電路簡介

微型特斯拉高壓線圈是很多電子愛好者喜歡的電子線路，通過簡單器件就可以產(chǎn)生安全高壓，用來開展很多有趣的實(shí)驗(yàn)。說它安全是指即使直接對著自己的手放電，也僅僅有輕微的燒灼感，并不會(huì)觸電。

手邊正好有一個(gè)微型特斯拉線圈套件，組裝起來測試一下它的電路原理。因?yàn)樵谒碾娐分校嬖谥粋€(gè)非常奇特的反饋環(huán)節(jié)，那就是所謂的特斯拉線圈共振部分。

下面給出在使用手冊上列出的相關(guān)電路圖。其中令人比較疑惑的就是線圈L2（350T特斯拉線圈）的作用。因?yàn)檫@個(gè)線圈并不是按照正常的方式連接在電路中，而只是有一端接在振蕩三極管Q2的基極，另外一段就是懸在半空中，與電路并不構(gòu)成任何回路。這樣就會(huì)使得該線圈的分析與普通的振蕩電路有了很大的區(qū)別。

對于350匝的特斯拉線圈使用手持LCR表測量它對應(yīng)的電抗：

• 電感：
• 電阻：

在使用時(shí)，需要使用高壓絕緣線繞制在特斯拉線圈上2到3匝，構(gòu)成L1，繞制的方向需要滿足一定的條件。

下面通過一些實(shí)驗(yàn)，來討論關(guān)于這個(gè)電路起振工作的基本原理。需要回答以下問題：

1. 1. L1的繞制方向?qū)τ诓ㄐ斡惺裁从绊懀?
2. 2. 沒有L2，只有L1時(shí)電路是否工作？
3. 3. L1與L2之間的相對位置對于振蕩波形有什么影響？

測量波形

1. 測量方案

根據(jù)電磁感應(yīng)原理，如果希望線圈L2能夠在L1的作用下形成正反饋，加速震蕩，那么從Q2集電極出發(fā)L1和從Q2基極出發(fā)的L2在線圈骨架筒上的繞制方向必須相反。下面就在這種繞制方向的基礎(chǔ)上進(jìn)行測量。

為了分析電路振蕩的基本原理，需要測量Q2的基極與集電極的波形。使用四芯電纜將Q2的基極、發(fā)射極、集電極引出來，使用示波器測量基極對發(fā)射極、集電極對發(fā)射極的電壓波形。

電路的工作電壓使用15V穩(wěn)壓電源提供。電路形成強(qiáng)烈震蕩波形，下面給出Q2集電極和基極對應(yīng)的電壓波形。

2. 測量波形

如下是測量振蕩電路Q2的基極（紫色）和集電極（綠色）的電壓波形。振蕩頻率為3.28MHz.

從波形上來看，電路中形成明顯的正反饋，Q2基本上工作在開關(guān)狀態(tài)。

電路在啟動(dòng)的過程中，明顯能夠看到波形的變化，經(jīng)過大約2,3秒鐘之后，波形逐步變化到穩(wěn)定狀態(tài)。這個(gè)過程應(yīng)該是芯片溫度變化引起的。

下面是將基極(紫色)和集電極(綠色)的波形拉伸之后的形成單個(gè)周期的信號(hào)波形，便于進(jìn)行過渡過程的分析。

當(dāng)基極電壓（粉紅色）開始下降之后，引起集電極電壓（綠色）的上升。這個(gè)過程經(jīng)過L1,L2耦合之后形成正反饋，引起基極電壓有一個(gè)反向進(jìn)10V的負(fù)電壓脈沖。從集電極電壓（綠色）上來看，在脈沖的頂部出現(xiàn)了很多震蕩，這應(yīng)該是L2線圈在空氣中放電所形成的電流帶來的電壓波動(dòng)。線圈中的磁場能量經(jīng)由放電消耗完畢之后，Q2又重新恢復(fù)導(dǎo)通狀態(tài)，L1重新有電流流過，存儲(chǔ)電磁能量。

