特斯拉線圈

1分類

　　SGTC(SparkGapTeslaCoil）=火花間隙特斯拉線圈

　　尼古拉·特斯拉先生本人當年發(fā)明的“特斯拉線圈”就屬于SGTC。由于構造、原理較為簡單，所以也是現(xiàn)階段初學者入門特斯拉線圈。

　　SISGTC(Sidac-IGBTSGTC)=觸發(fā)二極管特斯拉線圈

　　由觸發(fā)二極管--IGBT管組成的電路組代替?zhèn)鹘y(tǒng)火花間隙工作，達到消除打火噪音的目的。

　　SSTC(SolidStateTeslaCoil）=固態(tài)特斯拉線圈

　　說通俗些是個單諧振的電子開關特斯拉線圈，初級不發(fā)生串聯(lián)諧振，只給次級提供可以滿足次級LC發(fā)生串聯(lián)諧振的頻率，讓次級線圈發(fā)生串聯(lián)諧振，初級電流為激勵源電壓除以交流阻抗。

　　優(yōu)點：具有低噪音、高效率、壽命長的特點，因而得到了很好的發(fā)展。

　　缺點：初級線圈給次級線圈提供的勵磁功率有限，電弧不長。

　　ISSTC(InterruptedSSTC)=帶滅弧固態(tài)特斯拉線圈

　　同輸出功率下，SSTC的電弧成簇狀，且明顯不如SGTC壯觀。這時，可以加上一個滅弧器來模仿SGTC的工作，電弧可以長一些，還可以利用音頻信號滅弧信號來演奏音樂。

　　DRSSTC(DualResonantSSTC)=雙諧振特斯拉線圈

　　DRSSTC本質屬于一個串聯(lián)諧振逆變器，相對于SSTC來說，由于初級線圈發(fā)生了串聯(lián)諧振，初級線圈電感兩端的電壓為激勵源電壓的Q倍，諧振阻抗Z（R）因子很低，因此初級的諧振電流很大（諧振電壓除以諧振阻抗等于諧振電流），此時給次級提供的勵磁功率也會很大，和SSTC可不是一個數(shù)量級的。相比SSTC來說，SSTC的初級線圈給次級線圈無法提供足夠大的勵磁功率，所以導致SSTC產生的閃電壯觀程度不及同功率等級的火花隙特斯拉線圈。

　　DRSSTC的初級線圈不僅滿足了次級線圈的電感和分布電容發(fā)生串聯(lián)諧振的條件，也能夠給次級線圈提供足夠大的勵磁功率，所以DRSSTC的電弧長度會很長。

　　優(yōu)點：相比SGTC來說，沒有火花間隙的聲光污染，可控性強，可以放音樂，效率高，壽命長。

　　QCWDRSSTC(QuasiContinuousWaveDRSSTC)=準連續(xù)波雙諧振固態(tài)特斯拉線圈

　　CWDRSSTC(ContinuousWaveDRSSTC)=連續(xù)波雙諧振固態(tài)特斯拉

　　實驗證明，連續(xù)模式（CW）的特斯拉線圈由于功率要是在沒有時間限制情況發(fā)揮出來弧并不長，且呈簇狀。

　　VTTC(VacuumTubeTeslaCoil)=真空管特斯拉線圈

　　當電子管逐漸退出我們的視野時，一群電子管發(fā)燒友用它們做出了VTTC。電子管本身有高頻性能好等等優(yōu)點，所以做出的VTTC效果十分獨特。但是，不可否認，電子管本身有造價高、壽命低、效率低、發(fā)熱嚴重以及極易損壞等缺點，VTTC未能大范圍流行。

　　基本原理，類似于晶體管的自激。

　　SSVC(SolidStateValveCoil)=固態(tài)-真空管特斯拉線圈

　　OLTC(OffLineTeslacoil)=離線式特斯拉線圈

　　當我們把SGTC的打火器去掉，換成一個MOSFET或者IGBT來代替，并在用一個二極管反向并聯(lián)在D極和S極（如果是IGBT，就是C極和E極）上，并用一個固態(tài)的電路來控制這個開關管，再加以低壓驅動，就成了OLTC。

