Geradores de Altas Tensões (parte 3 - Fontes AT diversas)

Prof. Luiz Ferraz Netto [Léo]
leobarretos@uol.com.br 

  
De F a I, em preparo de formatação ... 01/07/2011 - Grato, Léo

A - Ionizador de ar ambiente (multiplicador de tensão)
B - Alta tensão com dimmer e bobina de ignição
C - Eliminador de insetos
D - Inversor para lâmpada fluorescente
E- AT com reator de lâmpada compacta - Plasma e Chifre Elétrico
F - Precipitador eletrostático
G - Cerca elétrica
H - Motores eletrostáticos
I - Laboratório de eletrostática do autor

A - Ionizadores de ar ambiente
Há várias boas hipóteses científicas que apontam para melhor bem estar de pessoas sujeitas à presença de íons negativos no ar de seu ambiente. Assim, para os experimentadores ligados ao ramo, apresentamos aqui alguns diagramas de ionizadores de ar ambiente.

Ionizador em cascata - projeto 1
O projeto está baseado em multiplicadores de tensão (veja Multiplicadores de tensão na abertura desse trabalho intitulado Geradores de Altas Tensões). Tal projeto, portanto, implica na montagem de um multiplicador de tensão capaz de geral, no terminal de saída, um potencial elétrico de cerca de 1000 Vcc, em relação à terra.
Circuito Elétrico e Componentes:

Os capacitores devem ser de poliéster com tensão de trabalho de 450 Vcc para tensão de alimentação de 117 Vac e 600 Vcc para alimentação de 220 Vac. A verificação de funcionamento pode ser efetuada mediante uso de uma pequena lâmpada néon dotada de um resistor de resistência 4M7 colocado em um de seus terminais; o outro terminal da lâmpada, tocando a agulha de coser, deverá acende-la. O conjunto todo pode ser colocado dentro de uma pequena caixa plástica, ficando apenas alguns milímetros da agulha para fora. O consumo de energia elétrica é irrisório.

Ionizador transistorizado - projeto 2
Tal projeto está baseado em oscilador transistorizado acionando bobina de ignição ou flyback, com retificador à diodo de alta tensão. Os transistores utilizados, todos de fácil obtenção, são NPN; três de baixa potência (BC548) e um de média potência (BD135) -- todos admitem equivalentes.
Circuito Elétrico e Componentes:

Componentes:
Q1 = Q2 = Q3 = BC548; Q4 = BD135; R1 = R2 = 22 k; R3 = R4 = 1 k; R5 = 3k3; R6 = 100 ohms; R7 = 4k7; D1 = D2 = 1N914; D3 = TV18 (diodo de alta tensão usado em televisores branco e preto); T1 = bobina de ignição ou flyback de TV branco e preto.

Notas:
(1) Optando pelo uso do flyback para TV branco e preto, deve-se enrolar na perna livre do núcleo de ferrite, para funcionar como primário, de 15 a 30 espiras de fio de cobre esmaltado ou encapado, de diâmetro cerca de 0,5 mm. Experimentar ... cada 1 cm de comprimento de faísca (contra um terminal de terra) equivale a cerca de 10 kV de tensão de saída.
(2) O terminal positivo do diodo de alta tensão (D3) é ligado diretamente ao terminal de alta tensão do flyback ou bobina de ignição automotiva.

Ionizador dimmerizado - projeto 3
Este projeto alimentado diretamente pela rede elétrica local (117 ou 220 Vac), comporta a técnica 'dimmer' para acionar uma bobina de ignição automotiva ou um flyback adaptado, para gerar a alta tensão de ionização do ar ambiente. O 'coração' de um dimmer é um TRIAC ou um SCR; aqui foi utilizado o SCR MCR106.
Circuito Elétrico e Componentes:

Componentes: SCR1 = MCR106; C1 = 8 a 16 µF; D1 = 1N4007; D2 = TV18 (diodo de alta tensão de antigos TV); R1 = 220 k; R2 = 1 k ou 2k2; R3 = 1M5; R4 = potenciômetro de 4M7; NE1 = NE2 = lâmpada néon comum de rabicho; T1 = bobina de ignição automotiva ou flyback branco e preto, com 15 ou 30 espiras de fio de cobre esmaltado ou encapado de 1 mm.

