ISSN 2179-3220
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ESTUDO DE BOBINA BIFILAR DE TESLA COMO SENSOR PARA
ENGENHARIA BIOMÉDICA
S. F. Pichorim e F. A. Destefani
UTFPR – Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, Brasil
e-mail: [email protected]
Abstract: In 1894 Nikola Tesla patented a design of
bifilar coil, which presented high self-capacitance.
So, the bifilar coil designed by Tesla has lower
resonance frequency when compared with a normal
coil with the same geometric characteristics.
However, the determination of Tesla´s coil resonance
frequency (fo) is not direct or easy. This paper
presents a study of the behavior of this resonance
frequency made by some theoretical analysis and
circuit simulations. Practical results show the
significant reduction in fo. A discussion on the
application of this type of coil as a biomedical sensor,
especially in passive LC, self-resonant, and/or small
dimension devices, is also included.
Palavras chave: Sensor indutivo, Bobina de Tesla,
Autorressonância.
Introdução
OS sensores passivos mais simples são construídos
usando apenas componentes capacitivos e indutivos
(LC) e podem ser utilizados em várias aplicações na
engenharia biomédica, tais como medição de pressão,
umidade,
gases,
pH,
tensão-elasticidade,
e
monitoramento de radiação em oncologia [1]-[6]. Estes
sensores têm sua frequência de ressonância (fo)
modificadas em resposta à grandeza medida, a qual
pode ser detectada externamente por um circuito de
leitura e uma bobina [7].
Uma implementação simples de um sensor passivo
LC é um indutor autorressonante, onde o capacitor em
paralelo é eliminado [5]. Isto reduz as dimensões finais
do sensor, que é fundamental em aplicações
biomédicas [4], mas, devido aos pequenos valores de
capacitância parasita e autoindutância, altos valores de
freqüência de ressonância são obtidos. Contudo,
escolhendo uma maneira especial de enrolar este
indutor, a capacitância interna (parasita) pode ser
aumentada consideravelmente.
Este artigo discute sobre uma solução criada e
patenteada por Nikola Tesla, i.e. a bobina bifilar. Um
estudo de freqüência de autorressonância das bobinas
bifilares e suas possibilidades de uso como sensor
biomédico, em especial para medições de deformação,
força ou pressão, são apresentados aqui.
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Modelo Elétrico
Normalmente a expressão “bobina de Tesla” é usada
para o enorme transformador desenvolvido em 1899
para gerar milhões de volts [8]. Mas, na realidade,
Nikola Tesla desenvolveu vários tipos de bobinas. Neste
estudo, estamos interessados na sua bobina bifilar
patenteada em 1894 [9]. Quando Tesla projetou essa
bobina, ele estava procurando um modo para cancelar a
influência da autoindutância das bobinas nas suas
aplicações. Assim, ele imaginou um método para
enrolar bobinas onde grandes capacitâncias eram
obtidas. E, com esta alta autocapacitância, a bobina
poderia funcionar como uma resistência pura, na sua
freqüência de ressonância.
A idéia principal é uma bobina onde primeiramente
as espiras ímpares são enroladas e depois o fio retorna
ao começo para enrolar as espiras pares. A Figura 1
mostra um exemplo de bobina bifilar de Tesla enrolada
em forma de panqueca com seis voltas. O procedimento
pode também ser aplicado para bobinas solenóides.
Figura 1: Um exemplo de bobina bifilar de Nikola Tesla
em forma de panqueca (6 voltas). A sequência das
espiras é: a 1a, 3a, 5a, o fio retorna à 2a, 4a e 6a volta.
Ressalta-se que neste artigo foram utilizadas bobinas
Tesla no formato solenóide, que não foi mostrado na
figura por ser um desenho de difícil compreensão.
O argumento apresentado na descrição de Tesla de
sua invenção é que uma alta tensão está presente (ou é
XXII CBEB 2010