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[ 电子 ] 固态特斯拉线圈制作教程

2012-1-4 19:46| 发布者: HYI | 查看: 167841 |原作者: 猎鹰

  固态特斯拉线圈制作教程


  对与大多数玩了SGTC的人来说都想玩更高级的SSTC/DRSSTC,但是许多人在这是就会遇到困难。


  特斯拉线圈介绍


  特斯拉线圈又叫泰斯拉线圈,因为这是从"Tesla"这个英文名直接音译过来的。这是一种分布参数高频共振变压器,可以获得上百万伏的高频电压。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,从放电终端放电的设备。通俗一点说,它是一个人工闪电制造器。在世界各地都有特斯拉线圈的爱好者,他们做出了各种各样的设备,制造出了眩目的人工闪电。


  谐振定义:


  在物理学里,有一个概念叫共振:当策动力的频率和系统的固有频率相等时,系统受迫振动的振幅最大,这种现象叫共振。电路里的谐振其实也是这个意思:当电路的激励的频率等于电路的固有频率时,电路的电磁振荡的振幅也将达到峰值。实际上,共振和谐振表达的是同样一种现象。这种具有相同实质的现象在不同的领域里有不同的叫法而已。(说个易懂的,当两个振动频率相等的物体,一个发生振动时,引起另一个振动的现象叫做共振,在电学中,两个等频振荡电路的共振现象,叫做谐振。)


  电磁振荡LC回路

  (L:电感,C:电容)

  电磁振荡LC回路能产生大小和方向都都作周期发生变化的电流叫振荡电流。能产生振荡电流的电路叫振荡电路。其中最简单的振荡电路叫LC回路。一个不计电阻的LC电路,就可以实现电磁振荡,故也称LC振荡电路。LC振荡电路的物理模型满足下列条件:①整个电路的电阻R=0(包括线圈、导线),从能量角度看没有其它形式的能向内能转化,即热损耗为零.②电感线圈L集中了全部电路的电感,电容器C集中了全部电路的电容,无潜布电容存在.③LC振荡电路在发生电磁振荡时不向外界空间辐射电磁波,是严格意义上的闭合电路,LC电路内部只发生线圈磁场能与电容器电场能之间的相互转化,即便是电容器内产生的变化电场,线圈内产生的变化磁场也没有按麦克斯韦的电磁场理论激发相应的磁场和电场,向周围空间辐射电磁波振荡电流是一种频率很高的交变电流,它无法用线圈在磁场中转动产生,只能是由振荡电路产生。其工作流程为:充电完毕(放电开始):电场能达到最大,磁场能为零,回路中感应电流i=0。放电完毕(充电开始):电场能为零,磁场能达到最大,回路中感应电流达到最大。充电过程:电场能在增加,磁场能在减小,回路中电流在减小,电容器上电量在增加。从能量看:磁场能在向电场能转化。放电过程:电场能在减少,磁场能在增加,回路中电流在增加,电容器上的电量在减少。从能量看:电场能在向磁场能转化。在振荡电路中产生振荡电流的过程中,电容器极板上的电荷,通过线圈的电流,以及跟电流和电荷相联系的磁场和电场都发生周期性变化,这种现象叫电磁振荡。


  在这里我给那些新人们先讲讲特斯拉线圈的分类:


  SGTC(Spark Gap Tesla Coil=火花隙特斯拉线圈(特斯拉本人发明的那种)

  -分枝:SISGTC(Sidac-IGBT SGTC)=以触发二极管-IGBT替换火花隙的特斯拉线圈

  SSTC(Solid State Tesla Coil=固态特斯拉线圈(这里主要讲解的那种)

  -分枝:(本文主要讲DRSSTC,由于SSTC的原理相对简单,在看完之后就会明白的)

  ISSTC(Interrupted SSTC)=带灭弧固态特斯拉线圈

  OLTC(Off Line Tesla coil)=离线式特斯拉线圈

  Class-E SSTC=戊类功放式固态特斯拉线圈

  DRSSTC(Dual Resonant SSTC)=双谐振固态特斯拉线圈

  -分枝:QCWDRSSTC(Quasi Continuous Wave DRSSTC)=准连续波双谐振


  固态特斯拉线圈

  CWDRSSTC(Continuous Wave DRSSTC)=连续波双谐振固态特斯拉


  线圈


  VTTC(Vacuum Tube Tesla Coil)=真空管特斯拉线圈


  -分枝:SSVC(Solid State Valve Coil)=固态-真空管特斯拉线圈


  SGTC:传统的火花隙特斯拉线圈,噪音大,效率低,寿命短,这里就不做过多介绍。


  SSTC:现代电子爱好者们根据特斯拉线圈的本质原理,发明了固态特斯拉线圈(SSTC),它具有低噪音、高效率、寿命长的特点,因而得到了很好的发展。固态特斯拉线圈不仅可以产生炫目的闪电,还可以利用电弧演奏音乐!因此特斯拉线圈除了应用于高压领域外,也不失为一件很好的艺术品。


