Научно-исследовательский сайт Вячеслава Горчилина
2020-02-24
Все заметки/Эксперименты
Короткие импульсы, токи смещения и необычное поведение ферромагнетиков. Мы продолжаем серию экспериментов с короткими импульсами и катушками индуктивности, однако здесь мы сосредоточимся на токах смещения и откликах ферромагнитных сердечников при достаточно коротких импульсах, которые позволят нам получить новые неклассические эффекты. При этом мы будем использовать готовый генератор , стандартный источник питания, осциллограф, три катушки индуктивности и несколько дополнительных деталей. В дальнейших экспериментах будут участвовать три различные катушки, с техническими характеристиками которых можно ознакомиться ниже. Две первые — не имеют вторичной обмотки, а их подключение в опытах отражено на рисунках ; третья катушка имеет вторичную обмотку и все подключения будут производится именно к ней .
. Ниже мы приведём основные параметры катушек индуктивности, которые будут задействованы в наших опытах. Провод для намотки всех катушек использовался одинаковый: медный, в лаковой изоляции, с диаметром жилы 0.6 мм, но параметры провода не сильно влияют на качественные результаты последующих экспериментов. Катушка №1 на ферритовом кольце. . Катушка №2 на сердечнике от строчного высоковольтного трансформатора . . Катушка №3 на ферритовом кольце . . Воздействие короткого импульса. Для начала, проверим реакцию катушек на воздействие достаточно короткого импульса. При этом активная нагрузка будет отсутствовать, а будет подключён только осциллограф OS1. Его зелёный луч подключается к затвору ключа генератора GG0 и показывает возбуждающий импульс, а жёлтый луч, с делителем 1:100, подключается по схеме на рисунке . Осциллограммы отклика катушек отражены на фото . Там же приводится частота импульсов воздействия и напряжение источника питания . Длительность возбуждающего импульса везде — порядка 0-200 нс, причём вид осциллограмм практически не меняется, если длительность этого импульса увеличить вплоть до 0 мкс.
. Здесь интересно, что частота колебаний отклика в несколько раз превышает максимальную рабочую частоту ферритов. Но главный вывод, который необходимо сделать из этих осциллограмм — ответ катушки порождает далеко не синусоидальные колебания. Это свзязано как с нелинейной характеристикой магнитной проницаемости [1], так и с магнитной памятью ферромагнитных материалов [2]. Именно это свойство мы будем использовать в дальнейшем, а пока попробуем подключить активную нагрузку по соответствующим схемам: первые две катушки — по рисунку , а третья — по рисунку . При этом мы будем измерять изменение тока в цепи питания амперметром I1, в зависимости от её сопротивления. Ток потребления не зависит от нагрузки. Можно убедиться в том, что если длительность возбуждающих импульсов не более 0 нс, то величина нагрузки никак не влияет на ток потребления, причём эта закономерность наблюдалась в самом широком диапазоне питающих напряжений; у автора максимальное U0 составляло 0 В. Закономерность сохранятеся вплоть до полного закорачивания HL1, а в случае — даже без диода VD1, т.е. при замыкании вторичной обмотки L1. Таким образом, когда мы работаем только с токами смещения, мы можем добиться практически полной независимости мощности потребления схемы от сопротивления нагрузки. Но если о токах смещения мы всё-таки немного знаем [3], то следующий эксперимент может стать откровением для многих радиоинженеров :). Половинная частота в отклике катушки. Совершенно очевидно, что получить кратные гармоники в отклике катушки не представляет собой никакой сложности, они получаются автоматически даже при обычном возбуждении. А как получить в отклике субгармонику, т.е. частоту кратно меньшую от задающей? Ведь субгармоники открывают новые энергетические возможности в сфере электрических преобразований и было бы очень хорошо научиться их получать. Подключим катушку №1 без нагрузки , подадим на неё импульсы с частотой 0 кГц, подберём напряжение питания и посмотрим на осциллограмму . Как мы видим, катушка отдаёт колебания с частотой в два раза меньшей, чем задающая! Но здесь, в отличие от классического резонанса, требуется подобрать минимум два параметра: задающую частоту и напряжение питания. Например в данном случае, при повышении напряжения U1, начинает проявляться ещё одно колебание, расположенное между двумя соседними, и, при U0 = 0 В, отклик становится классическим, т.е. частота отклика становится равной задающей частоте. Есть ещё один нюанс в этом эффекте: когда найдены оптимальные значения частоты и напряжения, ток потребления схемы снижается . Также выяснилось, что оптимальное значение этой частоты довольно точно соответствует резонансу второго рода.
