高电压系列教程

高电压系列教程
——Rudolf
目录
前言 (1)
高压电源 (2)
等离子扬声器 (8)
马克思发生器 (11)
特斯拉线圈 (15)
前言
在很多人看来，“高压电”这个词语往往意味着危险，日常生活的经验告诉我们，超过36V的电压对人体是危险的，生活中的220V市电足以致命，而动辄上万伏特甚至上百万伏特的电压，其危险性更是不可想象。

虽然工业生产甚至日常生活中我们都离不开高压电，但是出于对危险的恐惧，大部分人失去进一步了解它们的兴趣与勇气，比如绝大部分人就不知道动车和高铁使用的电压就是25千伏的高压电。

或许高压电并没有那么恐怖以至于让人望而却步，在专业人员眼中，它是一种可供人们使用的能源，用以驱动机械，就和平常使用的其他工具没什么区别；在爱好者眼中，它是充满魅力而引人入胜的，能够制造令人目眩的美丽画面。

作为一名初级爱好者，我接触高压电时间并不长，但是却被它深深吸引。

起初是自己在网上东拼西凑的找材料，后来接触到一群专注于此的爱好者，从中学习了很多知识，也做出了一些作品。

同时我发现，在这个圈子里有很多的初学者不得门径，对一切基础知识缺乏了解，混淆概念，脑海中对于高压电没有一个详细的了解，以至于亲自动手制作的时候，往往容易出各种问题，甚至会发生导致人身伤害的危险。

因此对于初学者来说，一部尽可能详尽的教程尤为重要，早期流传于网络的比较系统而可行性高的教程很少，去年【科创论坛】成员山猫、飞鹊等人编制了一份《火花隙特斯拉线圈制作教程》，对于传统的火花隙特斯拉线圈做了比较详尽的描述，另外还有《固态特斯拉线圈制作教程》等等其他一些教程，让广大初学者找到了福音。

但是在很多初学者看来，这些教程有的地方还是不够详细，而且像等离子扬声器、马克思发生器等等这些可玩性同样很高的装置却没有介绍，于是我萌生了写一份尽可能详细教程的想法。

写出一份好的教程并不简单，除去专业知识不说，仅仅是把一些普通的东西尽可能简明的讲清楚以至于任何初学者看了之后都能明白，就不是容易的事。

我深知其中困难重重，只能尽自己的最大努力，使这份教程尽可能的详尽，让初学者少走弯路。

因为自身水平有限，所以一些很深入的东西不会多说，有兴趣的读者可以深入研究一下。

另外也为了不使得这份教程过于冗长，所以一些最基本的知识也不会多说，请读者谷歌或者百度查找相关资料。

例如有的读者基本上没有电子基础，甚至一些元件管脚都不会辨别，对此我建议这样的读者碰到不认识的元件，可以直接在淘宝上搜索这个型号，就会找到这个元件的图片，这一点比百度、google的图片搜索都要好。

如果想要了解这个元件的详细信息，可以在google（别用百度，排在搜索结果前面的基本上都是无用信息）中输入这个元件的型号，必要时可以多加关键词，比如搜索“NE555”这个元件，可以输入“NE555 pdf”或者“NE555 datasheet”即可以找到写有其其详细信息的pdf文档。

这个文档是厂家公布的资料，无论对于初学者还是专业人士都相当重要。

在这份教程中，我将从最简单的高压电源讲起，然后是等离子扬声器。

马克思发生器、和特斯拉线圈，基本上做到由难而易循序渐进，每种讲一到两个简单的例子，让更多的初学者逐渐深入了解高压电的魅力，进而成为资深玩家。

高压电源
玩高压电当然少不了高压电源，常见的高压电源有很多种，比如打火机和煤气灶用的打火器、电蚊拍里的高压装置、霓虹灯变压器、电警棍、老式电视机里的显像管用的高压电路等等。

