特斯拉线圈电路原理讲解

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：

L1 的绕制方向对于波形有什么影响？ 没有 L2，只有 L1 时电路是否工作？ 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。 （关注公众号 电路一点通）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。

（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。

审核编辑：汤梓红