固态特斯拉线圈

固态特斯拉线圈图册(3) 特斯拉线圈，是塞尔维亚籍科学家 尼古拉·特斯拉于1891年发明，用来演示无线输电以及高频高压交流电特性的装置。特斯拉生活的年代没有半导体晶体管，所以他发明的线圈是比较落后的SGTC（火花间隙特斯拉线圈，Spark Gap Tesla Coil），效率较低，且噪音巨大。现代的爱好者们根据特斯拉线圈的本质的原理（LC振荡），发明了固态特斯拉线圈（Solid State Tesla Coil，简称SSTC）。固态特斯拉线圈有效率高、噪音小、寿命长等优点，而且由于固态特斯拉线圈的结构特点，它可以通过一个电路输入音频，使特斯拉线圈的电弧直接推动空气发声，这使得特斯拉线圈成为了一件艺术品。而后来的人在SSTC的基础上，发明了DRSSTC（双谐振固态特斯拉线圈，Double Resonance Solid State Tesla Coil）。它给初级线圈串联了MMC（ 谐振电容），和初级线圈的电流构成了共振，初级线圈内部的电流更大，使电弧效果进大幅提高。

SGTC通过一个打火器来控制电路，它的功能相当于一个开关。但是，由于本身结构的原因，打火器在工作时发热比较严重，甚至有时会由于温度过高融化。

SGTC的工作过程：

首先， 交流电经过升压变压器升至2000V以上（可以击穿空气），然后经过由四个（或四组）高压二极管组成的全波整流桥，给主电容（C1）充电。打火器是由两个光滑表面构成的，它们之间有几毫米的间距，具体的间距要由高压输出端电压决定。当主电容两个极板之间的电势差达到一定程度时，会击穿打火器处的空气，和初级线圈（L1，一个电感）构成一个LC振荡回路。这时，由于LC振荡，会产生一定频率的高频电磁波，通常在100kHz到1.5MHz之间。放电顶端（C2）是一个有一定表面积且导电的光滑物体，它和地面形成了一个“对地等效电容”，对地等效电容和次级线圈（L2，一个电感）也会形成一个LC振荡回路。当初级回路和次级回路的LC振荡频率相等时，在打火器打通的时候，初级线圈发出的电磁波的大部分会被次级的LC振荡回路吸收。从理论上讲，放电顶端和地面的电势差是无限大的，因此在次级线圈的回路里面会产生高压小电流的高频交流电（频率和LC振荡频率一致），此时放电顶端会和附近接地的物体放出一道电弧。

特斯拉线圈需要达到“谐振”的状态，才能达到最大的功率。所谓谐振，就是初级部分LC振荡频率和次级部分LC振荡频率一致。由于LC振荡频率仅仅由电容容量和电感的电感量决定，且在公式里它们是相乘的关系，进行谐振计算的公式可以简化为L1C1=L2C2。其中，L1为初级线圈电感量，C1为主电容容量，L2为次级线圈电感量，C2为顶端对地等效电容容量。

SGTC本身存在寿命短、效率低、噪音大的问题，已经无法满足众多爱好者的需要。于是，固态特斯拉线圈应运而生。

现代的爱好者们，根据特斯拉线圈由LC振荡接收能量的原理，设计出了极具现代感的SSTC。早期的SSTC玩家大多数都是外国人。

固态特斯拉线圈，是由芯片振荡代替SGTC的LC振荡并由放大器放大功率后驱动次级线圈部分的特斯拉线圈。它的原理依旧是LC振荡，只是发射端作了改动。

固态特斯拉线圈还可以通过音频来控制，使电路推动空气发声。

固态特斯拉线圈是通过芯片的振荡来产生高频交流电的。由于固态特斯拉线圈的工作比较好控制，固态特斯拉线圈有两种：定频和追频。定频，即初级部分只能发射出一个固定的频率；而追频，就是初级部分会根据次级部分的LC振荡频率自动调整发射频率，从而达到完美的谐振。目前，追频SSTC已经成为固态特斯拉线圈的主流。

这是一张由 555定时器芯片控制的定频SSTC电路图，来源不详（根据推测，有可能是贴吧的 Tesla粉丝 的作品）。

其中，NE555是频率源，即产生高频信号的芯片。它通过8、7脚上的电阻和6脚上的电容来控制输出频率，对于它的原理，在此不作过多解释。

555定时器由3脚输出高频信号。在此电路图中，输出的信号经过3个晶体管的放大，输入到一个MOSFET（金属氧化物场效应晶体管）的门极，经过放大，在初级线圈输出强度较高的高频电磁波，被次级线圈接收，由于LC振荡，在次级线圈中产生电流，从而产生电弧。