我们要讨论的高压电源是能够产生稳定连续的高压电的设备，其输出电压为几千伏到几十千伏，输入电压可以从3.7V的锂电池到220V的市电。

高压电源的用处很多，可以驱动马克思发生器，火花隙特斯拉线圈，而等离子扬声器本身就是一个高压电源。

广大爱好者使用较多的高压电源主要有以下几种：
【1】单管自激驱动高压包。

这种电路比较简单使用大功率的三极管如3DD15D、2N3055等配合两只电阻，就可以驱动高压包产生上万伏特的电压，因为元件少制作简单，很容易上手。

同样的，因为很简单，可调性也不高，而且三极管效率不高发热很大，很容易烧毁。

这种电路一般使用十几伏的低压直流电，功率往往不大。

图1 2N3055单管自激
图2 3DD15D单管自激
【2】 NE555、TL494、SG3525等芯片驱动高压包。

因为使用了集成电路，这类电路可以调节频率和占空比，而且可以驱动单管、
半桥、全桥电路再驱动高压包，驱动部分一般使用12V直流电，功率部分视元件耐压而定，通常使用耐压较高的大功率场效应管（MOSFET）如IRFP460或者IGBT 如G4PC50UD等，使用较高的电压，甚至可以直接使用220V的市电整流滤波后供电，因而可以达到较高的功率，一般可以达到数百瓦甚至数十千瓦以上。

图3 NE555驱动单MOS管
图4 TL494驱动全桥（图中元件型号仅供参考）
半桥或者全桥母线要加吸收电容（图6中的5uF MKP电容），从电路图上看，吸收电容和主滤波电容是并联的，但是这种电容dv/dt很高，能够迅速电路中的电压尖峰，保护功率管不被击穿，为了达到较好的效果，吸收电容要尽量靠近功率管。

图5中白色的三种为工业上用的IGBT吸收电容，效果比较好但是价格较贵，一般十几块到几十块钱一个；黑色的为家用电磁炉上用的吸收电容，性能一般但是价格便宜，一般两三块钱一个。

此外，功率管还要加保护元件以免被电压尖峰击穿，一般在2、3脚之间并联双向TVS管（图6中的D5-D8，此图有误，右侧两个1.5ke440ca应为D7、D8），TVS管耐压要略低于被保护的MOS管或者IGBT，例如IRFP460耐压400V，可以用300V的TVS管p6ke300ca或者1.5ke300ca；耐压600V的G4PC50UD可以用1.5ke440ca。

功率管的G极和GDT出入端需要加一个5欧左右的电阻（图6中的R1-R4）用以消除振铃，获得良好的波形。

如果功率管用的是IGBT，还要在电阻上反向并联一个1n5819二极管（图6中的D1-D4）用以加速管子关断。

图5 吸收电容
图6 IGBT全桥
为了驱动多个MOS管或者IGBT，需要用到栅极驱动变压器（以下简称为GDT）。

一般选用直径33mm以上的铁氧体磁环，用排线或者网线在上面绕12-16圈，导线数量视功率管个数而定，每只管子一根线，另外一根接驱动电路输出。

假如用半桥，绕制磁环的三根线分别标记为A、B、C，每根线的一端标记为1另一端标记为2，假如A线A1、A2两端接驱动板（不分正负），那么B、C线的两端分别接两个功率管的G、S极（即1、3脚）。

为了保证功率管间歇性的导通与关闭，需要注意GDT输出的两根线接功率管的方向要相反。

例如B1接第一个管子的G极，B2接第一个管子的S极，那么C1就要接第二个管子的S极，C2
接第二个管子的G极。

假如用全桥，为了保证对角线上的两个管子（例如左上、右下）同时导通，而另外两个管子（右上、左下）关闭，就需要使GDT接对角线的两个管子的相位相同，另外两个相位相反。

可以将5根线标记为A、B、C、D、E，A的两端接驱动板（不分正负），B、C的1端分别接对角线上的两个管子（例如左上、右下）
G极，2端接它们的S极则，D、E两根线的1端接另外两个管子（右上左下）的S极，2端接它们的G极。

GDT绕法如图7所示。

图7 GDT绕法
功率部分输出接到高压包初级绕组上，初级一般用电线在高压包此心上面绕10圈左右。

高压包输出的正极就是带着皮碗的那根最粗的线，负极是底下那一排针脚中的一个，需要测试才能确定。

具体方法为：用调节好的驱动电路驱动高压包，用正极线靠近这些针脚，哪一个拉弧就是负极。

有时候不止一个脚可以拉弧，这时拉弧最长的那个脚就是负极，在上面焊接一根电线作为输出线。

为了进一步吸收漏感尖峰、减小功率管的发热，需要加RC吸收电容电阻，两者串联后并联在高压包初级线圈上，电容一般用耐压高的瓷片电容，容量在1000-2000pF即可，电阻用10W10欧的水泥电阻。

