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La bobina di Tesla, anche detta tesla-coil, è un dispositivo affascinante ma la cui realizzazione è talvolta ostacolata dal fatto che la realizzazione dell’avvolgimento secondario dell’autotrasformatore è complessa, faticosa ed inoltre richiede una grandissima precisione, considerato l’elevato numero di spire richieste per il funzionamento. Tipicamente questi avvolgimenti sono costituiti da diverse centinaia o migliaia di spire, realizzate con filo di rame smaltato, usato per la costruzione dei trasformatori ed il minimo errore durante la costruzione dell’avvolgimento può compromette il regolare funzionamento con la nascita di archi elettrici indesiderati fra spira e spira. Questo progetto fa uso di un circuito stampato che realizza l’avvolgimento di secondario in maniera controllata, il che implica il notevole vantaggio di determinare con certezza i parametri elettrici, primari e parassiti, che condizionano in maniera importante il buon funzionamento della bobina, visto che l’operazione è eseguita come lo sbroglio di un circuito stampato tramite un software CAD CAE. Inoltre, siccome l’avvolgimento di secondario è l’elemento più difficile e critico da realizzare, con questo circuito stampato chiunque sarà in grado di mettere in funzione una bobina di Tesla, con l’aggiunta di pochissimi componenti.
Infatti è stato selezionato uno schema elettrico molto semplice, che va sotto il nome di “Slayer exciter”, che fa uso di un solo transistor come oscillatore.
Con questo progetto si possono sperimentare a basso costo, con semplicità ed in sicurezza i fenomeni quali: l’effetto corona, la scarica in aria con arco elettrico e la misura di un campo elettrico, grazie semplicemente all’uso di una lampadina per poterlo visualizzare. Il progetto è accessibile a tutti, anche ai meno esperti in quanto la potenza e la frequenza in gioco non costituiscono un elemento di grande pericolo, come avviene invece per le bobine di Tesla tradizionali, ma bisogna prestare comunque attenzione, perché le tensioni prodotte si aggirano sui 20.000 V, con poca corrente disponibile (inferiore a 1mA).
Schema elettrico
Il principio di funzionamento si basa su l’auto-oscillazione di un transistor, che si instaura tramite l’induzione magnetica che avviene fra l’avvolgimento primario e l’avvolgimento secondario, creando una retroazione sul comando del transistor stesso. Il circuito elettronico si compone di due sezioni: la sezione oscillante e la sezione di modulazione audio.
La sezione oscillante, meglio descritta dallo schema elettrico in queste pagine, è molto semplice: si compone di un transistor BJT di tipo NPN siglato Q1, di una resistenza R1 usata per polarizzare la sua base e di un diodo led LD1, per avere evidenza visiva dell’oscillazione e per bloccare eventuali sovratensioni.
Appena viene fornita alimentazione, Il transistor Q1 fa circolare corrente nella bobina di primario L1, che induce corrente nella bobina di secondario L2 e trovandosi in opposizione di fase, questa bobina L2 sottrae carica dalla base di Q1 portandolo nella zona di interdizione e quindi viene spento. Appena esaurita l’energia che provoca lo spegnimento di Q1, il transistor si riaccende nuovamente e si viene quindi ad instaurare una oscillazione fra le due bobine L1 e L2 ad una frequenza dell’ordine del MHz, che dipende dalla polarizzazione del circuito, dal numero di spire, dalle distanze e dai parametri parassiti, in particolare della capacità parassita dell’avvolgimento L2, che si creano tra spira e spira e con i piani di massa circostanti.
Il transistor Q1 selezionato come oscillatore, ha caratteristiche molto particolari: il parametro più importante è ft (prodotto Banda – Guadagno) che deve essere sufficientemente alto, così come la tensione di rottura delle giunzioni BE e BC ed anche il guadagno in DC hfe, per poter garantire che il transistor riesca ad oscillare a frequenze dell’ordine del MHz e sostenere correnti e tensioni abbastanza elevate. Il transistor lavora in una zona altamente dissipativa e deve essere quindi dotato di dissipatore.
È stato inoltre previsto un piccolo stadio di modulazione AUDIO, realizzato tramite il MOSFET Q2, che agisce da resistore variabile in serie alla corrente di eccitazione della bobina regolata da Q1, per permettere anche l’iniezione di un segnale audio modulante in ingresso accoppiato tramite il condensatore C1 ed un partitore resistivo formato dalle resistenze R2 e R3, per polarizzare in conduzione il MOSFET Q2.
