Projeto Experimental de Bobina de Tesla para Feira de Ciências
Utilizando Componentes Reaproveitados de TV de Tubo e Transformador de Subestação de 13KVA
- Introdução
A presente redação tem como objetivo apresentar, de forma abrangente e detalhada, o
projeto experimental de uma Bobina de Tesla voltada para demonstrações em feiras de
ciências. Inspirado nas obras de Nikola Tesla, o projeto integra tecnologias clássicas e
contemporâneas, utilizando componentes reaproveitados de televisores de tubo (CRT)
combinados com um transformador de subestação de 13KVA. Apesar do alto potencial de
tensão dos equipamentos utilizados, o projeto é adaptado para fins educacionais, enfatizando
a segurança, o impacto visual dos arcos elétricos e a facilidade de montagem com baixo
custo.
O documento discute os princípios de funcionamento da Bobina de Tesla, os métodos de excitação
por modulação (PWM), as adaptações necessárias para utilizar circuitos de TV CRT e o
comportamento dos sinais elétricos em cada etapa do sistema, com análises detalhadas das formas
de onda e diagramas ilustrativos. A proposta visa, assim, proporcionar um aprendizado
multidisciplinar que abrange eletrônica de potência, ressonância, transformadores e segurança em
alta tensão. - Objetivos
• Demonstrar o Funcionamento: Exhibir o princípio de operação de uma Bobina de Tesla
através de um experimento visual para feiras de ciências.
• Integração de Tecnologias: Utilizar componentes reaproveitados de TVs CRT para reduzir
custos e facilitar o acesso a dispositivos experimentais.
• Controle de Alta Tensão: Adaptar um transformador de subestação de 13KVA para excitar o
circuito ressonante da Bobina de Tesla em uma escala experimental.
• Educação e Inovação: Proporcionar uma plataforma para o ensino dos conceitos de indução
eletromagnética, ressonância, modulação e segurança elétrica. - Fundamentação Teórica e Conceitos Técnicos
3.1. Bobina de Tesla
A Bobina de Tesla é um dispositivo ressonante que gera descargas elétricas de alta tensão em alta
frequência. O sistema é composto por dois circuitos principais:
• Circuito Primário: Formado por um capacitor de alta tensão e uma bobina com poucas
espiras. A energia é acumulada no capacitor e descarregada no primário através de um
chaveamento rápido.
• Circuito Secundário: Composto por um enrolamento com muitas espiras (geralmente de fio
de cobre esmaltado), o qual, acoplado eletromagneticamente ao circuito primário, amplia a
tensão gerada pela ressonância.
A frequência de ressonância do circuito é dada pela fórmula:
f = 1 / (2π√(L·C)) onde L é a
indutância e C a capacitância do circuito primário. Um ajuste fino desses parâmetros é essencial
para maximizar o ganho de tensão no secundário e, assim, possibilitar as descargas visuais
características da Bobina de Tesla.
3.2. Transformador de Subestação de 13KVA
O transformador de subestação utilizado no projeto é um equipamento robusto destinado à
distribuição de energia elétrica. Suas características básicas são:
• Potência: 13KVA
• Tensão Primária: Aproximadamente 13,8kV (valor ajustável conforme as especificações
locais)
• Tensão Secundária: 220/127V ou 380/220V
• Frequência: 60Hz
Os cálculos de dimensionamento indicam que o transformador opera com uma corrente nominal
aproximada de 0,54A no primário e 34,1A no secundário (considerando a tensão de 220V). Embora
sua utilização completa não seja necessária para o experimento, ele simboliza o princípio da alta
potência e tensão envolvidas no sistema.
3.3. Circuito de Excitação – Abordagens PWM e TV CRT
Para excitar o circuito ressonante da Bobina de Tesla, o projeto adota duas abordagens
complementares:
3.3.1. Excitação por PWM (Modulação por Largura de Pulso):
• Princípio: Utiliza uma ponte completa (H-Bridge) composta por IGBTs (ou MOSFETs)
controlados digitalmente para modular a energia proveniente de uma fonte DC.
• Componentes: Controlador digital (ex.: DSP ou microcontrolador), drivers de gate (ex.:
IR2110) e chaves de alta potência (ex.: IGBTs FF450R12ME4).
• Parâmetros:
- Frequência de chaveamento: entre 20kHz e 50kHz (para evitar efeitos indesejados e
manter o sinal fora da faixa audível).
- Duty cycle: controlado (em torno de 45-48%) para evitar a saturação do núcleo do
transformador.
• Cálculo da Tensão DC Link: Por exemplo,
Vdc ≈ √2 × Vprimário × 1.1
com possíveis ajustes para adequar à faixa de operação do circuito ressonante.
3.3.2. Adaptação de Circuito de TV de Tubo (CRT):
• Motivação: Os televisores CRT possuem circuitos flyback que geram altíssimas tensões (15
30kV) a partir de correntes baixas, utilizando componentes específicos como o Horizontal
Output Transistor (HOT). Estes podem ser reaproveitados para desenvolver um estágio de
excitação experimental.
• Desafios:
- Os circuitos de TV são projetados para operar com baixa corrente (cerca de 1A) e
possuem frequências típicas em torno de 15kHz, o que pode exigir adaptações, como o uso
de módulos IGBT em paralelo e ajustes na frequência (para 20-25kHz).
• Benefícios: Redução de custos e facilidade de acesso a componentes eletrônicos para
montagem experimental. - Análise das Formas de Onda e Diagramas
Esta etapa é crucial para entender as transformações do sinal elétrico:
4.1 Sinal de Entrada (Rede AC – 60Hz)
• Descrição: O sistema inicia com uma forma senoidal pura.
