文/劉婷 蘇波 徐晨 王福合

特斯拉線(xiàn)圈是一種能夠產(chǎn)生上百萬(wàn)伏高壓的變壓器，原理是使用變壓器使普通電壓升壓，經(jīng)由兩極線(xiàn)圈，從放電終端放電。其中固態(tài)特斯拉線(xiàn)圈（SSTC）因?yàn)榫哂性胍舻?、效率高、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)而被廣泛的使用。其工作方式是驅(qū)動(dòng)板產(chǎn)生一個(gè)與次級(jí)線(xiàn)圈頻率相同的振蕩電流，諧振通過(guò)初級(jí)線(xiàn)圈耦合將能量傳遞給次級(jí)線(xiàn)圈。因此SSTC的驅(qū)動(dòng)板可以簡(jiǎn)單地看成一個(gè)振蕩信號(hào)發(fā)生器。

本研究在SSTC的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改良，制作出了雙諧振固態(tài)特斯拉線(xiàn)圈（DRSSTC）。除去變壓器和打火器，原本SSTC的初級(jí)線(xiàn)圈只是起耦合的作用，不會(huì)產(chǎn)生振蕩，添加一個(gè)諧振電容，便可以制造出一個(gè)LC振蕩回路，形成電諧振。經(jīng)制作和相關(guān)性能的測(cè)試，DRSSTC的性能明顯高于SSTC。

1 原理介紹

雙諧振固態(tài)特斯拉線(xiàn)圈（Dual Resonant Solid Tesla Coil）英文簡(jiǎn)稱(chēng)為DRSSTC，是在固態(tài)特斯拉線(xiàn)圈基礎(chǔ)上研制的新型的特斯拉線(xiàn)圈，具有功率大，可以調(diào)制音樂(lè)等優(yōu)點(diǎn)。其主要原理是電諧振，可以看作是火花間隙特斯拉線(xiàn)圈（SGTC）的升級(jí)版。

雙諧振固態(tài)特斯拉線(xiàn)圈的主要部件有：初級(jí)線(xiàn)圈、次級(jí)線(xiàn)圈、滅弧控制器、全橋驅(qū)動(dòng)電路和全橋振蕩電路。

DRSSTC的初級(jí)線(xiàn)圈與初級(jí)電容串聯(lián)，構(gòu)成一個(gè)LC振蕩電路，打開(kāi)電源的瞬間初級(jí)線(xiàn)圈進(jìn)行充電，形成一個(gè)LC振蕩電流被驅(qū)動(dòng)板接收到，驅(qū)動(dòng)板收到其諧振信息后便以該信息作為全橋驅(qū)動(dòng)初級(jí)線(xiàn)圈的信號(hào)，這樣初級(jí)線(xiàn)圈和電容構(gòu)成的LC振蕩可以和驅(qū)動(dòng)板輸出的信號(hào)構(gòu)成諧振。

初級(jí)線(xiàn)圈里的電流和電容的電流也形成了共振，電壓越來(lái)越高，電流越來(lái)越大。在DRSSTC里，如果共振的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，就會(huì)導(dǎo)致電壓過(guò)高，功率過(guò)大，擊穿開(kāi)關(guān)管。為了解決這一問(wèn)題，滅弧電路的使用是非常必要的。

滅弧控制器是輸入信號(hào)的裝置，一般都是由芯片構(gòu)成的，通過(guò)NE555或者TL494等元件輸出振蕩信號(hào)，并將信號(hào)傳送到全橋驅(qū)動(dòng)電路中。由于光纖只傳輸光信號(hào)，所以在光信號(hào)傳播過(guò)程中，周?chē)碾姶挪▽?duì)它的影響很小。另外，DRSSTC的功率很大，不能直接輸入電信號(hào)，必須加以滅弧控制，當(dāng)電路功率過(guò)大的時(shí)候，暫時(shí)切斷信號(hào)，進(jìn)行滅弧。從滅弧控制器輸出的信號(hào)進(jìn)入全橋驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)TC4432芯片調(diào)制輸出極其規(guī)整的方波信號(hào)，并傳送到全橋振蕩電路中。

