特斯拉線圈的原理及製作方法

        昨天杭州線下活動，我們在分享了DCDC的EMI設計之後，我們做了一些讓電容爆炸的小實驗（小試牛刀）。

不過呢，也發現一些規律，比如電流的需求比較大，經常導致穩壓源過流保護了。另外全國的朋友捐獻了幾千個電容。（你們是要炸死我麼？）

1.5F的、450V耐壓的、鉭電容、鋁電容、聚丙烯電容。

這些電容，有的需要高壓，充電的過程需要大電流，等等問題。所以想讓電池爆炸，並不是非常容易的一件事情。

目前，大家基本上討論了兩種方法：

1、變壓器，或者調壓器，升壓之後，產生更高電壓和更高電流的電源來破壞電容。（我們不但要測試反壓爆炸，還要測試正壓爆炸、還要測試爆炸的一些規律。炸出水平，炸出高度；目前還在準備防爆的透明試驗箱、防爆眼鏡等護具。也感謝朋友們對我的關心。）

2、利用特斯拉線圈、馬克思發生器等方法來實現高壓。

那麼我們來看：特斯拉線圈的原理及製作方法

以下內容（來源網絡）

美國的特斯拉線圈的愛好者所製作的各種各樣的特斯拉線圈,效果真的很絢目!製造閃電的感覺真的很奇特;大概這是因為製造閃電在神話裡面都是主神們的特權吧.先來個圖看看:
  

    當然,如上圖這樣大型特斯拉線圈是難以製作並且需要深厚的電工基礎和充分的財力保證的.(上圖這個線圈的製作成本大概在8-10萬元左右)而且製作這樣大型的線圈顯然是非常危險的!說白了,就算你作下了你也沒有地方讓它工作!我們要設計的是一種中小型的線圈,(大概和特斯拉先生當年製作的差不多吧)如圖：
 
    這個其實也稍大了一些,沒辦法找不到太合適的圖(其實主要因為老美都挺有錢,幹個啥也愛玩大的，話又說回來了,上面的兩個圖片充分的展示了特斯拉線圈的"光電"魅力.所以,製作的原因出來了,那就是追尋這種美麗的效果,感受人類最初對"天火"那分來自心靈深處的震撼!(起碼對我來說是很震撼的.)其二,也是對於生前飽受愛迪生擠壓迫害的特斯拉先生的一種紀念緬懷的方式.

特斯拉線圈的製作前的準備和注意事項及其它：
整個製作我們以變壓器功率為1000w的中型特斯拉線圈為設計標準.(放電距離:>=120cm)備註:特斯拉線圈的放電距離和功率成正比.
主要材料及大概成本:
1.高壓變壓器--->=1000win220 vout>=10kv一個.(較難買到,一般需要定做,有些南方二手電子器材城曾有過in110vout6300v600w的變壓器.只是不知道現在是否還買的到.)
2.大量無極電容:若0.047uf1000v~(1600v-)的cbb電容需要準備100隻左右.電子配件商店買得到(電容非常重要!可以說是整個特斯拉線圈的心臟,所以電容的高質量將會使您最後的特斯拉線圈更加絢目!!質量主要是指：

高頻性能好

自損耗低

電感量低[重要]

壽命長

絕緣性能好

3.直徑13釐米長1米的聚氯乙烯管(壁厚0.6--1釐米)，pvc管材也將就，厚0.8釐米的絕緣板材(不能是木頭!最好塑料)大約2.5平米，厚0.5釐米的絕緣板材(非木!)大約1.5平米，這些都可在家庭裝飾城(就是那些買塗料,板材,工具等的那種大市場裡)買到
4.導線,多芯銅導線,1000v50A大約6米電子配件商店買得到(10kv1A導線3米)
5.耐壓漆包線內徑0.5mm900米長電子配件商店買的到
6.直徑0.8釐米的銅管(壁厚1mm以上)長8米,直徑3釐米厚>1mm長1米的銅管可在汽車配件或五金等地買到
7.電手鑽,螺絲刀,手鋸,鉗子等工具,普通螺絲,塑料螺絲,環氧樹脂膠,鋼尺等
8.用於燃氣熱水器的排氣管(金屬製作,可彎曲,直徑在10釐米以上)製作後期計算得到長度.
9.其它的一些常見東西,邊做邊找吧。這樣製作一個1000w的特斯拉線圈大約成本在1萬元人民幣.(還是比較貴的,估計大多數愛好者不容易拿出這筆錢)

注意事項!!!!!!非常重要!!!!!!

