什么是“特斯拉線圈”和“諧振變壓器”？

一、概述

特斯拉線圈（Tesla Coil）是一種諧振變壓器（Resonant Transformer），由尼古拉·特斯拉在1891年發(fā)明，用于生產(chǎn)超高電壓、低電流、高頻率的電力。特別的，特斯拉線圈可產(chǎn)生絢麗的電弧效果，所以成千上萬的電子愛好者至今都在制作它。

通常情況下，空氣被認(rèn)為是絕緣的，當(dāng)電極兩端的電壓足夠高，空氣中的分子被電離，形成各種離子，此時空氣被擊穿，空氣變成導(dǎo)體，電流通過就會形成電弧。

那么擊穿空氣需要多大電壓呢？3KV/mm（該值隨壓力、溫度、濕度改變）。也就是說，如果要在1cm的間距上產(chǎn)生電弧，那就要30KV?？梢娞厮估€圈上的輸出電壓有多高了。當(dāng)然你可以說，在劃破長空的大自然雷電面前，這都不算什么。

二、電路構(gòu)成

我在網(wǎng)上找了一個比較直觀的特斯拉線圈的實(shí)物連接圖：

圖2-特斯拉線圈實(shí)物連接圖

對應(yīng)原理圖如下（電極與電容的位置與實(shí)物圖中有所調(diào)整）：

圖3-特斯拉線圈電路原理圖

主要元器件有：

• 電源輸入：通常為市電，如AC 110V 60Hz/220V 50Hz等；
• 升壓變壓器（變壓器1）：通過匝數(shù)之比升高電壓，能將電壓升高到上千伏。工作頻率較低（市電頻率50~60Hz），一般帶有磁芯；
• 火花間隙：由兩個電極構(gòu)成，之間有較短距離間隙，圖中描述為“Spark Gap”；
• 諧振變壓器（變壓器2）：由圖中的初級線圈（Primary Coil）和次級線圈（Second Coil）組成，所謂的特斯拉線圈指的就是這個；
• 電容（電容1）：起到儲能作用，并且與諧振變壓器中的初級線圈（Primary Coil）構(gòu)成LC諧振電路；

你可能覺得諧振變壓器中的次級線圈（Second Coil）呈現(xiàn)開路狀態(tài)，沒有電流流過。但實(shí)際上線圈的寄生電容、以及線圈頂部的環(huán)狀體電極（Torus）與大地之間的電容，組合構(gòu)成了“等效電容”（電容2），且電壓足夠高時，就會擊穿空氣，在電容上流經(jīng)電流：

圖4-特斯拉線圈上“看不見”的等效電容

所以，完整的特斯拉線圈電路圖如下所示：

圖5-加入等效電容的特斯拉電路原理圖

三、工作原理

（1）火花間隙

要理解特斯拉線圈，首先要理解火花間隙（Spark Gap）。

火花間隙在此就相當(dāng)于一個開關(guān)：

• 當(dāng)初始狀態(tài)下，變壓器1對電容形成充電電路，見下圖（a）；
• 當(dāng)電容電壓達(dá)到一定值，火化間隙導(dǎo)通，相當(dāng)于短路，電容和變壓器2的初級線圈（Primary Coil）構(gòu)成LC諧振電路，見下圖（b）；

圖6-火花間隙 不導(dǎo)通（a）和導(dǎo)通（b）

（2）LC諧振電路

上圖（b）中，電容和電感組成了經(jīng)典的LC諧振電路。簡而言之，電容里儲存的能量逐步釋放，傳遞給電感；然后電感的能量逐步釋放，傳遞給電容，周而復(fù)始。能量交互的周期為諧振頻率（與電容、電感有關(guān)），考慮到電路上不可避免的電阻消耗，能量會逐步減小。

圖7-LC諧振電路

關(guān)于LC諧振電路，更詳細(xì)的介紹可以查看之前的文章。

當(dāng)能量減少，火花間隙兩個電極上高電壓難以維持，火花間隙斷路，重新回到上圖（a）的狀態(tài)。

注意，通過L、C的取值，LC電路的諧振頻率非常高（數(shù)百KHz）。結(jié)合火花間隙的開、關(guān)，以及LC諧振電路的振蕩，電容上電壓波形示意圖如下所示：

圖8-電容的波形變化示意圖

相對LC電路諧振過程，電容的充電過程較慢，這就是為什么圖6（a）、（b）分別標(biāo)注了慢電路（Slow Circuit）和快電路（Fast Circuit）。

當(dāng)然，相比50/60Hz的輸入電源，慢電路還是很快的！所以在輸入電源的一個周期內(nèi)，慢電路和快電路作為一個大整體發(fā)生過很多次。

（3）諧振變壓器

最終迎來了由初級線圈（Primary Coil）和次級線圈（Second Coil）組成的諧振變壓器。其中初級線圈同時屬于上述LC諧振電路。

圖9-諧振變壓器

諧振變壓器和普通變壓器（如圖3中的變壓器1）的工作原理不一樣，普通變壓器基于電磁感應(yīng)的原理，即初級線圈和次級線圈圍繞同一個磁芯繞制而成，兩個線圈共享同樣的磁通量，兩個線圈電壓之比與兩個線圈匝數(shù)之比有關(guān)：

圖10-普通變壓器

諧振變壓器基于共振（諧振）原理。在聲波領(lǐng)域有共振，譬如女高音歌唱家通過聲音可以把玻璃杯振碎，就是因?yàn)閮烧咧C振頻率一致，能量通過聲波最大化傳遞到杯子，使其振動、破裂。在電磁波領(lǐng)域也有共振，我們仔細(xì)看圖9的諧振變壓器，其實(shí)包含了兩個LC諧振電路，如果當(dāng)兩個諧振頻率相同，能量就會最大化進(jìn)行交互。

諧振變壓器工作頻率很高，通常沒有磁芯；兩個線圈的磁通量不相同，因此兩個線圈不需要緊密靠攏或?qū)R。

諧振變壓器初級線圈和次級線圈上的電壓之比公式如下，它和兩個線圈的電感量（受匝數(shù)、直徑、長度影響）、諧振電路質(zhì)量因素Q（代表選頻能力）、耦合系數(shù)K（受距離影響）有關(guān)：

圖11-諧振變壓器初級線圈和次級線圈電壓之比

我們看圖2中特斯拉線圈的實(shí)物圖也確實(shí)可以看到諧振變壓器兩個線圈的匝數(shù)之比很大，代表升壓很高。

諧振變壓器的能量交互比較復(fù)雜，能量可以從初級線圈傳遞到次級線圈，也會從次級線圈傳遞到初級線圈，我沒深入學(xué)習(xí)過，在此不展開，但是你可以想象一下常見RFID應(yīng)用就是基于這種原理：

圖12-RFID諧振頻率上的能量傳輸

四、總結(jié)

今天我們介紹了特斯拉線圈，它的核心是兩個LC電路構(gòu)成的諧振變壓器，它的輸出電壓非常高，以至于能電擊穿空氣。

制作特斯拉線圈線圈的難點(diǎn)在于兩個LC電路的諧振頻率要保持一致，這需要花費(fèi)很大功夫調(diào)試諧振變壓器上的環(huán)狀體電極（Torus）。