  固态特斯拉线圈的原理是:通过驱动电路,将市电(220VAC 50Hz)转换为高频交流电,通过初级线圈转化为高频磁场,当磁场振荡频率和由一端接地的次级线圈和放电端形成的LC体系的固有频率一致时,发生谐振,此时次级线圈将大量电荷送入放电端,使得放电端电压升的很高,从而形成闪电。对于固态特斯拉线圈,他没有电容组,只有驱动电路、初级线圈、次级线圈和放电端,他是依靠驱动电路来产生高频电流,送入初级线圈产生高频磁场;而传统的火花隙特斯拉线圈则是依靠打火开关接通/断开,来激发初级线圈和电容组振荡,产生高频磁场,这是这两者的区别!


  总结:SSTC的工作方式是驱动板产生一个震荡电流与次级线圈相同这是就会谐振通过初级耦合将能量传递给次级。因此sstc的驱动板可以简单地看成一个震荡信号发生器。


  DRSSTC:由于固态特斯拉线圈驱动电路的负载是一个初级线圈,为感性负载,其功率因数低,能量利用率较低,同时初级线圈电流瞬时值也不够大,所以导致固态特斯拉线圈产生的闪电壮观程度不及同等级的火花隙特斯拉线圈。为此,有爱好者提出了双谐振固态特斯拉线圈(DRSSTC)的模型,以弥补普通固态特斯拉线圈的不足。双谐振固态特斯拉线圈是在普通特斯拉线圈的基础上,在初级线圈上串入电容组,并让驱动电路输出频率=初级LC固有频率=次级LC固有频率,这样做的好处是:1.初级部分处于谐振状态,其负载特性为纯阻性,功率因数高,能量利用率也就提高了;2.由于初级部分是谐振的,导致初级电流上升较快,瞬间电流较大,从而使得产生的闪电比较壮观。因此,双谐振固态特斯拉线圈更受到广大爱好者的欢迎!


  总结:DRSSTC和SSTC差不多只不过是多了谐振电容,SSTC的初级线圈只是起耦合的作用不会起产生震荡的作用,而SSTC的初级也是一个LC震荡回路。因此DRSSTC我们可以看做是SGTC的一种升级,取消了变压器和打火器。但是性能却远远高于SGTC。


  固态特斯拉线圈的结构


  固态特斯拉线圈由三个部分组成:功率电路驱动电路灭弧电路

  

固态特斯拉线圈制作教程

  

固态特斯拉线圈制作教程

  功率电路:


  红色表示高压蓝色低压黄色为中间压。通电时,由于开关管关闭没有其他地方能让电流通过,因此电流就只有给两个桥臂电容充电

  

固态特斯拉线圈制作教程

  当开关管打开,大量的正电荷流向电容的负极,在电流的流动中经过了初级线圈。

  

固态特斯拉线圈制作教程

  当另外一个开关管打开时电流从相反的方向流过,因此平滑的直流电就变成了高频振荡的交流电。这种有两个开关管的我们叫它半桥,它的特点是只要两个开关管省钱,由于在充电时有两个电容串联,因此放电的电压只有输入电压的一半。


  由于半桥的电压小于是就有人提出了全桥,像这种用了四个开关管的叫全桥,它的功率管是成对角线打开通过对角线的两个功率管同时开关,实现震荡,中间的接线处是通往初级线圈的。由于不用给桥臂电容充电由此放电的电压是半桥的两倍,为输入电压。由于电压高可以拥有更强大的功率,因此大功率的特斯拉线圈都会使用全桥。

  

固态特斯拉线圈制作教程

  

固态特斯拉线圈制作教程

  D3-6是瞬态二极管是用来防止突然来的高压击穿开关管。


  C3是吸收电容,由于线路间是存在分布电感的,在高频开关状态下,容易产生寄生振荡和尖峰电压,从而导致开关管损坏,这个电容是起到一个缓冲作用因此必须要加。


  这个图有一个问题就是需要在开关管的触发极和低压线上并联30V左右的稳压二极管,防止驱动信号电压过高击穿开关管。

  以上的输入电源必须是直流电也就是经过整流桥的市电!