本人不對文章中所寫的製作方法保證,對依照本文製作特斯拉線圈所導致的觸電身亡,燒傷,及其它意外傷害,本人不承擔任何法律及道義責任.對於依本文製造的特斯拉線圈對個人財產或公共設施,國家財產可能造成的損失本文作者不承擔任何法律責任及連帶責任.需由製作人承擔相應責任.

.特斯拉線圈屬於高壓設備,所以製作需要高超的動手能力和豐富的電工經驗,未成年人和非專業人員如按照本文製作特斯拉線圈需在專業人員陪同之下方可進行.

危險描述,依照本文製造的特斯拉線圈電弧長度>=135釐米電弧產生速度(放電頻率)100次/秒[給人連續放電的感覺]電壓>200kv功率耗散>=1000w，連續工作時間<=10分鐘，特斯拉線圈工作時噪音很大,大的很可怕!!!(不聽不知道,一聽嚇一跳!)提前準備聽力保護設備(耳塞拉一類的)

對依照本文製作的特斯拉線圈所直接擊中的人的可能情況:

由於頻率很高,所以短時間致命可能性很低.(但是心臟病等就不好說了)

由於高頻的集膚效應,可能會造成不同程度的表皮燒傷.

考慮到尖端放電效應,可能會導致肢體突出端或末端的較嚴重燒傷(男人可要注意了!)

由於特斯拉線圈屬於超高壓放電設備,考慮到電磁感應原理可能會對一定半徑範圍精密電子器件造成破壞(如,手機,電腦等)

特斯拉線圈裝配示意圖和電路圖
    特斯拉線圈的結構並不複雜,如下圖就是製作一個特斯拉線圈的所有部件(不包括支架),但是基本的動手能力和基本的電學知識還是要有的.這些圖都是畫的,大家將就這看吧.
實物裝配圖:
  
 
    雖然按照本文設計的是一個"標準"特斯拉線圈,製作者不必花很多精力和時間在它的原理和計算上面,但是出於對特斯拉的尊敬和方便製作者製作其它規格的特斯拉線圈,還是大致了解一下這裡面的原理和計算方法比較好.還有,製作一個特斯拉線圈是會對你的動手能力和電工知識都有提高的好活動.(除了危險一些)在有了足夠的資金和充分的時間安排後就可以開始了。

涉及到特斯拉線圈的一些計算公式
    受朋友建議,我再次提醒這裡的看客們,如果您試圖製作一個特斯拉線圈的話請一定先看完我的介紹在施工,這樣您才會對特斯拉線圈的危險性有個大概的估計.同時,如果您非要先上手的話,請記住,絕對不要在家裡面啟動特斯拉線圈,絕對不要用公共地線,如果散熱沒有解決好的話,請不要讓特斯拉線圈工作超過30秒;否則將有可能導致火災,切切

電弧長度:   電弧長度 L(單位:英寸);   變壓器功率  P (單位 瓦特);    L=1.7*sqrt(P)   （sqrt為開方）

電容陣容量: 變壓器輸出電壓(交流)E(單位 伏特); 變壓器輸出電流 I(單位  毫安);   電容器陣列最大容量C(單位 微法)  ; 交流頻率F(單位赫茲)    C=(10^6)/(6.2832*(E/I)*F)   [電容的大小涉及到與變壓器功率的一個匹配問題,當電容過大時在交流上升到頂點時(即sqrt (2)*V時,電容電壓過低無法擊穿打火器的空氣隙則打火器無法啟動就無法工作,整個系統也就無從啟動 ]

電容陣的計算就是電容的簡單串,並聯,初中就學過,在此就不提了.例如當變壓器功率為1000瓦時,輸出電壓為10000伏(交流),那麼電容匹配為0.0318uf，手頭有電容規格為：0.047uf  1000~,1600-，再取保險一點到 耐壓 1500v~則需要電容陣列安排如下:15個電容串聯成一個基本鏈(BC);再10個這樣的基本鏈並聯而成(J),共需要電容150個,若每支電容分壓降為630v~(這樣可以大幅度延長電容壽命),則: 24--BC,16--J,共需384支電容.

