Уткин Владимир. Секреты Николы Тесла. Использование реактивной мощности

СЕКРЕТЫ НИКОЛЫ ТЕСЛА

0x01 graphic

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ. СХЕМЫ. НАСТРОЙКА.

СТАТЬЯ НЕ ЗАКОНЧЕНА

(Все основные идеи данной статьи изложены в работе "Теоретические основы теслатехники" http://samlib.ru/editors/u/utkin_w_m/teslatech.shtml написанной мной для Патрика Келли в 2011 году на английском языке и переведенной затем на русский)

Владимир Уткин u.v@bk.ru

ВВЕДЕНИЕ

В статье речь пойдёт об электрических цепях, состоящих из катушек L и конденсаторов C. В этих цепях энергия периодически переходит из потенциальной формы (в конденсаторе) в кинетическую (в катушке), и наоборот. Возникает понятие реактивной мощности, когда ток и напряжение в цепи сдвинуты относительно друг друга на 90 градусов.

0x01 graphic

Одиночный электрический колебательный контур без потерь, состоящий из идеальной катушки L и конденсатора C.

Если в такой цепи нет потерь (идеальный случай), то колебания будут проходить неограниченно во времени на частоте f₀

0x01 graphic

Если в цепи есть потери, то колебания быстро затухнут, в соответствии с коэффициентом затухания - ї, зависящим от потерь.

0x01 graphic

Колебания в контуре с потерями быстро затухают.

Для поддержания колебаний в этом случае потребуется внешний источник сигнала, за счёт которого потери и будут компенсироваться.

Откуда становится понятно, что попытки использования реактивной мощности (внесение потерь) неизбежно приведут к возрастанию потребления энергии от источника. То есть, в конечном итоге будет потребляться энергия источника, а не реактивная мощность.

Тем не менее, в Сети можно найти попытки использования реактивной мощности для получения активной мощности в нагрузке у различных авторов (Альфред Хаббард, Дональд Смит, Стивен Марк и т.д.). Если их попытки признать успешными, то возникает вопрос: как они это делали? Почему реактивная мощность в их устройствах не попадала в нагрузку?

Ответ будем искать на основе использования индуктивно связанных колебательных контуров. Они давно хорошо известны в радиотехнике теоретически и практически. Поэтому здесь подробно не будем их рассматривать, а только упомянем. Подробно о них можно прочитать по ссылке в конце статьи.

ИНДУКТИВНО СВЯЗАННЫЕ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ КОНТУРЫ

Если взять две катушки с подключенными к ним конденсаторами, настроенные на одну резонансную частоту

, и поднести их друг к другу, по получим индуктивно связанные колебательные контуры.

Из теории связанных колебательных контуров известно, что они имеют резонанс на двух частотах

. При двугорбой резонансной кривой.

0x01 graphic

Резонансные частоты зависят от частоты первоначального резонанса

и коэффициента взаимной индуктивной связи K катушек. При условии, что

для обоих катушек совпадают, они определяются как

0x01 graphic

Откуда следует, что при стремлении коэффициента связи K к единице резонансная частота

понижается, а частота

стремится к бесконечности.

Однако, из теории более интересен другой удивительный факт. Фазы колебаний первичного и вторичного контуров совпадают для частоты
и противоположны для частоты
.

То есть, если связанные контуры возбуждать на частоте резонанса

, то на вторичной катушке появится напряжение противоположное по знаку напряжению первичной катушки.

0x01 graphic

Иными словами, на частоте резонанса

, вторая катушка по отношению к первой катушке фактически вырабатывает противо ЭДС. Если всё это известно, то как этим можно воспользоваться при подключении нагрузки чтобы она не влияла на колебательный процесс?

ПОДКЛЮЧАЕМ НАГРУЗКУ

На рисунке ниже показано как можно подключить нагрузку к индуктивно связанным контурам при работе на частоте

или частоте

, чтобы она не влияла на резонанс. Слева - для частоты

, справа - для частоты

. Отличаются они только направлением намотки первичного и вторичного контура.

0x01 graphic

Идея подключения нагрузки заключается в том, чтобы при нулевом сопротивлении нагрузки (коротком замыкании) два контура, настроенные первоначально на одну частоту, включились параллельно. В этом случае частота резонанса не должна измениться.

Чтобы достигнуть этого результата вторичная катушка должна иметь в два раза больше витков чем первичная. И как следствие в четыре раза большую индуктивность. При этом, чтобы частота

первоначального резонанса для контуров совпадала ёмкость конденсатора вторичного контура должна быть в четыре раза меньше ёмкости конденсатора первичного контура.

Для частоты

вторичная катушка мотается встречно по отношению к первичной. А для частоты

вторичная катушка мотается в том же направлении, что и первичная (резонанс на частоте

развернёт фазу во вторичной катушке на 180 градусов).

В результате такого выбора параметров индуктивно связанных колебательных контуров, подключение нагрузки не должно изменять резонансную частоту

или

ПРОБЛЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Из вышеприведённого варианта подключения нагрузки следует, что можно подключать любую нагрузку. То есть, от холостого хода до короткого замыкания. На работоспособность схемы это не должно влиять, и не вызывать дополнительного потребления энергии от источника. Однако, это влияет на выходное напряжение и на энергию, выделяемую в нагрузке. При холостом ходе и коротком замыкании эта энергия равна нулю.

Возникает вопрос: "Как определить сопротивление нагрузки при котором выделяемая энергия максимальна?" Чтобы ответить на этот вопрос надо знать внутреннее сопротивление источника. Выделяемая в нагрузке энергия максимальна если её сопротивление равно внутреннему сопротивлению источника (известно из электротехники).

В этом случае половина напряжения источника падает на внутреннем сопротивлении, а половина на сопротивлении нагрузки. То есть, если на холостом ходу источник даёт 100 вольт, то при подключении нагрузки напряжение на ней должно быть 50 вольт. В этом случае в нагрузке выделяется максимум энергии от этого источника.

Это справедливо как для громадных электростанций, так и для крошечных гальванических элементов.

Чтобы определить внутреннее сопротивление конкретного источника нужно измерить ток короткого замыкания и напряжение холостого хода. Затем поделить значение напряжения на значение тока. В результате получим внутреннее сопротивление конкретного источника энергии.

Если желания выжимать максимум энергии от источника нет, то просто важно помнить, что выходное напряжении в указанных схемах зависит от сопротивления нагрузки. И при необходимости применять различные схемы стабилизации напряжения.

Далее перейдём к простейшим экспериментам.

ЭКСПЕРИМЕНТ С ПОДКЛЮЧЕНИЕМ НАГРУЗКИ

НА ЧАСТОТЕ

Изготовим катушки резонансных контуров. Намотаем на оправке диаметром 50 мм 14 витков провода в изоляции для первичного контура. Снимем намотку с оправки и обмотаем изоляцией для придания жёсткости. Повторим тоже для вторичного контура, намотав 28 витков. В результате получим то, что показано ниже для "несоосного" и "соосного" взаимного положения катушек (для разнообразия). Для этих двух вариантов конструктива и проведём эксперимент.

0x01 graphic

Начнём с первого варианта (слева). Возьмём для первичного контура конденсатор 0.01 мкф, а для вторичного 0.0025 мкф (в четыре раза меньше), чтобы резонансные частоты контуров совпадали. Соберём нижеприведённую схему для частоты

0x01 graphic

Далее настроимся на частоту

(которая будет 383 кГц) и посмотрим осциллограммы для различных нагрузок. Двухлучевой осциллограф подключим к первичному контуру и нагрузке. Результаты приведены ниже.

0x01 graphic

Слева - нагрузки нет, центр - нагрузка в виде светодиодов, справа - короткое замыкание. Красный - первичная катушка, жёлтый - место подключения нагрузки.

Из осциллограмм видно, что подключение нагрузки практически не влияет на колебания в первичной катушке. Однако, фаза напряжения на нагрузке смещена примерно на 90 градусов относительно первичной катушки.

Если повторить эксперимент для второго варианта конструктива (справа), то осциллограммы будут аналогичными. Поэтому отдельно не приводятся.

Ниже показано как светятся нагрузочные светодиоды для обоих конструктивов. Что говорит о том, что в нагрузке выделяется реальная энергия.

0x01 graphic

Иллюстрация подключения светодиодов (два встречно/параллельных).

ВЫВОД

Подключение нагрузки или даже короткое замыкание выхода не влияет на резонансную частоту

для обоих вариантов конструктива.

ТАКЖЕ ЗАМЕТИМ

Подключение нагрузки или короткое замыкание выхода увеличивает добротность колебательной системы (немного возрастаем амплитуда колебаний). То есть, прямо противоположно тому, что бывает при использовании одного колебательного контура.

