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[导读]电路简介 微型特斯拉高压线圈是很多电子爱好者喜欢的电子线路,通过简单器件就可以产生安全高压,用来开展很多有趣的实验。说它安全是指即使直接对着自己的手放电,也仅仅有轻微的烧灼感,并不会触电。 手边正好有一个微型特斯拉线圈套件,组装起来测试一下它

电路简介

微型特斯拉高压线圈是很多电子爱好者喜欢的电子线路,通过简单器件就可以产生安全高压,用来开展很多有趣的实验。说它安全是指即使直接对着自己的手放电,也仅仅有轻微的烧灼感,并不会触电。

手边正好有一个微型特斯拉线圈套件,组装起来测试一下它的电路原理。因为在它的电路中,存在着一个非常奇特的反馈环节,那就是所谓的特斯拉线圈共振部分的分析。

下面给出在使用手册上列出的相关电路图。其中令人比较疑惑的就是线圈L2(350T特斯拉线圈)的作用。因为这个线圈并不是按照正常的方式连接在电路中,而只是有一端接在振荡三极管Q2的基极,另外一段就是空在半空中,与电路并不构成任何回路。这样就会使得该线圈的分析与普通的振荡电路有了很大的区别。

▲ 使用手册上的电路图

对于350匝的特斯拉线圈使用手持LCR表测量它对应的电抗:

  • 电感:
  • 电阻:

在使用时,需要使用高压绝缘线绕制在特斯拉线圈上2到3匝,构成L1,绕制的方向需要满足一定的条件。

下面通过一些实验,来讨论关于这个电路起振工作的基本原理。需要回答一下问题:

  1. L1的绕制方向对于波形有什么影响?
  2. 没有L2,只有L1时电路是否工作?
  3. L1与L2之间的相对位置对于振荡波形有什么影响?

测量波形

1. 测量方案

根据电磁感应原理,如果希望线圈L2能够在L1的作用下形成正反馈,加速震荡,那么从Q2集电极出发L1和从Q2基极出发的L2在线圈骨架筒上的绕制方向必须相反。下面就在这种绕制方向的基础上进行测量。

为了分析电路振荡的基本原理,需要测量Q2的基极与集电极的波形。使用四芯电缆将Q2的基极、发射极、集电极引出来,使用示波器测量基极对发射极、集电极对发射极的电压波形。

▲ 测量振荡管的基极和集电极的电压波形

电路的工作电压使用15V稳压电源提供。电路形成强烈震荡波形,下面给出Q2集电极和基极对应的电压波形。

2. 测量波形

如下是测量振荡电路Q2的基极(紫色)和集电极(绿色)的电压波形。振荡频率为3.28MHz.

从波形上来看,电路中形成明显的正反馈,Q2基本上工作在开关状态。

▲ 集电极(绿色)和基极(紫色)电压波形

电路在启动的过程中,明显能够看到波形的变化,经过大约2,3秒钟之后,波形逐步变化到稳定状态。这个过程应该是芯片温度变化引起的。

▲ 在启动过程中波形的变化

下面是将基极(紫色)和集电极(绿色)的波形拉伸之后的形成单个周期的信号波形,便于进行过渡过程的分析。

当基极电压(粉红色)开始下降之后,引起集电极电压(绿色)的上升。这个过程经过L1,L2耦合之后形成正反馈,引起基极电压有一个反向进10V的负电压脉冲。从集电极电压(绿色)上来看,在脉冲的顶部出现了很多震荡,这应该是L2线圈在空气中放电所形成的电流带来的电压波动。线圈中的磁场能量经由放电消耗完毕之后,Q2又重新恢复导通状态,L1重新有电流流过,存储电磁能量。

▲ 将基极(紫色)和集电极(绿色)波形拉开之后的信号

虽然L2只有一端接入电路,另外一端则通过空间电容耦合以及空气放电与电路形成回路,完成信号的正反馈。

3. 磁棒对于振荡频率的影响

使用两种不同的收音机的磁棒来探究对于振荡频率的影响。一种是表面比较光滑的中波磁棒,一种是表面比较粗糙的短波高频磁棒。

▲ 中波低频磁棒(上)和短波高频磁棒(下)

(1) 定性分析

将磁棒深入特斯拉空心震荡线圈,可以看到两种不同测磁棒对于振荡频率均有影响。都会使得振荡的波形和频率发生改变。最为明显的就是振荡频率降低,集电极的幅度下降。这种变化是由于磁棒增加线圈的电感量,使得震荡周期变长了。

