固態(tài)特斯拉線(xiàn)圈功率放大電路

如同上面第一張SSTC電路圖，它是用單個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)進(jìn)行功率放大的，功率有限且輸出為脈沖直流電。

半橋是由兩個(gè)功率放大管和兩個(gè)電容構(gòu)成的功率放大電路，效果比單管好很多。

"對(duì)與大多數(shù)玩了SGTC的人來(lái)說(shuō)都想玩更高級(jí)的SSTC/DRSSTC，但是許多人在這是就會(huì)遇到困難，在這里我給那些新人們講講功率電路

紅色表示高壓 藍(lán)色低壓 黃色為中間壓 同名端已標(biāo)出

通電時(shí)，由于開(kāi)關(guān)管關(guān)閉沒(méi)有其他地方能讓電流通過(guò)，因此電流就只有給兩個(gè)橋臂電容充電。

然后當(dāng)開(kāi)關(guān)管打開(kāi)時(shí)，電容通過(guò)開(kāi)關(guān)管放電，在電流的流動(dòng)中經(jīng)過(guò)了初級(jí)線(xiàn)圈。當(dāng)另一個(gè)開(kāi)關(guān)管打開(kāi)時(shí)電流的方向與之前是相反的，由此產(chǎn)生了震蕩。

這種有兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的我們叫它半橋，它的特點(diǎn)是只要兩個(gè)開(kāi)關(guān)管省錢(qián)，由于在充電時(shí)有兩個(gè)電容串聯(lián)，因此放電的電壓只有輸入電壓的一半。 "

如果用兩個(gè)功率管代替兩個(gè)電容，就成了全橋。它的功率又高于半橋。

其中的"Output"接初級(jí)線(xiàn)圈。

全橋?yàn)?個(gè)功率管成對(duì)角線(xiàn)打開(kāi)，電壓為滿(mǎn)電壓，所以效果比半橋好。

特斯拉線(xiàn)圈，是塞爾維亞籍科學(xué)家尼古拉·特斯拉于1891年發(fā)明，用來(lái)演示無(wú)線(xiàn)輸電以及高頻高壓交流電特性的裝置。特斯拉生活的年代沒(méi)有半導(dǎo)體晶體管，所以他發(fā)明的線(xiàn)圈是比較落后的SGTC(火花間隙特斯拉線(xiàn)圈，Spark Gap Tesla Coil)，效率較低，且噪音巨大。現(xiàn)代的愛(ài)好者們根據(jù)特斯拉線(xiàn)圈的本質(zhì)的原理(LC振蕩)，發(fā)明了固態(tài)特斯拉線(xiàn)圈(Solid State Tesla Coil，簡(jiǎn)稱(chēng)SSTC)。固態(tài)特斯拉線(xiàn)圈有效率高、噪音小、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，而且由于固態(tài)特斯拉線(xiàn)圈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，它可以通過(guò)一個(gè)電路輸入音頻，使特斯拉線(xiàn)圈的電弧直接推動(dòng)空氣發(fā)聲，這使得特斯拉線(xiàn)圈成為了一件藝術(shù)品。而后來(lái)的人在SSTC的基礎(chǔ)上，發(fā)明了DRSSTC(雙諧振固態(tài)特斯拉線(xiàn)圈，Double Resonance Solid State Tesla Coil)。它給初級(jí)線(xiàn)圈串聯(lián)了MMC(諧振電容)，和初級(jí)線(xiàn)圈的電流構(gòu)成了共振，初級(jí)線(xiàn)圈內(nèi)部的電流更大，使電弧效果進(jìn)大幅提高。

在固態(tài)特斯拉線(xiàn)圈的基礎(chǔ)上，愛(ài)好者們發(fā)明了雙諧振固態(tài)特斯拉線(xiàn)圈，即DRSSTC，它的初級(jí)線(xiàn)圈串聯(lián)的電容，而電容和初級(jí)線(xiàn)圈構(gòu)成的LC振蕩可以和驅(qū)動(dòng)板輸出的信號(hào)構(gòu)成共振，瞬間的電流很大，這使線(xiàn)圈的電弧更加壯觀。

