在上一讲，我们制作了一个效果还可以的"杀手励磁器"，并讲解了一些晶体管原理、电磁理论基础等相关的知识。咱们先来简要回顾一下。
“杀手励磁器”通过电抗器（所谓的次级）自激振荡使得三极管的通断频率近似等于次级的谐振频率而电抗器与分布电容串联谐振得到高压。由于反馈是靠次级的串联谐振，所以基极那个起偏置作用的电阻有时可以省略（开路），又由于反馈的电流较小，主要起指示和箝位作用的LED也可以省略。加了放电顶端之后相当于增大了对地等效电容，可提高功率（然而最大功率也受三极管的限制，所以增大了顶端后放电弧的效果不一定变好。），放电效果和点灯效果会有所增加。如果加了均压能力较好的顶端（不产生电弧）则发射电磁辐射的能力大幅增强，所以点灯效果和点灯距离会大幅增加。电抗器的形状与电路是否能工作几乎无关，只要Q值够大且电路功率够大，就能够出弧，只是细长的发射的能量占比更多，所以在电路功率有限的条件下电弧就会变弱。（电磁辐射不一定就会影响健康，咱们在接下来的课程中还会深入讲解。生活中每个物体都会发射电磁辐射，就连我们的身体还有放射性，所以不必过分担心特斯拉线圈的辐射。）
虽然"杀手励磁器"这个小玩意也够玩上几天甚至几个星期了，然而，它还是弱爆了——发热大、效果差、提高电源电压就容易坏，想要效果更好的"玩具"还是得继续学习、多动脑多动手才行。"杀手励磁器"用的BJT会持续地把驱动电流拿来发热所以能效较低，那么这一讲我们就来看看MOSFET（下文简称“场管”或“MOS”）的表现如何，咱们边制作边根据现象思考原理。
还是先来看看电路图，很多朋友可能会觉得这个图很复杂，其实，只要仔细看看就会发现只是图注比较多，元件稍微多一些，然而它仅仅只是把"杀手励磁器"的那个三极管改成了图腾柱加场效应管，画逻辑框图的话也不过就两个主要部分，千万不要认为连线和元件多电路就复杂。驱动部分与功率部分独立供电，驱动需要的功率与工作频率有关且功率较低；功率部分推荐使用36V3A的开关电源，供电电压高功率就容易做大，效果就越好。（图里给的数据都是参考值，不一定非要按这个参数来，应当根据实际情况灵活调整。多动脑、多思考，无脑照抄不可取。）
需要准备的材料和上一讲基本一致，只是增加了一个电源和一个场效应管。
和上一讲一样，为了方便调试，建议先在面包板上制作。不过，这个MOSFET的封装是TO-247的（之前用的s8050是TO-92、TIP41是TO-220，同一个元件可能会有不同封装，不同封装的外观和规格会不同），管脚很粗，很难直接插到面包板里，所以咱们先给它的脚上焊上导线（这里使用的是其他元件的管脚，方便操作）。需要注意，MOSFET对电压很敏感，因为其栅极是个耐压较低的小电容，由电容量定义式C=Q/U可知只需要很少的电荷量就可使它两端的电压升得很高(上一讲中提到电容量的决定式)，这也是为什么很多单片机等器件很怕静电的一个主要原因。像irfp260这种场效应管，通常栅极到源极的电压超过30V就非常容易造成击穿(虽然这个管子还是很坚强的，一般的虐待也不容易死)，而一般的电烙铁头由于感应等原因，常会对地有一个较高的电位差且电流也不算很小，甚至能够使LED发光。如下图所示：示波器地接大地而探头连接工作中的电烙铁，探头和示波器输入阻抗为100MΩ。
为了避免操作时过高的电压使栅极击穿而损坏，建议在操作时用导线将G和S短接，待焊接等操作结束后再取下。(虽然管子的生命力比理论中的强得多，不过最好还是养成好习惯。还有钽电容等元件也需要特别注意。)
按照教程视频里的操作搭好电路之后，建议先给驱动部分上电，然后再给功率部分上电。如果上电顺序颠倒会有什么影响呢？咱们在视频里看到无论先给驱动部分上电还是先给功率部分上电都可以工作，其实在这里的先后顺序没什么影响，只是建议大家养成注重先后顺序的习惯（很多设备需要特别注意先后顺序）。这是因为这个电路无论先给哪边上电，只要有一边没上电，场管上就不会有电流。如先给驱动部分上电，由于偏置，图腾柱输出高电平，场效应管进如导通状态，但是没有接功率部分电源所以没有电流；如果先接功率部分电源，场效应管由于下拉电阻（在这里的作用也可以称为泄放）把栅极电位拉低，场管不导通。