淺析特斯拉線圈的差異

魏勇 李梅

【摘要】本文介紹了三種常見特斯拉線圈：SGTC（火花間隙特斯拉線圈），SSTC（固態(tài)特斯拉線圈），DRSSTC（雙諧振固態(tài)特斯拉線圈），同時對其構(gòu)造和功能上存在的差異進行了對比分析。

【關(guān)鍵詞】特斯拉線圈；SGTC；SSTC；DRSSTC

一、引言

特斯拉線圈是塞爾維亞籍科學(xué)尼古丁特斯拉于1891年發(fā)明，用來演示無線輸電以及高頻高壓交流電特性的裝置，其本質(zhì)是電路的LC振蕩。后期發(fā)展了SSTC，SGTC，DRSSTC，OLTC，VTTC等一列特斯拉線圈。本文從三種常見的特斯拉線圈入手，為初學(xué)者介紹其原理、構(gòu)造、功能，同時對其存在的差別的進行對比分析。

二、特斯拉主要種類及各類特斯拉的原理介紹

（一）SGTC（火花間隙特斯拉線圈）

SGTC的電路模塊主要包括升壓變壓器，全波整流橋，電容（C1），打火器，一個初級線圈L1和一個次級線圈L2（初級線圈的匝數(shù)大于次級線圈），以及與次級線圈相連的放電頂端；放電頂端與地面構(gòu)成對地等效電容（C2），兩者的電勢差能達(dá)到無限大。SGTC的工作原理就是一個交流電壓的電壓經(jīng)過升壓變壓器升壓后，再經(jīng)整流橋轉(zhuǎn)換成直流電壓給電容C1充電，電容兩極板的電勢差逐漸增大，由于電容與打火器是并聯(lián)的，電容兩極板的電壓實際上直接加在了打火器上，當(dāng)電容兩極的電壓增大到打火器擊穿電壓的閥值時，打火器間隙被擊穿，初級回路導(dǎo)通，初級回路中的電容C1和初級線圈L1構(gòu)成一個LC振蕩回路。此時由于LC振蕩，初級電路中的能量會在電容C1和初級線圈L1之間反復(fù)轉(zhuǎn)換。又由于初級線圈與次級線圈耦合，此時次級線圈中會產(chǎn)生感生電動勢，如此初級線圈的能量便傳遞給了次級線圈，由于次級線圈的匝數(shù)大于初級線圈，此時次級線回路中得到的電壓遠(yuǎn)大于初級回路，同時由于次級回路LC振蕩，次級回路中的電荷會不斷流向放電頂端，放電頂端電壓不斷升高，當(dāng)放電頂端的電壓達(dá)到一定值時，放電頂端會放出高壓電弧，當(dāng)初級和次級回路的振蕩頻率一樣即發(fā)生諧振時次級回路吸收初級回路能量的值達(dá)到最大，即此時次級回路中的能量達(dá)到最大，又由于次級回路本身的振蕩，這個最大的能量在次級線圈和對地等效電容間反復(fù)轉(zhuǎn)化，則放電頂端的電壓值會達(dá)到更大，此時放電頂端發(fā)出的電弧的長度達(dá)到最長。

（二）SSTC（固態(tài)特斯拉線圈）

SSTC的電路模塊與SGTC的電路模塊基本相同，兩者本質(zhì)的區(qū)別在于SSTC的信號不再依賴于初級回路的LC振蕩產(chǎn)生，而是依靠電路中的芯片的振蕩產(chǎn)生，即SSTC的電路模塊中不再有電容，取而代之的是一塊或多塊可產(chǎn)生高頻信號的芯片，和放大此信號的放大電路，其工作原理是：由芯片振蕩產(chǎn)生高頻信號，通過放大電路將此信號放大，再注入初級線圈L1，轉(zhuǎn)化為高頻磁場，并通過線圈耦合，將能量傳遞給次級線圈L2，由于次級回路的LC振蕩，次級回路得到的能量在次級線圈與放電頂端中轉(zhuǎn)換，放電頂端的電壓會不斷攀升，當(dāng)達(dá)到一定值時開始放出高壓電弧，此時的情況與SGTC一樣，當(dāng)次級回路的LC振蕩頻率與芯片發(fā)出高頻信號的頻率一致即發(fā)生諧振的時候，通過耦合次級回路得到的來自初級線圈中的能量達(dá)到最大，次級回路放電頂端的電壓會升得更高，從而形成更為壯觀的電弧。但由于SSTC初級線圈中提供的激勵有限，所以導(dǎo)致次級線圈中的得到能量較小，瞬間產(chǎn)生的電弧不及SGTC壯觀。

（三）DRSSTC（雙諧振特斯拉線圈）

DRSSTC電路模塊在SSTC的基礎(chǔ)上，在初級回路中串聯(lián)了一個電容組，即在SSTC的基礎(chǔ)上增加了一級LC振蕩，使初級電路的信號在原來的基礎(chǔ)上頻率達(dá)到更高，從而次級得到的電弧會較SSTC更為壯觀。其原理是由芯片振蕩產(chǎn)生高頻信號，經(jīng)電路放大部分將高頻信號放大，并注入由電容組和初級線圈L1形成的LC振蕩電路中，通過LC振蕩電路的作用，此信號的頻率再次提高，并通過耦合傳遞到次級線圈中，由于次級回路的LC振蕩，次級線圈得到的能量會在放電頂端（對地電容）與次級線圈中轉(zhuǎn)換，放電頂端的電壓會不斷升高，當(dāng)達(dá)到一定值時會放出高壓電弧。此處和SSGT是一樣的，當(dāng)高頻信號的輸出頻率與初級的LC的振蕩頻率以及次級的LC振蕩頻率相同時即三者諧振時，初級回路能量瞬間會變得很大，通過線圈耦合將初級回路中的能量傳遞給次級回路，則次級線圈中得到的能量會更大。由于次級回路本身的LC振蕩，次級回路放電頂端電壓會在很短的時間內(nèi)達(dá)到很高，當(dāng)電壓達(dá)到一定值后，放電頂端會放出特別壯觀的電弧。

三、三種特斯拉線圈的功能對比及優(yōu)缺點分析（見表1）

四、結(jié)果與討論

本文對主要的幾類特斯拉線圈的原理和功能進行了對比分析，闡述了SGTC、SSTC、DRSSTC三種基本特斯拉線圈的原理、電路組成、各自的優(yōu)缺點，及相互間存在的聯(lián)系與差異，幫助初學(xué)者更有效了解這三種基本的特斯拉線圈。

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作者簡介：魏勇（1987.06—），男，漢族，內(nèi)蒙包頭人，博士，重慶三峽學(xué)院，講師，研究方向：光纖傳感、大學(xué)生創(chuàng)新教育。