Il diodo D1 serve ad impedire un passaggio di corrente dal secondario della bobina verso l’alimentazione. Il LED LD1 è collegato in modo che si accenda quando l’avvolgimento di secondario richiama corrente dalla base portando il potenziale della base ad un valore negativo e quindi imposti una tensione pari alla sua soglia di conduzione e nel frattempo dia indicazione visiva del corretto funzionamento del circuito.
La modulazione audio
La bobina può anche “suonare”, grazie all’effetto di compressione dell’aria prodotto dalle scariche elettriche. Per ottenere questo è necessario fornire un segnale audio in ingresso al circuito stampato, che abbia un’ampiezza minima di 10 volt picco-picco, in quanto un segnale di livello LINE (poche centinaia di millivolt efficaci, per intendersi) non sarebbe sufficiente a questo scopo e grazie al MOSFET Q1 la corrente elettrica che circola nella bobina verrà modulata in ampiezza.
Ovviamente vengono tagliate molte frequenze audio, ma si riuscirà comunque a sentire la musica prodotta dalle scariche. Questo principio è alla base dei “plasma-tweeter” commerciali, che sono dei riproduttori sonori progettati per diffondere la musica tramite la creazione di plasma.
Fig. 1
Progetto DEL PCB
Prima di creare il circuito stampato è stato sperimentato il principio di funzionamento realizzando un avvolgimento di secondario a mano incollato su nastro biadesivo su una lastra di vetronite come mostrato in Fig. 1, utilizzando un filo di rame smaltato di sezione 0,315mm; in questo modo è stato possibile capire la sensibilità del circuito elettronico alla variazione dei parametri parassiti, collegati alle distanza spira-spira e con il piano di massa.
Durante la progettazione del PCB sono stati provati diversi tipi di avvolgimento di secondario e di primario realizzati su circuito stampato, perché la vera criticità di questo progetto è la creazione di una spirale realizzata con le piste del circuito stampato stesso, compatta, con molte spire ravvicinate, nel rispetto delle regole di sbroglio imposte dai vari costruttori di circuiti stampati.
I primi tentativi di realizzazione del PCB, come mostrato in Fig. 2, sono stati fatti lasciando il rame dell’avvolgimento di primario e secondario esposto (senza “solder mask”), perché si temeva una forte alterazione dei parametri elettrici parassiti funzionali alla bobina di Tesla da parte del layer di “solder mask”; questo tipo di approccio, sebbene sia compatibile con il funzionamento della bobina, ha però presentato delle criticità realizzative da parte del costruttore con alcuni difetti di produzione, come bave ed ammanco di rame sulle piste sottili e circolari. Inoltre, il fatto di non avere la “solder mask”, espone la bobina stessa a rischi di rottura dell’avvolgimento: infatti è molto delicata ed anche una sola goccia di stagno caduta per errore, potrebbe comprometterne la sua integrità.
Inizialmente, si era tenuta una distanza tra spira e spira di 0,15mm e con questa regola per la realizzazione di 240 spire il circuito stampato aveva assunto dimensioni 150mm x 150 mm.
Fig. 2
Fig. 3
Fig. 4
La seconda e definitiva versione del circuito stampato è stata realizzata con l’obiettivo di ottenere un PCB con dimensioni massime di 100mm x 100mm, al fine di poter rientrare in un processo produttivo di tipo “prototipo a basso costo”. Difatti questa dimensione di PCB è considerata da molti costruttori di circuiti stampati, come la taglia massima, entro la quale il costo è minimizzato, poiché considerato prototipale e calcolato ad area equivalente.
Fornendo questo tipo di vincolo si è realizzato l’avvolgimento di secondario massimizzando il numero di spire, nel rispetto delle regole di clearance e creepage imposte dal costruttore di PCB. Questa strategia è stata scelta perché risulta preferibile realizzare delle bobine più piccole, più compatte e a basso costo, che possono essere messe in serie per ottenere più spire al secondario, piuttosto che un’unica bobina con più spire. Per la realizzazione di un avvolgimento a forma di spirale è stato utilizzato una script di Eagle, chiamato “print-inductor.ulp”; lo si può lanciare usando il comando RUN ULP, dal menù File di Eagle. E viene richiesta l’immissione dei parametri costruttivi, che nel nostro caso sono riportati nella finestra di dialogo proposta in Fig. 3; i rispettivi valori sono stati calcolati per minimizzare l’area occupata.
Piano di montaggio
Fig. 5
Per sfruttare al massimo l’area assegnata, di 100mm x 100mm, è stata scelta una distanza fra spira e spira e una larghezza pista di 0,13mm, che rispetta la tipica regola di “minima distanza tra pista e pista” imposta dai costruttori di PCB pari a 5 mils (1 mil equivale a 1/1.000 di pollice), ossia 0,127mm. In questo modo sono state realizzate 185 spire. Poi il file con estensione .brd prodotto da Eagle è stato importato in EasyEDA (ambiente di sbroglio PCB gratuito on-line). Per poter rispettare la massima dimensione assegnata è stato necessario modificare le geometrie dei dissipatori rimuovendo i fori metallizzati e facendo in modo che i transistor Q1 e Q2 abbiano il dorso del package a filo del circuito stampato.
