2015-08-15
Науково-дослідний сайт В'ячеслава Горчіліна
Всі статті
Трансформатор біжучої хвилі

Сам принцип народився з нашумілого на енергетичних форумах «хвильового резонансу», отримання якого представляє певні труднощі з-за одночасного виконання кількох умов. Наприклад, необхідно отримати майже ідеальне відображення хвилі від обох кінців довгої лінії при тому, що отриманий між ними максимум струму або напруги повинен переміщатися уздовж цієї лінії із заданою швидкістю. Крім цього, одночасно з описуваними процесами передбачається отримання і LC-резонансу.

Пропонована ідея сильно спрощує першу і головну задачу: отримання і пересування максимуму струму або напруги уздовж довгої лінії. Фактично, ми повинні перерозподілити електрони вторинної обмотки трансформатора по її довжині, зміщуючи їх максимум на один з кінців вторинної котушки, отримуючи там, таким чином, пучність струму (напруги).

У цій серії заміток автор не буде торкатися питання конструктивного виконання та конкретної реалізації пристрою, а лише ділиться зі своїми читачами ідеями та можливими шляхами їх втілення. Тим не менш, деякі ключові моменти конструкції будуть тут описані.

Ідея про трансформаторі

Струм і напруга у вторинній обмотці звичайного трансформатора можна описати функцією від часу:

I_{2},U_{2} \sim f(t)
Ідея отримання трансформатора біжучої хвилі (TTW) полягає в преобразованиии функції від часу в просторово-часову функцію:
I_{2},U_{2} \sim f(t, x),
де: x — поперечна координата трансформатора (напрям магнітного потоку). Це схоже на те, як надходить телевізор з прийнятими TV-сигналом — розгортає його в просторі і часі. Так само описується і функція біжучої хвилі, до якої ми і повинні максимально наблизитися, а в ідеалі — і до одночасного з нею LC-резонансу. Тому в реальній конструкції первинні обмотки трансформатора I .. VIII повинні бути рознесені між собою в просторі. Звичайно, принципова електрична схема ніяк не пов'язана з конструкцією пристрою, але в даному випадку вона вказує на деякі конструктивні особливості TTW.

Схема подключения трансформатора бегущей волны
Примітка. Зображений на схемі спосіб збудження первинних обмоток далеко не єдиний

На принциповій схемі зображені вісім первинних котушок, але згідно з розрахунками, в загальному випадку, їх може бути три або більше. Загальна формула для знаходження ефективності TTW, а точніше — збільшення ККД другого роду \eta_{2}, така:

K = \frac {N^{2} + N + 2} {4N},
де: K — збільшення \eta_{2}, раз; N — число первинних обмоток (ітерацій). Про \eta_{2} читайте тут.

Як видно з формули, якщо число первинних обмоток буде одна або дві, то ніякого збільшення \eta_{2} ми не отримаємо. Ефективність установки може проявитися тільки починаючи з N = 3, але, враховуючи звичний нам ККД, який у перетворювачах подібного типу може досягати 75%, в реальному пристрої мінімальне число первинних котушок повинно бути не менше чотирьох.

Автор пропонує почати з N = 8, коли ефект від TTW буде явно виявлений. Для цього потрібно буде намотати вісім незалежних і розташованих поруч котушок, які мають потім вставлятися усередину (або вдягатися поверх) однієї вторинної котушки. Це і буде наш TTW.

Взагалі кажучи, розташування і намотування котушок TTW — це ще одна окрема тема для розробки. Конструкція трансформатора може бути різною: від плоскої, до торроидальной. Також, вторинна котушка може використовувати властивості осердя, — намотуватися і розташовуватися, як дев'ята котушка, в один ряд з іншими.

Порушувати первинні обмотки будемо одиночними імпульсами послідовно по черзі: від I-ої до VIII-й (див. схему). На вторинній обмотці ми повинні будемо отримати максимальне напруження, яке буде залежати від тривалості імпульсів в первинних обмотках, їх індуктивності, ємності Ср і опору навантаження Rн.

Збудження первинних обмоток TTW

Порушувати котушки первинних обмоток можна різними способами, нижче наведемо один з них. Ця схема складається з трьох цифрових мікросхем високошвидкісний серії 74HCXX, одного стабілізатора напруги і восьми вихідних транзисторів.