  为了产生振荡的电流我们必须要准确地控制开关,在几百KHZ的频率下人去控制肯定是不行的这时就要交给我们的大哥大,也就是“整个TC的心脏”驱动电路了(如果这一节没有看懂也没有关系,只要记住是发出信号控制开关管就行)坛子里很多人都很热衷于STEVE的Dr驱动电路,但是仔细的想想,他这个电路的缺陷还真的是不老少。我们先对其进行分析,一遍指出其优略。

  

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  好的!轰隆隆!电路开始上电运行了!电路靠桥式电路中电容充电电流启动【全桥中的吸收电容,此图中是储能桥臂电容c11,c12】充电电流到达主槽路使主电容c4于初级线圈L1产生震荡,同时这个充电脉冲被电流变压器T1探测到。T1的箍数取决于电桥中设计通过的电流,我们的目的是将电流通过变压器缩小到适合驱动CMOS元件的大小。你可能会想如果箍数是1:200的话,电压岂不是会很高?不要担心,我们有伟大的稳压管d19&d20~稳压管的特性是有一定的反向击穿电压,在这里我们选择用反向击穿电压5.1v(CMOS电平的)的稳压管。当T1上部为正半周时,会有一个上千伏的电压,此时稳压管击穿近似接地,当把电压放到5.1v时稳压管截止,由于稳压管恢复时间慢,我们反串一只快恢复或者肖特基来代替稳压管成正向导通反向截止的过程,负半周同理由此以来我们便得到了一个±5.1V的电流反馈信号。【见示意图,方波是怎样炼成的】

  

固态特斯拉线圈制作教程

  当正弦波高度很大的时候,在Y=0值左右的斜度非常的高,甚至小于逻辑器件的信号边沿。恩,继续来,R2是限流电位器,依个人情况调试~c1耦合不解释,4148削掉大于电源电压的尖峰后进入u1整形,由于hc14是反相施密特触发器,所以要想得到同相的信号还要将信号再次反向得到最终输出。【信号反馈部分到此为止】事情做到现在,按理说就已经可以用现在得到的反馈信号来驱动桥了。


  灭弧控制器讲解:


  灭弧控制器用于产生灭弧信号,控制DRSSTC的工作参数。


  答:固态特斯拉线圈的灭弧是模仿火花隙特斯拉线圈的工作,即间歇工作。因为火花隙特斯拉线圈是打火才谐振放电,其放电并不是连续的。固态特斯拉线圈的灭弧也是起到让电路间歇工作的作用。其目的主要有两个:


  1.增加弧长:实验证明,连续模式(CW)的固态特斯拉线圈由于功率要是在没有时间限制情况发挥出来弧并不长,且呈簇状。用灭弧时首次开启放电电离部分空气。然后关断前一次被电离的空气还没散去时再开启。又于上次被电离的空气更易导电。固电流顺原有点弧轨道到上次的末端放电。以此类推。点弧可在n个周期以后增长的非常长。。但是由于周期很短人察觉不到。看似电弧一下子就爆发的很长


  2.防止电流过大:因为DRSSTC的初级是谐振的,电流会上升到很大,所以需要在电流振升到一定程度就切断电路,以保护开关管。


  现在原理基本上懂了就可以讲解如何制作了选材:


  次级线圈的骨架:建议用PVC管制作,这个东西在生活中容易得到,可以从当地的建材市场买到。还需要合适的PVC管接头(方便次级和对地电容的固定)


  漆包线(绕制次级线圈):这个根据设计去买,可从当地的电子市场去买,就是修电机用的那种。他们是按照公斤买的,如果遇到了按照“米”卖的,就别买了,那是宰人呢~~


  一般70-80元一公斤,按米来卖“宰人”的商家一般是0.5-1元一米。(小于1MM)


  我曾经计算过假如100元一公斤

  

