特斯拉線圈電路原理講解

微型特斯拉高壓線圈是很多電子愛好者喜歡的電子線路，通過(guò)簡(jiǎn)單器件就可以產(chǎn)生安全高壓，用來(lái)開展很多有趣的實(shí)驗(yàn)。 說(shuō)它安全是指即使直接對(duì)著自己的手放電，也僅僅有輕微的燒灼感，并不會(huì)觸電。

手邊正好有一個(gè)微型特斯拉線圈套件，組裝起來(lái)測(cè)試一下它的電路原理。 因?yàn)樵谒碾娐分校嬖谥粋€(gè)非常奇特的反饋環(huán)節(jié)，那就是所謂的特斯拉線圈共振部分的分析。

下面給出在使用手冊(cè)上列出的相關(guān)電路圖。 其中令人比較疑惑的就是線圈 L2（350T 特斯拉線圈）的作用。 因?yàn)檫@個(gè)線圈并不是按照正常的方式連接在電路中，而只是有一端接在振蕩三極管 Q2 的基極，另外一段就是空在半空中，與電路并不構(gòu)成任何回路。 這樣就會(huì)使得該線圈的分析與普通的振蕩電路有了很大的區(qū)別。

▲ 使用手冊(cè)上的電路圖

對(duì)于 350 匝的特斯拉線圈使用手持 LCR 表測(cè)量它對(duì)應(yīng)的電抗：

電感：電阻：

在使用時(shí)，需要使用高壓絕緣線繞制在特斯拉線圈上 2 到 3 匝，構(gòu)成 L1，繞制的方向需要滿足一定的條件。

下面通過(guò)一些實(shí)驗(yàn)，來(lái)討論關(guān)于這個(gè)電路起振工作的基本原理。 需要回答一下問(wèn)題：

L1 的繞制方向?qū)τ诓ㄐ斡惺裁从绊懀?沒有 L2，只有 L1 時(shí)電路是否工作？ L1 與 L2 之間的相對(duì)位置對(duì)于振蕩波形有什么影響？

測(cè)量波形

1. 測(cè)量方案

根據(jù)電磁感應(yīng)原理，如果希望線圈 L2 能夠在 L1 的作用下形成正反饋，加速震蕩，那么從 Q2 集電極出發(fā) L1 和從 Q2 基極出發(fā)的 L2 在線圈骨架筒上的繞制方向必須相反。 下面就在這種繞制方向的基礎(chǔ)上進(jìn)行測(cè)量。

為了分析電路振蕩的基本原理，需要測(cè)量 Q2 的基極與集電極的波形。 使用四芯電纜將 Q2 的基極、發(fā)射極、集電極引出來(lái)，使用示波器測(cè)量基極對(duì)發(fā)射極、集電極對(duì)發(fā)射極的電壓波形。

▲ 測(cè)量振蕩管的基極和集電極的電壓波形

電路的工作電壓使用 15V 穩(wěn)壓電源提供。 電路形成強(qiáng)烈震蕩波形，下面給出 Q2 集電極和基極對(duì)應(yīng)的電壓波形。

2. 測(cè)量波形

如下是測(cè)量振蕩電路 Q2 的基極（紫色）和集電極（綠色）的電壓波形。 振蕩頻率為 3.28MHz.

從波形上來(lái)看，電路中形成明顯的正反饋，Q2 基本上工作在開關(guān)狀態(tài)。

▲ 集電極（綠色）和基極（紫色）電壓波形

電路在啟動(dòng)的過(guò)程中，明顯能夠看到波形的變化，經(jīng)過(guò)大約 2,3 秒鐘之后，波形逐步變化到穩(wěn)定狀態(tài)。 （關(guān)注公眾號(hào) 電路一點(diǎn)通）這個(gè)過(guò)程應(yīng)該是芯片溫度變化引起的。

▲ 在啟動(dòng)過(guò)程中波形的變化

下面是將基極(紫色)和集電極(綠色)的波形拉伸之后的形成單個(gè)周期的信號(hào)波形，便于進(jìn)行過(guò)渡過(guò)程的分析。

當(dāng)基極電壓（粉紅色）開始下降之后，引起集電極電壓（綠色）的上升。 這個(gè)過(guò)程經(jīng)過(guò) L1,L2 耦合之后形成正反饋，引起基極電壓有一個(gè)反向進(jìn) 10V 的負(fù)電壓脈沖。 從集電極電壓（綠色）上來(lái)看，在脈沖的頂部出現(xiàn)了很多震蕩，這應(yīng)該是 L2 線圈在空氣中放電所形成的電流帶來(lái)的電壓波動(dòng)。 線圈中的磁場(chǎng)能量經(jīng)由放電消耗完畢之后，Q2 又重新恢復(fù)導(dǎo)通狀態(tài)，L1 重新有電流流過(guò)，存儲(chǔ)電磁能量。

▲ 將基極(紫色)和集電極(綠色)波形拉開之后的信號(hào)

