简介：任何人在第一次看到这个小小的电气骄傲月的时候都会有神奇的感觉。它出色的将通常情况下我们熟悉的电路形式拓展的和空间相关的一些性质，比如分布电容、电感、空间放电等等。可以极大拓展在普通高校电路原理中固定下来的关于集中参数电路的概念，使得对电路的认知从静态，集中参数扩展到动态，分布参数的认知。

关键词： 特斯拉线圈，谐振线圈，微型特斯拉线圈

§01 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 μ H L = 886.5\mu H L=886.5μH
电阻： R = 39.71 Ω R = 39.71\Omega R=39.71Ω

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？

§02 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 = 3.3 M H z f_0 = 3.3MHz f0=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 = 1.53 M H z f_1 = 1.53MHz f1=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 = 1.087 M H z f_2 = 1.087MHz f2=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。

§03 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}

§04 实验总结

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。

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