Bobina de Tesla

El transformador especializado utilizado en el circuito de la bobina de Tesla (L1, L2) , llamado transformador resonante o transformador de radiofrecuencia (RF), funciona con principios diferentes a los transformadores utilizados en circuitos de potencia de CA. ^{[ 13 ]} Mientras que un transformador con núcleo de hierro está diseñado para transferir energía de manera eficiente del devanado primario al secundario, el transformador resonante está diseñado para almacenar y transferir temporalmente corrientes de alta frecuencia. Un devanado primario está en paralelo con un condensador , mientras que el devanado secundario tiene una capacitancia "parásita" con su inductor, como se ilustra en el diagrama. Los inductores y condensadores funcionan juntos como dos circuitos LC , " sintonizados " para que tengan la misma frecuencia de resonancia , ^{[ 5 ]} y cada chispa completa brevemente un circuito en el lado primario, produciendo una oscilación de ida y vuelta entre el primario y el secundario. Esto es análogo a la forma en que un diapasón almacena energía mecánica vibracional.

La bobina primaria (L1) consta de relativamente pocas vueltas de alambre o tubo de cobre grueso y está conectada en paralelo a un condensador (C1) . La corriente fluye a través del espacio de chispa (SG) con cada chispa y energiza repetidamente el circuito LC del lado primario. ^{[ 7 ] [ 8 ]} La bobina secundaria (L2) consta de cientos a miles de vueltas de alambre en una forma cilíndrica hueca, y la primaria está acoplada a ella al estar enrollada en un soporte aislante en el exterior.

La inductancia de (L2) resuena con la capacitancia parásita (C2) y la capacitancia del electrodo metálico del toroide conectado al terminal de alto voltaje.

El diseño peculiar de la bobina está dictado por la necesidad de lograr bajas pérdidas de energía resistiva (alto factor Q ) a altas frecuencias, ^{[ 9 ]} lo que resulta en los mayores voltajes secundarios:

• Las bobinas en un transformador Tesla están débilmente acopladas. ^{[ 7 ] [ 14 ]} El devanado primario tiene un diámetro mayor y está separado del secundario, ^{[ 8 ]} por lo que la inductancia mutua es baja y el coeficiente de acoplamiento es típicamente de 0,05 a 0,2; ^{[ 15 ] [ 9 ]} esto significa que solo del 5% al ​​20% del campo magnético del primario pasa a través del secundario cuando está en circuito abierto. El acoplamiento débil ralentiza el intercambio de energía entre las bobinas primaria y secundaria, lo que permite que la energía oscilante permanezca en el circuito secundario durante más tiempo antes de regresar al primario y comenzar a disiparse en la chispa.
• Cada bobinado también suele limitarse a una sola capa de alambre, lo que reduce las pérdidas por efecto de proximidad . El primario transporta corrientes muy altas. Dado que la corriente de alta frecuencia fluye principalmente por la superficie de los conductores debido al efecto pelicular , a menudo se fabrica con alambre grueso de gran superficie para reducir la resistencia, y sus espiras están espaciadas, lo que reduce las pérdidas por efecto de proximidad y la formación de arcos entre espiras. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

El diseño de bobina unipolar es ampliamente utilizado en bobinas modernas. La bobina primaria es el devanado espiral plano rojo en la parte inferior, mientras que la secundaria es la bobina cilíndrica vertical enrollada con hilo rojo fino. El terminal de alta tensión es el toroide de aluminio en la parte superior de la bobina secundaria.

Bobina bipolar, utilizada a principios del siglo XX. Cuenta con dos terminales de salida de alto voltaje, cada uno conectado a un extremo del secundario, con un espacio de chispa entre ellos. El primario consta de 12 espiras de alambre grueso, ubicado en el punto medio del secundario para evitar la formación de arcos eléctricos entre las bobinas.

El circuito de salida puede tener dos formas:

• Unipolar : Un extremo del devanado secundario está conectado a un único terminal de alta tensión, mientras que el otro está conectado a tierra . Este tipo se utiliza en bobinas modernas diseñadas para entretenimiento. El devanado primario se ubica cerca del extremo inferior de baja tensión del secundario para minimizar los arcos eléctricos entre los devanados. Dado que la tierra sirve como vía de retorno para la alta tensión, los arcos eléctricos que se forman desde el terminal tienden a saltar a cualquier objeto conectado a tierra cercano.
• Bipolar : Ninguno de los extremos del devanado secundario está conectado a tierra, y ambos se conectan a terminales de alta tensión. El devanado primario se ubica en el centro de la bobina secundaria, equidistante entre los dos terminales de alta tensión, para evitar la formación de arcos eléctricos.

