雙諧振固態特斯拉線圈的制作

文/劉婷 蘇波 徐晨 王福合

特斯拉線圈是一種能夠產生上百萬伏高壓的變壓器，原理是使用變壓器使普通電壓升壓，經由兩極線圈，從放電終端放電。其中固態特斯拉線圈（SSTC）因為具有噪音低、效率高、壽命長的特點而被廣泛的使用。其工作方式是驅動板產生一個與次級線圈頻率相同的振蕩電流，諧振通過初級線圈耦合將能量傳遞給次級線圈。因此SSTC的驅動板可以簡單地看成一個振蕩信號發生器。

本研究在SSTC的基礎上進行了改良，制作出了雙諧振固態特斯拉線圈（DRSSTC）。除去變壓器和打火器，原本SSTC的初級線圈只是起耦合的作用，不會產生振蕩，添加一個諧振電容，便可以制造出一個LC振蕩回路，形成電諧振。經制作和相關性能的測試，DRSSTC的性能明顯高于SSTC。

1 原理介紹

雙諧振固態特斯拉線圈（Dual Resonant Solid Tesla Coil）英文簡稱為DRSSTC，是在固態特斯拉線圈基礎上研制的新型的特斯拉線圈，具有功率大，可以調制音樂等優點。其主要原理是電諧振，可以看作是火花間隙特斯拉線圈（SGTC）的升級版。

雙諧振固態特斯拉線圈的主要部件有：初級線圈、次級線圈、滅弧控制器、全橋驅動電路和全橋振蕩電路。

DRSSTC的初級線圈與初級電容串聯，構成一個LC振蕩電路，打開電源的瞬間初級線圈進行充電，形成一個LC振蕩電流被驅動板接收到，驅動板收到其諧振信息后便以該信息作為全橋驅動初級線圈的信號，這樣初級線圈和電容構成的LC振蕩可以和驅動板輸出的信號構成諧振。

初級線圈里的電流和電容的電流也形成了共振，電壓越來越高，電流越來越大。在DRSSTC里，如果共振的時間過長，就會導致電壓過高，功率過大，擊穿開關管。為了解決這一問題，滅弧電路的使用是非常必要的。

滅弧控制器是輸入信號的裝置，一般都是由芯片構成的，通過NE555或者TL494等元件輸出振蕩信號，并將信號傳送到全橋驅動電路中。由于光纖只傳輸光信號，所以在光信號傳播過程中，周圍的電磁波對它的影響很小。另外，DRSSTC的功率很大，不能直接輸入電信號，必須加以滅弧控制，當電路功率過大的時候，暫時切斷信號，進行滅弧。從滅弧控制器輸出的信號進入全橋驅動電路，通過TC4432芯片調制輸出極其規整的方波信號，并傳送到全橋振蕩電路中。

全橋振蕩電路的開關管是四個型號為G4PC50UD的IGBT管。全橋振蕩電路在上電的瞬間，初級的固有頻率通過反饋被送到驅動板，同時，驅動板還接收到滅弧器的信號，于是驅動板將這兩個信號合并，形成形式為方波的混合信號，驅動板將混合信號通過柵極驅動變壓器傳送到全橋振蕩電路的IGBT管，控制IGBT的開關，從而形成電流。控制IGBT的是電信號，而非像SGTC那樣的電火花，這也是DRSSTC可以放音樂而SGTC不可以的原因。全橋電路輸出的大電流通過諧振電容和初級線圈產生高頻電磁波，當電磁波頻率和次級線圈固有頻率一致時便發生諧振，從而釋放電弧。雙諧振固態特斯拉線圈的原理示意圖如圖1所示。

2 雙諧振固態特斯拉線圈的制作

本研究在SSTC的基礎上增加了一個諧振電容，取消了變壓器和打火器，制作出了雙諧振固態特斯拉線圈（DRSSTC）。

2.1 制作材料

制作的材料包括：次級線圈骨架（PVC管）、漆包線、絕緣漆、對地電容（鋁制通風管）、初級線圈（銅管）、初級線圈骨架（亞克力板）、諧振電容器、電路板、磁環、整流橋、濾波電容以及變壓器。

2.2 次級線圈的設計及制作

圖1:雙諧振固態特斯拉線圈原理示意圖

圖2：次級線圈

圖3：次級電容實物圖

圖4：初級電容器

次級線圈選取的是一個直徑為110mm的PVC管，線圈長度為管子直徑的4～5倍時，效果比較好。選用的繞線漆包線線徑為0.25mm，匝間距為0.02mm，線圈匝數為2000匝時漆包線覆蓋部分的長度為540毫米，即螺線管高度。通過以下公式可以計算出次級線圈的電感。

