特斯拉线圈制作系列(四)，搞懂特斯拉线圈制作相关原理

特斯拉线圈制作在近来成为热点，被特斯拉放电现象所吸引的朋友纷纷动手尝试特斯拉线圈制作过程。但特斯拉线圈制作过程，无法脱离特斯拉线圈相关知识而独立存在。因此在本文中，将为大家介绍特斯拉线圈制作所涉及的原理、工作原理等知识。

一、特斯拉线圈是什么?

特斯拉线圈又叫泰斯拉线圈，因为这是从"Tesla"这个英文名直接音译过来的。这是一种分布参数高频串联谐振变压器，可以获得上百万伏的高频电压。传统特斯拉线圈的原理是使用变压器使普通电压升压，然后给初级LC回路谐振电容充电，充到放电阈值的，火花间隙放电导通，初级LC回路发生串联谐振，给次级线圈提供足够高的励磁功率，其次是和次级LC回路的频率相等，让次级线圈的电感与分布电容发生串联谐振，这时放电终端电压最高，于是就看到闪电了。通俗一点说，它是一个人工闪电制造器。 在世界各地都有特斯拉线圈的爱好者，他们做出了各种各样的设备，制造出了眩目的人工闪电，十分美丽。

二、特斯拉线圈原理解析

简单来说，特斯拉线圈是一种升压装置，学名为“分布参数高频共振变压器”。它带有两级升压线圈，可以把家用的220V电压升到数万伏甚至数十万伏，然后再经放电终端放电。由于电压很高，放电时产生的火花就像小型闪电。另一方面，特斯拉线圈包含了LC振荡回路，因此放电终端产生的交流电具有很高的频率。

以家用工频50Hz交流电为例，特斯拉线圈的放电终端可以达到100千赫兹到1.5兆赫兹，即工频的2000到30000倍。因此特斯拉线圈可以产生超高电压但低电流、高频率的交流电。

首先，工频电源经过升压变比为2000以上的变压器升压，经过整流桥后对电容C1充电。当电容的电压高到一定程度超过了打火间隙(SG)的阈值，打火间隙击穿空气打火，变压器初级线圈的通路形成，能量在电容C1和初级线圈L1之间振荡，并通过耦合传递到次级线圈。次级线圈也是一个电感，放顶罩C2和大地之间可以等效为一个电容，因此也会发生LC振荡。当两级振荡频率一样发生谐振的时候，初级回路的能量会涌到次级，放电端的电压峰值会不断增加，直到放电。

三、特斯拉线圈工作原理

特斯拉线圈的工作过程：电源要先给主电容充电，当电压达到打火器的放电阀值时，打火器间隙的空气电离打火，近似导通，建立初级谐振回路，通过振荡向次级回路传递能量。次级回路随之振荡，接收能量，放电顶罩的电压逐渐增大，并电离附近的空气，‘寻找’放电路径，一旦与地面形成‘通路’，‘闪电’也就出现了，如果没有‘闪电’，几个(次数主要与耦合系数有关)周波后，初级回路能量释放完毕。

较大部分的能量都转移到次级回路上，一部分能量损耗在回路上。次级回路继续振荡，并反客为主，带动初级回路振荡，以相同的方式把刚才得到的能量还给初级回路。但又一部分能量损耗在回路上，如此反复(见原理演示图)，直到损耗掉大部分能量。打火器两端电压和电流都不足后，打火器等效断开，由外部电源继续给主电容充电。充电过程要比放电过程长得多，大概在3~10毫秒左右。所以特斯拉线圈放电频度都在每秒100次以上，也使肉眼看上去为连续放电效果。

原理演示图：

上面这张形象地描述了特斯拉线圈工作时的能量传递过程，为了更进一步了解变化的快慢，下面从波形仿真角度来看看电压的变化过程：

模拟以上波形的各项参数：

L1=11微亨，C1=230纳法;

L2=60毫亨，C2=42皮法;

主电容工作电压：V=10千伏

耦合系数：K=0.14;

谐振频率：f=100千赫兹;

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