Fig. 6
L’avvolgimento di primario è stato realizzato sul lato saldature (BOTTOM) con 2 spire, utilizzando una pista di grande superficie, per poter sostenere elevate correnti impulsive e per indurre un sufficiente campo magnetico; a questo proposito è molto importante anche la posizione dell’avvolgimento di primario, in modo che si trovi in corrispondenza della parte esterna dell’avvolgimento secondario, come mostrato in Fig. 5 dove si osserva in rosso (piste lato TOP) l’avvolgimento secondario ed in blu (piste lato BOTTOM) l’avvolgimento di primario e la costruzione dei piani di massa, necessari alla risonanza della bobina.
La frequenza di risonanza dipende da molti fattori tra cui: il numero di spire, le capacità parassita del circuito stampato, la presenza di oggetti ferromagnetici nelle vicinanze e la polarizzazione del transistor Q1. La formula da utilizzare per il calcolo della frequenza di risonanza è quella classica che si utilizza per un circuito risonante LC e quindi all’aumentare del numero di spire ed all’aumentare della capacità parassita si abbassa la frequenza di risonanza.
fR= 1 / (2∏ * √LC) = 1,31 MHz
Abbiamo così ottenuto un PCB con un avvolgimento primario composto da 2 spire realizzate con una pista di larghezza 3mm e un avvolgimento secondario formato da 185 spire realizzate con una pista di larghezza 0,13 mm, resistenza di 121 ohm, induttanza pari a 1,194 mH, capacità parassita del secondario di 12,4 pF.
Come si vede nelle foto del prototipo e nel piano di montaggio, il circuito stampato fa anche uso di due piani di massa, uno sul lato componenti uno sul lato saldature, che aiutano a mantenere stabili i parametri di capacità parassita, che concorrono alla oscillazione della bobina ed ha dimostrato un ottimo fattore di accoppiamento tra primario e secondario: infatti già ad una tensione di alimentazione pari a 5 volt si innesca l’oscillazione risonante alla frequenza calcolata.
Fig. 7
Fig. 8
Realizzazione pratica
Passiamo adesso alla fase costruttiva, partendo dal circuito stampato, per la cui realizzazione potete scaricare da questa pagina le tracce lato rame. Ricordiamo che questo nostro progetto nasce modulare, nel senso che è possibile realizzare più circuiti e impilarli per ottenere generatori con differenti caratteristiche, ovvero delle scariche di maggiore lunghezza. Vedremo questo aspetto tra breve.
Restando sul circuito, una volta inciso e forato lo stampato, si parte con il montaggio dei componenti del PCBTC, che è molto semplice perché ci sono pochi componenti da saldare e montare, seguendo le indicazioni del piano di montaggio.
È necessario rispettare le indicazioni di polarità riportate sul circuito stampato per i diodi, i transistor ed il condensatore. Il circuito stampato deve essere sollevato dal piano di appoggio tramite torrette e viti in materiale isolante, per evitare di richiudere delle scariche all’interno del PCB stesso.
Bisogna inoltre realizzare un ponticello di collegamento fra i due PAD della serigrafia siglati “Connect” (riferitevi al piano di montaggio), utilizzando un conduttore metallico di diametro 0,5mm, ovvero uno spezzone avanzato da un terminale di componente (tipo una resistenza).
I transistor Q1 e Q2 ed i rispettivi dissipatori KK1 e KK2, vanno montati in verticale se intendete realizzare un generatore a singolo circuito (Fig. 6) ovvero in orizzontale, laddove intendiate realizzare l’assemblaggio di più PCBTC impilati (Fig. 7 e Fig. 8).
Per creare un punto preferenziale di emissione delle scariche è necessario creare un Break-out point, ossia un punto in cui il campo elettrico sia superiore al valore presente in altri punti della basetta, tanto che da esso si possa liberare la scarica elettrica in aria. La fine dell’avvolgimento secondario (PAD con serigrafia S+) quindi viene collegato ad un filo metallico, che nella sua punta funziona da emettitore preferenziale di scariche.
Per realizzare il Break-out point dovete utilizzare un filo di rame rigido stagnato, della lunghezza di 8 cm, saldato nel terminale centrale della bobina, contrassegnato dalla sigla S+ sul PAD: lo vedete bene nella Fig. 6. Notate che è possibile provare anche altre lunghezze per questo filo rigido, ma la cosa importante è che sia verticale ed abbastanza lontano dal piano del PCB, in modo da evitare scariche elettriche dirette sulle spire, che sicuramente non gioverebbero.
