DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA BOBINA DE TESLA TESL A PARA LABORATORIO DE ELECTRONICA DE INSTITUCION UNIVERSITARIA PASCUAL BRAVO
CESAR AUGUSTO GUZMÁN DORIAN ALEXANDER SALAZAR MONTES
INSTITUCIÓN UNIVERSITARIA PASCUAL BRAVO TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA MEDELLÍN 2013
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA BOBINA DE TESLA TESL A PARA LABORATORIO DE ELECTRONICA DE INSTITUCION UNIVERSITARIA PASCUAL BRAVO
CESAR AUGUSTO GUZMÁN DORIAN ALEXANDER SALAZAR MONTES
Trabajo de Grado para obtener el título de Tecnólogo en Electrónica
VESNA SRDANOVIC Ingeniera en Electrónica con Maestría en Ingeniería
INSTITUCIÓN UNIVERSITARIA PASCUAL BRAVO TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA MEDELLÍN 2013
CONTENIDO Pagina INTRODUCCIÓN
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1. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA
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1.1 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
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2. JUSTIFICACIÓN
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3. OBJETIVOS
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3.1 OBJETIVO GENERAL
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3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
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4. MARCO TEÓRICO
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5. DESCRIPCIÓN TÉCNICA DEL PROYECTO
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6. METODOLOGÍA
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6.1 TIPO DE PROYECTO
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6.2 MÉTODO DE PROYECTO
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6.3 TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN
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6.3.1 Fuentes Primarias
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6.3.2 Fuentes Secundarias
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7. RECURSOS
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8. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES
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9. REFERENCIAS CIBERGRAFICAS
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LISTA DE FIGURAS
Nombre
Página
Componentes y esquema eléctrico
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Bobina primaria
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Bobina secundaria
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LISTA DE TABLAS
Nombre
Página
Recursos humanos
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Presupuesto
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Cronograma de actividades
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INTRODUCCIÓN
Este proyecto consiste en el diseño e implementación de una bobina de tesla en el laboratorio de electrónica de la institución universitaria pascual bravo, Con la realización de este proyecto veremos una importante alternativa de transporte de energía (electricidad) inalámbricamente. La bobina de Tesla, llamada así en honor a su inventor Nikola Tesla, Estas están compuestas por una serie de circuitos eléctricos (Transformador, Bobinas, Condensador, entre otros). Hacer una profunda investigación sobre la bobina de tesla puede tornarse muy interesante ya que indagaremos y luego la pondremos en práctica, la diseñaremos para implantarla en un laboratorio del pascual bravo. Sería un avance muy importante para muchos estudiantes que quieran, experimentar con ella y podrán poner en práctica conocimientos adquiridos en magnetismo, electricidad y entender mejor cómo funciona el transporte de la electricidad que en este caso se hace inalámbricamente. En realidad Nikola Tesla experimentó con una gran variedad de bobinas y configuraciones, así que es difícil describir un modo específico de construcción. Generalmente las bobinas de tesla crean descargas eléctricas de alcances del orden de metros, lo que hace muy interesante para la observación y experimentación.
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1. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA En la actualidad hay muchos medios por el cual los estudiantes pueden tener información sobre la electricidad y magnetismo, tales como los libros, el internet y personas que nos proporcionen nuevos conocimientos. En el laboratorio no existen equipos para realizar las practicas relacionadas con electromagnetismo, es muy importante para el beneficio de toda la comunidad pacualina ya que sería un proyecto muy innovador y por eso se consideramos beneficioso tener una Bobina de Tesla, que por medio de la cual se podrán realizar nuevos experimentos. Para el diseño y construcción de la Bobina de Tesla, es necesario realizar una investigación muy profunda. Una vez indagado y captado lo que se investigó, será necesario aplicar los conceptos en el diseño y la construcción práctica. De esta manera podremos entender que muchas veces la investigación teórica va de la mano con la construcción práctica. 1.1 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ¿Mejoraría en el aprendizaje para los estudiantes, en el campo de la inducción electromagnética, resonancia de las ondas electromagnéticas y electricidad, con la implementación de una Bobina de Tesla en el laboratorio de electrónica en la institución?
