特斯拉线圈制作教程,电路中谐振的概念和特点

19世纪后期,伟大的物理学家和电气工程师尼古拉.特斯拉(Nikola Tesla)发明了特斯拉线圈(tesla coil)。

说起特斯拉,想必大家对这位天才人物都不陌生,特斯拉一生致力于发明创造,给后人留下了宝贵的物质和精神财富,特斯拉的许多发现是具有开创性的,他是电机学的先驱。在1891年,他成功把电力以无线能量传输的形式送到了目标电器,并且以此为设想建造了沃登克里弗塔,这个塔就是大号版的特斯拉线圈。

特斯拉线圈制作教程(特斯拉线圈是谁发明的)

让我们步入正题:所谓的特斯拉线圈,其实是一个高压双线圈谐振变压器,它的原理是使用变压器给普通电压升压,然后给初级 LC 回路谐振电容充电。当达到一定值后发生谐振,并且使次级线圈发生谐振,初级线圈的能量传递到次级线圈,当次级线圈电压足够高时,可以看到电弧击穿空气,所以,特斯拉线圈类似于一个人工闪电。

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我们今天来具体分析一下它的工作原理吧~

首先,我们讲讲电路中谐振的概念:

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下图是火花特斯拉线圈(SGTC)的基本结构,主要包括初级谐振回路和次级谐振回路,初级回路是由主电容,打火器和初级线圈构成,次级谐振回路由次级线圈和放电顶端构成

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其中初级回路和次级回路,初级回路的谐振频率为f 1,由初级回路中的电感 L1 和电容 C1决定;次级回路的谐振频率为f2 ,由次级回路中的电感L2和对地等效电容C2决定:

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当两者频率相等,即f1=f2时,特斯拉线圈实现双谐振电路,特斯拉线圈的电压增益最高,输出电压最高,电弧击穿空气的长度最长,放电的效果最好。

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接着,根据基尔霍夫第一定律(KVL),我们可以得到电容电感的微分方程。闭合回路的总电压值为0,因此,可得初级回路以及次级回路的公式分别为:

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U1为特斯拉线圈的输入电压,L1是初级回路线圈的电感,C1是初级回路的电容,L2是次级回路线圈的电感,C2是次级回路的等效电容,即为放电顶端与大地之间的电容,次级线圈中并没有实体电容。初级线圈与次级线圈之间存在互感值为M。

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联立可得:

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通过借助MATLAB进行仿真模拟,我们得到类似这样的电压波形图:

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然后,我们再引入线圈耦合系数的概念——它是一个常数,等于互感除以初级和次级线圈电感的乘积开根号:

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u 为初级线圈与次级线圈谐振角频率平方比:

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由于谐振不是完美的和理想的,耦合必须考虑以上参数的影响,我们可以得到初级和耦合频率:

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特斯拉线圈的电弧长短就是电弧击穿空气的长短,在同样的环境下,次级回路输出电压越大,其所具有的能量越大,能击穿空气越长,特斯拉线圈的电弧越长。次级回路的输出电压U2的最大幅值为:

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从上面的方程中我们发现:耦合系数k增大,次级回路的输出电压U2也随之增大。而谐振频率的平方比u越大(最大为1),U2也越大。

特斯拉线圈的基本原理笔者已初步介绍完了,对于高电压谐振变压器的原理,你明白了么?

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