原文
，卷:5(4)

• 查看PDF
• 下载

特斯拉线圈的设计、施工与优化

*通信:

El-Aragi通用埃及开罗核研究中心等离子体物理与核聚变部，电话:+ 972 1-800-660-660;电子邮件: (电子邮件保护)

摘要

特斯拉线圈是由发明家尼古拉斯·特斯拉在1891年左右提出的，被称为谐振变压器或特斯拉变压器(TT)。特斯拉变压器能在高频和高频下产生高交流电压低电流。本文介绍了国产特斯拉线圈的设计和使用。通过不同的试验，确定了特斯拉线圈的最佳工作条件，如最大输出电压、电流和火花长度。对主次侧信号进行了快速傅里叶变换。

关键字

特斯拉线圈;高频率;谐振变压器;快速傅里叶变压器

简介

特斯拉线圈被称为交流高压空芯谐振变压器[1-3.］．它能产生高电压和高频交流电。特斯拉变压器有几个部件。初级变压器，即输入高压变压器，罐式电容器，即高压电容器，电火花间隙和初级线圈组成的几圈粗粗线绕在初级线圈的底部。除了次级线圈外，它还由数百匝相对较细的小规格漆包线组成。这两个线圈组成了一个空芯变压器，换句话说，线圈内部没有铁芯。高压火花从顶部向四面八方辐射到空气中。通常采用0.6的耦合系数[4-6］．紧密耦合的特斯拉变压器将产生较高的平均功率，而松散耦合的特斯拉变压器设计将以较低的功率传输效率为代价提供较高的输出电压[7，8］．小型特斯拉变压器在真空系统中用作气体检漏仪，以及气体电离等[9，10］．

实验

图1所示为特斯拉线圈的结构细节示意图。初级线圈通常绕在线圈的底部。初级和次级之间有大约1厘米-5厘米的空间，以避免从次级线圈到初级线圈的电弧。初级应由几圈(3-12圈)的重电线或甚至铜管或任何其他高导电材料制成。次要是一个大的单层线圈。它应构造在一些不导电的材料上，如PVC管。缠绕必须整齐、紧实。任何重叠都会极大地影响性能。

二次换绕组后应适当绝缘。人们可以使用塑料喷雾、硅、石蜡和许多其他好的绝缘体。人们可以使用一些东西，比如观察线圈上出现的任何电晕，并将其隔离，否则线圈将被破坏。在一次线圈和二次线圈之间放一根塑料管可以减少电弧。次要有长度/直径约四。

高电压、低频电源的输入是给主油箱充电的电路。这能源是用来充电电容器的初级电路和所有能源储存在里面的将被转移到初级线圈。充一次电容和击穿火花间隙的过程发生迅速。射频阻塞(RFC)电感器显示在图1作为高阻抗，以防止交流电源干扰振荡主槽电路。

结果与讨论

进行了不同的测试，以找到最大范围，电压和电流输出，火花长度等。第一个实验是检查随着输入电压的变化，器件的输出范围。在这个实验中，可变电压源保持恒定电压，然后将荧光灯移到次级线圈附近(图1 b)．当光线靠近时，它开始发光。因此，从零距离开始，它被移动到与地面平行的更远地方。结果表明，电场面积的关系与输入电压成正比。特斯拉线圈附近的电场非常强烈，以至于电场本身可以诱导荧光灯内部稀薄气体中的电子运动，气体亮起，而没有电流流过荧光灯。为了测量正在被释放的火花的长度，实验是用一块金属物体在次级线圈附近进行的(图2)．这将导致电子从顶部负载突然路径和放电将出现。当火花，慢慢移动金属物体从线圈的开放端。火花会扩展到它的最大限度，而不会出现在临界长度之后。任何测量刻度都可以用来检测火花的长度。线圈的匝数、输入电压这两个因素都是影响火花放电长度的巨大尺度。

它不能简单地将电压表连接到特斯拉线圈的尖端并进行测量。在这种情况下，必须使用火花长度来估计输出电压。从距离较远的地方开始——比如20厘米。靠近点，直到看到信号。大多数瞄准镜都足够灵敏，可以在没有天线的情况下探测到特斯拉线圈的振动。图2示用火花长度测量高压的方法，左图为特斯拉线圈输出端的探头位置，右图为特斯拉线圈工作时的火花长度。