Результат интересный. И он будет повторён в "Сопутствующих экспериментах" в конце статьи для других конструктивов: цилиндрические катушки и катушки на ферритовом кольце. Здесь перейдём к экспериментам на частоте
.

ЭКСПЕРИМЕНТЫ С ПОДКЛЮЧЕНИЕМ НАГРУЗКИ

НА ЧАСТОТЕ

Повторим эксперимент с теми же конструктивами, но для частоты

. При этом, конденсаторы возьмём 0.02 Мкф и 0.005 Мкф (выдержав соотношение 1 к 4), просто для разнообразия (это не принципиально).

Подключим катушки так как показано на схеме ниже. Намотка катушек в одном направлении, и подключены они последовательно (не встречно).

0x01 graphic

Настроимся на резонансную частоту
при нулевой нагрузке. Частота оказалась 320 кГц (ну, что получилось, то получилось). Подключим двухлучевой осциллограф к первичной катушке и нагрузке (как и в эксперименте ранее) и посмотрим осциллограммы. Затем посмотрим осциллограммы для нагрузки, соответствующей двум светодиодам, и наконец для короткого замыкания выхода. Результаты для частоты

приведены ниже.

0x01 graphic

Слева - нагрузки нет, центр - нагрузка в виде светодиодов, справа - короткое замыкание. Красный - первичная катушка, жёлтый - место подключения нагрузки. Осциллограммы тождественны для обоих вариантов конфигурации поэтому отдельно не приводятся.

Напряжение на нагрузке, как и ранее, отличается примерно на 90 градусов от напряжения первичной катушки.

0x01 graphic

Иллюстрация свечения светодиодов (два встречно/параллельных). Что говорит о том, что в нагрузке выделяется реальная энергия. Результаты тождественны для "сдвинутых" относительно друг друга и соосных "раздвинутых" с помощью прокладки катушек.

ВЫВОД

Подключение нагрузки или даже короткое замыкание выхода не влияют на резонансную частоту

для обоих вариантов конфигурации.

ТАКЖЕ ЗАМЕТИМ

Приходим к общему выводу, что схемы для частот

ведут себя сходным образом для использованного конструктива.

В конце статьи в разделе "Сопутствующие эксперименты" этот результат будет повторён для цилиндрических катушек и катушек на ферритовом кольце

ОБЩИЙ ВЫВОД

Схемы для частот
и
ведут себя аналогичным образом не зависимо от конструктивного исполнения катушек. Подключение нагрузки не вызывает потребления энергии от источника. Минимальная добротность схем наблюдается при холостом ходе, максимальная добротность при коротком замыкании, среднее значение при подключении нагрузки. Резонансная частота не меняется.

СХЕМЫ С ПОНИЖЕНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ

В приведённых выше схемах и экспериментах на их основе катушка вторичного колебательного контура содержала в два раза больше витков чем первичная. То есть, это схемы с повышением напряжения. Но можно предложить схемы и с понижением напряжения. В этом случае вторичная и первичная катушки просто меняются местами.

0x01 graphic

Слева для частоты

, справа для частоты

Однако, экспериментов на их основе проводить не будем, с силу ограниченности объёма статьи. Возможно, что результаты будут схожи с приведёнными ранее.

Тем не менее скажем, что есть подозрение на то, что рассматриваемый подход должен сохранять работоспособность при любом соотношении числа витков первичной и вторичной катушки, если их контура настроены на одну частоту

. Кроме одного случая, когда число витков вторичной катушки равно числу витков первичной катушки. В этом случае на выходе ноль, такой вариант не работает.

СХЕМЫ С РАВНЫМ ЧИСЛОМ ВИТКОВ ДЛЯ ЧАСТОТЫ

Если число витков входной катушки равно числу витков выходной катушки, то приведённые выше схемы неработоспособны. О чём было отдельно сказано Тем не менее, для частоты

можно предложить схемы содержащие одну катушку состоящую из двух равных половинок (выполненных раздельно, или как часть одной катушки). Где половинки катушки включены последовательно.

0x01 graphic

Такую конструкцию можно назвать следующим образом. Резонансный автотрансформатор повышающий напряжение в два раза, основанный на распределённой катушке, настроенной на частоту
. Слово "распределённой" означает, что все витки катушки не сосредоточены в одном месте (например, катушка длинная). В противном случае рабочая частота

такой катушки будет равна бесконечности.

В схеме автотрансформатора конденсаторы выбирают так, чтобы резонансная частота

для всей катушки и её половинки совпадали. Например, в соотношении 1 к 4 (при сильной связи). Нагрузку следует подключать к половинке катушки где нет конденсатора, либо ко всей катушке.

Общая идея остаётся прежней: подключение нагрузки или замыкание выхода не должно вызывать изменения резонансной частоты.

ЭКСПЕРИМЕНТ С ПОДКЛЮЧЕНИЕМ НАГРУЗКИ

НА ЧАСТОТЕ
ПРИ РАВНОМ ЧИСЛЕ ВИТКОВ

Для эксперимента выберем вариант подключения нагрузки "E".

В качестве конструктива возьмём две одинаковые кольцевые катушки, содержащие по 14 витков провода. Аналогичные тем, что использовались в экспериментах ранее. И разместим их аналогичным образом: "сдвинутыми" либо "раздвинутыми" относительно друг друга.

0x01 graphic

Подключим резонансные конденсаторы по 0,1 мкФ и 0,025 мкФ согласно схеме "Е". А также двухлучевой осциллограф к первичной катушке и нагрузке. Настроимся на частоту

. Проведём эксперимент. Результирующие осциллограммы для разных условий приведены ниже.

Эксперимент подготавливается.

***********************

ВЫВОДЫ *********************************

Проведённый эксперимент был слегка "надуманным", чтобы показать, что конструктив может быть самым разнообразным. Более "естественный" конструктив - это длинная цилиндрическая катушка без сердечника. Например, намотанная на сантехнической трубе диаметром 50 мм и содержащая 26+26 витков высоковольтного провода.

0x01 graphic

СХЕМА ДЛЯ ЧАСТОТЫ
ТИПА КАТУШКИ ТЕСЛА

Если требуется гальваническая развязка между генератором накачки и нагрузкой, то в конструкцию автотрансформатора можно добавить дополнительную обмотку возбуждения, как показано на варианте "А". Либо пойти еще дальше и сделать катушку возбуждения резонансной, добавив резонансный конденсатор. Получим резонансный трансформатор с двумя отдельными резонансными катушками: входной и выходной.

0x01 graphic

В котором короткая входная и длинная выходная катушка настраиваются на одну резонансную частоту

, добавлением соответствующих конденсаторов С1 и С2. И размещаются так, чтобы создать поле аналогичное автотрансформаторной схеме. То есть, середина первичной катушки находится на четверти длины вторичной катушки.

Секрет такого подхода состоит в том, что для частоты

он не работает, как и автотрансформаторная схема.

В целом по всем экспериментам (для различных схем) можно сказать следующее. Изложенный подход допускает большое разнообразие конструктивов катушек и возможных схем.

АЛЬФРЕД ХАББАРД

Посмотрим кто на практике пытался реализовать идеи по использованию реактивной мощности.

В Сети можно найти предположительную схему и примерную конструкцию устройства Альфреда Хаббарда. Которая наводит на мысль о том, что автором была использована технология индуктивно связанных контуров.

0x01 graphic

И вот как подкрепляет эту мысль Дональд Смит, говоря следующее: "Hubbard has a central "electromagnetic transmitter" surrounded by a ring of "receivers" closely coupled magnetically to the transmitter" ... Что в переводе означает: "У Хаббарда есть центральный "электромагнитный передатчик", окруженный кольцом "приемников", тесно связанных магнитно с передатчиком" ...

Наличие конденсаторов только подтверждает мысль, что передатчик и приёмник - это индуктивно связанные резонансные контуры, резонирующие на частоте

или частоте

Однако, можно заметить, что подключение нагрузки на предположительной схеме неизбежно должно приводить к потреблению энергии от источника. Тем не менее, это потребление можно минимизировать. Для чего должно выполняться следующее условие. Индуктивность L1 обмоток трансформаторов, входящих в состав резонансных контуров, должна быть существенно меньше индуктивности L2 взаимодействующих катушек, то есть L1<<L2.

0x01 graphic

В этом случае: "Входное напряжение повышается, затем понижается. В результате чего происходит усиление энергии." Так иногда пишут о принципе работы устройства Хаббарда. Это и будет наблюдаться на резонансной частоте. Влияние на источник сигнала будет минимальным, даже если закоротить выход.

