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特斯拉线圈阅读:740

  特斯拉线圈又叫泰斯拉线圈,因为这是从"Tesla"这个英文名直接音译过来的。这是一种分布参数高频串联谐振变压器,可以获得上百万伏的高频电压。传统特斯拉线圈的原理是使用变压器使普通电压升压,然后给初级LC回路谐振电容充电,充到放电阈值的,火花间隙放电导通,初级LC回路发生串联谐振,给次级线圈提供足够高的励磁功率,其次是和次级LC回路的频率相等,让次级线圈的电感与分布电容发生串联谐振,这时放电终端电压最高,于是就看到闪电了。通俗一点说,它是一个人工闪电制造器。 在世界各地都有特斯拉线圈的爱好者,他们做出了各种各样的设备,制造出了眩目的人工闪电,十分美丽。

原理

  其原理是使用变压器使普通电压升压,然后经由两极线圈,从放电终端放电的设备.特斯拉线圈由两个回路通过线圈耦合.首先电源对电容C1充电,当电容的电压高到一定程度超过了打火间隙的阈值,打火间隙击穿空气打火,变压器初级线圈的通路形成,能量在电容C1和初级线圈L1之间振荡,并通过耦合传递到次级线圈.次级线圈也是一个电感,放顶罩C2和大地之间可以等效为一个电容,因此也会发生LC 振荡.当两级振荡频率一样发生谐振的时候,初级回路的能量会涌到次级,放电端的电压峰值会不断增加,直到放电

分类

  SGTC(Spark Gap Tesla Coil)=火花间隙特斯拉线圈
  尼古拉·特斯拉先生本人当年发明的“特斯拉线圈”就属于SGTC。由于构造、原理较为简单,所以也是现阶段初学者入门特斯拉线圈。
  SISGTC(Sidac-IGBT SGTC)=触发二极管特斯拉线圈
  由触发二极管--IGBT管组成的电路组代替传统火花间隙工作,达到消除打火噪音的目的。
  SSTC(Solid State Tesla Coil)=固态特斯拉线圈
  说通俗些是个单谐振的电子开关特斯拉线圈,初级不发生串联谐振,只给次级提供可以满足次级LC发生串联谐振的频率,让次级线圈发生串联谐振,初级电流为激励源电压除以交流阻抗。
  优点:具有低噪音、高效率、寿命长的特点,因而得到了很好的发展。
  缺点:初级线圈给次级线圈提供的励磁功率有限,电弧不长。
  ISSTC(Interrupted SSTC)=带灭弧固态特斯拉线圈
  同输出功率下,SSTC的电弧成簇状,且明显不如SGTC壮观。这时,可以加上一个灭弧器来模仿SGTC的工作,电弧可以长一些,还可以利用音频信号灭弧信号来演奏音乐。
  DRSSTC(Dual Resonant SSTC)=双谐振特斯拉线圈
  DRSSTC本质属于一个串联谐振逆变器,相对于SSTC来说,由于初级线圈发生了串联谐振,初级线圈电感两端的电压为激励源电压的Q倍,谐振阻抗Z(R)因子很低,因此初级的谐振电流很大(谐振电压除以谐振阻抗等于谐振电流),此时给次级提供的励磁功率也会很大,和SSTC可不是一个数量级的。相比SSTC来说,SSTC的初级线圈给次级线圈无法提供足够大的励磁功率,所以导致SSTC产生的闪电壮观程度不及同功率等级的火花隙特斯拉线圈。
  DRSSTC的初级线圈不仅满足了次级线圈的电感和分布电容发生串联谐振的条件,也能够给次级线圈提供足够大的励磁功率,所以DRSSTC的电弧长度会很长。
  优点:相比SGTC来说,没有火花间隙的声光污染,可控性强,可以放音乐,效率高,寿命长。
  QCWDRSSTC(Quasi Continuous Wave DRSSTC)=准连续波双谐振固态特斯拉线圈
  CWDRSSTC(Continuous Wave DRSSTC)=连续波双谐振固态特斯拉
  实验证明,连续模式(CW)的特斯拉线圈由于功率要是在没有时间限制情况发挥出来弧并不长,且呈簇状。
  VTTC(Vacuum Tube Tesla Coil)=真空管特斯拉线圈
  当电子管逐渐退出我们的视野时,一群电子管发烧友用它们做出了VTTC。电子管本身有高频性能好等等优点,所以做出的VTTC效果十分独特。但是,不可否认,电子管本身有造价高、寿命低、效率低、发热严重以及极易损坏等缺点,VTTC未能大范围流行。
  基本原理,类似于晶体管的自激。
  SSVC(Solid State Valve Coil)=固态-真空管特斯拉线圈
  OLTC(Off Line Tesla coil)=离线式特斯拉线圈
  当我们把SGTC的打火器去掉,换成一个MOSFET或者IGBT来代替,并在用一个二极管反向并联在D极和S极(如果是IGBT,就是C极和E极)上,并用一个固态的电路来控制这个开关管,再加以低压驱动,就成了OLTC。
  它的本质原理依然是LC振荡,且和SGTC几乎相同,不同的地方,就是把打火器换成了固态开关,并使用了低压驱动。其它地方没有太多区别。
  由于是低压驱动,无法形成太大的电流,所以OLTC的电弧是不如SGTC壮观的。

