2018-01-27
Науково-дослідний сайт В'ячеслава Горчіліна
Всі статті
Відхилення від класичної моделі. Друге магнітне поле
У цій замітці ми покажемо некласичне поведінка деяких електричних ланцюгів, порівняємо з класичним, і зробимо висновки і припущення про отримані відхилення. Експерименти будемо проводити за допомогою конструктора, що складається з декількох елементів: джерела живлення, генератора імпульсів, комутатора і трансформатор. Блочний підхід цікавий тим, що в будь-який момент будь-який елемент цього контруктора можна замінити на подібний, але з іншими параметрами. Наприклад, замість аналогового генератора GG1 (рис.1) можна підключити цифровий, а замість комутатора CM1 — приєднати інший, з біполярним транзистором або — схему з оптичною розв'язкою. Передбачається, що два блоки живлення вже є, а принципові схеми решти необхідних для дослідів елементів зображені на рис.1 і рис.2. Ще один елемент конструктора — трансформатор, який представляє собою котушку індуктивності з двома обмотками, але про нього ми поговоримо пізніше.
Принципиальная схема генератора импульсов GG1 на TL494
Рис.1. Принципова схема генератора імпульсів GG1
Принципиальная схема коммутатора импульсов CM1 на TC4420
Рис.2. Принципова схема комутатора імпульсів CM1
Схема генератора імпульсів GG1 стандартна. На своїх виходах X1 і X2 вона видає прямокутні імпульси з регульованим коефіцієнтом заповнення [1] і частотою. Коефіцієнт заповнення — від 2 до 50%, а при замиканні ключа SW5 — від 4 до 96%. Частота — від 2 до 600 кілогерц, а при замиканні ключа SW5 нижня і верхня межі діапазону збільшуються в два рази. В схему додані деякі перемикачі: SW1 перемикає суворе і точне підстроювальні опору регулюють шпаруватість імпульсів, з допомогою комбінації перемикачів SW2-SW3 вибирається діапазон частоти, а SW4 перемикає суворе і точне підстроювальні опору, що регулюють частоту імпульсів. Як DA1 тут вибрано популярна мікросхема — TL494. Підстроювальні опору R1 і R3 — грубого підстроювання, а R2 і R4 — многооборотистые. У всіх подальших дослідах контакти перемикача SW5 замкнуті.
Схема комутатора імпульсів CM1 також трохи відрізняється від заявленої в datasheet. Її завдання — посилити імпульси від GG1, привести їх у відповідність з вхідними характеристиками mosfet-транзистори VT1 і поліпшити їх фронти. Також, тут організовано захист мікросхеми і транзистори з допомогою ланцюжка R2VD1ZD1. Як DA1 тут застосовується драйвер TC4420, безпосередньо до ніжок живлення якого припаюються конденсатори C1 і C2. Для VD1 можна застосувати будь-швидкодіючий кремнієвий діод, наприклад UF4007, супресор ZD1 — 1.5KE18CA. Вихідний комутує транзистор повинен мати хороші характеристики по струму і по часу перехідних процесів. В експериментах дуже добре себе зарекомендував mosfet 47N60.
Досвід №1
