双谐振固态特斯拉线圈 制作教程与经验分享（一）初识特斯拉线圈

双谐振固态特斯拉线圈 制作教程与经验分享（一）初识特斯拉线圈 收藏（物理）

大家好，最近UP又制作了一台小型DRSSTC，借此机会，我打算利用业余时间，为大家出一系列关于DRSSTC双谐振固态特斯拉线圈的制作教程并为大家简单分享一下我个人制作DRSSTC的经验，希望能够帮助到各位特斯拉线圈爱好者理解DRSSTC的各部分原理，合理地去设计一个特斯拉线圈；更快拥有属于自己的特斯拉线圈作品。如果有什么不妥当的内容，麻烦各位大佬指正。废话不多说，我们进入正题。

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1.火花间隙特斯拉线圈（SGTC） 这种类型的特斯拉线圈是最初尼古拉·特斯拉发明的一类特斯拉线圈，应该说是最古老的一种类型了。结构图如下：

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最原始的SGTC的结构应该说是最简单的一种了，因为电路中有一个火花间隙（俗称打火器）的元件而得名。 不过在讲它的原理之前，我们还要简单说一下LC震荡电路。

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我们把一个电容和一个电感并联，接上示波器，打开触发模式。在LC并联电路两端给一个脉冲信号的时候，在示波器上出现了一个递减正弦波。如下图

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为什么会有这种现象呢？——电感和电容都是储能元器件，当我们把它们并联，并在回路上施加一个能量的时候，能量会在两者之间来回传递，这就好像电感和电容都很讨厌这股能量（客气似的），它们两个互相推让（礼让），一直来回推让（礼让），在推让（礼让）过程中能量消耗在了等效串联电阻上（ESR），变成热能（内能）散发出去，如下图

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我们把电容或电感的值换一换，递减正弦波的频率也会有所改变，我们若称这个递减正弦波的频率为这个LC振荡回路的谐振频率（记作f）的话，那么 f＝1/2π√（LC） SGTC的基本原理：  

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首先，从AC1和AC2两端输入一个交流信号（其实是主功率电源）经过后面的升压变压器升压，整流桥整流后变成一个直流电，随即就来到的谐振电容组上，开始给谐振电容充电

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谐振电容两端电压逐渐升高，当达到打火器的击穿电压时，打火器电极之间的空气被电离，变成导体，连通了谐振电容和初级线圈。形成了LC震荡电路结构，LC回路开始震荡。

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这个时候初级线圈上就产生了一个变化的电流，自然产生一个变化的磁场耦合进次级，而次级线圈和对地等效电容本身又是一个LC震荡回路，若初级回路的谐振频率f1＝次级谐振频率f2，那么两个回路就会发生谐振。 这就好比荡秋千一样，秋千本身摆荡的频率好比是次级回路的谐振频率，摆荡的高度好比次级回路的电压，推秋千的人就好比初级回路耦合进次级的能量，两者频率一致的时候，秋千就能越荡越高，由此次级回路电压逐渐升高。

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当次级回路电压高到能够击穿次级放电针周围空气的时候，就会出现电晕放电现象，产生电弧。 唔...总结一下，SGTC火花间隙特斯拉线圈是最古老的一类特斯拉线圈，电路本身有两组LC谐振回路，初级回路电容需要参与一个充电到LC回路放电的过程，以形成震荡信号，次级端没有到初级端的信号反馈。它的特点是：结构简单，想做得功率很大电弧很长比较容易（在谐振为前提的情况下，只要堆功率就好了，实质就是推料。）但是缺点也很明显：噪音污染，它的噪音来源于两个部分，次级线圈电弧声和初级回路的打火器声音。打火器在工作的时候会啪啪啪打火，温度很高，对功率器件和储能器件的冲击很大。因此SGTC的寿命也不会很长。并且小功率的SGTC会发生打火器声音压过电弧声音的尴尬情况。并且目前没有可靠方法用SGTC放音乐。

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2.固态特斯拉线圈（SSTC） 固态特斯拉线圈？？？难道还有液态特斯拉线圈？？？？？？

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特斯拉发明火花间隙特斯拉线圈后，电子管的出现，外国TC爱好者发明了电子管（真空管）特斯拉线圈（VTTC），随后迎来了半导体元件。最开始的晶闸管问世，直到全控元件问世，外国TC爱好者发明了固态特斯拉线圈（SSTC），就是一种使用现代的全控晶体元器件作功率器件制作出的一类效率更高，寿命更长，噪音更小的特斯拉线圈。结构图如下：

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SSTC的基本原理： 从SSTC的框架图上可以看出，SSTC的结构一般由两大部分电路构成 1.驱动电路，这一部分电路在不同的SSTC上各有千秋，但是它们的唯一共同点即是产生一个和次级谐振频率相同的信号，并送给功率器件作功率放大。而还有一种SSTC驱动电路则是使用一个定频信号发生器来提供震荡信号（用NE555或者TL494等），并不一定和次级谐振频率相等，但是一般需要手动调整至和次级谐振频率接近，这一类电路我们一般不用。下面的电路图是PllSSTC的电路，属于一种典型的CW模式工作的SSTC。