SSTC

  概况
  现代的爱好者们,根据特斯拉线圈由LC振荡接收能量的原理,设计出了极具现代感的SSTC[4]  。早期的SSTC玩家大多数都是外国人。
  固态特斯拉线圈,是由芯片振荡代替SGTC的LC振荡并由放大器放大功率后驱动次级线圈部分的特斯拉线圈。它的原理依旧是LC振荡,只是发射端作了改动。
  固态特斯拉线圈还可以通过音频来控制,使电弧推动空气发声。
  固态特斯拉线圈是通过芯片的振荡来产生高频交流电的。由于固态特斯拉线圈的工作比较好控制,固态特斯拉线圈有两种:定频和追频。定频,即初级部分只能发射出一个固定的频率;而追频,就是初级部分会根据次级部分的LC振荡频率自动调整发射频率,从而达到完美的谐振。所以,追频SSTC已经成为固态特斯拉线圈的主流。
  定频sstc
  这是一张由555定时器芯片控制的定频SSTC电路图,来源不详(根据推测,有可能是贴吧的 Tesla粉丝 的作品)。
  其中,NE555是频率源,即产生高频信号的芯片。它通过8、7脚上的电阻和6脚上的电容来控制输出频率,对于它的原理,在此不作过多解释。
  555定时器由3脚输出高频信号。在此电路图中,输出的信号经过3个晶体管的放大,输入到一个MOSFET(金属氧化物场效应晶体管)的门极,经过放大,在初级线圈输出强度较高的高频电磁波,被次级线圈接收,由于LC振荡,在次级线圈中产生电流,从而产生电弧。
  制作定频SSTC,需要使芯片输出的频率和次级部分的LC振荡频率一致,才能谐振。所以,此电路图中,7脚上的电阻用一个定值电阻和一个电位器代替,可以比较方便地调节输出频率,从而谐振。
  特别说明,如果按照这张电路图的参数制作,输出的频率对于一般的SSTC来讲有点低了,所以尽量不要按照这张图的数据来制作。
  追频sstc
  定频电路有它本身的缺点,于是追频电路诞生了。
  Steve的追频SSTC
  这是国外爱好者Steve Ward的电路,是追频电路。
  首先,对次级线圈发射一些能量,使它内部有高频交流电(LC振荡),然后会发射出电磁波。电磁波被天线接收(图中的Antenna),经过两个逻辑门成为正电压的信号,然后输入两枚功率放大芯片,再通过GDT(Gate Driver Transformer,门驱动变压器)输入到一个半桥(功率放大电路,后面会详细地讲)中,产生强度较高的电磁波,被次级线圈接收。此时次级线圈内再次有了能量,会以电磁波的形式发射出来,输入天线,于是就这样循环下去了,这种反馈方式叫天线反馈。
  除了上述的反馈方式,磁环反馈是另一种反馈方式,在一个大小合适的磁环上面绕上30到50匝的导线,将导线的两端接到图中的反馈处,然后将次级的地线穿过磁环绕一匝再接地就可以了。
  天线反馈的优点是制作简单,原理是利用电磁波遇到金属会产生感生电流的特性;缺点是驱动电路也要接地,有时候会出现起振困难的状况。磁环反馈则正好与天线反馈相反。
  追频电路是由次级LC振荡回路直接采集频率信息,从而发射电磁波,于是可以达到完美的谐振。
  信不信由你,特斯拉线圈不只能够保护你的笔记本电脑、弹奏美妙的乐曲,还可以让一群人一起欢呼,一同流口水唷!
  这场在加州圣马刁 Maker Faire 2008 会场内的表演,炫丽的闪光不仅让旁观的观众惊呼连连,而在嘶嘶作响的闪光声中,隐约还能听到啧啧的口水声。不过这可不是观众被闪电电到脸部抽筋所至乱喷口水,而是由于在这两座线圈中挂有成打的热狗,当闪电刷过的时候,阵阵的香味也就跟着飘了出来