3. 磁棒對于振蕩頻率的影響

使用兩種不同的收音機(jī)的磁棒來探究對于振蕩頻率的影響。一種是表面比較光滑的中波磁棒，一種是表面比較粗糙的短波高頻磁棒。

（1） 定性分析

將磁棒深入特斯拉空心震蕩線圈，可以看到兩種不同測磁棒對于振蕩頻率均有影響，都會(huì)使得振蕩的波形和頻率發(fā)生改變。最為明顯的就是振蕩頻率降低，集電極的幅度下降。這種變化是由于磁棒增加線圈的電感量，使得震蕩周期變長了。

高頻磁棒對于頻率影響比較明顯。低頻磁棒相對影響較弱。

（2）頻率的變化

• 在為加入磁棒之前，特斯拉的振蕩頻率為： 。
• 將低頻磁棒完全插入線圈之后，特斯拉的振蕩頻率為： 。
• 將高頻磁棒完全插入線圈之后，特斯拉的振蕩頻率為：

4. 初級線圈的影響

下面對于初級線圈的匝數(shù)、繞制方式以及線圈的位置對波形的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
分別測量初級線圈的匝數(shù)從2圈到5圈；
繞制的方式是松散的部分、緊密的底部、緊密的中部三種方式。

（1）三圈緊密繞制

（2）三圈松散繞制

（3）兩圈緊密繞制

（4）兩圈松散繞制

（5）五圈緊密繞制

（6）四圈松散繞制

（7）四圈緊密繞制

（8）四圈緊密繞制，在線圈的中部

從上面實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，對于頻率的影響的因素是綜合的。

• 在繞制的方式和位置相同的情況下，圈數(shù)越多，頻率越低；
• 在繞制圈數(shù)相同的情況下，如果繞制緊密靠近線圈底部，頻率高；如果松散分布在整個(gè)線圈，或者位于線圈的中部，頻率低。

線圈繞制方向

1. 對比同向繞制和逆向繞制的差別

（1）順向繞制

（2）逆向繞制

（3）獨(dú)立繞磁棒

2. 獨(dú)立空心線圈

3. 繞制在磁棒上放在線圈里

（1）順同方向松散繞制

（2）順同方向緊密繞制

這種情況居然出現(xiàn)了兩種不同的振蕩模式交替出現(xiàn)。

（3）逆向繞制

逆向繞制波形，集電極電壓明顯增加，頻率降低到1MHz以下。

結(jié)論

1. 得到的結(jié)論

通過前面的一些測量，可以得到如下結(jié)論：

• 原來的Q2在沒有特斯拉線圈的情況下，自行也會(huì)進(jìn)行振蕩，此時(shí)利用集電極的寄生電容，構(gòu)成了電容三點(diǎn)式的振蕩電路。如果繞制在磁棒上，振蕩的波形幅度會(huì)更大；
• 將L1繞制在L2上，如果是相反繞制，即從三極管的集電極和基極出發(fā)來看，L1,L2在圓筒上的方向是相反的。此時(shí)形成強(qiáng)烈的正反饋振蕩，輸出波形呈現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)。輸出電壓高；
• 如果L1和L2繞制方向相同，則形成的是負(fù)極反饋。在一定條件下，Q2依然會(huì)振蕩，振蕩的頻率比前面的正反饋時(shí)要高得多。
• L1在L2上的位置和繞制的圈數(shù)對振蕩頻率有著明顯的影響。

2. 存在的疑問

• 特斯拉線圈究竟通過何種主要機(jī)理與電路形成耦合回路的？
• L1的匝數(shù)、位置是如何影響最終L2輸出的高電壓的？
• 在什么情況下特斯拉輸出的高壓會(huì)效率會(huì)更高？
• 如果不使用正反饋，而僅僅使用普通的正向繞制，將特斯拉線圈當(dāng)做變壓器的次級，這樣工作是否會(huì)更好？
  
  

雖然做了一些相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，這個(gè)神奇的電路依然留給我們很多的疑問和遐想。

作者：卓晴

來源：TsinghuaJoking