制作定频SSTC，需要使芯片输出的频率和次级部分的LC振荡频率一致，才能谐振。所以，此电路图中，7脚上的电阻用一个定值电阻和一个电位器代替，可以比较方便地调节输出频率，从而谐振。

特别说明，如果按照这张电路图的参数制作，输出的频率对于一般的SSTC来讲有点低了，所以尽量不要按照这张图的数据来制作。

音乐灭弧电路如图所示

定频电路有它本身的缺点，于是追频电路诞生了。 这是国外爱好者Steve Ward的电路，是追频电路。

首先，对次级线圈发射一些能量，使它内部有高频交流电（LC振荡），然后会发射出电磁波。电磁波被天线接收（图中的Antenna），经过两个逻辑门成为正电压的信号，然后输入两枚功率放大芯片，再通过GDT（Gate Driver Transformer，门驱动变压器）输入到一个半桥（功率放大电路，后面会详细地讲）中，产生强度较高的电磁波，被次级线圈接收。此时次级线圈内再次有了能量，会以电磁波的形式发射出来，输入天线，于是就这样循环下去了。

追频电路是由次级LC振荡回路直接采集频率信息，从而发射电磁波，于是可以达到完美的谐振。

如同上面第一张SSTC电路图，它是用单个场效应管来进行功率放大的，功率有限且输出为脉冲直流电。

半桥是由两个功率放大管和两个电容构成的功率放大电路，效果比单管好很多。

“对与大多数玩了SGTC的人来说都想玩更高级的SSTC/DRSSTC，但是许多人在这是就会遇到困难，在这里我给那些新人们讲讲功率电路

红色表示高压 蓝色低压 黄色为中间压 同名端已标出

通电时，由于开关管关闭没有其他地方能让电流通过，因此电流就只有给两个桥臂电容充电。

然后当开关管打开时，电容通过开关管放电，在电流的流动中经过了初级线圈。当另一个开关管打开时电流的方向与之前是相反的，由此产生了震荡。

这种有两个开关管的我们叫它半桥，它的特点是只要两个开关管省钱，由于在充电时有两个电容串联，因此放电的电压只有输入电压的一半。 ”

如果用两个功率管代替两个电容，就成了全桥。它的功率又高于半桥。

其中的“Output”接初级线圈。

全桥为4个功率管成对角线打开，电压为满电压，所以效果比半桥好。

在固态特斯拉线圈的基础上，爱好者们发明了双谐振固态特斯拉线圈，即DRSSTC，它的初级线圈串联的电容，而电容和初级线圈构成的LC振荡可以和驱动板输出的信号构成共振，瞬间的电流很大，这使线圈的电弧更加壮观。

假设一个SSTC的频率源的频率是500kHz，这时，我们将一个电容串联到初级线圈上，然后，经过计算，使电容的容量和初级线圈的电感量构成LC振荡，频率也是500kHz。

我们不妨做一个有趣的实验。一个体重很大的人坐在秋千上，开始时，他相对于地面静止。我们假设他在摆动时不会受到任何阻力的影响。这时，一个小孩来推他。我们可以知道，这个小孩的力量很小，每次只能给这个人增加10J的动能。假设这个人有了10J的动能后，向前摆了起来。但是，10J的动能真是太小了，他很快就荡了回来。这个小孩看准时机，在他摆回来后，又刚刚开始向前摆动的时候，推了他一下。这个小孩再次对他做了10J的功，然后他在向前摆动时，就有了20J的动能。如此下去，每一次都会增加10J的动能，一次次下去，这个数字将会是很惊人的。

DRSSTC就是这样。当电流流过初级线圈时，就会给电容充电。这时，电容的两个极板有了一定的电势差。然后由于LC振荡，它立即放出了电流，并很快将电流的方向反转。就在它反转的一瞬间，初级线圈的电流沿着和反转后的电流方向一致的方向流了过来。

如同那个秋千。那个秋千里的人受到一次次恰到好处的力，一次次地摆回来，和小孩推秋千的频率达成了共振。

现在，初级线圈里的电流和电容的电流也达成了共振（不过在电路里，这个状态通常称为谐振），电压越来越高，电流越来越大。

在秋千实验里，如果小孩的做功长时间持续下去，总有一天那个人会飞出去。

同样的，在DRSSTC里，如果共振的时间过长，就会导致电压过高，击穿开关管。由于电路的频率十分高，开关管将会在不到一秒内炸开。该如何解决这个问题呢？

如果小孩在推到一定程度时，都有一个大力士来把那个秋千上的人按住，使他停止摆动，恢复静止。这样，他就不会飞出去了。静止后，小孩可以继续一次次推的动作，而大力士总会在恰当的时间把秋千上的人按住。这样，就安全了。