Коэффициент связи лучше выбирать до критического значения (пока не появились два горба в резонансной кривой). В этом случае добротность резонансной системы должна быть максимальна.

Чем меньше индуктивности катушек и больше ёмкости конденсаторов, тем больше энергии должно быть на выходе схемы. При этом, чтобы сохранить высокую добротность контуров, провода должны быть толстыми, а конденсаторы рассчитаны на большой ток.

Однако, до конца не понятно является ли приведённое выше условие достаточным для получения желаемых эффектов. Или ещё чего-то не хватает.

ДОНАЛЬД СМИТ

В Сети можно найти электро - механическое устройство Дональда Смита, состоящее из двигателя, крутящего ферромагнетик между катушками, намотанными на магнитах. Катушки подключены через резонансные конденсаторы к трансформатору и нагрузке. Утверждается, что при резонансе устройство вырабатывает большое количество энергии. Ниже приведена предположительная схема, откуда видно, что в резонансе участвуют генерирующие катушки и обмотка трансформатора. Как и у Альфреда Хаббарда.

0x01 graphic

Внешне это выглядит вот так.

0x01 graphic

Чтобы устройство работало, здесь также должно выполняться условие по соотношению индуктивности обмотки трансформатора L1 и индуктивности генерирующих катушек L2, то есть L1<<L2.

ОБЩИЙ ВЫВОД

Проиллюстрированные устройства Альфреда Хаббарда и Дональда Смита используют принцип отличный от первоначально описанного. Что подтверждает тезис о том, что может быть большое разнообразие схем и консруктивов. Тем не менее, вернёмся к первоначальной идее.

ТРАНСФОРМАТОРНЫЕ СХЕМЫ ДЛЯ ЧАСТОТЫ

НОЛЬ - ТРАНСФОРМАТОР

Рассмотренные ранее схемы для использования реактивной мощности можно условно назвать автотрансформаторными. В них фактически нет отдельной входной и выходной обмоток. Однако можно предложить также схемы, в основе которых будет лежать некий трансформатор.

Такой трансформатор должен состоять из первичной катушки L₁ и вторичной катушки, состоящей из двух равных половинок, намотанных встречно: L₂ и L₃. Поэтому на выходе такого трансформатора всегда нулевое напряжение, отсюда и его название "ноль-трансформатор". Использовать такой трансформатор в классической электротехнике бессмысленно.

Внешне такие трансформаторы могут выглядеть по-разному. Но, для объяснения принципов использования реактивной мощности удобно выбрать вариант с длинной вторичной катушкой в середине которой находится короткая первичная катушка. Между катушками есть индуктивная связь.

0x01 graphic

Ноль - трансформатор на основе длинной вторичной катушки и короткой первичной.

Чтобы схема заработала нужно сделать так, чтобы на выходе ноль - трансформатора хотя бы появилось напряжение. Для этого требуется развернуть фазу колебаний на одной из половин выходной катушки на 180 градусов не меняя конструкцию. Задача, казалось бы, невыполнимая. Но, как можно догадаться, нам поможет резонанс индуктивно связанных колебательных контуров на частоте

Подключим конденсатор C₁ к первичной обмотке ноль - трансформатора, а конденсатор C₂к половине L₂вторичной катушки "ноль - трансформатора". Получим индуктивно связанные колебательные контуры L₁C₁и L₂C₂.

0x01 graphic

Индуктивно связанные колебательные контуры на основе "ноль - трансформатора" при частоте резонанса

Для частоты резонанса

фаза колебаний на L₂ развернётся на 180 градусов, а на L₃ останется без изменений (L₃ не участвует в резонансе). В результате на выходе ноль - трансформатора появится напряжение отличное от нуля для частоты

Это именно то, что нам надо. Резонанс позволил получить на выходе напряжение отличное от нуля. Подключай на выход нагрузку и получай полезную энергию. Казалось бы, задача решена. Но, это не так!!!

Если мысленно замкнуть выход ноль - трансформатора, то мы увидим, что параллельно индуктивности L₂ подключается индуктивность L₃, что неизбежно приведёт к изменению резонансной частоты

в сторону её повышения. То есть, резонансные частоты холостого хода и короткого замыкания выхода будут отличаться. Что является предельными случаями подключения различных нагрузок. Поэтому надо сделать так, чтобы резонансная частота не зависела от нагрузки. Резонансную частоту холостого хода надо повысить до уровня короткого замыкания. Тогда, видимо, задача будет решена полностью.

ПОВЫШЕНИЕ ЧАСТОТЫ
РЕЗОНАНСА ХОЛОСТОГО ХОДА

Если посмотреть на формулу для резонансной частоты

холостого хода

0x01 graphic

то видно, что она возрастает с увеличение коэффициента К связи между контурами. Поэтому для увеличения резонансной частоты холостого хода достаточно увеличить коэффициент связи между резонансными контурами. То есть, подвинуть первичную катушку L₁ ближе к катушке L₂. Что неизбежно приведёт к возрастанию резонансной частоты.

Однако, для режима короткого замыкания это тоже вызовет некое повышение резонансной частоты, но не такое сильное как для режима холостого хода. В результате можно найти такое место при сближении L₁ и L₂, когда резонансные частоты холостого хода и короткого замыкания совпадут. Что отражено на схеме ниже.

0x01 graphic

Повышение резонансной частоты холостого хода за счёт сближения резонансных контуров.

Теперь задача казалось бы решена. Однако, это не совсем так. На L₃ стала наводиться меньшая ЭДС и она приобрела свойства "паразитной индуктивности" в цепи питания нагрузки.

ПОНИЖЕНИЕ ЧАСТОТЫ

РЕЗОНАНСА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

Другим возможным вариантов выравнивания частот холостого хода и короткого замыкания является понижение частоты резонанса короткого замыкания. Для этого надо увеличить величину индуктивности L₃, так как она подключается параллельно L₁. Этого можно достигнуть намотав больше витков в L₃, или вставить в L₃ ферромагнитный сердечник.

0x01 graphic

Понижении частоты резонанса короткого замыкания за счёт увеличения числа витков L₃ - (А), или введения в L₃ ферромагнитного сердечника - (В).

Варианты выравнивания резонансных частот на основе разных принципов можно комбинировать между собой. При этом, надо помнить, что частота ї₂ может меняться.

ЭКСПЕРИМЕНТ С ПОДКЛЮЧЕНИЕМ НАГРУЗКИ

К НОЛЬ-ТРАНСФОРМАТОРУ НА ЧАСТОТЕ

Эксперимент подготавливается.

ДОНАЛЬД СМИТ

Дональд Смит был не первым кто пытался использовать реактивную мощность для получения активной мощности (полезной энергии). Вспоминаем того же Альфреда Хаббарда. Однако, он оставил схемы. Вот одна из схем, которая ближе всего к описанному ранее принципу.

0x01 graphic

Схема устройства на основе ноль - трансформатора.

ОБОЗНАЧЕНИЯ:

CW - Clockwise winding - Намотка по часовой стрелке;

CCW - Counter clockwise winding - Намотка против часовой стрелки;

CT - Center - Середина;

Tesla Coil - Катушка Тесла, в том смысле, что имеет две резонирующие катушки;

L₁ - первичная катушка;

L₂ - вся вторичная катушка, состоящая из двух равных половин.

HV - High voltage - Высокое напряжение на трансформаторе от микроволновой

печки, включённом на понижение напряжения.

Из обозначений ясно, что конструкция основана на использовании ноль - трансформатора и резонанса индуктивно связанных контуров на частоте

. Выходная катушка состоит из двух равных половин, намотанных в разные стороны. При резонансе на частоте

на выходе будет ноль. Сдвиг первичной катушки в сторону резонирующей части вторичной катушки, говорит о том, что резонансная частота холостого хода конструкции поднимается за счёт увеличения коэффициента связи между резонирующими контурами. Таким образом, выравниваются резонансные частоты холостого хода и короткого замыкания выхода.

Для получения большой выходной мощности при малом токе используется импульсное высоковольтное возбуждение на удвоенной частоте. На выходе стоит понижающий трансформатор.

Вот как Дональд Смит описывал устройство на основе "ноль - трансформатора".

0x01 graphic

Описание устройства на основе "ноль - трансформатора" по Дональду Смиту.

"Электроны вращаются вправо и создают ток. Электроны вращаются влево и создают напряжение" - Дональд Смит. Вот это объяснение! О том, что намотка для вторичной катушки ведётся проводом от центра в разных направлениях ни слова. О том, что правая часть катушки находится в резонансе с первичной катушкой на частоте

тоже ни слова. А о том, что первичную катушку надо сместить вправо для выравнивания резонансных часто даже намёка нет.