【3】双管自激推挽电路。

这种电路因为可以做到零电压开关（Zero Voltage Switch）而被爱好者简称为“ZVS”电路。

供电电压不超过其使用的场效用管耐压的1/4，通常使用的IRFP250、IRFP260耐压200V，使用36V及以下的电源。

如果使用像IXFH44N50P 这样的耐压500V的管子，电源电压就可以高一些，我试过55V供电，效果不错。

这种电路功率可以达到几百瓦至千瓦级别，因为电路简单可靠，较为常用。

需要注意的是，在高压包磁芯上绕线3+3至6+6圈均可，但是一定要对称，两个分线圈方向要一致。

这种电路在淘宝上可以购买到成品,动手能力强的也可以购买套件自己焊接组装.有兴趣的可以点击下方链接看下:
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【4】霓虹灯变压器。

霓虹灯变压器有两种，一种是老式的，使用工频变压器升压到一万伏以上。

这种变压器现在用的已经不多，但是作为爱好者的高压电源还是不错的，经过高压二极管整流可以得到高压直流，用以驱动火花隙特斯拉线圈。

其优点是简单可靠，缺点是比较笨重，价格也较高，而且功率一般不超过500W。

另一种是电子变压器，这种变压器输出的是高频高压交流，除了做雅各布天梯外作用不大。

【5】微波炉变压器。

这种变压器输出2100V的交流，因为其价格便宜功率大，很多人用它做大中型火花隙特斯拉线圈的电源，但是因为其输出的是工频高压电，危险性很高，不建议初学者使用。

有了高压电源就可以做一些简单的装置，比如“雅各布天梯”，这个名字出自《圣经》中的一个故事，详情大家可以自行到网络上查阅。

等离子扬声器
用前一章中的NE555或者TL494电路稍加改动都可以做等离子扬声器。

其原理很简单，就是通过音频的调制，使芯片产生频率或者占空比随音乐变化的方波信号，驱动后级的开关管（一般用场效应管）的通断，高压包的初级因此相应地流过有规律变化的电流，在高压包次级线圈中随之感应出高压电弧。

电弧加热的空气随音频信号震动而发出声音。

需要注意的是，等离子扬声器的音量、音质还有功率管的发热与电路工作频率、占空比都有关系。

以本人做过的TL494的电路为例，电路工作在50kHz、25%占空比左右音质最佳，当然，如果电路中其他参数有变——如高压包不同——工作点也会有所改变，需要慢慢调试找到最佳工作点。

音源可以用手机、mp3或者电脑，音频直接输出到驱动板，不过为了保护设备不被意外情况损坏，最好在音源和驱动电路之间加一个小功放板，淘宝上可以买到几块钱一块的成品板子。

图8 洞洞板的TL494单管驱动器（含等离子扬声器功能）
图9 PCB板多功能驱动器（含等离子扬声器驱动功能）
这款电路比较简单,由TL494产生一个经过音频调制的方波信号,经过
TC4424和IRF9540/540两级放大后,驱动一个场效应管半桥.当然喜欢大功率的同学可以直接用驱动板驱动IGBT全桥,享受千瓦级别的粗壮电弧.这款电路的套件大家同样可以在淘宝上购买到:
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马克思发生器
如下图所示，左侧为高压直流输入，通过电阻给电容充电，当电容两端的电压足够高时，就会击穿火花隙，并且将电压叠加到其他电容上，这样就会产生连锁反应，所有火花隙都被击穿放电，相当于所有的电容串联起来放电，因此电压相当高。

马克思发生器巧妙地利用了并联充电串联放电的原理获得高压脉冲电流，在科研领域用于模拟自然界的闪电。

图10 马克思发生器电路示意图
电阻可以用高压电阻，但是这种电阻价格较贵，一般用普通的2W或者5W电阻即可。

需要注意的是，普通2W电阻长度较短，存在击穿的风险，因此如有必要，可以两只串联使用。

电容可以用10kV以上容量1000pF的瓷片电容或者聚苯乙烯薄膜电容，耐压越高，能够承受的电压越高，电弧就越长；容量越大，单个放电脉冲能量越高，电弧越粗越明亮，声音也越大。