B - Alta tensão com dimmer e bobina de ignição automotiva
Pode-se obter uma boa alta tensão (acima de 30 kVAC) com a combinação de três componentes de fácil obtenção e ... nenhuma solda! Os três componentes são: 1 dimmer de luz comercial (para lâmpadas incandescentes de quartos, ventiladores, etc., disponível em qualquer loja de material elétrico), um capacitor de poliester de 3 µF x 250 V (servem esses usados para partida de ventiladores com motor de indução) e uma bobina de ignição automotiva (disponível na sucata de muitas oficinas 'autoelétricas').
Circuito Elétrico e Componentes:

Esses três componentes são associados em série e, aos extremos desta associação, aplica-se a tensão elétrica proveniente da rede domiciliar de 117/220 Vac (depende do dimmer adquirido, ou melhor, depende da rede elétrica local e do TRIAC posto no dimmer).
Abaixo mostramos os componentes citados que tiveram, como base, uma placa de acrílico e pés de borracha.

E alguns detalhes desta montagem:

Projeto do dimmer caseiro
Todavia, o interessante da coisa, não é comprar o dimmer já pronto ... e sim construí-lo! A seguir mostramos o circuito de um dimmer básico e sua aplicação como parte de um gerador de alta tensão, como descrito acima.
Circuito Elétrico e Componentes:

E detalhes da montagem:

Este esquema de dimmer básico que apresentamos é o modelo amplamente disponível em lojas de material elétrico. É o modelo típico para a rede domiciliar de 117 VAC para controle da luminosidade de lâmpadas incandescentes desde 30 W até algumas centenas de watts, dependendo do triac utilizado. A intenção deste artigo que lhes apresento não é entrar no mérito do funcionamento dos dimmers e sim como utilizá-lo para gerar altas tensões AC em altas frequências.
Com esta montagem, como gerador de alta tensão, consegui faíscas abundantes com 3 cm de comprimento.

Cuidado! Não esqueça que a montagem está diretamente ligada à rede elétrica; todo cuidado é pouco. Além disso, mesmo após desligar o circuito, o capacitor de 3 µF continua carregado e pode possibilitar um belo choque! Para prevenir isto, foi colocado em paralelo com tal capacitor de poliester um resistor de 150 k, 1/4 W (veja sobre o capacitor nas 3 primeiras fotos).

C - Eliminador de insetos
Você já deve ter visto aquele aparelho com uma luz arroxeada e ouvido um ocasional (ou constante) Tléc! Tléc! Tléc! Se ouvir atentamente, você poderá até captar os gritos dos infelizes insetos no momento em que são eletrocutados pela descarga de capacitores carregados com cerca de 600 V!

A versão High-Tech desses eliminadores de insetos compõe-se essencialmente de uma fonte de alimentação de alta tensão com baixa corrente, uma lâmpada (normalmente) fluorescente que serve para atrair essas indesejáveis criaturas voadoras (e/ou vetores de doenças) e uma grade ou tela adequada que recebe esta alta tensão.
A versão Low-Tech usa apenas um pequeno ventilador para dirigir os insetos para uma bandeja contendo água, a partir da qual eles são demasiadamente estúpidos ao tentarem escapar ... a tensão superficial da água não permitirá isso!
Todavia, esses dispositivos não são seletivos e liquidam tanto os insetos amigáveis, úteis, como as pragas indesejáveis.
Apresentaremos duas versões (eu, particularmente, uso a primeira delas, tanto em casa (interno e horta), como no Rancho dos Ventos (meu sossego à beira do Rio Pardo).