Таким образом, Дональд Смит принял максимум усилий чтобы запутать читателя.

Есть и ещё одно высказывание о том, что "длина провода половинки вторичной катушки должна быть в четыре раза длиннее провода первичной". Что, скорее всего, не соответствует действительности. Поскольку он тут же говорит, что схема может работать и с понижением напряжения. Скорее всего, речь идёт не о длине провода, а о распределении напряжения на катушке.

ТРАНСФОРМАТОРНЫЕ СХЕМЫ ДЛЯ ЧАСТОТЫ

ОБЫЧНЫЙ НЕЭФФЕКТИВНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР

Все предыдущие рассуждения основывались на использовании ноль -трансформатора. Другим возможным вариантом использования связанных резонансных контуров является обычный трансформатор в котором вторичная катушка вся намотана в одну сторону, а коэффициент связи между первичной и вторичной катушкой меньше единицы K <1. То есть, это обычный трансформатор, использование которого в электротехнике неэффективно: из - за слабой связи между первичной и вторичной катушками.

Если в середине вторичной катушки сделать отвод и снабдить трансформатор резонансными конденсаторами, подобно тому как делалось ранее, то получим индуктивно связанные резонансные контуры.

В этом случае, при размещении первичной катушки в середине вторичной катушки (имеющей центральный отвод), получим на выходе вторичной катушки нулевое напряжение.

0x01 graphic

Поскольку резонанс на частоте

развернёт фазу колебаний на L₂ на противоположную.

В этом случае вторичную катушку можно замкнуть (разность потенциалов отсутствует), а нагрузку подключать к срединному отводу вторичной катушки и замкнутому выходу. Между ними разность потенциалов существует.

Казалось бы, задача решена. Но, не так всё просто. При нулевом значении сопротивления нагрузки через нагрузку будет протекать нулевой ток. Так как на вторичной катушке установится следующее распределение напряжения.

0x01 graphic

Распределение напряжения на вторичной катушке при центральном расположении первичной катушки и нулевом сопротивлении нагрузки.

Откуда следует, что между серединой и концами катушки будет нулевая разность потенциалов и, как следствие, нулевой ток.

Но, выход из ситуации может быть найден в виде смещения первичной катушки относительно центра вторичной катушки при увеличении ёмкости конденсатора вторичного контура С₂. В результате приходим к следующей схеме.

0x01 graphic

Схема на основе обычного трансформатора со слабой связью катушек. Здесь ёмкость конденсатора С₂ увеличена, что понижает первоначальную резонансную частоту

второго контура. И приводит к уменьшению падения напряжения на половине с конденсатором при резонансе на частоте

Чтобы выровнять падение напряжения на обоих половинах вторичной катушки, первичная катушка сдвигается в сторону половины с конденсатором. В этом случае при замыкании выхода распределение напряжения становится несимметричным и на выходе появляется ток.

0x01 graphic

Также заметим.

Короткое замыкание выхода приводит к тому, что в резонансе участвует только первичная катушка. Вторичная катушка только создаёт противо ЭДС. Резонансные частоты холостого хода и короткого замыкания должны совпадать.

И разновидности этой схемы. Например, такая.

0x01 graphic

Схема на основе обычного трансформатора со слабой связью катушек. Здесь полпериода идёт работа на холостом ходу, а полпериода под нагрузкой. U2=U3. Резонансные частоты холостого хода и нагрузки совпадают.

Возможно, что эту задачу также удастся решить при помощи шунтирующих диодов.

0x01 graphic

В этом случае при отсутствии нагрузки диоды попеременно шунтируют половинки выходной катушки. А при коротком замыкании нагрузки выходная катушка шунтируется полностью. Что при работе на частоте

должно сравнять резонансные частоты холостого хода и короткого замыкания.

ЭКСПЕРИМЕНТ С ПОДКЛЮЧЕНИЕМ НАГРУЗКИ

К НЕЭФФЕКТИВНОМУ ТРАНСФОРМАТОРУ НА ЧАСТОТЕ

Эксперимент подготавливается

ДОНАЛЬД СМИТ

У Дональда Смита также можно найти схему на основе использования обычного трансформатора со слабой связью катушек. Когда половинки вторичной катушки намотаны в одну сторону. Схема работает на частоте

. Чтобы эта частота не была очень высокой, связь между катушками слабая, за счёт короткой первичной и длинной вторичной катушки.

0x01 graphic

В этой схеме, основанной на обычном трансформаторе со слабой связью катушек, также происходит разворот фазы на частоте

. Поэтому можно сказать, что половина катушки генерирует напряжение, а половина катушки - ток (там, где резонанс). Но, это лишь образное высказывание.

В качестве резонансных использованы номиналы конденсаторов 0,2 Мкф и 0,047 Мкф. Следовательно, для поддержания резонанса на частоте

индуктивность резонирующей половинки вторичной катушки должна быть примерно в четыре раза больше индуктивности первичной катушки. Однако, если оценить величины индуктивностей на основе их внешних размеров, то разница в индуктивностях окажется более чем в четыре раза. В результате резонансная частота

вторичной катушки ниже чем у первичной катушки. Поэтому Смит называл конденсатор С₂ подстроечным, позволяющим избежать симметричного распределения напряжения на вторичной катушке.

При этом, первичная катушка смещена от центра в сторону резонирующей половинки вторичной катушки, для выравнивания резонансных частот холостого хода и короткого замыкания и получения на выходе тока отличного от нуля. При равном напряжении на половинках вторичной катушки.

Раскачка идёт высоковольтными однополярными импульсами на полупериоде соответствующим холостому ходу. Первичная резонансная катушка заряжается от импульсов как уединённый конденсатор, а затем разряжается на заземление. Так энергия источника эффективнее уходит в резонансную катушку. Этим пользовался ещё Тесла. Если делать наоборот: резонансную катушку подключать к заземлению и искрить на неё, то энергия импульсов уходит на заряд катушки как уединённого конденсатора, а не на раскачку резонанса. Таким образом, заземление используется как некая опора, помогающая эффективнее раскачивать колебательный контур.

СТИВЕН МАРК

Стивен Марк демонстрировал различные приборы генерации энергии, основанные на использовании тороидов, получивших название "Тороидальные Энергетические Устройства - TPU". Есть видео демонстрации. Приведём пару картинок.

0x01 graphic

Один из вариантов внешнего вида TPU Стивена Марка.

Однако, подробное описание конструкции отсутствует. Есть только догадки, основанные на высказываниях автора.

Для нас будет интересно предположение, что работа устройств основана на связанных резонансных контурах. Сделать такое предположение позволяет картинка справа вверху, где видны два резонансных конденсатора и два дросселя. Что очень сильно напоминает схему простейшей микроволновой печки на двух транзисторах. Использование этой схемы для раскачки первичного резонансного контура может обеспечивать автоматическую подстройку частоты колебаний

или

0x01 graphic

Схема простейшего индукционного нагревателя на двух транзисторах.

Для снижения коэффициента связи между первичным и вторичным контурами может использоваться дополнительный тороид, забирающий на себя часть электромагнитного потока. Подобные картинки можно найти в Интернете.

0x01 graphic

Уменьшение коэффициента связи между резонансными контурами за счёт дополнительного тороидального магнитопровода.

В этом случае все электромагнитные поля находятся внутри устройства и не выходят наружу. Что подтверждается замерами внешнего поля на видео Стивена Марка. Поэтому при проведении простейших экспериментов уделим внимании и связанным резонансным контурам на основе тороидальной конструкции.

А также утверждению Стивена Марка о том, что на идею создания устройства его подтолкнул патент Николы Тесла (приведённый ниже), где используются четыре катушки на тороидальном сердечнике. Здесь конструкция TPU будет другая.

0x01 graphic

Патент Николы Тесла.

В этом случае, если предположить, что речь идёт о связанных резонансных контурах и трансформаторной схеме, то две противоположные катушки могли быть использованы как первичная резонансная катушка. Одна боковая - как вторичная резонансная, и оставшаяся боковая - для подключения нагрузки ко вторичной резонансной. Как показано ниже в двух вариантах А1 и А2.

0x01 graphic

Связанные резонансные контуры, расположенные на тороидальном сердечнике по схеме ноль - трансформатора.

То есть, фактически это схема на основе ноль трансформатора с использованием тороидального сердечника. При этом, связь между контурами будет сильная, а резонансная частота

высокая по сравнению с

Выравнивание резонансных частот холостого хода и короткого замыкания возможно, видимо, за счёт числа витков и резонансных конденсаторов.