12kV 2000pF瓷片电容 30kV 10000pF 薄膜电容
图11适合用用在马克思发生器上的几种电容
下面将结合实例讲解如果只做一台10级马克思发生器。

【材料】
薄膜电容10只，高压电阻20只，铜柱、螺丝帽、螺丝、铜丝若干，有机玻璃底座一片
【步骤】
1、根据电容和电阻大小以及自己设计的尺寸，找做门头灯箱广告的店铺加
工一片4mm厚的底座，上面的孔直径3.5mm，配合使用的铜柱及螺丝规格均为M3。

图12 亚克力底座、高压电阻及打火间隙
2、用粗铜丝制作打和放电极，安装上电阻。

打火器末端弯成圆环以防止尖端放电泄露电荷，另一端固定在铜柱上。

由于距离充电端越近的电容充电越快，距离越远充电越慢，因此远端的电容电压最低，打火器的间距由充电端向另一端要逐渐减小，一般在一厘米左右，具体大小需要一边实验一边调整。

3、电容引脚弯成圆环，以便于用螺丝将其固定在铜柱上。

图13 马克思发生器整体图
4、接上高压电源（图中使用24V供电的ZVS电源）即可打火。

如果不能打火或者放电距离过短，需要调整打火器的间隙大小，达到满意的效果
图14 马克思发生器放电图
马克思发生器利用高压电容储存电能,然后瞬间释放,电流强烈的加热空气到上万度的高温,在发出刺目的蓝白色光芒的同时,空气还剧烈爆炸膨胀,发出响亮的声音,和自然界中雷电十分相似.
处于充电状态的高压电容非常危险,因此如要移动或者摆放马克思发生器,务必先确认电容中没有电荷,如无法确定,需要用一根金属丝将电容两端短路放电.
特斯拉线圈
特斯拉线圈种类比较多，既有传统的火花隙特斯拉线圈（SGTC），也有后来发展出来的固态特斯拉线圈（SSTC），还有结合两者优点的双谐振固态特斯拉线圈（DRSSTC），另外还有真空管特斯拉线圈（VTTC），如果再细分，种类更加繁多，作为入门级教程，本文只介绍最普遍的SGTC、SSTC、以及DRSSTC。

一、火花隙特斯拉线圈（SGTC）
图15 SGTC电路示意图
如图所示，火花隙特斯拉线圈主要由高压电源、初级电容、初级线圈、打火器、次级线圈、放电顶端几部分构成。

高压电源通过初级线圈给电容充电，当电压高到一定程度就会击穿打火间隙而放电，这时初级线圈中流过很大的电流，由于电磁感应次级线圈中也会感应出高压。

同时，由于初级线圈和次级线圈都和电容串联，因此会发生LC串联谐振，使得电压更高。

由于谐振频率很高（一般在几十kHz到几百kHz）周期很短，因此打火器打火一次产生的电弧通道其中会流过好多次的电流，直到整个回路中的能量被次级的放电顶端产生的电弧释放到空气中，电压不足以击穿打火间隙，放电结束，高压电源继续给电容充电然后打火间隙再次被击穿放电。

【高压电源】
由于给电容充电需要直流，所以前面讲过的各种驱动高压包的高压电源都可以使用，微波炉变压器虽然是输出交流，但是因为频率低，在相当短的时间内（以特斯拉线圈LC谐振周期对比）可以看做直流，如果线圈体积不是很大，频率不太低的话，也可以不整流直接使用。

【初级电容】
由于初级电容参与LC谐振，其中流过非常大的电流，因此一般的电容是不
能用的，不仅因为其等效电感大导致效果差，而且极容易发热导致危险。

最合适的电容是使用工业上专用的谐振电容，如下图左侧的白色圆柱形电容（品牌有很多，这个只是图示说明），性能优异但是价格也是不菲，而且这种电容容量较大，如果用在小型特斯拉线圈上就需要多个串联，更增加了成本。