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2. JUSTIFICACIÓN
Con este proyecto de grado se pretende diseñar e instalar una Bobina de Tesla en el Laboratorio de Electrónica de la IU Pascual Bravo. Pondremos en práctica conocimientos de electricidad, magnetismo y transmisión de energía inalámbrica adquiridos en transcurso de estudio. La Bobina de Tesla puede llegar a ser de gran importancia para aprendizaje e investigación en la Institución, los estudiantes podrán poner en práctica los conceptos teóricos de magnetismo y electricidad. Finalmente los estudiantes saldrán beneficiados y podrán profundizar y visualizar el progreso que se va adquiriendo en el entorno de aplicaciones de magnetismo y electricidad. La Bobina de Tesla puede llegar a tener muchas aplicaciones, todo quedara a la necesidad y la imaginación de esta innovadora forma del transporte de electricidad.
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3. OBJETIVOS 3.1 OBJETIVOS GENERALES Diseño y construcción de un prototipo de una bobina de tesla para el laboratorio de Electrónica de IU Pascual Bravo, para fortalecer el aprendizaje y la demostración práctica de como transportar energía de forma inalámbrica. 3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS - Construcción de un transformador elevador de voltaje de 220V a 8000V. - Diseño del circuito oscilatorio del condensador y la bobina. - Diseño y construcción de las terminales. - Diseño de dispositivos de protección y seguridad. - Elaboración de un manual para el manejo y experimentación con la Bobina de Tesla.
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4. MARCO TEÓRICO Los principales componentes de la Bobina de Tesla son: transformador, condensador, explosor, bobina primaria, bobina secundaria, toroide y la RFC o bobina de choque. En la Figura 1 se puede observar perfectamente las componentes y el esquema eléctrico de la Bobina de Tesla.
Figura 1
“
componentes y esquema eléctrico
”
Transformador: Un transformador es una máquina eléctrica que transforma el nivel de voltaje y la corriente de una señal alterna sin afectar el factor de potencia. En la Bobina de tesla el transformador sirve para elevar el voltaje a un mínimo de 5kV para hacer posible el funcionamiento del explosor. En el diseño de esta se hace considerando un transformador primario (con núcleo 10
de acero) y a partir de este se seleccionan los parámetros de los demás elementos que componen una bobina de tesla. En este construiremos el transformador eleva el voltaje de 230V de la red a 8000V con 20mA de corriente o 120V a 15kV a 60mA. Con una impedancia nominal entre z=150 a 300kW.
Condensador : Es un dispositivo pasivo, utilizado en electricidad y electrónica, capaz de almacenar energía sustentando un campo eléctrico. El dieléctrico ideal para un condensador de descarga que posee un alto esfuerzo eléctrico y bajas perdidas resulta ser el polietileno de baja densidad. En una bobina Tesla sirve para accionar el explosor y para tener una reactancia determinada. Esta reactancia capacitiva ha de ser igual a la reactancia inductiva de la bobina primaria a la frecuencia resonante (la que crea el explosor). Debe ser un buen condensador y como no tenemos a nuestro alcance condensadores profesionales emplearemos los de polietileno. No se deben emplear condensadores cerámicos ya que al estar sometidos a tanto voltaje se rompen muy fácilmente. En el proyecto he construido un sistema de condensadores formado por 8 condensadores cerámicos de 15000VAC y 1nF cada uno, sumando un total de 8nF.
Explosor: Un explosor consiste de dos electrodos separados por aire. Normalmente se usan en media y alta tensión de manera que el aire actúa como una resistencia. Cuando hay suficiente diferencia de potencial entre los dos electrodos, la electricidad salta. Su función en una Bobina Tesla es variar la frecuencia de la bobina primaria para llegar a la frecuencia resonante. En continuación En el proyecto se va utilizar un explosor de 8 electrodos formando 4 saltos regulables.
Bobina Primaria: La bobina primaria tiene forma de una espiral plana. Y estará soportada en una plancha de cualquier material aislante (madera, 11
metacrilato u otros más económicos), su forma será cuadrada con un espesor de 8mm.
