教学用高压放电演示装置

谢玉胜

项目的研究背景

特斯拉线圈是一种使用共振原理工作的变压器（共振变压器），由交流电之父特斯拉发明，至今已有100多年的历史，主要用来生产超高电压、高频率但低电流的交流电。随着科技的发展，特斯拉线圈衍生出了很多种类。传统的使用高压电源驱动、金属打火器触发的叫做“火花隙特斯拉线圈”（简称SGTC）。这种线圈结构简单、容易制作，但是工作时噪声很大，效率低，寿命短。后来人们用半导体元件代替打火器，制造出了“固态特斯拉线圈”（简称SSTC）。这种线圈因为没有谐振电容，所以单次放电量比较少，电弧较短，功率也比较小，它具有噪声低、效率高、寿命长的特点。

在很多科技馆里，参观者都可以触摸特斯拉线圈的电弧，也都会被那长长的电弧深深地震撼。大型的特斯拉线圈造价不菲，像科技馆中的大型特斯拉线圈，电弧固然壮美绝伦，但造价动辄数万，不是一般人能够承受得起的。同时大型的特斯拉线圈也不适用于课堂教学，危险性较大。本项目通过研究，设计开发了一种小型高压放电演示装置，适用于课堂教学和中小学生科学探究，可以演示各种高频高压放电现象，比如雅各布电梯、间隙放电、手指放电等，还可以通过音频控制，具有很强的趣味性，能提高学生的学习兴趣。

特斯拉线圈的主体部分包括升压充电回路、初级谐振回路和次级回路。初级谐振回路由初级线圈、主电容、打火器构成。次级谐振回路由次级线圈和放电顶端构成，电容和电感的数值可根据实际制作而定，但两回路的谐振频率必须相同。固态特斯拉线圈的原理是：通过驱动电路，将50Hz的民用交流电转换为高频交流电，通过初级线圈形成高频磁场，当磁场振荡频率和由一端接地的次级线圈和放电端形成的LC体系的固有频率一致时发生谐振，此时次级线圈将大量电荷送入放电端，使得放电端电压升得很高，从而形成闪电。固态特斯拉线圈没有电容组，只有驱动电路、初级线圈、次级线圈和放电端。它是依靠驱动电路产生高频电流，送入初级线圈产生高频磁场。

设计与制作

基本思路

由于固态特斯拉线圈的工作比较好控制，具有噪声低、效率高、寿命长的特点。所以本演示装置就基于固态特斯拉线圈的原理加以改进并增加音乐锁频电路，使得振荡频率可以通过音频控制，这样演示的趣味性就大大增加。它由电源、驱动电路、音乐灭弧电路、全桥驱动、自制升压线圈等组成，其结构如图1所示。

当开关管打开，大量的正电荷流向电容的负极，电流流过初级线圈。此时另外一个开关管打开时电流从相反的方向流过，因此平滑的直流电就变成了高频振荡的交流电。有2个开关管的电路叫做半桥电路。它的特点是只要2个开关管，成本很低。由于在充电时有2个电容串联，因此放电的电压只有输入电压的一半。由于半桥电路放电电压小，于是有人又提出了全桥电路。全桥电路采用4个开关管，它的功率管是成对角线打开，通过对角线的2个功率管同时开关，实现振荡，中间的接线处是通往初级线圈的。由于不用给桥臂电容充电，因此放电电压是半桥电路的2倍。大功率的特斯拉线圈都会使用全桥电路，本项目也选用全桥电路。

制作选材

材料：次级线圈的骨架用PVC管制作，还需要合适的PVC管接头（方便次级线圈和对地电容的固定）；0.2mm漆包线可从电子市场买到；初级线圈骨架用亚克力板或塑料菜板制作；磁环采用氧铁体材质，根据功率的大小选择；小功率的低压变压器，用于驱动电路板供电，电压根据驱动电路板的设计确定；其他材料还有木板、亚克力板、有机玻璃等。

工具：钳子、螺丝刀、钢锯、钻头、示波器、信号发生器。

设计与制作

设计制作次级线圈。首先确定特斯拉线圈次级体积（次级的直径和高度和PVC管直径）和漆包线规格，一般次级线圈在1500～1800匝。制作次级线圈的时候，第1匝的绕制决定整个次级绕线的质量，不能绕偏。绕线的时候，要避免将漆包线漆皮蹭破，也不要让匝和匝重叠上。如果不能一次绕完次级线圈，要将漆包线用胶带粘住，以免脱匝。绕制完成后，浸入环氧树脂，进行绝缘。绕制方式见图2。

