固態(tài)特斯拉線圈制作教程

　　對(duì)與大多數(shù)玩了SGTC的人來(lái)說(shuō)都想玩更高級(jí)的SSTC/DRSSTC，但是許多人在這是就會(huì)遇到困難。

　　特斯拉線圈介紹

　　特斯拉線圈又叫泰斯拉線圈，因?yàn)檫@是從“Tesla”這個(gè)英文名直接音譯過(guò)來(lái)的。這是一種分布參數(shù)高頻共振變壓器，可以獲得上百萬(wàn)伏的高頻電壓。特斯拉線圈的原理是使用變壓器使普通電壓升壓，然后經(jīng)由兩極線圈，從放電終端放電的設(shè)備。通俗一點(diǎn)說(shuō)，它是一個(gè)人工閃電制造器。在世界各地都有特斯拉線圈的愛(ài)好者，他們做出了各種各樣的設(shè)備，制造出了眩目的人工閃電。

　　諧振定義：

　　在物理學(xué)里，有一個(gè)概念叫共振：當(dāng)策動(dòng)力的頻率和系統(tǒng)的固有頻率相等時(shí)，系統(tǒng)受迫振動(dòng)的振幅最大，這種現(xiàn)象叫共振。電路里的諧振其實(shí)也是這個(gè)意思：當(dāng)電路的激勵(lì)的頻率等于電路的固有頻率時(shí)，電路的電磁振蕩的振幅也將達(dá)到峰值。實(shí)際上，共振和諧振表達(dá)的是同樣一種現(xiàn)象。這種具有相同實(shí)質(zhì)的現(xiàn)象在不同的領(lǐng)域里有不同的叫法而已。（說(shuō)個(gè)易懂的，當(dāng)兩個(gè)振動(dòng)頻率相等的物體，一個(gè)發(fā)生振動(dòng)時(shí)，引起另一個(gè)振動(dòng)的現(xiàn)象叫做共振，在電學(xué)中，兩個(gè)等頻振蕩電路的共振現(xiàn)象，叫做諧振。）

　　電磁振蕩LC回路

　　（L：電感，C：電容）

　　電磁振蕩LC回路能產(chǎn)生大小和方向都都作周期發(fā)生變化的電流叫振蕩電流。能產(chǎn)生振蕩電流的電路叫振蕩電路。其中最簡(jiǎn)單的振蕩電路叫LC回路。一個(gè)不計(jì)電阻的LC電路，就可以實(shí)現(xiàn)電磁振蕩，故也稱LC振蕩電路。LC振蕩電路的物理模型滿足下列條件：①整個(gè)電路的電阻R=0（包括線圈、導(dǎo)線），從能量角度看沒(méi)有其它形式的能向內(nèi)能轉(zhuǎn)化，即熱損耗為零。②電感線圈L集中了全部電路的電感，電容器C集中了全部電路的電容，無(wú)潛布電容存在。③LC振蕩電路在發(fā)生電磁振蕩時(shí)不向外界空間輻射電磁波，是嚴(yán)格意義上的閉合電路，LC電路內(nèi)部只發(fā)生線圈磁場(chǎng)能與電容器電場(chǎng)能之間的相互轉(zhuǎn)化，即便是電容器內(nèi)產(chǎn)生的變化電場(chǎng)，線圈內(nèi)產(chǎn)生的變化磁場(chǎng)也沒(méi)有按麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論激發(fā)相應(yīng)的磁場(chǎng)和電場(chǎng)，向周圍空間輻射電磁波振蕩電流是一種頻率很高的交變電流，它無(wú)法用線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生，只能是由振蕩電路產(chǎn)生。其工作流程為：充電完畢（放電開(kāi)始）：電場(chǎng)能達(dá)到最大，磁場(chǎng)能為零，回路中感應(yīng)電流i=0。放電完畢（充電開(kāi)始）：電場(chǎng)能為零，磁場(chǎng)能達(dá)到最大，回路中感應(yīng)電流達(dá)到最大。充電過(guò)程：電場(chǎng)能在增加，磁場(chǎng)能在減小，回路中電流在減小，電容器上電量在增加。從能量看：磁場(chǎng)能在向電場(chǎng)能轉(zhuǎn)化。放電過(guò)程：電場(chǎng)能在減少，磁場(chǎng)能在增加，回路中電流在增加，電容器上的電量在減少。從能量看：電場(chǎng)能在向磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化。在振蕩電路中產(chǎn)生振蕩電流的過(guò)程中，電容器極板上的電荷，通過(guò)線圈的電流，以及跟電流和電荷相聯(lián)系的磁場(chǎng)和電場(chǎng)都發(fā)生周期性變化，這種現(xiàn)象叫電磁振蕩。