El circuito opera en un ciclo que se repite rápidamente en el que el transformador de alimentación (T) carga el condensador primario (C1) , que luego se descarga en una chispa a través del espacio de chispa, creando un breve pulso de corriente oscilante en el circuito primario que excita una alta tensión oscilante a través del secundario: ^{[ 10 ] [ 12 ] [ 14 ] [ 18 ]}

1. La corriente proveniente del transformador de alimentación (T) carga el condensador (C1) a un alto voltaje.
2. Cuando la tensión en el condensador alcanza la tensión de ruptura del descargador (SG) , se produce una chispa que reduce la resistencia del descargador a un valor muy bajo. Esto completa el circuito primario y la corriente del condensador fluye a través de la bobina primaria (L1) . La corriente fluye rápidamente de un lado a otro entre las placas del condensador a través de la bobina, generando una corriente oscilante de radiofrecuencia en el circuito primario a la frecuencia de resonancia del circuito .
3. El campo magnético oscilante del devanado primario induce una corriente oscilante en el devanado secundario (L2) , según la ley de inducción de Faraday . Tras varios ciclos, la energía del circuito primario se transfiere al secundario. La energía total en los circuitos sintonizados se limita a la energía almacenada originalmente en el condensador C1 , de modo que, a medida que aumenta la amplitud de la tensión oscilante en el secundario ("resonancia ascendente"), las oscilaciones en el primario disminuyen hasta cero. Aunque los extremos de la bobina secundaria están abiertos, también actúa como un circuito sintonizado debido a la capacitancia (C2) , que es la suma de la capacitancia parásita entre las espiras de la bobina más la capacitancia del electrodo toroidal E. La corriente fluye rápidamente de un lado a otro a través de la bobina secundaria entre sus extremos. Debido a la pequeña capacitancia, la tensión oscilante en la bobina secundaria que aparece en el terminal de salida es mucho mayor que la tensión primaria.
4. La corriente secundaria crea un campo magnético que induce voltaje en la bobina primaria, y tras varios ciclos adicionales, la energía se transfiere de nuevo a la primaria, provocando una disminución del voltaje oscilante en la secundaria (reducción de la oscilación). Este proceso se repite, con la energía moviéndose rápidamente entre los circuitos sintonizados primario y secundario. Las corrientes oscilantes en la primaria y la secundaria se extinguen gradualmente debido a la energía disipada en forma de calor en el entrehierro y la resistencia de la bobina.
5. Cuando la corriente que atraviesa el espacio de chispa ya no es suficiente para mantener ionizado el aire en dicho espacio, la chispa se extingue, interrumpiendo así la corriente en el circuito primario. La corriente oscilante en el secundario puede continuar durante algún tiempo.
6. La corriente del transformador de alimentación comienza a cargar de nuevo el condensador C1 y el ciclo se repite.

Todo este ciclo se desarrolla muy rápidamente, y las oscilaciones se extinguen en un tiempo del orden de un milisegundo. Cada chispa en el espacio entre electrodos produce un pulso de alto voltaje sinusoidal amortiguado en el terminal de salida de la bobina. Cada pulso se extingue antes de que ocurra la siguiente chispa, por lo que la bobina genera una serie de ondas amortiguadas , no un voltaje sinusoidal continuo. ^{[ 10 ]} El alto voltaje del transformador de alimentación que carga el condensador es una onda sinusoidal  de 50 o 60 Hz . Dependiendo de cómo esté ajustado el espacio entre electrodos, generalmente se producen una o dos chispas en el pico de cada semiciclo de la corriente de red, por lo que hay más de cien chispas por segundo. Por lo tanto, la chispa en el espacio entre electrodos parece continua, al igual que las descargas de alto voltaje desde la parte superior de la bobina.

El devanado secundario del transformador de alimentación (T) está conectado en paralelo al circuito primario sintonizado. Podría parecer que el transformador actuaría como una vía de fuga para la corriente de radiofrecuencia, amortiguando las oscilaciones. Sin embargo, su elevada inductancia le confiere una impedancia muy alta a la frecuencia de resonancia, por lo que actúa como un circuito abierto para la corriente oscilante. Si el transformador de alimentación tiene una inductancia de cortocircuito insuficiente, se colocan bobinas de choque de radiofrecuencia en sus conductores secundarios para bloquear la corriente de radiofrecuencia.

Para producir el mayor voltaje de salida, los circuitos sintonizados primario y secundario se ajustan para que resuenen entre sí. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 17 ]} Las frecuencias de resonancia de los circuitos primario y secundario,${\displaystyle \scriptstyle f_{1}}$y${\displaystyle \scriptstyle f_{2}}$, están determinados por la inductancia y la capacitancia en cada circuito: ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 17 ]}

${\displaystyle f_{1}={1 \over {2\pi {\sqrt {L_{1}C_{1}}}}}\qquad \qquad f_{2}={1 \over {2\pi {\sqrt {L_{2}C_{2}}}}}\,}$

Generalmente, el secundario no es ajustable, por lo que el circuito primario se sintoniza, normalmente mediante una toma móvil en la bobina primaria L ₁ , hasta que resuene a la misma frecuencia que el secundario:

${\displaystyle f={1 \over {2\pi {\sqrt {L_{1}C_{1}}}}}={1 \over {2\pi {\sqrt {L_{2}C_{2}}}}}\,}$

Por lo tanto, la condición para la resonancia entre primario y secundario es:

${\ Displaystyle L_ {1} C_ {1} = L_ {2} C_ {2} \,}$

La frecuencia de resonancia de las bobinas de Tesla se encuentra en el rango de baja radiofrecuencia (RF), generalmente entre 50  kHz y 1  MHz. Sin embargo, debido a la naturaleza impulsiva de la chispa, producen ruido de radio de banda ancha y, sin blindaje, pueden ser una fuente importante de interferencia de radiofrecuencia (RFI) , interfiriendo con la recepción de radio y televisión cercana.

En un transformador resonante, el alto voltaje se produce por resonancia; el voltaje de salida no es proporcional a la relación de espiras, como en un transformador ordinario. ^{[ 14 ] [ 19 ]} Se puede calcular aproximadamente a partir de la conservación de la energía . Al comienzo del ciclo, cuando comienza la chispa, toda la energía en el circuito primario${\displaystyle W_{1}}$se almacena en el condensador primario${\displaystyle C_{1}}$. Si${\displaystyle V_{1}}$es el voltaje al cual se rompe el espacio de chispa, que generalmente está cerca del voltaje de salida pico del transformador de suministro T , esta energía es

${\displaystyle W_{1}={1 \over 2}C_{1}V_{1}^{2}\,}$

Durante el "arranque" esta energía se transfiere al circuito secundario. Aunque parte se pierde como calor en la chispa y otras resistencias, en las bobinas modernas, más del 85% de la energía termina en el secundario. ^{[ 10 ]} En el pico (${\displaystyle V_{2}}$) de la forma de onda de voltaje sinusoidal secundaria, toda la energía en la secundaria${\displaystyle W_{2}}$se almacena en la capacitancia${\displaystyle C_{2}}$entre los extremos de la bobina secundaria

${\displaystyle W_{2}={1 \over 2}C_{2}V_{2}^{2}\,}$

Suponiendo que no hay pérdidas de energía,${\displaystyle W_{2}\;=\;W_{1}}$. Sustituyendo en esta ecuación y simplificando, el voltaje secundario pico es ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 14 ]}

La segunda fórmula anterior se deriva de la primera utilizando la condición de resonancia.${\displaystyle L_{1}C_{1}\;=\;L_{2}C_{2}}$. ^{[ 14 ]} Dado que la capacitancia de la bobina secundaria es muy pequeña en comparación con el condensador primario, el voltaje primario se eleva a un valor alto. ^{[ 10 ]}

El voltaje pico mencionado anteriormente solo se alcanza en bobinas en las que no se producen descargas de aire; en bobinas que producen chispas, como las bobinas de entretenimiento, el voltaje pico en el terminal está limitado al voltaje en el que el aire se rompe y se vuelve conductor. ^{[ 10 ] [ 14 ] [ 16 ]} A medida que el voltaje de salida aumenta durante cada pulso de voltaje, llega al punto en el que el aire junto al terminal de alto voltaje se ioniza y se producen descargas de corona , descargas de cepillo y arcos de serpentina desde el terminal. Esto sucede cuando la intensidad del campo eléctrico supera la rigidez dieléctrica del aire, aproximadamente 30  kV por centímetro. Dado que el campo eléctrico es mayor en los puntos y bordes afilados, las descargas de aire comienzan en estos puntos del terminal de alto voltaje. El voltaje en el terminal de alto voltaje no puede aumentar por encima del voltaje de ruptura del aire, porque la carga eléctrica adicional bombeada al terminal desde el devanado secundario simplemente escapa al aire. El voltaje de salida de las bobinas de Tesla al aire libre está limitado a unos pocos millones de voltios por la ruptura del aire, ^{[ 5 ]} pero se pueden lograr voltajes más altos con bobinas sumergidas en tanques presurizados de aceite aislante .

Algunos diseños de bobinas de Tesla presentan un electrodo metálico liso, esférico o toroidal, en el terminal de alta tensión. Este electrodo actúa como una placa de un condensador , con la Tierra como la otra, lo que aumenta la capacitancia secundaria. La superficie curva de gran diámetro reduce el campo eléctrico en el terminal de alta tensión, incrementando el umbral de voltaje al que se produce la descarga del aire. Al suprimir la ruptura dieléctrica prematura del aire y la consiguiente pérdida de energía, el voltaje puede alcanzar valores más altos, generando descargas más prolongadas y energéticas. ^{[ 14 ]}

Si el electrodo superior es demasiado grande y liso, el campo eléctrico en su superficie puede no ser lo suficientemente alto como para provocar una descarga eléctrica. Algunas bobinas de entretenimiento tienen un punto de chispa afilado que sobresale del electrodo para iniciar las descargas. ^{[ 20 ]}