D為螺線管直徑，R為螺線管半徑，N為繞線匝數，H為螺線管高度。通過公式（2）可以計算出電感為80810μH，至此，次級線圈設計完畢，如圖2所示。

另外，在制作次級線圈時，準備的漆包線長度要充足，以防中途出現線長不足的情況。繞線的時候，第一匝要小心不要繞偏，不要將漆包線漆皮劃破，不要有匝線和匝線重疊上，匝線之間距離也不要過于松散。如果次級線圈一次性沒有繞完，要將繞線末端漆包線用膠帶粘住以固定，以免出現脫匝松散的現象。

2.3 次級電容（頂端對地等效電容）的制作

將鋁制通風管做成環狀，圍繞在次級線圈管口頂端，接頭處用鋁箔膠帶粘上，將其安裝固定好。如圖3所示。

根據公式（3）可計算次級電容的電容量：

其中通風管圍成的圓環的外圍直徑D1=310mm，鋁制通風管的直徑D2=100mm，可以得到次級電容容量C=13.527pF。

2.4 計算次級諧振頻率

將次級電感80810μH和對地等效電容容量13.527PF代入公式（4）：

可以得到次級諧振頻率為152.225kHz。

2.5 初級電容

初級電容器和初級線圈構成初級LC振蕩電路，產生諧振，初級電容大小為0.44μF。初級電容器如圖4所示。

2.6 初級線圈

初級線圈和次級線圈的諧振頻率相等時會發生對耦諧振，而和初級線圈串聯的電容為0.44μF，可以計算得出初級電感為2.522μH。

初級螺線管直徑為160mm，繞線線徑為8mm，匝間距為12.5mm。根據公式（2），線圈匝數為3.9的時候電感量為2.522μH，初級線圈和次級線圈發生諧振的位置在這個位置左右，所以初級線圈選擇纏繞5匝，用線夾子夾在某處，使線圈匝數達到3.9匝。為了繞制方便，選擇外表光滑無銹無傷的銅管，將銅管盤好固定，其中一端接地。初級螺線管如圖5所示。

2.7 磁環互感器制作

2.7.1 反饋線圈（信號互感器和過流保護互感器）的繞制

一般采用1:33:33的繞制方法，即用兩個磁環，初級為全橋輸出導線穿過第一個磁環一匝，次級用細導線在第一個磁環上繞33 匝引出，然后在第二個磁環上穿過一匝后短接，再用一根細導線在第二個磁環上繞33 匝引出即可。

磁環是用鐵氧體材質制作的，信號互感器和過流保護互感器如圖6所示。

2.7.2 柵極驅動變壓器GDT的繞制

根據磁環大小可以選擇用一個磁環、用兩個磁環或四個磁環。根據開關管功率選擇磁環大小，如果驅動力較大但是磁環太小就會出現磁飽和，影響工作，這時就需要用更大的磁環，但是大的磁環比較昂貴，所以一般選擇用幾個小的磁環接在一起。此次制作中對于全橋電路選用5根線并排繞制，將磁環繞滿即可。GDT在DRSSTC中的作用是傳送信號，把調制好的信號傳送給全橋。柵極驅動變壓器GDT如圖7所示。

2.8 其余部件

全橋電路板、驅動板及滅弧控制器為成品，最后將制作好的各部件組合到一起即可。其中滅弧控制器需用光纖連接，確保傳輸的信號不會被諧振產生的電磁波干擾。

2.9 實際運行

雙諧振固態特斯拉線圈的演示效果如圖8所示，在電源電壓（U）125.0（V）和電流（I）2.652（A）時產生的最大電弧弧長（L）為26.2（cm）。

3 應用

雙諧振特斯拉線圈在實際應用中可以實現信號的調制，另外，通過諧振接收能量還可以進行無線輸電。

4 結束語

在SSTC的基礎上增加了一個諧振電容，取消了變壓器和打火器，制作出了雙諧振固態特斯拉線圈（DRSSTC），以電諧振為原理，可以實現調制音樂等功能，具有功率大、噪聲低、效率高的特點。

圖5：初級螺線管

圖6：信號互感器和過流保護互感器

圖7：柵極驅動變壓器GDT

圖8：雙諧振固態特斯拉線圈