设计制作磁环互感器。磁环用铁氧体材质的。一般采用1：33：33的绕制方法，即用2个磁环，初级为全桥输出导线穿过第1个磁环1匝，次级用细导线在第1个磁环上绕33匝引出，然后在第2个磁环上穿过1匝后短接，再用1根细导线在第2个磁环上绕33匝引出即可。

设计制作驱动电路板。可以自己照着图制作，也可以在有关网店购买专门的套件。

性能调试

连接好所有电路，确保线路连接无误。

固定好所有部件，关闭所有开关，连接接地线和供电线。

打开驱动板电源，此时应只有绿色电源灯点亮。

调整驱动板上的R电位器，调整过流保护阀值。

打开灭弧控制器，此时驱动板上黄色灭弧信號指示灯闪动。如需要音乐灭弧，则先将音源接至灭弧控制器，打开音源，调节音源音量，直到灭弧信号指示灯随音乐频率闪动。

接通全桥电源，打开灭弧控制器，此时会有电弧从放电端喷出，见图3。

关闭灭弧控制器，切断全桥电源，调整初级谐振频率，使其放电效果最佳，见图4。

在一定频率内装置自动锁定频率，如果未能锁定，可以通过调节有关电阻以决定上下限。

谐振调节好后，慢慢加大ontime，直到红色过流保护指示灯点亮，此时略微减小ontime，使红灯熄灭，然后调节bps到适当位置（根据自己需要），此时装置进入正常工作状态。

整个调试过程中一定要遵循断电后操作，禁止带电调节任何部件！开机顺序为驱动一全桥一灭弧，关机顺序相反。装置整体见图5。

总结：最后你会发现锁相环固态特斯拉线圈其实也不算很难，只是在SSTC上应用了更多其他的电子技术，使装置性能更好。在调试时最好有调压器和采样示波器，因为直接使用市电容易造成功率过大损坏开关管，用了调压器可避免这一弊端；有了采样示波器，则排除故障就会方便许多。

安全注意事项

虽然此项目为教学用高压放电演示装置，但千万不要试图触摸通电运作中的高压电设备/电弧，电容充电后可以在很长一段时间储存足以致命的能量，在大容量或是高压电容上一定要加上适当的泄压电阻，并在关机后一段时间才触摸。盲目实验是安全的最大敌人。

如果实验者身上有任何植入/非植入式电子医疗器具，一定不要操作任何高压电设备！

实验主持者对周围的人要大概了解一下，如果周围有使用心脏除颤器、起搏器的人，禁止启动特斯拉线圈！

确保测试区附近的大型金属物件/仪器外壳均已接地，以防其累积出有危险性的电荷，如测试区附近有电容器，请确保测试后立刻放电！

确保特斯拉线圈单独可靠接地，绝对不要和用户的地线接上！

在以上情况允许之后，确保自己在安全范围，不要让“闪电”劈到自己！

确保供电线路保护机制可靠，可以在出现过载或短路的情况下可靠地断开电路。

项目主要贡献及改进点

本教学用高压放电演示装置基于固态特斯拉线圈，采用电子技术巧妙设计制作而成，既能演示各种高频高压放电现象，还可以通过音频控制、自动锁定频率，使电弧推动空气发声，弹奏美妙的乐曲，且工作极其稳定。本装置具有很强的趣味性，能提高学生对科学的兴趣和爱好。

进一步改进的设想

本项目还可进一步改进，采用独立双电源供电，使工作与性能更加稳定，绚丽的闪光不仅能让旁观者惊呼连连，而且在嘶嘶作响的音乐闪光声中，还能闻到沁人的香气。

该项目获得第30届全国青少年科技创新大赛科技辅导员创新成果科教制作类一等奖。

专家评语

该项目基于固态特斯拉线圈，采用电子技术设计制作了高频高压放电演示装置。原理科学，概念清晰，构思巧妙，设计合理，作品教育性强；选题新颖，具有实质性创新，对传统方法有突破。作品效果显著，制作规范，具有示范推广价值，希望该项目在安全防护方面作出改进和提升。endprint