特斯拉线圈原理揭秘解读

特斯拉线圈原理揭秘解读

特斯拉线圈是一种射频 振荡器，可驱动空芯双调谐振变压器，在低电流时产生高压。特斯拉的原始电路以及大多数现代线圈使用简单的火花隙来激发调谐变压器中的振荡。更复杂的设计使用晶体管或晶闸管开关或真空管 电子振荡器来驱动谐振变压器。
特斯拉线圈可以为大线圈产生50 千伏到几百伏的输出电压 。交流电输出处于低射频范围，通常在50 kHz和1 MHz之间。虽然一些振荡器驱动的线圈产生连续的交流电，但大多数特斯拉线圈都有脉冲输出; 高压由一串快速的射频交流电脉冲组成。

如下所示，常见的火花激发特斯拉线圈电路由以下部分组成：

高压电源变压器 （T），用于将交流电源电压提升到足够高的电压以跳过火花隙。典型电压在5到30千伏（kV）之间。
甲电容器 （C1） ，其形成一个调谐电路与所述初级绕组 L1特斯拉变压器的
甲火花隙 （SG）充当在初级电路中的开关
特斯拉线圈（L1，L2），一种空芯双调谐谐振变压器，可产生高输出电压。
可选地，平滑金属球或环面形式的电容电极（顶部负载）（E）连接到线圈的次级端子。其较大的表面积可抑制过早的空气击穿和电弧放电，从而增加Q因子和输出电压。

谐振变压器


单极特斯拉线圈原理电路。C2不是实际的电容器，而是表示次级绕组L2的寄生电容，加上环形电极E的对地电容。

次级的更详细的等效电路显示了各种杂散电容的贡献。
特斯拉线圈电路中使用的专用变压器，称为谐振变压器，振荡变压器或射频（RF）变压器，其功能与交流电源电路中使用的普通变压器不同。虽然普通变压器设计用于有效地将能量从初级绕组传输到次级绕组，但谐振变压器也设计用于临时存储电能。每个绕组都有一个电容，用作LC电路（谐振电路，调谐电路），存储振荡电能，类似于音叉。由相对较少匝的重铜线或管组成的初级线圈 （L1）通过火花隙（SG）连接到电容器 （C1 ）。[15] [16]所述的二次线圈（L2）包括许多匝初级内部中空的圆筒形状上细金属丝的（数百至数千）的。二次未连接到一个实际的电容器，但它也用作LC电路，的电感（L2）与杂散电容谐振（C2） ，杂散的总和寄生电容 在线圈的绕组之间，以及连接到高压端子的环形金属电极的电容。调节初级和次级电路，使它们以相同的频率谐振，它们具有相同的谐振频率。这允许它们交换能量，因此振荡电流在初级和次级线圈之间来回交替。
线圈的独特设计取决于在高频下实现低电阻能量损耗（高Q因数）的需要，这导致最大的二次电压：

普通的电力变压器具有铁芯以增加线圈之间的磁耦合。然而，在高频时，铁芯会因涡流和磁滞而导致能量损失，因此不会在特斯拉线圈中使用。
普通变压器设计为“紧密耦合”。由于铁芯和绕组的紧密接近，它们具有高互感 （M），耦合系数接近于0.95-1.0的单位，这意味着初级绕组的几乎所有磁场都通过次级绕组。相比之下，特斯拉变压器“松散耦合”，初级绕组直径较大，与次级绕组间隔开，因此互感较低，耦合系数较小仅为0.05至0.2。[24]这意味着当初级线圈的开路时，只有5％到20％的初级线圈的磁场通过次级线圈。[15] [20]松耦合减慢了初级和次级线圈之间的能量交换，这使得振荡能量在返回到初级线圈之前更长时间地停留在次级线路中并开始在火花中消散。
每个绕组也限于单层导线，这减少了邻近效应损失。初级带有非常高的电流。由于高频电流主要由于趋肤效应而在导体表面上流动，因此通常由铜管或具有大表面积的条带制成以减小电阻，并且其匝间隔开，这减少了邻近效应损失和转弯之间的电弧放电。