而一旦初级有电流后电抗器（所谓的次级）就会受激励而开始自由振荡。这个振荡是由电抗器的电感与分布电容串联产生的，所以在同一环境中这个震荡频率是固定的，只与L和C有关，其自由振荡频率f=1/(2π√LC)（L为电感量，单位为H，亨利；C为电容量，单位为F，法拉。亨利和法拉都是很大的单位，咱们的电抗器一般都是mH级的，而对地等效电容通常也就几pF，很不会超过百pF）。这个振荡开始时由于同名端方向的缘故，图腾柱基极的电位被拉低（这也就是偏置电阻不宜太小的缘故，偏置电阻小了之后这个反馈的电流可能就不能把基极电位拉低了），图腾柱的PNP极性的那组导通，把之前由于图腾柱的偏置而导通的场效应管关断，电抗器继续自由振荡，到第二半周时与偏置电阻一起使NPN极性的那组导通给MOS栅极充电而使其导通，于是就这样开始循环，起振后电压越来越高，直到激励电压的Q倍（实际上和初级耦合的那一小部分“次级”也能像普通变压器那样按匝数比感应升压，只是基本可以忽略）。
Q值又叫品质因数，是电抗存储的电能(电容器把电能变为电场能储存在电场中、电感器把电能变为磁场能储存在磁场中)与消耗的电能(电能流经电阻时转化为内能而耗散)的比值，没有单位（因为都是Ω，或者说单位是“1”），数值上等于电抗除电阻。即Q=x/R
BJT是流控流型器件，要想让它保持导通就必须一直有驱动电流，即使我们什么都不做，只是为了维持它导通的状态就需要耗费能量。而且由于PN结内电场的缘故，BJT在CE之间总会有压降，通常是0.3V到1V这个范围。也就是说若工作时集电极电流为1A的话，那么深度饱和时发热功率就大概是0.3V*1A=0.3W。（P=UI，此外驱动电流也要发热）
而MOSFET属于压控流型器件，它的栅极相当于一个电容器，只需要一个电流脉冲即可切换它的工作状态。如果没有泄放电阻和其他电路的影响，它可以在驱动信号撤去之后仍保持之前的状态，所以能效会更高一些，尤其是在频率较低时更加明显。而且MOSFET不说压降而是说通态电阻（或者简单理解成两个反向的PN结内电场相互抵消而只存在沟道厚度影响电阻），如irfp260的通态电阻时55mΩ。也就是说若工作时漏极电流为1A，那么完全导通时发热功率就大概是1*1*0.055=0.055W。（P=I2R，而且驱动电流几乎不在管子中发热）对于N沟道增强型的MOSFET来说，GS间电压为0V时DS间的电阻非常大，通常大于20MΩ；GS电压为10V时DS间电阻在mΩ级。其间有一段“饱和区”也就是线性放大区，在这一区域中，电阻的倒数（或说电流）与GS间电压基本呈线性变化，于是就可以调制音频制作功放。然而，在这一区域因为电阻比较大所以能效很低（发热功率近似等于I2R）。这里我们是要做自激振荡器，工作在开关状态能效最高（D到S的电阻在几十mΩ到几十MΩ变化，且近似跳变。但是咱们这讲中的电路开关管开关方式为硬开关，能效还是低，咱们后面还会讲能效更高、寿命更长的软开关方式）。（能效就是有用功占总功的比例，比如25瓦的LED照明灯的照明效果比25瓦的白炽灯好得多。）
栅极可近似看作是经过电容到地的，这个电容量一般在0.几nF到20nF这个范围，这个电容量还与驱动信号的电压有关（所以数据表上通常只写电荷量）。比如随意拿了一个irfp260，测试在驱动电压为12V时的栅极电容量大约是23nF而在5V左右时不到4nF。这样在就要求在改变它状态时需要一个电流量很大的脉冲才可以使其上升或下降沿短从而提高能效。
MOSFET虽然保持状态不需要消耗驱动电流，但是改变它之前开关状态时为了使其上升或下降沿短，需要一个电流很大脉冲，尤其是高频时。这个电流大一些能提高MOSFET的能效，比如3A。虽然电流大，但是大电流持续时间极短（如irfp260栅极电荷量230nC，在12V下用最大电流为1A的驱动器驱动时上升约沿几百纳秒）。很明显，电抗器反馈回来的功率非常小，无法直接推动（驱动）MOSFET，所以，咱们就必须要一个栅极驱动器。（这一讲咱们开始接触驱动器，这里用的是最简单的栅极驱动器——图腾柱电路。