高频磁棒对于频率影响比较明显。低频磁棒相对影响较弱。

▲ 加入高频磁棒过程对应的基极波形的变化

▲ 加入低频磁棒过程对应的基极波形的变化


(2)影响频率的变化

  • 在为加入磁棒之前,特斯拉的振荡频率为:
  • 将低频磁棒完全插入线圈之后,特斯拉的振荡频率为:
  • 将高频磁棒完全插入线圈之后,特斯拉的振荡频率为:

▲ 低频磁棒加入线圈后的波形

▲ 高频磁棒加入线圈后的波形,注意:右侧的CH4频率显示不正确

4. 初级线圈对波形影响

下面对于初级线圈的匝数、绕制方式以及线圈的位置对波形的影响进行实验。
分别测量初级线圈的匝数从2圈到5圈;
绕制的方式是松散的部分、紧密的底部、紧密的中部三种方式。

(1)三圈紧密绕制

▲ 三圈紧密绕制

(2)三圈松散绕制

▲ 三圈松散绕制

(3)两圈紧密绕制

▲ 两圈紧密绕制

(4)两圈松散绕制

▲ 两圈松散绕制

(5)五圈紧密绕制

▲ 五圈紧密绕制

(6)四圈松散绕制

▲ 四圈松散绕制

(7)四圈紧密绕制

▲ 四圈紧密绕制

(8)四圈紧密绕制,在线圈的中部

▲ 四圈紧密绕制,在线圈的中部

从上面实验结果来看,对于频率的影响的因素是综合的。

  • 在绕制的方式和位置相同的情况下,圈数越多,频率越低;
  • 在绕制圈数相同的情况下,如果绕制紧密靠近线圈底部,频率高;如果松散分布在整个线圈,或者位于线圈的中部,频率低。

线圈绕制方向

1. 对比同向绕制和逆向绕制的差别

(1)顺向绕制

▲ 顺向绕制振荡波形

(2)逆向绕制

▲ 逆向绕制

(3)独立绕磁棒

▲ 独立绕制低频磁棒

▲ 独立绕制高频磁棒

2. 独立空心线圈

▲ 独立空心线圈的振荡波形

3. 绕制在磁棒上放在线圈里

(1)顺同方向松散绕制

▲ 绕制在磁棒上,放置在线圈里

(2)顺同方向紧密绕制

这种情况居然出现了两种不同的振荡模式交替出现。

▲ 奇怪的带有二种交替振荡波形的模式

(3)逆向绕制

逆向绕制波形,集电极电压明显增加,频率降低到1MHz以下。

▲ 逆向绕制波形

结论

1. 得到的结论

通过前面的一些测量,可以得到如下结论:

  • 原来的Q2在没有特斯拉线圈的情况下,自行也会进行振荡,此时利用集电极的寄生电容,构成了电容三点式的振荡电路。如果绕制在磁棒上,振荡的波形幅度会更大;
  • 将L1绕制在L2上,如果是相反绕制,即从三极管的集电极和基极出发来看,L1,L2在圆筒上的方向是相反的。此时形成强烈的正反馈振荡,输出波形呈现开关状态。输出电压高;
  • 如果L1和L2绕制方向相同,则形成的是负极反馈。在一定条件下,Q2依然会振荡,振荡的频率比前面的正反馈时要高得多。
  • L1在L2上的位置和绕制的圈数对振荡频率有着明显的影响。

2. 存在的疑问

  • 特斯拉线圈究竟通过何种主要机理与电路形成耦合回路的?
  • L1的匝数、位置是如何影响最终L2输出的高电压的?
  • 在什么情况下特斯拉输出的高压会效率会更高?
  • 如果不使用正反馈,而仅仅使用普通的正向绕制,将特斯拉线圈当做变压器的次级,这样工作是否会更好?

虽然做了一些相关的实验,这个神奇的电路依然留给我们很多的疑问和遐想。点击“阅读原文”查看更多的讨论。


公众号留言

大大,怎么做才能让大家接受智能车设计开源呢?设计报告大家都懂,很多事轻描淡写。现在强校传承设计,弱校自摸门路。总是在做重复的实验、研究、工作。而且目前在车辆控制中很多先进的方法在技术报告中却没有用到。我相信肯定有人问过这样的问题,但是目前看来全没有改善。希望智能车比赛能够越来越有含金量。


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回复:的确,撞在一起的确不太好。这方面容我们组委会继续权衡吧。

回复:可以的。

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