Los circuitos de bobina de Tesla se pueden clasificar según el tipo de "excitación" que utilizan, es decir, qué tipo de circuito se utiliza para aplicar corriente al devanado primario del transformador resonante: ^{[ 5 ] [ 21 ] [ 22 ]}

• Bobina de Tesla de chispa o descarga de chispa (SGTC) : Este tipo utiliza una descarga de chispa para cerrar el circuito primario, descargando un condensador a través del transformador resonante y generando oscilaciones. Las descargas de chispa presentan desventajas debido a las altas corrientes primarias que deben manejar. Producen un ruido muy fuerte durante su funcionamiento, generan ozono tóxico y altas temperaturas que pueden requerir un sistema de refrigeración. La energía disipada en la chispa también reduce el factor Q y la tensión de salida. Todas las bobinas de Tesla eran de chispa.
  • Descarga de chispa estática : Este es el tipo más común, descrito en detalle en la sección anterior. Se utiliza en la mayoría de las bobinas de entretenimiento. Un voltaje de CA proveniente de un transformador de alta tensión carga un condensador, que se descarga a través del descargador de chispa. La frecuencia de chispa no es ajustable, sino que viene determinada por la  frecuencia de la red eléctrica (50 o 60 Hz). Pueden producirse múltiples chispas en cada semiciclo, por lo que los pulsos de voltaje de salida pueden no estar espaciados uniformemente.
  • Descargador de chispa estática : Los circuitos comerciales e industriales suelen aplicar un voltaje de CC desde una fuente de alimentación para cargar el condensador y utilizan pulsos de alto voltaje generados por un oscilador aplicado a un electrodo de activación para generar la chispa. ^{[ 7 ] [ 22 ]} Esto permite controlar la frecuencia de la chispa y el voltaje de excitación. Los descargadores de chispa comerciales suelen estar encerrados en una atmósfera de gas aislante, como el hexafluoruro de azufre , lo que reduce la longitud y, por lo tanto, la pérdida de energía en la chispa.
  • Descargador de chispa rotatorio : Estos utilizan un descargador de chispa compuesto por electrodos alrededor de la periferia de una rueda que gira a alta velocidad mediante un motor, los cuales crean chispas al pasar por un electrodo fijo. ^{[ 22 ]} Tesla utilizó este tipo en sus grandes bobinas, y se utilizan hoy en día en grandes bobinas de entretenimiento. La rápida separación de los electrodos extingue la chispa rápidamente, permitiendo la extinción de la "primera muesca", lo que posibilita voltajes más altos. La rueda suele ser accionada por un motor síncrono , por lo que las chispas están sincronizadas con la frecuencia de la línea de CA, produciéndose la chispa en el mismo punto de la forma de onda de CA en cada ciclo, de modo que los pulsos primarios son repetibles.
• Bobina Tesla de estado sólido o conmutada (SSTC) : Estas utilizan dispositivos semiconductores de potencia , generalmente tiristores o transistores como MOSFET o IGBT , ^{[ 7 ]} activados por un circuito oscilador de estado sólido para conmutar pulsos de voltaje desde una fuente de alimentación de CC a través del devanado primario. ^{[ 22 ]} Proporcionan excitación pulsada sin las desventajas de un descargador de chispa: el ruido fuerte, las altas temperaturas y la baja eficiencia. El voltaje, la frecuencia y la forma de onda de excitación se pueden controlar con precisión. Las SSTC se utilizan en la mayoría de las aplicaciones comerciales, industriales y de investigación ^{[ 7 ]} , así como en bobinas de entretenimiento de alta calidad.
  • Bobina de Tesla de estado sólido de resonancia simple (SRSSTC) : En este circuito, el primario no tiene un condensador resonante, solo el secundario; por lo tanto, es un circuito de resonancia simple , no de doble resonancia. La corriente que llega al primario desde los transistores de conmutación excita la resonancia en el circuito secundario. Las bobinas de Tesla de resonancia simple son más sencillas, pero el circuito de resonancia simple suele tener un factor Q menor , por lo que almacena menos energía y produce voltajes más bajos que los circuitos de doble resonancia, en igualdad de condiciones.
  • Bobina de Tesla de estado sólido de doble resonancia (DRSSTC) : El circuito es similar al circuito excitado por chispa de doble sintonización, excepto que en lugar del transformador de alimentación de CA ( T ) en el circuito primario una fuente de alimentación de CC carga el condensador, y en lugar del espacio de chispa interruptores semiconductores completan el circuito entre el condensador y la bobina primaria.

