特斯拉線圈經(jīng)典電路設(shè)計(jì)方案

鑒于傳統(tǒng)特斯拉線圈的種種弊端，我在挑戰(zhàn)杯項(xiàng)目中提出了一種創(chuàng)新性的解決方案，利用了新式的器件，如 STM32 微控制器、CPLD 等構(gòu)建了一種能在室內(nèi)方便使用、安全可靠、功能齊全的雙諧振固態(tài)特斯拉線圈。

經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、計(jì)算，采用如下方法制作了次級(jí)線圈：在直徑 10cm 的有機(jī)玻璃管上，用直徑 0.23mm，絕緣層厚度 0.02mm 的漆包線密繞約 1500 匝。

實(shí)際測(cè)量得到：電感量 46.2mH，電阻 183Ω，和理論值相比小一些可能是因?yàn)槔@制不是絕對(duì)緊密，匝數(shù)比 1500 匝少一些。此外還用測(cè)諧振頻點(diǎn)的方法確定了其寄生電容約 5pF。

在固定了次級(jí)的電感和電容后，根據(jù)串聯(lián)諧振條件選取了初級(jí)線圈和電容，考慮到初級(jí)回路的大電流特性，最終使用了 5nF 的高壓薄膜電容，用 10AWG 的線材繞制初級(jí)線圈，計(jì)算得到初級(jí)線圈電感量約為 9nH，對(duì)應(yīng)于在 15cm 直徑的骨架上繞約 6 匝。

驅(qū)動(dòng)電路的目標(biāo)是給初級(jí) LC 諧振回路諧振頻率相同的交流激勵(lì)，它的核心是一個(gè)反饋?zhàn)奉l的逆變?nèi)珮颍瑸榱朔乐构β使軗p壞，需要添加過(guò)流保護(hù)、并通過(guò)一個(gè)滅弧信號(hào)讓其間歇工作，同時(shí)全橋需要實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷來(lái)減小發(fā)熱。

在原理上，我采用了 Steven Ward 在 2008 年給出的經(jīng)典電路方案。

使用 CPLD 來(lái)實(shí)現(xiàn)其中的數(shù)字邏輯部分，這樣提升了集成度和穩(wěn)定性，電路也可以做得更小。CPLD 多余的內(nèi)部資源還可以用于其他功能。

通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，我發(fā)現(xiàn)，通過(guò)一些優(yōu)化可以使電弧的發(fā)音明顯改善。由于當(dāng)放電電極兩端固定后，產(chǎn)生的電弧長(zhǎng)度就固定了，這樣在發(fā)音的穩(wěn)定性上相比傳統(tǒng)特斯拉線圈擁有巨大優(yōu)勢(shì)。

我們基于電弧本身的性質(zhì)，通過(guò)調(diào)整參數(shù)，進(jìn)行了高低音占空比補(bǔ)償，將最初的噪聲轉(zhuǎn)化為了非常悅耳的音樂(lè)。

疑問(wèn)： 關(guān)于電磁信號(hào)檢測(cè)的問(wèn)題，看到技術(shù)報(bào)告都是 L 和 C 進(jìn)行并聯(lián)，但是有的說(shuō)是串聯(lián)諧振有的說(shuō)是并聯(lián)諧振來(lái)進(jìn)行選頻。感覺(jué)串聯(lián)諧振通過(guò)的電流最大，而并聯(lián)諧振不管什么時(shí)候都會(huì)有不小的電壓吧?但是電路圖他們都是并聯(lián)的。

回復(fù)： 如果從電感中的所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)角度來(lái)看，環(huán)路中的電感 L 和電容 C 形成了串聯(lián)諧振，于是在 C 上產(chǎn)生了更高的諧振電壓被后級(jí)檢波放大;

如果從后級(jí)輸入端口來(lái)看，LC 形成了并聯(lián)諧振，形成了一個(gè)選頻帶通電路，它只對(duì)電感中感應(yīng)到的諧振頻率的信號(hào)產(chǎn)生較大的輸出，其他的信號(hào)則被濾除了。

總之，通過(guò)諧振電路，形成了對(duì) 20kHz 正弦信號(hào)的選擇，而將其它的干擾信號(hào)濾除。

疑問(wèn)： 那個(gè) rda5807 輸出的是一個(gè)正弦信號(hào)，AD 采集不到負(fù)值，現(xiàn)在需要加一個(gè)直流偏執(zhí)電路，但是我感覺(jué)這個(gè)信號(hào)電路也是一個(gè)高頻的電路了直接加偏執(zhí)電路的話會(huì)不會(huì)有影響啊?

回復(fù)： 這個(gè)電路只是將 RDA5807 輸出的信號(hào)中的交流成分重新偏置到單片機(jī) AD 輸入電壓范圍的中點(diǎn)電壓，這樣就保證接收到的 Chirp 音頻信號(hào)始終處在 AD 轉(zhuǎn)換電壓范圍內(nèi)。由于其中包括有隔直電容，所以不會(huì)對(duì)前級(jí)的電路產(chǎn)生影響。

審核編輯：湯梓紅