我的火花间隙特斯拉线圈 (SGTC)

最近我突然就喜欢上了高压电。极高的电压把空气电离击穿后形成的电弧实在是太酷了!我之前有做过 SG3525 芯片驱动的等离子扬声器雅各布天梯,但效果和特斯拉线圈相比都弱爆了。世界各地都有特斯拉线圈的爱好者,他们痴迷于这美丽的电弧,并且不断地改进它的电路与结构。如今,特斯拉线圈不仅仅能制造出美丽的电弧,还可以利用电弧使空气振动来播放音乐(类似等离子扬声器的原理)。又有了新的奋斗目标了!于是我决定,我要从入门级的火花间隙特斯拉线圈(SGTC)开始边做边学,慢慢探索奇妙的 TC 世界…….

简介

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。

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SGTC(Spark Gap Tesla Coil)的中文名是: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 SGTC 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。

组成与原理

SGTC 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。

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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。

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我的 SGTC

参数

初级线圈:螺线管式,直径 2mm 的铜漆包线在直径 7.5cm 的亚克力管上绕 7 匝
次级线圈:直径 0.25mm 的铜漆包线在直径 5cm 的亚克力管上绕 1000 匝
放电顶端:直径 12cm 的不锈钢球
电容阵列:30 个 0.3μF 的 MKPH 电磁炉高频谐振电容串联
供电方式:ZVS(Zero Voltage Switch)零电压开关电路驱动 25寸 彩色电视机的行输出变压器(电视机高压包)

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ZVS 电路

图片集

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我的 SGTC 与工作台

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电容阵列

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打火器

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底部

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正面

参考资料

1. 科创论坛高压技术板块
2. 特斯拉线圈参数辅助计算工具
3. 火花隙特斯拉线圈制作教程(林思成 汤禹 编著)

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