玩轉高頻—隔空點燈&閃電唱歌

ID:160690 · 發表于 2017-5-16 16:36

玩轉高頻——隔空點燈&閃電唱歌

很多人崇拜愛迪生，因為他推動了電氣革命，許許多多的發明，到今天還在造福著人類，但是跟他同一時代的另一名科學家也在人類歷史上留下了不可磨滅的貢獻，他，就是尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）。由于他的杰出貢獻，他的名字不僅作為磁感應強度的國際單位制導出單位，還用來命名了分布參數高頻串聯諧振變壓器——特斯拉線圈，這，就是今天的主角。

隔空點燈

電池的電流通過導線點亮燈泡，這種直流電的現象你一定已經見慣不怪了，但是在高頻的世界里，存在著許許多多有趣的現象。有一天在網上閑逛，無意間發現這樣一幅電路圖，電路如圖1所示。

圖1 殺手勵磁器電路

圖片下的文字介紹稱此電路可以隔空點亮220V節能燈管。相信大家看到這里一定不相信吧，甚至會有人說這個電路圖本身就是錯的，因為次級線圈在電路中開路，無法起振，就連LED的方向都不正確。我跟大家的想法一樣，可是這么簡單的電路，為何不實踐出真知呢？于是找來面包板快速搭接電路進行試驗，準備的原件如圖2所示。

圖2 隔空點燈所需原件

2222A為美國生產的開關三極管，如果手頭沒有可以用S8050代替。圖中右上角即為特斯拉線圈，次級275匝，初級3匝，可用漆包線與中性筆筆桿纏繞自制，LED隨意挑選但是必須要連接。很快就搭建完成，抱著根本不可能的心態連上電源，LED燈真的發出了亮光，遂將節能燈管靠近線圈部分，奇怪的事情發生了，燈管竟然真的被點亮了！效果如圖3所示。

圖3 節能燈真的被點亮了

這個結果讓我興奮不已，手中的燈就像被施了魔法一樣隔空發光，可是我也滿腹疑慮，這個電路到底是怎么樣讓熒光燈管發光的呢？經過一番上網查閱以及頭腦風暴之后，我搞清楚了其中的奧秘，將電路圖用容易理解的方式重新繪制如圖4所示。

圖4 殺手勵磁器工作原理

其實電路中少了一個重要的原器件，那就是由次級線圈的尖端、空氣和大地構成的寄生電容器，也就是圖中用虛線接地的那個電容。它是自然存在的，和次級線圈與大地構成了一個LC回路，負載的電容量極其的小，但讓電路產生振蕩卻綽綽有余。所以這個電路的確可以釋放出很高的電壓，能達到上千伏特，從而使燈光中的水銀氣體發出紫外線，發出的紫外線激發燈壁上的熒光粉，使熒光粉發光。看到這你可能會對自己的安全擔憂，這么高的電壓，會不會有什么危險呢？請各位放心，這個制作肯定是安全無害的（順帶一提，下面的制作就不一樣了）。雖然線圈的輸出端可以產生高壓，但是它傳遞的電流極其的小。由于功率不變，如果要生成更高的電流，那它就不能持續輸出這么高的電壓了。證據就是如果點亮燈管的同時，用手靠近線圈，即使你的手并沒有觸摸到線圈，但是手依然會吸收一部分能量，由于燈管分到的電壓下降所以燈管發的光會變暗。如果你的手碰到線圈，燈管分到的電壓一下就從上千伏拉低到零伏了，隨之燈管也會熄滅。