　　它的本質原理依然是LC振蕩，且和SGTC幾乎相同，不同的地方，就是把打火器換成了固態(tài)開關，并使用了低壓驅動。其它地方?jīng)]有太多區(qū)別。

　　由于是低壓驅動，無法形成太大的電流，所以OLTC的電弧是不如SGTC壯觀的。[2]

2 詳細信息

　　特斯拉線圈是由一個感應圈、變壓器、打火器、兩個大電容器和一個初級線圈僅幾圈的互感器組成。

　　簡介

　　2007年，曾經(jīng)有一篇介紹特斯拉線圈的文章：《近距離接觸“死亡之手”家中制造的人工閃電》。其中大概介紹了特斯拉線圈的大概組成部分和原理。

　　特斯拉線圈（TeslaCoil）是一種使用共振原理運作的變壓器（共振變壓器），由美籍塞爾維亞裔科學家尼古拉·特斯拉在1891年發(fā)明，主要用來生產超高電壓但低電流、高頻率的交流電力。特斯拉線圈由兩組（有時用三組）耦合的共振電路組成。特斯拉線圈難以界定，尼古拉·特斯拉試行了大量的各種線圈的配置。特斯拉利用這些線圈進行創(chuàng)新實驗，如電氣照明，熒光光譜，X射線，高頻率的交流電流現(xiàn)象，電療和無線電能傳輸，發(fā)射、接收無線電電信號。

　　早期

　　尼古拉·特斯拉是一位偉大的科學家。但值得一提的是，這位絕世天才的偉大發(fā)明家?guī)缀醣蝗藗冞z忘。尼古拉·特斯拉其中之一發(fā)明就是特斯拉線圈，原理為把一個線圈連接在電源上，作為發(fā)射器傳輸能量；另一個線圈連著燈泡，作為能量接收器。通電后，發(fā)射器能夠以10兆赫茲的頻率振動，另一個線圈連著的燈泡將被點亮。后來，特斯拉試圖利用地球本身和大氣電離層為諧振電容來實現(xiàn)無線輸電，為此在紐約長島建造了一個29米高的發(fā)射塔（沃登克里弗塔）,但值得一提的是：由于摩根覺得此行為與自己利益毫無關系決定撤資，實驗工地的設備也被法院沒收充當?shù)盅海值强死锔ニ徊鸪?/p>

　　放大發(fā)射機

　　特斯拉后來發(fā)明了所謂的“放大發(fā)射機”，稱之為大功率高頻傳輸線共振變壓器，用于無線輸電試驗。特斯拉的無線輸電技術。

　　SGTC

　　SGTC，它是由一個感應圈、變壓器、打火器、兩個電容器和一個初級線圈僅幾圈的互感器組成。原理是使用變壓器使普通電壓升壓，然后經(jīng)由兩極線圈,從放電終端放電的設備。通俗一點說,它是一個人工閃電制造器。放電時，未打火時能量由變壓器傳遞到電容陣；當電容陣充電完畢，兩極電壓達到擊穿打火器中的縫隙的電壓時，打火器打火。此時電容陣與主線圈形成回路，完成LC振蕩進，而將能量傳遞到次級線圈。這種裝置可以產生頻率很高的高壓電流，有極高危險。特斯拉線圈的線路和原理都非常簡單，但要將它調整到與環(huán)境完美的共振很不容易，特斯拉就是特別擅長這項技藝的人。

