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特斯拉线圈原理
简单来说,特斯拉线圈是一种升压装置,学名为“分布参数高频共振变压器”。它带有两级升压线圈,可以把家用的220V电压升到数万伏甚至数十万伏,然后再经放电终端放电。由于电压很高,放电时产生的火花就像小型闪电。另一方面,特斯拉线圈包含了LC振荡回路,因此放电终端产生的交流电具有很高的频率。
以家用工频50Hz交流电为例,特斯拉线圈的放电终端可以达到100千赫兹到1.5兆赫兹,即工频的2000到30000倍。因此特斯拉线圈可以产生超高电压但低电流、高频率的交流电。
首先,工频电源经过升压变比为2000以上的变压器升压,经过整流桥后对电容C1充电。当电容的电压高到一定程度超过了打火间隙(SG)的阈值,打火间隙击穿空气打火,变压器初级线圈的通路形成,能量在电容C1和初级线圈L1之间振荡,并通过耦合传递到次级线圈。次级线圈也是一个电感,放顶罩C2和大地之间可以等效为一个电容,因此也会发生LC振荡。当两级振荡频率一样发生谐振的时候,初级回路的能量会涌到次级,放电端的电压峰值会不断增加,直到放电。
特斯拉线圈工作原理
特斯拉线圈的工作过程:电源要先给主电容充电,当电压达到打火器的放电阀值时,打火器间隙的空气电离打火,近似导通,建立初级谐振回路,通过振荡向次级回路传递能量。次级回路随之振荡,接收能量,放电顶罩的电压逐渐增大,并电离附近的空气,‘寻找’放电路径,一旦与地面形成‘通路’,‘闪电’也就出现了,如果没有‘闪电’,几个(次数主要与耦合系数有关)周波后,初级回路能量释放完毕。
较大部分的能量都转移到次级回路上,一部分能量损耗在回路上。次级回路继续振荡,并反客为主,带动初级回路振荡,以相同的方式把刚才得到的能量还给初级回路。但又一部分能量损耗在回路上,如此反复(见原理演示图),直到损耗掉大部分能量。打火器两端电压和电流都不足后,打火器等效断开,由外部电源继续给主电容充电。充电过程要比放电过程长得多,大概在3~10毫秒左右。所以特斯拉线圈放电频度都在每秒100次以上,也使肉眼看上去为连续放电效果。
原理演示图:
上面这张形象地描述了特斯拉线圈工作时的能量传递过程,为了更进一步了解变化的快慢,下面从波形仿真角度来看看电压的变化过程:
模拟以上波形的各项参数:
L1=11微亨,C1=230纳法;
L2=60毫亨,C2=42皮法;
主电容工作电压:V=10千伏
耦合系数:K=0.14;
谐振频率:f=100千赫兹;
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