没错，这就是灭弧电路的原理。当共振开始后，电压逐渐升高，高到一定程度时，灭弧电路开始发挥作用，它发出一个信号使驱动板输入GDT的信号终止（如果是单管，就终止输入到功率管基极或门极的信号，不过很少有人用单管做DRSSTC），共振就停止了。电容开始释放掉它的能量，从头再来。事实上，一般的灭弧信号都是发出一个正脉冲，使驱动板工作，当脉冲停止时，就终止信号。由于DRSSTC的电容，这个灭弧频率必须掌握好，否则只有一个后果：开关管爆炸。一般，灭弧器都是由芯片构成的，很少有人用手来做这个动作。

当然，还有一些比较奇特的灭弧方式。比如科创论坛的圈圈，就曾经使用市电整流不加滤波的方式代替灭弧器。效果应该是还可以的。

如果采用定频的方式，可能不能保证电容和驱动板的信号完美谐振。Steve Ward发明了初级反馈的方式，使得DRSSTC的初级部分可以完美地谐振。具体方式和追频SSTC的次级反馈类似，不过反馈的来源换成了初级线圈。

它用一个互感器将初级线圈和驱动板相连，直接采集初级线圈和电容的LC振荡频率作为发出高频电的信号。这样，保证了初级电容和驱动板的共振。

但这样也有缺点，在调整好初级的谐振后，就要调整初级和次级之间的谐振了，这是个麻烦的过程。但是，当你耗费精力做好一个DRSSTC，一切尘埃落定，按下开关，看到没有SGTC的噪音却有SGTC的壮观程度的电弧，你会发现，这一切努力都是值得的。

事实上，除了SGTC，其它类型的特斯拉线圈都是固态的（截至目前）。

除了SGTC、SSTC、DRSSTC，还有VTTC和OLTC。

真空管特斯拉线圈，Vacuum Tube Tesla Coil，简称VTTC。

当电子管逐渐退出我们的视野时，一群电子管发烧友用它们做出了VTTC。电子管本身有高频性能好等等优点，所以做出的VTTC效果十分独特。但是，不可否认，电子管本身有造价高、寿命低、效率低、发热严重以及极易损坏等缺点，VTTC未能大范围流行。

基本原理，类似于晶体管的自激。

VTTC的效果很奇特，电弧很直，像利剑一样。有时候，电弧四处散开，如同礼花弹一般。

离线式特斯拉线圈，Off Line Tesla Coil，简称OLTC。

当我们把SGTC的打火器去掉，换成一个MOSFET或者IGBT来代替，并在用一个二极管反向并联在D极和S极（如果是IGBT，就是C极和E极）上，并用一个固态的电路来控制这个开关管，再加以低压驱动，就成了OLTC。

它的本质原理依然是LC振荡，且和SGTC几乎相同，不同的地方，就是把打火器换成了固态开关，并使用了低压驱动。其它地方没有太多区别。

由于是低压驱动，无法形成太大的电流，所以OLTC的电弧是不如SGTC壮观的。

固态特斯拉线圈，修正了传统的SGTC的很多缺点，又增加了很多新功能，比如音乐灭弧等。不过，由于固态特斯拉线圈需要功率管进行放大信号，所以功率管的功率直接影响到线圈的功率，而功率管的功率是和价格成正比的。

SSTC也有缺点，比如，同输出功率下，SSTC的电弧成簇状，且明显不如SGTC壮观。这时，可以加上一个灭弧器来模仿SGTC的工作，电弧可以长一些。而DRSSTC由于有了谐振电容，兼具了SSTC噪音小、寿命长和SGTC电弧壮观的优点，受到大量爱好者的推崇。

SSTC容易将人的皮肤烧伤。尽管有高频电的 趋肤效应，但是高压电击穿空气产生的高温不可忽视。如果功率较小，SGTC的电弧是可以直接用手接触的（注意！一般不要这样做），我曾亲自试过几次。而同功率的SSTC却可以把人的皮肤烧伤，这也是我的亲身经历（烧伤不严重，只是手上烧出一个小小的黑点）。而DRSSTC的电弧也是很危险的，据说可以电死老鼠（未经过实验证明，但这是有可能的）。

无论如何，无论是何种的特斯拉线圈，大家都要特别注意安全。毕竟是高压电。