SGTC

  SGTC,它是由一个感应圈、变压器、打火器、两个电容器和一个初级线圈仅几圈的互感器组成。原理是使用变压器使普通电压升压,然后经由两极线圈,从放电终端放电的设备。通俗一点说,它是一个人工闪电制造器。放电时,未打火时能量由变压器传递到电容阵;当电容阵充电完毕,两极电压达到击穿打火器中的缝隙的电压时,打火器打火。此时电容阵与主线圈形成回路,完成LC振荡进,而将能量传递到次级线圈。这种装置可以产生频率很高的高压电流,有极高危险。特斯拉线圈的线路和原理都非常简单,但要将它调整到与环境完美的共振很不容易,特斯拉就是特别擅长这项技艺的人。
  工作过程:
  首先,交流电经过升压变压器升至2000V以上(可以击穿空气),然后经过由四个(或四组)高压二极管组成的全波整流桥,给主电容(C1)充电。打火器是由两个光滑表面构成的,它们之间有几毫米的间距,具体的间距要由高压输出端电压决定。当主电容两个极板之间的电势差达到一定程度时,会击穿打火器处的空气,和初级线圈(L1,一个电感)构成一个LC振荡回路。这时,由于LC振荡,会产生一定频率的高频电磁波,通常在100kHz到1.5MHz之间。放电顶端(C2)是一个有一定表面积且导电的光滑物体,它和地面形成了一个“对地等效电容”,对地等效电容和次级线圈(L2,一个电感)也会形成一个LC振荡回路。当初级回路和次级回路的LC振荡频率相等时,在打火器打通的时候,初级线圈发出的电磁波的大部分会被次级的LC振荡回路吸收。从理论上讲,放电顶端和地面的电势差是无限大的,因此在次级线圈的回路里面会产生高压小电流的高频交流电(频率和LC振荡频率一致),此时放电顶端会和附近接地的物体放出一道电弧。
  尽管从理论上讲,放电顶端和地面的电势差为无限大,但是在实际上电弧的长度不会无限大,它受到供电电源(升压变压器)的功率限制,计算方式为:电弧长度(单位:厘米)=4.318×根号下P(单位:W),前提是初级LC振荡回路和次级LC振荡回路的LC振荡频率完全一致(即所谓的“谐振”状态,此时电弧长度会达到最长且效率最高)。如果不谐振(初级和次级频率不相等),电弧长度将无法达到公式计算的结果。
  判断是否谐振的方法:1.L1C1=L2C2;2.初级LC振荡频率=次级LC振荡频率。达到两个情况中的任意一种,即为谐振。事实上,这两种情况的实质是一样的,即,符合条件1的时候,一定会符合条件2。

用途

  特斯拉线圈不仅仅是被用在游戏或艺术方面,更可贵的是它拥有重大意义的用途,比如利用特斯拉线圈可以实现电能的无线传输,且该方式传输效率高、对生态破坏性小,但是实际应用中还存在诸多困难和障碍,还无法将其应用到实际电力输送中.闪电是一种大气放电现象,闪电发生时释放巨大的能量,其电压高达数百万伏,平均电流约2×105A.据估计,地球每秒钟被闪电击中的次数达到45次.一次闪电所产生的能量足以让一辆普通轿车行驶大
  约290~1 450km,相当于30~144L汽油产生的能量.而对闪电的利用却是相当困难的,这是因为闪电发生时间短至几十毫秒,很难被捕捉到.而特斯拉线圈则是捕捉闪电的可能性工具之一.

详细信息

  特斯拉线圈是由一个感应圈、变压器、打火器、两个大电容器和一个初级线圈仅几圈的互感器组成。
  简介
  2007年,曾经有一篇介绍特斯拉线圈的文章:《近距离接触“死亡之手” 家中制造的人工闪电》。其中大概介绍了特斯拉线圈的大概组成部分和原理。
  特斯拉线圈(Tesla Coil)是一种使用共振原理运作的变压器(共振变压器),由美籍塞尔维亚裔科学家尼古拉·特斯拉在1891年发明,主要用来生产超高电压但低电流、高频率的交流电力。特斯拉线圈由两组(有时用三组)耦合的共振电路组成。特斯拉线圈难以界定,尼古拉·特斯拉试行了大量的各种线圈的配置。特斯拉利用这些线圈进行创新实验,如电气照明,荧光光谱,X射线,高频率的交流电流现象,电疗和无线电能传输,发射、接收无线电电信号。
  早期
  尼古拉·特斯拉是一位伟大的科学家。但值得一提的是,这位绝世天才的伟大发明家几乎被人们遗忘。尼古拉·特斯拉其中之一发明就是特斯拉线圈 ,原理为把一个线圈连接在电源上,作为发射器传输能量;另一个线圈连着灯泡,作为能量接收器。通电后,发射器能够以10兆赫兹的频率振动,另一个线圈连着的灯泡将被点亮。后来,特斯拉试图利用地球本身和大气电离层为谐振电容来实现无线输电,为此在纽约长岛建造了一个29米高的发射塔(沃登克里弗塔),但值得一提的是:由于摩根觉得此行为与自己利益毫无关系决定撤资,实验工地的设备也被法院没收充当抵押,沃登克里弗塔被拆除。
  放大发射机
  特斯拉后来发明了所谓的“放大发射机”,称之为大功率高频传输线共振变压器,用于无线输电试验。特斯拉的无线输电技术。

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