其他: 震蕩頻率:F = 1/(2*Pi*sqrt(L*C))

次極線圈相關計算:如下圖            主線圈相關計算 :如下圖
        
     放電終端相關計算:如下圖
 
 

國標漆包線基本數據線徑 (mm)每米重量 (g) 每米電阻(ohm)0.32 0.72 0.218 0.360.860.1820.401.120.1400.451.420.1120.51 1.750.0890.572.110.0740.642.960.0530.723.440.0460.814.490.035 0.915.680.0281.026.990.023

特斯拉線圈的主線圈部分的製作
在本特斯拉線圈的設計中主線圈採用銅管繞製成蚊香狀.銅管是用於汽車,供熱,中央空調中的那種管壁較厚的承壓銅管.直徑8毫米大約繞制9-10匝 (大約需要9米)
銅管如下圖(要儘可能選擇外表光滑無鏽無傷的):`     
 
銅管盤成如下圖: 
 
     這樣盤成的主線圈可以適用於6英寸到8英寸的次極線圈(盤銅管很費時間,也滿費勁,但是不要圖快,要儘可能盤的圓滑.)，還需要5毫米厚的軟塑料板(非脆性塑料)做主線圈支架,將其按等距離打眼(要打成9毫米的眼,要不穿不進去) 底座選用普通中密度板就可以了,這個底座還有用,將來底下要放其它東西.也儘可能加工好，接下來把銅管和塑料支架穿起來。
主線圈支架如圖:  
 
銅管和塑料支架穿起來如圖 ：
  
內圈接頭部分,將中密度底版在相應地方開孔引出一個接頭如圖:
  
再找一截銅管做為接地保險,注意,不可閉合!如圖安裝: 
 
 
特斯拉線圈的電容陣列的製作

製作提示:當用電鑽在塑料材質上打眼時,由於塑料導熱能力低,常常使鑽頭過熱,導致鑽頭退火和打的眼被高溫燒變形,所以一定要鑽頭打眼要沾水。
    在特斯拉線圈中,有一個好的電容是非常重要的.電容的核心地位是由於所有電弧的能量都是由電容直接提供的,這顯然比較奇特,也反映出了特斯拉其人的天才之處。由於高壓電容很難買到,價格昂貴,所以現在一種普遍的做法是通過對普通無極性電容進行串聯和並聯來達到所需的耐壓和容量.
需要準備的材料:
1.無極性電容,(聚乙烯,聚丙烯,CBB電容 等)一般常見高壓電容規格主要有:1600v- 0.047uf  , 1600v- 0.068uf兩種;電阻10兆歐(1000000ohm)，大量如下圖:
  
2.有機玻璃板
3.塑料螺絲

步驟:
1.首先計算所需要的電容個數和排列方式，根據以前提到的變壓器匹配計算得到電容量為0.0318uf/10kv，手頭電容規格為1600v- 0.047uf， (此處注意:電容的耐壓標示都是直流 ,而且電容器交流耐壓與電容材質等多種因素有關,不能簡單認為只要將直流耐壓值除以1.414 就得到交流耐壓值.)，從壽命和安全性角度出發,建議將每電容分壓值定為450v~ 則得到整個電容陣構成為:22串一鏈,共14鏈並聯,一共308支電容電阻，電阻的用途是為了當停止使用時對電容中的殘留電荷進行放電,使用方法就是每支電容都要並聯一支10兆的電阻(1/4~1/2W )
安全提示：若沒有放電電阻,則電容陣中儲備的能量將可能存在很久而對人身造成傷害!
下圖顯示了一個電容鏈,它是蛇行排布的:
  
注意!電容之間不要緊密接觸!要留有一定空隙，層與層之間要用4mm厚的有機玻璃隔離,每層包含兩個鏈，固定使用塑料螺絲(一般都叫尼龍螺絲), 每層都有各自的接口使之成為獨立可使用的單元，如圖:
 
 
 

特斯拉線圈的次極線圈的製作
    特斯拉線圈中的次極線圈是整個特斯拉線圈中製作最耗時耗神的部分.需要如下材料:
高質量漆包線,(一定要買好的,目前我國的漆包線質量普遍低下,目前就我所知只有一家企業獲得國際認證)，線的直徑從以下選擇:
1.0.51mm      0.57 mm
2. 聚氯乙烯管材,直徑15釐米,最少2米,厚度自己感覺結實就好,(一般能買到的大約在4-8mm厚)
3.要用木頭製作一個繞線架.還要製作兩個圓片用來穿在圓筒兩邊,再在圓片中間打眼,穿入中心軸,架到線架子裡面就可以繞線了.一圈一圈的繞,大約繞900~1000匝就適合本系統了.整個繞線過程大約7-8小時吧,所以在中間休息時一定要把已繞好的部分固定好,免得前功盡棄.繞線時要注意不要使線打結,不要用兩根線接起來使用,市面上夠長度的漆包線不大好找,(大約在500m),但是整卷的線似乎比較貴,所以就看製作者的選擇了,最好有這方面的關係朋友幫忙.
圖例:
聚氯乙烯管材:
 
