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來源：互聯網

特斯拉線圈（Tesla Coil），是一種使用共振原理運作的變壓器（共振變壓器），其原理是使用變壓器使普通電壓升壓，然后經由兩極線圈，從放電終端放電。所有特斯拉線圈均由4個基本組件組成：初級線圈、次級線圈、放電頂端和控制電路。

1826年，法國科學家菲利克斯·薩瓦里（Felix Savary）首次發現了電容器可以產生電振蕩的證據。1857年，德國物理學家貝倫德·威廉·費德森（Berend Wilhelm Feddersen）在旋轉鏡中拍攝了萊頓瓶諧振電路產生的火花，提供了振蕩的可見證據。1891年，美籍塞爾維亞裔科學家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）發明了特斯拉線圈，主要用來生產高壓高頻低電流的交流電。1893年，特斯拉做了一次關于無線傳輸的講座并進行演示，他提出將信號傳輸與電力傳輸結合起來，同時獲得該專利，這是第一個無線電專利。2001年5月，國際無線電力傳輸技術會議召開期間，法國國家科學研究中心的皮格努萊特，利用特斯拉線圈的無線傳輸電能點亮了距離大約45米的一個200W的燈泡。

據開關元件的不同，特斯拉線圈主要包括火花間隙特斯拉線圈和固態特斯拉線圈，特斯拉線圈用途比較廣泛，多用于電子產業，如利用特斯拉線圈對手機無線充電；也用于藝術方面，如利用音樂特斯拉線圈使不同頻率的電弧擊穿不同程度的空氣，發出不同頻率的聲音；還可以用于鋁焊接等。

歷史沿革

理論背景

1826年，法國科學家菲利克斯·薩瓦里（Felix Savary）首次發現了電容器可以產生電振蕩的證據。他發現，當萊頓瓶通過纏繞在鐵針上的電線放電時，有時鐵針會沿一個方向磁化，有時會沿相反方向磁化。1842年，美國物理學家約瑟夫·亨利（Joseph Henry）重復了薩瓦里的實驗，并得出了相同的結論。

1853年，英國科學家威廉·湯姆森（William Thomson）用數學方法證明萊頓瓶通過電感的放電應該是振蕩的，并推導出其諧振頻率。

1857年，德國物理學家貝倫德·威廉·費德森（Berend Wilhelm Feddersen）在旋轉鏡中拍攝了萊頓瓶諧振電路產生的火花，提供了振蕩的可見證據。1868年，蘇格蘭物理學家詹姆斯·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）統計了將交流電施加到具有電感和電容的電路上的效果，表明在諧振頻率下響應達到最大值。

1887年，德國物理學家海因里希·赫茲（Heinrich Hertz）發表了關于發現無線電的開創性論文，該論文提供了火花隙LC諧振探測器中可獲得的火花長度與頻率的函數關系。

發明創新

1891年，美籍塞爾維亞裔科學家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）發明了特斯拉線圈，主要用來生產高壓高頻低電流的交流電。

1893年，特斯拉做了一次關于無線傳輸的講座并進行演示，他提出將信號傳輸與電力傳輸結合起來，同時獲得該專利，這是第一個無線電專利。

1899~1900年，特斯拉在科羅拉多斯普林斯建造了的特斯拉線圈并進行了無線輸電實驗。

最初的特斯拉線圈均使用火花間隙作為開關器件，20世紀50年代出現了電力電子技術，并且發展迅速。隨著高速、高可控性電力電子器件的出現，開始出現了使用電力電子器件驅動的特斯拉線圈，因為其開關元件為固態半導體器件，因此這類特斯拉線圈被稱為固態特斯拉線圈。

1997年，國防科技大學實驗研究后表示已經研制出耦合系數高達0.585的特斯拉變壓器，當輸入電壓30000V時，輸出電壓可達1.2MV。

2001年5月，國際無線電力傳輸技術會議召開期間，法國國家科學研究中心的皮格努萊特，利用特斯拉線圈的無線傳輸電能點亮了距離大約45米的一個200W的燈泡。

基本原理

特斯拉線圈的原理是使用變壓器使普通電壓升壓，然后經由兩極線圈，從放電終端放電。特斯拉線圈由兩個回路通過線圈耦合。首先電源對電容C1充電，當電容的電壓高到一定程度超過了打火間隙的閾值，打火間隙擊穿空氣打火，變壓器初級線圈的通路形成，能量在電容C1和初級線圈L1之間振蕩，并通過耦合傳遞到次級線圈。次級電感線圈也是一個電感，放電頂端C2和大地之間可以等效為一個電容，該等效電容與次級線圈形成LC振蕩回路，當兩級振蕩頻率一致發生諧振時，初級回路能量持續傳遞至次級，使放電端電壓峰值不斷升高直至擊穿空氣放電。

基本結構

所有特斯拉線圈均由4個基本組件組成：初級線圈、次級線圈、放電頂端和控制電路。當正確組合時，這些部件可以使特斯拉線圈在頂部負載中產生極端電壓，從而在空氣中產生大電弧。

