教學(xué)用高壓放電演示裝置

謝玉勝

項(xiàng)目的研究背景

特斯拉線圈是一種使用共振原理工作的變壓器（共振變壓器），由交流電之父特斯拉發(fā)明，至今已有100多年的歷史，主要用來生產(chǎn)超高電壓、高頻率但低電流的交流電。隨著科技的發(fā)展，特斯拉線圈衍生出了很多種類。傳統(tǒng)的使用高壓電源驅(qū)動(dòng)、金屬打火器觸發(fā)的叫做“火花隙特斯拉線圈”（簡(jiǎn)稱SGTC）。這種線圈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易制作，但是工作時(shí)噪聲很大，效率低，壽命短。后來人們用半導(dǎo)體元件代替打火器，制造出了“固態(tài)特斯拉線圈”（簡(jiǎn)稱SSTC）。這種線圈因?yàn)闆]有諧振電容，所以單次放電量比較少，電弧較短，功率也比較小，它具有噪聲低、效率高、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。

在很多科技館里，參觀者都可以觸摸特斯拉線圈的電弧，也都會(huì)被那長(zhǎng)長(zhǎng)的電弧深深地震撼。大型的特斯拉線圈造價(jià)不菲，像科技館中的大型特斯拉線圈，電弧固然壯美絕倫，但造價(jià)動(dòng)輒數(shù)萬，不是一般人能夠承受得起的。同時(shí)大型的特斯拉線圈也不適用于課堂教學(xué)，危險(xiǎn)性較大。本項(xiàng)目通過研究，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種小型高壓放電演示裝置，適用于課堂教學(xué)和中小學(xué)生科學(xué)探究，可以演示各種高頻高壓放電現(xiàn)象，比如雅各布電梯、間隙放電、手指放電等，還可以通過音頻控制，具有很強(qiáng)的趣味性，能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

特斯拉線圈的主體部分包括升壓充電回路、初級(jí)諧振回路和次級(jí)回路。初級(jí)諧振回路由初級(jí)線圈、主電容、打火器構(gòu)成。次級(jí)諧振回路由次級(jí)線圈和放電頂端構(gòu)成，電容和電感的數(shù)值可根據(jù)實(shí)際制作而定，但兩回路的諧振頻率必須相同。固態(tài)特斯拉線圈的原理是：通過驅(qū)動(dòng)電路，將50Hz的民用交流電轉(zhuǎn)換為高頻交流電，通過初級(jí)線圈形成高頻磁場(chǎng)，當(dāng)磁場(chǎng)振蕩頻率和由一端接地的次級(jí)線圈和放電端形成的LC體系的固有頻率一致時(shí)發(fā)生諧振，此時(shí)次級(jí)線圈將大量電荷送入放電端，使得放電端電壓升得很高，從而形成閃電。固態(tài)特斯拉線圈沒有電容組，只有驅(qū)動(dòng)電路、初級(jí)線圈、次級(jí)線圈和放電端。它是依靠驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生高頻電流，送入初級(jí)線圈產(chǎn)生高頻磁場(chǎng)。

設(shè)計(jì)與制作

基本思路

由于固態(tài)特斯拉線圈的工作比較好控制，具有噪聲低、效率高、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。所以本演示裝置就基于固態(tài)特斯拉線圈的原理加以改進(jìn)并增加音樂鎖頻電路，使得振蕩頻率可以通過音頻控制，這樣演示的趣味性就大大增加。它由電源、驅(qū)動(dòng)電路、音樂滅弧電路、全橋驅(qū)動(dòng)、自制升壓線圈等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

當(dāng)開關(guān)管打開，大量的正電荷流向電容的負(fù)極，電流流過初級(jí)線圈。此時(shí)另外一個(gè)開關(guān)管打開時(shí)電流從相反的方向流過，因此平滑的直流電就變成了高頻振蕩的交流電。有2個(gè)開關(guān)管的電路叫做半橋電路。它的特點(diǎn)是只要2個(gè)開關(guān)管，成本很低。由于在充電時(shí)有2個(gè)電容串聯(lián)，因此放電的電壓只有輸入電壓的一半。由于半橋電路放電電壓小，于是有人又提出了全橋電路。全橋電路采用4個(gè)開關(guān)管，它的功率管是成對(duì)角線打開，通過對(duì)角線的2個(gè)功率管同時(shí)開關(guān)，實(shí)現(xiàn)振蕩，中間的接線處是通往初級(jí)線圈的。由于不用給橋臂電容充電，因此放電電壓是半橋電路的2倍。大功率的特斯拉線圈都會(huì)使用全橋電路，本項(xiàng)目也選用全橋電路。