　　在這里我給那些新人們先講講特斯拉線圈的分類：

　　SGTC（Spark Gap Tesla Coil=火花隙特斯拉線圈（特斯拉本人發(fā)明的那種）

　　-分枝：SISGTC（Sidac-IGBT SGTC）=以觸發(fā)二極管-IGBT替換火花隙的特斯拉線圈

　　SSTC（Solid State Tesla Coil=固態(tài)特斯拉線圈（這里主要講解的那種）

　　-分枝：（本文主要講DRSSTC，由于SSTC的原理相對(duì)簡(jiǎn)單，在看完之后就會(huì)明白的）

　　ISSTC（Interrupted SSTC）=帶滅弧固態(tài)特斯拉線圈

　　OLTC（Off Line Tesla coil）=離線式特斯拉線圈

　　Class-E SSTC=戊類功放式固態(tài)特斯拉線圈

　　DRSSTC（Dual Resonant SSTC）=雙諧振固態(tài)特斯拉線圈

　　-分枝：QCWDRSSTC（Quasi Continuous Wave DRSSTC）=準(zhǔn)連續(xù)波雙諧振

　　固態(tài)特斯拉線圈

　　CWDRSSTC（Continuous Wave DRSSTC）=連續(xù)波雙諧振固態(tài)特斯拉

　　線圈

　　VTTC（Vacuum Tube Tesla Coil）=真空管特斯拉線圈

　　-分枝：SSVC（Solid State Valve Coil）=固態(tài)-真空管特斯拉線圈

　　SGTC：傳統(tǒng)的火花隙特斯拉線圈，噪音大，效率低，壽命短，這里就不做過(guò)多介紹。

　　SSTC：現(xiàn)代電子愛(ài)好者們根據(jù)特斯拉線圈的本質(zhì)原理，發(fā)明了固態(tài)特斯拉線圈（SSTC），它具有低噪音、高效率、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，因而得到了很好的發(fā)展。固態(tài)特斯拉線圈不僅可以產(chǎn)生炫目的閃電，還可以利用電弧演奏音樂(lè)！因此特斯拉線圈除了應(yīng)用于高壓領(lǐng)域外，也不失為一件很好的藝術(shù)品。

　　固態(tài)特斯拉線圈的原理是：通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路，將市電（220VAC 50Hz）轉(zhuǎn)換為高頻交流電，通過(guò)初級(jí)線圈轉(zhuǎn)化為高頻磁場(chǎng)，當(dāng)磁場(chǎng)振蕩頻率和由一端接地的次級(jí)線圈和放電端形成的LC體系的固有頻率一致時(shí)，發(fā)生諧振，此時(shí)次級(jí)線圈將大量電荷送入放電端，使得放電端電壓升的很高，從而形成閃電。對(duì)于固態(tài)特斯拉線圈，他沒(méi)有電容組，只有驅(qū)動(dòng)電路、初級(jí)線圈、次級(jí)線圈和放電端，他是依靠驅(qū)動(dòng)電路來(lái)產(chǎn)生高頻電流，送入初級(jí)線圈產(chǎn)生高頻磁場(chǎng);而傳統(tǒng)的火花隙特斯拉線圈則是依靠打火開(kāi)關(guān)接通/斷開(kāi)，來(lái)激發(fā)初級(jí)線圈和電容組振蕩，產(chǎn)生高頻磁場(chǎng)，這是這兩者的區(qū)別！