Figura 2 bobina primaria
El conductor es tubo de cobre de 5 o 6 mm. La espiral comienza con un radio de 75 mm y tiene un paso de 14 mm. Para mantener la forma se han dispuesto unas guías de metacrilato con unas ranuras de 6 mm y 14 mm de separación entre ellas para que coincidan con el paso de la espiral. Las guías están atornilladas al soporte, los tornillos aunque metálicos están suficientemente separados de la bobina como para crear problemas de arco. Los interiores aunque más próximos tampoco presentan problemas porque el interior de la bobina está a tierra. Los dos extremos están perforados y sujetos al soporte con tornillos.
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Bobina Secundaria: De la bobina secundaria se podría decir que es el inducido del sistema, puesto que debido a las variaciones en el flujo del campo magnético creado por la bobina primaria se induciría en ella altos voltajes. Para un buen funcionamiento deberá de estar lo suficientemente
aislada
del
resto
de
componentes, de forma que no salten arcos de voltaje hacia el circuito primario y también en lo referente a las conexiones. En el trabajo se va utilizar una bobina solenoide de 500 espiras de hilo de cobre de diámetro Ø=0,7mm sobre un tubo de PVC de Ø=9cm.
Figura 3 bobina secundaria
Toroide: La toroide es un cuerpo metálico en forma de anillo. Su función es facilitar el salto de los arcos voltaicos y tener una reactancia capacitiva igual a la reactancia inductiva de la bobina secundaria a la frecuencia resonante. En el proyecto la toroide que he hecho es de tubo corrugado de Al de Ø=8cm enrollado sobre una base circular de Ø=15cm formando una toroide de Ø exterior = 31cm.
Bobina de choque: se define una bobina de choque como un componente positivo, diseñado para dar una opción al paso de la corriente alterna muy 13
potente a un rango de frecuencia determinada, al mismo tiempo, se impide el paso hacia cierta parte del circuito de corriente alterna, y a la par permite el paso de corriente continua. Una vez tengamos la bobina de tesla funcionando a la perfección podremos profundizar y experimentar de una mejor forma todas las aplicaciones que esta puede llegar a tener, estos son unos de los experimentos que se pueden realizar: El experimento con energía inalámbrica consiste en acercar a la toroide un fluorescente o una bombilla de bajo consumo. Como resultado el fluorescente o bombilla de bajo consumo se enciende a una cierta distancia sin que salten arcos voltaicos, se transmite energía suficiente para encenderlo sin cables. Otro experimento es de acerca los suficiente una bombilla incandescente de filamento para que salten arcos voltaicos. Como resultado dentro de la bombilla saltan arcos voltaicos hacia el vidrio creando una lámpara de plasma bastante espectacular. El tercer experimento se trata de acercar una pieza de cobre a la toroide. Como resultado saltan arcos voltaicos de gran longitud y alta frecuencia.
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5. DESCRIPCIÓN TÉCNICA DEL PROYECTO Existen muchos trabajos donde se está experimentando en parte teórica de la Bobina de Tesla sobre las posibilidades de transportar energía de forma inalámbrica. Este proyecto consiste en el diseño e instalación de la bobina de tesla en el laboratorio de electrónica de la IU Pascual Bravo con el objetivo de experimentación. Para la construcción del dispositivo se utiliza un transformador eléctrico, el cual incrementa un voltaje de entrada mediante una bobina llamada primaria a un voltaje de salida, llamado secundario. Lo interesante de todo es que el voltaje de salida no depende de la cantidad de alambre del secundario, tal como los transformadores convencionales. Con este transformador “especial”
se produce una condición de resonancia. El circuito eléctrico del tanque del inductor primario incluye un capacitor que resuena a una frecuencia fija dependiendo de los valores de capacitancia e inductancia. Para que las cosas funcionen, el primario tiene una gran capacitancia y una pequeña inductancia. Para que se tenga la misma frecuencia, nuestro secundario tiene una pequeña capacitancia (el toroide) y una gran inductancia (bobina). Además, se provee el voltaje a la bobina primaria a la misma frecuencia de resonancia. El voltaje de alta frecuencia se logra cargando un capacitor hasta que llega a un voltaje que se divide a través del aire por un par de terminales. La distancia entre los terminales se ajusta hasta que se obtenga la frecuencia correcta.