假設(shè)一個(gè)SSTC的頻率源的頻率是500kHz，這時(shí)，我們將一個(gè)電容串聯(lián)到初級(jí)線(xiàn)圈上，然后，經(jīng)過(guò)計(jì)算，使電容的容量和初級(jí)線(xiàn)圈的電感量構(gòu)成LC振蕩，頻率也是500kHz。

我們不妨做一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)。一個(gè)體重很大的人坐在秋千上，開(kāi)始時(shí)，他相對(duì)于地面靜止。我們假設(shè)他在擺動(dòng)時(shí)不會(huì)受到任何阻力的影響。這時(shí)，一個(gè)小孩來(lái)推他。我們可以知道，這個(gè)小孩的力量很小，每次只能給這個(gè)人增加10J的動(dòng)能。假設(shè)這個(gè)人有了10J的動(dòng)能后，向前擺了起來(lái)。但是，10J的動(dòng)能真是太小了，他很快就蕩了回來(lái)。這個(gè)小孩看準(zhǔn)時(shí)機(jī)，在他擺回來(lái)后，又剛剛開(kāi)始向前擺動(dòng)的時(shí)候，推了他一下。這個(gè)小孩再次對(duì)他做了10J的功，然后他在向前擺動(dòng)時(shí)，就有了20J的動(dòng)能。如此下去，每一次都會(huì)增加10J的動(dòng)能，一次次下去，這個(gè)數(shù)字將會(huì)是很驚人的。

DRSSTC就是這樣。當(dāng)電流流過(guò)初級(jí)線(xiàn)圈時(shí)，就會(huì)給電容充電。這時(shí)，電容的兩個(gè)極板有了一定的電勢(shì)差。然后由于LC振蕩，它立即放出了電流，并很快將電流的方向反轉(zhuǎn)。就在它反轉(zhuǎn)的一瞬間，初級(jí)線(xiàn)圈的電流沿著和反轉(zhuǎn)后的電流方向一致的方向流了過(guò)來(lái)。

如同那個(gè)秋千。那個(gè)秋千里的人受到一次次恰到好處的力，一次次地?cái)[回來(lái)，和小孩推秋千的頻率達(dá)成了共振。

現(xiàn)在，初級(jí)線(xiàn)圈里的電流和電容的電流也達(dá)成了共振(不過(guò)在電路里，這個(gè)狀態(tài)通常稱(chēng)為諧振)，電壓越來(lái)越高，電流越來(lái)越大。

在秋千實(shí)驗(yàn)里，如果小孩的做功長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)下去，總有一天那個(gè)人會(huì)飛出去。

同樣的，在DRSSTC里，如果共振的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，就會(huì)導(dǎo)致電壓過(guò)高，擊穿開(kāi)關(guān)管。由于電路的頻率十分高，開(kāi)關(guān)管將會(huì)在不到一秒內(nèi)炸開(kāi)。該如何解決這個(gè)問(wèn)題呢?

如果小孩在推到一定程度時(shí)，都有一個(gè)大力士來(lái)把那個(gè)秋千上的人按住，使他停止擺動(dòng)，恢復(fù)靜止。這樣，他就不會(huì)飛出去了。靜止后，小孩可以繼續(xù)一次次推的動(dòng)作，而大力士總會(huì)在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間把秋千上的人按住。這樣，就安全了。