Если предположить, что речь идёт об автотрансформаторной схеме (для которой в самом начале статьи проводились эксперименты), то обмотки могут быть использованы попарно для создания первичной и вторичной катушек. Связь при этом также будет очень сильная.

СОПУТСТВУЮЩИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ

Их проведение расширяет кругозор.

ЗАВИСИМОСТЬ РЕЗОНАНСНОЙ ЧАСТОТЫ

ОТ СООТНОШЕНИЯ С2/С1

В связанных резонансных контурах есть два конденсатора, один для первичного контура С1 и один для вторичного контура С2. В литературе их часто показывают равными друг другу (так же как и индуктивности L1 и L2).

0x01 graphic

Однако, если конденсаторы разные, то резонанс всё равно будет наблюдаться. Правда на другой резонансной частоте, но будет. Примерный характер зависимости частоты резонанса от соотношения конденсаторов показан ниже (при равных индуктивностях).

0x01 graphic

Где частота F1 соответствует одиночному колебательному контуру, так как С2 отсутствует. А частота F2 бесконечно большому значению С2.

Кривые показаны для резонанса на частоте

и на частоте

. Они нарисованы из общих соображений, их вид также будет зависеть также от коэффициента связи контуров K.

При этом следует заметить, чем выше соотношение С2/C1, тем меньше напряжение на вторичном контуре при резонансе на частоте

Всё вышеуказанное можно сказать и об индуктивностях L1 и L2. Их равенство не является обязательным для резонанса. При их отличии резонанс всё равно будет, только на другой частоте.

В дальнейшем, возможно, будут проведены реальные измерения для конкретных конструкций.

РАЗВОРОТ ФАЗЫ НА ЧАСТОТЕ

ПРИ РАЗНЫХ КОНСТРУКТИВАХ

Проверим, действительно ли фаза колебаний вторичной катушки разворачивается на 180 градусов при резонансе на частоте

для простейшего конструктива.

0x01 graphic

Изготовим резонансные контуры. Намотаем на оправке диаметром 50 мм по 14 витков провода в изоляции для каждого контура. Снимем намотку с оправки и обмотаем изоляцией для придания жёсткости. Подключим два резонансных конденсатора по 0,1 мкФ и генератор синусоидального сигнала Г6-27 через резистор 100 Ом к одному из контуров. Получим то, что показано ниже.

0x01 graphic

Индуктивно связанные контуры "сдвинутые" и "раздвинутые".

В таком положении катушек с небольшим их перекрытием или раздвинутыми (как на втором фото) и будем проводить эксперимент. Подключим двухлучевой осциллограф к катушкам, настроимся на резонансные частоты

затем

и пронаблюдаем осциллограммы. Результаты приведены ниже.

0x01 graphic

Красный - сигнал на первичной катушке, жёлтый - сигнал на вторичной катушке.

Слева резонанс на частоте

= 113 кГц. Справа резонанс на частоте

= 125 кГц. Красный - первичная катушка, жёлтый - вторичная катушка. Сигналы тождественны для обоих приведённых ранее вариантов конфигурации (поэтому отдельно не приводятся).

ВЫВОД

На частоте

фаза колебаний на вторичной катушке действительно отличается на 180 градусов (в обоих вариантах). Резонанс разворачивает фазу на 180 градусов. Вторичная катушка фактически вырабатывает сигнал противо ЭДС. Резонансные частоты

отличаются незначительно из- за слабой связи катушек, что согласуется с теорией.

Далее проверим на другом конструктиве.

Изменим конструктив и посмотрим, как он влияет на результаты. Возьмем сантехническую трубу диаметром 50 мм и намотаем на ней 26 витков высоковольтным проводом (первичная катушка). Затем рядом ещё 26 витков (вторичная катушка). Основа для эксперимента готова.

0x01 graphic

Подключим к первичной и вторичной катушке резонансные конденсаторы по 0,1 мкФ и 0,11 мкФ (чуть больше первого), и двухлучевой осциллограф.

Подключим через 100 Ом генератор синусоидальных колебаний к первичной катушке. Настроимся в начале на частоту

, а затем на частоту

. Результаты в виде осциллограмм приведены ниже.

0x01 graphic

Слева резонанс на частоте

- 104 кГц. Справа резонанс на частоте

- 119 кГц. Красный - первичная катушка, жёлтый - вторичная катушка.

ЗАМЕТИМ

Амплитуду колебаний вторичной катушки можно менять изменением конденсатора C₂, влияющего также на частоту резонанса

. Увеличение С₂ приводит к снижению амплитуды на вторичной катушке и снижению частоты резонанса. Поэтому в эксперименте С₂ немного больше С₁, чтобы амплитуды сигналов совпадали, что более "эстетично" на экране.

ВЫВОД

Смена конструктива не внесла принципиальных изменений в результат.

Далее попробуем ещё один конструктив.

Резко увеличим коэффициент связи между резонансными катушками. Для чего намотаем их на противоположных сторонах ферритового кольца. Кольцо возьмём произвольное.

0x01 graphic

Первичная катушка 8+8 витков, а между ними вторичная катушка16 витков (и ещё 16 витков для будущих экспериментов, здесь эти витки не нужны). В результате получим то, что показано на фото.

К катушкам подключим резонансные конденсаторы по 0,1 мкФ и двухлучевой осциллограф, а на одну из катушек подадим синусоидальный сигнал через резистор 100 Ом. Настроимся на резонансы и пронаблюдаем сигнал. Ниже представлен результат наблюдения.

0x01 graphic

Слева резонанс на частоте

- 17 кГц. Справа резонанс на частоте

- 155 кГц. Красный - первичная катушка, жёлтый - вторичная катушка.

ВЫВОД

Смена конструктива и сильная связь не внесли принципиальных изменений. Хотя, резонансные частоты

существенно отличаются друг от друга из- за сильной связи катушек, что согласуется с теорией. На частоте

фаза колебаний на вторичной катушке по-прежнему отличается на 180 градусов, не смотря на сильную связь между контурами. Вторичная катушка фактически опять вырабатывает сигнал противо ЭДС. Резонанс разворачивает фазу.

Далее попробуем ещё один конструктив.

РАЗВОРОТ ФАЗЫ НА ЧАСТОТЕ

ПРИ РАВНОМ ЧИСЛЕ ВИТКОВ

СХЕМА "В"

Не будем перебирать все возможные конструктивы. Сразу выберем вариант сильной электромагнитной связи половинок и посмотрим есть ли разворот фазы в этих схемах для частоты

. Нагрузку не подключаем.

Эксперимент будем проводить с использованием того же конструктива, как и ранее. Для чего используем обмотку, содержащую 16+16 витков. А для возбуждения обмотку 8+8 витков.

0x01 graphic

Цель эксперимента показать, что для приведённых схем также происходит разворот фазы на 180 градусов.

При этом, при реализации варианта (А) возможно, как последовательное, так и параллельное включение половинок катушки возбуждения - варианты (А1) и (А2). Они показаны ниже.

0x01 graphic

Проверим оба варианта.

ВАРИАНТ А1

Катушка возбуждения состоит из двух равных обмоток по 8 витков, расположенных на противоположных сторонах кольца (тип и размеры кольца, как и ранее) и включённых последовательно.

Вся вторичная катушка и её половинка настроены на одну и ту же первоначальную частоту

за счёт использования конденсаторов 0,1 мкФ и 0,025 мкФ. Результаты наблюдения осциллограмм приведены ниже.

0x01 graphic

Слева - резонансная частота

= 15 кГц. Справа - резонансная частота

= 267 кГц. Сильное отличие в резонансных частотах говорит о сильной связи между катушками.

Красный - на половинке, жёлтый - на всей катушке.

ВЫВОД На резонансной частоте

полярности сигналов на половине катушки и на всей катушке стали противоположными. Что и ожидалось.

ВАРИАНТ А2

Параллельное включение половинок возбуждающей катушки. Результаты полностью аналогичны варианту (А1) при их последовательном включении, поэтому не приводятся.

ВАРИАНТ В

В этом варианте не используется возбуждающая катушка. Сигнал от генератора подаётся непосредственно на резонансный контур. Результаты ниже.

0x01 graphic

Слева - резонансная частота

= 15 кГц. Справа - резонансная частота

= 267 кГц. Сильное отличие в резонансных частотах

говорит о сильной связи между катушками, что согласуется с теорией.

Красный - сигнал на половине катушки. Жёлтый - сигнал на всей катушке.

ВЫВОД Для частоты

полярность сигнала на всей катушке поменялась на противоположную. Что и ожидалось.