制作選材

材料：次級(jí)線圈的骨架用PVC管制作，還需要合適的PVC管接頭（方便次級(jí)線圈和對(duì)地電容的固定）；0.2mm漆包線可從電子市場(chǎng)買到；初級(jí)線圈骨架用亞克力板或塑料菜板制作；磁環(huán)采用氧鐵體材質(zhì)，根據(jù)功率的大小選擇；小功率的低壓變壓器，用于驅(qū)動(dòng)電路板供電，電壓根據(jù)驅(qū)動(dòng)電路板的設(shè)計(jì)確定；其他材料還有木板、亞克力板、有機(jī)玻璃等。

工具：鉗子、螺絲刀、鋼鋸、鉆頭、示波器、信號(hào)發(fā)生器。

設(shè)計(jì)與制作

設(shè)計(jì)制作次級(jí)線圈。首先確定特斯拉線圈次級(jí)體積（次級(jí)的直徑和高度和PVC管直徑）和漆包線規(guī)格，一般次級(jí)線圈在1500～1800匝。制作次級(jí)線圈的時(shí)候，第1匝的繞制決定整個(gè)次級(jí)繞線的質(zhì)量，不能繞偏。繞線的時(shí)候，要避免將漆包線漆皮蹭破，也不要讓匝和匝重疊上。如果不能一次繞完次級(jí)線圈，要將漆包線用膠帶粘住，以免脫匝。繞制完成后，浸入環(huán)氧樹脂，進(jìn)行絕緣。繞制方式見圖2。

設(shè)計(jì)制作磁環(huán)互感器。磁環(huán)用鐵氧體材質(zhì)的。一般采用1：33：33的繞制方法，即用2個(gè)磁環(huán)，初級(jí)為全橋輸出導(dǎo)線穿過第1個(gè)磁環(huán)1匝，次級(jí)用細(xì)導(dǎo)線在第1個(gè)磁環(huán)上繞33匝引出，然后在第2個(gè)磁環(huán)上穿過1匝后短接，再用1根細(xì)導(dǎo)線在第2個(gè)磁環(huán)上繞33匝引出即可。

設(shè)計(jì)制作驅(qū)動(dòng)電路板。可以自己照著圖制作，也可以在有關(guān)網(wǎng)店購(gòu)買專門的套件。

性能調(diào)試

連接好所有電路，確保線路連接無誤。

固定好所有部件，關(guān)閉所有開關(guān)，連接接地線和供電線。

打開驅(qū)動(dòng)板電源，此時(shí)應(yīng)只有綠色電源燈點(diǎn)亮。

調(diào)整驅(qū)動(dòng)板上的R電位器，調(diào)整過流保護(hù)閥值。

打開滅弧控制器，此時(shí)驅(qū)動(dòng)板上黃色滅弧信號(hào)指示燈閃動(dòng)。如需要音樂滅弧，則先將音源接至滅弧控制器，打開音源，調(diào)節(jié)音源音量，直到滅弧信號(hào)指示燈隨音樂頻率閃動(dòng)。

接通全橋電源，打開滅弧控制器，此時(shí)會(huì)有電弧從放電端噴出，見圖3。

關(guān)閉滅弧控制器，切斷全橋電源，調(diào)整初級(jí)諧振頻率，使其放電效果最佳，見圖4。

在一定頻率內(nèi)裝置自動(dòng)鎖定頻率，如果未能鎖定，可以通過調(diào)節(jié)有關(guān)電阻以決定上下限。

諧振調(diào)節(jié)好后，慢慢加大ontime，直到紅色過流保護(hù)指示燈點(diǎn)亮，此時(shí)略微減小ontime，使紅燈熄滅，然后調(diào)節(jié)bps到適當(dāng)位置（根據(jù)自己需要），此時(shí)裝置進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

