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Lâmpada de raios (ART735)

Uma montagem extremamente atraente quanto aos efeitos, é a lâmpada ou abajur de raios. Uma lâmpada comum de alta potência "gera" campos de alta tensão capazes de produzir faíscas de grande porte, e até acender uma lâmpada fluorescente sem contacto algum, pela simples aproximação! Esse verdadeiro efeito "mágico" é excelente para demonstrações em palestras, aulas, feiras de ciências e mesmo em festas. Já publicamos este circuito em diversas versões, mas com a que apresentamos agora é a que, mesmo usando componentes tradicionais, usamos em nossas aulas e demonstrações. Assim, o que descrevemos é uma versão bipolar tradicional da lâmpada de raios.

Em diversas palestras que realizamos demonstramos os efeitos dos campos de alta tensão acendendo lâmpadas fluorescentes comuns sem contacto, além de fazermos com que potentes faíscas, de dezenas de milhares de volts, saltem para nossos dedos sem perigo algum de choque.

Evidentemente, os efeitos dessas demonstrações sempre foram grandes, principalmente nas platéias leigas.

Para os que dominam as técnicas de montagem, possuir um aparelho desse tipo, pode ser muito interessante, e é isso justamente o que vamos descrever neste artigo.

Ensinaremos o leitor a montar um circuito inversor de alta tensão, que gera algumas dezenas de milhares de volts. Aplicados numa lâmpada comum tem por resultado o aparecimento de faíscas luminosas de grande efeito visual.

Lembramos, entretanto, que as altas tensões geradas por este aparelho têm certo grau de perigo e que, por este motivo, todos os cuidados citados no texto devem ser tomados no seu manuseio e na realização das experiências que descreveremos.

O importante do projeto é que a lâmpada de raios não tem nada de especial: usamos uma lâmpada incandescente comum de 150 a 300 watts (quanto maior, melhor) do tipo "de filamento" para a rede local de energia.

Essa lâmpada não vai funcionar do modo normal, com a corrente passando pelo seu filamento para aquecê-lo, mas de um modo diferente, devido à presença de gás no seu interior, e que ficará patente nas nossas explicações.

 

Características:

* Tensão de alimentação: 110/220 VCA

* Freqüência de operação (alta tensão): 100 Hz a 10 kHz

* Tensão na lâmpada (raios): 15 000 a 40 000 volts

* Tensão no setor de baixa potência: 12 a 16V

* Consumo: 50W (tip)

 

COMO FUNCIONA

As lâmpadas incandescentes modernas (que já estão se tornando obsoletas), para não se tornarem muito frágeis devido à pressão atmosférica (externa), não têm o vácuo no seu interior.

Essas lâmpadas, em lugar disso, são cheias com uma mistura de gases inertes como o neônio, argônio, e outros.

O resultado disso, é que, estando com uma pressão algo baixa, esses gases se ionizam com certa facilidade quando submetidos à alta tensão, quando então se tornam condutores emitindo uma luminosidade cuja coloração depende de sua natureza.

Assim, conforme a lâmpada, na ionização os "filetes" ou raios ionizados podem ter coloração que vai do vermelho, passando pelo verde e até chegando ao amarelo e azul.

Se a tensão aplicada nessa lâmpada for baixa, a corrente só pode passar pelo seu filamento, aquecendo e havendo então a emissão de luz, da forma convencional.

No entanto, se aplicarmos uma tensão muito alta no filamento, apenas um pólo, para que não tenhamos corrente entre as extremidades desse filamento, ocorre um fenômeno interessante: a corrente, em lugar de percorrer o filamento aquecendo-o, tenderá a "escapar" formando "fluxos" de cargas que tendem a sair para o exterior, dirigindo-se para o vidro que envolve a lâmpada, conforme mostra a figura 1.

 

Efeito de raios numa lâmpada comum.
Efeito de raios numa lâmpada comum.

 

Como estas cargas percorrem um gás que se ioniza, e elas se movimentam com grande velocidade, forma-se um turbilhonamento no gás fazendo com que as trajetórias variem constantemente de uma forma mais ou menos imprevisível.

Temos então raios saltando de forma desordenada, em várias direções com um efeito de luz muito interessante.

O leitor verá então que as cargas escapam do filamento justamente pelos seus suporte, que possuem pontas e, dirigindo-se para o vidro formam verdadeiros chuveiros de luz e cor.

Colocando a mão no vidro da lâmpada, o fluxo de cargas tende a se concentrar e passar para nosso corpo, mas como o vidro é um isolante, existe uma limitação para a intensidade da corrente, o que evita que levemos um choque desagradável ou perigoso.

