特斯拉线圈经典电路设计方案

鉴于传统特斯拉线圈的种种弊端，我在挑战杯项目中提出了一种创新性的解决方案，利用了新式的器件，如 STM32 微控制器、CPLD 等构建了一种能在室内方便使用、安全可靠、功能齐全的双谐振固态特斯拉线圈。

经过设计、计算，采用如下方法制作了次级线圈：在直径 10cm 的有机玻璃管上，用直径 0.23mm，绝缘层厚度 0.02mm 的漆包线密绕约 1500 匝。

实际测量得到：电感量 46.2mH，电阻 183Ω，和理论值相比小一些可能是因为绕制不是绝对紧密，匝数比 1500 匝少一些。此外还用测谐振频点的方法确定了其寄生电容约 5pF。

在固定了次级的电感和电容后，根据串联谐振条件选取了初级线圈和电容，考虑到初级回路的大电流特性，最终使用了 5nF 的高压薄膜电容，用 10AWG 的线材绕制初级线圈，计算得到初级线圈电感量约为 9nH，对应于在 15cm 直径的骨架上绕约 6 匝。

驱动电路的目标是给初级 LC 谐振回路谐振频率相同的交流激励，它的核心是一个反馈追频的逆变全桥，为了防止功率管损坏，需要添加过流保护、并通过一个灭弧信号让其间歇工作，同时全桥需要实现零电流关断来减小发热。

在原理上，我采用了 Steven Ward 在 2008 年给出的经典电路方案。

使用 CPLD 来实现其中的数字逻辑部分，这样提升了集成度和稳定性，电路也可以做得更小。CPLD 多余的内部资源还可以用于其他功能。

通过大量的实验，我发现，通过一些优化可以使电弧的发音明显改善。由于当放电电极两端固定后，产生的电弧长度就固定了，这样在发音的稳定性上相比传统特斯拉线圈拥有巨大优势。

我们基于电弧本身的性质，通过调整参数，进行了高低音占空比补偿，将最初的噪声转化为了非常悦耳的音乐。

疑问： 关于电磁信号检测的问题，看到技术报告都是 L 和 C 进行并联，但是有的说是串联谐振有的说是并联谐振来进行选频。感觉串联谐振通过的电流最大，而并联谐振不管什么时候都会有不小的电压吧?但是电路图他们都是并联的。

回复： 如果从电感中的所产生的电动势角度来看，环路中的电感 L 和电容 C 形成了串联谐振，于是在 C 上产生了更高的谐振电压被后级检波放大;

如果从后级输入端口来看，LC 形成了并联谐振，形成了一个选频带通电路，它只对电感中感应到的谐振频率的信号产生较大的输出，其他的信号则被滤除了。

总之，通过谐振电路，形成了对 20kHz 正弦信号的选择，而将其它的干扰信号滤除。

疑问： 那个 rda5807 输出的是一个正弦信号，AD 采集不到负值，现在需要加一个直流偏执电路，但是我感觉这个信号电路也是一个高频的电路了直接加偏执电路的话会不会有影响啊?

回复： 这个电路只是将 RDA5807 输出的信号中的交流成分重新偏置到单片机 AD 输入电压范围的中点电压，这样就保证接收到的 Chirp 音频信号始终处在 AD 转换电压范围内。由于其中包括有隔直电容，所以不会对前级的电路产生影响。

审核编辑：汤梓红