另外就是电磁炉上用的谐振电容，一般规格是1200V 0.27-0.33uF。

这种电容价格比较便宜，淘宝上一般1.5-2元左右一个，有的标价1元一个甚至还有更便宜的，这种就需要注意了，很可能是厂家的残次品或者是小厂假冒的，从外观做工稍微一对比就很容易看出来。

这种电容测容量没问题，一旦上电很容易就烧掉，外壳爆裂冒烟，气味极其刺鼻，不仅要花费时间更换，甚至可能烧坏其他电路，反而花费更多的资金。

这种电容我遇到过好多次，所以现在用电容都是直接找厂家买，图的就是放心。

还有图5中的白色IGBT吸收电容，因为是无感的，也可以用来谐振，不过价格很高并不适合大量使用。

市面上还有好多其他种类的电容，基本上都不适合做初级电容组。

由于电容参与和初级线圈的LC谐振，要承受数倍于电源的电压，而普通的电容电压不高，因此需要串联以获得足够的耐压，一般来说耐压要达到10kV以上。

电容串联以后容量会降低，需要多组并联来获得需要的电容量。

例如要得到0.2uF的初级电容组，首先将10个1200V 0.3uF的电容串联为一串，得到一串耐压为12kV 0.03uF的电容，然后7串并联，获得耐压12kV容量为0.21uF的电容组，总共需要70个电容。

因为电容是串联的，而每一个电容容量不同势必会造成分压不均，因此每一个电容需要并联一个1M以上阻值的电阻来均压，同时电阻还可以在实验过后放掉电容中储存的电荷，以免造成危险。

图16 适合用于特斯拉线圈初级谐振电容的两种电容器
图17 电容组连接示意图
【初级线圈】
小型特斯拉线圈的初级线圈可以用粗电线绕制，大中型的线圈因为其电流巨大，初级线圈容易发热，所以要用铜管绕制。

空调配件上电可以买到直径6mm 左右的铜管，价格60元每公斤左右。

初级线圈通常有三种形状，圆筒形、蚊香形、喇叭形，如下图所示。

简便起见，圆筒形的初级线圈可以直接用铜管绕在PVC管直通接头（也叫管箍）上，然后在上面打孔用扎带固定（如右上图所示）。

初级最上方可以加一根两端不闭合的铜管，这是用来保护初级线圈以免被电弧打到的。

连接铜管可以用保险丝座，正好卡在铜管上，然后把保险丝座焊到电线上再连接电容即可。

初级线圈一般4-8圈，平均直径约等于两倍的次级线圈直径，以避免初次级之间打火，也能保证耦合度不会太高。

初级线圈要尽量靠下放，不能放到次级线圈的中部，这样会导致初次级之间打火烧坏次级的漆包线。

关于具体的比例，大家可以到google上搜索一下效果比较好的特斯拉线圈，参考他们的比例就可以。

图18 初级线圈
【打火器】
由于打火器上要产生电弧放电，因此温度很高，需要良好的散热。

小型的特斯拉线圈可以简陋一些如下图用铜鼻子做打火间隙，也可以用大螺栓或者其他金属物体制作。

需要注意的是，起固定作用的底座尽量用耐高温的，木材的绝缘作用不是很好，很容易被击穿燃烧，因此如果一定要用木材的话，两个电极的固定部位之间需要足够远的距离，一般要5cm以上。

打火间隙的距离一般2-5mm左右，间隙越大，打火频率越低，但是电容组两端的电压较高，储存的能量较多，从次级线圈爆发出来的单个电弧更粗更亮。

使用小间隙时打火频率较高，次级电弧产生的非常快，连续不断，上一条电弧还没消失，下一条电弧就在其附近生成，形成非常漂亮的飘带状，电弧如流水一般从放电尖端源源不断的冒出，美丽非常。

