Tesla coil, teoria e formule

Tesla coil, teoria e formule (4.25/5) su 40 voti

laboratorio di nikola teslaNikola Tesla (1856–1943) tra le sue innumerevoli ed incredibili invenzioni/intuizioni, diede vita anche a questa curiosa macchina capace di generare scariche ad altissima tensione.

Per molti un teslacoil è un trasformatore, ma si tratta di un termine inadatto: la bobina di tesla non si basa sul principio di funzionamento del comune trasformatore a semplice induzione!

Esistono vari tipi di teslacoils:
- SSTC (Solid State Tesla Coil): questa tipologia di teslacoil è definita a “stato solido” poichè è controllata da un circuito elettronico senza parti in movimento e senza spark gap. La frequenza di risonanza è generata direttamente da un circuito elettronico dedicato.

- VTTC (Vacuum Tube Teslacoil): per gli amanti del genere, questi teslacoil funzionano a valvole. Per ottenere scariche veramente interessanti e salire di potenza, è necessario trovare enormi valvole di tipo militare come le GU81M in qualche mercatino specializzato o in fiera dell’elettronica. La particolarità dei teslacoil a valvole è che funzionando ad alta frequenza, rendono le scariche innocue per via dell’effetto pelle, e le si possono toccare con le dita!

- SGTC (Spark Gap Tesla Coil): questo è il piu famoso e classico teslacoil, che spiegheremo di seguito. Basa il suo funzionamento sul corretto dimensionamento di pochi componenti.
Lo scopo in qualsiasi caso è quello di generare sull’avvolgimento primario una frequenza risonante con il circuito secondario, che deve riceverne l’energia come una vera e propria antenna, trasformandola però a tensioni elevatissime diminuendo conseguentemente l’amperaggio: infatti non si tratta di free energy, poichè l’energia in uscita non supera quella che sprechiamo per alimentare la bobina stessa.

Come funziona?

Una teslacoil SGTC basa il suo funzionamento su due circuiti oscillanti alla stessa frequenza:

CIRCUITO PRIMARIO(LC1)           CIRCUITO SECONDARIO(LC2)

Circuito oscillante primarioCircuito oscillante secondario

Un generatore produce ad una frequenza di 50hz l’alta tensione, solitamente tra i 4 ed i 12kv descrivendo un’onda che si ripete nel tempo per 50 volte al secondo:

carica del condensatore primario

Quando la semionda di rete sta salendo verso l’alto, il condensatore primario si carica e lo spark gap, che funziona come un interruttore automatico, rimane aperto in modo da permettere la carica del condensatore. Il circuito deve essere progettato in modo che lo spark gap si chiuda quando la semionda raggiunge il suo punto massimo e che in questo momento il condensatore primario sia al massimo della carica!

reazione di oscillazione

Quando lo spark gap si chiude, il generatore alta tensione viene elettricamente separato dal circuito formato dal condensatore e dall’avvolgimento primario. In questa condizione il condensatore entra in oscillazione con il primario, ed effettivamente funzionano come un trasmettitore la cui frequenza è la frequenza di risonanza del circuito LC:

oscillazione LC primario

L’oscillazione del circuito LC si ripete finchè la carica non viene esaurita. Quando la carica del condensatore viene totalmente dissipata durante l’oscillazione, lo spark gap non ha piu energia sufficente per rimanere attivo, quindi si apre nuovamente, ed inizia un nuovo ciclo di carica del condensatore primario, ripetendo così i passi precedenti. Questo circuito senza il secondario, è solo una potente trasmittente a radio frequenza. Il circuito secondario in poche parole è un circuito che oscilla alla stessa frequenza del primario, però il valore di induttanza dell’avvolgimento secondario è molto piu grande e per avere comunque la medesima frequenza ed ottenere l’accoppiamento, viene affiancato da un condensatore piu piccolo rispetto al primario (il toroide). Questa è la differenza che introduce l’amplificazione voltaica!

Per un’ottima configurazione del secondario, si consiglia di tararlo ad 1/4 della sua frequenza naturale di oscillazione, questo permette di ottenere nel punto piu alto della bobina la massima tensione (o almeno così dice la leggenda, e i dati confermano…) Per ottenere questa frequenza si usa appunto aggiungere sulla sommità un toroide od una sfera della giusta capacità.

Immaginando l’onda di carica che si sviluppa a fianco della bobina, si fa cadere il punto di picco proprio sulla sommità, all’ultima spira: qui abbiamo dunque la massima tensione e la minima corrente, così da ottenere scariche meno pericolose e piu lunghe! Se il circuito non fosse dimensionato in modo corretto ed il punto di picco fosse piu in basso, lungo l’avvolgimento, questo potrebbe creare delle scariche superficiali alla bobina con la conseguente rottura dell’isolante e cortocircuito dell’avvolgimento… Anch’io alla prima letta non ci ho capito un granchè, ho dovuto leggerlo diverse volte prima di assimilare il concetto di funzionamento, ed ancora c’è qualche “mistero” da chiarire…Ma possiamo fare un esempio piu comune per dare comunque l’idea di come avviene l’amplificazione di tensione:

Esempio pratico…

Immaginate di essere sull’altalena, voi dondolate le gambe avanti ed indietro: inizialmente l’altalena a malapena oscilla, ma insistendo l’oscillazione aumenterà sempre di piu. In questo esempio le vostre gambe sono il primario, e l’altalena il secondario. Continuando a dondolare le gambe (il primario che consuma la sua carica oscillando) aumenterete sempre piu’ l’oscillazione dell’altalena finchè non arriverà a seguire esattamente il moto delle vostre gambe; ma insistendo ulteriormente aumenterà ancora, portandovi sempre piu in alto. Questo è l’incremento di tensione! Il primario continua a trasmettere la sua energia al secondario che già sta oscillando, sommando le due onde ad ogni nuova oscillazione, proprio come un’altalena. Ecco perchè è importantissimo che i due circuiti oscillino alla stessa frequenza! Se voi dondolate le gambe al contrario dell’altalena, questa si fermerà molto presto…

Dimensionare i componenti

Consideriamo un generatore alta tensione che fornisce 6kv e 100mA a 50hz. L’impedenza Z del generatore è:

Z = V / I = 6000(v) / 0.1(A) = 60Kohm

La capacità C1 per ottenere la stessa impedenza sarà:

C1 = 1 / (2 * Pi * f * Z) = 1 / (2 * Pi * 50(hz) * 60000(ohm)) = 53.87nF

Determinare la capacità del toroide:

Conoscendo L2 come induttanza dell’avvolgimento secondario ed Fq come frequenza al quarto d’onda della bobina:

C2= 1 / (4*Pi2*Fq2*L2)

Calcolare l’induttanza necessaria all’avvolgimento primario:

Conoscendo Fq come frequenza alquarto d’onda del secondario, e C1 come valore del condensatore primario:

L1 = 1 / (4Pi2*Fq2*C1)

Per una progettazione piu dettagliata e precisa

Potete scaricare il programma “Ghost Teslacoil Editor” che trovate nel menu qui a sinistra. Oppure chiedete informazioni via e-mail!

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