Circuito típico - projeto 1
Este é o circuito que adoto, cujo construção é bastante simples. A montagem requer:

1 base de madeira (pesada; usei uma de ponta de terça de peroba -- resto de construção de telhado -- de 10 x 10 x 4,5 cm). Esta base tem um furo na lateral e outro no centro, que se cruzam dentro do bloco; serve para passar o cabo paralelo de alimentação AC do circuito.
1 soquete comum (normalmente usado para lâmpada incandescente)
1 lâmpada compacta negra de 117V x 21 W
20 m de fio de alumínio nu (sem capa ou esmalte) de diâmetro entre 0,5 e 0,8 mm
1 resistor de 10 k x 1/2 W
2 diodos retificadores 1N4007
2 capacitores de poliéster de 1µF x 250 V
1 conector Sindall de 5 seções
4 varetas de madeira dura de diâmetro 6 mm e comprimento 23 cm.

Circuito Elétrico e Componentes:

LCN - Lâmpada compacta negra 117V/21W D1, D2 - 1N4007 C1, C2 - 1 µF x 250 Vcc

As varetas, com dentes espaçados de 3 a 4 mm (só na região onde fica a parte ativa da lâmpada compacta negra), são espetados nos 4 furos na base e suportam o enrolamento dos dois fios de alumínio. Cada fio de alumínio é ligado na fonte de alta tensão (circuito dobrador de tensão) nos pontos M1 e M2. Os fios são enrolados de modo que o fio positivo (M1) e o fio negativo (M2) fiquem lado a lado (basta ir enrolando M1  pulando um dente em cada vareta e depois enrolar M2 nos dentes livres).
 

Para fazer o denteado espaçador nas varetas, usei um tubo branco corrugado (cabo plástico flexível de ligação de torneiras), cortei cerca de 13 cm de comprimento e depois cortei 4 tiras longitudinais de 3 mm de largura cada uma. Essas tiras foram coladas com cola epoxi nas varetas. As grades formam hélice cilíndrica duplas, com passo de 3 a 4 mm. Uma hélice ligada em M1 e a outra em M2. Eis algumas fotos colhidas lá no Rancho dos Ventos (sobre a mesa do baralho, notebook e Ipad --- he  he  he , ninguém é de ferro!):
 

Recomendo, pois funciona mesmo! Um pincel macio é o mais indicado para limpeza dos fios mas, cuidado ... mesmo depois de desligado o capacitor continua carregado; mantenha longe do alcance de crianças.
Ah! Em tempo. O fio de alumínio pode ser obtido em lojas de bijuterias; pena que, em geral, vem recoberto de um esmalte colorido, o qual deve ser retirado. Não tenho outras fontes de indicação para a compra deste fio; se alguém o souber favor comunicar-me e coloco aqui tal indicação. Como último recurso, tal fio poderá ser substituído por arame galvanizado fino (coisa de 0,6 mm de diâmetro) --- este é fácil de encontrar em lojas de ferragens (por 'quilo').

Oba! Retificando o texto acima ... quinta - 21/07/2011 ... descobri a fonte para o fio de alumínio: fio para cerca elétrica de 0,5 mm! Comprei um rolo fechado por R$ 50,00 ... não tem marca alguma, indicação de espessura, etc. Problema do fio resolvido! Agora falta resolver o problema do suporte para a bobina eletrificada ... a solução do tubo canelado, cortado em tiras, não me agradou.

Circuito quadruplicador - projeto 2
Trata-se tão somente de uma linha quadruplicadora de tensão. R1 e R2 fornecem corrente limitante, caso alguém entre em contato com as grades. As grades podem ser do tipo hélice cilíndrica dupla, como a do projeto 1, ou haste retilíneas de arame galvanizado colocadas paralelamente (distanciadas de 4 mm) e interligadas alternadamente; uma associação na saída positiva AT e a outra na negativa.
As lâmpadas indicadas na ilustração, L1 e/ou L2 admitem as seguintes variações:
1- lâmpadas incandescentes roxas ( uma ou duas) de 5 a 10 W e seus soquetes;
2- lâmpadas compactas negras de 21 W (as recomendadas);
3- lâmpadas fluorescentes azul, necessita starter/reator e seus soquetes.
 