整個(gè)調(diào)試過程中一定要遵循斷電后操作，禁止帶電調(diào)節(jié)任何部件！開機(jī)順序?yàn)轵?qū)動(dòng)一全橋一滅弧，關(guān)機(jī)順序相反。裝置整體見圖5。

總結(jié)：最后你會(huì)發(fā)現(xiàn)鎖相環(huán)固態(tài)特斯拉線圈其實(shí)也不算很難，只是在SSTC上應(yīng)用了更多其他的電子技術(shù)，使裝置性能更好。在調(diào)試時(shí)最好有調(diào)壓器和采樣示波器，因?yàn)橹苯邮褂檬须娙菀自斐晒β蔬^大損壞開關(guān)管，用了調(diào)壓器可避免這一弊端；有了采樣示波器，則排除故障就會(huì)方便許多。

安全注意事項(xiàng)

雖然此項(xiàng)目為教學(xué)用高壓放電演示裝置，但千萬不要試圖觸摸通電運(yùn)作中的高壓電設(shè)備/電弧，電容充電后可以在很長(zhǎng)一段時(shí)間儲(chǔ)存足以致命的能量，在大容量或是高壓電容上一定要加上適當(dāng)?shù)男箟弘娮?，并在關(guān)機(jī)后一段時(shí)間才觸摸。盲目實(shí)驗(yàn)是安全的最大敵人。

如果實(shí)驗(yàn)者身上有任何植入/非植入式電子醫(yī)療器具，一定不要操作任何高壓電設(shè)備！

實(shí)驗(yàn)主持者對(duì)周圍的人要大概了解一下，如果周圍有使用心臟除顫器、起搏器的人，禁止啟動(dòng)特斯拉線圈！

確保測(cè)試區(qū)附近的大型金屬物件/儀器外殼均已接地，以防其累積出有危險(xiǎn)性的電荷，如測(cè)試區(qū)附近有電容器，請(qǐng)確保測(cè)試后立刻放電！

確保特斯拉線圈單獨(dú)可靠接地，絕對(duì)不要和用戶的地線接上！

在以上情況允許之后，確保自己在安全范圍，不要讓“閃電”劈到自己！

確保供電線路保護(hù)機(jī)制可靠，可以在出現(xiàn)過載或短路的情況下可靠地?cái)嚅_電路。

項(xiàng)目主要貢獻(xiàn)及改進(jìn)點(diǎn)

本教學(xué)用高壓放電演示裝置基于固態(tài)特斯拉線圈，采用電子技術(shù)巧妙設(shè)計(jì)制作而成，既能演示各種高頻高壓放電現(xiàn)象，還可以通過音頻控制、自動(dòng)鎖定頻率，使電弧推動(dòng)空氣發(fā)聲，彈奏美妙的樂曲，且工作極其穩(wěn)定。本裝置具有很強(qiáng)的趣味性，能提高學(xué)生對(duì)科學(xué)的興趣和愛好。

進(jìn)一步改進(jìn)的設(shè)想

本項(xiàng)目還可進(jìn)一步改進(jìn)，采用獨(dú)立雙電源供電，使工作與性能更加穩(wěn)定，絢麗的閃光不僅能讓旁觀者驚呼連連，而且在嘶嘶作響的音樂閃光聲中，還能聞到沁人的香氣。

該項(xiàng)目獲得第30屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果科教制作類一等獎(jiǎng)。

專家評(píng)語

該項(xiàng)目基于固態(tài)特斯拉線圈，采用電子技術(shù)設(shè)計(jì)制作了高頻高壓放電演示裝置。原理科學(xué)，概念清晰，構(gòu)思巧妙，設(shè)計(jì)合理，作品教育性強(qiáng)；選題新穎，具有實(shí)質(zhì)性創(chuàng)新，對(duì)傳統(tǒng)方法有突破。作品效果顯著，制作規(guī)范，具有示范推廣價(jià)值，希望該項(xiàng)目在安全防護(hù)方面作出改進(jìn)和提升。endprint