玩转高频——隔空点灯&闪电唱歌
很多人崇拜爱迪生，因为他推动了电气革命，许许多多的发明，到今天还在造福着人类，但是跟他同一时代的另一名科学家也在人类历史上留下了不可磨灭的贡献，他，就是尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）。由于他的杰出贡献，他的名字不仅作为磁感应强度的国际单位制导出单位，还用来命名了分布参数高频串联谐振变压器——特斯拉线圈，这，就是今天的主角。
隔空点灯
电池的电流通过导线点亮灯泡，这种直流电的现象你一定已经见惯不怪了，但是在高频的世界里，存在着许许多多有趣的现象。有一天在网上闲逛，无意间发现这样一幅电路图，电路如图1所示。
图1 杀手励磁器电路
图片下的文字介绍称此电路可以隔空点亮220V节能灯管。相信大家看到这里一定不相信吧，甚至会有人说这个电路图本身就是错的，因为次级线圈在电路中开路，无法起振，就连LED的方向都不正确。我跟大家的想法一样，可是这么简单的电路，为何不实践出真知呢？于是找来面包板快速搭接电路进行试验，准备的原件如图2所示。
图2 隔空点灯所需原件
2222A为美国生产的开关三极管，如果手头没有可以用S8050代替。图中右上角即为特斯拉线圈，次级275匝，初级3匝，可用漆包线与中性笔笔杆缠绕自制，LED随意挑选但是必须要连接。很快就搭建完成，抱着根本不可能的心态连上电源，LED灯真的发出了亮光，遂将节能灯管靠近线圈部分，奇怪的事情发生了，灯管竟然真的被点亮了！效果如图3所示。图3 节能灯真的被点亮了
这个结果让我兴奋不已，手中的灯就像被施了魔法一样隔空发光，可是我也满腹疑虑，这个电路到底是怎么样让荧光灯管发光的呢？经过一番上网查阅以及头脑风暴之后，我搞清楚了其中的奥秘，将电路图用容易理解的方式重新绘制如图4所示。
图4 杀手励磁器工作原理
其实电路中少了一个重要的原器件，那就是由次级线圈的尖端、空气和大地构成的寄生电容器，也就是图中用虚线接地的那个电容。它是自然存在的，和次级线圈与大地构成了一个LC回路，负载的电容量极其的小，但让电路产生振荡却绰绰有余。所以这个电路的确可以释放出很高的电压，能达到上千伏特，从而使灯光中的水银气体发出紫外线，发出的紫外线激发灯壁上的荧光粉，使荧光粉发光。看到这你可能会对自己的安全担忧，这么高的电压，会不会有什么危险呢？请各位放心，这个制作肯定是安全无害的（顺带一提，下面的制作就不一样了）。虽然线圈的输出端可以产生高压，但是它传递的电流极其的小。由于功率不变，如果要生成更高的电流，那它就不能持续输出这么高的电压了。证据就是如果点亮灯管的同时，用手靠近线圈，即使你的手并没有触摸到线圈，但是手依然会吸收一部分能量，由于灯管分到的电压下降所以灯管发的光会变暗。如果你的手碰到线圈，灯管分到的电压一下就从上千伏拉低到零伏了，随之灯管也会熄灭。
闪电唱歌
除了隔空点灯，高频魔法还有什么好玩的呢？通常人们会通过视听盛宴来形容一场表演的精彩绝伦。发光算视觉，那么我们就来找找听觉上的刺激吧。按照常规思路，想要有声音就一定离不开扬声器。常用的扬声器你一定见了不少，低至十几元的小型功放，高到上万元的高保真音响。虽然价钱天壤之别，但是它们都有一个共同点，发声的方式都是通过永磁体配合通电线圈带动纸盆振动从而发声。有没有想过别的发声方式呢？能使空气振动的不只有纸盆，其实还有击穿空气的电弧。你插拔插头时偶尔发出的“呲啦”声，就是电弧在唱歌。但是不得不说，它唱的实在不怎么好听，有没有办法让它按照我们的意愿来唱歌呢？前辈们还真的发现了这个方法，并且给这个基于电弧等离子体发声的装置起了个好听的名字——等离子音响。它不光是炫酷好玩，跟普通扬声器相比还有发声上的优势。普通扬声器都是通过振膜的震动驱动空气发声，由于每种振膜都有自己的谐振频率这就不可避免的使发出的声音幅频特性变差。音频信号中频率与振膜谐振频率接近的成分最强，而那些频率远离谐振频率的成分将衰减，离得越远衰减的越厉害并最终完全被衰减掉。可见要想改善普通扬声器的发声性能必须解决扬声器的谐振问题。等离子音响正是为了克服普通扬声器的这一弊病而设计的，它没有振膜通过直接驱动离子化的空气震动发声，所以理论上离子扬声器是扬声器中性能最佳的。但是要声明一点，这个制作具有较高的危险性，一定要倍加小心。 理论到此结束，现在是动手时间！万丈高楼平地起，想要发声，就先给自己定个小目标，比如说先搞出来个电弧。自己绕线圈又费劲又不安全，不如直接买现成的。什么？没有卖的？那你是你没有买对，我们要买的线圈有个大名，叫高压包，也叫行输出变压器，也称为行包或行变。这个有很多名字的家伙工作在你的老式显示器和老式电视里，其主要作用是产生阳极高压，另外提供聚焦、加速、栅极等各路电压，说白了，就是个升压变压器。在解释的详细一点，普通变压器两组线圈圈数分别为N1和N2，N1为初级，N2为次级。在初级线圈上加一交流电压，在次级线圈两端就会产生感应电动势。当N2>N1时，其感应电动势要比初级所加的电压还要高，这种变压器称为升压变压器，初级次级电压和线圈圈数间具有下列关系：U1/U2=N1/N2。式中n称为电压比(圈数比).当n>1时，则N1<N2，U1<U2，输出的电压被放大了，这就为形成电弧提供了条件。它的样子如图5所示。
