Kit per costruzione mini bobina di Tesla

Fasi della costruzione di un semplice Kit per la realizzazione di una Bobina di Tesla, interessante per qualche esperimento scientifico. Il kit deve essere costruito saldando i vari componenti sul PCB  fornito, per questo motivo occorrono alcuni attrezzi  e una certa manualità.

Citazione dell’articolo nella sezione Brief Tutorial di Elettronica In

Introduzione

La bobina di Tesla è un trasformatore che funziona secondo il principio di risonanza. Fu inventato da Nicola Tesla, uno scienziato serbo-americano nel 1891.
Viene utilizzato principalmente per produrre corrente alternata ad altissima tensione, ma a bassa corrente e ad alta frequenza.

Tipico schema di una bobina di Tesla (tratto da Wikipedia)

La bobina di Tesla è composta da due gruppi di circuiti risonanti (a volte tre gruppi) accoppiati. La bobina di Tesla è difficile da definire e Nicola Tesla ha provato un gran numero di configurazioni di varie bobine.
Tesla utilizzò queste bobine per eseguire esperimenti innovativi: illuminazione elettrica, spettro di fluorescenza, raggi X, fenomeni di corrente alternata ad alta frequenza, elettroterapia e trasmissione di energia radio, trasmissione e ricezione di segnali radio.

Filmato del montaggio e del collaudo

Dove trovare il kit

Il kit utilizzato si trova su vari siti, è denominato in italiano  “Geekcreit® fai da te mini modulo bobina di tesla kit elettronico altoparlante al plasma 15W DC 15-24V 2A“.
In Italia è possibile reperirlo presso il sito della Futura Elettronica, il suo codice è 8300-MINITESLAKIT, il suo costo al momento dell’uscita dell’articolo è di 11 €.

NOTA: All’interno del kit è presente un foglio con le istruzioni in cinese. Il professor Frits Buesink, nel febbraio 2021, ha preparato un documento (scarica pdf in lingua inglese) in cui oltre a descrivere come montare il kit, fornisce una descrizione del principio su cui si basa il suo funzionamento.

Circuito elettrico del KIT

Sotto è riportato lo schema del circuito del Kit per la costruzione della bobina di Tesla. Lo schema è ricavato da quello presente sul foglio allegato al kit.
Il disegno è stato fatto tramite il programma Online EasyEDA, condiviso poi sul sito OSHWLab
Per conoscere meglio il programma, leggete anche gli articoli EasyEDA – Guida all’utilizzo del programma e EasyEDA – Guida all’utilizzo del programma

Elenco componenti

Segue l’elenco dei componenti presenti nel Kit per la costruzione della bobina di Tesla

Componenti attivi utilizzati

MOSFET, IRF530 (datasheet) (Q1)

Transistor TIP41 (datasheet) (Q2)

Costruzione

L’assemblaggio del PCB è piuttosto semplice. Occorreranno però alcuni strumenti :

• Per la saldatura, si utilizzerà un piccolo saldatore a punta fine, della potenza di circa 25 – 30 W.
• Stagno per saldatura ricavato, per esempio da un rocchetto di stagno per saldatura con filo diametro 1 mm “lead-free” ovvero senza piombo. Lega composta dal 97% di stagno e 3% di rame;
• Una tronchesina per tagliare i reofori dei componenti dopo la saldatura;
• Un cacciavite testa a croce per avvitare le viti;
• Un taglierino per rimuovere lo smalto sul filo di rame della bobina;
• Opzionale un multimetro per misurare le resistenze in caso di dubbio.

Vedere anche gli articoli:

• Il laboratorio di elettronica – Le attrezzature
• Il laboratorio di elettronica – La strumentazione
• Come eseguire delle buone saldature

Tronchesina

Saldatore a stilo

Rotoli di stagno

Cacciaviti vari

Si inizierà la costruzione del Kit della bobina di Tesla disponendo sul tavolo da lavoro tutti i componenti necessari

Il montaggio inizierà con i piccoli componenti, i resistori, i condensatori, i due diodi emettitori di luce (LED).
Tutti andranno saldati sul lato del PCB con i testi. Si inizierà dai resistori i cui codici sono:

• R1-R5 da 10 KΩ: marrone nero nero rosso + un anello di tolleranza marrone (1%);
• R3-R5 da 2KΩ: rosso nero nero marrone + un anello di tolleranza marrone (1%).

