(电路设计)迷你特斯拉线圈与特斯拉线圈电路原理测试.docx

可能我们在高中就有见过特斯拉线圈这样的趣味项目。特斯拉线圈是一种简单的线圈，在9V的低电压输入下也可以生成高压电场，电场强度足以亮起灯泡。该原理由特斯拉发明，所以也因此得名。迷你特斯拉线圈电路非常简单，只需在9V电池和少许元器件的帮助下就能正常运作，所以搭建起来还是挺容易的。许多人可能已经尝试过这个项目，但是失败了；这主要因为几处常出现的错误。所以如果你曾经在这个项目上失败过或是新接触特斯拉线圈，本文会教你如何用9V电池做出一个简单的特斯拉线圈，同时无线传输能量。警告：这是一个高压项目，所以千万要注意安全。电压虽然不足以致命，但若是直接触电的话可能会引发神经或组织损伤。所需材料磁导线（漆包线）22k。电阻2N2222三极管1.ED任何不导电的圆柱物体9V电池（或者5V电源）特斯拉线圈的原理制作特斯拉线圈之前，我们得理解其工作原理才能成功除错。特斯拉线圈基于电磁感应。一个导体处于变化的磁场中时，导体中会产生一股小电流。对特斯拉线圈来说，这个导体被称为次级线圈，而变化磁场则由初级线圈上的振荡电流产生。这可能有些难以理解，但是我们用电路图就更容易理解了。电路图以下迷你特斯拉线圈的电路图很简单。所以让我们理解其原理及制作方式。电路主要部分为次级线圈（金色线圈），是由磁导线绕在不导电物体上制成的。2N2222这样的大电流高频三极管则通过初级线圈（紫色线圈）供电。整个电路由9V电池供电。电池正极通过初级线圈后与三极管的集极相连，射极接地。这意味着一旦三极管导通，电流就会经过初级线圈。LED二极管则位于次级线圈的一端，同时与三极管的基极相连从而使得电路发生振荡，三极管会发送振荡电流进入初级线圈。如果你想深入了解电流振荡的话，可以百度一下“杀手励磁器电路二所以这样的组合下，初级线圈上有了振荡电流，因此会在周围产生磁通量。同时该线圈也缠扰在次级线圈上，所以根据电磁感应次级线圈上会产生感应电压。由于次级线圈的匝数远远大于初级线圈，所以该电压值会很大，而且线圈有着很强的电通量所以足以使得CFL的荧光灯发亮，并将其用于无线电源传输中。次级线圈的绕线很重要的一步就是次级线圈的绕线。这是一个耗费时间的过程，所以不需要急功近利。首先你需要一个磁感线圈，也被称为漆包线。这些线可以在继电器，变压器甚至电机中找到。你可以循环利用或是直接买新的。线圈越细，效果越好。一旦磁感线圈准备好后，你需要一个绝缘的圆柱体，你可以选择PVC管，纸盒或是把A4纸卷起来。其直径需要处于5cm到IOCm间，长度至少10cm。越长就越能容纳更多匝数。以上两个材料准备好后就可以开始绕线了，建议绕一段后可以用胶条固定住。以下是绕线时的3条建议。绕线时每条线要尽可能靠近。不要把某匝线圈缠扰在另一匝上。至少需要150匝，300匝可以获得比较好的结果。微型特斯拉高压线圈是很多电子爱好者喜欢的电子线路，通过简单器件就可以产生安全高压，用来开展很多有趣的实验。说它安全是指即使直接对着自己的手放电，也仅仅有轻微的烧灼感，并不会触电。正好把上面设计的这个微型特斯拉线圈套件，组装起来测试一下它的电路原理。因为在它的电路中，存在着一个非常奇特的反馈环节，那就是所谓的特斯拉线圈共振部分的分析。下面给出在使用手册上列出的相关电路图。其中令人比较疑惑的就是线圈L2（350T特斯拉线圈）的作用。因为这个线圈并不是按照正常的方式连接在电路中，而只是有一端接在振荡三极管Q2的基极，另外一段就是空在半空中，与电路并不构成任何回路。这样就会使得该线圈的分析与普通的振荡电路有了很大的区别。使用手册上的电路图对于350匝的特斯拉线圈使用手持LCR表测量它对应的电抗：电感：电阻：在使用时，需要使用高压绝缘线绕制在特斯拉线圈上2到3匝，构成Ll,绕制的方向需要满足一定的条件。下面通过一些实验，来讨论关于这个电路起振工作的基本原理。需要回答一下问题：1.l的绕制方向对于波形有什么影响？没有L2,只有Ll时电路是否工作？Ll与L2之间的相对位置对于振荡波形有什么影响？测量波形1 .测量方案根据电磁感应原理，如果希望线圈L2能够在Ll的作用下形成正反馈，加速震荡，那么从Q2集电极出发Ll和从Q2基极出发的L2在线圈骨架筒上的绕制方向必须相反。下面就在这种绕制方向的基础上进行测量。为了分析电路振荡的基本原理，需要测量Q2的基极与集电极的波形。使用四芯电缆将Q2的基极、发射极、集电极引出来，使用示波器测量基极对发射极、集电极对发射极的电压波形。测量振荡管的基极和集电极的电压波形电路的工作电压使用15V稳压电源提供。电路形成强烈震荡波形，下面给出Q2集电极和基极对应的电压波形。2 .测量波形如下是测量振荡电路Q2的基极（紫色）和集电极（绿色）的电压波形。