初級線圈

初級線圈是繞制在特斯拉線圈的下方的線圈，通常由大功率銅線制成。它與電源相連，承載著電流和能量的傳輸。初級線圈的功能是提供電源能量，產生磁場，并調節次級線圈的共振頻率。它的匝數通常比次級線圈少，因此承載著更大的電流和功率傳輸。主線圈和次級線圈之間的電磁耦合使得能量可以從主線圈傳遞到次級線圈，形成高頻的交流電場和磁場。

次級線圈

次級線圈是繞制在初級線圈的上方的線圈，通常由絕緣的細電線繞制而成。它通過電磁感應從初級線圈獲取能量，并將這些能量轉換為高電壓、高頻率的信號輸出。次級線圈是特斯拉線圈的關鍵組件，次級線圈的匝數通常比初級線圈多，因此產生的電壓更高。次級線圈通過共振現象來增強輸出信號，并產生閃電放電或電火花等效應。

放電頂端

放電頂端是特斯拉線圈頂部的大圓環形狀。首先，它提供了一個形狀良好的電場，以防止火花和閃絡。放電頂端的大而光滑的表面可以防止火花在機器上形成。由于火花喜歡在尖銳的點或邊緣處產生，放電頂端的設計有助于防止這種情況發生，并保護機器。其次，放電頂端充當電容器。它的大小和形狀決定了其電容值。通過調整放電頂端的大小，可以調整線圈的頻率。通過選擇適當的放電頂端，可以提高特斯拉線圈的性能和效率。

控制電路

以火花間隙特斯拉線圈為例，火花間隙特斯拉線圈作為最傳統的特斯拉線圈，其控制電路比固態電路簡單，僅由初級電容器和火花間隙組成。

電容器

初級電容器是特斯拉線圈中與初級線圈一起使用的元件，用于創建初級LC電路。初級電容器通常由數十個串聯/并聯的電容器組成，具有較高的可調節性和易于更換的優點。初級電容器陣列中通常使用1.6kV至2kV的電容器，并且使用多個串聯電容器以提供足夠的額定電壓。

火花間隙

火花間隙是一種將初級電容器瞬時連接到初級線圈的開關。它允許電容器中的電荷通過間隙放電到線圈中。火花間隙有兩種基本設計：靜態間隙和旋轉間隙。靜態間隙是指電極靜止的間隙，而旋轉間隙使用旋轉電極。

靜態間隙由兩個螺栓、電線或其他導體組成。間隙的寬度需要根據電容器的電壓來確定，并且應該能夠輕松調整。室電（220V交流電）經過整流器處理變成直流電，處理后的直流電經過高頻振蕩器的作用變成頻率更高的交變電流，產生的高頻交流電經過升壓變壓器升至萬伏以上，從而可以達到擊穿空氣的效果。打火器是由兩個光滑表面構成的，它們之間有幾毫米的間距，具體的間距要由高壓輸出端電壓決定。當主電容兩個極板之間的電壓達到一定程度時，會擊穿打火器處的空氣，和初級線圈構成一個LC振蕩回路。

類型

根據開關元件的不同，特斯拉線圈主要包括火花間隙特斯拉線圈和固態特斯拉線圈。

火花間隙特斯拉線圈

火花間隙特斯拉線圈（Spark Gap Tesla Coil，SGTC），是最傳統的特斯拉線圈，也是特斯拉本人制作的線圈。火花間隙特斯拉線圈主要由線圈、主電容和打火器構成，激勵電源對主電容充電，電容兩端電壓升高，當達到一定值時能夠擊穿打火器的間隙，和初級線圈構成回路，能量在電容和初級線圈之間振蕩，這樣在線圈的初級形成高頻交流電。這種線圈結構簡單、容易制作，但是工作時會產生很大的噪音并且壽命很短。且這種特斯拉線圈的另一大弊端是初級線圈必須產生火花間隙，通過火花間隙制造出來的諧振頻率傳輸電能，而產生火花間隙就使得電路中必須有大電壓和大電流。使用者在操作火花間隙特斯拉線圈時，稍有錯誤就會危及生命安全。

固態特斯拉線圈

隨著現代電子技術的發展，出現了固態特斯拉線圈（固體 state Tesla Coil，SSTC），SSTC是通過集成芯片的振蕩實現高頻交流電，并通過功率放大電路放大后驅動次級線圈的特斯拉線圈。SSTC的初級不發生串聯諧振，只給次級提供可以滿足次級LC發生串聯諧振的頻率，讓次級線圈發生串聯諧振，初級電流為激勵源電壓除以交流阻抗。而SGTC是直接利用初級LC振蕩實現的高頻交流電激勵次級線圈，相比SGTC，SSTC具有低噪音、高效率、壽命長的特點，但其初級線圈給次級線圈提供的勵磁功率有限，電弧不長。

