 220-230 V a tensiones que varían dependiendo de la potencia que se
quiera alcanzar en la bobina Tesla, variando desde 8 KV hasta los 20 KV. Esto permite que
se produzca o se alcance la tensión necesaria en el proceso de carga de los condensadores
para poderse cerrar el circuito mediante el spark gap.
3.3.4. Condensador primario
El condensador primario es una de las piezas más sensibles de este trabajo ya que tiene que
soportar tensiones e intensidades muy altas y por consiguiente debe cumplir una serie de
necesidades básicas para el correcto funcionamiento al ser una pieza esencial, ya que junto
con el spark gap y la bobina primaria tienen que generar los pulsos de alta frecuencia:
1- Tener una alta resistencia dieléctrica, ya que el condensador debe soportar altos voltajes
y si el material del condensador no tuviera una buena resistencia dieléctrica podría romperse
el condensador.
2- Material dieléctrico por el cual está formado que soporte radiofrecuencias, ya que al estar
sometido a radiofrecuencias, el dieléctrico está expuesto a cientos de miles de ciclos por
segundo y por lo tanto la energía que circula por el condensador se convierte en calor y eso
afecta a la estructura molecular del dieléctrico y por lo tanto que no tenga un comportamiento
adecuado respecto la función que debe satisfacer en el circuito.
3.3.5. Bobina primaria
La bobina primaria es un arrollamiento de cable sobre sí mismo, el cual debe de ser de baja
inductancia (µH) y gran conductividad eléctrica, al tener poca inductancia y ser un
arrollamiento de pocas espiras, al generar el campo magnético y por lo tanto producirse un
acoplamiento magnético con la bobina secundaria de cientos de espiras, se eleva mucho la
tensión del circuito secundario. La bobina primaria se puede hacer de diferentes formas,
forma plana, forma cónica, “invertida e incluso en forma de solenoide que resulta ser de las
que suele tener mayor acoplamiento con la bobina secundaria ya que el flujo que traviesa
cubre mucha superficie. Es conveniente usar tubo de fontanería ya que usar cable macizo no
vale la pena, a causa del aumento de coste del precio y el efecto skin ya que la corriente solo
circula por la superficie del conductor.
Para nuestra bobina hemos utilizado 10 vueltas de cobre de 12 mm de diámetro arrollados
de forma de espiral cónica invertida para aumentar el factor de acoplamiento entre la bobina
primaria y la secundaria, tampoco hemos querido usar un solenoide a causa de que un factor
de acoplamiento (k) superior a 0.3 o 0.4 puede causar arcos entre las dos bobina a causa de
la elevada tensión generada y por lo tanto podría darse el caso de quemarse el cable o el
barniz de cable especial para bobinar (barnizado especial).
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