O que vamos sentir nestas condições é apenas uma espécie de leve "formigamento".

O campo elétrico produzido por tão alta tensão, da ordem de centenas de volts por centímetro, faz com que os gases de uma lâmpada fluorescente que se aproxime, ionizem.

O resultado é que, se aproximarmos da lâmpada de raios uma lâmpada fluorescente comum, mesmo que enfraquecida pelo uso, ocorre a ionização do gás no seu interior e ela acende, conforme mostra a figura 2.

 

Acendendo uma lâmpada fluorescente à distância.
Acendendo uma lâmpada fluorescente à distância.

 

O efeito obtido é muito interessante, pois as pessoas se surpreendem ao ver uma lâmpada na sua mão, sem ligação alguma com qualquer fonte de energia, acender como que "por mágica". Evidentemente, o brilho da lâmpada fluorescente não é máximo o que exige que a experiência não seja feita em local muito claro.

Para gerar as altas tensões, o que usamos é um inversor que tem por componente básico um flyback (transformador de saída horizontal) do tipo encontrado em televisores comuns antigos, para produzir a alta tensão do cinescópio.

Temos então um oscilador elaborado em torno de uma das quatro portas do circuito integrado 4093B, cuja freqüência pode ser ajustada pelo potenciômetro P1.

O ajuste da freqüência é importante para se conseguir o ponto de maior rendimento do circuito.

Os sinais retangulares gerados por este oscilador são levados às outras portas do mesmo circuito integrado que funcionam como amplificadores - isoladores (buffers). A partir destas portas, o sinal vai para uma etapa de amplificação de alta potência.

Nessa etapa encontramos inicialmente um transistor TIP32C que funciona como excitador e, na saída final um transistor NPN de potência de alta tensão do tipo BUY69A ou equivalente.

Este transistor de alta potência excita diretamente o enrolamento de baixa tensão de um transformador de saída horizontal (flyback).

Aparece então, no secundário de alta tensão do transformador, uma tensão muito alta (MAT) que pode variar entre 15 000 e 40 000 volts, conforme as características dos componentes usados.

Essa altíssima tensão (MAT) é então aplicada à lâmpada, de modo a se produzir o efeito descrito na introdução.

O circuito de retorno da alta tensão é um dos pólos da rede de energia.

Como em muitos casos, essa conexão não é segura, sugerimos usar uma garra jacaré que possa ser ligada a uma boa terra no local da demonstração.

 

MONTAGEM

O diagrama completo do aparelho é mostrado na figura 3.

 

Diagrama completo da lâmpada de raios.
Diagrama completo da lâmpada de raios.

 

O protótipo foi montado numa caixa de madeira do tipo usado para arquivar fichas em escritórios, com aproximadamente 22 x 22 x 14 cm de dimensões.

Na figura 4 temos a disposição dos componentes do oscilador e do setor de excitação do flyback, que são montados numa placa de circuito impresso.

 

Sugestão de placa.
Sugestão de placa.

 

O tamanho do transformador influi bastante na escolha da caixa, devendo eventualmente ser usada uma maior, conforme as dimensões dos componentes usados.

 

Sugestão de montagem.
Sugestão de montagem.

 

O transistor BUY69A deve ser montado num excelente radiador de calor, dada a intensidade da corrente com que trabalha, e que resulta num bom aquecimento.

O transformador de alimentação tem um enrolamento primário de acordo com a rede local de energia. O secundário pode ser de 12+12 ou 15+15V com uma corrente de 2 a 3 ampères.

Na versão com transformador de 15V teremos maior rendimento com maior tensão na lâmpada.

O transformador de saída horizontal (flyback) pode ser aproveitado de algum velho televisor fora de uso, já que qualquer tipo serve. Devemos apenas ter certeza de que ele se encontra em bom estado. Umidade ou sinais de deterioração impedem o uso.

Enrolaremos de 22 a 35 espiras de fio comum na parte de baixo do núcleo deste componente, conforme mostra a figura 6, obtendo assim o enrolamento primário.

 

Enrolando o primário de baixa tensão de T2.
Enrolando o primário de baixa tensão de T2.

 

O circuito integrado CI-2 não precisa de radiador de calor e o resistor R3 deve ser de fio de 27 ? ou 33 ? com pelo menos 5W de dissipação, já que este componente deve trabalhar algo quente.

Para maior segurança será interessante usar um circuito integrado para CI-1. O fusível será importante para a proteção do aparelho.