沒(méi)錯(cuò)，這就是滅弧電路的原理。當(dāng)共振開(kāi)始后，電壓逐漸升高，高到一定程度時(shí)，滅弧電路開(kāi)始發(fā)揮作用，它發(fā)出一個(gè)信號(hào)使驅(qū)動(dòng)板輸入GDT的信號(hào)終止(如果是單管，就終止輸入到功率管基極或門(mén)極的信號(hào)，不過(guò)很少有人用單管做DRSSTC)，共振就停止了。電容開(kāi)始釋放掉它的能量，從頭再來(lái)。事實(shí)上，一般的滅弧信號(hào)都是發(fā)出一個(gè)正脈沖，使驅(qū)動(dòng)板工作，當(dāng)脈沖停止時(shí)，就終止信號(hào)。由于DRSSTC的電容，這個(gè)滅弧頻率必須掌握好，否則只有一個(gè)后果:開(kāi)關(guān)管爆炸。一般，滅弧器都是由芯片構(gòu)成的，很少有人用手來(lái)做這個(gè)動(dòng)作。

當(dāng)然，還有一些比較奇特的滅弧方式。比如科創(chuàng)論壇的圈圈，就曾經(jīng)使用市電整流不加濾波的方式代替滅弧器。效果應(yīng)該是還可以的。

如果采用定頻的方式，可能不能保證電容和驅(qū)動(dòng)板的信號(hào)完美諧振。Steve Ward發(fā)明了初級(jí)反饋的方式，使得DRSSTC的初級(jí)部分可以完美地諧振。具體方式和追頻SSTC的次級(jí)反饋類(lèi)似，不過(guò)反饋的來(lái)源換成了初級(jí)線(xiàn)圈。

它用一個(gè)互感器將初級(jí)線(xiàn)圈和驅(qū)動(dòng)板相連，直接采集初級(jí)線(xiàn)圈和電容的LC振蕩頻率作為發(fā)出高頻電的信號(hào)。這樣，保證了初級(jí)電容和驅(qū)動(dòng)板的共振。

但這樣也有缺點(diǎn)，在調(diào)整好初級(jí)的諧振后，就要調(diào)整初級(jí)和次級(jí)之間的諧振了，這是個(gè)麻煩的過(guò)程。但是，當(dāng)你耗費(fèi)精力做好一個(gè)DRSSTC，一切塵埃落定，按下開(kāi)關(guān)，看到?jīng)]有SGTC的噪音卻有SGTC的壯觀程度的電弧，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，這一切努力都是值得的。

事實(shí)上，除了SGTC，其它類(lèi)型的特斯拉線(xiàn)圈都是固態(tài)的(截至目前)。

除了SGTC、SSTC、DRSSTC，還有PLLSSTC(鎖相環(huán)固態(tài)特斯拉線(xiàn)圈)、VTTC和OLTC。

真空管特斯拉線(xiàn)圈，Vacuum Tube Tesla Coil，簡(jiǎn)稱(chēng)VTTC。

當(dāng)電子管逐漸退出我們的視野時(shí)，一群電子管發(fā)燒友用它們做出了VTTC。電子管本身有高頻性能好等等優(yōu)點(diǎn)，所以做出的VTTC效果十分獨(dú)特。但是，不可否認(rèn)，電子管本身有造價(jià)高、壽命低、效率低、發(fā)熱嚴(yán)重以及極易損壞等缺點(diǎn)，VTTC未能大范圍流行。

基本原理，類(lèi)似于晶體管的自激。

VTTC的效果很奇特，電弧很直，像利劍一樣。有時(shí)候，電弧四處散開(kāi)，如同禮花彈一般。

離線(xiàn)式特斯拉線(xiàn)圈，Off Line Tesla Coil，簡(jiǎn)稱(chēng)OLTC。

當(dāng)我們把SGTC的打火器去掉，換成一個(gè)MOSFET或者IGBT來(lái)代替，并在用一個(gè)二極管反向并聯(lián)在D極和S極(如果是IGBT，就是C極和E極)上，并用一個(gè)固態(tài)的電路來(lái)控制這個(gè)開(kāi)關(guān)管，再加以低壓驅(qū)動(dòng)，就成了OLTC。

它的本質(zhì)原理依然是LC振蕩，且和SGTC幾乎相同，不同的地方，就是把打火器換成了固態(tài)開(kāi)關(guān)，并使用了低壓驅(qū)動(dòng)。其它地方?jīng)]有太多區(qū)別。