O dispositivo pode ser adaptado para 'insetos tamanho jumbo' ou mesmo pequenos roedores; para tanto, basta substituir os capacitores de poliéster para outros de valores maiores (1 a 3 µF).

As grades (fios ou hastes) metálicas devem ser postas ao redor da lâmpada, com os devidos suportes isolantes.

D - Inversor eficiente para lâmpadas fluorescentes de 20/40 W - projeto 1
Seja bem vindo o progresso com as caras lâmpadas fluorescentes compactas mas, que não acertaram no gol é um fato. Sua iluminação é precária, não permitem uma leitura com luz adequada ou mesmo uma área de trabalho devidamente iluminada. Têm suas restrições de uso. Ainda perdem, de longe, para os longos tubos fluorescentes de 40 W; uma fonte extensa de luz.
Este projeto pretende mostrar o uso da baixa tensão (12 Vcc), alimentando um inversor que, por sua vez, alimenta uma lâmpada de 40 W (ou duas em série de 20 W), com brilho adequado aos nossos trabalhos que requerem boa iluminação. O bom hobbysta pode começar montando apenas o inversor sem controle de brilho (esquema 1) e depois, num requinte, acrescentar o controle de brilho (esquema 2).

Circuito Elétrico e Componentes:

O primeiro trabalho será a construção do transformador de núcleo aberto, usando um bastão de ferrite de 8 cm de comprimento e diâmetro 10 mm (pode ser aproveitado da bobina de antena de um antigo rádio transistorizado). O enrolamento se fará em três etapas: enrolamento primário com 58 espiras de fio de cobre esmaltado de diâmetro 0,61 mm, enrolamento de realimentação (feedback) com 13 espiras de fio de cobre esmaltado de diâmetro 0,28 mm e enrolamento secundário de 450 espiras (feito em 3 camadas de 150 espiras cada) de fio de cobre esmaltado de diâmetro 0,28 mm. Todas as camadas e o próprio bastão de ferrite devem ter uma cobertura de papel encerrado. Todos os enrolamentos devem ser feitos no mesmo sentido, marcando cuidadosamente o início e o fim de cada um deles; isto será importante para o ajuste de fase da realimentação ligada à base do transistor de potência. Ilustramos:

Layout

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Inversor eficiente multiuso - projeto 2
Este é realmente um inversor  para vários usos. Tal circuito pode ser usado, por exemplo, para alimentar uma lâmpada estroboscópica, uma lâmpada de flash fotográfico, uma lâmpada fluorescente, etc. Com os valores fornecidos, irá gerar mais de 400 Vcc a partir de uma fonte de alimentação de 12 V e carregar um capacitor de 200 µF x 300V em menos de 5 segundos.

Circuito Elétrico e Componentes:

C1 = 1µF x 100 V, poliéster; R1 = 4k7 x 1 W; D1 = 1N4007; D2 = 1N4948 x 1,2 kV (rápido); R2 = 1k x 1 W; C2 = 300 µF x 450 V; T1 = primário 6,3 V - 0 - 6,3 V x 2,5 A, secundário 117 V (transformador de filamento às avessas); Q1 = 2N3055 + dissipador.

