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玩轉(zhuǎn)高頻——隔空點(diǎn)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(fā)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(xué)家也在人類歷史上留下了不可磨滅的貢獻(xiàn)，他，就是尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）。由于他的杰出貢獻(xiàn)，他的名字不僅作為磁感應(yīng)強(qiáng)度的國際單位制導(dǎo)出單位，還用來命名了分布參數(shù)高頻串聯(lián)諧振變壓器——特斯拉線圈，這，就是今天的主角。 隔空點(diǎn)燈 電池的電流通過導(dǎo)線點(diǎn)亮燈泡，這種直流電的現(xiàn)象你一定已經(jīng)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(xiàn)象。有一天在網(wǎng)上閑逛，無意間發(fā)現(xiàn)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(diǎn)亮220V節(jié)能燈管。相信大家看到這里一定不相信吧，甚至?xí)腥苏f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(shí)踐出真知呢？于是找來面包板快速搭接電路進(jìn)行試驗，準(zhǔn)備的原件如圖2所示。
圖2 隔空點(diǎn)燈所需原件 2222A為美國生產(chǎn)的開關(guān)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(tài)連上電源，LED燈真的發(fā)出了亮光，遂將節(jié)能燈管靠近線圈部分，奇怪的事情發(fā)生了，燈管竟然真的被點(diǎn)亮了！效果如圖3所示。
圖3 節(jié)能燈真的被點(diǎn)亮了 這個結(jié)果讓我興奮不已，手中的燈就像被施了魔法一樣隔空發(fā)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(fā)光的呢？經(jīng)過一番上網(wǎng)查閱以及頭腦風(fēng)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(shí)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(gòu)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(gòu)成了一個LC回路，負(fù)載的電容量極其的小，但讓電路產(chǎn)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(dá)到上千伏特，從而使燈光中的水銀氣體發(fā)出紫外線，發(fā)出的紫外線激發(fā)燈壁上的熒光粉，使熒光粉發(fā)光。看到這你可能會對自己的安全擔(dān)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(chǎn)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(xù)輸出這么高的電壓了。證據(jù)就是如果點(diǎn)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(fā)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(diǎn)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(fā)光算視覺，那么我們就來找找聽覺上的刺激吧。按照常規(guī)思路，想要有聲音就一定離不開揚(yáng)聲器。常用的揚(yáng)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(diǎn)，發(fā)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(fā)聲。有沒有想過別的發(fā)聲方式呢？能使空氣振動的不只有紙盆，其實(shí)還有擊穿空氣的電弧。你插拔插頭時偶爾發(fā)出的“呲啦”聲，就是電弧在唱歌。但是不得不說，它唱的實(shí)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(fā)現(xiàn)了這個方法，并且給這個基于電弧等離子體發(fā)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(yáng)聲器相比還有發(fā)聲上的優(yōu)勢。普通揚(yáng)聲器都是通過振膜的震動驅(qū)動空氣發(fā)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(fā)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(qiáng)，而那些頻率遠(yuǎn)離諧振頻率的成分將衰減，離得越遠(yuǎn)衰減的越厲害并最終完全被衰減掉。可見要想改善普通揚(yáng)聲器的發(fā)聲性能必須解決揚(yáng)聲器的諧振問題。等離子音響正是為了克服普通揚(yáng)聲器的這一弊病而設(shè)計的，它沒有振膜通過直接驅(qū)動離子化的空氣震動發(fā)聲，所以理論上離子揚(yáng)聲器是揚(yáng)聲器中性能最佳的。但是要聲明一點(diǎn)，這個制作具有較高的危險性，一定要倍加小心。
理論到此結(jié)束，現(xiàn)在是動手時間！萬丈高樓平地起，想要發(fā)聲，就先給自己定個小目標(biāo)，比如說先搞出來個電弧。自己繞線圈又費(fèi)勁又不安全，不如直接買現(xiàn)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(chǎn)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(xì)一點(diǎn)，普通變壓器兩組線圈圈數(shù)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(chǎn)生感應(yīng)電動勢。當(dāng)N2>N1時，其感應(yīng)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(shù)間具有下列關(guān)系：U1/U2=N1/N2。式中n稱為電壓比(圈數(shù)比).當(dāng)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(shí)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(guān)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(qū)動高壓包的電路，由于功率很大，所以不能用晶體管來驅(qū)動，而是選用了MOS管。這里我用的是IRFP260N，引腳跟參數(shù)如圖7所示，可用參數(shù)相似的替換，如IRF250N。
圖7 IRFP260N引腳圖 現(xiàn)在電弧的部分全都好了，該唱歌了。提到唱歌，就離不開調(diào)制，我們的老朋友PWM又要上場了。由于這次不僅需要調(diào)制，還需要驅(qū)動MOS管，所以單片機(jī)顯然不合適，所以選用了SG3525芯片，你在開關(guān)電源中常能看到它的身影。它是一種性能優(yōu)良、功能齊全和通用性強(qiáng)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(qū)動為推拉輸出形式，增加了驅(qū)動能力。內(nèi)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(hù)功能，頻率可調(diào)，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(shí)還落了一個。由于MOS管工作的時候發(fā)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(tǒng)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(fù)，還剩一根線是測速線，這里不需要。
圖9 電風(fēng)扇實(shí)物圖 圖10 等離子音響原理圖 完整的電路圖如圖10所示，實(shí)際工作時，通過音頻的調(diào)制，使芯片產(chǎn)生頻率或者占空比隨音樂變化的方波信號，驅(qū)動后級MOS管的通斷，高壓包的初級因此相應(yīng)地流過有規(guī)律變化的電流，在高壓包次級線圈中隨之感應(yīng)出高壓電弧。電弧加熱的空氣隨音頻信號震動而發(fā)出聲音。J1連接耳機(jī)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(fā)聲電路啦。R2是一個10k的旋鈕型滑動變阻器，用于調(diào)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(dǎo)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(diào)節(jié)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(dǎo)線引出。電弧射出位置的尖銳程度與材質(zhì)能夠影響音質(zhì)，試驗多次發(fā)現(xiàn)銅柱磨尖之后效果很好。為防止電弧傷人以及發(fā)熱的銅柱燙傷皮膚，用拼裝機(jī)器人的搭接件與亞克力板做了個防護(hù)罩，樣子如圖12所示。完成后發(fā)現(xiàn)不但安全性得到提升，還意外的充當(dāng)了擴(kuò)音結(jié)構(gòu)，使音量有所提升。
圖12 防護(hù)罩實(shí)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(fēng)扇的散熱效果發(fā)揮到極點(diǎn)，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(fēng)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(diǎn)。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(jī)電子琴，還包括一個12v轉(zhuǎn)單片機(jī)5v電壓的7805電路，關(guān)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(diào)諧滑變、電子琴或音頻輸入切換開關(guān)安裝在前面板，并連接相應(yīng)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(hù)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(fēng)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(guān)電源來供電，把電源線從后面板的開口引出并連接到開關(guān)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(guān)系，連接上手機(jī)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~
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