输出电路可以有两种形式：

单极 - 次级绕组的一端连接到单个高压端子，另一端接地。这种类型用于为娱乐而设计的现代线圈。初级绕组位于次级的底部低电位端附近，以最小化绕组之间的电弧。由于地（地球）用作高压的返回路径，因此来自终端的拖缆弧倾向于跳到任何附近的接地物体。
双极性 - 次级绕组的两端都没有接地，两者都被带到高压端子。初级绕组位于次级线圈的中心，在两个高电位端子之间等距，以阻止电弧放电。

操作周期
电路以快速，重复的周期运行，其中电源变压器（T）向主电容器（C1 ）充电，然后通过火花隙以火花放电，在初级电路中产生短暂的振荡电流脉冲，激励次级上的高振荡电压：

来自电源变压器（T）的电流将电容器（C1）充电至高电压。
当电容器两端的电压达到火花隙（SG）的击穿电压时，火花开始，将火花隙电阻降低到非常低的值。这样就完成了初级电路，来自电容器的电流流过初级线圈（L1）。电流通过线圈在电容器的极板之间快速地来回流动，在电路的谐振频率下在初级电路中产生射频振荡电流。
0

哪里是变压器的耦合系数。然而，特斯拉变压器非常松散耦合，并且很小，在0.05到0.4的范围内。因此，因素接近于单位，0.917到0.999，因此两个共振频率最多相差8％。因此，大多数信号源表明，当初级和次级的谐振频率相等时，变压器会发生谐振。

特斯拉线圈的谐振频率处于低射频（RF）范围，通常在50%20kHz和1%20MHz之间。然而，由于火花的冲动性质，它们产生宽带无线电噪声，并且没有屏蔽可能是RFI的重要来源，干扰附近的无线电和电视接收。

输出电压

在谐振变压器中，高压通过谐振产生;输出电压与匝数比不成正比，如普通变压器。它可以从能量守恒中大致计算出来。在循环开始时，当火花开始时，主回路中的所有能量存储在主电容器中。如果是火花隙击穿的电压，通常接近供电变压器T的峰值输出电压，该能量是

在“振铃”期间，该能量被传递到次级电路。虽然有些因火花和其他电阻中的热量而损失，但在现代线圈中，超过85％的能量最终会在次级线圈中消失。[18]在高峰期（）次级正弦电压波形，次级的所有能量存储在电容中在次级线圈的末端之间

假设没有能量损失，。代入这个方程并简化，峰值二次电压是

上面的第二个公式来自第一个使用共振条件。由于相比于主电容器二次线圈的电容非常小，初级电压升压到较高的值。

上述峰值电压仅在不发生空气放电的线圈中实现;在产生火花的线圈中，如娱乐线圈，端子上的峰值电压被限制在空气击穿并变得导电的电压。随着输出电压在每个电压脉冲期间增加，它到达高压端子旁边的空气电离并且电晕，电刷放电和流光电弧从端子断开的点。当电场强度超过介电强度时会发生这种情况空气，每厘米约30千伏。由于电场在尖点和边缘处最大，因此在高压端子上的这些点处开始空气放电。高压端子上的电压不能增加到高于空气击穿电压，因为从次级绕组泵入端子的额外电荷刚刚逸出到空气中。露天特斯拉线圈的输出电压通过空气击穿限制在几百万伏特左右，但是通过浸没在绝缘油加压罐中的线圈可以实现更高的电压。

顶部负载或“环形”电极

固态DRSSTC特斯拉线圈，尖端导线连接到环形线圈，产生电刷放电

大多数特斯拉线圈设计在高压端子上具有光滑的球形或环形金属电极。电极用作电容器的一个板，地线作为另一个板，形成具有次级绕组的调谐电路。虽然“环形”增加了二次电容，这往往会降低峰值电压，但其主要影响是其大直径曲面减小了高压端的电位梯度（电场），增加了空气放电的电压阈值。如电晕和刷子放电发生。抑制过早的空气击穿和能量损失使电压在波形的峰值上建立更高的值，从而产生更长，更壮观的拖缆。

如果顶部电极足够大且足够光滑，则即使在峰值电压下，其表面处的电场也可能永远不会变得足够高以引起空气击穿，并且不会发生空气放电。一些娱乐线圈具有从环面突出的尖锐“火花点”以开始放电。
特斯拉线圈原理基本就讲解完成。