什么是“特斯拉线圈”和“谐振变压器”？

一、概述

特斯拉线圈（Tesla Coil）是一种谐振变压器（Resonant Transformer），由尼古拉·特斯拉在1891年发明，用于生产超高电压、低电流、高频率的电力。特别的，特斯拉线圈可产生绚丽的电弧效果，所以成千上万的电子爱好者至今都在制作它。

通常情况下，空气被认为是绝缘的，当电极两端的电压足够高，空气中的分子被电离，形成各种离子，此时空气被击穿，空气变成导体，电流通过就会形成电弧。

那么击穿空气需要多大电压呢？3KV/mm（该值随压力、温度、湿度改变）。也就是说，如果要在1cm的间距上产生电弧，那就要30KV。可见特斯拉线圈上的输出电压有多高了。当然你可以说，在划破长空的大自然雷电面前，这都不算什么。

二、电路构成

我在网上找了一个比较直观的特斯拉线圈的实物连接图：

图2-特斯拉线圈实物连接图

对应原理图如下（电极与电容的位置与实物图中有所调整）：

图3-特斯拉线圈电路原理图

主要元器件有：

• 电源输入：通常为市电，如AC 110V 60Hz/220V 50Hz等；
• 升压变压器（变压器1）：通过匝数之比升高电压，能将电压升高到上千伏。工作频率较低（市电频率50~60Hz），一般带有磁芯；
• 火花间隙：由两个电极构成，之间有较短距离间隙，图中描述为“Spark Gap”；
• 谐振变压器（变压器2）：由图中的初级线圈（Primary Coil）和次级线圈（Second Coil）组成，所谓的特斯拉线圈指的就是这个；
• 电容（电容1）：起到储能作用，并且与谐振变压器中的初级线圈（Primary Coil）构成LC谐振电路；

你可能觉得谐振变压器中的次级线圈（Second Coil）呈现开路状态，没有电流流过。但实际上线圈的寄生电容、以及线圈顶部的环状体电极（Torus）与大地之间的电容，组合构成了“等效电容”（电容2），且电压足够高时，就会击穿空气，在电容上流经电流：

图4-特斯拉线圈上“看不见”的等效电容

所以，完整的特斯拉线圈电路图如下所示：

图5-加入等效电容的特斯拉电路原理图

三、工作原理

（1）火花间隙

要理解特斯拉线圈，首先要理解火花间隙（Spark Gap）。

火花间隙在此就相当于一个开关：

• 当初始状态下，变压器1对电容形成充电电路，见下图（a）；
• 当电容电压达到一定值，火化间隙导通，相当于短路，电容和变压器2的初级线圈（Primary Coil）构成LC谐振电路，见下图（b）；

图6-火花间隙 不导通（a）和导通（b）

（2）LC谐振电路

上图（b）中，电容和电感组成了经典的LC谐振电路。简而言之，电容里储存的能量逐步释放，传递给电感；然后电感的能量逐步释放，传递给电容，周而复始。能量交互的周期为谐振频率（与电容、电感有关），考虑到电路上不可避免的电阻消耗，能量会逐步减小。

图7-LC谐振电路

关于LC谐振电路，更详细的介绍可以查看之前的文章。

当能量减少，火花间隙两个电极上高电压难以维持，火花间隙断路，重新回到上图（a）的状态。

注意，通过L、C的取值，LC电路的谐振频率非常高（数百KHz）。结合火花间隙的开、关，以及LC谐振电路的振荡，电容上电压波形示意图如下所示：

图8-电容的波形变化示意图

相对LC电路谐振过程，电容的充电过程较慢，这就是为什么图6（a）、（b）分别标注了慢电路（Slow Circuit）和快电路（Fast Circuit）。

当然，相比50/60Hz的输入电源，慢电路还是很快的！所以在输入电源的一个周期内，慢电路和快电路作为一个大整体发生过很多次。

（3）谐振变压器

最终迎来了由初级线圈（Primary Coil）和次级线圈（Second Coil）组成的谐振变压器。其中初级线圈同时属于上述LC谐振电路。

图9-谐振变压器

谐振变压器和普通变压器（如图3中的变压器1）的工作原理不一样，普通变压器基于电磁感应的原理，即初级线圈和次级线圈围绕同一个磁芯绕制而成，两个线圈共享同样的磁通量，两个线圈电压之比与两个线圈匝数之比有关：

图10-普通变压器

谐振变压器基于共振（谐振）原理。在声波领域有共振，譬如女高音歌唱家通过声音可以把玻璃杯振碎，就是因为两者谐振频率一致，能量通过声波最大化传递到杯子，使其振动、破裂。在电磁波领域也有共振，我们仔细看图9的谐振变压器，其实包含了两个LC谐振电路，如果当两个谐振频率相同，能量就会最大化进行交互。

谐振变压器工作频率很高，通常没有磁芯；两个线圈的磁通量不相同，因此两个线圈不需要紧密靠拢或对齐。

谐振变压器初级线圈和次级线圈上的电压之比公式如下，它和两个线圈的电感量（受匝数、直径、长度影响）、谐振电路质量因素Q（代表选频能力）、耦合系数K（受距离影响）有关：

图11-谐振变压器初级线圈和次级线圈电压之比

我们看图2中特斯拉线圈的实物图也确实可以看到谐振变压器两个线圈的匝数之比很大，代表升压很高。

谐振变压器的能量交互比较复杂，能量可以从初级线圈传递到次级线圈，也会从次级线圈传递到初级线圈，我没深入学习过，在此不展开，但是你可以想象一下常见RFID应用就是基于这种原理：

图12-RFID谐振频率上的能量传输

四、总结

今天我们介绍了特斯拉线圈，它的核心是两个LC电路构成的谐振变压器，它的输出电压非常高，以至于能电击穿空气。

制作特斯拉线圈线圈的难点在于两个LC电路的谐振频率要保持一致，这需要花费很大功夫调试谐振变压器上的环状体电极（Torus）。