Notas:
1. A parte física da construção pode seguir várias formas; CI, placa padrão, minibox, conectores Sindall, etc. Verificar se as conexões de saída estão bem isoladas.
2. C1 deve ser do tipo não polarizado; não é eletrolítico. Poliéster é a recomendação.
3. D1 fornece um caminho de retorno para a base e impede significativa tensão inversa na junção B-E. Qualquer diodo para 1A ou maior servirá.
4. C2 é posto para o armazenamento de energia para o caso de aplicações em estroboscopia (flash). Remover D2 e C2 para uso com lâmpadas fluorescentes ou outras aplicações que requerem tensão alternada da ordem dos 400 Vac.
5. D2 dever um de alta velocidade (recuperação rápida). Para testes, um 1N4007 deve funcionar suficientemente bem. R2 limita os picos de corrente através de D2.
6. A polaridade de entrada em relação à saída é importante. Selecione para máxima tensão de saída, invertendo os fios de saída pretos (primário funcionando como secundário).
7. Para operação contínua a colocação de um bom dissipador de calor no transistor Q1 (2N3055 ou equivalente NPN, com Vceo  > 80, Ic > 2A e Hfe > 15) é indispensável. Se usar transistor tipo PNP, inverter as polaridades da fonte de alimentação e D1; inverta os fios de saída CC.
8. Os componentes nunca são iguais quer entre si quer com aqueles indicados na montagem. O meu transformador T1 não será igual ao seu transformador T1. Assim, algumas experiências com os valores dos componentes poderá melhorar o desempenho de sua montagem. Esta é a melhor parte de qualquer projeto!
9. Ao testar, use uma fonte de alimentação variável (indispensável numa bancada!) para que você tenha uma idéia de quanta tensão de saída é produzida para cada tensão de entrada. Os valores dos componentes não são críticos, mas seus comportamentos são afetados sob diferentes tensões de entrada/saída e cargas distintas; tais condições afetam R1 e C1 (e o ganho de seu específico transistor).
10. ATENÇÃO: A alta tensão de saída é perigosa, mesmo sem capacitor de armazenamento; com um deles, pode ser letal! Tome as devidas precauções.

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E- A.T. com reator de lâmpada compacta - Plasma e Chifre Elétrico
A lâmpada fluorescente compacta, com seu reator eletrônico posto na própria base da lâmpada também é alvo de 'transformações' nas mãos dos hobbystas e curiosos da eletrônica. Seu reator fornece os mais de 800 V (em alta frequência) que podem ser aplicados em lâmpadas de plasma, chifre elétrico, fonte AT para ensaios em eletrostática, etc.

Lâmpadas: Fluorescência versus incandescência
Incandescência é o processo de conversão de energia térmica em energia luminosa -- de calor para luz --, que exige a existência de um filamento em alta temperatura (cerca de 1900 ºC). Esta conversão é muito simples (é direta, efeito Joule), mas as desvantagens são que apenas 5% da energia elétrica consumida pela lâmpada é utilizada para gerar luz (95% é desperdiçada em forma de calor) e o tempo de vida é limitado a cerca de 2 000 horas.
Fluorescência é o processo de conversão da radiação ultravioleta (UV) para luz visível. Os elétrons fluem através da lâmpada e colidem com átomos de mercúrio, produzindo fótons de luz UV. Estes fótons incidem no revestimento de fósforo no interior do tubo de vidro e geram a luz visível.

Este processo de conversão de dois estágios é muito mais eficiente do que o processo da lâmpada incandescente, resultando em 25% da energia elétrica consumida para gerar luz visível, com temperaturas mais baixa (cerca de 40 ºC) e maior durabilidade (10 000 horas). A carga de tais lâmpadas compactas é resistiva, mas o reator eletrônico que é conectado entre a rede local AC e a lâmpada, para controlar sua corrente, é uma carga capacitiva.
Uma lâmpada fluorescente compacta (LFC) inclui a base de rosca Edison e sua caixa plástica, o reator eletrônico e a lâmpada fluorescente em forma de espiral compacta (ou outra forma compacta). Eis um visual:
 

Apesar de ineficientes para leituras e trabalhos de escritórios, além de mais caras, as lâmpadas fluorescentes compactas têm alguns méritos se comparadas às clássicas lâmpadas fluorescentes de tubo longo. Apresentam menor consumo de energia elétrica (ao redor dos 80%) e têm vida útil de 5 a 15 vezes maior. Normalmente tais lâmpadas estão disponíveis nas seguintes 'temperaturas de cor':

Branco quente - 2700 K
Branco frio       - 4000 K
Luz do dia        - 6000 K

K (maiúsculo), leia-se kelvin (sim, com k minúsculo, pois é unidade de medida escrita por extenso --- conforme exige o Sistema Internacional de Unidades --- SI) é a unidade de temperatura absoluta no SI.
Na maioria das aplicações de iluminação, dá-se preferência ao 'branco quente', pois está mais perto do tubo clássico e se mostra mais agradável às pessoas.

