固態(tài)特斯拉線圈雙諧振

在固態(tài)特斯拉線圈的基礎(chǔ)上，愛好者們發(fā)明了雙諧振固態(tài)特斯拉線圈，即DRSSTC，它的初級線圈串聯(lián)的電容，而電容和初級線圈構(gòu)成的LC振蕩可以和驅(qū)動板輸出的信號構(gòu)成共振，瞬間的電流很大，這使線圈的電弧更加壯觀。

假設(shè)一個SSTC的頻率源的頻率是500kHz，這時，我們將一個電容串聯(lián)到初級線圈上，然后，經(jīng)過計算，使電容的容量和初級線圈的電感量構(gòu)成LC振蕩，頻率也是500kHz。

我們不妨做一個有趣的實(shí)驗(yàn)。一個體重很大的人坐在秋千上，開始時，他相對于地面靜止。我們假設(shè)他在擺動時不會受到任何阻力的影響。這時，一個小孩來推他。我們可以知道，這個小孩的力量很小，每次只能給這個人增加10J的動能。假設(shè)這個人有了10J的動能后，向前擺了起來。但是，10J的動能真是太小了，他很快就蕩了回來。這個小孩看準(zhǔn)時機(jī)，在他擺回來后，又剛剛開始向前擺動的時候，推了他一下。這個小孩再次對他做了10J的功，然后他在向前擺動時，就有了20J的動能。如此下去，每一次都會增加10J的動能，一次次下去，這個數(shù)字將會是很驚人的。

DRSSTC就是這樣。當(dāng)電流流過初級線圈時，就會給電容充電。這時，電容的兩個極板有了一定的電勢差。然后由于LC振蕩，它立即放出了電流，并很快將電流的方向反轉(zhuǎn)。就在它反轉(zhuǎn)的一瞬間，初級線圈的電流沿著和反轉(zhuǎn)后的電流方向一致的方向流了過來。

如同那個秋千。那個秋千里的人受到一次次恰到好處的力，一次次地擺回來，和小孩推秋千的頻率達(dá)成了共振。

現(xiàn)在，初級線圈里的電流和電容的電流也達(dá)成了共振(不過在電路里，這個狀態(tài)通常稱為諧振)，電壓越來越高，電流越來越大。

在秋千實(shí)驗(yàn)里，如果小孩的做功長時間持續(xù)下去，總有一天那個人會飛出去。

同樣的，在DRSSTC里，如果共振的時間過長，就會導(dǎo)致電壓過高，擊穿開關(guān)管。由于電路的頻率十分高，開關(guān)管將會在不到一秒內(nèi)炸開。該如何解決這個問題呢?

如果小孩在推到一定程度時，都有一個大力士來把那個秋千上的人按住，使他停止擺動，恢復(fù)靜止。這樣，他就不會飛出去了。靜止后，小孩可以繼續(xù)一次次推的動作，而大力士總會在恰當(dāng)?shù)臅r間把秋千上的人按住。這樣，就安全了。

沒錯，這就是滅弧電路的原理。當(dāng)共振開始后，電壓逐漸升高，高到一定程度時，滅弧電路開始發(fā)揮作用，它發(fā)出一個信號使驅(qū)動板輸入GDT的信號終止(如果是單管，就終止輸入到功率管基極或門極的信號，不過很少有人用單管做DRSSTC)，共振就停止了。電容開始釋放掉它的能量，從頭再來。事實(shí)上，一般的滅弧信號都是發(fā)出一個正脈沖，使驅(qū)動板工作，當(dāng)脈沖停止時，就終止信號。由于DRSSTC的電容，這個滅弧頻率必須掌握好，否則只有一個后果:開關(guān)管爆炸。一般，滅弧器都是由芯片構(gòu)成的，很少有人用手來做這個動作。