　　工作過程：

　　首先，交流電經(jīng)過升壓變壓器升至2000V以上（可以擊穿空氣），然后經(jīng)過由四個（或四組）高壓二極管組成的全波整流橋，給主電容（C1）充電。打火器是由兩個光滑表面構成的，它們之間有幾毫米的間距，具體的間距要由高壓輸出端電壓決定。當主電容兩個極板之間的電勢差達到一定程度時，會擊穿打火器處的空氣，和初級線圈（L1，一個電感）構成一個LC振蕩回路。這時，由于LC振蕩，會產生一定頻率的高頻電磁波，通常在100kHz到1.5MHz之間。放電頂端（C2）是一個有一定表面積且導電的光滑物體，它和地面形成了一個“對地等效電容”，對地等效電容和次級線圈（L2，一個電感）也會形成一個LC振蕩回路。當初級回路和次級回路的LC振蕩頻率相等時，在打火器打通的時候，初級線圈發(fā)出的電磁波的大部分會被次級的LC振蕩回路吸收。從理論上講，放電頂端和地面的電勢差是無限大的，因此在次級線圈的回路里面會產生高壓小電流的高頻交流電（頻率和LC振蕩頻率一致），此時放電頂端會和附近接地的物體放出一道電弧。

　　盡管從理論上講，放電頂端和地面的電勢差為無限大，但是在實際上電弧的長度不會無限大，它受到供電電源（升壓變壓器）的功率限制，計算方式為：電弧長度（單位：厘米）=4.318×根號下P（單位：W），前提是初級LC振蕩回路和次級LC振蕩回路的LC振蕩頻率完全一致（即所謂的“諧振”狀態(tài)，此時電弧長度會達到最長且效率最高）。如果不諧振（初級和次級頻率不相等），電弧長度將無法達到公式計算的結果。

　　判斷是否諧振的方法：1.L1C1=L2C2；2.初級LC振蕩頻率=次級LC振蕩頻率。達到兩個情況中的任意一種，即為諧振。事實上，這兩種情況的實質是一樣的，即，符合條件1的時候，一定會符合條件2。

3 原理

　　其原理是使用變壓器使普通電壓升壓，然后經(jīng)由兩極線圈，從放電終端放電的設備．特斯拉線圈由兩個回路通過線圈耦合．首先電源對電容C1充電，當電容的電壓高到一定程度超過了打火間隙的閾值，打火間隙擊穿空氣打火，變壓器初級線圈的通路形成，能量在電容C1和初級線圈L1之間振蕩，并通過耦合傳遞到次級線圈．次級線圈也是一個電感，放頂罩C2和大地之間可以等效為一個電容，因此也會發(fā)生LC振蕩．當兩級振蕩頻率一樣發(fā)生諧振的時候，初級回路的能量會涌到次級，放電端的電壓峰值會不斷增加，直到放電．[1]

　　特斯拉線圈的用途

　　特斯拉線圈不僅僅是被用在游戲或藝術方面，更可貴的是它擁有重大意義的用途，比如利用特斯拉線圈可以實現(xiàn)電能的無線傳輸，且該方式傳輸效率高、對生態(tài)破壞性小，但是實際應用中還存在諸多困難和障礙，還無法將其應用到實際電力輸送中．閃電是一種大氣放電現(xiàn)象，閃電發(fā)生時釋放巨大的能量，其電壓高達數(shù)百萬伏，平均電流約2×105A．據(jù)估計，地球每秒鐘被閃電擊中的次數(shù)達到45次．一次閃電所產生的能量足以讓一輛普通轎車行駛大

　　約290～1450km，相當于30～144L汽油產生的能量．而對閃電的利用卻是相當困難的，這是因為閃電發(fā)生時間短至幾十毫秒，很難被捕捉到．而特斯拉線圈則是捕捉閃電的可能性工具之一．[3]

4 SSTC

　　概況

　　現(xiàn)代的愛好者們，根據(jù)特斯拉線圈由LC振蕩接收能量的原理，設計出了極具現(xiàn)代感的SSTC[4]。早期的SSTC玩家大多數(shù)都是外國人。

　　固態(tài)特斯拉線圈，是由芯片振蕩代替SGTC的LC振蕩并由放大器放大功率后驅動次級線圈部分的特斯拉線圈。它的原理依舊是LC振蕩，只是發(fā)射端作了改動。