閃電唱歌

除了隔空點燈，高頻魔法還有什么好玩的呢？通常人們會通過視聽盛宴來形容一場表演的精彩絕倫。發光算視覺，那么我們就來找找聽覺上的刺激吧。按照常規思路，想要有聲音就一定離不開揚聲器。常用的揚聲器你一定見了不少，低至十幾元的小型功放，高到上萬元的高保真音響。雖然價錢天壤之別，但是它們都有一個共同點，發聲的方式都是通過永磁體配合通電線圈帶動紙盆振動從而發聲。有沒有想過別的發聲方式呢？能使空氣振動的不只有紙盆，其實還有擊穿空氣的電弧。你插拔插頭時偶爾發出的“呲啦”聲，就是電弧在唱歌。但是不得不說，它唱的實在不怎么好聽，有沒有辦法讓它按照我們的意愿來唱歌呢？前輩們還真的發現了這個方法，并且給這個基于電弧等離子體發聲的裝置起了個好聽的名字——等離子音響。它不光是炫酷好玩，跟普通揚聲器相比還有發聲上的優勢。普通揚聲器都是通過振膜的震動驅動空氣發聲，由于每種振膜都有自己的諧振頻率這就不可避免的使發出的聲音幅頻特性變差。音頻信號中頻率與振膜諧振頻率接近的成分最強，而那些頻率遠離諧振頻率的成分將衰減，離得越遠衰減的越厲害并最終完全被衰減掉。可見要想改善普通揚聲器的發聲性能必須解決揚聲器的諧振問題。等離子音響正是為了克服普通揚聲器的這一弊病而設計的，它沒有振膜通過直接驅動離子化的空氣震動發聲，所以理論上離子揚聲器是揚聲器中性能最佳的。但是要聲明一點，這個制作具有較高的危險性，一定要倍加小心。
理論到此結束，現在是動手時間！萬丈高樓平地起，想要發聲，就先給自己定個小目標，比如說先搞出來個電弧。自己繞線圈又費勁又不安全，不如直接買現成的。什么？沒有賣的？那你是你沒有買對，我們要買的線圈有個大名，叫高壓包，也叫行輸出變壓器，也稱為行包或行變。這個有很多名字的家伙工作在你的老式顯示器和老式電視里，其主要作用是產生陽極高壓，另外提供聚焦、加速、柵極等各路電壓，說白了，就是個升壓變壓器。在解釋的詳細一點，普通變壓器兩組線圈圈數分別為N1和N2，N1為初級，N2為次級。在初級線圈上加一交流電壓，在次級線圈兩端就會產生感應電動勢。當N2>N1時，其感應電動勢要比初級所加的電壓還要高，這種變壓器稱為升壓變壓器，初級次級電壓和線圈圈數間具有下列關系：U1/U2=N1/N2。式中n稱為電壓比(圈數比).當n>1時，則N1<N2，U1<U2，輸出的電壓被放大了，這就為形成電弧提供了條件。它的樣子如圖5所示。

圖5 高壓包實物圖

它的頂端有一條粗粗的輸出線，底部則是很多引腳，引腳定義如圖6所示。

圖6 高壓包引腳圖

密密麻麻根本看不懂？沒有關系，我們只用到底部的GND引腳與上面的輸出線，剩下的都不用管。但是不同的高壓包引腳不同，下文會教你如何找到你手中高壓包的GND。
光高壓包還是不夠，我們還需要驅動高壓包的電路，由于功率很大，所以不能用晶體管來驅動，而是選用了MOS管。這里我用的是IRFP260N，引腳跟參數如圖7所示，可用參數相似的替換，如IRF250N。

圖7 IRFP260N引腳圖

現在電弧的部分全都好了，該唱歌了。提到唱歌，就離不開調制，我們的老朋友PWM又要上場了。由于這次不僅需要調制，還需要驅動MOS管，所以單片機顯然不合適，所以選用了SG3525芯片，你在開關電源中常能看到它的身影。它是一種性能優良、功能齊全和通用性強的單片集成PWM控制芯片，它簡單可靠及使用方便靈活，輸出驅動為推拉輸出形式，增加了驅動能力。內部含有欠壓鎖定電路、軟啟動控制電路、PWM鎖存器，有過流保護功能，頻率可調，同時能限制最大占空比，引腳圖如圖8所示。

圖8 SG3525管腳圖

至此，所有的器件就介紹完了,真的完了嗎？其實還落了一個。由于MOS管工作的時候發熱很大，為了長時間工作，需要給它找個主動散熱的幫手，那就是散熱扇啦。由于系統的電源是12v,所以直接選用12v的電扇就省去了升壓降壓的步驟，筆記本的散熱扇就可以勝任，如圖9所示。如果你買的跟我一樣是三線的，那么只用到紅正黑負，還剩一根線是測速線，這里不需要。

圖9 電風扇實物圖

圖10 等離子音響原理圖

完整的電路圖如圖10所示，實際工作時，通過音頻的調制，使芯片產生頻率或者占空比隨音樂變化的方波信號，驅動后級MOS管的通斷，高壓包的初級因此相應地流過有規律變化的電流，在高壓包次級線圈中隨之感應出高壓電弧。電弧加熱的空氣隨音頻信號震動而發出聲音。J1連接耳機孔，只需要一個聲道就夠了，如果你需要雙聲道立體聲，那你就要做兩個電弧發聲電路啦。R2是一個10k的旋鈕型滑動變阻器，用于調整諧振頻率，以便更好的配合不同類型的歌曲。L1就是高壓包，它的左邊是10圈的繞線，用可以通過大電流的導線纏繞在高壓包磁芯上即可，如圖11所示。