Схема возбуждения трансформатора бегущей волны

Список елементів схеми і їх заміни (в дужках):

  • DD1 — 74HC00 (1564ЛА3)
  • DD2 — 74HC393 (1564ИЕ19)
  • DD3 — 74HC164 (1564ИР8)
  • DA1 — LM7805 (КР142ЕН5А)
  • VD1..VD4 — 1N4148 (будь-який малопотужний ультрафаст)
  • SA1 — DS-04B, SWD1-4 (будь DIP-перемикач на 4 секції)
  • SA2 — DS-02B, SWD1-2 (будь DIP-перемикач на 2 секції)
  • VT1..VT8 — 2SC4793 (швидкодіючий, з крутими фронтами, малою ємністю, напругою колектор-емітер понад 200 V і коефіцієнтом підсилення за струмом не менше 100).

Робота схеми

Сдвиговый регістр DD3 разом в генератором DD1.1-DD1.2 формує послідовну серію імпульсів, які керують вихідними транзисторами VT1-VT8. Залежно від положення перемикача SA1 змінюється тривалість імпульсів біжучої хвилі, а також — її шпаруватість. Це стає можливим за допомогою різних комбінацій двійкового коду з виходу лічильника DD2, які через діоди VD1-VD4 і перемикач SA1 ставлять ці параметри. Два верхніх контакту SA1 визначає тривалість імпульсу хвилі (від 1-го до 3-х тактових періодів), два нижніх — проміжок між цими імпульсами. Якщо всі контакти цього перемикача розімкнуті, то після завершення останньої хвилі всі вихідні транзистори коректно відключаться.

Перемикачем SA2 змінюється частотний діапазон роботи задаючого генератора.

Зауваження по монтажу

На схемі не показані висновки живлення мікросхем. Вони стандартні: 7 — мінус живлення (загальне), 14 — плюс. Всі мінуси потрібно з'єднати і підключити до загального проводу і до Gnd стабілізатора DA1. Всі плюсові висновки — до його Out (або +5V).

Покращений вихідний каскад

Більш досконала схема вихідних каскадів розгойдування збирається на драйверах вихідного сигналу TC4420 (DA1-DA8) і ключах на MOSFET-ах (VT1-VT8). Транзистори для ключів потрібно вибирати за такими параметрами: Схема подключения выходных каскадов час наростання і спаду сигналу — не більше 100 ns, вихідна ємність — не більше 600 pF, максимальна напруга стік-витік — понад 400 V. Дуже добре в таких схемах працюють MOSFET-и IRFP460, IRFP840.

Висновки живлення драйверів послідовно шунтує ємностями в 100 nF, а на вході харчування — додатково — 10 мкФ.

Загальне живлення схеми потрібно буде знизити з 24 до 15..18V — згідно з паспортними даними драйвера TC4420.

Налаштування схеми з TTW

Схема збудження налаштування не вимагає, а от її спільна робота з TTW потребує копіткої роботи і творчого підходу. Тут автор може висловити лише свої міркування, а отримання всіх можливих ефектів (у тому числі і РЄ) буде залежати тільки від вас, дорогі читачі.

Головною особливістю роботи нашого трансформатора є отримання біжучої хвилі вздовж вторинної котушки, причому її швидкість повинна відповідати швидкості поширення електромагнітної хвилі (магнітного потоку). Ця швидкість, а значить і частота перемикання вихідних транзисторів буде максимальною, якщо TTW буде повітряним. Для такого трансформатора потрібно застосовувати більш високошвидкісні схеми збудження — на 100 МГц і більше.

Сердечник сповільнює цей процес, причому, чим вишніх його проникність, тим більше. Швидкість розповсюдження хвилі в фериті 2000НМ — 5-10 нс/см, а залозі — близько мікросекунди/см, що вже підходить для наведеної вище схеми. З різними типами сердечника можливе отримання нових властивостей цього трансформатора.

Друга особливість, яка відкриває нові можливості, — отримання LC-резонансу вторинної обмотки TTW і Ср. При виконанні всіх цих умов можливе одержання цікавих ефектів, недосяжних в експериментах із звичайним трансформатором.


Горчилин В'ячеслав, 2015 р.
* Передрук статті можлива за умови встановлення посилання на цей сайт та додержанням авторських прав

« Назад
2009-2018 © Vyacheslav Gorchilin