Con anterioridad hablamos que el aire en presencia de un campo eléctrico muy intenso se ioniza, y que este aire ionizado es un mejor conductor eléctrico.
Bien, existen otros métodos para obtener la ionización de un gas, podríamos decir de forma generalizada que para conseguir la ionización de un átomo del elemento que sea, en este caso de un gas, es necesario proporcionarle energía. Por ejemplo, cuando hablábamos del efecto punta, esa energía para conseguir la ionización del aire la aportábamos mediante un campo eléctrico muy intenso.
Ahora esa aportación de energía la vamos a realizar mediante la aplicación de calor.
El experimento va a consistir en demostrar como el aire en condiciones normales no es un buen conductor eléctrico, pero si lo ionizamos aplicando calor, en este caso mediante el uso de una llama, se va a comprobar como ese aire que antes no dejaba circular una corriente eléctrica a través de él, de pronto comenzá a hacerlo.
Este experimento se va a desarrollar de la siguiente manera, se colocarán enfrentados dos electrodos separados a una distancia que impide que salte un arco eléctrico entre ellos, en el momento en el que el aire es calentado mediante una llama se observará como el aire ahora ionizado permitirá que a través de este pueda establecerse un arco.
Otro de los experimentos interesantes que se pueden hacer con un generador de alta tensión es un escalera de Jacob, que a pesar de su simpleza es siempre muy vistoso de contemplar.
Básicamente consiste en dos electrodos aislados entre si dispuestos normalmente en forma de “V” de tal manera que la distancia entre electrodos es menor en la base que en la parte superior, por lo que si sometemos a ambos electrodos a una alta diferencia de potencial se establecerá un arco eléctrico por el camino que menos resistencia ofrezca, en este caso es por el lugar en el que los electrodos están más cerca, es decir por la base.
Cuando se produce el salto del arco eléctrico (en nuestro caso de forma manual) este al estar a una alta temperatura calienta el aire que hay a su alrededor, lo que a su vez produce que el aire se ionice por lo que va a convertirse en un mejor conductor eléctrico.
Si tenemos en cuenta que el aire caliente tiene una menor densidad que el aire frío, este aire calentado por el arco eléctrico va a elevarse así que el arco en un intento se circular por el camino que menos resistencia le ofrezca tenderá a circular a través de ese aire calentado e ionizado y como este sebe, el arco eléctrico también subirá.
Cuando ya se encuentre el arco en la parte superior de los electrodos, al final de estos, el arco eléctrico en un intento de seguir circulando a través de ese aire caliente comenzará a estirarse por encima de los propio electrodos hasta que llega un punto en que la diferencia de potencial ya no es lo suficientemente elevada como para mantener el arco eléctrico tan estirado, por lo que este se extinguirá, para repetirse el proceso nuevamente por la parte más baja de los electrodos.
Su construcción es muy sencilla, tan solo hace falta dos varillas cilíndricas separadas entre si y sujetas por la base mediante un material aislante, como madera en este caso, después se conectan ambos electrodos a una fuente de alta tensión y una vez que cebemos el arco por la parte inferior, este se mantendrá el solo y comenzará a ascender.
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A continuación se muestran unas imágenes de los fenómenos del efecto punta e ionización de aire en ausencia de luz ambiental.
En estas condiciones el fenómeno de ionización alrededor de la punta es más evidente, ya que se puede ver de forma clara el halo o corona azul que se forma.
Efecto corona alrededor de la punta
Se observa que en la punta el campo eléctrico es mucho más elevado que en el resto del conductor, prueba de ello es que el halo es más visible es esta zona.
Cuando la ionización de aire es muy elevada, llegándose a desprender un halo como en este caso, se denomina efecto corona, aunque este fenómeno no solo consiste en la emisión de luz, también se puede manifestar en forma de zumbido, en ocasiones audible, o si la frecuencia llega a ser lo suficientemente elevada pueden presentarse emisiones de radiofrecuencia susceptibles de generar interferencias en receptores de televisión, radio...
