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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.

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:

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 (1
m 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 .1mF 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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