特斯拉線圈

特斯拉線圈是由一個(gè)感應(yīng)圈、變壓器、打火器、兩個(gè)大電容器和一個(gè)初級(jí)線圈僅幾圈的互感器組成。

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(Tesla Coil)是一種使用共振原理運(yùn)作的變壓器(共振變壓器)，由美籍塞爾維亞裔科學(xué)家尼古拉·特斯拉在1891年發(fā)明，主要用來(lái)生產(chǎn)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(shí)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(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，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(wú)線電能傳輸，發(fā)射、接收無(wú)線電電信號(hào)。

尼古拉·特斯拉是一位偉大的科學(xué)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(gè)線圈連接在電源上，作為發(fā)射器傳輸能量;另一個(gè)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(dòng)，另一個(gè)線圈連著的燈泡將被點(diǎn)亮。后來(lái)，特斯拉試圖利用地球本身和大氣電離層為諧振電容來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線輸電，為此在紐約長(zhǎng)島建造了一個(gè)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(jué)得此行為與自己利益毫無(wú)關(guān)系決定撤資，實(shí)驗(yàn)工地的設(shè)備也被法院沒(méi)收充當(dāng)?shù)盅?，沃登克里弗塔被拆除?/p>

特斯拉后來(lái)發(fā)明了所謂的"放大發(fā)射機(jī)"，稱(chēng)之為大功率高頻傳輸線共振變壓器，用于無(wú)線輸電試驗(yàn)。特斯拉的無(wú)線輸電技術(shù)。

SGTC，它是由一個(gè)感應(yīng)圈、變壓器、打火器、兩個(gè)電容器和一個(gè)初級(jí)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(shè)備。通俗一點(diǎn)說(shuō),它是一個(gè)人工閃電制造器。放電時(shí)，未打火時(shí)能量由變壓器傳遞到電容陣;當(dāng)電容陣充電完畢，兩極電壓達(dá)到擊穿打火器中的縫隙的電壓時(shí)，打火器打火。此時(shí)電容陣與主線圈形成回路，完成LC振蕩進(jìn)而將能量傳遞到次級(jí)線圈。這種裝置可以產(chǎn)生頻率很高的高壓電流，有極高危險(xiǎn)。特斯拉線圈的線路和原理都非常簡(jiǎn)單，但要將它調(diào)整到與環(huán)境完美的共振很不容易，特斯拉就是特別擅長(zhǎng)這項(xiàng)技藝的人。

工作過(guò)程:

首先，交流電經(jīng)過(guò)升壓 變壓器升至2000V以上(可以擊穿空氣)，然后經(jīng)過(guò)由四個(gè)(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(gè)光滑表面構(gòu)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(dāng)主電容兩個(gè)極板之間的電勢(shì)差達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)擊穿打火器處的空氣，和初級(jí)線圈(L1，一個(gè)電感)構(gòu)成一個(gè)LC振蕩回路。這時(shí)，由于LC振蕩，會(huì)產(chǎn)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(gè)有一定表面積且導(dǎo)電的光滑物體，它和地面形成了一個(gè)"對(duì)地等效電容"，對(duì)地等效電容和次級(jí)線圈(L2，一個(gè)電感)也會(huì)形成一個(gè)LC振蕩回路。當(dāng)初級(jí)回路和次級(jí)回路的LC振蕩頻率相等時(shí)，在打火器打通的時(shí)候，初級(jí)線圈發(fā)出的電磁波的大部分會(huì)被次級(jí)的LC振蕩回路吸收。從理論上講，放電頂端和地面的電勢(shì)差是無(wú)限大的，因此在次級(jí)線圈的回路里面會(huì)產(chǎn)生高壓小電流的高頻交流電(頻率和LC振蕩頻率一致)，此時(shí)放電頂端會(huì)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(shì)差為無(wú)限大，但是在實(shí)際上電弧的長(zhǎng)度不會(huì)無(wú)限大，它受到供電電源(升壓變壓器)的功率限制，計(jì)算方式為:電弧長(zhǎng)度(單位:厘米)=4.318×根號(hào)下P(單位:W)，前提是初級(jí)LC振蕩回路和次級(jí)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(shí)電弧長(zhǎng)度會(huì)達(dá)到最長(zhǎng)且效率最高)。如果不諧振(初級(jí)和次級(jí)頻率不相等)，電弧長(zhǎng)度將無(wú)法達(dá)到公式計(jì)算的結(jié)果。

判斷是否諧振的方法:1.L1C1=L2C2;2.初級(jí)LC振蕩頻率=次級(jí)LC振蕩頻率。達(dá)到兩個(gè)情況中的任意一種，即為諧振。事實(shí)上，這兩種情況的實(shí)質(zhì)是一樣的，即，符合條件1的時(shí)候，一定會(huì)符合條件2。

現(xiàn)代的愛(ài)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(jì)出了極具現(xiàn)代感的SSTC。早期的SSTC玩家大多數(shù)都是外國(guó)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(dòng)次級(jí)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(dòng)。

