Научно-исследовательский сайт Вячеслава Горчилина
2021-02-13
Все заметки/Радиоэлектронные схемы
Однопроводная передача энергии на 25 Вт
Можно ли передавать электрическую энергию на расстояние по одному проводу? Обязательно ли для этого мотать огромные катушки и трансформаторы? Трудно ли настраивается такое устройство? В этой заметке мы не только однозначно ответим на эти вопросы, но и дадим детальную схему для повторения в домашних условиях. Такие эксперименты проводил Никола Тесла, чему посвятил несколько своих патентов. Мы повторим это устройство на современной элементной базе, причём самостоятельно нам нужно будет спаять всего несколько деталей, вся остальная начинка уже выпускается промышленностью в виде готовых модулей.
Рис.1. Принципиальная схема передатчика продольных волн
Теоретическое обоснование однопроводной передачи энергии мы попытались дать в этой работе. Такое устройство всегда состоит из передатчика продольных волн (здесь он представлен на рисунке 1), собственно однопроводной линии, которая может из себя представлять тонкий проводник, приёмника, который изображён на рисунке 2, и уединённой ёмкости, которая является для него противовесом. О последней — мы поговорим чуть позже, а пока рассмотрим работу передатчика.
Передатчик на рисунке 1 работает, на первый взгляд, очень просто. Блок питания PS1 подаёт на схему 24В. Генератор прямоугольных импульсов DG1 подаёт их на затвор выходного ключа VT1, который периодически подключает первичную обмотку выходного высоковольтного трансформатора TH1 к питанию. На его вторичной обмотке формируются квази синусоидальные высоковольтные колебания, которые через разъём X3 поступают в однопроводную линию.
Интересно, что конденсатор C5 не является резонансным, а служит для защиты трансформатора, да и всей схемы, при отключении нагрузки в приёмнике. Сам резонанс зависит от ёмкости однопроводной линии и трансформатор TH1 выходит на него автоматически. Даже, если при этом изменить ёмкость C5, резонансная частота не изменится. Также интересным фактом может быть то, что генератор DG1 должен возбуждать выходной ключ на частоте немного ниже резонансной; при этом достигаются наилучшие условия для КПД устройства. Отсюда, кстати, следует применение внешнего генератора, а не используется схемотехника самовозбуждения схемы.
Конденсаторы C1 и C2 выполняют здесь две задачи. Они создают искуственное заземление и защищают элементы схемы от возможных резких перепадов напряжения, сбрасывая их в электрическую сеть, фактически выполняя функцию разрядника.
Рис.2. Приёмник продольных волн
Рис.3. Схема соединения передатчика, линии передачи, приёмника и уединённой ёмкости
Продольная волна из однопроводной линии, через разъём X4, поступает на первичную высоковольтную обмотку приёмного трансформатора TH2, вторичная обмотка которого подключена к активной нагрузке — лампе накаливания EL1 (рис. 2). Уединённая ёмкость подключается к разъёму X5 этой схемы и создаёт электростатический противовес для всей схемы (рис. 3).
Детали
В данной схеме, в качестве выходного ключа VT1, хорошо подходит низковольтный mosfet-транзистор IRFP260. Причём, можно подобрать наилучший из одной и той же партии, который даст наивысший КПД. Транзистор необходимо установить на радиатор.
Высоковольтные трансформаторы TH1, TH2 являются самой дефицитной частью данной схемы. Оптимальным вариантом является такая марка: ТВС-110ПЦ15, — это трансформатор строчной развёртки от телевизора советского производства. Он хорошо держит нагрузку и в нём выполнено оптимальное соотношение витков между первичной и вторичной обмотками. Но вы можете подобрать любой другой аналогичный.
Перечень остальных элементов схемы:
Лампа накаливания EL1 может иметь мощность от 25-ти до 40-ка Ватт. Также, здесь работают и LED-лампы. Чем мощнее будет применяться лампа, тем больше должна быть уединённая ёмкость Cs (рис. 3). Например, для мощности лампы на 25 Ватт, уединённая ёмкость может быть в виде тора из гофрированной трубы внешним диаметром 45 см (рис. 6).
Сборка
На принципиальной схеме мы разбили устройство передатчика на четыре блока (рис. 1). Также они мотнитуются и в корпус устройства (рис. 4 справа). Расположение блоков относительно друг друга не важно, за исключением блока 4, где расположен высоковольтный трансформатор: его желательно отнести как можно дальше от остальной схемы.
Рис.4. Приёмник и передатчик без нижней крышки
Рис.5. Приёмник и передатчик в сборе
Рис.6. Уединённая ёмкость Cs
На рисунке 3 представлена схема соединения передатчика, линии передачи, приёмника и уединённой ёмкости в единую конструкцию.
Настройка
На генераторе DG1 необходимо выставить частоту 49 кГц, а скважность — 50%. При длине линии связи 4-5 метров резонансная частота всей системы будет находиться в районе 55 кГц, но, как мы помним, рабочую частоту задающего генератора нужно установить немного ниже. Этот принцип можно использовать для настройки такой системы и при другой длине линии или при других типах высоковольных трансформаторов: сначала ищется резонансная частота, когда лампа максимально загорается, после чего её необходимо уменьшить примерно на 10%.
Внимание! Линия передачи находится под высоким напряжением, поэтому необходимо позаботиться о безопасности и не прикасаться к ней.
 
1 2