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特斯拉线圈

特斯拉线圈

特斯拉线圈（Tesla Coil），是一种使用共振原理运作的变压器（共振变压器），其原理是使用变压器使普通电压升压，然后经由两极线圈，从放电终端放电。所有特斯拉线圈均由4个基本组件组成：一次侧、次级线圈、放电顶端和控制电路。

1826年，法国科学家菲利克斯·萨瓦里（Felix Savary）首次发现了电容器可以产生电振荡的证据。1857年，德国物理学家贝伦德·威廉·费德森（Berend Wilhelm Feddersen）在旋转镜中拍摄了莱顿瓶谐振电路产生的火花，提供了振荡的可见证据。1891年，美籍塞尔维亚裔科学家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）发明了特斯拉线圈，主要用来生产高压高频低电流的交流电。1893年，特斯拉做了一次关于无线传输的讲座并进行演示，他提出将信号传输与电力传输结合起来，同时获得该专利，这是第一个无线电专利。2001年5月，国际无线电力传输技术会议召开期间，法国国家科学研究中心的皮格努莱特，利用特斯拉线圈的无线传输电能点亮了距离大约45米的一个200W的灯泡。

据开关元件的不同，特斯拉线圈主要包括火花间隙特斯拉线圈和固态特斯拉线圈，特斯拉线圈用途比较广泛，多用于电子产业，如利用特斯拉线圈对手机无线充电；也用于艺术方面，如利用音乐特斯拉线圈使不同频率的电弧击穿不同程度的空气，发出不同频率的声音；还可以用于铝焊接等。

历史沿革

理论背景

1826年，法国科学家菲利克斯·萨瓦里（Felix Savary）首次发现了电容器可以产生电振荡的证据。他发现，当莱顿瓶通过缠绕在铁针上的电线放电时，有时铁针会沿一个方向磁化，有时会沿相反方向磁化。1842年，美国物理学家约瑟夫·亨利（Joseph Henry）重复了萨瓦里的实验，并得出了相同的结论。

1853年，英国科学家威廉·汤姆森（William Thomson）用数学方法证明莱顿瓶通过电感的放电应该是振荡的，并推导出其谐振频率。

1857年，德国物理学家贝伦德·威廉·费德森（Berend Wilhelm Feddersen）在旋转镜中拍摄了莱顿瓶谐振电路产生的火花，提供了振荡的可见证据。1868年，苏格兰物理学家詹姆斯·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）统计了将交流电施加到具有电感和电容的电路上的效果，表明在谐振频率下响应达到最大值。

1887年，德国物理学家海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）发表了关于发现无线电的开创性论文，该论文提供了火花隙LC谐振探测器中可获得的火花长度与频率的函数关系。

发明创新

1891年，美籍塞尔维亚裔科学家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）发明了特斯拉线圈，主要用来生产高压高频低电流的交流电。

1893年，特斯拉做了一次关于无线传输的讲座并进行演示，他提出将信号传输与电力传输结合起来，同时获得该专利，这是第一个无线电专利。

1899~1900年，特斯拉在科罗拉多斯普林斯建造了的特斯拉线圈并进行了无线输电实验。

最初的特斯拉线圈均使用火花间隙作为开关器件，20世纪50年代出现了电力电子技术，并且发展迅速。随着高速、高可控性电力电子器件的出现，开始出现了使用电力电子器件驱动的特斯拉线圈，因为其开关元件为固态半导体器件，因此这类特斯拉线圈被称为固态特斯拉线圈。

1997年，国防科技大学实验研究后表示已经研制出耦合系数高达0.585的特斯拉变压器，当输入电压30000V时，输出电压可达1.2MV。

2001年5月，国际无线电力传输技术会议召开期间，法国国家科学研究中心的皮格努莱特，利用特斯拉线圈的无线传输电能点亮了距离大约45米的一个200W的灯泡。

基本原理

特斯拉线圈的原理是使用变压器使普通电压升压，然后经由两极线圈，从放电终端放电。特斯拉线圈由两个回路通过线圈耦合。首先电源对电容C1充电，当电容的电压高到一定程度超过了打火间隙的阈值，打火间隙击穿空气打火，变压器一次侧的通路形成，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。次级电感线圈也是一个电感，放电顶端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。