全橋振蕩電路的開(kāi)關(guān)管是四個(gè)型號(hào)為G4PC50UD的IGBT管。全橋振蕩電路在上電的瞬間，初級(jí)的固有頻率通過(guò)反饋被送到驅(qū)動(dòng)板，同時(shí)，驅(qū)動(dòng)板還接收到滅弧器的信號(hào)，于是驅(qū)動(dòng)板將這兩個(gè)信號(hào)合并，形成形式為方波的混合信號(hào)，驅(qū)動(dòng)板將混合信號(hào)通過(guò)柵極驅(qū)動(dòng)變壓器傳送到全橋振蕩電路的IGBT管，控制IGBT的開(kāi)關(guān)，從而形成電流?？刂艻GBT的是電信號(hào)，而非像SGTC那樣的電火花，這也是DRSSTC可以放音樂(lè)而SGTC不可以的原因。全橋電路輸出的大電流通過(guò)諧振電容和初級(jí)線(xiàn)圈產(chǎn)生高頻電磁波，當(dāng)電磁波頻率和次級(jí)線(xiàn)圈固有頻率一致時(shí)便發(fā)生諧振，從而釋放電弧。雙諧振固態(tài)特斯拉線(xiàn)圈的原理示意圖如圖1所示。

2 雙諧振固態(tài)特斯拉線(xiàn)圈的制作

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

2.1 制作材料

制作的材料包括：次級(jí)線(xiàn)圈骨架（PVC管）、漆包線(xiàn)、絕緣漆、對(duì)地電容（鋁制通風(fēng)管）、初級(jí)線(xiàn)圈（銅管）、初級(jí)線(xiàn)圈骨架（亞克力板）、諧振電容器、電路板、磁環(huán)、整流橋、濾波電容以及變壓器。

2.2 次級(jí)線(xiàn)圈的設(shè)計(jì)及制作

圖1:雙諧振固態(tài)特斯拉線(xiàn)圈原理示意圖

圖2：次級(jí)線(xiàn)圈

圖3：次級(jí)電容實(shí)物圖

圖4：初級(jí)電容器

次級(jí)線(xiàn)圈選取的是一個(gè)直徑為110mm的PVC管，線(xiàn)圈長(zhǎng)度為管子直徑的4～5倍時(shí)，效果比較好。選用的繞線(xiàn)漆包線(xiàn)線(xiàn)徑為0.25mm，匝間距為0.02mm，線(xiàn)圈匝數(shù)為2000匝時(shí)漆包線(xiàn)覆蓋部分的長(zhǎng)度為540毫米，即螺線(xiàn)管高度。通過(guò)以下公式可以計(jì)算出次級(jí)線(xiàn)圈的電感。

D為螺線(xiàn)管直徑，R為螺線(xiàn)管半徑，N為繞線(xiàn)匝數(shù)，H為螺線(xiàn)管高度。通過(guò)公式（2）可以計(jì)算出電感為80810μH，至此，次級(jí)線(xiàn)圈設(shè)計(jì)完畢，如圖2所示。

另外，在制作次級(jí)線(xiàn)圈時(shí)，準(zhǔn)備的漆包線(xiàn)長(zhǎng)度要充足，以防中途出現(xiàn)線(xiàn)長(zhǎng)不足的情況。繞線(xiàn)的時(shí)候，第一匝要小心不要繞偏，不要將漆包線(xiàn)漆皮劃破，不要有匝線(xiàn)和匝線(xiàn)重疊上，匝線(xiàn)之間距離也不要過(guò)于松散。如果次級(jí)線(xiàn)圈一次性沒(méi)有繞完，要將繞線(xiàn)末端漆包線(xiàn)用膠帶粘住以固定，以免出現(xiàn)脫匝松散的現(xiàn)象。

2.3 次級(jí)電容（頂端對(duì)地等效電容）的制作

將鋁制通風(fēng)管做成環(huán)狀，圍繞在次級(jí)線(xiàn)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(jù)公式（3）可計(jì)算次級(jí)電容的電容量：

其中通風(fēng)管?chē)傻膱A環(huán)的外圍直徑D1=310mm，鋁制通風(fēng)管的直徑D2=100mm，可以得到次級(jí)電容容量C=13.527pF。

2.4 計(jì)算次級(jí)諧振頻率

將次級(jí)電感80810μH和對(duì)地等效電容容量13.527PF代入公式（4）：

可以得到次級(jí)諧振頻率為152.225kHz。

2.5 初級(jí)電容

初級(jí)電容器和初級(jí)線(xiàn)圈構(gòu)成初級(jí)LC振蕩電路，產(chǎn)生諧振，初級(jí)電容大小為0.44μF。初級(jí)電容器如圖4所示。