Este peculiar molino es accionado mediante la aplicación de una diferencia de potencial de alta tensión cuyo movimiento se explica mediante el fenómeno del efecto punta e ionización del aire.
Como ya se mencionaba con anterioridad el efecto punta consiste en que cuando a un conductor acabado en forma de punta se le somete a una alta diferencia de potencial (alta tensión en nuestro caso), la densidad de carga es más alta en estas zonas por lo que el campo eléctrico en las puntas es muy intenso.
Fenómeno de ionización del aire.
Si este campo eléctrico es lo suficientemente intenso, el aire que hay alrededor de las puntas se ionizará.
Supongamos que tenemos un conductor acabado en punta cargado positivamente, es decir posee un defecto de electrones, si se eleva el campo eléctrico de la punta hasta llegar a un nivel en el que es capaz de arrancar los electrones (como el conductor tiene falta de electrones tratará de obtenerlos de su alrededor) de los átomos que forman los diferentes gases de la atmósfera y atraerlos hacia el propio conductor, estos átomos se convertirán en iones positivos, es decir, se ionizará el aire.
Ahora como los átomos del aire se han convertido en iones positivos y la punta está cargada positivamente, ocurre que, como cargas de igual signo se repelen, aparecerá una fuerza de repulsión entre los iones positivos del aire y la propia punta.
Esta fuerza de repulsión aunque pequeña, es lo suficiente como para producir un par de fuerzas que imprimen un movimiento de rotación sobre el eje de giro del molino.
Este efecto se puede explicar de la siguiente manera: ocurre que en un conductor acabado en forma de arista pronunciada (en punta), la densidad de carga eléctrica es mayor en estas zonas, (esto se puede demostrar mediante el uso de un electroscopio observando que la propia densidad de carga no es uniforme en toda la superficie del conductor).
Si tenemos en cuenta la definición de densidad de carga eléctrica superficial “cantidad de carga por unidad de área, siendo esta mayor en los puntos de mayor curvatura”, que traducido viene a decir que en las zonas en las que se produce un aumento del radio de curvatura hasta formar por ejemplo una punta, la densidad de carga se hará más intensa en dicha punta, es decir, las cargas eléctricas tenderán a acumularse en los conductores eléctricos acabados precisamente en punta
Esto en qué se traduce para lo que nos interesa, pues bien, un aumento de la densidad de carga eléctrica (mayor acumulación de cargas) genera a su alrededor un campo eléctrico más elevado en la punta que en cualquier otra parte de nuestro conductor cargado.
Si el campo eléctrico llega a ser muy intenso el aire circundante a la punta se ionizará.
Este fenómeno de ionización hace que el aire sea capar de conducir mejor la electricidad, es decir disminuye la "resistencia eléctrica" del aire, de este modo se puede decir que si en la punta el campo eléctrico es más fuerte, el fenómeno de ionización será mayor en dicha punta, así que, si colocamos cerca de nuestro conductor con punta cargado por ejemplo negativamente (exceso de electrones) otro conductor (esfera) cargado positivamente (defecto de electrones) entre ellos aparecerá una diferencia de potencial y como todo cuerpo tiene a un estado eléctricamente neutro, el conductor que posee más electrones tenderá a cederlos al que menos tiene, de este modo cuando se acerquen esos conductores cargados comenzará a producirse una circulación de electrones entre ellos (corriente eléctrica) y claro esta, por dónde tenderán a circular, por el lugar que ofrezca una menor resistencia eléctrica, y ese lugar será en la punta ya que es donde se produce una mayor ionización del aire.
Este fenómeno se puede demostrar con el siguiente vídeo, en él se observa que la esfera aún desplazándose “paralela” por las inmediaciones del conductor cargado, únicamente la descarga se produce cuando se acerca a la punta a pesar de que está se encuentra a mayor distancia de la esfera, esto es debido a que como explicaba antes en la punta el efecto de ionización es más fuerte por lo que aún existiendo una misma diferencia de potencial a lo largo de todo el conductor es solo en la punta donde la resistencia del aire disminuye lo suficiente como para que el arco eléctrico pueda atravesarlo y cerrarse el circuito.
