Geradores de Altas Tensões (parte 2 - usando bobina automotiva) 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 do enrolamento secundário, temos que efetuar bruscas e periódicas interrupções na corrente do circuito primário. Montagens com bobinas automotivas 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:
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. 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.
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/poliéster (1 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) fica cortada a corrente do relé. Relé destrava... e inicia novo ciclo.
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. Interruptor eletrônico com SCR Existem diversos circuitos eletrônicos, em geral osciladores, que permitem a interrupção (ou variação brusca) na corrente do primário da bobina. Neste circuito, 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. 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' (ou, melhor ainda, uma boa leitura em literatura pertinente). Interruptor eletrônico excitado por NE-555 A maioria dos circuitos da bobina de ignição tendem a produzir uma forma de onda no secundário com um pico de tensão muito elevada, embora a potência média seja relativamente baixa. Excitar as bobinas de ignição, fora do contexto de carros, geralmente é conseguido com um circuito com NE555 desencadeando um transistor de potência que transfere 12-48V através do primário, em uma frequência normalmente entre 50Hz e 200Hz.
Interruptor eletrônico (idem anterior) 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.
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 F 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. Nota: Esse circuito 'pulsador' pode (e deve) ser testado com flyback em substituição à bobina de ignição automotiva (veja parte a deste trabalho). Para acionar o flyback recomendamos um enrolamento primário de 10 a 12 espiras na perna livre 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 dois flybacks (primários em paralelo, altas tensões em série). Você enfrentará alguns problemas de fugas... resolva-os! Interruptor eletrônico para excitação de 2 bobinas em paralelo
O circuito oscilador apresentado acima (NE-555) pode ser aproveitado para controlar, após devidamente amplificado (usando BFY61), um bloco de 4 transistores NPN (2N3055) associados em paralelo. Esta associação de potência (4 x 2N3055), por sua vez, irá atuar sobre 2 bobinas de ignição associadas em paralelo. Os pulsos de onda quadrada (via BFY61) são enviados para um conjunto de quatro transistores de potência (2N3055), montados num mesmo dissipador de calor. A alimentação do circuito básico é 12 Vcc e a da fase de potência pode ser de 12 ou 24 Vcc, selecionada pela chave indicada no esquema. Nos coletores dos transistores de potência (marcados com x) devem ser inseridos resistores de baixo valor ôhmico para equilibrar as correntes. 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.1 F por outro de.3 ou.4 F. Nota: Este circuito será mais detalhado na parte 3 deste trabalho do feiradeciencias.com.br. Veja Dimmer na alta tensão. 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.
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).