图5 高压包实物图
它的顶端有一条粗粗的输出线，底部则是很多引脚，引脚定义如图6所示。
图6 高压包引脚图
密密麻麻根本看不懂？没有关系，我们只用到底部的GND引脚与上面的输出线，剩下的都不用管。但是不同的高压包引脚不同，下文会教你如何找到你手中高压包的GND。光高压包还是不够，我们还需要驱动高压包的电路，由于功率很大，所以不能用晶体管来驱动，而是选用了MOS管。这里我用的是IRFP260N，引脚跟参数如图7所示，可用参数相似的替换，如IRF250N。
图7 IRFP260N引脚图
现在电弧的部分全都好了，该唱歌了。提到唱歌，就离不开调制，我们的老朋友PWM又要上场了。由于这次不仅需要调制，还需要驱动MOS管，所以单片机显然不合适，所以选用了SG3525芯片，你在开关电源中常能看到它的身影。它是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM控制芯片，它简单可靠及使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力。内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比，引脚图如图8所示。
图8 SG3525管脚图
至此，所有的器件就介绍完了,真的完了吗？其实还落了一个。由于MOS管工作的时候发热很大，为了长时间工作，需要给它找个主动散热的帮手，那就是散热扇啦。由于系统的电源是12v,所以直接选用12v的电扇就省去了升压降压的步骤，笔记本的散热扇就可以胜任，如图9所示。如果你买的跟我一样是三线的，那么只用到红正黑负，还剩一根线是测速线，这里不需要。图9 电风扇实物图
图10 等离子音响原理图
完整的电路图如图10所示，实际工作时，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MOS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。J1连接耳机孔，只需要一个声道就够了，如果你需要双声道立体声，那你就要做两个电弧发声电路啦。R2是一个10k的旋钮型滑动变阻器，用于调整谐振频率，以便更好的配合不同类型的歌曲。L1就是高压包，它的左边是10圈的绕线，用可以通过大电流的导线缠绕在高压包磁芯上即可，如图11所示。图11 高压包绕线
如果你的电路正常，调节R2到中间位置，把高压包顶端的输出线与底端的GND靠近即可射出电弧，上面提到的找到你所选高压包GND的方法就是用顶端输出线依次靠近所有的底端引脚，电弧拉的最长的就是GND。然后把GND用导线引出。电弧射出位置的尖锐程度与材质能够影响音质，试验多次发现铜柱磨尖之后效果很好。为防止电弧伤人以及发热的铜柱烫伤皮肤，用拼装机器人的搭接件与亚克力板做了个防护罩，样子如图12所示。完成后发现不但安全性得到提升，还意外的充当了扩音结构，使音量有所提升。图12 防护罩实物图
为了整体的美观性与完整性，我找了个外壳组装，大家可以参考一下我的组装过程。首先，为了使电风扇的散热效果发挥到极点，我在外壳底部又加了一片很大的散热片，将MOS管涂抹散热硅胶安装在散热片上，并且在它上面安装了用于固定风扇的铜柱。MOS管的三条引出线必须可以承受大电流，也就是线需要粗一点。如图13所示。图13 散热片安装
然后就是把所有的电路依次固定在底板上，为了增加趣味性，我加入了一个单片机电子琴，还包括一个12v转单片机5v电压的7805电路，关于电子琴，论坛的帖子中有很多介绍，这里就不过多说明了。底板组装完成的样子如图14所示。图14 底板安装完成
然后把音频输入插口、调谐滑变、电子琴或音频输入切换开关安装在前面板，并连接相应的线路，如图15所示。图15 安装前面板
最后把电子琴的按键、带防护罩的放电铜柱安装在上面板，依照个人喜好用记号笔画上图案装饰，然后在风扇位置的正上方开散热口。由于工作电流比较大，所以我用了一个12V5A的开关电源来供电，把电源线从后面板的开口引出并连接到开关电源上。到此，所有的安装就都完成了，最终的样子如图16所示。图16 完工的样子
制作到这里，你一定疲惫不堪了，没关系，连接上手机或者电脑，放一段你喜欢的音乐，看着电弧在铜柱之间舞动，在别人不可思议的惊奇中，惬意的享受电子制作为你带来的满足感吧~
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