Схема досліду представлена на рисунку. На ньому зображені: E1 — регульоване джерело постійної напруги 6..35В, E2 — джерело постійної напруги 12В, PW1..PW2 — вимірювачі потужності, OS1 — осцилограф, C1..C2 — згладжуючі керамічні конденсатори, VD1 — діодний міст з швидкодіючих діодів, Rn — активне навантаження 1..3 кОм, GG1 — генератор рис.1, CM1 — комутатор за рис.2. Також, на схемі присутній трансформатор TV1, який потрібно описати більш детально. Він являє собою феритове кільце діаметром 25..40мм, з намотаними на нього 35..50 витками подвійного проводу (бифиляра), утворюючи два однакові обмотки. Діаметр дроту: 0.6..1мм. Проникність осердя може бути 1000..3000НМ. До речі, цей трансформатор може бути й іншим, наприклад, виконаному на броневом сердечнику або навіть повітряний варіант — різниця буде тільки в частотному діапазоні, що у генератора GG1 обмежений.
Схема соединения блоков для проведения опыта №1
Рис.3. Схема з'єднання блоків для проведення досліду №1
Далі, потрібно ввести коефіцієнти шпаруватості \(S) і зворотний йому — коефіцієнт заповнення \D\) [1]. Останній більш зручний і знадобиться нам для наступних регулювань і графіків. На джерелі живлення E1 уставнавливаем 10В, на другому E2 напруга завжди буде однакова — 12В — воно живить схеми блоків. Після подачі живлення на стенд в генераторі GG1 встановлюємо коефіцієнт заповнення на 50% і регулюванням частоти шукаємо максимум потужності на навантаженні Rn. У даному досвіді цей максимум має низьку добротність і не має гострого піку. Частоту цього максимуму залишаємо в якості базової. Далі, встановлюємо мінімум коефіцієнта заповнення, контролюючи цей параметр за допомогою осцилографа OS1. Поступово збільшуючи, контролюємо зміна потужності на навантаженні Rn ваттметром PW2, заносячи свідчення в таблицю.
График зависимости мощности на нагрузке от коэффициента заполнения
Рис.4. Графік залежності відносної потужності P на навантаженні Rn від коефіцієнта заповнення D
На підставі даних цієї таблиці можна побудувати графік, який буде приблизно відповідати рис.4 (блакитна безперервна лінія).
Для побудови графіка класичної моделі потрібно згадати, як знаходиться спектр частот прямокутного імпульсу [2]: \[F(t) = A \left[D + \frac{2}{\pi} \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n} \sin(n\,\pi\,D)\cos(n\,\omega\,t) \right] \qquad (1.1)\] де: \(A\) — амплітуда прямокутного імпульсу, \D\) — коефіцієнт заповнення у відносних одиницях, \n\) — номер гармоніки (\(n = 1,2,3,4,5 ...\)), \(\omega\) — кругова частота (\(\omega=2 \pi f\)), \t\) — час. Твір \(A\) \(D\) являє собою нульову гармоніку або постійну складову, яка не може трансформуватися на вторинну обмотку TV1. Тоді амплітуди інших гармонік, які потенційно можуть бути отримані на вторинної обмотки цього трансформатора, можна шукати по наступній формулі: \[a_n = \frac{2 A}{\pi\,n} \sin(n\,\pi\,D), \quad n = 1,2,3,4,5 ... \qquad (1.2)\] Аналізуючи таку модель виходить, що амплітуда першої гармоніки буде максимальна при \(D = 0.5\), тобто при шпаруватості дорівнює 2. Амплітуди вищих гармонік будуть симетрично спадати щодо цього значення. Таким чином, виходячи з класичної моделі і формули (1.2) ми повинні отримати графік з максимумом потужності на навантаженні при \(D = 0.5\), що і показано на рис.4 червоною пунктирною лінією. У реальному ж цьому досвіді відхилення від класики починаються при \D \gt 0.5\).