當(dāng)然，還有一些比較奇特的滅弧方式。比如科創(chuàng)論壇的圈圈，就曾經(jīng)使用市電整流不加濾波的方式代替滅弧器。效果應(yīng)該是還可以的。

如果采用定頻的方式，可能不能保證電容和驅(qū)動板的信號完美諧振。Steve Ward發(fā)明了初級反饋的方式，使得DRSSTC的初級部分可以完美地諧振。具體方式和追頻SSTC的次級反饋類似，不過反饋的來源換成了初級線圈。

它用一個互感器將初級線圈和驅(qū)動板相連，直接采集初級線圈和電容的LC振蕩頻率作為發(fā)出高頻電的信號。這樣，保證了初級電容和驅(qū)動板的共振。

但這樣也有缺點(diǎn)，在調(diào)整好初級的諧振后，就要調(diào)整初級和次級之間的諧振了，這是個麻煩的過程。但是，當(dāng)你耗費(fèi)精力做好一個DRSSTC，一切塵埃落定，按下開關(guān)，看到?jīng)]有SGTC的噪音卻有SGTC的壯觀程度的電弧，你會發(fā)現(xiàn)，這一切努力都是值得的。

如同上面第一張SSTC電路圖，它是用單個場效應(yīng)管來進(jìn)行功率放大的，功率有限且輸出為脈沖直流電。

半橋是由兩個功率放大管和兩個電容構(gòu)成的功率放大電路，效果比單管好很多。

"對與大多數(shù)玩了SGTC的人來說都想玩更高級的SSTC/DRSSTC，但是許多人在這是就會遇到困難，在這里我給那些新人們講講功率電路

紅色表示高壓 藍(lán)色低壓 黃色為中間壓 同名端已標(biāo)出

通電時，由于開關(guān)管關(guān)閉沒有其他地方能讓電流通過，因此電流就只有給兩個橋臂電容充電。

然后當(dāng)開關(guān)管打開時，電容通過開關(guān)管放電，在電流的流動中經(jīng)過了初級線圈。當(dāng)另一個開關(guān)管打開時電流的方向與之前是相反的，由此產(chǎn)生了震蕩。

這種有兩個開關(guān)管的我們叫它半橋，它的特點(diǎn)是只要兩個開關(guān)管省錢，由于在充電時有兩個電容串聯(lián)，因此放電的電壓只有輸入電壓的一半。 "

如果用兩個功率管代替兩個電容，就成了全橋。它的功率又高于半橋。

其中的"Output"接初級線圈。

全橋?yàn)?個功率管成對角線打開，電壓為滿電壓，所以效果比半橋好。

特斯拉線圈，是塞爾維亞籍科學(xué)家尼古拉·特斯拉于1891年發(fā)明，用來演示無線輸電以及高頻高壓交流電特性的裝置。特斯拉生活的年代沒有半導(dǎo)體晶體管，所以他發(fā)明的線圈是比較落后的SGTC(火花間隙特斯拉線圈，Spark Gap Tesla Coil)，效率較低，且噪音巨大?，F(xiàn)代的愛好者們根據(jù)特斯拉線圈的本質(zhì)的原理(LC振蕩)，發(fā)明了固態(tài)特斯拉線圈(Solid State Tesla Coil，簡稱SSTC)。固態(tài)特斯拉線圈有效率高、噪音小、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，而且由于固態(tài)特斯拉線圈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，它可以通過一個電路輸入音頻，使特斯拉線圈的電弧直接推動空氣發(fā)聲，這使得特斯拉線圈成為了一件藝術(shù)品。而后來的人在SSTC的基礎(chǔ)上，發(fā)明了DRSSTC(雙諧振固態(tài)特斯拉線圈，Double Resonance Solid State Tesla Coil)。它給初級線圈串聯(lián)了MMC(諧振電容)，和初級線圈的電流構(gòu)成了共振，初級線圈內(nèi)部的電流更大，使電弧效果進(jìn)大幅提高。

