浅析特斯拉线圈的差异

魏勇 李梅

【摘要】本文介绍了三种常见特斯拉线圈：SGTC（火花间隙特斯拉线圈），SSTC（固态特斯拉线圈），DRSSTC（双谐振固态特斯拉线圈），同时对其构造和功能上存在的差异进行了对比分析。

【关键词】特斯拉线圈；SGTC；SSTC；DRSSTC

一、引言

特斯拉線圈是塞尔维亚籍科学尼古丁特斯拉于1891年发明，用来演示无线输电以及高频高压交流电特性的装置，其本质是电路的LC振荡。后期发展了SSTC，SGTC，DRSSTC，OLTC，VTTC等一列特斯拉线圈。本文从三种常见的特斯拉线圈入手，为初学者介绍其原理、构造、功能，同时对其存在的差别的进行对比分析。

二、特斯拉主要种类及各类特斯拉的原理介绍

（一）SGTC（火花间隙特斯拉线圈）

SGTC的电路模块主要包括升压变压器，全波整流桥，电容（C1），打火器，一个初级线圈L1和一个次级线圈L2（初级线圈的匝数大于次级线圈），以及与次级线圈相连的放电顶端；放电顶端与地面构成对地等效电容（C2），两者的电势差能达到无限大。SGTC的工作原理就是一个交流电压的电压经过升压变压器升压后，再经整流桥转换成直流电压给电容C1充电，电容两极板的电势差逐渐增大，由于电容与打火器是并联的，电容两极板的电压实际上直接加在了打火器上，当电容两极的电压增大到打火器击穿电压的阀值时，打火器间隙被击穿，初级回路导通，初级回路中的电容C1和初级线圈L1构成一个LC振荡回路。此时由于LC振荡，初级电路中的能量会在电容C1和初级线圈L1之间反复转换。又由于初级线圈与次级线圈耦合，此时次级线圈中会产生感生电动势，如此初级线圈的能量便传递给了次级线圈，由于次级线圈的匝数大于初级线圈，此时次级线回路中得到的电压远大于初级回路，同时由于次级回路LC振荡，次级回路中的电荷会不断流向放电顶端，放电顶端电压不断升高，当放电顶端的电压达到一定值时，放电顶端会放出高压电弧，当初级和次级回路的振荡频率一样即发生谐振时次级回路吸收初级回路能量的值达到最大，即此时次级回路中的能量达到最大，又由于次级回路本身的振荡，这个最大的能量在次级线圈和对地等效电容间反复转化，则放电顶端的电压值会达到更大，此时放电顶端发出的电弧的长度达到最长。

（二）SSTC（固态特斯拉线圈）

SSTC的电路模块与SGTC的电路模块基本相同，两者本质的区别在于SSTC的信号不再依赖于初级回路的LC振荡产生，而是依靠电路中的芯片的振荡产生，即SSTC的电路模块中不再有电容，取而代之的是一块或多块可产生高频信号的芯片，和放大此信号的放大电路，其工作原理是：由芯片振荡产生高频信号，通过放大电路将此信号放大，再注入初级线圈L1，转化为高频磁场，并通过线圈耦合，将能量传递给次级线圈L2，由于次级回路的LC振荡，次级回路得到的能量在次级线圈与放电顶端中转换，放电顶端的电压会不断攀升，当达到一定值时开始放出高压电弧，此时的情况与SGTC一样，当次级回路的LC振荡频率与芯片发出高频信号的频率一致即发生谐振的时候，通过耦合次级回路得到的来自初级线圈中的能量达到最大，次级回路放电顶端的电压会升得更高，从而形成更为壮观的电弧。但由于SSTC初级线圈中提供的激励有限，所以导致次级线圈中的得到能量较小，瞬间产生的电弧不及SGTC壮观。

（三）DRSSTC（双谐振特斯拉线圈）

DRSSTC电路模块在SSTC的基础上，在初级回路中串联了一个电容组，即在SSTC的基础上增加了一级LC振荡，使初级电路的信号在原来的基础上频率达到更高，从而次级得到的电弧会较SSTC更为壮观。其原理是由芯片振荡产生高频信号，经电路放大部分将高频信号放大，并注入由电容组和初级线圈L1形成的LC振荡电路中，通过LC振荡电路的作用，此信号的频率再次提高，并通过耦合传递到次级线圈中，由于次级回路的LC振荡，次级线圈得到的能量会在放电顶端（对地电容）与次级线圈中转换，放电顶端的电压会不断升高，当达到一定值时会放出高压电弧。此处和SSGT是一样的，当高频信号的输出频率与初级的LC的振荡频率以及次级的LC振荡频率相同时即三者谐振时，初级回路能量瞬间会变得很大，通过线圈耦合将初级回路中的能量传递给次级回路，则次级线圈中得到的能量会更大。由于次级回路本身的LC振荡，次级回路放电顶端电压会在很短的时间内达到很高，当电压达到一定值后，放电顶端会放出特别壮观的电弧。

三、三种特斯拉线圈的功能对比及优缺点分析（见表1）

四、结果与讨论

本文对主要的几类特斯拉线圈的原理和功能进行了对比分析，阐述了SGTC、SSTC、DRSSTC三种基本特斯拉线圈的原理、电路组成、各自的优缺点，及相互间存在的联系与差异，帮助初学者更有效了解这三种基本的特斯拉线圈。

参考文献

[1]陈雪礼，陆志恒，刘玉颖.特斯拉线圈及其发明人[J].物理通报，2015，（1）：116～118.

[2]陈泽梓，邓长昊，朱敏莘.特斯拉线圈制作[J].发明与创新，2014，（24）：19～20.

[3]王毅伟，郭颖.基于特斯拉线圈的无线充电模型设计[J].国外电子测量技术，2016，35（9）：34～36.

作者简介：魏勇（1987.06—），男，汉族，内蒙包头人，博士，重庆三峡学院，讲师，研究方向：光纤传感、大学生创新教育。