振荡频率为3.28MHz.从波形上来看，电路中形成明显的正反馈，Q2基本上工作在开关状态。 集电极（绿色）和基极（紫色）电压波形电路在启动的过程中，明显能够看到波形的变化，经过大约2,3秒钟之后,波形逐步变化到稳定状态。（关注公众号电路一点通）这个过程应该是芯片温度变化引起的。 在启动过程中波形的变化下面是将基极（紫色）和集电极（绿色）的波形拉伸之后的形成单个周期的信号波形，便于进行过渡过程的分析。当基极电压（粉红色）开始下降之后，引起集电极电压（绿色）的上升。这个过程经过LI,L2耦合之后形成正反馈，引起基极电压有一个反向进IOV的负电压脉冲。从集电极电压（绿色）上来看，在脉冲的顶部出现了很多震荡，这应该是L2线圈在空气中放电所形成的电流带来的电压波动。线圈中的磁场能量经由放电消耗完毕之后，Q2又重新恢复导通状态，Ll重新有电流流过，存储电磁能量。 将基极（紫色）和集电极（绿色）波形拉开之后的信号虽然L2只有一端接入电路，另外一端则通过空间电容耦合以及空气放电与电路形成回路，完成信号的正反馈。3 .磁棒对于振荡频率的影响使用两种不同的收音机的磁棒来探究对于振荡频率的影响。一种是表面比较光滑的中波磁棒，一种是表面比较粗糙的短波高频磁棒。 中波低频磁棒（上）和短波高频磁棒（下）（1）定性分析将磁棒深入特斯拉空心震荡线圈，可以看到两种不同测磁棒对于振荡频率均有影响。都会使得振荡的波形和频率发生改变。最为明显的就是振荡频率降低，集电极的幅度下降。这种变化是由于磁棒增加线圈的电感量，使得震荡周期变长了。高频磁棒对于频率影响比较明显。低频磁棒相对影响较弱。加入高频磁棒过程对应的基极波形的变化 加入低频磁棒过程对应的基极波形的变化(2)影响频率的变化在为加入磁棒之前，特斯拉的振荡频率为：。将低频磁棒完全插入线圈之后,特斯拉的振荡频率为：。将高频磁棒完全插入线圈之后，特斯拉的振荡频率为: 高频磁棒加入线圈后的波形，注意：右侧的CH4频率显示不正确4 .初级线圈对波形影响下面对于初级线圈的匝数、绕制方式以及线圈的位置对波形的影响进行实验。分别测量初级线圈的匝数从2圈到5圈；绕制的方式是松散的部分、紧密的底部、紧密的中部三种方式。(1)三圈紧密绕制三圈紧密绕制（2）三圈松散绕制三圈松散绕制（3）两圈紧密绕制两圈紧密绕制（4）两圈松散绕制1.00V30.2V248n1.S6sCMWS2.32MHZ两圈松散绕制（5）五圈紧密绕制: 27.4 V ,： 2.80 VA： 24Sns : l.56s五圈紧密绕制(6)四圈松散绕制四圈松散绕制(7)四圈紧密绕制四圈紧密绕制(8)四圈紧密绕制，在线圈的中部四圈紧密绕制，在线圈的中部从上面实验结果来看，对于频率的影响的因素是综合的。在绕制的方式和位置相同的情况下，圈数越多，频率越低；在绕制圈数相同的情况下，如果绕制紧密靠近线圈底部，频率高；如果松散分布在整个线圈，或者位于线圈的中部，频率低。线圈绕制方向1.对比同向绕制和逆向绕制的差别（1）顺向绕制顺向绕制振荡波形（2）逆向绕制逆向绕制（3）独立绕磁棒独立绕制低频磁棒独立绕制高频磁棒2 .独立空心线圈:80.OmV堂：40OnlV:24811S华：.sesCMHZ无书看坐标独立空心线圈的振荡波形3 .绕制在磁棒上放在线圈里（1）顺同方向松散绕制CiM颈率4.288MHZ:248ns：1.S6s40.OmVS30mV绕制在磁棒上，放置在线圈里（2）顺同方向紧密绕制这种情况居然出现了两种不同的振荡模式交替出现。SIOmV760InV24tm1.S0CZ绿串3.931MH?奇怪的带有二种交替振荡波形的模式(3)逆向绕制逆向绕制波形，集电极电压明显增加，频率降低到IMHZ以下。逆向绕制波形结论1 .得到的结论通过前面的一些测量，可以得到如下结论：原来的Q2在没有特斯拉线圈的情况下，自行也会进行振荡，此时利用集电极的寄生电容，构成了电容三点式的振荡电路。如果绕制在磁棒上，振荡的波形幅度会更大；将Ll绕制在L2上，如果是相反绕制，即从三极管的集电极和基极出发来看，(关注公众号电路一点通)LI,L2在圆筒上的方向是相反的。此时形成强烈的正反馈振荡，输出波形呈现开关状态。输出电压高；如果Ll和L2绕制方向相同，则形成的是负极反馈。在一定条件下，Q2依然会振荡，振荡的频率比前面的正反馈时要高得多。Ll在L2上的位置和绕制的圈数对振荡频率有着明显的影响。2 .存在的疑问特斯拉线圈究竟通过何种主要机理与电路形成耦合回路的？Ll的匝数、位置是如何影响最终L2输出的高电压的？在什么情况下特斯拉输出的高压会效率会更高？如果不使用正反馈，而仅仅使用普通的正向绕制，将特斯拉线圈当做变压器的次级，这样工作是否会更好？