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

固態(tài)特斯拉線圈是通過(guò)芯片的振蕩來(lái)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(jí)部分只能發(fā)射出一個(gè)固定的頻率;而追頻，就是初級(jí)部分會(huì)根據(jù)次級(jí)部分的LC振蕩頻率自動(dòng)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(shí)器芯片控制的定頻SSTC電路圖，來(lái)源不詳(根據(jù)推測(cè)，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(hào)的芯片。它通過(guò)8、7腳上的電阻和6腳上的電容來(lái)控制輸出頻率，對(duì)于它的原理，在此不作過(guò)多解釋。

555定時(shí)器由3腳輸出高頻信號(hào)。在此電路圖中，輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)3個(gè)晶體管的放大，輸入到一個(gè)MOSFET(金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管)的門(mén)極，經(jīng)過(guò)放大，在初級(jí)線圈輸出強(qiáng)度較高的高頻電磁波，被次級(jí)線圈接收，由于LC振蕩，在次級(jí)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(jí)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(gè)定值電阻和一個(gè)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(shuō)明，如果按照這張電路圖的參數(shù)制作，輸出的頻率對(duì)于一般的SSTC來(lái)講有點(diǎn)低了，所以盡量不要按照這張圖的數(shù)據(jù)來(lái)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(guó)外愛(ài)好者Steve Ward的電路，是追頻電路。

首先，對(duì)次級(jí)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(huì)發(fā)射出電磁波。電磁波被天線接收(圖中的Antenna)，經(jīng)過(guò)兩個(gè)邏輯門(mén)成為正電壓的信號(hào)，然后輸入兩枚功率放大芯片，再通過(guò)GDT(Gate Driver Transformer，門(mén)驅(qū)動(dòng)變壓器)輸入到一個(gè)半橋(功率放大電路，后面會(huì)詳細(xì)地講)中，產(chǎn)生強(qiáng)度較高的電磁波，被次級(jí)線圈接收。此時(shí)次級(jí)線圈內(nèi)再次有了能量，會(huì)以電磁波的形式發(fā)射出來(lái)，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(gè)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(jí)的地線穿過(guò)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(jiǎn)單，原理是利用電磁波遇到金屬會(huì)產(chǎn)生感生電流的特性;缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路也要接地，有時(shí)候會(huì)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(jí)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(lè)曲，還可以讓一群人一起歡呼，一同流口水唷!

這場(chǎng)在加州圣馬刁 Maker Faire 2008 會(huì)場(chǎng)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(tīng)到嘖嘖的口水聲。不過(guò)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(guò)的時(shí)候，陣陣的香味也就跟著飄了出來(lái)。

SGTC(Spark Gap Tesla Coil)=火花間隙特斯拉線圈

尼古拉·特斯拉先生本人當(dāng)年發(fā)明的"特斯拉線圈"就屬于SGTC。由于構(gòu)造、原理較為簡(jiǎn)單，所以也是現(xiàn)階段初學(xué)者入門(mén)特斯拉線圈。

SISGTC(Sidac-IGBT SGTC)=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(dá)到消除打火噪音的目的。

SSTC(Solid State Tesla Coil)=固態(tài)特斯拉線圈

說(shuō)通俗些是個(gè)單諧振的電子開(kāi)關(guān)特斯拉線圈，初級(jí)不發(fā)生串聯(lián)諧振，只給次級(jí)提供可以滿足次級(jí)LC發(fā)生串聯(lián)諧振的頻率，讓次級(jí)線圈發(fā)生串聯(lián)諧振，初級(jí)電流為激勵(lì)源電壓除以交流阻抗。

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

缺點(diǎn):初級(jí)線圈給次級(jí)線圈提供的勵(lì)磁功率有限，電弧不長(zhǎng)。

ISSTC(Interrupted SSTC)=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(shí)，可以加上一個(gè)滅弧器來(lái)模仿SGTC的工作，電弧可以長(zhǎng)一些，還可以利用音頻信號(hào)滅弧信號(hào)來(lái)演奏音樂(lè)。

DRSSTC(Dual Resonant SSTC)=雙諧振特斯拉線圈

DRSSTC本質(zhì)屬于一個(gè)串聯(lián)諧振逆變器，相對(duì)于SSTC來(lái)說(shuō)，由于初級(jí)線圈發(fā)生了串聯(lián)諧振，初級(jí)線圈電感兩端的電壓為激勵(lì)源電壓的Q倍，諧振阻抗Z(R)因子很低，因此初級(jí)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(shí)給次級(jí)提供的勵(lì)磁功率也會(huì)很大，和SSTC可不是一個(gè)數(shù)量級(jí)的。相比SSTC來(lái)說(shuō)，SSTC的初級(jí)線圈給次級(jí)線圈無(wú)法提供足夠大的勵(lì)磁功率，所以導(dǎo)致SSTC產(chǎn)生的閃電壯觀程度不及同功率等級(jí)的火花隙特斯拉線圈。