　　總結(jié)：SSTC的工作方式是驅(qū)動(dòng)板產(chǎn)生一個(gè)震蕩電流與次級(jí)線圈相同這是就會(huì)諧振通過(guò)初級(jí)耦合將能量傳遞給次級(jí)。因此sstc的驅(qū)動(dòng)板可以簡(jiǎn)單地看成一個(gè)震蕩信號(hào)發(fā)生器。

　　DRSSTC：由于固態(tài)特斯拉線圈驅(qū)動(dòng)電路的負(fù)載是一個(gè)初級(jí)線圈，為感性負(fù)載，其功率因數(shù)低，能量利用率較低，同時(shí)初級(jí)線圈電流瞬時(shí)值也不夠大，所以導(dǎo)致固態(tài)特斯拉線圈產(chǎn)生的閃電壯觀程度不及同等級(jí)的火花隙特斯拉線圈。為此，有愛(ài)好者提出了雙諧振固態(tài)特斯拉線圈（DRSSTC）的模型，以彌補(bǔ)普通固態(tài)特斯拉線圈的不足。雙諧振固態(tài)特斯拉線圈是在普通特斯拉線圈的基礎(chǔ)上，在初級(jí)線圈上串入電容組，并讓驅(qū)動(dòng)電路輸出頻率=初級(jí)LC固有頻率=次級(jí)LC固有頻率，這樣做的好處是：1.初級(jí)部分處于諧振狀態(tài)，其負(fù)載特性為純阻性，功率因數(shù)高，能量利用率也就提高了;2.由于初級(jí)部分是諧振的，導(dǎo)致初級(jí)電流上升較快，瞬間電流較大，從而使得產(chǎn)生的閃電比較壯觀。因此，雙諧振固態(tài)特斯拉線圈更受到廣大愛(ài)好者的歡迎！

　　總結(jié)：DRSSTC和SSTC差不多只不過(guò)是多了諧振電容，SSTC的初級(jí)線圈只是起耦合的作用不會(huì)起產(chǎn)生震蕩的作用，而SSTC的初級(jí)也是一個(gè)LC震蕩回路。因此DRSSTC我們可以看做是SGTC的一種升級(jí)，取消了變壓器和打火器。但是性能卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于SGTC。

　　固態(tài)特斯拉線圈的結(jié)構(gòu)

　　固態(tài)特斯拉線圈由三個(gè)部分組成：功率電路驅(qū)動(dòng)電路滅弧電路

　　功率電路：

　　紅色表示高壓藍(lán)色低壓黃色為中間壓。通電時(shí)，由于開(kāi)關(guān)管關(guān)閉沒(méi)有其他地方能讓電流通過(guò)，因此電流就只有給兩個(gè)橋臂電容充電

　　當(dāng)開(kāi)關(guān)管打開(kāi)，大量的正電荷流向電容的負(fù)極，在電流的流動(dòng)中經(jīng)過(guò)了初級(jí)線圈。

　　當(dāng)另外一個(gè)開(kāi)關(guān)管打開(kāi)時(shí)電流從相反的方向流過(guò)，因此平滑的直流電就變成了高頻振蕩的交流電。這種有兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的我們叫它半橋，它的特點(diǎn)是只要兩個(gè)開(kāi)關(guān)管省錢，由于在充電時(shí)有兩個(gè)電容串聯(lián)，因此放電的電壓只有輸入電壓的一半。

　　由于半橋的電壓小于是就有人提出了全橋，像這種用了四個(gè)開(kāi)關(guān)管的叫全橋，它的功率管是成對(duì)角線打開(kāi)通過(guò)對(duì)角線的兩個(gè)功率管同時(shí)開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)震蕩，中間的接線處是通往初級(jí)線圈的。由于不用給橋臂電容充電由此放電的電壓是半橋的兩倍，為輸入電壓。由于電壓高可以擁有更強(qiáng)大的功率，因此大功率的特斯拉線圈都會(huì)使用全橋。

