CONDENSADOR PRIMARIO DE ALTA TENSIÓN

El condensador primario es el encargado de almacenar la energía momentáneamente, tras ser cargado por la fuente de AT (E=½C·V²), luego ésta se transfiere a la bobina primaria (E=½L·I²) al dispararse el spark gap y de esta forma se producen las oscilaciones de alta frecuencia.

Sin lugar a dudas se le puede considerar como el componente más critico en el montaje de una Bobina de Tesla, si realmente no disponemos de mucho presupuesto para el conjunto del proyecto, es en este componente donde menos debemos de escatimar costes.

Los condensadores empleados tienen que reunir una serie de cualidades que no son muy comunes, entre ellas: poder manejar altas tensiones, tener una buena respuesta en altas frecuencias, entregar una alta intensidad de pico en su descarga, tener bajas pérdidas y un excelente comportamiento a variaciones instantáneas de voltaje (dv/dt), y ante todo que tengan una buena fiabilidad, puesto que las condiciones de trabajo que se dan en una de estas bobinas son infernales para cualquier capacitor aparentemente apto.

Muchos bobinadores construyen sus condensadores de forma artesanal, normalmente con hojas de acetato como aislante y láminas de aluminio para conformar las armaduras del condensador. Otros se decantan por el empleo de botellas llenas de agua salada u otro electrolito válido (Nikola Tesla empleaba éstas como condensadores en muchos de sus montajes), aquí el dieléctrico (aislante) es el vidrio y las armaduras o placas del condensador son: por un lado el electrolito por dentro (con un electrodo colector en forma de varilla metálica en su centro) y por el otro, en el exterior de la botella, un forro de papel de aluminio o cualquier otro recubrimiento metalizado. Aunque funcionan, distan mucho de comportarse como los comerciales por varios motivos: no son muy fiables (falla frecuentemente su dieléctrico por perforación), variaciones o "baja estabilidad" en su valor capacitivo lo cual afecta directamente al ajuste de sintonía con la primaria (obligando a efectuar correcciones frecuentes), pérdidas a altas frecuencias, posible aparición del efecto corona, etc...todo ello debido a su constitución material y a su diseño.

Condensador artesanal de láminas de acetato/aluminio.

Condensador de botellas de agua salada.

Ejemplos de condensador tipo "MMC".

La capacidad y el voltaje de trabajo de este condensador nos lo va a determinar la fuente de AT, por su tensión de salida y su capacidad de entrega de corriente (a más entrega de corriente, más capacidad para cargar condensadores de mayor tamaño de forma efectiva). Para ganar en fiabilidad, la tensión de trabajo se suele sobredimensionar hasta el doble de la entregada por la fuente en su valor de pico, que es el nivel de tensión al que se carga un condensador en un circuito de corriente alterna (Vp=Vef ·√2), lo que en mi caso concreto es de aprox. 13KV.

Conseguir condensadores unitarios de altas cualidades para una Tesla, con la capacidad requerida y con voltajes de trabajo mínimo de 24-26KV, no es fácil. Los  industriales de pulsos son muy caros y raros de encontrar y si se estropea tienes que desecharlo todo, al no exixtir posibilidad de reparación. Una buena alternativa (la empleada mayoritariamente) es la de conformar un condensador a partir de varias unidades más pequeñas, con rango de tensiones normalmente más bajos que los requeridos y de relativas altas capacidades, es lo que se conoce como condensador mini múltiple o MMC. Las ventajas son grandes, aunque la más importante es la de la adaptación a nuestras necesidades concretas de capacidad y tensión de trabajo (es como hacer un traje a medida, con la flexibilidad de ampliarlo o reducirlo posteriormente), otra ventaja importante es la de tener opción a ser reparado, procediendo a identificar y retirar solo los condensadores dañados y sustituyéndolos fácilmente por otros iguales, lo que implica mayor economía al aprovechar el módulo en caso de falla.

Para realizar un MMC utilizamos las simples reglas de asociación serie-paralelo aplicadas a los condensadores. Con la aplicación TeslaMap podemos realizar una tabla para localizar la capacidad que deseamos, solo tenemos que introducir los datos de tensión de trabajo y capacidad del condensador unitario básico y sabremos el número de filas X columnas. En mi caso tengo pensado construir un MMC de unos 70-90nF, utilizando condensadores de 150nF y 2000V necesito seis filas de doce condensadores cada una para tener un capacitor primario de 75nF  y 24KV, empleando para su construcción 72 unidades.

Tabla del diseñador MMC de TeslaMap.

Ayuda al diseño del condensador primario.

Datos referentes al tamaño del MMC.