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这张图纸的基本原理即是使用74HC4046锁相环电路，在tc做好后调整中心频率接近次级回路震荡频率，即入锁后，电路将追寻反馈互感器送来的频率进行输出，进而使输出频率和次级谐振频率相等，使初级线圈和次级线圈发生谐振。

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在SSTC发明后，tc爱好者发现它的电弧虽然噪音更小，但是呈现絮状电弧，不如SGTC的闪电状电弧壮观。因为SSTC是一个连续工作的状态（CW模式），谐振回路一直有电流，而SGTC中间还有谐振电容充电的时间，在这个时间内谐振回路是没有工作的，工作时间只有在打火器被击穿的时候，初级形成LC振荡回路，次级才得到激励能量。为了像SGTC那样构成一个间歇性工作的状态，TC爱好者设计了ISSTC（带灭弧固态特斯拉线圈）电路如下：

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它的基本原理一样很简单，信号反馈FB端接次级线圈信号追频，进入74hc14施密特触发器把波形整理成方波，（u1.3的作用是反相）这个方波即是电路的主震荡频率，因为本来就是从次级采样，所以它的频率肯定和次级谐振频率相等。而这个信号相位一正一反，进入了两个非门（74hc08）非门是只有两个输入端（AB）同时是高电平的时候，输出端（Y）才是高电平，否则是低电平。两个信号端即是和次级线圈频率相等的方波信号，而非门输入另两端则是灭弧信号。经过调制的信号有非门Y端输出，进入两个TC4420进行初步放大，推动GDT，GDT再驱动功率器件作功率放大，最后推动初级线圈。 关于灭弧信号这里简单一提：灭弧信号的本质就是一个频率可调，OnTime可调的PWM信号，由单独的灭弧电路产生。它在电路中的作用是接在非门的另一输入端，控制整个电路的开与关，进而使SSTC整体形成一个间歇性工作状态，这样就和SGTC相似了，结合视觉残留现象，电弧就变成了闪电状，而且看上去更长。以后的专栏中我还会对灭弧电路作更详细的讲解。 2.功率电路.SSTC的功率电路上就比较多样化了，基本上都是开关型的结构，一般有以下几种

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注：以上三张图纸只是为了表示其电路的结构，不能实际直接应用。半桥与全桥在以后的专栏里有专门的讲解。它们的作用都是一致的，就是把驱动电路送来的信号进行功率放大，以足够大的功率去推动初级线圈。是固态特斯拉线圈电路的强电部分。 唔...总结：SSTC是一种由现代全控元件作功率驱动的特斯拉线圈，整个电路只有一级LC回路，初级线圈不参与LC震荡，只是一个激励源，有次级线圈信号反馈。效率高，噪音小，寿命长等优点，而且能做得很迷你，小体积。而且可以用它来放音乐，比如PLLSSTC，音质还不错的说。在调试的时候要比SGTC简单不少，如果不是定频SSTC，一般不需要机械性地调整谐振。但是同样的，虽然做小容易，但是它没法做得很大，而且一定情况下功耗会比较大，电弧到一定程度后想做得更大就比较难了。（目前还没人搞过10KVA以上的SSTC，只有一位来自日本的TC爱好者做过一台视在功率3KVA的SSTC，然而电弧并不是很长）

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3.双谐振固态特斯拉线圈（DRSSTC） 双谐振固态特斯拉线圈DRSSTC可以算得上是SSTC的增强版，一经问世便在TC圈有了很高的地位。现在的科技馆里的特斯拉线圈大部分都是双谐振固态特斯拉线圈，它称得上是圈内最有发展前景的一类TC。随着功率器件的价格越来越低，质量越来越好，DRSSTC在现代爱好者的方面越来越普及。还有爱好者以此为TC部分基础，以VTTC半波供电原理为灵感而发明剑型电弧：准连续波双谐振固态特斯拉线圈（QCWDRSSTC）。它同样是以现代全控型元器件作为功率电路的开关器件，但是它有两组串联谐振回路，初级线圈和次级线圈均分别参与两组LC串联谐振，相比SSTC来说，提高了初级线圈电压，一台设计较好的DRSSTC和ISSTC相比，在相同有功功率的情况下DRSSTC的电弧要长得多。结构图如下：

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和SSTC相比较，DRSSTC的电路中多了一路用于过流检测的电流互感器和初级谐振电容，而且功率器件已经被明确为桥式逆变，不再考虑普通单管结构。而且普通DRSSTC一定要有灭弧器，（排除初级回路阻抗很大的CWDRSSTC） DRSSTC简单原理：

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我们把DRSSTC的两组回路拿出来单独看一看，U1记作激励源，其输出信号频率记作fu1（即功率桥输出的方波），C1L1和激励源构成了初级串联谐振回路，L2和C2构成次级LC回路。 在初级回路这一侧，因为反馈电流互感器是套在初级这一侧，它监测的是初级的电流信号。所以可以保证： fu1=1/2π√（L1C1）即初级回路无论如何变化，永远保证基本谐振。除非你的激励源追频坏了