Construcción de las bobinas 15
A 0.5 cm de la parte superior de la botella de plástico, se hacen 3 orificios pequeños separados 1 cm; en el otro extremo se hacen solamente 2 orificios. En un orificio del extremo inferior se mete el alambre de cobre calibre 22 y se saca por el otro orificio, se hace un pequeño amarre dejando 30 cm para conectar en la parte inferior (quitarle el esmalte a 2cm con un cúter) y con la otra parte de amarre se comienza a enrollar de forma continua y uniforme hasta llegar al otro extremo (se sugiere poner cinta de aislar para evitar que se deshaga). Al llegar a otro extremo, meter la punta del alambre por el primer orificio, sacarlo por el segundo y finalmente meterlo por el tercero y sacar la punta por la boca de la botella. Hacerle una pequeña perforación a la tapa. Introducir el alambre por la tapa y cerrar la botella. Realizar un bobina de 10 vueltas con ayuda de un lápiz, dejar un pedazo después de la bobina de 3 cm. Quitarle 2 cm de esmalte al alambre. Quitar los pedazos de cinta de aislar y cubrir las puntas ya sin esmalte y aplicar una capa de laca. Dejar secar y quitar la cinta aislante que cubre las puntas. Con el alambre de cobre calibre 10, se hace una bobina (L1) de 12 cm de diámetro con tantas espiras como alcance el alambre. Se fija la botella de la parte inferior con la pija larga (3/16 x 2 in) a la tapa de 13 cm de diámetro y al acrílico, esto se puede hacer incrustando la pija desde la parte posterior de la base rectangular de acrílico. Sobre la bobina de la botella se coloca la bobina de pocas espiras.
Construcción del explosor Se les hace un orificio más grande a los disipadores, de tal manera que entren los tornillos de cabeza de coche. Se les pone los tornillos con las tuercas y las rondanas. Se fijan los disipadores al acrílico de tal manera que 16
se encuentren las cabezas de los tornillos, estos se ajustan hasta una separación aproximada de menos de 1mm para que se produzca la chispa. Esto nos va a servir como un explosor (EX). No conectar hasta el final.
Construcción del capacitor Se cortan las hojas de acetato 4 hojitas iguales de 14 x 10.7 cm (aproximadamente). Se cortan 11 rectángulos de aluminio para repujado de 9 x 15 cm. Se colocan dos rectángulos de acetato y encima de estos un rectángulo de papel aluminio, este último se coloca de manera que sobresalga 4 cm por el lado más corto del acetato. Enseguida se colocan otras dos hojitas de acetato y encima de estas otro papel aluminio de manera que también sobresalga 4cm pero de lado contrario al anterior papel aluminio. Se coloca nuevamente otras dos hojitas de acetato y encima otro aluminio sobresaliendo 4 cm pero nuevamente del lado contrario que el papel aluminio anterior. Se repiten los pasos anteriores hasta acabar con las hojitas, enseguida de colocan los vidrios en las orillas. A 1.5cm de cada extremo de las tiras de madera se les hace un orificio de 3/16 in. Se colocan dos tiras por encima de los vidrios los orificios de los extremos y los otros de abajo deben coincidir. Se colocan los tornillos de 3/16 x 1 y ½ in en los orificios y se colocan las tuercas enroscándolas ligeramente. Se dobla a la mitad las láminas de aluminio, haciéndoles un orificio en medio para que por ahí entre el cable, se colocan como pasadores a los aluminios de capacitor respectivamente, se doblan de la parte superior e inferior. Al ángulo se le hacen cuatro orificios de tal manera que se puedan fijas a las tiras de madera y al acrílico. Se forra el ángulo con aluminio y se fija con tornillos y tuercas de 10/32 in. Se toma el capacitor se quitan dos tuercas de 17
dos de los extremos de las tiras de la parte inferior y se meten los tornillos en el ángulo, procurando apretar el capacitor para que no se desbarate. Se enroscan las tuercas fuertemente. El capacitor debe quedar sujeto al ángulo. Se fijan los portafusiles al acrílico y se hace un orifico de 1 cm de diámetro a 1 cm de las terminales de dos de ellos. Fijar el acrílico al triplay de madera dejando 1 cm en las orillas y del otro más de 10 cm. Se hacen las conexiones de acuerdo al diagrama: Conectar con un pedazo de cable de un disipador al capacitor. Con otro cable de la otra terminal del capacitor a la bobina primaria (en la parte superior). En el extremo inferior de la bobina primaria se conecta con un cable al otro disipador, de este disipador conectar el alambre inferior de la bobina secundaria. Se fija el transformador T1 al triplay y los cables de salida del secundario, cables rojos de éste, se conectan a los disipadores, con pijas, que forman parte del explosor. Se conecta la clavija al cable dúplex y este se mete por el orificio que se encuentra junto a los portafusiles y se conectan a las terminales de estos, se sueldan perfectamente. Se une un cable que sale por la terminal de unos portafusiles al interruptor y el otro tiro a un cable del transformador. El otro cable del transformador al receptáculo y la otra conexión a los portafusiles. Se coloca el foco y los fusibles.
