這個(gè)電路疑點(diǎn)太多了……
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(shí)驗(yàn)。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。
手邊正好有一個(gè)微型特斯拉線圈套件,組裝起來測試一下它的電路原理。因?yàn)樵谒碾娐分?,存在著一個(gè)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。
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?yàn)檫@個(gè)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,另外一段就是懸在半空中,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。
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:
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電感: -
電阻:
在使用時(shí),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(shí)驗(yàn),來討論關(guān)于這個(gè)電路起振工作的基本原理。需要回答以下問題:
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1. L1的繞制方向?qū)τ诓ㄐ斡惺裁从绊懀? -
2. 沒有L2,只有L1時(shí)電路是否工作? -
3. 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(jìn)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。
電路的工作電壓使用15V穩(wěn)壓電源提供。電路形成強(qiáng)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)。
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(gè)過程應(yīng)該是芯片溫度變化引起的。
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(gè)周期的信號波形,便于進(jìn)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(gè)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(gè)反向進(jìn)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。
3. 磁棒對于振蕩頻率的影響
使用兩種不同的收音機(jī)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。
(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。
(2)頻率的變化
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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:
4. 初級線圈的影響
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(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
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
(2)三圈松散繞制
(3)兩圈緊密繞制
(4)兩圈松散繞制
(5)五圈緊密繞制
(6)四圈松散繞制
(7)四圈緊密繞制
(8)四圈緊密繞制,在線圈的中部
從上面實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看,對于頻率的影響的因素是綜合的。
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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(gè)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
(2)逆向繞制
(3)獨(dú)立繞磁棒
2. 獨(dú)立空心線圈
3. 繞制在磁棒上放在線圈里
(1)順同方向松散繞制
(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)。
(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。
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:
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原來的Q2在沒有特斯拉線圈的情況下,自行也會進(jìn)行振蕩,此時(shí)利用集電極的寄生電容,構(gòu)成了電容三點(diǎn)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(shí)形成強(qiáng)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(shí)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
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特斯拉線圈究竟通過何種主要機(jī)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?
雖然做了一些相關(guān)的實(shí)驗(yàn),這個(gè)神奇的電路依然留給我們很多的疑問和遐想。
作者:卓晴
來源:TsinghuaJoking
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