A lâmpada fluorescente compacta usa tubo com gás sob baixa pressão, assim como os tubos clássicos e a técnica de transformar energia elétrica em energia luminosa também é a mesma. Tais tubos apresentam em ambas as extremidades dois filamentos (eletrodos) revestidos com bário. Os catodos alcançam altas temperaturas (coisa dos 900 ºC) e liberam elétrons que são acelerados pela alta tensão entre os eletrodos e chocam-se com os átomos de argônio e mercúrio. Disso resulta plasma de baixa temperatura. O mercúrio passa a irradiar energia em forma de luz UV. A face interna de tais tubos, revestidas com polímeros fotoluminescentes, convertem esta luz UV que recebem em luz visível.
O tubo é alimentado por corrente alternada, de modo que a função dos eletrodos fica alternando entre os estados de anodo e catodo. Devido à frequência utilizada nesta alternância ser muito alta (bem acima da persistência retiniana), as lâmpadas compactas não 'piscam', em comparação com as lâmpadas clássicas de tubo. O conversor chaveado das compactas está inserido dentro do invólucro na base (de rosca) da própria lâmpada e substitui o reator e 'starter'.
Vou colocar aqui o esquema típico de algumas fluorescentes clássicas, ainda em uso por este mundo afora!
Circuito Elétrico e Componentes:

Antes de entrar nestas transformações que daremos a tais reatores, vejamos algumas linhas esclarecedoras sobre eles; para tanto vamos nos utilizar de um esquema elétrico típico facilmente colhido na WWW. Optei pela LUXAR 220Vx11W, usando o MJE13003 e outro, usando o BUV46A:
Circuito Elétrico e Componentes:
 

Pinceladas de funcionamento
O circuito da Luxar 11W mostra, na entrada, o setor de alimentação que inclui supressor de interferência (L2), fusível (F1), ponte retificadora (4 x 1N4007) e capacitor eletrolítico de filtragem (C4). O setor de 'partida' inclui D1, C2, R6 e DIACs D2 e D3; R1 e R3 são resistores de proteção. As demais partes apresentam suas funções normais de operação .
R6, C2 e DIAC produzem o primeiro pulso na base do transistor Q2 e determinam seu desbloqueio. Após este início esta seção é bloqueada pelo diodo D1. Depois do desbloqueio de Q2, este descarrega C2; deste modo não sobra potencial para o DIAC conduzir. A seguir são excitados os transistores ligados ao pequeno transformador TR1. Este transformador tem por núcleo um anel de ferrite, com três enrolamentos. A seguir os filamentos são alimentados através de C3 ao mesmo tempo que se eleva a tensão no circuito ressonante da L1, TR1, C3 e C6.
MJE13003 ==> possíveis substitutos: BD127, BD128, BD129, 2SC2611, 2SC2482. Com outro invólucro: MJE13007.

Para os técnicos e experts da eletrônica que queiram por a mão na massa e consertar tais reatores eletrônicos, eis alguns circuitos de referência:
 

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 Chifre elétrico
A alta tensão gerada na saída deste reator é suficiente para acionar quer um flyback ou mesmo uma bobina de ignição automotiva. As varetas do chifre elétrico podem ser substituídas por uma lâmpada de plasma ou por simples lâmpada incandescente (mesmo queimada) para se obter os eflúvios elétricos.

Circuito Elétrico e Componentes:

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