Nel caso si vogliano collegare più PCB in cascata (cioè impilati) è necessario collegare la parte finale del filo di Break-out point del primo PCB nella PAD contrassegnata con S- (inizio avvolgimento secondario) del secondo PCB come mostrato nella Fig. 8. Gli ulteriori PCB dovranno essere distanziati con torrette e viti, rigorosamente in materiale isolante (poliestere).
PRIMA ACCENSIONE ED UTILIZZO
Una volta ultimato il montaggio inserire un jumper in posizione 1-2 del pin header con la sigla JP1, se si desidera il solo funzionamento in scarica o in posizione 2-3 per il funzionamento con modulazione audio. È necessario alimentare il circuito con una alimentazione a +24Vcc ed almeno 30W di potenza disponibile. Se la bobina è in funzione regolarmente si deve accendere il LED L1. Avvicinare una lampada a tubo a gas alla bobina PCBTC, senza toccarla (toccando solo il vetro, che risulta un ottimo isolante) e verificare che la lampada si illumini (Fig.9). Avvicinare la punta di un cacciavite, stando attenti a non toccare con le mani la parte metallica del cacciavite, al break-out point e verificare che si inneschi l’arco elettrico (Fig.10). Nella versione a 2 o 3 PCB, considerata l’energia in gioco, la bobina non può funzionare in modalità continua, non bisogna superare un tempo di funzionamento di 15 secondi ed è necessario attendere circa 1 minuto per la riaccensione.
Fig. 9
Test e misure
Nel nostro laboratorio sono state fatte diverse prove sui prototipi variando la tensione di alimentazione da 12 volt a 30 volt. La tensione di 24 volt è risultata il miglior compromesso fra corrente assorbita e intensità del campo elettrico generato; infatti in corrispondenza di questa tensione la scarica si innesca in maniera naturale, senza dover avvicinare punte metalliche alla fine dell’avvolgimento secondario realizzato con un filo metallico chiamato Break-out point, perché per il “principio delle punte” in questa zona il campo elettrico è più intenso ed in grado di rompere il dielettrico dell’aria.
Tabella 1
Nella Tabella 1 sono stati riassunti i parametri misurati sul prototipo del Tesla-coil utilizzando una tensione di alimentazione di 24V su diverse configurazioni, con uno o più PCB collegati in serie e come si vede la lunghezza dell’arco innescato aumenta, con una proporzione che non è lineare, ma oltre ad un certo numero di spire rimane praticamente la stessa.
La Fig.10 mostra la singola bobina in funzione ed in questo caso la scarica presenta due punte della lunghezza di circa 7 mm; se si avvicina un oggetto metallico al Break-out Point, si crea un arco elettrico che può raggiungere una lunghezza fino a 15 mm.
Fig. 10
La bobina può funzionare con tensioni massime fino a 30 volt; oltre questa tensione invece potrebbero innescarsi archi elettrici tra l’avvolgimento secondario e le altre parti del PCB. Per evitare questi archi indesiderati nella versione 3 di PCBTC, sono state rimosse tutte le parti metalliche sulle pad e si richiede l’utilizzo di torrette in materiale plastico. La Fig. 11 vi mostra un punto in cui è avvenuta una scarica indesiderata a causa dell’utilizzo di torrette metalliche e PAD metalliche della versione 2 di PCBTC. La Fig. 12 e la Fig. 13 propongono l’effetto causato dall’avvicinamento della punta di un cacciaviti tenuto in mano: l’arco scaturisce dal fatto che l’isolante del cacciaviti non è in grado di resistere a tale campo elettrico, quindi una corrente pur piccola lo attraversa e passa dal nostro corpo; è quanta ne basta a chiudere il circuito, ma non preoccupatevi, perché è innocua.
Fig. 11
Fig. 12
Fig. 13
Considerato che viene prodotto un forte campo elettrico questa bobina può essere utilizzata anche per verificare il corretto funzionamento di elementi sensibili al campo elettrico in maniera facile ed efficace, come ad esempio i LED o lampade a tubo a scarica di gas che riescono ad essere facilmente accese perché grazie al campo elettrico avviene la ionizzazione del gas contenuto. I LED sensibili al campo elettrico del Tesla-coil sono tipicamente quelli a luce bianca, giacché sono LED a luce blu o ultravioletta il cui interno è rivestito di fosfori che stimolati da tale luce restituiscono fotoni di luce bianca; tali fosfori possono essere ugualmente eccitati dal campo ad alta tensione.