  • Bobina de Tesla cantante o bobina de Tesla musical : No se trata de un tipo de excitación independiente, sino de una modificación del circuito primario de estado sólido para crear una bobina de Tesla que puede utilizarse como instrumento musical, reproduciendo tonos musicales sencillos mediante descargas de alto voltaje. Los pulsos de voltaje aplicados al primario se modulan a frecuencia de audio mediante un circuito "interruptor" de estado sólido, lo que provoca que la descarga de arco del terminal de alto voltaje emita sonidos. Hasta el momento, solo se han producido tonos y acordes sencillos; la bobina no puede funcionar como altavoz , reproduciendo música compleja ni voces. La salida de sonido se controla mediante un teclado o un archivo MIDI aplicado al circuito a través de una interfaz MIDI . Se han utilizado dos técnicas de modulación : AM ( modulación de amplitud del voltaje de excitación) y PFM ( modulación de frecuencia de pulso ). Estas bobinas se construyen principalmente como objetos de entretenimiento.
• Onda continua : En estos, el transformador es accionado por un oscilador de retroalimentación , que aplica un pulso de corriente al devanado primario en cada ciclo de la corriente de RF, excitando una oscilación continua. ^{[ 22 ]} El circuito sintonizado primario actúa como circuito tanque del oscilador, y el circuito se asemeja a un transmisor de radio . A diferencia de los circuitos anteriores que generan una salida pulsada, estos generan una salida de onda sinusoidal continua . A menudo se utilizan tubos de vacío de potencia como dispositivos activos en lugar de transistores, ya que son más robustos y tolerantes a las sobrecargas. En general, la excitación continua produce voltajes de salida más bajos a partir de una potencia de entrada dada que la excitación pulsada. ^{[ 22 ]}

Los circuitos de Tesla también se pueden clasificar según la cantidad de bobinas resonantes ( inductores ) que contienen: ^{[ 23 ] [ 24 ]}

• Circuitos de doble bobina o de doble resonancia : Prácticamente todas las bobinas de Tesla actuales utilizan el transformador resonante de doble bobina , que consta de un devanado primario al que se aplican pulsos de corriente y un devanado secundario que produce el alto voltaje, inventado por Tesla en 1891. El término "bobina de Tesla" normalmente se refiere a estos circuitos.
• Circuitos de tres bobinas , triple resonancia o amplificadores : Estos son circuitos con tres bobinas, basados ​​en el circuito "transmisor amplificador" de Tesla con el que comenzó a experimentar algún tiempo antes de 1898 e instaló en su laboratorio de Colorado Springs entre 1899 y 1900, y patentó en 1902. ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]} Consisten en un transformador elevador de núcleo de aire de dos bobinas similar al transformador de Tesla, con el secundario conectado a una tercera bobina no acoplada magnéticamente a las otras, llamada bobina "extra" o "resonadora", que se alimenta en serie y resuena con su propia capacitancia. La salida se toma del extremo libre de esta bobina. La presencia de tres circuitos tanque de almacenamiento de energía le da a este circuito un comportamiento resonante más complejo. ^{[ 28 ]} Es objeto de investigación, pero se ha utilizado en pocas aplicaciones prácticas.

Las bobinas de Tesla modernas , ya sean de transistor o de tubo de vacío, no utilizan un espacio de chispa primario. En su lugar, el o los transistores o tubos de vacío proporcionan la función de conmutación o amplificación necesaria para generar potencia de RF para el circuito primario. Las bobinas de Tesla de estado sólido utilizan la tensión de funcionamiento primaria más baja, normalmente entre 155 y 800 voltios, y controlan el devanado primario mediante una configuración de puente simple, medio puente o puente completo de transistores de unión bipolar , MOSFET o IGBT para conmutar la corriente primaria. Las bobinas de tubo de vacío suelen funcionar con tensiones de placa entre 1500 y 6000 voltios, mientras que la mayoría de las bobinas con espacio de chispa funcionan con tensiones primarias de 6000 a 25 000 voltios. El devanado primario de una bobina de Tesla tradicional de transistor se enrolla únicamente alrededor de la parte inferior de la bobina secundaria. Esta configuración ilustra el funcionamiento de la secundaria como un resonador bombeado. El primario induce una tensión alterna en la parte inferior del secundario, proporcionando impulsos regulares (similares a los impulsos sincronizados de un columpio). Durante cada impulso, se transfiere energía adicional del primario a la inductancia del secundario y a la capacitancia de carga superior, lo que provoca un aumento de la tensión de salida del secundario (fenómeno conocido como "ring-up"). Generalmente, se utiliza un circuito de retroalimentación electrónica para sincronizar de forma adaptativa el oscilador primario con la resonancia creciente del secundario, siendo este el único ajuste necesario, además de la elección inicial de una carga superior adecuada.