ВАРИАНТ С

Результаты варианта С не приводятся, поскольку они аналогичны варианту В. Но, фаза поменялась на половине катушки, так как сигнал подавался на всю катушку.

ВАРИАНТ D

Всё аналогично предыдущим результатам.

ОБЩИЙ ВЫВОД

Приведённые схемы также показывают разворот фазы на 180 градусов для частоты

. Конструктив катушек, видимо, также не оказывает принципиального влияния на характер получаемых результатов.

ВАРИАНТ С ФЕРРИТОВЫМИ КОЛЬЦАМИ

Далее вернёмся к варианту А при чисто емкостной связи. Катушки не будут связаны между собой индукционно. Это будут катушки на отдельных ферритовых кольцах, показанные на фото слева.

0x01 graphic

Результирующий контур получим за счёт складывания колец в стопку и подключения резонансных конденсаторов 0.1 мкф и 0.05 мкф соответственно. В результате половина контура и весь контур должны будут настроены на одну частоту. Катушку возбуждения наматываем вокруг обоих колец. В результате получим то, что показано на фото справа.

Цель эксперимента показать, что и в данном случае существует резонансная частота

при которой также осуществляется разворот полярности поля на половине резонансного контура, не смотря на то, что индукционная связь отсутствует.

Чтобы показать это подключаем двухлучевой осциллограф, генератор, настраиваемся на резонансную частоту и смотрим осциллограммы. Результаты приведены ниже.

0x01 graphic

Слева - резонансная частота

= 5,2 кГц. Справа - резонансная частота

= 12,2 кГц.

Красный - половина вторичной катушки (одно кольцо), жёлтый - вся вторичная катушка (два кольца).

РЕЗУЛЬТАТ

Осциллограммы показывают, что полярности сигналов на всей вторичной катушке (двух кольцах) и на половине вторичной катушки (одном кольце) противоположны для частоты

. То есть, на частоте

происходит разворот фазы на одном из колец (там, где резонансный конденсатор). Слабое отличие резонансных частот говорит о слабой связи между резонансными контурами.

ВЫВОД

Все закономерности, выявленные ранее остаются справедливыми и для этого варианта.

РАЗВОРОТ ФАЗЫ НА ЧАСТОТЕ

ДЛЯ НОЛЬ-ТРАНСФОРМАТОРА

БЕЗ СЕРДЕЧНИКА

Для проведения эксперимента сконструируем ноль - трансформатор на основе цилиндрических катушек без использования сердечника.

0x01 graphic

Намоточные данные следующие. Первичная катушка 15 витков на обрезанной пластиковой бутылке 60 мм, вторичная 34+34 витка в разные стороны на 50 мм сантехнической трубе. К первичной катушке подключен конденсатор 0,1 мкФ, к половине вторичной конденсатор 0,025 мкФ. Двухлучевой осциллограф подключен к первичной катушке и ко всей вторичной катушке. Результаты ниже.

0x01 graphic

Слева резонанс на частоте

- 135 кГц. Справа резонанс на частоте

- 206 кГц. Красный - первичная катушка, жёлтый - вторичная катушка.

ВЫВОД

На частоте

на выходе ноль (жёлтый), как и ожидалось. Однако, чтобы его получить пришлось первичную катушку немного сдвинуть в сторону от резонансной части вторичной катушки, чтобы выровнять амплитуды колебаний. Что заметно, если посмотреть на фотографию конструкции показанную ранее.

На частоте

фаза колебаний на половине вторичной катушки действительно развернулась почти на 180 градусов и сложилась с напряжением на половинке без резонанса - на выходе появился сигнал (жёлтый). При этом, первичная катушка оставалась на месте. Всё, как и ожидалось.

С СЕРДЕЧНИКОМ

Проверим как влияет использование ферритового сердечника на всей длине трансформатора. В качестве сердечника используем "колбасу", составленную из колец проницаемостью около 1000 единиц диаметром 40 мм.

0x01 graphic

Намоточные данные прежние. Первичная катушка 15 витков на обрезанной пластиковой бутылке 60 мм, вторичная катушка 36+36 витков в разные стороны от центра на оправке 50 мм. К первичной катушке подключён конденсатор 0,1 мкФ, ко вторичной 0,025 мкФ. Результаты ниже.

0x01 graphic

Слева резонанс на частоте

- 57 кГц. Справа резонанс на частоте

- 135 кГц. Красный - первичная катушка, жёлтый - вторичная катушка.

ВЫВОД

На частоте

на выходе ноль (жёлтый), как и ожидалось. Чтобы его получить первичную катушку опять пришлось немного сдвинуть в сторону от резонансной части вторичной катушки, чтобы выровнять амплитуды колебаний. Что заметно на фотографии конструкции, приведённой ранее. На частоте

РАЗВОРОТ ФАЗЫ ДЛЯ ЧАСТОТЫ

ДЛЯ НЕЭФФЕКТИВНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

БЕЗ СЕРДЕЧНИКА

Всё, как и ранее, только половинки вторичной катушки мотаются в одну сторону. Поэтому без резонанса на выходе должно быть напряжение, а при резонансе нет. Как показано на рисунке для

0x01 graphic

Проведём эксперимент на основе цилиндрических катушек без использования сердечника.

Возьмём сантехническую трубу диаметром 50 мм и намотаем на ней 34+34 витков высоковольтным проводом с отводом от середины. Это будет вторичная катушка обычного трансформатора со слабой связью катушек.

Возьмём обрезанную полиэтиленовую бутылку диаметром 60 мм и намотаем на ней 15 витков высоковольтного провода. Это будет первичная катушка. Наденем первичную катушку на вторичную катушку и получим то, что показано ниже.

0x01 graphic

Подключим резонансный конденсатор 0,1 мкФ к первичной катушке и 0,1 мкФ ко вторичной катушке (да, конденсатор такой же). Подадим сигнал на первичную катушку и посмотрим сигналы на первичной и всей вторичной катушке при различных частотах резонанса. Результаты ниже.

0x01 graphic

Слева - резонанс на частоте

= 89 кГц. Справа - резонанс на частоте

= 165 кГц.

Красный - сигнал на первичной катушке, жёлтый - сигнал на вторичной катушке.

ВЫВОД

При резонансе на частоте

сигнал на выходе практически отсутствует. То есть, произошёл разворот фазы на резонансной половине вторичной катушки. Что и ожидалось.

ЗАМЕЧАНИЕ

Чтобы получить на частоте

сигнал близкий к нулю на вторичной катушке пришлось подбирать конденсатор во вторичной катушке. Он оказался таким же, как и в первичной катушке. Первичная катушка в опыте находилась в середине вторичной.

С СЕРДЕЧНИКОМ

Проверяем как влияет использование ферритового сердечника на всей длине трансформатора. В качестве сердечника используем ту же "колбасу". Намоточные данные также прежние.

0x01 graphic

К первичной катушке подключён конденсатор 0,1 мкФ, ко вторичной 0,033 мкФ (да, именно этот). Результаты ниже.

0x01 graphic

Слева резонанс на частоте

- 42 кГц. Справа резонанс на частоте

- 113 кГц. Красный - первичная катушка, жёлтый - вторичная катушка.

ВЫВОД

На частоте

сигнал на выходе (жёлтый) большой амплитуды, как и ожидалось. На частоте

фаза сигнала на половине вторичной катушки (там, где конденсатор) развернулась почти на 180 градусов и выходной сигнал стал близок к нулю. Всё, как и ожидалось, ферритовый сердечник не внёс принципиальных изменений.

ЗАМЕЧАНИЕ

Чтобы получить сигнал на выходе близкий к нулю на частоте

, пришлось подобрать конденсатор в резонансной части выходной катушки. При более точном подборе сигнал мог быть ещё ближе к нулю. Первичная катушка в опыте находилась в середине вторичной.

ВЫВОДЫ

-- Первичная катушка трансформатора и половина вторичной катушки ведут себя как связанные резонансные контуры. При этом, их не обязательно настраивать предварительно на одну и ту же первоначальную частоту

-- В резонансе на выходе трансформаторов можно получать напряжения отличные от нуля, если без резонанса они нулевые, и наоборот.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАЗВОРОТУ ФАЗЫ НА ЧАСТОТЕ

ДЛЯ РАЗНЫХ КОНСТРУКТИВОВ

Разворот фазы на 180 градусов носит фундаментальный характер и не зависит от конструктива и коэффициента связи между катушками (при условии что он выше критического, т.е. когда появляется частота
).

