高电压系列简明教程

高电压系列简明教程——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管后面接高压包的部分,就是用一根电线在高压包的磁芯上绕10圈即可,后面的TL494驱动的高压电源或者是其他一些电路比如等离子扬声器,都是这样的接法.高压包的正极就是带一个橡皮碗的那根最粗的线,负极在底下那一排针脚中,型号不同,负极位置也不同,需要接好电路,用高压包正极依次靠近那些针脚,能够拉弧的就是负极.有时候有几个脚都可以拉弧,那么就选拉弧最长的那一个.因为高压包正负极拉弧时,负极温度很高,针脚会被烧化,因此需要额外地焊上一根引线作为负极.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:/【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。