• Parâmetros: 60Hz, 220V RMS (311Vp para 220V, 155Vp para 110V).
4.2 Saída do Retificador
• Descrição: Sinal pulsado com ripple de 10-20%.
• Ilustração:
• Parâmetros: Frequência de 120Hz.
4.3 Tensão +B da Fonte Chaveada (TV CRT)
• Descrição: Tensão DC estável com ripple <5%.
• Parâmetros: Entre 110V e 150V DC.
4.4 Sinal no Coletor do HOT (TV CRT Original)
• Descrição: Pulsos retangulares com overshoot.
• Ilustração:
• Parâmetros: Frequência de 15-30kHz, picos de 600-800V.
4.5 Sinal no Circuito de Conversão PWM (Ponte H)
• Descrição: Sinal PWM com dead time para evitar shoot-through.
• Ilustração:
• Parâmetros: Frequência de 20-50kHz, tensão de 300-600V.
4.6 Sinal no Primário do Transformador/Bobina de Tesla
- Descrição: Pulso simétrico; podem ocorrer distorções devido à saturação ou ressonância
parasita.
•
4.7 Saída do Secundário (Descarga da Bobina de Tesla)
• Descrição: Forma de onda quase senoidal que gera arcos visuais.
• Ilustração:
- Projeto Experimental Integrado
5.1 Estágio de Alimentação
• Retificação e filtragem da entrada AC com diodos (em configuração trifásica, se possível) e
um banco de capacitores (≥1000μF) para gerar uma tensão DC estável (aprox. 300V em
escala experimental).
5.2 Estágio de Conversão PWM
• Utiliza uma ponte H com IGBTs para converter a tensão DC em pulsos de alta frequência.
• Controle: Realimentação com sensores de corrente e tensão (por exemplo, utilizando um
Arduino) para manter o duty cycle adequado, evitando sobrecargas e saturação.
Exemplo de código Arduino:
cpp
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const int pwmPin = 9;
const int currentPin = A0;
void setup() {
pinMode(pwmPin, OUTPUT);
TCCR1B = TCCR1B & 0b11111000 | 0x01; // Configura PWM ~31.4kHz
Serial.begin(9600);
}
void loop() {
int current = analogRead(currentPin);
if (current > 800) { // Aproximadamente 2A de segurança
analogWrite(pwmPin, 0);
Serial.println(“OVERLOAD!”);
while (1); // Trava segura para evitar danos
} else {
analogWrite(pwmPin, 128); // Duty cycle de 50%
}
}
5.3 Circuito Ressonante da Bobina de Tesla
• Circuito Primário LC: Composto por um capacitor de alta tensão e uma bobina com poucas
espiras. A frequência de ressonância (por exemplo, 300-500kHz) é ajustada pela fórmula:
f = 1 / (2π√(LC))
• Enrolamento Secundário: Com muitas espiras de fio de cobre esmaltado, amplifica a tensão
aplicada, permitindo a formação dos arcos elétricos.
• Acoplamento: O correto espaçamento entre primário e secundário, aliado a técnicas de
blindagem (bobina de tela), garante eficiência na transferência e minimiza interferências.
5.4 Integração e Sintonização
• Feedback Dinâmico: Uso de osciloscópios, analisadores de espectro e sondas diferenciais
para ajustar os parâmetros do PWM e do circuito LC.
• Sintonização Fina: Ajuste dos valores de capacitor e bobina para atingir a ressonância ideal e
maximizar os efeitos visuais das descargas. - Considerações de Segurança
• Isolamento: Implementar barreiras de isolamento galvânico (ex.: caixas acrílicas) para
separar áreas de alta tensão das de baixa tensão.
• Proteção: Instalar fusíveis rápidos, diodos de clamp e sensores de corrente para
monitoramento.
• Procedimentos Operacionais: Nunca operar o protótipo sem supervisão qualificada; uso
obrigatório de Equipamentos de Proteção Individual (EPI).
• Escala Experimental: Iniciar com tensões e correntes reduzidas para validação e ajustes,
antes da demonstração plena em feira. - Apresentação do Projeto
• Objetivo para Feira de Ciências: Demonstração interativa dos efeitos visuais da Bobina de
Tesla.
• Impacto Visual: Exibição de arcos elétricos e descargas, com explicações dos princípios de
ressonância e indução eletromagnética.
• Materiais de Apoio: Painel informativo, displays com diagramas e vídeos curtos do
funcionamento do protótipo.
- Componentes da Apresentação:
- Painel com histórico de Nikola Tesla e fundamentos teóricos.
- Demonstração prática controlada, com visualização das formas de onda capturadas
por osciloscópio.
Este projeto experimental de Bobina de Tesla, concebido para demonstrações em feiras de
ciências, integra de maneira didática e inovadora diversos conceitos da engenharia elétrica.
A utilização de componentes de TV CRT e de um transformador de subestação de 13KVA
permite a construção de um protótipo com potencial para gerar efeitos visuais
impressionantes, ao mesmo tempo em que proporciona um rico aprendizado sobre
ressonância, alta tensão e modulação de sinais.
Os desafios técnicos, como a adaptação de circuitos para operar em frequências específicas e
a segurança necessária para manipular altas potências, foram discutidos em detalhes,
servindo como base para um sistema experimental seguro e educativo.
A abordagem integrada, desde a retificação da fonte AC até a sintonização do circuito
ressonante, destaca a importância do rigor técnico e da inovação no desenvolvimento de
projetos que mesclam tradição e modernidade.
- Referências
• Tesla, N. “Experiments with Alternate Currents of High Potential and High Frequency.”
• Datasheets dos componentes: IRGP4063DPbF, ACPL-332J e outros utilizados em TVs CRT.
• IEEE Standards para segurança em alta tensão