事實(shí)上，除了SGTC，其它類型的特斯拉線圈都是固態(tài)的(截至目前)。

除了SGTC、SSTC、DRSSTC，還有PLLSSTC(鎖相環(huán)固態(tài)特斯拉線圈)、VTTC和OLTC。

真空管特斯拉線圈，Vacuum Tube Tesla Coil，簡稱VTTC。

當(dāng)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(diǎn)，所以做出的VTTC效果十分獨(dú)特。但是，不可否認(rèn)，電子管本身有造價高、壽命低、效率低、發(fā)熱嚴(yán)重以及極易損壞等缺點(diǎn)，VTTC未能大范圍流行。

基本原理，類似于晶體管的自激。

VTTC的效果很奇特，電弧很直，像利劍一樣。有時候，電弧四處散開，如同禮花彈一般。

離線式特斯拉線圈，Off Line Tesla Coil，簡稱OLTC。

當(dāng)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(guān)管，再加以低壓驅(qū)動，就成了OLTC。

它的本質(zhì)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(guān)，并使用了低壓驅(qū)動。其它地方?jīng)]有太多區(qū)別。

由于是低壓驅(qū)動，無法形成太大的電流，所以O(shè)LTC的電弧是不如SGTC壯觀的。

固態(tài)特斯拉線圈，修正了傳統(tǒng)的SGTC的很多缺點(diǎn)，又增加了很多新功能，比如音樂滅弧等。不過，由于固態(tài)特斯拉線圈需要功率管進(jìn)行放大信號，所以功率管的功率直接影響到線圈的功率，而功率管的功率是和價格成正比的。

SSTC也有缺點(diǎn)，比如，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。而DRSSTC由于有了諧振電容，兼具了SSTC噪音小、壽命長和SGTC電弧壯觀的優(yōu)點(diǎn)，受到大量愛好者的推崇。

SSTC容易將人的皮膚燒傷。盡管有高頻電的趨膚效應(yīng)，但是高壓電擊穿空氣產(chǎn)生的高溫不可忽視。如果功率較小，SGTC的電弧是可以直接用手接觸的(注意!一般不要這樣做)，我曾親自試過幾次。而同功率的SSTC卻可以把人的皮膚燒傷，這也是我的親身經(jīng)歷(燒傷不嚴(yán)重，只是手上燒出一個小小的黑點(diǎn))。而DRSSTC的電弧也是很危險的，據(jù)說可以電死老鼠(未經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，但這是有可能的)。

無論如何，無論是何種的特斯拉線圈，大家都要特別注意安全。畢竟是高壓電。

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(shè)計出了極具現(xiàn)代感的SSTC。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(qū)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(chǎn)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(diào)整發(fā)射頻率，從而達(dá)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。

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(chǎn)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(yīng)晶體管)的門極，經(jīng)過放大，在初級線圈輸出強(qiáng)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(chǎn)生電流，從而產(chǎn)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(diào)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(diǎn)低了，所以盡量不要按照這張圖的數(shù)據(jù)來制作。

定頻電路有它本身的缺點(diǎn)，于是追頻電路誕生了。

Steve的追頻SSTC

這是國外愛好者Steve Ward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(nèi)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(Gate Driver Transformer，門驅(qū)動變壓器)輸入到一個半橋(功率放大電路，后面會詳細(xì)地講)中，產(chǎn)生強(qiáng)度較高的電磁波，被次級線圈接收。此時次級線圈內(nèi)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(dǎo)線，將導(dǎo)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(diǎn)是制作簡單，原理是利用電磁波遇到金屬會產(chǎn)生感生電流的特性;缺點(diǎn)是驅(qū)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(dá)到完美的諧振。

信不信由你，特斯拉線圈不只能夠保護(hù)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，一同流口水唷!

這場在加州圣馬刁 Maker Faire 2008 會場內(nèi)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(dāng)閃電刷過的時候，陣陣的香味也就跟著飄了出來。