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6. METODOLOGÍA Este proyecto consiste en la construcción de una Bobina de Tesla. La implementación y puesta en marcha de este proyecto se llevara a cabo en el laboratorio de electrónica de la IU Pascual Bravo. 6.1 TIPO DE PROYECTO Este proyecto trata del diseño de una bobina de tesla con la cual transmitiremos energía de una forma inalámbrica. La bobina tesla usa una condición de resonancia para incrementar, digamos, unos 10 000 voltios a 1 millón de voltios. Lo interesante de todo es que el voltaje de salida no depende de la cantidad de alambre del secundario, tal como los transformadores convencionales. 6.2 MÉTODO DE PROYECTO Podemos decir que el método de este proyecto es sistemático y experimental ya que es necesaria la recolección de información y experimentación desde varios puntos de vista para obtener mejores resultados. 6.3 TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN 6.3.1 Fuentes Primarias - Bases de datos. - Páginas web. 19
- Tesis de trabajos de grado de egresados. - Libros.
6.3.2 Fuentes Secundarias Nuestras fuentes secundarias fue la colaboración de algunos docentes y personal del laboratorio para aclararnos algunas dudas mientras realizábamos la investigación.
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7. RECURSOS Tabla 1 Recursos humanos
PERSONAL
FUNCIÓN
PROFESIÓN
INVESTIGADOR
ESTUDIANTE
INVESTIGADOR
ESTUDIANTE
CESAR AUGUSTO GUZMÁN DORIAN ALEXANDER SALAZAR MONTES
Tabla 2 Presupuesto
ELEMENTO
CANTIDAD
Transformador bobinas toroide explosor capacitores madera Cable duplex switchs Cable cobre 21
COSTO
Tubería cobre y PVC
8. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES MES 1 ACTIVIDAD
1 2 3
MES 2
MES 3
MES 4
4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4
Recolección información Construcción cada 1 de los
X X X X X X X X X
componentes Construcción X
base para la bobina Diseño total
X X
de la bobina Diseño dispositivos
X X
protección y seguridad 22
Elaboración del manual
X
de la bobina
9. REFERENCIAS CIBERGRAFICAS
Construcción bobina tesla http://www.cientificosaficionados.com/tesla/tesla1.html
Diseño
http://bibliotecadigital.univalle.edu.co/bitstream/10893/1392/1/Disen o%20y%20construccion%20de%20una%20bobina%20tesla.pdf
Generador electromagnético http://www.artinaid.com/2013/04/que-es-un-generador-electrico/
Componentes y explicación de cada una de las partes de la bobina http://www.ea1uro.com/eb3emd/Bobina_de_Tesla/Bobina_de_Tesl a.htm
Nikola Tesla http://es.wikipedia.org/wiki/Nikola_Tesla
Tensión inalámbrica http://es.wikipedia.org/wiki/Transmisi%C3%B3n_inal%C3%A1mbric a_de_energ%C3%ADa http://www.taringa.net/posts/ciencia-educacion/15085183/TeslaEnergia-inalambrica---Te-explico.html 23