2.6 初級(jí)線(xiàn)圈

初級(jí)線(xiàn)圈和次級(jí)線(xiàn)圈的諧振頻率相等時(shí)會(huì)發(fā)生對(duì)耦諧振，而和初級(jí)線(xiàn)圈串聯(lián)的電容為0.44μF，可以計(jì)算得出初級(jí)電感為2.522μH。

初級(jí)螺線(xiàn)管直徑為160mm，繞線(xiàn)線(xiàn)徑為8mm，匝間距為12.5mm。根據(jù)公式（2），線(xiàn)圈匝數(shù)為3.9的時(shí)候電感量為2.522μH，初級(jí)線(xiàn)圈和次級(jí)線(xiàn)圈發(fā)生諧振的位置在這個(gè)位置左右，所以初級(jí)線(xiàn)圈選擇纏繞5匝，用線(xiàn)夾子夾在某處，使線(xiàn)圈匝數(shù)達(dá)到3.9匝。為了繞制方便，選擇外表光滑無(wú)銹無(wú)傷的銅管，將銅管盤(pán)好固定，其中一端接地。初級(jí)螺線(xiàn)管如圖5所示。

2.7 磁環(huán)互感器制作

2.7.1 反饋線(xiàn)圈（信號(hào)互感器和過(guò)流保護(hù)互感器）的繞制

一般采用1:33:33的繞制方法，即用兩個(gè)磁環(huán)，初級(jí)為全橋輸出導(dǎo)線(xiàn)穿過(guò)第一個(gè)磁環(huán)一匝，次級(jí)用細(xì)導(dǎo)線(xiàn)在第一個(gè)磁環(huán)上繞33 匝引出，然后在第二個(gè)磁環(huán)上穿過(guò)一匝后短接，再用一根細(xì)導(dǎo)線(xiàn)在第二個(gè)磁環(huán)上繞33 匝引出即可。

磁環(huán)是用鐵氧體材質(zhì)制作的，信號(hào)互感器和過(guò)流保護(hù)互感器如圖6所示。

2.7.2 柵極驅(qū)動(dòng)變壓器GDT的繞制

根據(jù)磁環(huán)大小可以選擇用一個(gè)磁環(huán)、用兩個(gè)磁環(huán)或四個(gè)磁環(huán)。根據(jù)開(kāi)關(guān)管功率選擇磁環(huán)大小，如果驅(qū)動(dòng)力較大但是磁環(huán)太小就會(huì)出現(xiàn)磁飽和，影響工作，這時(shí)就需要用更大的磁環(huán)，但是大的磁環(huán)比較昂貴，所以一般選擇用幾個(gè)小的磁環(huán)接在一起。此次制作中對(duì)于全橋電路選用5根線(xiàn)并排繞制，將磁環(huán)繞滿(mǎn)即可。GDT在DRSSTC中的作用是傳送信號(hào)，把調(diào)制好的信號(hào)傳送給全橋。柵極驅(qū)動(dòng)變壓器GDT如圖7所示。

2.8 其余部件

全橋電路板、驅(qū)動(dòng)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?shù)男盘?hào)不會(huì)被諧振產(chǎn)生的電磁波干擾。

2.9 實(shí)際運(yùn)行

雙諧振固態(tài)特斯拉線(xiàn)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(shí)產(chǎn)生的最大電弧弧長(zhǎng)（L）為26.2（cm）。

3 應(yīng)用

雙諧振特斯拉線(xiàn)圈在實(shí)際應(yīng)用中可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制，另外，通過(guò)諧振接收能量還可以進(jìn)行無(wú)線(xiàn)輸電。

4 結(jié)束語(yǔ)

在SSTC的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)諧振電容，取消了變壓器和打火器，制作出了雙諧振固態(tài)特斯拉線(xiàn)圈（DRSSTC），以電諧振為原理，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)制音樂(lè)等功能，具有功率大、噪聲低、效率高的特點(diǎn)。

圖5：初級(jí)螺線(xiàn)管

圖6：信號(hào)互感器和過(guò)流保護(hù)互感器

圖7：柵極驅(qū)動(dòng)變壓器GDT

圖8：雙諧振固態(tài)特斯拉線(xiàn)圈