In caso di dubbio, utilizzare un Multimetro

si passa a saldare i due diodi LED, questi sono componenti polarizzati.
Il loro orientamento è indicato sul PCB dove è visibile sulla circonferenza un lato con una tacca.

Questa è presente sul led in corrispondenza del terminale più corto

Passeremo ora ai condensatori, altri componenti chiaramente contrassegnati sul PCB.

Per quanto riguarda la polarità, il condensatore elettrolitico, C1 = 1 µF, è contrassegnato sul lato negativo da una striscia bianca lungo il corpo.
Il secondo condensatore, C2 = 1 µF è una versione multistrato in ceramica gialla non polarizzato che viene quindi saldato accanto alla posizione in cui arriverà la bobina secondaria.

Passiamo ora al montaggio dei due connettori J1 per l’alimentazione e J2 per l’ingresso audio

Per il montaggio non ci dovrebbero essere problemi. Per il connettore J1 (alimentazione) depositare una quantità di stagno un pò più elevata in modo da fissare stabilmente il connettore.

Ora montate il MOSFET, IRF530 (datasheet) (Q1) e il transistor TIP41 (datasheet) (Q2), sui dissipatori di calore in alluminio utilizzando due dei bulloni M3.

Il consiglio è di inserire sulla piastra una piccola quantità di pasta termica.

I pin di montaggio dovrebbero sporgere sotto i dissipatori di calore di circa 8 mm. In caso contrario, ruotarli di 180°.

Quindi si procede alla loro saldatura nelle posizioni corrette contrassegnate sul PCB.
Confronta le etichette con quelle sul transistor/MOSFET.

La bobina secondaria tubolare grande (L2 ≈ 830 µH), può essere montata con colla a caldo oppure colla cianoacrilica tipo Attack.
Depositare una piccola quantità di colla sulla parte bassa del tubo in plastica e posizionarlo poi sul PCB tenendolo fermo  per qualche minuto .
Avvenuta la solidificazione della colla si potrà passare alla saldatura del fragile filo inferiore al foro di saldatura contrassegnato con la sigla L2.

Raschiate delicatamente con la lama di un taglierino lo smalto dalle estremità (avete rimosso lo smalto quando il filo cambia di colore, divenendo più rosa che giallastro) in modo da togliere l’isolante e facilitare la saldatura del capo che va sul PCB (piazzola L2). L’altro capo della bobina, ovvero quello verso l’alto, rimarrà libero.

Montare ora i quattro piedini in ottone (dadi esagonali lunghi) con i restanti quattro bulloni M3.

Per il primario dovete avvolgere una o due spire con il filo elettrico unipolare rigido da 0,5 mm di diametro (filo rosso contenuto nel kit), direttamente sopra il secondario HT. I capi del primario vanno poi saldati nelle rispettive piazzole del PCB, che sono siglate L1.

L’avvolgimento della bobina primaria è critico nel senso che la direzione dell’avvolgimento è importante.
Per cui l’inizio della bobina inizia dal foro di saldatura L1 vicino alla posizione di C2, il condensatore ceramico giallo e i due LED. Visto dall’alto della bobina secondaria, L2. L’avvolgimento di L1 deve essere IN SENSO ORARIO attorno alla bobina secondaria, L2. Nell’avvolgere la bobina occorre mantenere L1 separata da L2.

A questo punto il montaggio può dirsi terminato

Qualche nota di sicurezza prima di provare il circuito

ATTENZIONE !

