Rivista #230:  VTTC, VACUUM TUBE TESLA COIL

Tra i contenuti del fascicolo 230 (Novembre 2018), attualmente in edicola, il progetto di un generatore d’alta tensione per mille interessanti esperimenti, basato su tubo elettronico e circuitazione VTTC.

La bobina di Tesla fu inventata da Nikola Tesla negli anni precedenti al 1891, quando si esibì in pubblico per la prima volta all’Istituto Americano degli Ingegneri Elettrici alla Columbia University. Con i mezzi dell’epoca Tesla costruì questo tipo di bobine utilizzando degli scintillatori detti “spinterometri”, che permettevano tramite la formazione di un arco elettrico, la risonanza di un grosso induttore con una serie di condensatori. Ancora oggi gli appassionati si avvicinano al mondo di Tesla utilizzando in prima battuta questo tipo di bobine dette appunto “spinterometriche” o, abbreviate, SGTC (Spark Gap Tesla Coil). Questo oggetto aprì le porte a moltissime applicazioni rendendo facile la creazione di scariche elettriche e la generazione di forti campi elettromagnetici molto utili per le sperimentazioni e le scoperte di inizio secolo.

Al giorno d’oggi lo stesso principio scoperto da Tesla viene utilizzato con bobine che possono adottare diverse tecniche per innescare le scariche, come ad esempio le bobine SSTC e DRSSTC Solid State Tesla Coil e Dual Resonant Solid State Tesla Coil, che fanno uso dei moderni semiconduttori di potenza per gestire la risonanza.

Il progetto proposto oggi utilizza invece una valvola termoionica per la generazione e va quindi sotto il nome di VTTC Vacuum Tube Tesla Coil.

LA BOBINA DI TESLA SPINTEROMETRICA

Analizziamo la bobina di Tesla classica, ossia la SGTC: in Fig. 1 è riportato lo schema di funzionamento semplificato di una bobina di Tesla di tipo SGTC, dove si nota un trasformatore T1, che eleva la tensione proveniente dalla rete elettrica fino ad un valore tale da innescare un arco elettrico fra gli elettrodi dello spinterometro (spark-gap). Quando interviene lo spark-gap, il condensatore CT (detto anche condensatore di “tank” perché immagazzina energia) si trova chiuso in parallelo all’avvolgimento di primario LT ed entra quindi in risonanza con l’avvolgimento stesso. Durante le  oscillazioni del circuito risonante parallelo formato da LT, CT e dallo spark-gap, il condensatore imprime dei picchi elevatissimi di  corrente nell’avvolgimento primario LT, che per induzione magnetica li trasferisce nell’avvolgimento secondario LS, che entra quindi in risonanza a sua volta con una capacità CS formata dalla capacità parassita dell’avvolgimento stesso e dalla capacità del toroide, chiamato top-load. Se la frequenza di risonanza del circuito composto da LS e CS è esattamente uguale a quella del primario LT e CT il trasferimento di energia è massimo e si crea una tensione ai capi dell’avvolgimento di secondario talmente elevata, da produrre scariche elettriche nell’aria circostante.

Le scariche si estinguono appena la tensione al condensatore CT scende sotto al livello di innesco dello spark gap, ma il ciclo si ripete appena il condensatore CT si ricarica nuovamente a ritmo della frequenza di rete e cioè a 50Hz in Italia. Questo modo di funzionamento è di tipo discontinuo ed è possibile solo grazie all’accodo perfetto alla stessa frequenza di risonanza dei due circuiti di primario e di secondario. Infatti il motivo principale per cui si riescono a sviluppare tensioni così elevate al secondario non risiede nel rapporto spire o nell’elevato coefficiente di accoppiamento, come avverrebbe in un normale trasformatore, bensì nell’accordo perfetto dei due circuiti risonanti, che permettono di “palleggiare” l’energia reattiva in modo sincronizzato. Per comprenderlo bene si può fare un paragone con un’altalena, che se spinta in maniera sincrona (scarica di CT) rispetto al suo moto (oscillazione alla frequenza di risonanza) è in grado di aumentare la sua velocità (energia trasferita) con una piccola spinta data al momento giusto. Se poi si fa in modo che la lunghezza magnetica dell’avvolgimento di secondario sia proprio uguale al quarto d’onda della frequenza di risonanza, il trasferimento d’energia è massimo, come avviene fra due antenne accordate.

Mentre si generano le scariche, l’energia elettrica è trasferita dal toroide all’aria circostante come nuvola di carica elettrica, calore, luce e suono. Le correnti elettriche derivanti da queste scariche sono causate dallo spostamento di carica da un punto volutamente reso più appuntito degli altri (detto breakout point) ad altri punti (regioni vicine dell’aria). Il processo è simile a quello della carica e scarica di un condensatore.

Fra una pulsazione e la seguente avviene la creazione e la crescita di un canale di gas ionizzato (detto plasma) che allunga l’intera scarica a ogni successiva pulsazione fino all’equilibrio, cioè fino a quando l’energia media disponibile della bobina di Tesla durante ogni pulsazione bilancia l’energia media che si perde nelle scariche (soprattutto sotto forma di calore). Il punto di equilibrio con le scariche di lunghezza massima dipende dal livello di potenza disponibile nella bobina. Le scariche di alta tensione si presentano con un colore blu-violaceo e di forma filamentosa multi ramificata. Aumentando l’energia si creano scariche più spesse, lunghe e luminose, con meno rami grazie all’aumento della ionizzazione e si sente nell’aria un odore pungente di ozono (O3).

L’articolo prosegue con:

LA BOBINA DI TESLA VALVOLARE

DESCRIZIONE DELLO SCHEMA ELETTRICO DELLA BOBINA VTTC

LA VALVOLA TERMOIONICA

SCHEMA ELETTRICO “STACCATO CONTROLLER”

REALIZZAZIONE PRATICA

COLLAUDO

……

ATTENZIONE

Il generatore di Tesla funziona, nella parte che segue la valvola, nel moltiplicatore e nel trasformatore, ad altissima tensione, quindi è NECESSARIO prestare la massima attenzione sia quando è acceso, sia quando è stato spento da poco.

• Assicurarsi che non ci siano nelle vicinanze sostanze infiammabili, perché la bobina di Tesla sviluppa calore e soprattutto innesca archi elettrici in grado di innescare le fiamme.
• Non toccare le parti ad alta tensione come valvola, trasformatore diodi e condensatori, anche dopo che la bobina ha funzionato, perché la carica elettrica immagazzinata nei condensatori viene conservata per diversi minuti.
• Dopo il funzionamento, scollegare l’alimentazione e scaricare le capacità della bobina, posizionando una resistenza del valore di almeno 100 ohm e potenza 5 watt tra gli elettrodi dei condensatori, assicurandosi di non venire a contatto con i reofori delle resistenze. Bene, con queste raccomandazioni abbiamo concluso e vi auguriamo di compiere tanti interessanti esperimenti, sempre con la dovuta cautela!

L’articolo completo è pubblicato sul numero 230, Novembre 2018, acquistabile in tutte le edicole.