DRSSTC的初級(jí)線圈不僅滿足了次級(jí)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(jí)線圈提供足夠大的勵(lì)磁功率，所以DRSSTC的電弧長(zhǎng)度會(huì)很長(zhǎng)。

優(yōu)點(diǎn):相比SGTC來(lái)說(shuō)，沒(méi)有火花間隙的聲光污染，可控性強(qiáng)，可以放音樂(lè)，效率高，壽命長(zhǎng)。

QCWDRSSTC(Quasi Continuous Wave DRSSTC)=準(zhǔn)連續(xù)波雙諧振固態(tài)特斯拉線圈

CWDRSSTC(Continuous Wave DRSSTC)=連續(xù)波雙諧振固態(tài)特斯拉

實(shí)驗(yàn)證明，連續(xù)模式(CW)的特斯拉線圈由于功率要是在沒(méi)有時(shí)間限制情況發(fā)揮出來(lái)弧并不長(zhǎng)，且呈簇狀。

VTTC(Vacuum Tube Tesla Coil)=真空管特斯拉線圈

當(dāng)電子管逐漸退出我們的視野時(shí)，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(jià)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(lèi)似于晶體管的自激。

SSVC(Solid State Valve Coil)=固態(tài)-真空管特斯拉線圈

OLTC(Off Line Tesla coil)=離線式特斯拉線圈

當(dāng)我們把SGTC的打火器去掉，換成一個(gè)MOSFET或者IGBT來(lái)代替，并在用一個(gè)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(gè)固態(tài)的電路來(lái)控制這個(gè)開(kāi)關(guān)管，再加以低壓驅(qū)動(dòng)，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(kāi)關(guān)，并使用了低壓驅(qū)動(dòng)。其它地方?jīng)]有太多區(qū)別。

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

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(shè)備.特斯拉線圈由兩個(gè)回路通過(guò)線圈耦合.首先電源對(duì)電容C1充電，當(dāng)電容的電壓高到一定程度超過(guò)了打火間隙的閾值，打火間隙擊穿空氣打火，變壓器初級(jí)線圈的通路形成，能量在電容C1和初級(jí)線圈L1之間振蕩，并通過(guò)耦合傳遞到次級(jí)線圈.次級(jí)線圈也是一個(gè)電感，放頂罩C2和大地之間可以等效為一個(gè)電容，因此也會(huì)發(fā)生LC 振蕩.當(dāng)兩級(jí)振蕩頻率一樣發(fā)生諧振的時(shí)候，初級(jí)回路的能量會(huì)涌到次級(jí)，放電端的電壓峰值會(huì)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(shù)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(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線傳輸，且該方式傳輸效率高、對(duì)生態(tài)破壞性小，但是實(shí)際應(yīng)用中還存在諸多困難和障礙，還無(wú)法將其應(yīng)用到實(shí)際電力輸送中.閃電是一種大氣放電現(xiàn)象，閃電發(fā)生時(shí)釋放巨大的能量，其電壓高達(dá)數(shù)百萬(wàn)伏，平均電流約2×105A.據(jù)估計(jì)，地球每秒鐘被閃電擊中的次數(shù)達(dá)到45次.一次閃電所產(chǎn)生的能量足以讓一輛普通轎車(chē)行駛大

約290~1 450km，相當(dāng)于30~144L汽油產(chǎn)生的能量.而對(duì)閃電的利用卻是相當(dāng)困難的，這是因?yàn)殚W電發(fā)生時(shí)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.

事實(shí)上，除了SGTC，其它類(lèi)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(jiǎn)稱(chēng)VTTC。

當(dāng)電子管逐漸退出我們的視野時(shí)，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(jià)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(lèi)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(shí)候，電弧四處散開(kāi)，如同禮花彈一般。

離線式特斯拉線圈，Off Line Tesla Coil，簡(jiǎn)稱(chēng)OLTC。

當(dāng)我們把SGTC的打火器去掉，換成一個(gè)MOSFET或者IGBT來(lái)代替，并在用一個(gè)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(gè)固態(tài)的電路來(lái)控制這個(gè)開(kāi)關(guān)管，再加以低壓驅(qū)動(dòng)，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(kāi)關(guān)，并使用了低壓驅(qū)動(dòng)。其它地方?jīng)]有太多區(qū)別。

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

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(lái)演示無(wú)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(méi)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(ài)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(jiǎn)稱(chēng)SSTC)。固態(tài)特斯拉線圈有效率高、噪音小、壽命長(zhǎng)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(guò)一個(gè)電路輸入音頻，使特斯拉線圈的電弧直接推動(dòng)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(lái)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(jí)線圈串聯(lián)了MMC(諧振電容)，和初級(jí)線圈的電流構(gòu)成了共振，初級(jí)線圈內(nèi)部的電流更大，使電弧效果進(jìn)大幅提高。