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Circuitos
Geradores de Altas Tensões
Prof. Luiz Ferraz
Netto
leobarretos@uol.com.br
1.
Montagens com bobinas automotivas
Apresentação
A bobina de indução para motores à explosão
é a própria bobina de Ruhmkorff
(transformador com circuito magnético aberto), numa montagem
compacta e robusta. A interrupção da corrente elétrica no primário,
em seu uso automotivo tradicional, é do tipo mecânico, usando
para tal o 'platinado' do bloco 'distribuidor'. Nesses veículos, o
martelo de Wagner (que é o próprio
platinado) não é comandado magneticamente pelo próprio núcleo
da bobina para efetuar a abertura do circuito, e sim externamente,
sincronizado com a rotação do motor.
Descrição
da bobina automotiva
A bobina é formada por um núcleo de ferro doce, em lâminas finas
superpostas e isoladas uma da outra (verniz e oxidação), conforme
se ilustra. Ressalte-se que há uma fina lâmina de cobre espetada
entre as lâminas de ferro e com uma extremidade saliente.
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Em torno
desse núcleo temos os enrolamentos secundário e primário,
nessa ordem.
A
extremidade inicial do
enrolamento secundário (grande quantidade de fio fino com
mais de 100 000 espiras) é soldada à fina lâmina de
cobre que encontra-se enfiada entre as lâminas de ferro do
núcleo, de modo que, curiosamente, o núcleo será o
terminal de alta tensão (a lâmina de cobre, na etapa
final de sua construção, é ligada ao 'tope' da bobina).
A outra extremidade desse enrolamento secundário é
soldada ao terminal inicial do enrolamento primário (que
tem cerca de 200 espiras de fio grosso) e ambos são, ao
final da construção, ligados ao borne (-) da peça
automotiva. O outro terminal do primário é ligado ao
borne (+) da peça, conforme se ilustra a seguir. |
Desse
modo, a bobina apresenta apenas três terminais de acesso às ligações
externas.
Terminados
os enrolamentos, o conjunto é colocado numa caneca de alumínio
(carcaça), ficando o extremo inferior do núcleo apoiado sobre um
copinho de porcelana, para isolar o núcleo da carcaça. Veja a
ilustração:
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O
espaço anelar em torno dos enrolamentos e parte inferior
é preenchido com material isolante (pixe). Adapta-se na
parte superior uma tampa isolante (baquelita) que contém o
tope e os bornes (+) e (-). Veja ilustração acima, à
direita.
Assim, como na bobina de Ruhmkorff, para gerar uma
alta-tensão entre os extremos de enrolamento secundário,
temos que efetuar bruscas e periódicas interrupções na
corrente do circuito primário. |
Como
não temos disponível o campo magnético criado pelo núcleo, para
uso externo (como por exemplo acionar a lâmina de um vibrador),
mesmo que se abra a caneca de alumínio ( não esqueça que a alta
tensão estará presente no núcleo!), temos que produzir essas
interrupções com outros recursos.
Várias
são as possibilidades e, todas elas valem também para a bobina de
Ruhmkorff (isso fica como sugestão para melhorias na eficiência
daquela montagem inicial - modelo típico). Vejamos alguns ...
Modos
de interromper periodicamente a corrente primária
Circuito
1. Vibrador
externo (circuito série)
Nessa montagem, nada mais fizemos que associar em série,
uma campainha para 3 VCC (normalmente acionada com duas pilhas em série)
com o primário da bobina de indução, conforme esquematizamos
abaixo. Note-se que o fio destinado ao enrolamento da campainha
deverá suportar a corrente que passa pelo primário da bobina.
Circuito
2. Vibrador externo (circuito
paralelo)
Aqui utilizamos uma campainha para 12 VCC associada em
paralelo com o primário da bobina de indução. Muitos dos relés
de 12V encontrados em veículos automotivos (relé de buzina, de
pisca-pisca etc.) podem ser aproveitados nessa montagem.