ОРИЕНТАЦИЯ ПОЛЕЙ ДЛЯ ЧАСТОТЫ
И ЧАСТОТЫ

ДЛЯ ПРОСТЕЙШИХ СХЕМ

Рассмотрим, как смена полярности сигнала на втором контуре для частоты
влияет на поведение электромагнитного поля.

0x01 graphic

По идее, если вторичная катушка вырабатывает противо ЭДС на частоте

, то поля от первичной и вторичной катушки должны быть встречными для этой частоты. В отличие от однонаправленных для частоты

Для проверки этого предположения воспользуемся конструктивом из предыдущего эксперимента.

0x01 graphic

Здесь дополнительная катушка из 16 витков (ранее не использованная) будет играть роль детектирующей для поля внутри кольца.

Роль внешней детектирующей катушки, реагирующей на поле вне кольца, сыграет ранее использованная в других экспериментах катушка из 14 витков (обмотана белой изолентой).

Подключим к детектирующим катушкам светодиоды и соберём конструкцию, показанную ниже. То есть, на подставку размешаем вертикально внешнюю детектирующую катушку, а внутри нее кладём ферритовое кольцо с его катушками.

Если результирующее поле будет внутри ферритового кольца, то будут гореть светодиоды, подключенные к детектирующей катушке на кольце. Если результирующее выйдет из кольца, то будут гореть другие светодиоды (подключённые к внешней детектирующей катушке). Результаты приведены ниже.

0x01 graphic

Слева резонанс на частоте

- 17 кГц - горят светодиоды, подключённые к детектирующей катушке на кольце. Справа резонанс на частоте

- 155 кГц - горят светодиоды, подключённые к внешней детектирующей катушке.

ВЫВОД

На частоте резонанса

поле находится внутри ферритового кольца. При резонансе на частоте
поле выходит наружу между резонансными контурами. Что является следствием того, что фаза сигнала второго контура меняется на противоположную, и создаётся встречное поле для первого контура. То есть, это как бы две катушки, включённые встречно.

Далее рассмотрим другие варианты связи резонансных контуров.

ОРЕНТАЦИЯ ПОЛЕЙ ДЛЯ ЧАСТОТЫ
И

ДЛЯ ДРУГИХ СХЕМ

Помимо рассмотренных выше вариантов индукционно связанных резонансных контуров возможны и электрические связи. Например, на основе отдельных индуктивностей или отдельных емкостей (конденсаторов) Подробнее о них можно прочитать по ссылке в конце статьи. Здесь только небольшая иллюстрация.

0x01 graphic

Кроме того, возможны и комбинированные виды связи. В них связь частично осуществляется за счёт индукции, а частично подсоединением конденсаторов и индуктивностей. Комбинированных схем связи может быть множество. Однако, вести себя они должны одинаково: двугорбая резонансная кривая и разворот фазы на частоте

. Нас же будет интересовать ориентаций полей для частоты

и частоты

По идее всё должно быть аналогично случаю чисто индукционной связи, рассмотренному ранее. Вот это мы и проверим.

Из множества вариантов возьмём представленные на рисунке ниже - варианты A, B, C. Нагрузку не используем, поэтому C и D тождественны.

0x01 graphic

Эксперименты будут проводиться с использованием того же ферритового кольца, как и ранее. С теми же намоточными данными.

0x01 graphic

Цель экспериментов показать, что для приведённых схем резонансное поле будет оставаться внутри сердечника для резонансной частоты

.И проходить по диаметру (выходя наружу) для резонансной частоты

. И

При реализации варианта (А) возможно, как последовательное, так и параллельное включение половинок катушки возбуждения - варианты (А1) и (А2).

0x01 graphic

Что не принципиально, но мы проверим оба варианта.

ВАРИАНТ А1

Вся вторичная катушка и её половинка настроены на одну и ту же первоначальную частоту

за счёт использования конденсаторов 0,1 мкФ и 0,025 мкФ. Результаты наблюдения осциллограмм приведены ниже.

0x01 graphic

Слева - резонансная частота

= 15 кГц. Справа - резонансная частота

= 267 кГц.

Красный - на половинке, жёлтый - на всей катушке. На резонансной частоте

полярности сигналов на половине катушки и на всей катушке стали противоположными. Что и ожидалось.

Результаты наблюдения выхода поля из сердечника, на основе внешней детектирующей катушки, приведены ниже.

0x01 graphic

Слева - резонансная частота

= 15 кГц, поле внутри сердечника (диоды не светятся). Справа - резонансная частота

= 267 кГц, поле вышло из сердечника перпендикулярно возбуждающим катушкам (диоды светятся). Сильное отличие в резонансных частотах говорит о сильной связи между катушками.

ВЫВОД

Не смотря на то, что схема создания связанных контуров отличается, резонансное поле на частоте
также выходит из сердечника и ориентировано по диаметру, перпендикулярно первичной катушке. То есть, как и ранее, поле при резонансе выходит за пределы кольцевого сердечника. Для частоты резонанса

поле остаётся внутри сердечника. Поведение аналогичное двум индукционно связанным контурам.

ВАРИАНТ А2

ВАРИАНТ В

0x01 graphic

Слева - резонансная частота

= 15 кГц. Справа - резонансная частота

= 267 кГц.

Красный - сигнал на половине катушки. Жёлтый - сигнал на всей катушке. Для частоты

полярность сигнала на всей катушке поменялась на противоположную.

Результаты наблюдения выхода поля из сердечника, на основе детектирующих катушек (одна на кольце, вторая внешняя), приведены ниже. В виде свечения светодиодов.

0x01 graphic

Слева - резонансная частота

= 15 кГц, поле внутри сердечника (светятся диоды от детектирующей катушке на кольце). Справа - резонансная частота

= 267 кГц, поле вышло из сердечника (светятся диоды от внешней детектирующей катушки). Сильное отличие в резонансных частотах

говорит о сильной связи между катушками, что согласуется с теорией.

ВЫВОД

Не смотря на то, что схема создания связанных контуров отличается, полярность сигнала на частоте

также меняется на противоположную. Резонансное поле на частоте ї₂ также выходит из сердечника и ориентировано по диаметру. Для частоты резонанса

поле остаётся внутри сердечника.

ВАРИАНТ С

Результаты вариантов С и D не приводятся, поскольку они аналогичны варианту В.

ЭКСПЕРИМЕНТ ПО ПОДКЛЮЧЕНИЮ НАГРУЗКИ

НА ЧАСТОТЕ

Для расширения кругозора проведём эксперимент по подключению нагрузки с конструктивом отличным от предложенного в основном тексте статьи, схема аналогичная.

Возьмём сантехническую трубу диаметром 50 мм и намотаем на ней первичную катушку из 26 витков высоковольтного провода. Рядом намотаем в два слоя вторичную катушку из 52 витков того же провода.

Подключим вторичную катушку к первичной так, чтобы намотка в них была встречная. Cобираем схему, приведённую ранее использовав конденсаторы 0.1 мкф и 0.025 мкф. Двухлучевой осциллограф подключаем к первичной катушке и месту подключения нагрузки. Всё, как и ранее. Далее смотрим осциллограммы для частоты

, которая оказалась равной 329 кгц (ну, что получилось, то получилось). Результаты приведены ниже для холостого хода, нагрузки и короткого замыкания выхода.

0x01 graphic

Иллюстрация подключения светодиодов (два встречно/параллельных),

=329 кГц.

ВЫВОД

Смена конструктива катушек не привела к принципиальным изменениям результата.

Как и ранее, подключение нагрузки или короткое замыкание выхода увеличивает добротность колебательной системы (немного возрастаем амплитуда колебаний).

Далее опять резко изменим конструктив.

Резко увеличим коэффициент связи между резонансными катушками. Для чего намотаем их на противоположных сторонах ферритового кольца. Кольцо возьмём произвольное. На нём 8+8 витков - это первичная катушка. А между ними 16+16 витков - это вторичная катушка. В результате получим то, что показана ниже.

0x01 graphic

Соберём ранее указанную схему с использованием конденсаторов 0.1 мкф и 0.025 мкф соответственно. И посмотрим осциллограммы при различной нагрузке для частоты

=17 кгц.

ВЫВОД

Посмотрели и пришли к выводу, что очередная смена конструктива не дала принципиально новых результатов, кроме того, что резко понизилась резонансная частота. Поэтому картинки не приводим.

Приходим к выводу, что приведённая схема для частоты

сохраняет работоспособность не зависимо от конструктива.