由于是低壓驅(qū)動(dòng)，無(wú)法形成太大的電流，所以O(shè)LTC的電弧是不如SGTC壯觀的。

固態(tài)特斯拉線(xiàn)圈，修正了傳統(tǒng)的SGTC的很多缺點(diǎn)，又增加了很多新功能，比如音樂(lè)滅弧等。不過(guò)，由于固態(tài)特斯拉線(xiàn)圈需要功率管進(jìn)行放大信號(hào)，所以功率管的功率直接影響到線(xiàn)圈的功率，而功率管的功率是和價(jià)格成正比的。

SSTC也有缺點(diǎn)，比如，同輸出功率下，SSTC的電弧成簇狀，且明顯不如SGTC壯觀。這時(shí)，可以加上一個(gè)滅弧器來(lái)模仿SGTC的工作，電弧可以長(zhǎng)一些。而DRSSTC由于有了諧振電容，兼具了SSTC噪音小、壽命長(zhǎng)和SGTC電弧壯觀的優(yōu)點(diǎn)，受到大量愛(ài)好者的推崇。

SSTC容易將人的皮膚燒傷。盡管有高頻電的趨膚效應(yīng)，但是高壓電擊穿空氣產(chǎn)生的高溫不可忽視。如果功率較小，SGTC的電弧是可以直接用手接觸的(注意!一般不要這樣做)，我曾親自試過(guò)幾次。而同功率的SSTC卻可以把人的皮膚燒傷，這也是我的親身經(jīng)歷(燒傷不嚴(yán)重，只是手上燒出一個(gè)小小的黑點(diǎn))。而DRSSTC的電弧也是很危險(xiǎn)的，據(jù)說(shuō)可以電死老鼠(未經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，但這是有可能的)。

無(wú)論如何，無(wú)論是何種的特斯拉線(xiàn)圈，大家都要特別注意安全。畢竟是高壓電。

現(xiàn)代的愛(ài)好者們，根據(jù)特斯拉線(xiàn)圈由LC振蕩接收能量的原理，設(shè)計(jì)出了極具現(xiàn)代感的SSTC。早期的SSTC玩家大多數(shù)都是外國(guó)人。

固態(tài)特斯拉線(xiàn)圈，是由芯片振蕩代替SGTC的LC振蕩并由放大器放大功率后驅(qū)動(dòng)次級(jí)線(xiàn)圈部分的特斯拉線(xiàn)圈。它的原理依舊是LC振蕩，只是發(fā)射端作了改動(dòng)。

固態(tài)特斯拉線(xiàn)圈還可以通過(guò)音頻來(lái)控制，使電弧推動(dòng)空氣發(fā)聲。

固態(tài)特斯拉線(xiàn)圈是通過(guò)芯片的振蕩來(lái)產(chǎn)生高頻交流電的。由于固態(tài)特斯拉線(xiàn)圈的工作比較好控制，固態(tài)特斯拉線(xiàn)圈有兩種:定頻和追頻。定頻，即初級(jí)部分只能發(fā)射出一個(gè)固定的頻率;而追頻，就是初級(jí)部分會(huì)根據(jù)次級(jí)部分的LC振蕩頻率自動(dòng)調(diào)整發(fā)射頻率，從而達(dá)到完美的諧振。所以，追頻SSTC已經(jīng)成為固態(tài)特斯拉線(xiàn)圈的主流。

這是一張由555定時(shí)器芯片控制的定頻SSTC電路圖，來(lái)源不詳(根據(jù)推測(cè)，有可能是貼吧的 Tesla粉絲 的作品)。

其中，NE555是頻率源，即產(chǎn)生高頻信號(hào)的芯片。它通過(guò)8、7腳上的電阻和6腳上的電容來(lái)控制輸出頻率，對(duì)于它的原理，在此不作過(guò)多解釋。