大功率的线圈因为电流较大，打火器产生大量热量，如果不能做好散热打火器将烧毁，因此需要由电机驱动的主动式打火器。

其高速旋转带动空气流动能够很好地散热。

主动式打火器样式很多，可以采用如图19所示的圆盘旋转式，也可以采用圆盘不动而电机驱动铜棒旋转的方式。

图19 被动式打火器和主动式打火器
【次级线圈】
次级线圈使用漆包线在PVC管子上绕制而成。

通常使用的漆包线直径从0.15mm到0.5mm左右，线圈越大一般漆包线也越粗。

PVC管的直径有50mm、63mm、75mm、110mm、160mm、200mm、315mm，在建材市场和五金店都可以买到。

次级线圈的高度一般为其直径的4倍左右，这样的比例不仅外观匀称协调而且放电效果
次级线圈虽然看起来比较简单，但是要绕的好并不容易。

一条好的次级线圈要表面光滑无突起、无打结、无断线、无重叠、无空白，紧密细致手感顺滑。

75mm 以下的管子可以手工绕，较粗的管子手工绕制很不方便，可以借助手电钻、车床或者其他工具绕制，也可以自己制作一台建议的绕线机。

用手电钻绕制次级线圈的方法如下图所示，使用电钻绕制比较简单只要把管子固定在电钻的夹头上就行，不过要注意要结实并且要同轴，避免转动时管子摇晃。

电钻转速开始时候不宜过快避免漆包线重叠打结。

图20 手电钻绕线圈简单连接方法
制作绕线机也不是很麻烦，首先需要一台减速电机，转速100转每分钟左右，我的是70转每分钟的，电压18V。

淘宝上很容易能够买到24V或者12V的减速电机。

使用时为了通过调节电压来调节转速可以做一个电子调速器，我是直接使用自耦调压器加一台220V转20V的变压器来供电的，调节调压器的手轮就可以很方便的调节电机的转速。

然后需要制作电机的固定支架，和另一端的支架，用手边的材料就可以。

我的电机支架是一个小板凳，另一头是用热熔胶将密度板粘成一个三角支架，上面固定一个小滚珠轴承。

PVC管子放在一根10mm直径的丝杆上，两端用中间带孔的有机玻璃板挡住，并且用螺丝帽拧紧固定住，使得PVC 管子能够随丝杆一起转动。

丝杆和电机的连接我用了一根打孔的尼龙棒，侧面用小螺丝顶紧，后来为了坚固耐用买了专用的联轴器。

图21 简易绕线机
另外，无论是手工还是借助机械绕线圈，最好都要准备一个支撑漆包线轴的支架，避免漆包线在绕制过程中打结。

如果绕制过程中有事需要离开，需要用一块绝缘胶布将管子上已经绕好的漆包线固定一下以免散乱。

绕好的线圈两头打孔用螺丝固定住，或者用胶带固定在管子上，并接上一条电线。

线圈视需要可以刷一层绝缘漆或者环氧树脂，起作用是保护次级线圈不被意外划伤，也能避免其因为季节转变引起的热胀冷缩导致线圈散乱。

次级线圈上端固定一个管帽，以便于安装放电顶端。

图22 次级线圈两端线头的固定
【放电顶端】
放电顶端可以使用现成的空心不锈钢球，但是更多的是使用铝管和不锈钢盘子组合，其表面积大，效果好，价格也便宜，并且也比较美观。

这里所说的铝管是铝排气管，一般用在燃气热水器和油烟机上，可以在建材装潢市场买到，其直径从5cm到十几厘米都有，有的内部有钢丝支撑不容易被压扁。

不锈钢盘子可以视线圈大小选用直径十几厘米到二十多厘米直径的，超市里可以买到。

首先将不锈钢盘子中央打孔然后底对底靠在一起，和PVC管堵头的另一部分用螺栓固定在一起，螺栓先不要拧紧。

然后将铝管弯成一圈绕在两个不锈钢盘子上，用胶带固定，然后拧紧螺栓，铝管就被紧紧地夹住了。

下图中这种内部带钢丝骨架的铝管表面有一层绝缘的塑料膜，会阻碍铝管和不锈钢盘之间的接触，需要用电线将内部的钢丝和不锈钢盘子连接起来。

最后将放电顶端的引线和次级线圈上端的固定螺丝连接，并将放电顶端固定在次级线圈的PVC管堵头上面。

PVC 管堵头有两种，一种是分体式用螺纹连接的，一种是一体的，下图用的是分体式的。

图23 放电顶环
【底座】
底座可以用木板、胶合板、有机玻璃板、PVC发泡板制作，其中木板和胶合板可以在建材市场买到，可以让他们给切成合适的大小，有机玻璃板和PVC发泡。