ЭКСПЕРИМЕНТ ПО ПОДКЛЮЧЕНИЮ НАГРУЗКИ

НА ЧАСТОТЕ

Возьмём конструктив на сантехнической трубе (из предыдущих опытов), содержащий 26 и 52 витка. И включим катушки последовательно, согласно указанной ранее схеме. Конденсаторы используем 0.01 мкф и 0.0025 мкф. Настроимся на частоту

=380 кгц (так получилось) и посмотрим осциллограммы при различных условиях нагрузки. Результаты приведены ниже.

0x01 graphic

Иллюстрация подключения светодиодов (два встречно/параллельных),

=380 кГц.

ВЫВОД

Изменение конструктива не привело к принципиальным изменениям результата.

Далее опять резко изменим конструктив.

Резко увеличим коэффициент связи между резонансными катушками. Для чего воспользуемся катушкой, использованной в предыдущих опытах.

0x01 graphic

=155 кгц (так получилось)

ВЫВОД

Осциллограммы посмотрели и пришли к выводу, что принципиально в результатах эксперимента ничего не изменилось. Поэтому картинки не приводим.

Подключении нагрузки для разных конструктивов даёт аналогичные результаты.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

-- Чтобы наблюдать резонансы на частотах

не обязательно предварительно настраивать контуры на одну частоту

. Разница в настройках приводит только к изменению значений резонансных частот, но не отрицает наблюдение самих резонансов.

-- Чем сильнее связь между контурами, тем больше частота

стремится к бесконечности, что согласуется с теорией.

-- На частоте

действительно происходит разворот фазы во вторичной катушке относительно первичной на 180 градусов. Что является следствием возникновения в ней поля эквивалентного противо ЭДС.

-- Разворот фазы на 180 градусов происходит при различных конструкциях связанных резонансных контуров.

-- Для контуров, намотанных на замкнутом магнитопроводе поле выходит за пределы магнитопровода на частоте

-- Для связанных резонансных контуров существуют схемы подключения нагрузки, вызывающие увеличение добротности системы (при сохранении резонансной частоты). А не её уменьшение, как для одиночного контура.

ДАЛЕЕ МОЖНО НЕ ЧИТАТЬ !!!!!

ЗАГОТОВКИ ДЛЯ БУДУЩИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Изготовим еще один контур (не резонансный), намотав 28 витков провода меньшего диаметра, так чтобы его геометрические размеры соответствовали ранее изготовленным резонансным контурам. И расположим все контуры так, как показано на рисунке ниже. То есть, создадим конструкцию на основе ноль - трансформатора.

0x01 graphic

В центре - входной резонансный контур, справа - выходной резонансный контур, слева - контур для подключения нагрузки к выходному резонансному контуру.

ТОЖЕ С МАЛОЙ ПЕРВИЧНОЙ КАТУШКОЙ

Здесь проверим утверждение, что катушки первоначально не обязательно настраивать на одну и ту же частоту

Вторичная та же, как и ранее, а первичная на обрезанной полиэтиленовой бутылке диаметром 63 мм, намотано 8 витков высоковольтного провода.

0x01 graphic

ТОЖЕ С ВНУТРЕННЕЙ ПЕРВИЧНОЙ КАТУШКОЙ

Повтор предыдущего эксперимента, когда использовалось мало витков в первичной катушке, только теперь первичная катушка находится внутри вторичной.

Первичная намотана на трубе 50мм и содержит 28 + 28 витков, вторичная на трубе 32 мм и содержит 8 витков высоковольтного провода.

0x01 graphic

Результаты приведены ниже.

...........................

Резонанс на частоте

. Красный - сигнал на первичной катушке, жёлтый - сигнал на вторичной катушке.

.......................

Резонанс на частоте

. Красный - сигнал на первичной катушке, жёлтый - сигнал на вторичной катушке.

ВЫВОД

При резонансе на частоте ї₂ сигнал на выходе практически отсутствует. Что опять же ожидалось.

0x01 graphic

На воздухе, первичная 8 витков, вторичная 28+28 витков в одну сторону

0x01 graphic

На воздухе, первичная 8 витков на обрезанной бутылке 63 мм, вторичная 34+34 витка в разные стороны на 50 мм трубе.

0x01 graphic

На воздухе, первичная 8 витков на трубе 32 мм, вторичная та же, как и ранее.

0x01 graphic

Подключим первичную катушку к генератору через сопротивление 100 Ом.

Замкнём вторичную катушку накоротко и настроим генератор в резонанс на частоту

. То есть, реализуем схему Рис.12. Посмотрим осциллограммы.

Меняя частоту и двигая первичную катушку внутри вторичной, добьёмся того, что подключение нулевого сопротивления нагрузки не меняет резонансную частоту.

0x01 graphic

Режим холостого хода. Красный - сигнал на первичной катушке, жёлтый - сигнал на вторичной катушке.

Режим короткого замыкания. Красный - сигнал на первичной катушке, жёлтый сигнал на вторичной катушке.

НОЛЬ - ТРАНСФОРМАТОР

Возьмём сантехническую трубу диаметром 50 мм и намотаем на ней по 34 витка высоковольтного провода в разные стороны. Это будет вторичная катушка ноль - трансформатора.

Возьмём сантехническую трубу диаметром 32 мм и намотаем на ней 8 витков высоковольтного провода. Это будет первичная катушка.

Получим то, что показано ниже.

0x01 graphic

Первичная катушка на трубе 32 мм имеет 8 витков высоковольтного провода. Вторичная катушка на трубе 50 мм имеет 34+34 витка намотанных встречно от центра.

Первичная катушка находится внутри вторичной в положении как на фотографии (смещена в сторону) для выравнивания резонансных частот. Подключим резонансные конденсаторы и генератор через резистор сопротивлением 100 Ом. Настроимся на резонансную частоту

При замыкании вторичной катушки частота резонанса первичной не изменяется.

Однако, добротной первичной катушки крайне мала.

Ток короткого замыкания 6 мА при напряжении от генератора около 10 В.

ТОЖЕ, НО С ВНЕШНЕЙ ПЕРВИЧНОЙ КАТУШКОЙ

Вторичная катушка, как и ранее, намотана на полиэтиленовой трубе диаметром 50 мм без феррита. Но, первичная на оправке из полиэтиленовой бутылки с возможностью перемещения вдоль вторичной катушки.

КАК И РАНЕЕ, НО С ФЕРРИТОМ ВНУТРИ

0x01 graphic

Вторичная катушка намотана на "колбасе" из ферритовых колец проницаемостью около 1000 единиц. Первичная на оправке из полиэтиленовой бутылки с возможностью перемещения вдоль вторичной катушки.

0x01 graphic

Генератор раскачки подключён к первичной катушке, состоящей из двух половин, намотанных на противоположных сторонах кольца 20 и 20 витков в одну сторону. Вторичная катушка между ними 40 витков. На против неё служебная катушка 20 витков, которая в эксперименте не использовалась.

Конденсаторы 10нФ в разной комбинации, чтобы входная и выходная катушки имели одинаковую исходную резонансную частоту.

0x01 graphic

Генератор раскачки по схеме аналогичной (но, не копия) индукционному нагревателю на транзисторах 2N2222A, резисторы в цепях баз 1,7 кОм, дроссели по 2,2 миллигенри на небольших ферритовых кольцах проницаемость около 1000 (можно и другие кольца).

Для запуска на частоте

использовалось шунтирование выходной катушки электролитом, заряжаемым через диод. После заряда электролита шунтирование прекращалось.

ЛИТЕРАТУРА

-- Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для ву- зов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь,. 1986. 512 с.: ил. ни.

Скачать учебник можно по ссылке:

https://raw.githubusercontent.com/rf-slf-4x1/site_materials/main/radio_electronics/%D0%A0%D0%B0%D0%B4%D0%B8%D0%BE%D1%82%D0%B5%D1%85%D0%BD%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B5%20%D1%86%D0%B5%D0%BF%D0%B8%20%D0%B8%20%D1%81%D0%B8%D0%B3%D0%BD%D0%B0%D0%BB%D1%8B%20-%20%D0%93%D0%BE%D0%BD%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B2%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9%20%D0%98.%20%D0%A1..pdf

СТАТЬЯ НЕ ЗАКОНЧЕНА

Комментарии: 4, последний от 18/12/2024. © Copyright Уткин Владимир (u.v@bk.ru) Размещен: 28/01/2024, изменен: 31/12/2024. 107k. Статистика. Статья: Естествознание Иллюстрации/приложения: 489 шт. Скачать FB2		Ваша оценка:
Аннотация: Описывается принцип подключения нагрузки к резонансному контуру не разрушающий резонанс. Приводятся схемы и простейшие эксперименты. Интересно для широкой аудитории читателей.

Уткин Владимир : другие произведения.

Секреты Николы Тесла. Использование реактивной мощности