高質量漆包線: 
 
固定圓桶的圓盤: 
 
繞線架上的次極線圈:
 
次極線圈下接頭(接地線): 
 
次極線圈上接頭(接放電終端):
 
特斯拉線圈中打火器的製作
製作打火需要以下材料:
1.200mm直徑pvc管材,長400mm
2.90mm長,直徑20mm銅管若干
3.雙頭螺絲 若干(是銅管數目兩倍)

4.立式風機(散熱用,製作時可以不要買)
 
打火器其實相當於一個開關器,未打火時能量由變壓器傳遞到電容陣,當電容陣充電完畢時兩極電壓達到擊穿打火中的縫隙的電壓時,打火器打火,此時電容陣與主線圈形成迴路,完成L/C振蕩進而將能量傳遞到次極線圈.
        
製作步驟:
1.先將銅管打眼。
 
2.再在pvc管上打眼後,將銅管固定在pvc管內部 (每個銅管與銅管之間的縫隙大約控制在1mm)
 
3.組裝好
 
    為了根據需要調整放電縫隙,每相伶螺栓代表1mm的放電縫隙(螺栓即為接線柱)這樣安裝只要變換接線柱就可以很方便的根據你的設計電壓進行調整了.
    注意:打火器工作時將會產生很大的熱量,而且往往集中在很小的面積上,所以散熱設備必須很強大!一般採用小型立式風機如圖(就那種吹婚禮拱門的):一般都在幾百瓦,風量足.只要注意在進風口加上簡單的空氣過濾裝置防止大灰塵就可以了.一般不加風機散熱,特斯拉線圈工作幾十秒後就可能導致打火器高溫變形,加入風機後,一般可以把整個特斯拉線圈的工作時間延長致十幾分鐘.另外,經常在使用後對打火進行清理,去掉電渣和灰塵.

特斯拉線圈中的放電終端的製作
    在這部分的製作比較簡單和隨意,我這裡介紹一種比較成熟和簡易的製作方法,也就是最常見的圈型放電終端(因為這和我的程序相對應,更加方便了計算)]
主要材料:
1. 4寸直徑的燃氣熱水器通風管,(就是那種全金屬的可彎管,家裡有燃氣熱水器的一看便知)
 
2. 7寸直徑的平底金屬盤(用來做派的),其他類似金屬物也可,關鍵1.平底 2.金屬
 
3. 包裹金幣巧克力的那種較厚的鋁箔

    首先將平底金屬盤底對底用螺絲固定如上圖,接著將鋁管盤成圈狀,使其正好能卡在平底金屬盤製作的骨架上，鋁管的接口口處用鋁箔封口，接線點定位在平底金屬盤骨架中心，組裝好成品，至此特斯拉線圈的所有重要部分已經完成。
 
 
 
 

關於特斯拉線圈的一些補充說明
關於特斯拉線圈的製作其實還有不少需要注意的事情,其中:
1:次極線圈的骨架既那個聚乙烯圓桶的饒線部分是有要求的,一般來說,饒線直徑和饒線部分桶長比例在1:4左右
2:主線圈的底版可以用一些稍微便宜的材料製作,因為對它的要求不高,當然最好所有的塑料板材都能用雅克力板製作,這樣有結實又漂亮.
3:打火器的製作其實有很多方法,關鍵要注意的是a.放電部件要導熱快 b.放電部件厚度要足夠 c由於打火器更換頻率最高,所以設計要以容易更換,價格便宜為主.
4:關於高壓電容,前些天見到微波爐內部有一種高壓電容規格為 2100AC 1uF 且內部集成放電電阻的電容,看來如果使用這種電容也是一個不錯的方案
5:關於主變壓器,一般難以購買,可以去當地電子市場詢問是否可以定做,如果沒有,可以購買霓虹燈電源,規格為 15000V AC 50HZ    60mA 樣子象個箱子,在國外特斯拉線圈愛好者中使用比較多,還有就是採購日本二手110VACin --6300vACout 變壓器兩個串聯使用。