　　D3-6是瞬態(tài)二極管是用來(lái)防止突然來(lái)的高壓擊穿開(kāi)關(guān)管。

　　C3是吸收電容，由于線路間是存在分布電感的，在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，容易產(chǎn)生寄生振蕩和尖峰電壓，從而導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管損壞，這個(gè)電容是起到一個(gè)緩沖作用因此必須要加。

　　這個(gè)圖有一個(gè)問(wèn)題就是需要在開(kāi)關(guān)管的觸發(fā)極和低壓線上并聯(lián)30V左右的穩(wěn)壓二極管，防止驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓過(guò)高擊穿開(kāi)關(guān)管。

　　以上的輸入電源必須是直流電也就是經(jīng)過(guò)整流橋的市電！

　　為了產(chǎn)生振蕩的電流我們必須要準(zhǔn)確地控制開(kāi)關(guān)，在幾百KHZ的頻率下人去控制肯定是不行的這時(shí)就要交給我們的大哥大，也就是“整個(gè)TC的心臟”驅(qū)動(dòng)電路了（如果這一節(jié)沒(méi)有看懂也沒(méi)有關(guān)系，只要記住是發(fā)出信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管就行）壇子里很多人都很熱衷于STEVE的Dr驅(qū)動(dòng)電路，但是仔細(xì)的想想，他這個(gè)電路的缺陷還真的是不老少。我們先對(duì)其進(jìn)行分析，一遍指出其優(yōu)略。

　　好的！轟隆隆！電路開(kāi)始上電運(yùn)行了！電路靠橋式電路中電容充電電流啟動(dòng)【全橋中的吸收電容，此圖中是儲(chǔ)能橋臂電容c11，c12】充電電流到達(dá)主槽路使主電容c4于初級(jí)線圈L1產(chǎn)生震蕩，同時(shí)這個(gè)充電脈沖被電流變壓器T1探測(cè)到。T1的箍數(shù)取決于電橋中設(shè)計(jì)通過(guò)的電流，我們的目的是將電流通過(guò)變壓器縮小到適合驅(qū)動(dòng)CMOS元件的大小。你可能會(huì)想如果箍數(shù)是1:200的話，電壓豈不是會(huì)很高？不要擔(dān)心，我們有偉大的穩(wěn)壓管d19&d20~穩(wěn)壓管的特性是有一定的反向擊穿電壓，在這里我們選擇用反向擊穿電壓5.1v（CMOS電平的）的穩(wěn)壓管。當(dāng)T1上部為正半周時(shí)，會(huì)有一個(gè)上千伏的電壓，此時(shí)穩(wěn)壓管擊穿近似接地，當(dāng)把電壓放到5.1v時(shí)穩(wěn)壓管截止，由于穩(wěn)壓管恢復(fù)時(shí)間慢，我們反串一只快恢復(fù)或者肖特基來(lái)代替穩(wěn)壓管成正向?qū)ǚ聪蚪刂沟倪^(guò)程，負(fù)半周同理由此以來(lái)我們便得到了一個(gè)±5.1V的電流反饋信號(hào)。【見(jiàn)示意圖，方波是怎樣煉成的】

　　當(dāng)正弦波高度很大的時(shí)候，在Y=0值左右的斜度非常的高，甚至小于邏輯器件的信號(hào)邊沿。恩，繼續(xù)來(lái)，R2是限流電位器，依個(gè)人情況調(diào)試~c1耦合不解釋，4148削掉大于電源電壓的尖峰后進(jìn)入u1整形，由于hc14是反相施密特觸發(fā)器，所以要想得到同相的信號(hào)還要將信號(hào)再次反向得到最終輸出。【信號(hào)反饋部分到此為止】事情做到現(xiàn)在，按理說(shuō)就已經(jīng)可以用現(xiàn)在得到的反饋信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)橋了。