Circuito
3. Relé externo
Um relé com bobina para 12 VCC, contatos NA
(normalmente aberto) e NF (normalmente fechado), entretém a
corrente elétrica no primário da bobina. Nessa montagem,
recomendamos as ligações indicadas para 2 capacitores a óleo (1m
F x 250V) e 1 diodo (1N4007) para minimizar os
efeitos das auto-induções no relé e na bobina. Observe que, na
ilustração abaixo, o circuito para a bobina do relé está
'fechado' (lâmina em NF) e o circuito da bobina de ignição está
'aberto'. O relé trava (lâmina passa de NF para NA) e liga a
alimentação na bobina de ignição mas, com isso (lâmina em NA)
corta-se a corrente do relé. Relé destrava ... e inicia novo
ciclo.
Circuito
4. Motor
miniatura para 12 VCC
Adapte um disco de madeira ou fibra, com ranhura ao
longo da borda, ao eixo de um pequeno motor para 12 VCC (pequenos
motores de equipamentos automotivos). No disco são colocados
contatos de bronze interligados entre si por fios de cobre, como se
ilustra. Um único fio de cobre grosso e lixado (para retirar
completamente seu verniz) pode ser utilizado nessa etapa.
Duas
lâminas de bronze fosforoso servirão de escovas no processo das
interrupções da corrente no primário da bobina.
Circuitos
5 e 6.
Interruptores eletrônicos
Existem diversos circuitos eletrônicos, em geral
osciladores, que permitem a interrupção (ou variação brusca) na
corrente do primário da bobina. Nas ilustrações a seguir
mostramos dois deles.
Na
primeira temos um oscilador de relaxação com uma lâmpada néon
excitando um SCR. Como 'carga', o SCR usa a bobina de ignição
comum (automotiva). A tensão gerada no secundário dessa bobina
estará entre os 10 000 e 50 000 V. O limitador de intensidade de
corrente na entrada do circuito, um resistor de fio, terá seu
valor em função da tensão da rede domiciliar. Para rede de 110
VAC seu valor pode ser de 1,2k x 10W e para rede de 220 VAC, 2,2k x
10W (na ilustração 'faltou a vírgula', corrijam, por obséquio).
O SCR deve ter sufixo B ou D, para rede de 110 V (TIC 106B) e
sufixo D, para rede de 220 V (TIC 106D).
Recomenda-se
uma consulta a um técnico em eletrônica para o desenvolvimento e
entendimento desses 'chaveadores'.
Circuito
7. Interruptor eletrônico
Esse circuito, também bastante simples, poderá
fornecer tensões entre 15 e 40 kV e produzirá generosas faíscas
a partir de uma bobina de ignição automotiva (12V). A alimentação
desse circuito deverá ser de 12 VDC com intensidade de corrente
entre 5 e 6 ampères. As faíscas produzidas terão de 2 a 3 cm de
comprimento. Vejamos o circuito esquemático:
Como
se observa, o transistor de potência 2N3055 (NPN) é excitado
(pulsado) mediante ondas quadradas provenientes do CI - NE-555
(timer). A freqüência desses pulsos dependerá dos valores dos
resistores postos entre os pinos 7 e 8 e entre os pinos 7 e 6. Tal
pulso também é algo dependente do valor do capacitor ligado ao
pino 2. Tal capacitor pode ser de tântalo ou do tipo 'mylar' mas,
mesmo capacitores cerâmicos podem ser experimentados.
Recomendados que experimente com vários valores (desde valores bem
menores que .1 mF
até valores bem superior a isso). Você notará interessantes
mudanças nas características das faíscas. Repare que sob altas
freqüências as faíscas serão razoavelmente curtas e sob baixas
freqüências teremos longas e 'quentes' faíscas! Em suma, é um
circuito "didático", onde toda experimentação é
recomendada.