图3显示高压示波器使用示波器探头被连接到一米的电线和悬挂约一米的二次线圈。

在导体的尖锐边缘观察到局部放电(图4)．电晕是局部放电的一种类型，是由声光效应组成的过早击穿。能源是从一次油箱回路转移到二次回路。主震的振幅会逐渐减小，而次震的振幅会放大。这能源传输是通过磁感应完成的。初级振荡的衰减称为“初级衰荡”(图5一个)，而次级振荡的开始称为“次级上升”(图5 b)．输出电压增加，直到二次线圈顶端附近的空气电离并产生电晕放电。

为了研究电路中的实际调谐比，采用快速傅立叶变压器对一次和二次边信号进行FFT。如图5，6而且7， FFT频谱表明，微调中确实存在轻微的不匹配，这可能是由于地耦合电容。

幂和积分能源初级线圈的特性如图所示图8．

一旦离子化的空气通道形成，空气不断被放电过热。放电中的等离子体非常热，降低了维持放电所需的电压。如果使用导向器，火花可能会出现增长。它需要大约10千伏电离每一英寸的空气在火花隙线圈。计算出的二次电压会产生火花

长度:

地点:

SL=高压放电(火花)长度，单位为英寸。

Vs=二次绕组的峰值电压。

另一个计算次级平均功率的公式:

地点:

Cs=二次线圈的自电容，单位为法拉ω，出现在已公布的公式中，

即2π f。然而，峰值瞬时功率要高得多:。

地点:

Ps (pk)=峰值瞬时功率(瓦特)。Vs (pk)=二次绕组振荡电压峰值。(pk)=次级绕组的峰值电流，单位安培。的能源存储在初级电容器的由以下公式得出:

地点:

Cp为主电容电容，Vp为主电压。主电容为3nF，充电至12kV后存储能源可由上式计算。

假设在转移过程中没有损失能源到二次绕组时，守恒能源声明这一点能源将被转移到二次电容c。Cs通常在6pF左右计算。如果它含有0.216焦耳的能源当能源转换完成后，可计算出二次回路的电压:Es=0.5 × 6 × 10^-12年×Vs²= 0.126

特斯拉线圈的理论电压增益实际上等于电容比的平方根。

电压增益也可以根据特斯拉线圈工作的电感来计算，主电路和次电路的谐振频率必须相同。即Fp必须等于Fs。

式中Ls为二次线圈电感，约为21毫亨利;Cs为二次线圈自电容，约为6皮法拉;Lp为一次电路电感，约为44毫亨利。电压增益可由电感的比值计算如下:

计算得到的增益约为22。

结论

介绍了国产特斯拉线圈的工作原理和设计分析。从快速傅里叶变压器来看，主共振频率与次共振频率大致相同，均为1mhz。计算得到的电压增益约为22。本文的工作为进一步研究漂浮介质阻挡放电(FDBD)产生x射线和冷等离子体的电晕放电特性和高频高压提供了思路。

参考文献

1. 克雷格斯JD，米克JM。高压实验室技术“，”巴特沃斯科学出版物，1954年。
2. 霍夫曼CRJ。一台特斯拉变压器高压发电机。在Rev Sci instrument .1975;46:1-4。
3. Sarjeant WJ, Dollinger RE.大功率电子。TAB专业和参考书。1989。
4. Denicolai M.特斯拉变压器的最佳性能。科学仪器学报。2002;73:3332-36。
5. 斯隆DH。射频高压发生器。在Phys Rev. 1935;47。
6. Scott MC, O Loughlin JP, Copeland RP。一个350千伏双谐振变压器充电40 pF PFL千赫兹的代表率。见:脉冲功率会议，1995年。技术论文摘要。第十届IEEE国际会议。1995;2:1466-71。
7. 斯科特- SA，斯凯尔登- KD，格兰特- AI。高潜力特斯拉线圈脉冲发生器讲座演示和科学展览。《美国物理学杂志》1997;65。
8. Skeldon KD。便携式特斯拉线圈装置的研制。《欧洲物理学报》2000;21。
9. 特斯拉放大变送器的工作原理。第一届国际大会尼古拉·特斯拉-未来历史2015年4月24日至26日。贝尔格莱德。塞尔维亚。
10. 蒂尔伯里。米奇。终极特斯拉线圈设计和施工指南。纽约mcgraw - hill专业版，2007年。