El último proyecto de este tipo que construí fue un altavoz de plasma con el que con muy pocos elementos obtuve unos resultados muy interesantes, pero claro, me quedé con ganas de algo más, así que nuevamente investigué que más se puede hacer con un flyback de televisión y casualmente me volvió a aparecer esta misma página web kaizerpowerelectronics.dk en el que se muestra de forma clara cómo construir un convertidor resonante de tipo ZVS.
Vista del montaje
Bueno, antes de todo como la seguridad es lo primero, tengo que decir que si el anterior proyecto (altavoz de plasma) era peligroso, este lo es aún más ya que las tensiones generadas son mayores, y lo que es más importante, la intensidad con la que se trabajará también lo es, por lo tanto, si se produce una descarga accidental hace que el riesgo de generar lesiones por electrocución y quemaduras tanto internas como externas sea mayor debido a que la temperatura y el calor que se establece entorno al arco es muy elevado, así que antes de empezar, recomiendo leer este artículo sobre las NORMAS DE SEGURIDAD en alta tensión.
COMPONENTES NECESARIOS:
*Dos transistores MOSFET IRFP250N.
Circuito del generador de alta tensión
*Dos diodos Zener 1N5349B.
*Dos diodos rápidos MUR1560.
*Dos resistencias de 470 ohmios y 5 W.
*Dos resistencias 10 K.
*Varios condensadores cuya capacidad total sea aproximadamente de 0,66 microfaradios, mínimo 250 voltios.
*Una inductancia toroidal (anillo) de 170 microhenrios.
*Disipador de calor.
*Pasta térmica.
En cuanto a los componentes he de decir que tanto los diodos rápidos como los diodos Zener no tienen por que ser los que se especifican arriba ya que el circuito original solo se indica que los primeros diodos tienes que se rápidos y que los Zener soporten por lo menos 12 voltios y en base a esto se puede eligir cualquier modelo que cumpla estas especificaciones, sin embargo, también quiero añadir que estos dos últimos componentes por lo menos donde vivo me fue imposible conseguirlos ya que en las tiendas de electrónica o me decían que nunca los habían tenido o me daban simplemente largas, a así que no tuve más remedio que comprarlos por Internet, los MOSFET los conseguí en eBay, y los diodos y el resto de componentes los compré en futurlec.com que como se puede pagar mediante Paypal la compra fue muy cómoda y en cosa de dos semanas ya tenía todo en casa.
CONSTRUCCIÓN DEL CIRCUITO
Esquema de montaje
Ahora que ya tenemos los componentes, lo primero es montar el circuito, se puede hacer soldando los componentes directamente entre ellos o hacer lo mismo que construí para el anterior proyecto, una base de cartón a modo de circuito “impreso” y construir las pistas con alambre de cobre que también queda con una acabado elegante, pero eso a gusto de cada uno.
MOSFET montado en el disipador
El siguiente paso es montar los MOSFET en su correspondiente disipador, yo los saqué en su día de un viejo televisor, sin embargo puede servir un trozo de aluminio o metal, y aquí una cosa importante, ambos transistores tienen que estar eléctricamente aislados así que he utilizando dos disipadores por separado aunque también se pueden montar ambos transistores sobre un mismo disipador pero interponiendo entre estos y el disipador una alfombrilla térmica la cual transmite el calor pero no la electricidad.
En el primer caso hay que usar pasta térmica, si se usa estas alfombrillas ya no es necesario.
Ventilación forzada
Después habrá que construir la inductancia ya que como en la mayor parte de estas cosas no se suelen encontrar a medida en las tiendas de electrónica, así que para hacerlo habrá que buscar un núcleo de ferrita con forma de anillo (toroidal), este se puede encontrar por ejemplo en las fuentes de alimentación conmutadas como las de los ordenadores, cuando ya lo tengamos habrá que dar unas 14 vueltas, vuelta arriba, vuelta abajo, y el cable a utilizar tendrá que soportar como poco 10 amperios.