Esse
circuito 'pulsador' pode (e deve) ser testado com flyback em
substituição à bobina de ignição automotiva. Para acionar o
flyback recomendamos um enrolamento primário de 10 a 12 espiras na
perna inferior desse flyback. Com essa montagem alternativa o
dispositivo poderá ser usado para 'carregar' capacitores para
aplicações com lâmpadas xénon para 'flash'. Muito bom para lâmpadas
de plasma.
Se
você precisar de maiores valores de tensões, poderá tentar
associar duas bobinas de ignição, com os primários em paralelo e
as altas tensões em série. Experimente também tal associação
usando dois flybacks (primários em paralelo, altas tensões em série).
Você enfrentará alguns problemas de fugas ... resolva-os!
Circuito
8. Interruptor eletrônico c/ TRIAC/DIAC
Este circuito é bastante
recomendado para você produzir facilmente seus 10 a 20 kV,
dependendo da bobina de ignição automotiva que conseguir. Usamos
um TRIAC e um DIAC. Poderemos obter desse circuito agudas altas
tensões, acima de 40 kV, a partir da rede elétrica domiciliar de
110 VAC.
Tais
limites de tensão podem ser obtidos substituindo-se o capacitor de
.1mF
por outro de .3 ou .4 mF.
Circuito
9. Interruptor eletrônico (oscilador) c/ trafo excitador
Fácil de construir, este
gerador de alta tensão é capaz de produzir até 50KV; todavia,
devido à tensão de colapso da bobina, temos, na prática,
uma tensão de saída um pouco mais baixa.
T2 é um a bobina de ignição automotiva, assim como o capacitor
0,5µF ( vem do platinado; realmente sugiro usar só este tipo de
capacitor). T1 é um pequeno transformador feito com um núcleo
laminado de ferro, com uma seção quadrada de (7x7) mm e 57 mm de
comprimento; ele apresenta 75 espiras no lado de coletor e 25
espiras no lado da base --- use fio de cobre esmaltado de 1 mm. Sua
construção não é crítica e espero (não testei!) que o
circuito trabalhe bem com uma boa variedade de transformadores,
inclusive aqueles com núcleo de ferrita. Tente inverter os
terminais de um dos enrolamentos se o circuito não oscila. O
transistor trabalhará relativamente frio e se for montado numa
chapa de metal (lateral da própria caixa da montagem) não irá
requerer um dissipador de calor (radiador); todavia, se necessário,
um pequeno de 5ºC/ W bastará. A freqüência de operação fica
ao redor dos 1,2 kHz.
Circuito
10.
Interruptor eletrolítico de Wehnelt
O interruptor eletrolítico de Wehnelt, já comentado
nos trabalhos da Bobina de Rumkorff
(Sala 03), também pode ser utilizado para entreter a corrente no
primário de uma bobina de indução. O circuito série poderá ser
alimentado com CC ou CA (observe o resistor limitador de
intensidade de corrente intercalado em série; 50 ohms, 20 W).
2.
Montagens com TSH de TV (flyback)
Circuito
11.
Circuito oscilador push-pull c/ flyback
Esse é, provavelmente, o mais simples dos circuitos osciladores,
que usa flyback para gerar altas tensões.
Ele
incorpora dois transistores de potência (2N3055) na configuração
de um oscilador em 'push-pull'. Nada há de crítico para os
valores dos resistores e suas potências, desde que não se estenda
por demais os tempos de usos. Vejamos o circuito esquemático:
O
circuito aceita para sua 'alimentação' desde 12 VCC até algo
pouco acima de 24 VCC. Todavia, nesse extremo, não devemos exceder
o tempo de uso para além de poucos minutos, sob o risco de queimar
o flyback. Existem velhos flybacks de receptores de TV valvulados e
mesmo branco/preto que se adaptam perfeitamente a esse projeto.
Deles só iremos usar o núcleo de ferrite e o enrolamento de alta
tensão; tanto o enrolamento primário (5 + 5 espiras) como aquele
da re-alimentação (2 + 2 espiras) devem ser feitos pelo
construtor.