咱们这里只是先引出，包括驱动程序在内的其他各种驱动都会在以后的教程中继续逐渐深入）BJT图腾柱使用一组NPN和一组PNP，它们的基极并联作为信号输入，射极也并联共射极输出，这样同时具有上拉和下拉输出能力的结构称为推挽结构。由于栅极相当于一个到地的电容，当图腾柱输入端有电流从基极到射极时则是图腾柱NPN的那组将信号“放大”（开关是一种特殊的放大），电源给栅极这个电容充电，当栅极电位达到一定程度时（阈值电压，如irfp260是2到4V），沟道开始形成，DS间电阻开始大幅下降，此时处于线性放大状态，再达到一定程度时（通常是10V，也有LR7843等5V或其他更低的）就完全导通了；而当图腾柱输入端有电流从射极到基极时则是PNP的那组导通，栅极通过图腾柱对地放电。在这里，图腾柱的驱动电流就来自电抗器，由于电抗器的振荡，信号不断在正和负之间变化并去控制场效应管的开断从而实现自激振荡并串联谐振。当工作在开关状态时，理想情况就是从截止（关断）跳变到导通状态，也就是电阻从无穷大跳变到无穷小。然而现实和理想差异很大，要是驱动器的驱动能力不够的话，上升沿（电位从低到高的过程）就会很长，这样就造成管子剧烈发热且能效低，从导通到完全关断过程的下降沿也同理。（至于阻抗匹配以后的课程会讲到）咱们在视频里也看到了，虽然图腾柱无论用一组还是三组，电路都可以工作，但是一组时效果很差而且管子发热也很严重，毕竟s8050和s8550的驱动能力太弱，在这个电路中并不合适。一般能使用集成电路就尽可能不要使用分立元件，集成电路比自己用分立元件搭的要可靠、稳定得多，这里只是为了学习电路原理才使用的分立元件，建议使用TC4422等栅极驱动器，如果一定要使用分立元件的话推荐用BD139和BD140。（提醒：驱动部分和功率部分必须共地，即两组电源的地需要连接。只有共地的信号才能叠加，咱们后面的课程再深入。） 
在上一讲，咱们提到在小的杀手励磁器的初级上并联一个小电容可以增强一些效果，原因是自激时开关管导通的占空比低于50%，初级加续流就增大了电流的占空比（只针对小的三极管和小的线圈，大的不一定是这样），这里在初级上并联的小电容就是起续流作用。电感器有个物理性质就是流经它的电流不能跳变，也就是说假如之前流过它的电流是1A，当开关断开的瞬间，它会“努力”维持之前1A的电流而产生很大的电动势（恒流源也类似这样），这个很高的电动势容易把开关（这里用场效应管作开关）击穿，所以需要一个尖峰吸收保护。而这里的初级也是一个电感器，且匝数越多电感量就越大，电感量越大感抗（所以绕得多可以限制功率，感抗与频率和电感量正相关，即XL=2πfL）就会越大，自感电动势也会越强。当开关管关断的时候它会产生很强的电动势，为了避免开关管被击穿所以需要续流或吸收（只不过这个电路在小功率工作时初级关断时产生的尖峰很弱，不足以损坏开关管，所以可以忽略）。自然现象不能说好坏，这个现象容易产生高压而损坏电路，同时也能运用这个现象来设计有帮助的电路，如升压装置（老式打火器用的感应圈、焦耳小偷、手机充电宝等电源模块的boost变换器等都是靠自感产生较高电压）。设计电路时就需要充分利用这些现象且趋利避害，保护开关管的常用措施就是如下图这样使用R（resistor，电阻器）、C（capacitor，电容器）、D（diode，二极管）来吸收初级关断时产生的尖峰。RCD保护电路的接法有很多，图中这样的接法适用于吸收小的初级线圈产生的尖峰，优点是损耗少、开关管不工作时几乎无漏流，但不适合用在尖峰较强的场合。所以应具体问题具体分析，针对电路特点来设计。 
两组或两组以上耦合的线圈就会存在同名端，这个同名端就是在同一个时刻电流进出线圈方向一致的一端，常用点或星号来表示同名端。例如上面这个自激的电路，初级与次级的同名端在图上是一上一下，也就是初级的电流从图的上方流向下方则次级就是电流从下方流向上方。判断同名端常用楞次定理和右手定则来判断。
