Bobina Tesla

Una bobina Tesla es una oportunidad para comprobar algunos principios del electromagnetismo clásico.  En este artículo se propone como hacer una bobina Tesla de baja tensión que puede ser acometida por cualquier aficionado o en el aula.  No tiene la espectacularidad de las que lanzan grandes rayos de alta tensión y tampoco su peligrosidad.  Pero antes de nada…

¡Veámosla funcionando!

Este diseño enciende una bombilla de 8 W a 10 cm y la mantiene encendida hasta una distancia de 30 cm. Tiene 113 V en el sombrerete, alimentación a 20 V, 65 W, y oscila a 1,2 MHz.

Principios físicos de la bobina Tesla

  • Acoplamiento electromagnético de bobinas: Se rodea una bobina de 900 espiras (secundario) con otra de 6 espiras (primario). Se pasa una corriente alterna por el primario de modo que se genera un flujo magnético en el interior (Ley de Faraday). Este flujo magnético variable debe generar un campo eléctrico (Ley de Ampère generalizada) en el secundario. Dado que el número de espiras es muy diferente, la tensión en el secundario es mucho mayor que en el primario, digamos que cada espira funciona como una pequeña pila en serie, y en este caso convierte 9V en 113V. El acoplamiento no es completo ya que el núcleo es de aire, si fuera de ferrita esperaríamos una tensión mucho mayor en el secundario. El núcleo de aire es necesario para permitir la oscilación del circuito en el rango de 1 MHz con la finalidad de que exista emisión electromagnética.
  • Oscilación del circuito LC en resonancia: La conocida forma de la bobina secundaria con sombrero forma un circuito resonante LC. La capacidad se forma entre el sombrero y las espiras de la bobina, y la frecuencia de resonancia es f=\frac{1}{2 \pi \sqrt{LC}}
  • Campos creados por cargas aceleradas: Este tema se toca desde un punto de vista más teórico en el artículo sobre las ecuaciones de Maxwell. Para el caso que nos interesa, las cargas eléctricas aceleradas por las corrientes oscilantes del bobinado secundario generan un campo electromagnético radiante.  Este campo es el que encenderá la bombilla.

Construcción de las bobinas y sombrerete

  • El bobinado secundario, el más conocido por su aspecto de torre característico, se puede enrollar sobre cualquier tubo cilíndrico usando cable de cobre esmaltado. En este caso se han bobinado 900 espiras con paciencia sobre un tubo de riego de 3 cm de diámetro de hilo de 0’35 mm.
  • El bobinado primario son 8 espiras de hilo de cobre esmaltado de 1,2 mm sobre un tubo de 4 cm de diámetro.
  • Para construir el sombrerete, un trozo de corrugado forrado con papel de aluminio va bien.
Bobina Tesla sombrerete

El circuito

Se ha realizado con un transistor de potencia MOSFET, un IRFP460N de canal N. La fuente de alimentación es una de 65 W de un portátil absoleto. A grandes rasgos el transistor tiene como carga el primario. La polarización del MOSFET se realiza con el divisor R1-R2 implementado con un potenciómetro. Para arrancar la oscilación el transistor se polariza entre 3 V – 4V girando en potenciómetro. Si se desea la mayor potencia posible se puede subir un poco más, pero la vida del transistor disminuirá bastante si se calienta mucho o por simple exceso de amperaje.

Bobina Tesla MOSFET

Cuando el transistor entra en conducción, se produce un pulso en el primario que se transmite al secundario. Este pulso del secundario se realimenta en la puerta del transistor, que lo pone en corte. Una vez en corte, el transistor entra de nuevo en conducción por la polarización del divisor. El proceso se repite indefinidamente, y el retraso es precisamente la frecuencia de oscilación propia de la bobina secundaria.

La tensión en la puerta llega a 9 V y en drenador 113 V, lo que hay que tener en cuenta a la hora de elegir el transistor. Por ejemplo el MOSFET IRFP150N llega a 100 V en drenador-fuente y se rompe a los pocos minutos de funcionamiento. Finalmente se optó por un IRFP460N que alcanza 500 V y 20 A.

Una vez que está funcionando, aparece en rojo la tensión en la puerta (Gate) y en azul la tensión en drenador (Drain) con la sonda x10 del osciloscopio, oscila a 1,2 Mhz.

Bobina Tesla frecuencia resonancia

Una posible mejora del circuito: Resonancia en el primario

Visto que la resonancia del circuito es de 1,2 MHz, se puede plantear realizar un primario resonante. Téngase en cuenta que la capacidad parásita de los MOSFET puede ser muy importante y en concreto en el IRFP150N un valor típico es nada menos que 1 nF. Esta capacidad se puede aprovechar para fabricar un primario LC resonante en serie a la misma frecuencia que el secundario, usando la técnica de variar el número de espiras del primario.

Bobina Tesla Mosfet, capacitancia transistor
Capacitancia del IRFP150N

Se comprobó enviando pulsos cuadrados (rojo) a la puerta del transistor, sin bobina secundaria, que el transitorio del primario con 4 espiras era de 1,92 MHz.

Bobina tesla resonancia primario

Se comprobó después enviando pulsos cuadrados (rojo) a la puerta del transistor, sin bobina secundaria, que el transitorio del primario con 9 espiras era de 1,47 MHz.

Bobina Tesla resonancia primario

Añadiendo unas cuantas espiras más se puede conseguir un primario de 1,2 MHz. Esta mejora queda pendiente en este proyecto; suponemos que puede generar más tensión en el secundario (brillo en la lamparita), aunque no creemos que llegue a forzar el transistor.

A micrófono cerrado

  • Para llegar a este circuito con la fuente de 65 W, se fundieron en las pruebas unos cuantos MOSFET de menor potencia (KHB7D0N65P1/F1), y alguno explotó también.  Además se llegó también a fundir la vaina aislante del cable del primario que era de plástico -por efecto Joule- en una de las versiones.  Posteriormente se realizó el primario en cobre esmaltado de 1,2 mm.  También se recalentaron varias resistencias de 1/4 W hasta que quemaban, y al final se realizó el divisor con un potenciómetro de los de vástago en el eje.
  • Muy recomendable realizar este tipo de amplificadores de realimentación positiva con transistores MOSFET por su limitación de corriente de drenador, y para que no sean destruidos en las pruebas tan alegremente. Se probó por ejemplo con un KHB7D0N65P1/F1, que viene limitado a 10 A, pero la potencia no llegaba para encender una bombilla de 8 W, con lo que se pasó al IRFP150N que alcanza los 40 A 100 V 1,5€, o mejor al IRFP460N de 20 A, 500 V 3€.  La frecuencia de oscilación en todos los casos es la misma.
Bobina Tesla Mosfet
El MOSFET KHB7D0N65P1/F1 limitado en intensidad

Y hasta aquí llegamos en la explicación de como hacer una bobina Tesla de estado sólido. Espero haber aportado la gracia de hacerlo con MOSFET, que te haya gustado, y como siempre cualquier comentario, sugerencia o corrección son bienvenidos.

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