震荡电路主要由感应线圈和电容器组成。感应线圈在通电的瞬间产生与原电流方向相反的电流（强度较弱），在断电的瞬间则产生与原电流方向相同的电流。

基本结构

所有特斯拉线圈均由4个基本组件组成：一次侧、次级线圈、放电顶端和控制电路。当正确组合时，这些部件可以使特斯拉线圈在顶部负载中产生极端电压，从而在空气中产生大电弧。

初级线圈

初级线圈是绕制在特斯拉线圈的下方的线圈，通常由大功率铜线制成。它与电源相连，承载着电流和能量的传输。初级线圈的功能是提供电源能量，产生磁场，并调节次级线圈的共振频率。它的匝数通常比次级线圈少，因此承载着更大的电流和功率传输。主电感线圈和次级线圈之间的电磁耦合使得能量可以从主线圈传递到次级线圈，形成高频的交流电场和磁场。

次级线圈

次级线圈是绕制在一次侧的上方的线圈，通常由绝缘的细电线绕制而成。它通过电磁感应从初级线圈获取能量，并将这些能量转换为高电压、高频率的信号输出。次级线圈是特斯拉线圈的关键组件，次级线圈的匝数通常比初级线圈多，因此产生的电压更高。次级线圈通过共振现象来增强输出信号，并产生闪电放电或电火花等效应。

放电顶端

放电顶端是特斯拉线圈顶部的大圆环形状。首先，它提供了一个形状良好的电场，以防止火花和闪络。放电顶端的大而光滑的表面可以防止火花在机器上形成。由于火花喜欢在尖锐的点或边缘处产生，放电顶端的设计有助于防止这种情况发生，并保护机器。其次，放电顶端充当电容器。它的大小和形状决定了其电容值。通过调整放电顶端的大小，可以调整线圈的频率。通过选择适当的放电顶端，可以提高特斯拉线圈的性能和效率。

控制电路

以火花间隙特斯拉线圈为例，火花间隙特斯拉线圈作为最传统的特斯拉线圈，其控制电路比固态电路简单，仅由初级电容器和火花间隙组成。

电容器

初级电容器是特斯拉线圈中与一次侧一起使用的元件，用于创建初级LC电路。初级电容器通常由数十个串联/并联的电容器组成，具有较高的可调节性和易于更换的优点。初级电容器阵列中通常使用1.6kV至2kV的电容器，并且使用多个串联电容器以提供足够的额定电压。

火花间隙

火花间隙是一种将初级电容器瞬时连接到初级线圈的开关。它允许电容器中的电荷通过间隙放电到线圈中。火花间隙有两种基本设计：静态间隙和旋转间隙。静态间隙是指电极静止的间隙，而旋转间隙使用旋转电极。

静态间隙由两个螺栓、电线或其他导体组成。间隙的宽度需要根据电容器的电压来确定，并且应该能够轻松调整。室电（220V交流电）经过整流器处理变成直流电，处理后的直流电经过高频振荡器的作用变成频率更高的交变电流，产生的高频交流电经过升压变压器升至万伏以上，从而可以达到击穿空气的效果。打火器是由两个光滑表面构成的，它们之间有几毫米的间距，具体的间距要由高压输出端电压决定。当主电容两个极板之间的电压达到一定程度时，会击穿打火器处的空气，和一次侧构成一个LC振荡回路。

类型

根据开关元件的不同，特斯拉线圈主要包括火花间隙特斯拉线圈和固态特斯拉线圈。

火花间隙特斯拉线圈

火花间隙特斯拉线圈（固体 state Tesla Coil，SSTC），是最传统的特斯拉线圈，也是特斯拉本人制作的线圈。火花间隙特斯拉线圈主要由线圈、主电容和打火器构成，激励电源对主电容充电，电容两端电压升高，当达到一定值时能够击穿打火器的间隙，和初级线圈构成回路，能量在电容和初级线圈之间振荡，这样在线圈的初级形成高频交流电。这种线圈结构简单、容易制作，但是工作时会产生很大的噪音并且寿命很短。且这种特斯拉线圈的另一大弊端是一次侧必须产生火花间隙，通过火花间隙制造出来的谐振频率传输电能，而产生火花间隙就使得电路中必须有大电压和大电流。使用者在操作火花间隙特斯拉线圈时，稍有错误就会危及生命安全。