У реальності, через нерівномірність коефіцієнта передачі потужності з первинної обмотки трансформатора на вторинну, графік буде трохи відрізнятися, але ці відхилення не впливають на якісний результат.

Досвід №2
Стенд для цього досвіду такої ж, як і для попереднього (рис. 3), але в цьому випадку нам знадобиться регулювання напруги від джерела E1. Виставимо значення цієї напруги, наприклад, 10В, і встановимо коефіцієнт заповнення в 80%. Виміряємо показники потужності PW1 і PW2. Тепер, встановимо коефіцієнт заповнення в 50%, а на PW2, поступово збільшуючи напруження E1, отримаємо ту ж потужність, що і в попередньому вимірюванні. Потім знову виміряємо потужність на PW1. Вона виявиться більшою, ніж у першому випадку. У автора різниця сягала 15%.

У цьому досвіді можна підлаштовувати резонансну частоту для кожного виміру — на якісний результат це не вплине.

Досвід №3
Для цього досвіду додатково буде потрібно джерело синусоїдальної низькочастотного сигналу, яким цілком може стати промислова мережа 220В. Цей джерело включається послідовно з вторинною обмоткою трансформатора TV1. Тут буде важливий початковий підбір розділового конденсатора C3 — необхідно, щоб потужності на навантаженні Rn були приблизно однакові, при незалежному включенні мережевого джерела і джерела від E1. При цьому порівнянні коеф. заповнення потрібно встановити в 75%. Точний підбір необов'язковий, важливий лише порядок співвідношення. Конденсатори C3 і C4 повинні бути розраховані на напругу не менше 400В.
Схема соединения блоков для проведения опыта №2
Рис.5. Схема з'єднання блоків для проведення досліду №3
Встановимо коеф. заповнення у 85-90%, включимо всі джерела живлення (мережевий в тому числі), регулюванням частоти знайдемо максимум для потужності на навантаженні Rn, потім виміряємо значення потужності PW1. До речі, якщо поблизу від цієї установки в цей момент будуть включені комп'ютер або осцилограф, то вони можуть почати перезавантажуватися при тому, що потужності в нашій системі відносно невеликі. Тепер встановимо коеф. заповнення в 50%, а регулюванням частоти подстроим максимум для потужності на навантаженні Rn. У цьому випадку, регулюванням напруги на E1, потрібно буде підібрати ту ж потужність на Rn, що і при першому вимірі. Виміряємо значення потужності PW1 для цього випадку, і воно виявиться більшим, ніж для першого вимірювання. У автора різниця становила 25-30%.

У залежності від матеріалу і конструкції сердечника (або його відсутність), числа витків первинної і вторинної обмотки, і т. п., величина отриманого результату може змінюватися в ту або іншу сторону. Наприклад, для більш товстого дроту вона буде більше, ніж для більш тонкого.

Висновки і припущення
У всіх трьох дослідах ми спостерігаємо відхилення результатів від класичної моделі. У першому — таке відхилення проявляється за рахунок постійної складової, яка в класиці не може трансформуватися на вторинну обмотку. У другому досвіді — при 50% заповненні повинен спостерігатися максимум передачі потужності, а в реальності — при 85%. Третій досвід найскладніший, але і самий незвичайний, хоча б у плані впливу полів трансформатора на навколишні прилади. Враховуючи, що добротність системи низька, в ній не повинні проявлятися гострі резонансні максимуми, а значить максимум передачі потужності знову таки повинен спостерігатися при 50% заповненні, а в реальності — при 85-90% (і більше).
По всій видимості, в цих дослідах ми спостерігаємо ще один процес, а точніше — ще одне неучитываемое класикою полі. Нікола Тесла називав його радіантом, а Геннадій Миколаїв — скалярним або другим магнітним полем [3]. У самому загальному випадку воно все ж може мати вектор напрямку, тому ми будемо далі називати його другим магнітним полем (друге МП). Аналізуючи ці досліди автор прийшов до висновку, що і перше і друге МП утворюються одночасно при будь-яких електричних процесах доповнюючи один одного. Співвідношення між ними в наведених вище дослідах регулюється величиною коефіцієнта заповнення. Перше МП строго підкоряється закону Фарадея [4] і утворює в провіднику різниця потенціалів, а друге — відповідальна за появу в ньому додаткових вільних зарядів. Доповнюючи один одного вони і утворюють струм.
При зміні своєї величини друге МП, по всій видимості, утворює свій тип електромагнітної хвилі (не Герцовский), яка може распостраняться по проводах (і в просторі), викликаючи на приймальному кінці то ж дейстие, що і на передавальному — генеруючи в провіднику додаткові вільні заряди. Мабуть, з цим пов'язано вплив на електричні прилади в радіусі дії цього поля. Також, тоді стає абсолютно ясним спосіб передачі величезних потужностей на великі відстані по тонкому провіднику (однопровідна передача енергії) [5].
 
Використовувані матеріали

© Горчилин В'ячеслав, 2018 р.
* Передрук статті можлива за умови встановлення посилання на цей сайт та додержанням авторських прав

« Назад
2009-2018 © Vyacheslav Gorchilin