微型特斯拉线圈振荡电路分析

电路简介

手边正好有一个微型特斯拉线圈套件，组装起来测试一下它的电路原理。因为在它的电路中，存在着一个非常奇特的反馈环节，那就是所谓的特斯拉线圈共振部分的分析。

下面给出在使用手册上列出的相关电路图。其中令人比较疑惑的是线圈L2（350T特斯拉线圈）的作用。因为这个线圈并不是按照正常的方式连接在电路中，而只是有一端接在振荡三极管Q2的基极，另外一段就是空在半空中，与电路并不构成任何回路。这样就会使得该线圈的分析与普通的振荡电路有了很大的区别。

^{▲ 使用手册上的电路图}

对于350匝的特斯拉线圈使用手持LCR表测量它对应的电抗：

• 电感： $L = 886.5\mu H$
• 电阻： $R = 39.71\Omega$

在使用时，需要使用高压绝缘线绕制在特斯拉线圈上2到3匝，构成L1，绕制的方向需要满足一定的条件。

下面通过一些实验，来讨论关于这个电路起振工作的基本原理。需要回答一下问题：

1. L1的绕制方向对于波形有什么影响？
2. 没有L2，只有L1改电路是否工作？
3. L1与L2之间的相对位置对于振荡波形有什么影响？

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测量波形

1. 测量方案

为了分析电路振荡的基本原理，需要测量Q2的基极与集电极的波形。使用四芯电缆将Q2的基极、发射极、集电极引出来，使用示波器测量基极对发射极、集电极对发射极的电压波形。

^{▲ 测量振荡管的基极和集电极的电压波形}

在下面实验过程中，电路的工作电压使用15V稳压电源提供。

2. 测量波形

如下是测量振荡电路Q2的基极（紫色）和集电极（绿色）的电压波形。振荡频率为3.28MHz.

^{▲ 集电极（绿色）和基极（紫色）电压波形}

电路在启动的过程中，明显能够看到波形的变化，经过大约2,3秒钟之后，波形逐步变化到稳定状态。这个过程应该是芯片温度变化引起的。

^{▲ 在启动过程中波形的变化}

下面是将基极(紫色)和集电极(绿色)的波形拉伸之后的信号波形，便于进行过渡过程的分析。

^{▲ 将基极(紫色)和集电极(绿色)波形拉开之后的信号}

3. 磁棒对于振荡频率的影响

使用两种不同的收音机的磁棒来探究对于振荡频率的影响。一种是表面比较光滑的中波磁棒，一种是表面比较粗糙的短波高频磁棒。

^{▲ 中波低频磁棒(上)和短波高频磁棒(下)}

（1） 定性分析

将磁棒深入特斯拉空心震荡线圈，可以看到两种不同测磁棒对于振荡频率均有影响。都会使得振荡的波形和频率发生改变。最为明显的就是振荡频率降低，集电极的幅度下降。

高频磁棒对于频率影响比较明显。低频磁棒相对影响较弱。

^{▲ 加入高频磁棒过程对应的基极波形的变化}

^{▲ 加入低频磁棒过程对应的基极波形的变化}

（2）影响频率的变化

• 在为加入磁棒之前，特斯拉的振荡频率为： $f_0 = 3.3MHz$。
• 将低频磁棒完全插入线圈之后，特斯拉的振荡频率为： $f_1 = 1.53MHz$。
• 将高频磁棒完全插入线圈之后，特斯拉的振荡频率为： $f_2 = 1.087MHz$

^{▲ 低频磁棒加入线圈后的波形}

^{▲ 高频磁棒加入线圈后的波形，注意：右侧的CH4频率显示不正确}

4. 初级线圈的绕制对波形影响

下面对于初级线圈的匝数、绕制方式以及线圈的位置对波形的影响进行实验。
分别测量初级线圈的匝数从：2圈到5圈；
绕制的方式是松散的部分、紧密的底部、紧密的中部三种方式。

（1）三圈紧密绕制

^{▲ 三圈紧密绕制}

（2）三圈松散绕制

^{▲ 三圈松散绕制}

（3）两圈紧密绕制

^{▲ 两圈紧密绕制}

（4）两圈松散绕制

^{▲ 两圈松散绕制640}

（5）五圈紧密绕制

^{▲ 五圈紧密绕制}

（6）四圈松散绕制

^{▲ 四圈松散绕制}

（7）四圈紧密绕制

^{▲ 四圈紧密绕制}

（8）四圈紧密绕制，在线圈的中部

^{▲ 四圈紧密绕制，在线圈的中部}

从上面实验结果来看，对于频率的影响的因素是综合的。

• 在绕制的方式和位置相同的情况下，圈数越多，频率越低；
• 在绕制圈数相同的情况下，如果绕制紧密靠近线圈底部，频率高；如果松散分布在整个线圈，或者位于线圈的中部，频率低。

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线圈绕制方向对振荡是否有影响？

1. 对比同向绕制和逆向绕制的差别

（1）顺向绕制

^{▲ 顺向绕制振荡波形}

（2）逆向绕制

^{▲ 逆向绕制}

（3）独立绕磁棒

^{▲ 独立绕制低频磁棒}

^{▲ 独立绕制高频磁棒}

2. 独立空心线圈

^{▲ 独立空心线圈的振荡波形}

3. 绕制在磁棒上放在线圈里

（1）顺同方向松散绕制

^{▲ 绕制在磁棒上，放置在线圈里}

（2）顺同方向紧密绕制

这种情况居然出现了两种不同的振荡模式交替出现。

^{▲ 奇怪的带有二种交替振荡波形的模式}

（3）逆向绕制

逆向绕制波形，集电极电压明显增加，频率降低到1MHz以下。

^{▲ 逆向绕制波形}

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小结

1. 得到的结论

通过前面的一些测量，可以得到如下结论：

• 原来的Q2在没有特斯拉线圈的情况下，自行也会进行振荡，此时利用集电极的寄生电容，构成了电容三点是的振荡电路。如果绕制在磁棒上，振荡的波形幅度会更大；
• 将L1绕制在L2上，如果是相反绕制，即从三极管的集电极和基极出发来看，L1,L2在圆筒上的方向是相反的。此时形成强烈的正反馈振荡，输出波形呈现开关状态。输出电压高；
• 如果L1和L2绕制方向相同，则形成的是负极反馈。在一定条件下，Q2依然会振荡，振荡的频率比前面的正反馈时要高得多。
• L1在L2上的位置和绕制的圈数对振荡频率有着明显的影响。

2. 存在的疑问

• 特斯拉线圈究竟通过何种主要机理与电路形成耦合回路的？
• L1的匝数、位置是如何影响最终L2输出的高电压的？
• 在什么情况下特斯拉输出的高压会效率会更高？
• 如果不使用正反馈，而仅仅使用普通的正向绕制，将特斯拉线圈当做变压器的次级，这样工作是否会更好？

虽然做了一些相关的侧矿，这个神奇的电路依然留给我们很多的遐想。