En una bobina de Tesla de estado sólido de doble resonancia (DRSSTC), la conmutación electrónica de la bobina de Tesla de estado sólido se combina con el circuito primario resonante de una bobina de Tesla de chispa. El circuito primario resonante se forma conectando un condensador en serie con el devanado primario de la bobina, de modo que la combinación forma un circuito tanque en serie con una frecuencia de resonancia cercana a la del circuito secundario. Debido al circuito resonante adicional, se requiere un ajuste de sintonización manual y otro adaptativo. Además, se suele utilizar un interruptor para reducir el ciclo de trabajo del puente de conmutación y mejorar la capacidad de potencia máxima; asimismo, los IGBT son más populares en esta aplicación que los transistores de unión bipolar o los MOSFET, debido a sus características superiores de manejo de potencia. Generalmente se utiliza un circuito limitador de corriente para limitar la corriente máxima del tanque primario (que debe ser conmutada por los IGBT) a un nivel seguro. El rendimiento de una DRSSTC puede ser comparable al de una bobina de Tesla de chispa de potencia media, y la eficiencia (medida por la longitud de la chispa en función de la potencia de entrada) puede ser significativamente mayor que la de una bobina de Tesla de chispa que funcione con la misma potencia de entrada.

Esquemas de bobinas de Tesla

Configuración típica del circuito. En este caso, el descargador cortocircuita la alta frecuencia en el primer transformador, alimentado por corriente alterna. Una inductancia, no mostrada, protege el transformador. Este diseño es el preferido cuando se utiliza un transformador para letreros de neón relativamente frágil.

Configuración de circuito alternativa. Con el condensador en paralelo al primer transformador y el descargador de chispas en serie con el primario de la bobina de Tesla, el transformador de alimentación de CA debe ser capaz de soportar altos voltajes a altas frecuencias.

Una bobina de Tesla de diseño moderno suele operar a niveles de potencia máxima muy elevados, de hasta varios megavatios (millones de vatios , equivalentes a miles de caballos de fuerza ). Por lo tanto, se ajusta y opera con cuidado, no solo por eficiencia y economía, sino también por seguridad. Si, debido a una sintonización incorrecta, el punto de voltaje máximo se produce por debajo del terminal, a lo largo de la bobina secundaria, puede producirse una descarga ( chispa ) que dañe o destruya el cable de la bobina, los soportes u objetos cercanos.

Tesla experimentó con estas y muchas otras configuraciones de circuitos (véase a la derecha). El devanado primario de la bobina de Tesla, el descargador de chispa y el condensador de tanque están conectados en serie. En cada circuito, el transformador de alimentación de CA carga el condensador de tanque hasta que su voltaje es suficiente para provocar la descarga del descargador de chispa. Este se dispara repentinamente, permitiendo que el condensador cargado se descargue en el devanado primario. Una vez que se produce la descarga, el comportamiento eléctrico de ambos circuitos es idéntico. Los experimentos han demostrado que ninguno de los circuitos ofrece una ventaja de rendimiento significativa sobre el otro.

Sin embargo, en el circuito típico, la acción de cortocircuito del descargador de chispa evita que las oscilaciones de alta frecuencia se propaguen al transformador de alimentación. En el circuito alternativo, las oscilaciones de alta amplitud y alta frecuencia que aparecen en el condensador también se aplican al devanado del transformador de alimentación. Esto puede inducir descargas de corona entre las espiras que debilitan y eventualmente destruyen el aislamiento del transformador. Los constructores experimentados de bobinas de Tesla utilizan casi exclusivamente el circuito superior, a menudo complementándolo con filtros de paso bajo (redes de resistencia y condensador (RC)) entre el transformador de alimentación y el descargador de chispa para ayudar a proteger el transformador de alimentación. Esto es especialmente importante cuando se utilizan transformadores con devanados de alta tensión frágiles, como los transformadores de letreros de neón (NST). Independientemente de la configuración que se utilice, el transformador de alta tensión debe ser de un tipo que autolimite su corriente secundaria mediante inductancia de cortocircuito interna . Un transformador de alta tensión normal (con baja inductancia de cortocircuito) debe utilizar un limitador externo (a veces llamado balasto) para limitar la corriente. Los NST están diseñados para tener una alta inductancia de cortocircuito con el fin de limitar su corriente de cortocircuito a un nivel seguro.

Descargas de aire

En las bobinas que producen descargas de aire, como las construidas para entretenimiento, la energía eléctrica del secundario y del toroide se transfiere al aire circundante en forma de carga eléctrica, calor, luz y sonido. El proceso es similar a la carga o descarga de un condensador , con la diferencia de que una bobina de Tesla utiliza corriente alterna (CA) en lugar de corriente continua (CC). La corriente que surge del desplazamiento de cargas dentro de un condensador se denomina corriente de desplazamiento . Las descargas de las bobinas de Tesla se forman como resultado de las corrientes de desplazamiento, ya que los pulsos de carga eléctrica se transfieren rápidamente entre el toroide de alto voltaje y las regiones cercanas en el aire (denominadas regiones de carga espacial ). Aunque las regiones de carga espacial alrededor del toroide son invisibles, desempeñan un papel fundamental en la apariencia y la ubicación de las descargas de las bobinas de Tesla.