固态特斯拉线圈

随着现代电子技术的发展，出现了固态特斯拉线圈（固体 state Tesla Coil，SSTC），SSTC与SGTC的主要区别在于发射端的不同，SSTC通过集成芯片的振荡实现高频交流电，并通过功率放大电路放大后驱动次级线圈，而SGTC是直接利用初级LC振荡实现的高频交流电激励次级线圈，相比SGTC，SSTC具有低噪音、高效率、寿命长的特点。

双谐振特斯拉线圈

双谐振固态特斯拉线圈（Dual ResonantSolid Tesla Coil，DRSSTC），具有功率大，可以调制音乐等优点，其主要原理是电谐振。双谐振固态特斯拉线圈的主要部件有：一次侧、次级线圈、灭弧控制器、全桥驱动电路和全桥振荡电路。

DRSSTC的初级线圈与初级电容串联，构成一个LC振荡电路，打开电源的瞬间初级线圈进行充电，形成一个LC振荡电流被驱动板接收到，驱动板收到其谐振信息后便以该信息作为全桥驱动初级线圈的信号，这样初级线圈和电容构成的LC振荡可以和驱动板输出的信号构成谐振。灭弧控制器是输入信号的装置，一般都是由芯片构成的，通过ne555或者TL494等元件输出振荡信号，并将信号传送到全桥驱动电路中。

参数指标

耦合系数

特斯拉线圈中一次侧和次级线圈相互作用的系数就是耦合系数k，它是描述能量如何在初级线圈和次级线圈之间传输的，也就是初级线圈耦合到次级线圈的比率。普通变压器的耦合系数一般接近于1，所以初级线圈与次级线圈基本成比例关系，而特斯拉线圈由于是空芯线圈，所以耦合系数一般不超过0.6，工作时两极电压比例随时间变化而变化，不成比例关系。

耦合系数的增加能使电感线圈之间的能量交流更加频繁，无用的能量减少而且由于能量传递速度较快，周期较短，特斯拉线圈的电压上升率较高，能量传递效率增高，其放电效果较好。通过增加耦合系数来能够提升能量传递效率，以此提升特斯拉线圈的次级输出电压。

振荡频率

为了产生高输出电压电平，初级和次级电路都被调整为彼此谐振。因此，可以通过电路中的电感和电容值得知两个电路中的谐振频率。

其中：

“f1”对应于初级调谐电路中的谐振频率；“f2”对应于次级调谐电路中的谐振频率；“L1”对应一次侧；“L2”对应次级线圈；“C1”对应主电容；“C2”对应放电顶端。

一般来说，次级电路不被调整，因此初级电路被调谐，直到两个电路的谐振频率匹配。

因此，

在共振条件下，L1C1=L2C2。

在特斯拉线圈中，谐振频率范围在50kHz~1MHz之间，这是低射频范围。而由于火花的脉冲性能，谐振频率也可以在宽带范围内。

品质因数

由于特斯拉线圈的线圈部分为串联谐振电路，是谐振电路的一种。谐振电路的特性与谐振电路的品质因数密切相关，所以，利用品质因数来提升电路的性能以此来提升特斯拉线圈的效果。

品质因数Q的定义为

其中，为谐振电路中存储的能量，为谐振电路每个周期内消耗的能量，即品质因数等于谐振电路中储存的能量与每周期内消耗能量之比的倍，品质因数主要反映了谐振电路的电路储能效率。品质因数越大，意味着相对于存储的能量来说消耗的能量越少，也就是谐振电路的储能效率越高。提高系统的品质因数就相当于提高了系统的能量传递效率，输入不变时输出电压会升高。

应用

特斯拉线圈用途比较广泛，多用于电子产业，如利用特斯拉线圈对手机无线充电；也用于艺术方面，如利用音乐特斯拉线圈使不同频率的电弧击穿不同程度的空气，发出不同频率的声音；还可以用于铝焊接等。

音乐特斯拉线圈

音乐特斯拉线圈，是根据输入的音频信号控制电弧的释放频率，由于电弧击穿空气的程度不同，发出不同的声音，从而形成完整的音乐。在特斯拉线圈原装置基础上加入音乐播放控制组件，包括移动终端和灭弧控制器，移动终端为灭弧控制器提供音乐频率，通过灭弧控制器调整振荡电路的输出功率，控制电弧的释放频率，由于不同频率的电弧击穿空气的程度不同，则会发出不同频率的声音。