芯耀
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電路簡介
微型特斯拉高壓線圈是很多電子愛好者喜歡的電子線路，通過簡單器件就可以產(chǎn)生安全高壓，用來開展很多有趣的實驗。說它安全是指即使直接對著自己的手放電，也僅僅有輕微的燒灼感，并不會觸電。
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手邊正好有一個微型特斯拉線圈套件，組裝起來測試一下它的電路原理。因為在它的電路中，存在著一個非常奇特的反饋環(huán)節(jié)，那就是所謂的特斯拉線圈共振部分的分析。
下面給出在使用手冊上列出的相關(guān)電路圖。其中令人比較疑惑的就是線圈 L2（350T 特斯拉線圈）的作用。因為這個線圈并不是按照正常的方式連接在電路中，而只是有一端接在振蕩三極管 Q2 的基極，另外一段就是空在半空中，與電路并不構(gòu)成任何回路。這樣就會使得該線圈的分析與普通的振蕩電路有了很大的區(qū)別。
▲ 使用手冊上的電路圖
對于 350 匝的特斯拉線圈使用手持 LCR 表測量它對應(yīng)的電抗：
在使用時，需要使用高壓絕緣線繞制在特斯拉線圈上 2 到 3 匝，構(gòu)成 L1，繞制的方向需要滿足一定的條件。
下面通過一些實驗，來討論關(guān)于這個電路起振工作的基本原理。需要回答一下問題：
- L1 的繞制方向?qū)τ诓ㄐ斡惺裁从绊?？沒有 L2，只有 L1 時電路是否工作？L1 與 L2 之間的相對位置對于振蕩波形有什么影響？
測量波形
1. 測量方案
根據(jù)電磁感應(yīng)原理，如果希望線圈 L2 能夠在 L1 的作用下形成正反饋，加速震蕩，那么從 Q2 集電極出發(fā) L1 和從 Q2 基極出發(fā)的 L2 在線圈骨架筒上的繞制方向必須相反。下面就在這種繞制方向的基礎(chǔ)上進行測量。
為了分析電路振蕩的基本原理，需要測量 Q2 的基極與集電極的波形。使用四芯電纜將 Q2 的基極、發(fā)射極、集電極引出來，使用示波器測量基極對發(fā)射極、集電極對發(fā)射極的電壓波形。
▲ 測量振蕩管的基極和集電極的電壓波形
電路的工作電壓使用 15V 穩(wěn)壓電源提供。電路形成強烈震蕩波形，下面給出 Q2 集電極和基極對應(yīng)的電壓波形。
2. 測量波形
如下是測量振蕩電路 Q2 的基極（紫色）和集電極（綠色）的電壓波形。振蕩頻率為 3.28MHz.
從波形上來看，電路中形成明顯的正反饋，Q2 基本上工作在開關(guān)狀態(tài)。
▲ 集電極（綠色）和基極（紫色）電壓波形
電路在啟動的過程中，明顯能夠看到波形的變化，經(jīng)過大約 2,3 秒鐘之后，波形逐步變化到穩(wěn)定狀態(tài)。這個過程應(yīng)該是芯片溫度變化引起的。
▲ 在啟動過程中波形的變化
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下面是將基極(紫色)和集電極(綠色)的波形拉伸之后的形成單個周期的信號波形，便于進行過渡過程的分析。
當(dāng)基極電壓（粉紅色）開始下降之后，引起集電極電壓（綠色）的上升。這個過程經(jīng)過 L1,L2 耦合之后形成正反饋，引起基極電壓有一個反向進 10V 的負(fù)電壓脈沖。從集電極電壓（綠色）上來看，在脈沖的頂部出現(xiàn)了很多震蕩，這應(yīng)該是 L2 線圈在空氣中放電所形成的電流帶來的電壓波動。線圈中的磁場能量經(jīng)由放電消耗完畢之后，Q2 又重新恢復(fù)導(dǎo)通狀態(tài)，L1 重新有電流流過，存儲電磁能量。
▲ 將基極(紫色)和集電極(綠色)波形拉開之后的信號
雖然 L2 只有一端接入電路，另外一端則通過空間電容耦合以及空氣放電與電路形成回路，完成信號的正反饋。
3. 磁棒對于振蕩頻率的影響
使用兩種不同的收音機的磁棒來探究對于振蕩頻率的影響。一種是表面比較光滑的中波磁棒，一種是表面比較粗糙的短波高頻磁棒。
▲ 中波低頻磁棒(上)和短波高頻磁棒(下)
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（1） 定性分析
將磁棒深入特斯拉空心震蕩線圈，可以看到兩種不同測磁棒對于振蕩頻率均有影響。都會使得振蕩的波形和頻率發(fā)生改變。最為明顯的就是振蕩頻率降低，集電極的幅度下降。這種變化是由于磁棒增加線圈的電感量，使得震蕩周期變長了。
高頻磁棒對于頻率影響比較明顯。低頻磁棒相對影響較弱。
▲ 加入高頻磁棒過程對應(yīng)的基極波形的變化
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▲ 加入低頻磁棒過程對應(yīng)的基極波形的變化
（2）影響頻率的變化
- 在為加入磁棒之前，特斯拉的振蕩頻率為：。將低頻磁棒完全插入線圈之后，特斯拉的振蕩頻率為：。將高頻磁棒完全插入線圈之后，特斯拉的振蕩頻率為：
▲ 低頻磁棒加入線圈后的波形
