教學用高壓放電演示裝置

謝玉勝

項目的研究背景

特斯拉線圈是一種使用共振原理工作的變壓器（共振變壓器），由交流電之父特斯拉發明，至今已有100多年的歷史，主要用來生產超高電壓、高頻率但低電流的交流電。隨著科技的發展，特斯拉線圈衍生出了很多種類。傳統的使用高壓電源驅動、金屬打火器觸發的叫做“火花隙特斯拉線圈”（簡稱SGTC）。這種線圈結構簡單、容易制作，但是工作時噪聲很大，效率低，壽命短。后來人們用半導體元件代替打火器，制造出了“固態特斯拉線圈”（簡稱SSTC）。這種線圈因為沒有諧振電容，所以單次放電量比較少，電弧較短，功率也比較小，它具有噪聲低、效率高、壽命長的特點。

在很多科技館里，參觀者都可以觸摸特斯拉線圈的電弧，也都會被那長長的電弧深深地震撼。大型的特斯拉線圈造價不菲，像科技館中的大型特斯拉線圈，電弧固然壯美絕倫，但造價動輒數萬，不是一般人能夠承受得起的。同時大型的特斯拉線圈也不適用于課堂教學，危險性較大。本項目通過研究，設計開發了一種小型高壓放電演示裝置，適用于課堂教學和中小學生科學探究，可以演示各種高頻高壓放電現象，比如雅各布電梯、間隙放電、手指放電等，還可以通過音頻控制，具有很強的趣味性，能提高學生的學習興趣。

特斯拉線圈的主體部分包括升壓充電回路、初級諧振回路和次級回路。初級諧振回路由初級線圈、主電容、打火器構成。次級諧振回路由次級線圈和放電頂端構成，電容和電感的數值可根據實際制作而定，但兩回路的諧振頻率必須相同。固態特斯拉線圈的原理是：通過驅動電路，將50Hz的民用交流電轉換為高頻交流電，通過初級線圈形成高頻磁場，當磁場振蕩頻率和由一端接地的次級線圈和放電端形成的LC體系的固有頻率一致時發生諧振，此時次級線圈將大量電荷送入放電端，使得放電端電壓升得很高，從而形成閃電。固態特斯拉線圈沒有電容組，只有驅動電路、初級線圈、次級線圈和放電端。它是依靠驅動電路產生高頻電流，送入初級線圈產生高頻磁場。

設計與制作

基本思路

由于固態特斯拉線圈的工作比較好控制，具有噪聲低、效率高、壽命長的特點。所以本演示裝置就基于固態特斯拉線圈的原理加以改進并增加音樂鎖頻電路，使得振蕩頻率可以通過音頻控制，這樣演示的趣味性就大大增加。它由電源、驅動電路、音樂滅弧電路、全橋驅動、自制升壓線圈等組成，其結構如圖1所示。

當開關管打開，大量的正電荷流向電容的負極，電流流過初級線圈。此時另外一個開關管打開時電流從相反的方向流過，因此平滑的直流電就變成了高頻振蕩的交流電。有2個開關管的電路叫做半橋電路。它的特點是只要2個開關管，成本很低。由于在充電時有2個電容串聯，因此放電的電壓只有輸入電壓的一半。由于半橋電路放電電壓小，于是有人又提出了全橋電路。全橋電路采用4個開關管，它的功率管是成對角線打開，通過對角線的2個功率管同時開關，實現振蕩，中間的接線處是通往初級線圈的。由于不用給橋臂電容充電，因此放電電壓是半橋電路的2倍。大功率的特斯拉線圈都會使用全橋電路，本項目也選用全橋電路。

制作選材

材料：次級線圈的骨架用PVC管制作，還需要合適的PVC管接頭（方便次級線圈和對地電容的固定）；0.2mm漆包線可從電子市場買到；初級線圈骨架用亞克力板或塑料菜板制作；磁環采用氧鐵體材質，根據功率的大小選擇；小功率的低壓變壓器，用于驅動電路板供電，電壓根據驅動電路板的設計確定；其他材料還有木板、亞克力板、有機玻璃等。

工具：鉗子、螺絲刀、鋼鋸、鉆頭、示波器、信號發生器。

設計與制作

設計制作次級線圈。首先確定特斯拉線圈次級體積（次級的直徑和高度和PVC管直徑）和漆包線規格，一般次級線圈在1500～1800匝。制作次級線圈的時候，第1匝的繞制決定整個次級繞線的質量，不能繞偏。繞線的時候，要避免將漆包線漆皮蹭破，也不要讓匝和匝重疊上。如果不能一次繞完次級線圈，要將漆包線用膠帶粘住，以免脫匝。繞制完成后，浸入環氧樹脂，進行絕緣。繞制方式見圖2。

