特斯拉线圈

斯特拉斯拉线圈，又称特斯拉线圈，是一种谐振变压器，用于产生高频交流电压。 它用于产生高压。 其功能原理基于磁松耦合电振荡电路的共振。

与用于高压范围并用于电力工程领域的电力变压器相比，斯特拉线圈en的平均功率从几瓦到几千瓦不等，尽管瞬时功率很高。 由于通常功率较低，它们作为各种演示实验的相对安全的高压源； 它们对电力工程没有意义。

具有相同谐振频率的两个截然不同的振荡电路松散地磁耦合并形成一个变压器。 如果初级和次级电路处于谐振状态，由于谐振增加，次级线圈会产生超过 100 kV 的高压。 特斯拉变压器中初级和次级线圈的匝数比本身并不负责输入电压的转换。 相反，由于耦合松散，可能会增加共振。 谐振电路由长的次级线圈及其自身的电容和头电极对地的电容组成，次级线圈的下端接地。 特别是线圈的近地区域处于励磁初级线圈的磁场中。

特斯拉变压器的工作频率介于 30 kHz 和 500 kHz 之间。 次级线圈为单层长圆柱形线圈，匝数100～2000匝。 它位于直径较大、匝数较少的短初级线圈的磁场中。 这实现了足够的绝缘距离，特别是到次级线圈的上部，即所谓的“热”端，它承载高交流电压。

次级线圈的单层均匀绕组引起场控制（均匀的电场级数），从而避免沿着该线圈的局部放电。 向上上升的电势也决定了初级线圈的形状，它可能在底部靠近次级线圈，但往往在顶部呈圆锥形加宽。 结果，两个线圈之间的电场强度保持在击穿场强以下。

在大型系统中，输出电压可以达到几兆伏。 次级线圈“热”端（通常连接环形电极）的高频交流电压（几 10 到几百 kHz）在周围空气中产生气体放电，称为流光。 电极上的热负荷保持很低，不会产生电弧。

区分两种不同类型：脉冲和载波特斯拉变压器。 两者都是基于次级线圈自然谐振的激发。 它们的不同之处在于，在一种情况下，激励通过电容器放电以脉冲形式发生，而在另一种情况下，通过强大的高频发生器连续发生。 脉冲特斯拉变压器是更广为人知的类型。 混合形式与以脉冲形式运行的高频发生器一起工作。

初级谐振电路由开关，一个5nF到几百nF左右的电容和一个大约 5...15 匝和大直径的短线圈。 该线圈通常带有抽头，因此可以调节电感和谐振频率。 初级谐振电路的电容器通过防短路电压源（图中左侧的交流电压符号）充电至至少5 kV，直到火花隙点燃并且电压源短路。 由此产生的短路将初级振荡电路与电压源分开，现在充电的振荡电路留给自己的设备使用。 这会产生具有高瞬时功率的自由振动，理想情况下在火花隙再次点燃之前阻尼衰减。

这些振荡以感应方式传输到次级谐振电路，该电路通常由一个长的圆柱形线圈组成，有几百到一千匝。 由于其上下端或地之间的电容，如果适当调谐，该线圈会形成与初级电路具有相同谐振频率的振荡电路。 电感耦合产生耦合振荡，其中能量在初级和次级振荡电路之间来回振荡。

理想情况下，一旦电容器的所有能量都已转移到次级线圈，初级励磁火花隙将在几微秒后熄灭。 如果电容器通过强大的电源电压源充电时火花隙仍然存在残余电离，则电弧可能会残留，从而使电源过载。 可通过淬火火花间隙（另见淬火火花发射器）确保快速熄灭，其中火花被分成约 0.2 毫米的部分。 火花的等离子体可以通过彼此平坦的大块金属部件足够快地冷却，因此当电压再次升高时它不会重新点燃。 此外，磨损因此分布在大面积上。 具有旋转扇形盘的结构也是已知的，因此以一定速度（旋转火花隙）周期性地进行点火。 火花隙“截断”来自初级电路的信号，产生锯齿信号，或者在某些情况下产生针状脉冲（上升时间短的指数脉冲）。 这会产生大量对环境具有破坏性影响的谐波，并且可以在电磁环境兼容性方面发挥作用。

电容和火花隙也可以对调，这样电容并联在电压源上，而不是火花隙。 然而，电压源的负载更重，必须进行相应的设计。

初级振荡电路的电源必须能够承受电容器充电时的短暂短路。 它通常通过在电网上运行的 50 Hz 变压器（电源变压器）来实现，最初产生的电压在 5 到 30 kV 之间。 合适的是例如 B、霓虹灯用防短路点火变压器。 电源变压器和火花隙之间的高频扼流圈可以在一定程度上减少高频电源干扰。 但是，如果使用漏磁芯变压器，则没有必要这样做，因为它足以减少有线对电源的干扰。 然而，与辐射相关的干扰并不能始终以这种方式减少，因为火花隙的上升时间会产生高达 GHz 范围的频率，然后很容易耦合到周围的线路中，从而干扰环境。 这种效果对于接地的特斯拉线圈尤其明显，而对于未接地的，例如双极，线圈不太明显。

闸流管、IGBT（绝缘栅双极晶体管）或晶闸管也用于代替火花隙。 这些组件必须切换通常为几 kA 的高电流，因此价格昂贵。 然而，这种解决方案可重复、安静且无磨损地工作。 由于电子控制的可能性，您可以准确地确定开关过程。

载波特斯拉变压器的线圈构造与脉冲特斯拉变压器的线圈相同。 然而，没有使用电容器放电来馈电，而是使用连续工作的高频发生器与晶体管（固态特斯拉线圈的SSTC）或电子管（真空管特斯拉线圈的VTTC）一起工作。 它必须调谐到高压线圈的自然谐振或其反馈信号必须来自它。 为此，变压器结构有时会有一个附加（辅助）绕组。

在所谓的 DRSSTC（双谐振固态特斯拉线圈的 DRSSTC）中，初级电路是一个串联谐振电路，有效地馈入方波。 结果，共振增加已经在初级侧生效。

对于连续运行的设备，通常可以产生比脉冲特斯拉变压器更短的电刷放电 - 电离和产生放电的功率需求随着电压的增加而显着增加，并且可以更容易地通过电容器在脉冲操作中提供。

随着共振条件的变化，发电机存在不匹配的风险，因此存在过载的风险。