一、概述

特斯拉線圈（Tesla Coil）是一種諧振變壓器（Resonant Transformer），由尼古拉·特斯拉在1891年發明，用于生產超高電壓、低電流、高頻率的電力。特別的，特斯拉線圈可產生絢麗的電弧效果，所以成千上萬的電子愛好者至今都在制作它。

通常情況下，空氣被認為是絕緣的，當電極兩端的電壓足夠高，空氣中的分子被電離，形成各種離子，此時空氣被擊穿，空氣變成導體，電流通過就會形成電弧。

那么擊穿空氣需要多大電壓呢？3KV/mm（該值隨壓力、溫度、濕度改變）。也就是說，如果要在1cm的間距上產生電弧，那就要30KV。可見特斯拉線圈上的輸出電壓有多高了。當然你可以說，在劃破長空的大自然雷電面前，這都不算什么。

二、電路構成

我在網上找了一個比較直觀的特斯拉線圈的實物連接圖：

圖2-特斯拉線圈實物連接圖

對應原理圖如下（電極與電容的位置與實物圖中有所調整）：

圖3-特斯拉線圈電路原理圖

主要元器件有：

• 電源輸入：通常為市電，如AC 110V 60Hz/220V 50Hz等；
• 升壓變壓器（變壓器1）：通過匝數之比升高電壓，能將電壓升高到上千伏。工作頻率較低（市電頻率50~60Hz），一般帶有磁芯；
• 火花間隙：由兩個電極構成，之間有較短距離間隙，圖中描述為“Spark Gap”；
• 諧振變壓器（變壓器2）：由圖中的初級線圈（Primary Coil）和次級線圈（Second Coil）組成，所謂的特斯拉線圈指的就是這個；
• 電容（電容1）：起到儲能作用，并且與諧振變壓器中的初級線圈（Primary Coil）構成LC諧振電路；

你可能覺得諧振變壓器中的次級線圈（Second Coil）呈現開路狀態，沒有電流流過。但實際上線圈的寄生電容、以及線圈頂部的環狀體電極（Torus）與大地之間的電容，組合構成了“等效電容”（電容2），且電壓足夠高時，就會擊穿空氣，在電容上流經電流：

圖4-特斯拉線圈上“看不見”的等效電容

所以，完整的特斯拉線圈電路圖如下所示：

圖5-加入等效電容的特斯拉電路原理圖

三、工作原理

（1）火花間隙

要理解特斯拉線圈，首先要理解火花間隙（Spark Gap）。

火花間隙在此就相當于一個開關：

• 當初始狀態下，變壓器1對電容形成充電電路，見下圖（a）；
• 當電容電壓達到一定值，火化間隙導通，相當于短路，電容和變壓器2的初級線圈（Primary Coil）構成LC諧振電路，見下圖（b）；

圖6-火花間隙 不導通（a）和導通（b）

（2）LC諧振電路

上圖（b）中，電容和電感組成了經典的LC諧振電路。簡而言之，電容里儲存的能量逐步釋放，傳遞給電感；然后電感的能量逐步釋放，傳遞給電容，周而復始。能量交互的周期為諧振頻率（與電容、電感有關），考慮到電路上不可避免的電阻消耗，能量會逐步減小。

圖7-LC諧振電路

關于LC諧振電路，更詳細的介紹可以查看之前的文章。

當能量減少，火花間隙兩個電極上高電壓難以維持，火花間隙斷路，重新回到上圖（a）的狀態。

注意，通過L、C的取值，LC電路的諧振頻率非常高（數百KHz）。結合火花間隙的開、關，以及LC諧振電路的振蕩，電容上電壓波形示意圖如下所示：

圖8-電容的波形變化示意圖

相對LC電路諧振過程，電容的充電過程較慢，這就是為什么圖6（a）、（b）分別標注了慢電路（Slow Circuit）和快電路（Fast Circuit）。

當然，相比50/60Hz的輸入電源，慢電路還是很快的！所以在輸入電源的一個周期內，慢電路和快電路作為一個大整體發生過很多次。

（3）諧振變壓器

最終迎來了由初級線圈（Primary Coil）和次級線圈（Second Coil）組成的諧振變壓器。其中初級線圈同時屬于上述LC諧振電路。

圖9-諧振變壓器

諧振變壓器和普通變壓器（如圖3中的變壓器1）的工作原理不一樣，普通變壓器基于電磁感應的原理，即初級線圈和次級線圈圍繞同一個磁芯繞制而成，兩個線圈共享同樣的磁通量，兩個線圈電壓之比與兩個線圈匝數之比有關：

圖10-普通變壓器

諧振變壓器基于共振（諧振）原理。在聲波領域有共振，譬如女高音歌唱家通過聲音可以把玻璃杯振碎，就是因為兩者諧振頻率一致，能量通過聲波最大化傳遞到杯子，使其振動、破裂。在電磁波領域也有共振，我們仔細看圖9的諧振變壓器，其實包含了兩個LC諧振電路，如果當兩個諧振頻率相同，能量就會最大化進行交互。

諧振變壓器工作頻率很高，通常沒有磁芯；兩個線圈的磁通量不相同，因此兩個線圈不需要緊密靠攏或對齊。

諧振變壓器初級線圈和次級線圈上的電壓之比公式如下，它和兩個線圈的電感量（受匝數、直徑、長度影響）、諧振電路質量因素Q（代表選頻能力）、耦合系數K（受距離影響）有關：

圖11-諧振變壓器初級線圈和次級線圈電壓之比

我們看圖2中特斯拉線圈的實物圖也確實可以看到諧振變壓器兩個線圈的匝數之比很大，代表升壓很高。

諧振變壓器的能量交互比較復雜，能量可以從初級線圈傳遞到次級線圈，也會從次級線圈傳遞到初級線圈，我沒深入學習過，在此不展開，但是你可以想象一下常見RFID應用就是基于這種原理：

圖12-RFID諧振頻率上的能量傳輸

四、總結

今天我們介紹了特斯拉線圈，它的核心是兩個LC電路構成的諧振變壓器，它的輸出電壓非常高，以至于能電擊穿空氣。

制作特斯拉線圈線圈的難點在于兩個LC電路的諧振頻率要保持一致，這需要花費很大功夫調試諧振變壓器上的環狀體電極（Torus）。