Cuando se produce la chispa, el condensador cargado se descarga en el devanado primario, provocando la oscilación del circuito primario. La corriente primaria oscilante crea un campo magnético oscilante que se acopla al devanado secundario, transfiriendo energía al lado secundario del transformador y provocando su oscilación con la capacitancia del toroide a tierra. La transferencia de energía se produce a lo largo de varios ciclos, hasta que la mayor parte de la energía que originalmente se encontraba en el lado primario se transfiere al lado secundario. Cuanto mayor sea el acoplamiento magnético entre los devanados, menor será el tiempo necesario para completar la transferencia de energía. A medida que se acumula energía dentro del circuito secundario oscilante, la amplitud del voltaje de radiofrecuencia del toroide aumenta rápidamente y el aire que lo rodea comienza a sufrir una ruptura dieléctrica , formando una descarga de corona.

A medida que la energía (y el voltaje de salida) de la bobina secundaria siguen aumentando, pulsos más grandes de corriente de desplazamiento ionizan y calientan aún más el aire en el punto de ruptura inicial. Esto forma una "raíz" de plasma más caliente, altamente conductora eléctricamente , llamada líder , que se proyecta hacia afuera del toroide. El plasma dentro del líder es considerablemente más caliente que una descarga de corona y es considerablemente más conductor. De hecho, sus propiedades son similares a las de un arco eléctrico . El líder se estrecha y se ramifica en miles de descargas más delgadas, frías y con forma de cabello (llamadas serpentinas). Las serpentinas se ven como una "neblina" azulada en los extremos de los líderes más luminosos. Las serpentinas transfieren carga entre los líderes y el toroide a las regiones de carga espacial cercanas. Las corrientes de desplazamiento de innumerables serpentinas alimentan el líder, ayudando a mantenerlo caliente y eléctricamente conductor.

La tasa de ruptura primaria de las bobinas de Tesla de chispa es lenta en comparación con la frecuencia de resonancia del conjunto resonador-carga superior. Cuando el interruptor se cierra, la energía se transfiere del circuito LC primario al resonador, donde el voltaje oscila durante un breve período de tiempo hasta culminar en la descarga eléctrica. En una bobina de Tesla de chispa, el proceso de transferencia de energía primaria a secundaria ocurre repetidamente a frecuencias de pulsación típicas de 50 a 500 veces por segundo, dependiendo de la frecuencia del voltaje de línea de entrada. A estas frecuencias, los canales líderes previamente formados no tienen la oportunidad de enfriarse completamente entre pulsos. Por lo tanto, en pulsos sucesivos, las nuevas descargas pueden acumularse sobre las vías calientes dejadas por sus predecesoras. Esto provoca un crecimiento incremental del líder de un pulso al siguiente, alargando toda la descarga en cada pulso sucesivo. La pulsación repetitiva hace que las descargas crezcan hasta que la energía promedio disponible de la bobina de Tesla durante cada pulso equilibra la energía promedio que se pierde en las descargas (principalmente en forma de calor). En este punto, se alcanza el equilibrio dinámico y las descargas alcanzan su longitud máxima para el nivel de potencia de salida de la bobina de Tesla. La combinación única de una envolvente de radiofrecuencia de alto voltaje en aumento y la pulsación repetitiva parecen ser ideales para crear descargas largas y ramificadas, considerablemente más largas de lo que cabría esperar considerando únicamente el voltaje de salida. Las descargas de alto voltaje y baja energía crean descargas filamentosas multiramificadas de color azul violáceo. Las descargas de alto voltaje y alta energía crean descargas más gruesas con menos ramificaciones, son pálidas y luminosas, casi blancas, y mucho más largas que las descargas de baja energía, debido a una mayor ionización. Se percibirá un fuerte olor a ozono y óxidos de nitrógeno en la zona. Los factores importantes para la longitud máxima de la descarga parecen ser el voltaje, la energía y el aire en reposo con humedad baja a moderada. Existen relativamente pocos estudios científicos sobre el inicio y el crecimiento de las descargas de radiofrecuencia pulsadas de baja frecuencia, por lo que algunos aspectos de las descargas de aire de las bobinas de Tesla no se comprenden tan bien en comparación con las descargas de CC, CA de frecuencia industrial, impulsos de alta tensión y rayos.

Las bobinas de Tesla se exhiben como atracciones en museos de ciencia y ferias de electrónica, y se utilizan para demostrar los principios de la electricidad de alta frecuencia en clases de ciencias en escuelas y universidades. ^{[ 48 ]}

Dado que son lo suficientemente simples como para que las construya un aficionado, las bobinas de Tesla son un proyecto popular en las ferias de ciencias estudiantiles y son fabricadas artesanalmente por una gran comunidad mundial de aficionados. Los constructores de bobinas de Tesla como pasatiempo se llaman "coilers". Asisten a convenciones de "coiling" donde exhiben sus bobinas de Tesla caseras y otros dispositivos de alto voltaje. ^{[ 49 ] [ 50 ] [ 6 ]} Las bobinas de Tesla de baja potencia también se utilizan a veces como fuente de alto voltaje para la fotografía Kirlian .