圖11 高壓包繞線

如果你的電路正常，調節R2到中間位置，把高壓包頂端的輸出線與底端的GND靠近即可射出電弧，上面提到的找到你所選高壓包GND的方法就是用頂端輸出線依次靠近所有的底端引腳，電弧拉的最長的就是GND。然后把GND用導線引出。電弧射出位置的尖銳程度與材質能夠影響音質，試驗多次發現銅柱磨尖之后效果很好。為防止電弧傷人以及發熱的銅柱燙傷皮膚，用拼裝機器人的搭接件與亞克力板做了個防護罩，樣子如圖12所示。完成后發現不但安全性得到提升，還意外的充當了擴音結構，使音量有所提升。

圖12 防護罩實物圖

為了整體的美觀性與完整性，我找了個外殼組裝，大家可以參考一下我的組裝過程。首先，為了使電風扇的散熱效果發揮到極點，我在外殼底部又加了一片很大的散熱片，將MOS管涂抹散熱硅膠安裝在散熱片上，并且在它上面安裝了用于固定風扇的銅柱。MOS管的三條引出線必須可以承受大電流，也就是線需要粗一點。如圖13所示。

圖13 散熱片安裝

然后就是把所有的電路依次固定在底板上，為了增加趣味性，我加入了一個單片機電子琴，還包括一個12v轉單片機5v電壓的7805電路，關于電子琴，論壇的帖子中有很多介紹，這里就不過多說明了。底板組裝完成的樣子如圖14所示。

圖14 底板安裝完成

然后把音頻輸入插口、調諧滑變、電子琴或音頻輸入切換開關安裝在前面板，并連接相應的線路，如圖15所示。

圖15 安裝前面板

最后把電子琴的按鍵、帶防護罩的放電銅柱安裝在上面板，依照個人喜好用記號筆畫上圖案裝飾，然后在風扇位置的正上方開散熱口。由于工作電流比較大，所以我用了一個12V5A的開關電源來供電，把電源線從后面板的開口引出并連接到開關電源上。到此，所有的安裝就都完成了，最終的樣子如圖16所示。

圖16 完工的樣子

制作到這里，你一定疲憊不堪了，沒關系，連接上手機或者電腦，放一段你喜歡的音樂，看著電弧在銅柱之間舞動，在別人不可思議的驚奇中，愜意的享受電子制作為你帶來的滿足感吧~

小橙出品，必屬精品！

請大家多多支持宅曉橙

ID:194752 · 發表于 2017-5-25 12:02

這真是一個讓我感覺到驚喜萬分的電子制作。。。。樓主還在嗎？？我想問幾個問題：
高壓包買了現成的產品，這個是否對實際運作過程中，對功率的輸出造成了屏障？我的意思是如果想提高輸出功率，是不是高壓包需要改進？
如果不買現成的，自己繞制的話，需要怎么繞？？漆包線的線徑與輸出功率存在怎么樣的關系？
因為看完你這個，我很想自己做一個。不知道有否你的成品的播放測試視頻？？？

ID:204889 · 發表于 2017-5-25 21:33

強悍！！！！

ID:212343 · 發表于 2017-12-27 09:41

講解很清楚

ID:270630 · 發表于 2018-1-4 15:37

厲害了

ID:272625 · 發表于 2018-1-21 02:25

這是高頻電壓樓主少見多怪了,這種高頻電壓很危險,對身體健康也害.隔50CM都會電人,電到手皮膚會燒起來,跟低頻電壓220伏不一樣.隔1米日光燈都可以發出強烈發白亮光,輻射很強！

ID:96682 · 發表于 2018-1-22 00:57

說白了這貨就是受音頻控制的升壓電路，彩電高壓包陽極電壓有的高達 25KV。
如上圖節能燈之類的與電視機熒光屏原理一樣靠近就能亮。
這電路工作時會產生臭氧其氣味與魚腥草相似，有強氧化作用。
所以玩這貨時還是需注意安全

ID:405938 · 發表于 2021-1-7 14:30

很有創意。

ID:937320 · 發表于 2021-7-23 14:33

確實是電容，不過這樣的電能輸送，不會導致周圍的線圈發熱？

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