A
fonte de alimentação para esse gerador de alta tensão deve
prover a intensidade de corrente necessária para cada d.d.p.
utilizada (12 ou 24 V). Essa fonte deve estar dotadas de bons
retificadores, capacitor de filtro e mesmo o uso de um
"choque" é recomendável.
O
enrolamento primário é feito na perna do núcleo, oposta àquela
da alta tensão, e consiste de 10 espiras de fio rígido #16
encapado, com 'center tape'; o enrolamento de re-alimentação é
feito sobre o enrolamento primário e consta de 4 espiras de fio rígido
#22 encapado, com 'center-tape'. Se não se detetar produção de
alta tensão no enrolamento devido, deve-se inverter os fios que vão
às bases dos transistores, para se ajustar adequadamente as fases
para promover as oscilações.
Os transistores 2N3055 pode (e até tem certas vantagens, em alguns
casos) ser substituído por aqueles de saída horizontal de TV.
Também podem ser usados transistores do tipo PNP, desde que se
inverta as polaridades de entrada de tensão no oscilador.
Se a tensão de alimentação for de 12 V, o resistor de 220 ohms
pode ser reduzido para 110 ohms.
Esse
circuito, dependendo do flyback utilizado, trabalhará muito bem,
fornecendo de 15 a 40 kV e poderá ser usado em experimentos tais
como: chifre elétrico, lâmpada de plasma etc.
Circuito
12. Oscilador c/ MOSFET, CI-555, 2N2222
Esse é outro bom e eficiente circuito gerador de alta
tensão usando flyback. O circuito usa um MOSFET; um CI-555 (timer)
para lançar pulsos com ondas quadradas sobre o 2N2222 e um ramo
capacitor - potenciômetro para o devido ajustes dessas freqüências.
O 2N2222 comanda a porta do MOSFET e esse, por sua vez, controla os
pulsos agudos para o enrolamento extra de 10 espiras efetuado no
flyback. Eis o circuito:
Um
acurado ajuste em ambos os potenciômetros permitirá a obtenção
de compridos arcos elétricos no terminal de alta tensão. A fonte
de alimentação para tal circuito poderá fornecer desde + 12 VCC
até +15 VCC, sob corrente de 3 A. O MOSFET requer bom dissipador
de calor.
Se usar o aparelho por algum tempo para demonstrações em sala de
aula ou feira de ciências escolares, e perceber que o MOSFET está
esquentando muito, recomenda-se a inserção de um resistor de 4
ohms (se a fonte fornecer 12 V) ou de 5 ohms (se a fonte fornecer
15 V ou mais) entre o terminal 'fonte' do MOSFET e o enrolamento
primário do flyback.
Dê
preferência a flybacks mais antigos com o enrolamento de alta tensão
em forma de 'rosca' (toróide) e não aos mais modernos com tal
enrolamento 'cilíndrico'.
Circuito
13. Oscilador com trafo comum de alimentação
Este oscilador permite
obter, a partir de pequena tensão contínua (3 a 6V),
uma alta tensão alternada, com baixa corrente.
O trafo pode ser um comum para alimentação, com primário de
0/110/220V e secundário para 3/6/9/12V onde, nesse oscilador, o secundário
é quem vai ligado ao circuito e o primário é de onde se
recolhe a alta tensão.
Circuito
14. Oscilador Hartley
Para
quem vai iniciar seus experimentos com lâmpada de plasma, eis o
circuito indicado que utiliza um só transistor NPN (2N3055) e um
flyback, no qual se acrescentou dois novos enrolamentos na perna
central livre: um com duas espiras de cabinho 22, capa plástica e
outro com 5 espiras de fio 18, capa plástica. O terminal de alta
tensão pode ser ligado a um dos terminais de uma lâmpada
incandescente comum de 100 ou 200W (mesmo que tenha o filamento
queimado/quebrado). Uma bonita lâmpada de plasma!
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