La bobina de Tesla más grande del mundo actualmente es una unidad de 130 000 vatios construida por Greg Leyh y Eric Orr , parte de una escultura de 12 m (38 pies ) de altura titulada Electrum, propiedad de Alan Gibbs y que actualmente se encuentra en un parque de esculturas privado en Kakanui Point, cerca de Auckland , Nueva Zelanda. ^{[ 51 ] [ 52 ]} Otra bobina de Tesla muy grande, diseñada y construida por Syd Klinge, se exhibe cada año en el Festival de Música y Artes de Coachella Valley en Coachella, California. ^{[ 53 ]} 

Las bobinas de Tesla también pueden utilizarse para generar sonidos, incluyendo música, modulando la "tasa de ruptura" efectiva del sistema (es decir, la frecuencia y duración de las ráfagas de RF de alta potencia) mediante datos MIDI y una unidad de control. Los datos MIDI son interpretados por un microcontrolador que los convierte en una señal PWM que se envía a la bobina de Tesla a través de una interfaz de fibra óptica. Un extenso concierto musical al aire libre demostró el uso de bobinas de Tesla durante la Jornada de Puertas Abiertas de Ingeniería (EOH) en la Universidad de Illinois Urbana-Champaign . La artista islandesa Björk utilizó una bobina de Tesla como instrumento principal en su canción "Thunderbolt". El grupo musical ArcAttack utiliza bobinas de Tesla moduladas y un hombre con un traje de malla metálica para interpretar música.

Los científicos que trabajan con sistemas de alto vacío detectan la presencia de diminutos orificios en el aparato (especialmente en piezas de vidrio recién sopladas) mediante descargas de alto voltaje producidas por una pequeña bobina de Tesla portátil. Al evacuar el sistema, el electrodo de alto voltaje de la bobina se coloca sobre la superficie exterior del aparato. A bajas presiones, el aire se ioniza con mayor facilidad y, por lo tanto, conduce mejor la electricidad que el aire a presión atmosférica. En consecuencia, la descarga se propaga a través de cualquier orificio situado justo debajo, produciendo una descarga de corona dentro del espacio evacuado que ilumina el orificio, indicando los puntos que necesitan ser recocidos o soplados nuevamente antes de poder utilizarse en un experimento.

En 2016, científicos de la Universidad Rice utilizaron el campo de una bobina de Tesla para alinear remotamente diminutos nanotubos de carbono en un circuito, un proceso que denominaron "teslaforesis". ^{[ 54 ] [ 55 ]}

Una explicación errónea de la ausencia de descarga eléctrica que ha persistido entre los aficionados a las bobinas de Tesla es que las corrientes de alta frecuencia viajan a través del cuerpo cerca de la superficie y, por lo tanto, no penetran en los órganos vitales ni en los nervios, debido a un fenómeno electromagnético llamado efecto piel . ^{[ 65 ] [ 9 ] [ 68 ] [ 69 ]}

Esta teoría es falsa. ^{[ 70 ] [ 71 ] [ 72 ] [ 56 ] [ 66 ] [ 73 ]} La corriente de RF tiende a fluir en la superficie de los conductores debido al efecto de piel, pero la profundidad a la que penetra, llamada profundidad de piel , depende de la resistividad y permeabilidad del material, así como de la frecuencia . ^{[ 74 ] [ 75 ]} Aunque el efecto de piel limita las corrientes de frecuencias de bobina de Tesla a la fracción exterior de un milímetro en conductores metálicos, la profundidad de piel de la corriente en el tejido corporal es mucho mayor debido a su mayor resistividad. La profundidad de penetración de corrientes de frecuencia de Tesla (0,1–1  MHz) en tejidos humanos es aproximadamente de 24–72  centímetros (9–28  pulgadas). ^{[ 75 ] [ 74 ] [ 56 ]} Dado que incluso los tejidos más profundos están más cerca que esto de la superficie, el efecto de piel tiene poca influencia en la trayectoria de la corriente a través del cuerpo; ^{[ 73 ]} Tiende a tomar el camino de mínima impedancia eléctrica a tierra y puede pasar fácilmente a través del núcleo del cuerpo. ^{[ 76 ] [ 56 ] [ 75 ]} En la terapia médica llamada diatermia de onda larga , se utilizó durante décadas una corriente de RF cuidadosamente controlada de frecuencias de Tesla para calentar tejidos profundos, incluyendo el calentamiento de órganos internos como los pulmones. ^{[ 76 ] [ 57 ]} Las máquinas modernas de diatermia de onda corta utilizan una frecuencia más alta de 27  MHz, que tendría una profundidad de piel correspondientemente menor, sin embargo, estas frecuencias aún pueden penetrar tejidos corporales profundos. ^{[ 71 ]}