Salida de alta tensión
Bobina primaria
Por último habrá que arrollar la bobina primaria sobre el flyback, en principio cualquier modelo funcionará bien (preferiblemente de TV a color), solo hace falta que su núcleo de ferrita esté al descubierto, y en cuanto al número de vueltas habrá que dar 5 y 5, es decir, 10 en total y en el medio de estas habrá que sacar una toma media, y que todas ellas que estén en el mismo sentido, después habrá que buscar los terminales de la salida de alta tensión del flyback, para ello con un polímetro en posición de medir resistencia se toma un terminal de este y se pone en contacto con el cable que se dirige hacia la ventosa que va al tubo de imagen y ahora con el otro terminal se va probando uno a uno los pines de la base del mismo hasta encontrar la que menos resistencia tenga, entonces ese será el segundo terminal, ahora una vez localizado la salida de alta tensión a ambos extremos se suelda un par de cables con alambre pelado al final de estos, ya que si el arco se establece junto al flyback el calor literalmente lo derretiría por dentro al igual que si usamos solo cable sin quitar el aislante ya que este se quemaría (ya sabrás porqué en el vídeo)
Condesadores que forman parte del circuito tanque
Un apunte más, en cuanto a la elección de los condensadores una buena idea es usar varios acoplándolos en serie-paralelo para reducir al calor que en ellos se pudiera generar ya que al tener que trabajar con altas frecuencias estos están sometidos a mucho estrés lo que puede hacer que duren poco, así que usando varios en vez de uno solo con la capacidad exacta nos ahorrá problemas.
Para hacer los cálculos de cómo hallar la capacidad total del conjunto de condensadores se usan las siguientes fórmulas.
Fórmulas para la asociación de condensadores
A la hora de ponerlo en marcha habrá que tener una serie de consideraciones previas, la primera es que el consumo de este circuito es considerable y me quedo corto, ya que aplicándole una tensión de 12 voltios la intensidad llega fácilmente a los 5 amperios, con 24 voltios la intensidad se triplica llegando a los 15 amperios, y teniendo en cuenta que este circuito se puede alimentar con una tensión de hasta 40 voltios, la intensidad puede llegar a los 35 amperios de pico, aunque no recomiendo forzarlo tanto ya que con toda seguridad nuestro flyback se achicharraría, por no decir lo que ocurriría con los MOSFET, así que habrá que disponer de una fuente de alimentación muy potente, no tanto como para llegar a los 35 amperios pero si a 12 A mínimo y una tensión que ronde los 15-24 voltios si se quiere hacer un poco de espectáculo, o como es mi caso un simple transformador que nos de esa potencia y un puente rectificador que también soporte dicha intensidad, si no se dispone de esto mejor ni te plantees su construcción porque simplemente no funcionará o peor aún, nos carguemos la fuente.
FABRICACIÓN DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN PARA EL GENERADOR
Si dispones de una fuente de alimentación que de esa potencia de salida, perfecto, si solo dispones de un transformador sin nada más como es mi caso (yo lo conseguí de un viejo cuadro de mando de un ascensor) y quieres construirte una fuente de corriente continua para este proyecto, con el siguiente esquema lo tendrás fácil.
Esquema fuente de alimentacion (puente de Graetz + condensador)
Puente rectificador montado sobre un dispador
Por último antes de ponerlo en marcha lo mejor es ir probando de menos a más tensión empezando por 15 voltios y de ahí en adelante, yo solo he probado hasta 24 voltios ya que me pareció suficiente para la experiencia y por otro lado no quería cargarme ningún componente ya que no los he conseguido a la vuelta de la esquina.
Disclaimer: Este experimento trabaja con altas tensiones por lo que una manipulación incorrecta puede entrañar riesgos que deriven en lesiones personales o materiales, y que en cualquier caso, si decides construirlo será bajo tu propia responsabilidad.
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