固态特斯拉线圈制作教程

  看完后就知道商家宰人多厉害了吧。


  绝缘漆:保护次级线圈不被击穿


  对地电容:(次级线圈上面的那个顶端):可以用铝制通风管去做,普通的五金店都有


  初级线圈:建议用铜管制作,在当地卖制冷设备的地方就有(高频电流有趋肤效应)。


  如果实在是没钱只有用便宜的铝管,不过效果不好,当然不支持。


  初级线圈骨架:用亚克力板制作,塑料菜板,或者用PPR管制作,不过在加工的时候,比较麻烦。


  谐振电容器:(后面单独讲)


  电路板:可以自己照着图制作,但是建议到科创论坛买专门的套件(价格不高,基本上在50-100元一张驱动,性能很好,美观度高,体积小,),毕竟自己去印板子费用很高,印制电路板打样的费用80-150元一张,有时买套件的费用会比用洞洞板的还低,毕竟焊锡的价格很高。磁环:用于绕制互感器用氧铁体的根据功率的大小选择,一般价格2-5元一个(大小不同价格有差异)。


  电线:(这等于说废话,不过也害怕有的朋友把这个最重要的忘记了)


  整流桥堆和滤波电容:交流电转化为稳定的直流电作为电源。


  变压器:

  和SGTC的主变压器不同,这里的变压器是小功率的低压变压器,是给驱动电路板供电,电压根据驱动电路板的设计来定。

  (如果有条件还建议买一台调压器给功率电路供电,毕竟在调试时如果用220V的高压很容易损坏开关管,就需要降低低压来减小总功率。)


  其他材料:木板,亚克力板,有机玻璃,以及其他的材料(根据你的构思决定,这些东西是用来固定装置部件用的)。


  所需工具:手钳子,螺丝刀,钢锯,钻头(建议买电动工具,毕竟要方便很多,当你在制作的时候就会体会到电动工具的好处了),,等等~(有条件的朋友,最好买个示波器,,信号发生器,用于测出谐振频率和电路的调试,经济稍差点的朋友可以买电容电感表,测量初级,次级的电感量,电容量)


  设计&制作:

  文中涉及到的参数均为与图片匹配的参考数据,不要仿制!


  设计次级线圈:


  先在自己的大脑里大概想象一下,打算做的特斯拉线圈次级体积多大(次级的直径和高度,PVC管常见直径有5厘米,7.5厘米,10厘米,15厘米,20厘米,25厘米,31厘米的几种规格),选用漆包线规格0.23mm,0.31mm,0.41mm,0.51mm(漆包线规很挺多,在这里就不一一列举了),一般次级线圈在1500~1800匝左右。

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会员评论

  • 引用 空人心 2018-1-3 15:16
    厉害
  • 引用 模块叶子 2017-10-29 00:00
    教科书级别的教程啊!
  • 引用 模块叶子 2017-10-28 23:28
    emmm看着电路图就能做一个,感谢楼主分享
  • 引用 易团俊 2013-6-15 22:54
    这是个好东西啊
  • 引用 ///// 2012-6-1 17:32
    惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶惊讶 ...
  • 引用 Systemroot 2012-5-29 14:18
    Steve 的DR1驱动电路的起振脉冲不是来自桥电路,而是灭弧脉冲!
  • 引用 蟑螂饿霸 2012-5-19 10:05
    楼主你太有才了
  • 引用 woaifamin 2012-3-31 16:13
    好吸引,好刺激
  • 引用 youngman 2012-3-29 15:49
    实际线路不是很清晰,如果能再清楚一点就好了。
  • 引用 种子 2012-3-24 17:21
    童鞋对外出售不???????????
  • 引用 ︷青争→□ 2012-3-21 18:10
    脑壳大了
  • 引用 spark1976 2012-1-25 05:50
    成本很高啊
  • 引用 游客 2012-1-24 15:13
    这个很好,就快成功了   ^_^
  • 引用 ωǒ种下爱ャ 2012-1-24 03:27
    好专业啊,看不懂!
  • 引用 shampo 2012-1-23 20:51
    一个字:晕
  • 引用 ㄣ蓝铯格调_ 2012-1-20 17:22
    这是10班人玩的呀!
  • 引用 游客 2012-1-16 15:34
    缩嘎
  • 引用 游客 2012-1-16 15:33
    eeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeee ...
  • 引用 游客 2012-1-16 11:11
    我是一个不爱穿裤衣服,裤子,内裤的女孩,试过不穿裤衣服,裤子,内裤去走路
  • 引用 swf54330182 2012-1-16 10:36
    有这么多讲究
    .

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