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。

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，另外一段就是悬在半空中，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。

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。需要回答以下问题：

1. 1. L1的绕制方向对于波形有什么影响？
2. 2. 没有L2，只有L1时电路是否工作？
3. 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。

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。

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。

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。

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。

（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。

（2）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：

4. 初级线圈的影响

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

（2）三圈松散绕制

（3）两圈紧密绕制

（4）两圈松散绕制

（5）五圈紧密绕制

（6）四圈松散绕制

（7）四圈紧密绕制

（8）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

（2）逆向绕制

（3）独立绕磁棒

2. 独立空心线圈

3. 绕制在磁棒上放在线圈里

（1）顺同方向松散绕制

（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。

（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。

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。

作者：卓晴

来源：TsinghuaJoking