Un montaje muy interesante que se basa en un circuito de alta tensión es la Escalera de Jacob. Se trata de un circuito que genera rayos que suben o se alternan saltando entre hilos paralelos dando la impresión de que forman una escalera de fuego o eléctrica. Se trata de un aparato de gran efecto visual (y también sonoro) cuando se presenta en ferias. El proyecto de Escalera de Jacob que presentamos utiliza pocos componentes, entre ellos el poco conocido SIDAC.
Una "escalera de fuego" en miniatura producida por chispas que pueden superar fácilmente los 20 000 volts.
Este es el montaje que describimos utilizando un SIDAC como componente básico. En la figura 1 damos una idea del efecto obtenido.
El lector podrá usarlo para hacer demostraciones con alta tensión, en ferias, clases, e incluso para la decoración.
En las clases de física, las chispas sirven para mostrar algunas propiedades de las altas tensiones como, por ejemplo, la rigidez dieléctrica, el efecto térmico además de permitir que la medida de las tensiones sea realizada en base al tamaño de la chispa.
El SIDAC
Sidac significa Silicon Diodo for Alternating Current o Diodo de Silicio para Corriente Alterna. Se trata de un componente relativamente nuevo que tiene propiedades de resistencia negativa muy interesantes.
El aspecto y el símbolo de este componente se muestran en la figura 2.
Cuando la tensión entre los terminales alcanza un cierto valor, que en el tipo que usamos en este proyecto es 240 V, pasa rápidamente del estado de no conducción para plena conducción.
En ese estado puede conducir corrientes de varios amperes, sin problemas.
En otras palabras, se trata de un dispositivo de resistencia negativa, similar a la lámpara neón, que puede ser utilizado en un oscilador de relajación con la configuración mostrada en la figura 3.
Los SIDAC se pueden utilizar entonces en circuitos que producen pulsos de alta tensión de gran intensidad, alimentados directamente por la red de energía de 110 V o 220 V, según el tipo.
En nuestro proyecto, como estamos usando un SIDAC de 240 V el circuito debe ser alimentado por la red de 220 V. Si el lector va a alimentar el circuito en la red de 110 V, basta con usar un SIDAC de 110 V.
Como funciona
Para generar una alta tensión que produzca chispas entre dos hilos es necesario una tensión de 10 000 volts para cada centímetro que estén separados.
Así, si los hilos están a una distancia de 2 cm necesitaremos al menos 20 000 volts para que una chispa salte entre ellos, como muestra la figura 4.
La idea del proyecto es generar esta alta tensión usando una bobina de encendido de carro y un oscilador de relajación con un SIDAC.
Las bobinas comunes de ignición pueden generar tensiones que llegan a los 40 000 volts.
En el circuito, la resistencia R1 de entrada sirve como limitador de corriente, la cual es rectificada, sirviendo para cargar entonces el capacitor C1 de alta tensión.
Como en la red de 220 V tenemos picos que llegan a más de 330 V, no tenemos problemas para obtener una carga de 240 V que la que el SIDAC necesita para disparar.
Sin embargo, es necesario que el capacitor sea de tipo especial capaz de soportar esta tensión. Usamos entonces un capacitor de 8 uF despolarizado con una tensión de trabajo de al menos 350 V, para mayor seguridad.
La carga de este capacitor determinará la intensidad del pulso producido.
Así, en conjunto con el resistor R1, el capacitor y el SIDAC forman un oscilador de relajación que produce pulsos con 240 V de amplitud, como muestra la figura 5.
Estas muelas se aplican directamente al devanado primario de una bobina de encendido, produciendo así pulsos de alta tensión de gran intensidad.
Los pulsos de alta tensión se aplican a los electrodos que deben producir las chispas.
¡Atención! ¡Precaución! ¡Peligro!
Además de operar conectado directamente a la red de energía, el circuito genera tensiones peligrosas.
Manténgalo alejado de las personas, y no toque ninguna de sus partes cuando esté en funcionamiento.
Si es posible, ciérrela en una red de vidrio o plástico para hacer las demostraciones.
Montaje
En la figura 6 tenemos el diagrama completo de la escalera de Jacob.
Como se trata de circuito que utiliza pocos componentes y algunos de ellos hasta que bastante voluminosos como el resistor de potencia y el capacitor, el montaje puede ser realizado sobre la base de un puente de terminales.
El conjunto puede entonces ser fijado sobre una base de plástico o madera como se muestra en la figura 7.
En el montaje se utilizó un SIDAC de 240 V de ON-Semiconductor pero equivalentes para la misma tensión sirven.
El capacitor debe ser del tipo despolarizado para 350 V o más con capacitancia entre 4 y 8 uF. No utilice capacitores electrolíticos.
El diodo rectificador es el 1N4007 y la bobina de encendido puede ser de cualquier tipo para el automóvil.
No hay necesidad de fusible en la entrada pues el resistor limita la corriente y si ocurre algo el propio resistor actúa como un fusible (fusistor).
La escalera en sí (X1) está fabricada con dos trozos de 15 a 20 cm de alambre desnudo 16 o 18 colocados paralelamente separados por una distancia de 1,5 a 2,5 cm.
La distancia ideal debe ser obtenida experimentalmente en función del rendimiento del circuito.
Un punto crítico es la separación de los hilos junto a la base que debe ser tal que evite el escape de chispas en ese punto, como muestra la figura 8.
Prueba y uso
Para probar, basta con conectar el circuito a la red de energía. No toque ninguna de sus partes cuando esté conectado.
El ruido de la producción de alta tensión debe ser escuchado y las chispas ya deben saltar entre los hilos de la escalera.
Si el ruido se produce, pero las chispas no aparecen, apague el aparato y acerque los cables hasta que ocurran las chispas.
Si las chispas obtenidas son muy pequeñas, esto puede deberse al tipo de bobina usado que debe ser reemplazado.
Algunas bobinas de coches antiguos generan tensiones menores que las usadas en coches modernos.
Comprobado el funcionamiento es sólo hacer la instalación definitiva.
El consumo aproximado del aparato en la red de 220 V es de 50 W. La calefacción de la resistencia durante el funcionamiento es normal.
Intenta Explicar:
a) Porque las chispas suben al ser producidas
b) Porque las chispas no son exactamente rectas
Intente hacer (con mucho cuidado!)
a) Coloque entre las chispas una tira de papel. Las chispas, después de cierto tiempo van a quemar el papel, llegando a inflamarlo, como muestra la figura 9.
b) Acérquese de la escalera una lámpara fluorescente. Debe encenderse por la presencia del campo de alta tensión.
SIDAC - SIDAC de 240 V
D1 - 1N4007 o equivalente - diodo de silicio
C1 - 8 uF x 350 V o más - capacitor despolarizado (tipo AC)
R1 - 1 k ohms x 20 W - resistor de hilo
T1 - Bobina de encendido de automóvil - ver texto
X1 - Electrodos - ver texto
Varios:
Base de montaje, cable de fuerza, puente de terminales, hilos, soldadura, etc.