555定時(shí)器由3腳輸出高頻信號(hào)。在此電路圖中，輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)3個(gè)晶體管的放大，輸入到一個(gè)MOSFET(金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管)的門(mén)極，經(jīng)過(guò)放大，在初級(jí)線(xiàn)圈輸出強(qiáng)度較高的高頻電磁波，被次級(jí)線(xiàn)圈接收，由于LC振蕩，在次級(jí)線(xiàn)圈中產(chǎn)生電流，從而產(chǎn)生電弧。

制作定頻SSTC，需要使芯片輸出的頻率和次級(jí)部分的LC振蕩頻率一致，才能諧振。所以，此電路圖中，7腳上的電阻用一個(gè)定值電阻和一個(gè)電位器代替，可以比較方便地調(diào)節(jié)輸出頻率，從而諧振。

特別說(shuō)明，如果按照這張電路圖的參數(shù)制作，輸出的頻率對(duì)于一般的SSTC來(lái)講有點(diǎn)低了，所以盡量不要按照這張圖的數(shù)據(jù)來(lái)制作。

定頻電路有它本身的缺點(diǎn)，于是追頻電路誕生了。

Steve的追頻SSTC

這是國(guó)外愛(ài)好者Steve Ward的電路，是追頻電路。

首先，對(duì)次級(jí)線(xiàn)圈發(fā)射一些能量，使它內(nèi)部有高頻交流電(LC振蕩)，然后會(huì)發(fā)射出電磁波。電磁波被天線(xiàn)接收(圖中的Antenna)，經(jīng)過(guò)兩個(gè)邏輯門(mén)成為正電壓的信號(hào)，然后輸入兩枚功率放大芯片，再通過(guò)GDT(Gate Driver Transformer，門(mén)驅(qū)動(dòng)變壓器)輸入到一個(gè)半橋(功率放大電路，后面會(huì)詳細(xì)地講)中，產(chǎn)生強(qiáng)度較高的電磁波，被次級(jí)線(xiàn)圈接收。此時(shí)次級(jí)線(xiàn)圈內(nèi)再次有了能量，會(huì)以電磁波的形式發(fā)射出來(lái)，輸入天線(xiàn)，于是就這樣循環(huán)下去了，這種反饋方式叫天線(xiàn)反饋。

除了上述的反饋方式，磁環(huán)反饋是另一種反饋方式，在一個(gè)大小合適的磁環(huán)上面繞上30到50匝的導(dǎo)線(xiàn)，將導(dǎo)線(xiàn)的兩端接到圖中的反饋處，然后將次級(jí)的地線(xiàn)穿過(guò)磁環(huán)繞一匝再接地就可以了。

天線(xiàn)反饋的優(yōu)點(diǎn)是制作簡(jiǎn)單，原理是利用電磁波遇到金屬會(huì)產(chǎn)生感生電流的特性;缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路也要接地，有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)起振困難的狀況。磁環(huán)反饋則正好與天線(xiàn)反饋相反。

追頻電路是由次級(jí)LC振蕩回路直接采集頻率信息，從而發(fā)射電磁波，于是可以達(dá)到完美的諧振。

信不信由你，特斯拉線(xiàn)圈不只能夠保護(hù)你的筆記本電腦、彈奏美妙的樂(lè)曲，還可以讓一群人一起歡呼，一同流口水唷!

這場(chǎng)在加州圣馬刁 Maker Faire 2008 會(huì)場(chǎng)內(nèi)的表演，炫麗的閃光不僅讓旁觀的觀眾驚呼連連，而在嘶嘶作響的閃光聲中，隱約還能聽(tīng)到嘖嘖的口水聲。不過(guò)這可不是觀眾被閃電電到臉部抽筋所至亂噴口水，而是由于在這兩座線(xiàn)圈中掛有成打的熱狗，當(dāng)閃電刷過(guò)的時(shí)候，陣陣的香味也就跟著飄了出來(lái)。