. Для катушки №2 данные резонанса и осциллограмма приведены на рисунке , для катушки №3 — на рисунке . Напоминаем, что в третьей катушке осциллограф подключён ко вторичной обмотке . Длительность возбуждающего импульса может находиться в диапазоне от 0 нс до 0 мкс, и подбирается индивидуально для катушки. Детали. Как было сказано выше, GG0 — это хорошо проверенный генератор коротких импульсов, в котором положение переключателей выставлены так: SA0 — «1111» и SA0 — «0000». Но подойдёт и такой генератор. Диод VD0 — SF56 или SF58, либо другой высоковольтный ультрафаст. Светодиодная матрица HL0 — с параметрами 12 В и 0 Вт, либо — подобная ей. К слову, в данных опытах вместо такой матрицы можно подключать любой светодиод, но всё же лучше, если его нагрузочная способность будет как можно выше. Конденсатор C0 — любой керамический. Параметры катушек были представлены выше. Выводы. При воздействии достаточно коротких импульсов на катушку индуктивности с ферромагнитным сердечником мы наблюдали сразу несколько эффектов. 1. Отклик катушки представляет собой несинусоидальные колебания, обусловленные нелинейностью проницаемости сердечника от напряженности магнитного поля в нём, и ещё одним свойством — намагниченностью. 2. При работе катушек на токах смещения, которые в данных экспериментах проявлялись при длительности возбуждающего импульса менее 0 нс, наблюдалась практически полная независимость мощности потребления от сопротивления нагрузки, вплоть до её полного корочения. Для создания преобразователей на этом принципе необходимы генераторы коротких импульсов с ещё более качественными характеристиками по длительности фронта и спада, а также, катушки с низкой собсвенной и проходной ёмкостью. Исследования в этом направлении только начинаются. 3. При определённых соотношениях между частотой возбуждающих импульсов и напряжения питания, возникает эффект появления субгармоник при отклике катушки. Это важное явление можно использовать для создания высокоэффективных преобразователей и усилителей мощности. Структурная схема такого преобразователя представлена на рисунке , где G0 представляет собой схему , но в которой, в разрыв с нагрузкой, устанавливается полосовой фильтр FT1, задача которого — пропускать только половинную частоту. Таким образом, если рассмотреть энергетику огибающей на выходе такого фильтра , то окажется, что в первом полупериоде фильтр нагружает катушку L0 и, соответственно, источник питания, а во втором полупериоде, наоборот, отдаёт часть своей энергии, т.е. сам является генератором. Такой процесс был бы невозможен, если бы мы применили классическую схему, где частота возбуждения равнялась бы частоте фильтра с нагрузкой.
. Как видится автору, для улучшения параметров готового устройства, в качестве сердечника катушки L1, необходимо применение ферромагнитных материалов с лучшими параметрами. Таковыми являются, например, сплавы пермаллоя либо более современные метаматериалы [4]. Продолжение. Сжатие магнитного импульса. Эти эксперименты продолжил итальянский инженер Antonio Cimminiello и получил фантастические результаты. Здесь уже речь идёт о технологии сжатия магнитного импульса, которая открывает прямой путь к свободной энергии. Вот, что пишет сам Antonio: Сегодня я проверил возможность получения субгармоник более низкого порядка и нашел способ, используя возбуждение в импульсном режиме. Я устанавливаю базовую частоту импульсов на 0 кГц , и частота повторения пачки устанавливается равной частоте субгамоники, которую вы хотите получить. Количество импульсов пачки задается с целью гашения верхних гармоник. При этом амплитуда импульса 0 кГц и 12.5 кГц последовательно растет по сравнению с одиночным импульсным возбуждением. При такой технике кажется, что энергия всех гармоник суммируется в один импульс. . Ниже представлены некоторые осциллограммы из этих опытов. Синий луч отражает возбуждающие импульсы, жёлтый луч — сжатый импульс.
. Более подробный отчёт Antonio находится здесь.  . 1 2 3. Используемые материалы
  1. Аппроксимация кривой Столетова для ферромагнетиков.
  2. Википедия. Намагниченность.
  3. Импульсная технология. Энергия тока смещения.
  4. Метглас. Характеристики.
  5. Капанадзе Тариель. Патент PCT/TR2007/000062, 0 February 2007.
.
Внимание! Содержимое этой страницы платное. Для получения полного доступа к платному контенту необходимо авторизоваться и оплатить абонемент на месяц или на год, а затем обновить эту страницу. Если вы ещё не зарегистрированы, то сделайте это прямо сейчас.