• Il circuito funziona ad alta tensione (2,1 kV a 13 Vcc) e richiede quindi le cautele del caso: quando è in funzione e nei primi minuti dopo lo spegnimento, non toccate lo stampato né altri componenti, ad evitare di prendere una scossa che per i più è solo dolorosa ma che per un cardiopatico può essere pericolosa.
• Non mettere telefoni cellulari, lettori MP3 e altre apparecchiature elettroniche vicino alla bobina, perché quest’ultima genera un campo elettromagnetico ad alta frequenza che potrebbe provocare interferenze e danneggiarli.
• Per quanto la corrente che il trasformatore può rilasciare sia bassissima (intorno al milliampere) la tensione sviluppata è molto elevata e potrebbe dare una scossa dolorosa; avvicinarsi all’estremità libera del secondario e a qualsiasi corpo collegato ad essa può far partire verso di sé una scarica elettrica e questo fenomeno potrebbe dare una sensazione di bruciore. Nel caso avvicinate una punta del cacciavite tenendolo per il manico isolante
• Dopo un utilizzo prolungato, non dovete toccare i due dissipatori di calore montati sul PCB , perché la temperatura che possono assumere è molto elevata, soprattutto se il circuito lo alimentate a 24V. In realtà sarebbe possibile collegare una ventola di raffreddamento al connettore J3 presente sul PCB previsto proprio per questo scopo.

Collaudo della bobina

Operazione preliminari

Terminata la costruzione del kit della bobina di Tesla occorre disporre di un alimentatore di rete che fornisca all’uscita una tensione continua di da 15 a 24 VDC  (24 VDC consigliata), che possa erogare una corrente di 2 ampere e che disponga di un cavetto terminante con un jack coassiale avente diametro adatto alla presa jack DC del circuito.
La polarità del connettore su scheda è positiva sul polo centrale e negativa su quello esterno, quindi il jack dell’alimentatore dovrà essere tale.
Il filo di estremità del secondario rimasto libero va posizionato in alto.

Alimentiamo il circuito

Posizionate ora Il circuito stampato su una base in materiale isolante, quindi legno secco o plastica, in modo che nessuna delle sue piazzole tocchi parti o piani in metallo.
Ora alimentate il circuito. Se la tensione è sufficiente  il circuito produrrà un alone luminoso dovuto alla scarica a corona che causa la ionizzazione dell’aria e può arrivare alla conseguente produzione d’ozono; dal filo si rilascia l’effluvio elettrostatico, visibile come un alone a cono con luce molto intensa in prossimità del filo e sfumata man mano che ci si allontana. All’emissione della scarica sarà associato un rumore caratteristico simile a un soffio ritmico; i due fenomeni saranno maggiormente accentuati se la massa del circuito verrà collegata a un’estesa lamina metallica posta sul piano d’appoggio del generatore, fermo restando che essa dovrà rimanere distante almeno una decina di centimetri dall’elettrodo libero del secondario del trasformatore.
Se avvicinerete al filo della bobina la punta di un cacciavite (ricordate di tenerlo per il manico isolante !), vedrete la formazione di una piccola scarica tra la punta del cavo e quella del cacciavite

Se avvicinerete la piccola lampadina al neon presente nel kit o una a risparmio energetico (purché basata su tubo al neon) la vedremo illuminare, sia pure più debolmente di come si illuminerebbe se venisse alimentata normalmente: tale fenomeno è dovuto alla ionizzazione del gas contenuto nella lampadina, ad opera del campo elettrico generato dal trasformatore.

Applicando all’ingresso audio il segnale di una fonte BF potremo modulare l’effluvio elettrostatico e ottenere dalla sfera o da una placca metallica il suono corrispondente: prendiamo dunque un cavetto audio stereo avente alle estremità due jack da 3,5 mm e inseriamo un capo nella presa di uscita audio di un lettore MP3 o di uno smartphone, tablet o PC nel quale siano memorizzati brani audio, poi l’altro jack inseriamolo nella presa del circuito, che manterremo spento fino a quando avremo fatto i collegamenti. Avviamo la riproduzione e accendiamo il generatore d’alta tensione: variando il volume potremo sentire il debole suono generato dalla modulazione dell’effluvio elettrostatico (ossia del vento elettrico) ad opera del segnale ad audiofrequenza.