En la última imagen podemos apreciar que tras introducir los datos de nuestra fuente, TeslaMap nos calcula: el tamaño en capacidad del condensador de correción del factor de potencia, la potencia de la fuente, la longitud máxima teórica de las descargas, la capacidad óptima del MMC en caso de emplear un descargador rotatorio síncrono (también en el caso de uno estático) y la capacidad teórica de un MMC resonante en caso de descargador estático (se debe evitar este valor, sobre todo si se emplean NST's).

El dato de corriente de salida de la fuente de AT es orientativo (500mA.), aunque sin el balasto limitador de corriente actuando es factible que ésta pueda proporcionar tal intensidad. Por supuesto no construiré un MMC de semejante capacidad, aquí estamos hablando de valores teóricos óptimos, pero se puede emplear capacidades menores sin problemas, y más si se emplea un descargador rotatorio asíncrono. Se puede apreciar, por la entrada de datos, que el programa TeslaMap está orientado al uso de NST's en la fuente de AT, y como es normal no veremos ninguno entregando 500mA, por lo tanto no nos debemos de extrañar que nos devuelva datos de capacitancia ideal del condensador primario del orden de 400nF.

Al día de hoy el MMC es el único módulo que falta para terminar el montaje de la Bobina de Tesla, concretamente me faltan los condensadores. Aunque ya tengo escogido el modelo, que no es otro que el supertestado para esta aplicación y ultrafiable 942C20P15K-F de la reputada serie 942C de Cornell Dubilier, estoy a la espera de ver buenas ofertas y disponibilidades, puesto que son caros y escasos. Existen otros modelos aptos, pero en su construcción debemos elegir siempre los de láminas u hojas metalizadas, descartando los de película metálica por su labilidad. Mi intención es comprar unas 80 unidades para emplear 72 de ellas en el MMC de 6 X 12 y quedarme con ocho de reserva por si falla alguno. Es lo que tiene no disponer de mucho presupuesto, aunque como ya mencioné anteriormente, en la construcción del MMC no voy a escatimar.

Cornell Dubilier 942C20P15K-F.

Una consideración importante es la de poner resistencias en paralelo con cada condensador, su misión es la de repartir por igual la tensión de los extremos de la fila sobre cada unidad y también para asegurar su descarga una vez desconectada la bobina, puesto que accidentalmente el MMC puede quedar con carga peligrosa y esto hay que evitarlo. Un valor típico para estas resistencias es de 10MΩ, con una disipación de ½W, aunque se pueden usar otros valores. (siempre en niveles de MΩ, para no interferir con el trabajo del MMC).

Resistencias para una descarga segura y la adecuada igualación de tensiones entre todos los capacitores.

Diseño de mi MMC, con los condensasores y las resistencias de descarga.

Los 72 capacitores irán montados sobre dos bandejas de plexiglás de 3mm. de grosor, reforzadas y sustentadas por columnas de polietileno de alta densidad. Cada bandeja será de 6 X 6, con los condensadores en la parte superior y las resistencias de purga por abajo, empleando para el conexionado pletinas de aluminio en las cabezas de las bandejas con terminales de tuerca. El cable empleado en el circuito primario es de 6-8mm².

Soporte de dos niveles para los capacitores del MMC.

Por fin el MMC se ha completado. El resultado constructivo ha sido muy bueno, la distribución de las 72 unidades es perfecta para una rápida localización de posibles fallas y una óptima refrigeración de los elementos, debido a una generosa separación de los mismos. Otra ventaja es que al estar dispuesto en módulos, es más cómodo de cara a un despiece o a una posible ampliación.

Le he añadido unas chapas de aluminio, una por bandeja, para poder realizar un descargo extra de los condensadores, y tener así un plus de seguridad.

La capacidad total medida es de 75,62nF, por lo que "casi clavamos" el resultado esperado. De todos modos, una tolerancia inferior al 1% es excelente.

He introducido una pequeña modificación respecto al diseño original, se trata de una línea equipotencial en la unión de los dos módulos de condensadores, a la postre es como si se uniesen dos MMC independientes idénticos, cada uno de ellos de mayor capacidad y menor tensión de trabajo respecto del resultante (asociación en serie de condensadores unitarios). Esto, teóricamente, no debe de afectar en nada o casi nada en su funcionamiento, y a mí me resulta más cómoda la construcción del conjunto de esta manera.

Plantilla de distribución.

 Componentes del MMC.

 Módulo  superior.

Detalle de la conexión entre módulos, realizada con una pletina de aluminio en forma de U.

72 resistencias de descarga de 10MΩ.

MMC ya instalado en su emplazamiento.

Pletinas para descarga extra-rápida de seguridad.