楞次定理的基本内容就是“感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化”。说简单一些就是感应电流产生的磁场会去“反抗”原磁场的变化。也就是原磁场增强时感应电流的磁场方向相反并也增强；而原磁场减弱时感应电流的磁场方向与原磁场方向相同并“补偿”原磁场。（这和化学中“改变可逆反应的条件，化学平衡就会向减弱这种改变的方向移动。”的勒夏特列原理类似，都是在描述“惯性”）用右手定则判断出原磁场方向之后，根据楞次定理确定感应电流的磁场方向，再根据右手定则即可判定感应电流的方向了。
像这样的小的特斯拉线圈的“均压环”并不需要用真正的均压环，它作为一个顶端只是增大对地等效电容而增强LC振荡的强度（容抗XC=1/2πfC，电容量和频率越大容抗越小）从而增大电流（功率也就容易做大了）。这样的顶端并不是真的要起均压作用，因为要看的主要是“闪电”的效果，就是故意要它损耗出电晕，所以即使用了真正的电力均压环也仍是要加放电针（除非只想看点灯效果）。若是不加放电针，则损耗小而做所谓的“无功振荡”即可增强其发射电磁辐射的能力，在很远的地方也可以收到它的能量，即隔空点灯。（其实这就是无线电的前身，咱们后面会讲制作一个玩具发射机）如果不计损耗且周围没有物体吸收它发出的电磁波，那么线圈的阻抗会很大，理论上就不会消耗电能；而当有物体吸收它的电磁波并转换成其他形式的能量时，线圈的阻抗就会变小。制作这样的“均压环”的方法很多，最简单的就是把铝箔包在兵乓球上，还有用弹簧绕在铜管上等方法。（方法很多，就看个人偏好了，只要外形基本平滑且导电性好就可以了。比如本狗为了好(bī)看(gé)些(gāo)，灵稽一动，就在3D打印打印的均压环模型上电镀铜…） 
上图来自百度图片，“图6-7”来自《Building the modern day TC》是单均压环TC周围某一时刻的电场分布情况示意图。均压环周围电场强度相等，于是就造成了一个“陡崖”，用地理学的内容来类比的话就是在山脊上修了个广场。“陡崖”处电场强度很强，若再增加一个放电针，就会进一步增强电场强度进而产生尖端放电，这样一来能量就会集中到放电针上，就能在放电针处产生壮观的电晕。（脑补一下一个球从悬崖上掉下去和从缓坡上滚下去的区别）
（图来自人教版物理3-1）
电晕(yùn)，其实就是强且不均匀的电场使空气电离而产生的类似火焰的等离子体，而电弧是强电场中电极之间的电压超过了气体的击穿压后电极击穿空气产生的气体放电现象，虽然两者都是气体放电，但前者并不是在电极间击穿空气。事实上TC产生的电压远远不能击穿那么长距离的空气，尤其是加了灭弧之后电弧变得更直更长，这其实就是因为TC的“电弧”并不是击穿空气的，而是电晕。比如加了灭弧的小SSTC：加上低频（100Hz左右）低占空比（10%左右）的灭弧后电弧会变得很直很长，因为在这样的QCW（准连续波）模式下，下一个电晕总是在上一个电晕消失之后才产生，这样就形不成簇状电晕而是能量更集中的刺状（下一讲中将制作）；
再比如QCWDRSSTC：通过BUCK来使工作电压逐渐升高，在电弧还来不及分岔的时间内就将工作电压从几十伏迅速调到几百伏，先产生的电晕就成了“放电针”，从而形成很长很壮观的剑型电弧。但假如他们工作在CW（连续波）模式，电晕也就是不大的一簇，因为他们产生的电压并不足以击穿那么长的空气。
（这两图来自山猫）
咱们在视频里看到，虽然用MOSFET来作开关管做单管自激虽然能点灯能喷弧还可以上较高电压的电源，而且效果还不错，但是，就这么喷喷弧点点灯也没什么意思。就这样自激实在是没什么交互性，而且簇状电弧也不是很好看，咱们就想如何让它放音乐什么的能有一些有意思的效果、如何让电弧看起来更好看。这就涉及到了调制，咱们下节继续。
（不过很遗憾，由于我个人工作原因，接下来200多天我很难接触互联网了，所以下一讲预计210天后更新。届时，一个全新的自学交流网站恭候您的光临~敬请关注与期待哦~）
在下一讲，咱们讲解如何进行“灭弧”并学习有关调制的知识。敬请关注"影V课堂" 和 "柳玉虎的小窝"，更多精彩内容为您而生。
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发表于 2016-11-19 18:40:48
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