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estudo de bobina bifilar de tesla como sensor para ... - UTFPR

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ISSN 2179-3220 359 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 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. e-mail: pichorim@utfpr.edu.br 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 1 a , 3 a , 5 a , o fio retorna à 2 a , 4 a e 6 a 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 1/4 XXII CBEB 2010

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