特斯拉線圈

特斯拉線圈

特斯拉線圈又叫泰斯拉線圈,因為這是從\"Tesla\"這個英文名直接音譯過來的。這是一種分布參數高頻共振變壓器,可以獲得上百萬伏的高頻電壓。特斯拉線圈的原理是使用變壓器使普通電壓升壓,然後經由兩極線圈,從放電終端放電的設備。通俗一點說,它是一個人工閃電製造器,也可運用于遠程輸電。

  • 中文名稱
    特斯拉線圈
  • 外文名稱
    Tesla Coil
  • 又名
    泰斯拉線圈

分類

SGTC(Spark Gap Tesla Coil)=火花間隙特斯拉線圈

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

Jacobs Ladder作品Jacobs Ladder作品

SISGTC(Sidac-IGBT SGTC)=觸發二極體特斯拉線圈

由觸發二極體--IGBT管組成的電路組代替傳統火花間隙工作,達到消除打火噪音的目的。

SSTC(Solid State Tesla Coil)=固態特斯拉線圈

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

優點:具有低噪音、高效率、壽命長的特點,因而得到了很好的發展。

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(Interrupted SSTC)=帶滅弧固態特斯拉線圈

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(Dual Resonant SSTC)=雙諧振特斯拉線圈

DRSSTC本質屬于一個串聯諧振逆變器,相對于SSTC來說,由于初級線圈發生了串聯諧振,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生串聯諧振的條件,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。

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優點: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(Quasi Continuous Wave DRSSTC)=準連續波雙諧振固態特斯拉線圈

CWDRSSTC(Continuous Wave DRSSTC)=連續波雙諧振固態特斯拉

實驗證明,連續模式(CW)的特斯拉線圈由于功率要是在沒有時間限製情況發揮出來弧並不長,且呈簇狀。

VTTC(Vacuum Tube Tesla Coil)=真空管特斯拉線圈

當電子管逐漸退出我們的視野時,一群電子管發燒友用它們做出了VTTC。電子管本身有高頻性能好等等優點,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、發熱嚴重以及極易損壞等缺點,VTTC未能大範圍流行。

基本原理,類似于電晶體的自激。

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

OLTC(Off Line Tesla coil)=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,並在用一個二極體反向並聯在D極和S極(如果是IGBT,就是C極和E極)上,並用一個固態的電路來控製這個開關管,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開關,並使用了低壓驅動。其它地方沒有太多區別。

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。

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,曾經有一篇介紹特斯拉線圈的文章:《近距離接觸"死亡之手" 家中製造的人工閃電》。其中大概介紹了特斯拉線圈的大概組成部分和原理。

尼古拉·特斯拉尼古拉·特斯拉

特斯拉線圈(Tesla Coil)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新實驗,如電氣照明,熒光光譜,X射線,高頻率的交流電流現象,電療和無線電能傳輸,發射、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明家幾乎被人們遺忘。尼古拉·特斯拉其中之一發明就是特斯拉線圈 ,原理為把一個線圈連線在電源上,作為發射器傳輸能量;另一個線圈連著燈泡,作為能量接收器。通電後,發射器能夠以10兆赫茲的頻率振動,另一個線圈連著的燈泡將被點亮。後來,特斯拉嘗試利用地球本身和大氣電離層為諧振電容來實現無線輸電,為此在紐約長島建造了一個29米高的發射塔(沃登克裏弗塔),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抵押,沃登克裏弗塔被拆除。

放大發射機

特斯拉後來發明了所謂的"放大發射機",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,然後經由兩極線圈,從放電終端放電的設備。通俗一點說,它是一個人工閃電製造器。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,交流電經過升壓變壓器升至2000V以上(可以擊穿空氣),然後經過由四個(或四組)高壓二極體組成的全波整流橋,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裏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。

特斯拉線圈電路特斯拉線圈電路

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)的功率限製,計算方式為:電弧長度(單位:釐米)=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,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。

原理

其原理是使用變壓器使普通電壓升壓,然後經由兩極線圈,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,並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,因此也會發生LC 振蕩.當兩級振蕩頻率一樣發生諧振的時候,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遊戲或藝術方面,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電能的無線傳輸,且該方式傳輸效率高、對生態破壞性小,但是實際套用中還存在諸多困難和障礙,還無法將其套用到實際電力輸送中.閃電是一種大氣放電現象,閃電發生時釋放巨大的能量,其電壓高達數百萬伏,平均電流約2×105A.據估計,地球每秒鍾被閃電擊中的次數達到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290~1 450km,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.

SSTC

概況

現代的愛好者們,根據特斯拉線圈由LC振蕩接收能量的原理,設計出了極具現代感的SSTC。早期的SSTC玩家大多數都是外國人。

固態特斯拉線圈,是由晶片振蕩代替SGTC的LC振蕩並由放大器放大功率後驅動次級線圈部分的特斯拉線圈。它的原理依舊是LC振蕩,隻是發射端作了改動。

固態特斯拉線圈還可以通過音頻來控製,使電弧推動空氣發聲。

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

定頻sstc

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這是一張由555定時器晶片控製的定頻SSTC電路圖,來源不詳(根據推測,有可能是貼吧的 Tesla冬粉 的作品)。

其中,NE555是頻率源,即產生高頻信號的晶片。它通過8、7腳上的電阻和6腳上的電容來控製輸出頻率,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,輸出的信號經過3個電晶體的放大,輸入到一個MOSFET(金屬氧化物場效應電晶體)的門極,經過放大,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。

製作定頻SSTC,需要使晶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輸出頻率,從而諧振。

特別說明,如果按照這張電路圖的參數製作,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資料來製作。

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Steve Ward的電路,是追頻電路。

首先,對次級線圈發射一些能量,使它內部有高頻交流電(LC振蕩),然後會發射出電磁波。電磁波被天線接收(圖中的Antenna),經過兩個邏輯門成為正電壓的信號,然後輸入兩枚功率放大晶片,再通過GDT(Gate Driver Transformer,門驅動變壓器)輸入到一個半橋(功率放大電路,後面會詳細地講)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射出來,輸入天線,于是就這樣迴圈下去了,這種反饋方式叫天線反饋。

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

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

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

特斯拉線圈特斯拉線圈

信不信由你,特斯拉線圈不隻能夠保護你的筆電、彈奏美妙的樂曲,還可以讓一群人一起歡呼,一同流口水唷!

這場在加州聖馬刁 Maker Faire 2008 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。

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