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初级串联谐振回路达成谐振，电压飞跃上升（但是与此同时，初级回路的电流也会飞跃上升）  

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假设DRSSTC没有灭弧电路，我们不对它在合适的时间点关掉激励源，电流可能会出现以上情况，只要是谐振了，初级激励源一直工作，谐振电流就会一直上升，直到功率器件承受不住。。。BOOM！。。。。。。 在这里，灭弧器的作用就体现出来了，如果只让激励源工作一点时间，在电流上升到功率器件最大承受能力之前灭弧去关掉激励源，

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这样电流就不会超过功率器件的最大承受能力，不会损坏功率器件了。 在这种情况下，初级电压得到提升，如果我们手动调整初级回路中电感或者电容（一般是调整电感，即初级线圈的匝数）的参数，使得初级谐振回路谐振频率等于次级谐振回路的谐振频率即初次级两个回路发生谐振，那么次级电压将以更快的速度上升。

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如果在理想状态下（回路阻抗＝0Ω，各个回路完全谐振），SSTC的次级输出电压＝激励源电压×次级回路Q值，而DRSSTC的次级输出电压=激励源电压×初级回路Q值×次级回路Q值，DRSSTC乘积式地升压将是多么刺激。因此DRSSTC能够在相同的有功功率下获得更长的电弧。 但是，我们并不容易在没有任何仪器的帮助下直接读出谐振电流的大小，即便是读出了谐振电流的大小，万一超过了功率器件的可耐受范围，还没来得及减小灭弧的脉宽，功率桥就BOOM了，而且当电弧击中地面或者其它物品的时候，次级回路的阻抗将迅速降低，进而初级的谐振电流也会更快地提升，也许一个不留神电流就超过了功率器件的可承受范围，功率器件就BOOM了。 所以对于一个DRSSTC来说，过流保护电路还是很有必要的。

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假设电路正常工作，在t1时刻，电弧击中接地线，初级电流飙升，越过了过流保护的阈值，在t2时刻电路反应过来，过流保护电路输出保护信号，到t3时刻回路电流＝0，过流保护起作用，关断了激励源。成功将谐振电流压到了功率器件极限值以下。 这个时候可能有朋友要问了，为什么电路在t2时刻已经反应过来开始输出过流信号了，为什么到t3电流=0的时候才起作用？ 不要着急~ 这个是为什么呢咱们在以后的专栏中会讲到DRSSTC的驱动电路原理，到时候就明白了~ DRSSTC的驱动电路原理保留了和ISSTC一样的追频原理，但是在灭弧信号上还有另外的电路作信号处理。而功率器件上，SSTC因为谐振频率比较高，一般使用mosfet作功率器件。而DRSSTC因为初级巨大的谐振电流要直接流过功率元件，所以一般DRSSTC使用IGBT作功率器件，因为它有更大的Icm值（集电极脉冲耐流），并且在大电流饱和状态下Vce比较稳定，损耗比高电压大电流的mosfet更小。

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对于DRSSTC，我们在制作中小型机的时候，有时会选择半桥作功率放大，但是无论大型机小型机还是使用全桥电路作功率放大的情况比较多。全压输出的全桥逆变电路推动串联谐振回路更具优势。 嗯，DRSSTC电路的主要部分的简单原理就是这样了，以后的专栏里我还会细讲关于DRSSTC的驱动，功率桥，灭弧电路的原理，并为大家分享一下我个人设计串联谐振回路的经验。UP学业比较繁忙，可能更新比较慢，希望大家能够理解吧。 总结：DRSSTC是使用现代全控元件作为功率器件的一类效率更高，功率更大的特斯拉线圈。是TC圈中最有发展前景的一类TC，电路中有两级LC串联谐振回路，无次级信号反馈。需要手动调整谐振。其优点是：小型机能在小功率的情况下制造出比同等功率大小的SSTC更长更壮观的电弧。这一类tc它的功率能做得很大，（国内爱好者有做过35KVA级的DRSSTC）灵活性强；可玩性强。缺点是：虽然电弧更长，但是噪音巨大。大型机器成本较高。

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以下是我个人对本篇所讲的三种TC的评价，仅个人意见。 SGTC： 电弧：★★★★☆ 噪音：★★★★★ 灵活性：★☆☆☆☆ 可玩性：★★☆☆☆ SSTC： 电弧：★★★☆☆ 噪音：★★☆☆☆ 灵活性：★★★★★ 可玩性：★★★☆☆ DRSSTC：电弧：★★★★★ 噪音：★★★★★ 灵活性：★★★☆☆ 可玩性：★★★★★

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好了，本篇专栏就到这里了，感谢您能阅读到这里。如果这篇专栏的内容对您有帮助，不妨动动手指，投个币，分享下。没有关注的朋友就顺手点个关注吧！您的支持是我最大的动力！如果您也是一位TC爱好者，对特斯拉线圈的制作感兴趣，不妨加入我们的QQ讨论群，让我们一起交流，共同分享制作经验！

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