　　固態(tài)特斯拉線圈還可以通過音頻來控制，使電弧推動空氣發(fā)聲。

　　固態(tài)特斯拉線圈是通過芯片的振蕩來產生高頻交流電的。由于固態(tài)特斯拉線圈的工作比較好控制，固態(tài)特斯拉線圈有兩種：定頻和追頻。定頻，即初級部分只能發(fā)射出一個固定的頻率；而追頻，就是初級部分會根據(jù)次級部分的LC振蕩頻率自動調整發(fā)射頻率，從而達到完美的諧振。所以，追頻SSTC已經(jīng)成為固態(tài)特斯拉線圈的主流。

　　定頻sstc

　　這是一張由555定時器芯片控制的定頻SSTC電路圖，來源不詳（根據(jù)推測，有可能是貼吧的Tesla粉絲的作品）。

　　其中，NE555是頻率源，即產生高頻信號的芯片。它通過8、7腳上的電阻和6腳上的電容來控制輸出頻率，對于它的原理，在此不作過多解釋。

　　555定時器由3腳輸出高頻信號。在此電路圖中，輸出的信號經(jīng)過3個晶體管的放大，輸入到一個MOSFET（金屬氧化物場效應晶體管）的門極，經(jīng)過放大，在初級線圈輸出強度較高的高頻電磁波，被次級線圈接收，由于LC振蕩，在次級線圈中產生電流，從而產生電弧。

　　制作定頻SSTC，需要使芯片輸出的頻率和次級部分的LC振蕩頻率一致，才能諧振。所以，此電路圖中，7腳上的電阻用一個定值電阻和一個電位器代替，可以比較方便地調節(jié)輸出頻率，從而諧振。

　　特別說明，如果按照這張電路圖的參數(shù)制作，輸出的頻率對于一般的SSTC來講有點低了，所以盡量不要按照這張圖的數(shù)據(jù)來制作。

　　追頻sstc

　　定頻電路有它本身的缺點，于是追頻電路誕生了。

　　Steve的追頻SSTC

　　這是國外愛好者SteveWard的電路，是追頻電路。

　　首先，對次級線圈發(fā)射一些能量，使它內部有高頻交流電（LC振蕩），然后會發(fā)射出電磁波。電磁波被天線接收（圖中的Antenna），經(jīng)過兩個邏輯門成為正電壓的信號，然后輸入兩枚功率放大芯片，再通過GDT（GateDriverTransformer，門驅動變壓器）輸入到一個半橋（功率放大電路，后面會詳細地講）中，產生強度較高的電磁波，被次級線圈接收。此時次級線圈內再次有了能量，會以電磁波的形式發(fā)射出來，輸入天線，于是就這樣循環(huán)下去了，這種反饋方式叫天線反饋。

　　除了上述的反饋方式，磁環(huán)反饋是另一種反饋方式，在一個大小合適的磁環(huán)上面繞上30到50匝的導線，將導線的兩端接到圖中的反饋處，然后將次級的地線穿過磁環(huán)繞一匝再接地就可以了。

　　天線反饋的優(yōu)點是制作簡單，原理是利用電磁波遇到金屬會產生感生電流的特性；缺點是驅動電路也要接地，有時候會出現(xiàn)起振困難的狀況。磁環(huán)反饋則正好與天線反饋相反。

　　追頻電路是由次級LC振蕩回路直接采集頻率信息，從而發(fā)射電磁波，于是可以達到完美的諧振。

　　信不信由你，特斯拉線圈不只能夠保護你的筆記本電腦、彈奏美妙的樂曲，還可以讓一群人一起歡呼，一同流口水?。?/p>

　　這場在加州圣馬刁MakerFaire2008會場內的表演，炫麗的閃光不僅讓旁觀的觀眾驚呼連連，而在嘶嘶作響的閃光聲中，隱約還能聽到嘖嘖的口水聲。不過這可不是觀眾被閃電電到臉部抽筋所至亂噴口水，而是由于在這兩座線圈中掛有成打的熱狗，當閃電刷過的時候，陣陣的香味也就跟著飄了出來。