設計制作磁環互感器。磁環用鐵氧體材質的。一般采用1：33：33的繞制方法，即用2個磁環，初級為全橋輸出導線穿過第1個磁環1匝，次級用細導線在第1個磁環上繞33匝引出，然后在第2個磁環上穿過1匝后短接，再用1根細導線在第2個磁環上繞33匝引出即可。

設計制作驅動電路板。可以自己照著圖制作，也可以在有關網店購買專門的套件。

性能調試

連接好所有電路，確保線路連接無誤。

固定好所有部件，關閉所有開關，連接接地線和供電線。

打開驅動板電源，此時應只有綠色電源燈點亮。

調整驅動板上的R電位器，調整過流保護閥值。

打開滅弧控制器，此時驅動板上黃色滅弧信號指示燈閃動。如需要音樂滅弧，則先將音源接至滅弧控制器，打開音源，調節音源音量，直到滅弧信號指示燈隨音樂頻率閃動。

接通全橋電源，打開滅弧控制器，此時會有電弧從放電端噴出，見圖3。

關閉滅弧控制器，切斷全橋電源，調整初級諧振頻率，使其放電效果最佳，見圖4。

在一定頻率內裝置自動鎖定頻率，如果未能鎖定，可以通過調節有關電阻以決定上下限。

諧振調節好后，慢慢加大ontime，直到紅色過流保護指示燈點亮，此時略微減小ontime，使紅燈熄滅，然后調節bps到適當位置（根據自己需要），此時裝置進入正常工作狀態。

整個調試過程中一定要遵循斷電后操作，禁止帶電調節任何部件！開機順序為驅動一全橋一滅弧，關機順序相反。裝置整體見圖5。

總結：最后你會發現鎖相環固態特斯拉線圈其實也不算很難，只是在SSTC上應用了更多其他的電子技術，使裝置性能更好。在調試時最好有調壓器和采樣示波器，因為直接使用市電容易造成功率過大損壞開關管，用了調壓器可避免這一弊端；有了采樣示波器，則排除故障就會方便許多。

安全注意事項

雖然此項目為教學用高壓放電演示裝置，但千萬不要試圖觸摸通電運作中的高壓電設備/電弧，電容充電后可以在很長一段時間儲存足以致命的能量，在大容量或是高壓電容上一定要加上適當的泄壓電阻，并在關機后一段時間才觸摸。盲目實驗是安全的最大敵人。

如果實驗者身上有任何植入/非植入式電子醫療器具，一定不要操作任何高壓電設備！

實驗主持者對周圍的人要大概了解一下，如果周圍有使用心臟除顫器、起搏器的人，禁止啟動特斯拉線圈！

確保測試區附近的大型金屬物件/儀器外殼均已接地，以防其累積出有危險性的電荷，如測試區附近有電容器，請確保測試后立刻放電！

確保特斯拉線圈單獨可靠接地，絕對不要和用戶的地線接上！

在以上情況允許之后，確保自己在安全范圍，不要讓“閃電”劈到自己！

確保供電線路保護機制可靠，可以在出現過載或短路的情況下可靠地斷開電路。

項目主要貢獻及改進點

本教學用高壓放電演示裝置基于固態特斯拉線圈，采用電子技術巧妙設計制作而成，既能演示各種高頻高壓放電現象，還可以通過音頻控制、自動鎖定頻率，使電弧推動空氣發聲，彈奏美妙的樂曲，且工作極其穩定。本裝置具有很強的趣味性，能提高學生對科學的興趣和愛好。

進一步改進的設想

本項目還可進一步改進，采用獨立雙電源供電，使工作與性能更加穩定，絢麗的閃光不僅能讓旁觀者驚呼連連，而且在嘶嘶作響的音樂閃光聲中，還能聞到沁人的香氣。

該項目獲得第30屆全國青少年科技創新大賽科技輔導員創新成果科教制作類一等獎。

專家評語

該項目基于固態特斯拉線圈，采用電子技術設計制作了高頻高壓放電演示裝置。原理科學，概念清晰，構思巧妙，設計合理，作品教育性強；選題新穎，具有實質性創新，對傳統方法有突破。作品效果顯著，制作規范，具有示范推廣價值，希望該項目在安全防護方面作出改進和提升。endprint