雖然 L2 只有一端接入電路，另外一端則通過(guò)空間電容耦合以及空氣放電與電路形成回路，完成信號(hào)的正反饋。

3. 磁棒對(duì)于振蕩頻率的影響

使用兩種不同的收音機(jī)的磁棒來(lái)探究對(duì)于振蕩頻率的影響。 一種是表面比較光滑的中波磁棒，一種是表面比較粗糙的短波高頻磁棒。

（1） 定性分析

將磁棒深入特斯拉空心震蕩線圈，可以看到兩種不同測(cè)磁棒對(duì)于振蕩頻率均有影響。 都會(huì)使得振蕩的波形和頻率發(fā)生改變。 最為明顯的就是振蕩頻率降低，集電極的幅度下降。 這種變化是由于磁棒增加線圈的電感量，使得震蕩周期變長(zhǎng)了。

高頻磁棒對(duì)于頻率影響比較明顯。 低頻磁棒相對(duì)影響較弱。

▲ 加入高頻磁棒過(guò)程對(duì)應(yīng)的基極波形的變化

▲ 加入低頻磁棒過(guò)程對(duì)應(yīng)的基極波形的變化

（2）影響頻率的變化

在為加入磁棒之前，特斯拉的振蕩頻率為：。 將低頻磁棒完全插入線圈之后，特斯拉的振蕩頻率為：。 將高頻磁棒完全插入線圈之后，特斯拉的振蕩頻率為：

▲ 低頻磁棒加入線圈后的波形

▲ 高頻磁棒加入線圈后的波形，注意：右側(cè)的 CH4 頻率顯示不正確

4. 初級(jí)線圈對(duì)波形影響

下面對(duì)于初級(jí)線圈的匝數(shù)、繞制方式以及線圈的位置對(duì)波形的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

分別測(cè)量初級(jí)線圈的匝數(shù)從 2 圈到 5 圈；

繞制的方式是松散的部分、緊密的底部、緊密的中部三種方式。

（1）三圈緊密繞制

▲ 三圈緊密繞制

（2）三圈松散繞制

▲ 三圈松散繞制

（3）兩圈緊密繞制

▲ 兩圈緊密繞制

（4）兩圈松散繞制

▲ 兩圈松散繞制

（5）五圈緊密繞制

▲ 五圈緊密繞制

（6）四圈松散繞制

▲ 四圈松散繞制

（7）四圈緊密繞制

▲ 四圈緊密繞制

（8）四圈緊密繞制，在線圈的中部

▲ 四圈緊密繞制，在線圈的中部

從上面實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，對(duì)于頻率的影響的因素是綜合的。

在繞制的方式和位置相同的情況下，圈數(shù)越多，頻率越低； 在繞制圈數(shù)相同的情況下，如果繞制緊密靠近線圈底部，頻率高； 如果松散分布在整個(gè)線圈，或者位于線圈的中部，頻率低。

線圈繞制方向

1. 對(duì)比同向繞制和逆向繞制的差別

（1）順向繞制

▲ 順向繞制振蕩波形

（2）逆向繞制

▲ 逆向繞制

（3）獨(dú)立繞磁棒

▲ 獨(dú)立繞制低頻磁棒

▲ 獨(dú)立繞制高頻磁棒

2. 獨(dú)立空心線圈

▲ 獨(dú)立空心線圈的振蕩波形

3. 繞制在磁棒上放在線圈里

（1）順同方向松散繞制

▲ 繞制在磁棒上，放置在線圈里

（2）順同方向緊密繞制

這種情況居然出現(xiàn)了兩種不同的振蕩模式交替出現(xiàn)。

▲ 奇怪的帶有二種交替振蕩波形的模式

（3）逆向繞制

逆向繞制波形，集電極電壓明顯增加，頻率降低到 1MHz 以下。

▲ 逆向繞制波形

結(jié)論

1. 得到的結(jié)論

通過(guò)前面的一些測(cè)量，可以得到如下結(jié)論：

原來(lái)的 Q2 在沒有特斯拉線圈的情況下，自行也會(huì)進(jìn)行振蕩，此時(shí)利用集電極的寄生電容，構(gòu)成了電容三點(diǎn)式的振蕩電路。 如果繞制在磁棒上，振蕩的波形幅度會(huì)更大； 將 L1 繞制在 L2 上，如果是相反繞制，即從三極管的集電極和基極出發(fā)來(lái)看，L1,L2 在圓筒上的方向是相反的。 此時(shí)形成強(qiáng)烈的正反饋振蕩，輸出波形呈現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)。 輸出電壓高； 如果 L1 和 L2 繞制方向相同，則形成的是負(fù)極反饋。 在一定條件下，Q2 依然會(huì)振蕩，振蕩的頻率比前面的正反饋時(shí)要高得多。 L1 在 L2 上的位置和繞制的圈數(shù)對(duì)振蕩頻率有著明顯的影響。

2. 存在的疑問(wèn)

特斯拉線圈究竟通過(guò)何種主要機(jī)理與電路形成耦合回路的？ L1 的匝數(shù)、位置是如何影響最終 L2 輸出的高電壓的？ 在什么情況下特斯拉輸出的高壓會(huì)效率會(huì)更高？ 如果不使用正反饋，而僅僅使用普通的正向繞制，將特斯拉線圈當(dāng)做變壓器的次級(jí)，這樣工作是否會(huì)更好？

雖然做了一些相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，這個(gè)神奇的電路依然留給我們很多的疑問(wèn)和遐想。

審核編輯：湯梓紅