雙諧振特斯拉線圈

雙諧振固態特斯拉線圈（Dual Resonant 固體 State Tesla Coil，DRSSTC），本質屬于一個串聯諧振逆變器。相對于SSTC來說，由于初級線圈發生了串聯諧振，初級線圈電感兩端的電壓為激勵源電壓的Q倍，諧振阻抗Z（R）因子很低，因此初級的諧振電流很大（諧振電壓除以諧振阻抗等于諧振電流），此時給次級提供的勵磁功率也會很大，和SSTC可不是一個數量級的。相比SSTC來說，具有功率大，可以調制音樂等優點，其主要原理是電諧振。雙諧振固態特斯拉線圈的主要部件有：初級線圈、次級線圈、滅弧控制器、全橋驅動電路和全橋振蕩電路。

DRSSTC的初級線圈與初級電容串聯，構成一個LC振蕩電路，打開電源的瞬間初級線圈進行充電，形成一個LC振蕩電流被驅動板接收到，驅動板收到其諧振信息后便以該信息作為全橋驅動初級線圈的信號，這樣初級線圈和電容構成的LC振蕩可以和驅動板輸出的信號構成諧振。滅弧控制器是輸入信號的裝置，一般都是由芯片構成的，通過NE555或者TL494等元件輸出振蕩信號，并將信號傳送到全橋驅動電路中。

參數指標

耦合系數

特斯拉線圈中初級線圈和次級線圈相互作用的系數就是耦合系數k，它是描述能量如何在初級線圈和次級線圈之間傳輸的，也就是初級線圈耦合到次級線圈的比率。普通變壓器的耦合系數一般接近于1，所以初級線圈與次級線圈基本成比例關系，而特斯拉線圈由于是空芯線圈，所以耦合系數一般不超過0.6，工作時兩極電壓比例隨時間變化而變化，不成比例關系。

耦合系數的增加能使電感線圈之間的能量交流更加頻繁，無用的能量減少而且由于能量傳遞速度較快，周期較短，特斯拉線圈的電壓上升率較高，能量傳遞效率增高，其放電效果較好。通過增加耦合系數來能夠提升能量傳遞效率，以此提升特斯拉線圈的次級輸出電壓。

振蕩頻率

為了產生高輸出電壓電平，初級和次級電路都被調整為彼此諧振。因此，可以通過電路中的電感和電容值得知兩個電路中的諧振頻率。

其中：

“f1”對應于初級調諧電路中的諧振頻率；“f2”對應于次級調諧電路中的諧振頻率；“L1”對應初級線圈；“L2”對應次級線圈；“C1”對應主電容；“C2”對應放電頂端。

一般來說，次級電路不被調整，因此初級電路被調諧，直到兩個電路的諧振頻率匹配。

因此，

在共振條件下，L1C1=L2C2。

在特斯拉線圈中，諧振頻率范圍在50kHz~1MHz之間，這是低射頻范圍。而由于火花的脈沖性能，諧振頻率也可以在寬帶范圍內。

品質因數

由于特斯拉線圈的線圈部分為串聯諧振電路，是諧振電路的一種。諧振電路的特性與諧振電路的品質因數密切相關，所以，利用品質因數來提升電路的性能以此來提升特斯拉線圈的效果。

品質因數Q的定義為

其中，為諧振電路中存儲的能量，為諧振電路每個周期內消耗的能量，即品質因數等于諧振電路中儲存的能量與每周期內消耗能量之比的倍，品質因數主要反映了諧振電路的電路儲能效率。品質因數越大，意味著相對于存儲的能量來說消耗的能量越少，也就是諧振電路的儲能效率越高。提高系統的品質因數就相當于提高了系統的能量傳遞效率，輸入不變時輸出電壓會升高。

應用

特斯拉線圈用途比較廣泛，多用于電子產業，如利用特斯拉線圈對手機無線充電；也用于藝術方面，如利用音樂特斯拉線圈使不同頻率的電弧擊穿不同程度的空氣，發出不同頻率的聲音；還可以用于鋁焊接等。

音樂特斯拉線圈

音樂特斯拉線圈，是根據輸入的音頻信號控制電弧的釋放頻率，由于電弧擊穿空氣的程度不同，發出不同的聲音，從而形成完整的音樂。在特斯拉線圈原裝置基礎上加入音樂播放控制組件，包括移動終端和滅弧控制器，移動終端為滅弧控制器提供音樂頻率，通過滅弧控制器調整振蕩電路的輸出功率，控制電弧的釋放頻率，由于不同頻率的電弧擊穿空氣的程度不同，則會發出不同頻率的聲音。

手機無限充電

通過發射器線圈（充電底座）與接收器線圈（手機）之間出現的名為磁感應的過程進行電能無線傳輸。發射器線圈產生的這個磁場使接收器線圈中產生感應電壓，最后，接收器的電路將交流信號轉化為直流信號，供設備中的電池或電子元器件使用。用于為手機電池充電。

焊接設備

特斯拉線圈也可以應用于焊接設備。在鋁焊接的情況下，少數設備采用特斯拉線圈產生高頻電流，使電弧在不與金屬電極接觸的情況下形成。

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