双谐振固态特斯拉线圈的制作

2019-11-16刘婷苏波徐晨王福合

电子技术与软件工程 2019年20期

文/刘婷苏波徐晨王福合

特斯拉线圈是一种能够产生上百万伏高压的变压器，原理是使用变压器使普通电压升压，经由两极线圈，从放电终端放电。其中固态特斯拉线圈（SSTC）因为具有噪音低、效率高、寿命长的特点而被广泛的使用。其工作方式是驱动板产生一个与次级线圈频率相同的振荡电流，谐振通过初级线圈耦合将能量传递给次级线圈。因此SSTC的驱动板可以简单地看成一个振荡信号发生器。

本研究在SSTC的基础上进行了改良，制作出了双谐振固态特斯拉线圈（DRSSTC）。除去变压器和打火器，原本SSTC的初级线圈只是起耦合的作用，不会产生振荡，添加一个谐振电容，便可以制造出一个LC振荡回路，形成电谐振。经制作和相关性能的测试，DRSSTC的性能明显高于SSTC。

1 原理介绍

双谐振固态特斯拉线圈（Dual Resonant Solid Tesla Coil）英文简称为DRSSTC，是在固态特斯拉线圈基础上研制的新型的特斯拉线圈，具有功率大，可以调制音乐等优点。其主要原理是电谐振，可以看作是火花间隙特斯拉线圈（SGTC）的升级版。

双谐振固态特斯拉线圈的主要部件有：初级线圈、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。

初级线圈里的电流和电容的电流也形成了共振，电压越来越高，电流越来越大。在DRSSTC里，如果共振的时间过长，就会导致电压过高，功率过大，击穿开关管。为了解决这一问题，灭弧电路的使用是非常必要的。

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。由于光纤只传输光信号，所以在光信号传播过程中，周围的电磁波对它的影响很小。另外，DRSSTC的功率很大，不能直接输入电信号，必须加以灭弧控制，当电路功率过大的时候，暂时切断信号，进行灭弧。从灭弧控制器输出的信号进入全桥驱动电路，通过TC4432芯片调制输出极其规整的方波信号，并传送到全桥振荡电路中。

全桥振荡电路的开关管是四个型号为G4PC50UD的IGBT管。全桥振荡电路在上电的瞬间，初级的固有频率通过反馈被送到驱动板，同时，驱动板还接收到灭弧器的信号，于是驱动板将这两个信号合并，形成形式为方波的混合信号，驱动板将混合信号通过栅极驱动变压器传送到全桥振荡电路的IGBT管，控制IGBT的开关，从而形成电流。控制IGBT的是电信号，而非像SGTC那样的电火花，这也是DRSSTC可以放音乐而SGTC不可以的原因。全桥电路输出的大电流通过谐振电容和初级线圈产生高频电磁波，当电磁波频率和次级线圈固有频率一致时便发生谐振，从而释放电弧。双谐振固态特斯拉线圈的原理示意图如图1所示。

2 双谐振固态特斯拉线圈的制作

本研究在SSTC的基础上增加了一个谐振电容，取消了变压器和打火器，制作出了双谐振固态特斯拉线圈（DRSSTC）。

2.1 制作材料

制作的材料包括：次级线圈骨架（PVC管）、漆包线、绝缘漆、对地电容（铝制通风管）、初级线圈（铜管）、初级线圈骨架（亚克力板）、谐振电容器、电路板、磁环、整流桥、滤波电容以及变压器。

2.2 次级线圈的设计及制作

图1:双谐振固态特斯拉线圈原理示意图

图2：次级线圈

图3：次级电容实物图

图4：初级电容器

次级线圈选取的是一个直径为110mm的PVC管，线圈长度为管子直径的4～5倍时，效果比较好。选用的绕线漆包线线径为0.25mm，匝间距为0.02mm，线圈匝数为2000匝时漆包线覆盖部分的长度为540毫米，即螺线管高度。通过以下公式可以计算出次级线圈的电感。

D为螺线管直径，R为螺线管半径，N为绕线匝数，H为螺线管高度。通过公式（2）可以计算出电感为80810μH，至此，次级线圈设计完毕，如图2所示。

另外，在制作次级线圈时，准备的漆包线长度要充足，以防中途出现线长不足的情况。绕线的时候，第一匝要小心不要绕偏，不要将漆包线漆皮划破，不要有匝线和匝线重叠上，匝线之间距离也不要过于松散。如果次级线圈一次性没有绕完，要将绕线末端漆包线用胶带粘住以固定，以免出现脱匝松散的现象。

2.3 次级电容（顶端对地等效电容）的制作

将铝制通风管做成环状，围绕在次级线圈管口顶端，接头处用铝箔胶带粘上，将其安装固定好。如图3所示。

根据公式（3）可计算次级电容的电容量：

其中通风管围成的圆环的外围直径D1=310mm，铝制通风管的直径D2=100mm，可以得到次级电容容量C=13.527pF。

2.4 计算次级谐振频率

将次级电感80810μH和对地等效电容容量13.527PF代入公式（4）：

可以得到次级谐振频率为152.225kHz。

2.5 初级电容

初级电容器和初级线圈构成初级LC振荡电路，产生谐振，初级电容大小为0.44μF。初级电容器如图4所示。

2.6 初级线圈

初级线圈和次级线圈的谐振频率相等时会发生对耦谐振，而和初级线圈串联的电容为0.44μF，可以计算得出初级电感为2.522μH。

初级螺线管直径为160mm，绕线线径为8mm，匝间距为12.5mm。根据公式（2），线圈匝数为3.9的时候电感量为2.522μH，初级线圈和次级线圈发生谐振的位置在这个位置左右，所以初级线圈选择缠绕5匝，用线夹子夹在某处，使线圈匝数达到3.9匝。为了绕制方便，选择外表光滑无锈无伤的铜管，将铜管盘好固定，其中一端接地。初级螺线管如图5所示。

2.7 磁环互感器制作

2.7.1 反馈线圈（信号互感器和过流保护互感器）的绕制

一般采用1:33:33的绕制方法，即用两个磁环，初级为全桥输出导线穿过第一个磁环一匝，次级用细导线在第一个磁环上绕33 匝引出，然后在第二个磁环上穿过一匝后短接，再用一根细导线在第二个磁环上绕33 匝引出即可。

磁环是用铁氧体材质制作的，信号互感器和过流保护互感器如图6所示。

2.7.2 栅极驱动变压器GDT的绕制

根据磁环大小可以选择用一个磁环、用两个磁环或四个磁环。根据开关管功率选择磁环大小，如果驱动力较大但是磁环太小就会出现磁饱和，影响工作，这时就需要用更大的磁环，但是大的磁环比较昂贵，所以一般选择用几个小的磁环接在一起。此次制作中对于全桥电路选用5根线并排绕制，将磁环绕满即可。GDT在DRSSTC中的作用是传送信号，把调制好的信号传送给全桥。栅极驱动变压器GDT如图7所示。