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▲ 高頻磁棒加入線圈后的波形，注意：右側(cè)的 CH4 頻率顯示不正確
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4. 初級線圈對波形影響
下面對于初級線圈的匝數(shù)、繞制方式以及線圈的位置對波形的影響進行實驗。
分別測量初級線圈的匝數(shù)從 2 圈到 5 圈；
繞制的方式是松散的部分、緊密的底部、緊密的中部三種方式。
（1）三圈緊密繞制
▲ 三圈緊密繞制
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（2）三圈松散繞制
▲ 三圈松散繞制
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（3）兩圈緊密繞制
▲ 兩圈緊密繞制
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（4）兩圈松散繞制
▲ 兩圈松散繞制
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（5）五圈緊密繞制
▲ 五圈緊密繞制
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（6）四圈松散繞制
▲ 四圈松散繞制
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（7）四圈緊密繞制
▲ 四圈緊密繞制
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（8）四圈緊密繞制，在線圈的中部
▲ 四圈緊密繞制，在線圈的中部
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從上面實驗結(jié)果來看，對于頻率的影響的因素是綜合的。
- 在繞制的方式和位置相同的情況下，圈數(shù)越多，頻率越低；在繞制圈數(shù)相同的情況下，如果繞制緊密靠近線圈底部，頻率高；如果松散分布在整個線圈，或者位于線圈的中部，頻率低。
線圈繞制方向
1. 對比同向繞制和逆向繞制的差別
（1）順向繞制
▲ 順向繞制振蕩波形
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（2）逆向繞制
▲ 逆向繞制
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（3）獨立繞磁棒
▲ 獨立繞制低頻磁棒
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▲ 獨立繞制高頻磁棒
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2. 獨立空心線圈
▲ 獨立空心線圈的振蕩波形
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3. 繞制在磁棒上放在線圈里
（1）順同方向松散繞制
▲ 繞制在磁棒上，放置在線圈里
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（2）順同方向緊密繞制
這種情況居然出現(xiàn)了兩種不同的振蕩模式交替出現(xiàn)。
▲ 奇怪的帶有二種交替振蕩波形的模式
（3）逆向繞制
逆向繞制波形，集電極電壓明顯增加，頻率降低到 1MHz 以下。
▲ 逆向繞制波形
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結(jié)論
1. 得到的結(jié)論
通過前面的一些測量，可以得到如下結(jié)論：
- 原來的 Q2 在沒有特斯拉線圈的情況下，自行也會進行振蕩，此時利用集電極的寄生電容，構(gòu)成了電容三點式的振蕩電路。如果繞制在磁棒上，振蕩的波形幅度會更大；將 L1 繞制在 L2 上，如果是相反繞制，即從三極管的集電極和基極出發(fā)來看，L1,L2 在圓筒上的方向是相反的。此時形成強烈的正反饋振蕩，輸出波形呈現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)。輸出電壓高；如果 L1 和 L2 繞制方向相同，則形成的是負(fù)極反饋。在一定條件下，Q2 依然會振蕩，振蕩的頻率比前面的正反饋時要高得多。L1 在 L2 上的位置和繞制的圈數(shù)對振蕩頻率有著明顯的影響。
2. 存在的疑問
- 特斯拉線圈究竟通過何種主要機理與電路形成耦合回路的？L1 的匝數(shù)、位置是如何影響最終 L2 輸出的高電壓的？在什么情況下特斯拉輸出的高壓會效率會更高？如果不使用正反饋，而僅僅使用普通的正向繞制，將特斯拉線圈當(dāng)做變壓器的次級，這樣工作是否會更好？
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雖然做了一些相關(guān)的實驗，這個神奇的電路依然留給我們很多的疑問和遐想。