A lâmpada incandescente é do tipo comum de filamento de 150 a 300 watts. Como não vai haver a circulação da corrente normal de filamento, e com isso seu aquecimento, ela pode ser tanto de 110V como de 220V, independentemente da tensão usada na alimentação do aparelho.

O potenciômetro P1 pode conjugar o interruptor geral que liga e desliga a alimentação.

As tensões mínimas de trabalho dos capacitores eletrolíticos são as especificadas na relação de material.

Os diodos admitem equivalentes, desde que sejam capazes de operar com correntes de 2 ampères e tenham uma tensão inversa de pico de pelo menos 50V.

O potenciômetro P1 pode ter valores na faixa de 220 k ? a 1 M ohm. Potenciômetros de valores maiores permitem alcançar freqüências mais baixas de operação.

 

PROVA E USO

Confira bem a montagem e, se tudo estiver em ordem, coloque no soquete uma lâmpada de 150 W a 300 W comum.

Ligue o aparelho a uma tomada da rede de energia e acione S1. Deve haver um leve ruído de oscilação indicando que o circuito está em funcionamento.

Aproxime a mão da lâmpada a alguns milímetros, mas sem tocar e ajuste vagarosamente P1 até obter a emissão de raios, conforme mostra a figura 7.

 

Testando
Testando

 

A garra jacaré do fio terra deve estar em algum objeto de metal de grande porte ou simplesmente com o fio esticado e solto.

Dependendo da montagem e da umidade, os raios podem ser manter mesmo depois quando você afastar a mão.

Se tocar na lâmpada faça-o com a palma da mão, ou com a parte que tenha pele mais grossa, pois tocando com as pontas dos dedos a concentração de cargas pode ser maior dando assim uma sensação desagradável de choque, se bem que algo leve.

Nunca faça experiências ou demonstrações descalço. Esteja sempre com sapatos bem isolados e preferivelmente sobre material isolante como, por exemplo, assoalho de madeira, tablado, tapete de borracha ou carpete.

Quando estiver tocando na lâmpada ou segurando a fluorescente não toque em nada com a outra mão, pois isso vai criar percurso para a descarga causando assim choques perigosos.

Segurando uma lâmpada fluorescente, aproxime-a da lâmpada de raios. A uma distância de alguns centímetros ela deve acender com um brilho menor que o normal.

Se você subir num banquinho, ou estiver sobre um tapete de borracha ou plástico, faça a experiência mostrada na figura 8.

 

Acendendo uma fluorescente com descarga
Acendendo uma fluorescente com descarga "através do corpo".

 

Segure a lâmpada com uma das mãos e com a outra, toque na lâmpada de raios de modo a haver um fluxo de cargas.

A lâmpada na outra mão deve acender pela corrente que passa através de seu corpo que, no entanto, pela sua baixíssima intensidade não lhe causa qualquer sensação.

Não use o aparelho por tempos prolongados. Deixe-o ligado apenas por alguns minutos de cada vez, para não haver sobrecarga com aquecimento excessivo dos componentes internos.

Nunca toque diretamente em qualquer parte do aparelho diretamente submetida a alta tensão.

 

Semicondutores:

CI-1 - 7812 - circuito integrado, regulador de tensão

CI-2 - 4093B - circuito integrado CMOS

Q1 - TIP31C - transistor NPN de potência

Q2 - BUY69A - transistor NPN de alta potência

D1, D2 - 1N5402 ou 1N5404 - diodos retificadores

 

Resistores: (1/8W, 5%)

R1 - 4,7k ? (amarelo, violeta, vermelho)

R2 - 10 k ? (marrom, preto, laranja)

R3 - 27 ? x 5W - fio

P1 - 470 k ? - potenciômetro

 

Capacitores:

C1 - 4 700 µF/50V - eletrolítico

C2 - 100 µF/16V - eletrolítico

C3 - 10 nF - poliéster ou cerâmico

 

Diversos:

S1 - Interruptor simples

F1 - 2 A - fusível

T1 - Transformador com primário de acordo com a rede de energia e secundário de 12+12 V ou 15+15 V com pelo menos 2A

T2 - Transformador de saída horizontal (flyback) de qualquer tipo - ver texto

Placa de circuito impresso, cabo de alimentação, suporte de fusível, soquete DIL para o circuito integrado CI-2, soquete para a lâmpada, caixa de madeira de 22 x 22 x 16 cm, radiador de calor grande para Q2, fio rígido, fio comum, botão para o potenciômetro, radiador pequeno para Q1, solda, material para experiências (fluorescente, lâmpada neon), etc.

 

 

* Raios e descargas atmosféricas (IP113)

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