В этой заметке мы покажем неклассическое поведение некоторых электрических цепей, сравним с классическим, и сделаем выводы и предположения о полученных отклонениях. Эксперименты будем проводить с помощью конструктора, состоящего из нескольких элементов: источника питания, генератора импульсов, коммутатора и трансформатор. Блочный подход интересен тем, что в любой момент любой элемент этого контруктора можно заменить на подобный, но с другими параметрами. Например, вместо аналогового генератора GG1 (рис.1) можно подключить цифровой, а вместо коммутатора CM1 — подсоединить другой, с биполярным транзистором или — схему с оптической развязкой. Предполагается, что два блока питания уже имеются, а принципиальные схемы остальных необходимых для опытов элементов изображены на рис.1 и рис.2. Еще один элемент конструктора — трансформатор, представляющий собой катушку индуктивности с двумя обмотками, но о нём мы поговорим позже.

Рис.1. Принципиальная схема генератора импульсов GG1

Рис.2. Принципиальная схема коммутатора импульсов CM1

Схема генератора импульсов GG1 стандартная. На своих выходах X1 и X2 она выдаёт прямоугольные импульсы с регулируемым коэффициентом заполнения [1] и частотой. Коэффициент заполнения — от 2 до 50%, а при замыкании ключа SW5 — от 4 до 96%. Частота — от 2 до 600 килогерц, а при замыкании ключа SW5 нижняя и верхняя границы диапазона увеличиваются в два раза. В схему добавлены некоторые переключатели: SW1 переключает грубое и точное подстроечные сопротивления регулирующие скважность импульсов, с помощью комбинации переключателей SW2-SW3 выбирается диапазон частоты, а SW4 переключает грубое и точное подстроечные сопротивления, регулирующие частоту импульсов. В качестве DA1 здесь выбрана популярная микросхема — TL494. Подстроечные сопротивления R1 и R3 — грубой подстройки, а R2 и R4 — многооборотистые. Во всех последующих опытах контакты переключателя SW5 замкнуты.

Схема коммутатора импульсов CM1 также немногим отличается от заявленной в datasheet. Её задача — усилить импульсы от GG1, привести их в соответствие с входными характеристиками mosfet-транзистора VT1 и улучшить их фронты. Также, здесь организована защита микросхемы и транзистора с помощью цепочки R2VD1ZD1. В качестве DA1 здесь применяется драйвер TC4420, непосредственно к ножкам питания которого припаиваются конденсаторы C1 и C2. Для VD1 можно применить любой быстродействующий кремниевый диод, например UF4007, супрессор ZD1 — 1.5KE18CA. Выходной коммутирующий транзистор должен иметь хорошие характеристики по току и по времени переходных процессов. В экспериментах очень хорошо себя зарекомендовал mosfet 47N60.

Схема опыта представлена на следующем рисунке. На нём изображены: E1 — регулируемый источник постоянного напряжения 6..35В, E2 — источник постоянного напряжения 12В, PW1..PW2 — измерители мощности, OS1 — осциллограф, C1..C2 — сглаживающие керамические конденсаторы, VD1 — диодный мост из быстродействующих диодов, Rn — активная нагрузка 1..3 кОм, GG1 — генератор по рис.1, CM1 — коммутатор по рис.2. Также, на схеме присутствует трансформатор TV1, который нужно описать более подробно. Он представляет собой ферритовое кольцо диаметром 25..40мм, с намотанными на него 35..50 витками двойного провода (бифиляра), образуя две одинаковые обмотки. Диаметр провода: 0.6..1мм. Проницаемость сердечника может быть 1000..3000НМ. К слову, этот трансформатор может быть и другим, например, выполненном на броневом сердечнике или даже воздушный вариант — разница будет только в частотном диапазоне, который у генератора GG1 ограничен.

Далее, нужно ввести коэффициенты скважности \(S\) и обратный ему — коэффициент заполнения \(D\) [1]. Последний более удобен и понадобится нам для последующих регулировок и графиков. На источнике питания E1 уставнавливаем 10В, на втором E2 напряжение всегда будет одинаковое — 12В — оно питает схемы блоков. После подачи питания на стенд в генераторе GG1 устанавливаем коэффициент заполнения на 50% и регулировкой частоты ищем максимум мощности на нагрузке Rn. В данном опыте этот максимум имеет низкую добротность и не имеет острого пика. Частоту этого максимума оставляем в качестве базовой. Далее, устанавливаем минимум коэффициента заполнения, контролируя этот параметр при помощи осциллографа OS1. Постепенно его увеличивая, контролируем изменение мощности на нагрузке Rn ваттметром PW2, занося показания в таблицу.

Рис.4. График зависимости относительной мощности P на нагрузке Rn от коэффициента заполнения D. Красная линия — классическая теория, синяя — реальность.

На основании данных из этой таблицы можно построить график, который будет примерно соответствовать рис.4 (голубая непрерывная линия).

Для построения графика классической модели нужно вспомнить, как находится спектр частот прямоугольного импульса [2]: \[F(t) = A \left[D + \frac{2}{\pi} \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n} \sin(n\,\pi\,D)\cos(n\,\omega\,t) \right] \qquad (1.1)\] где: \(A\) — амплитуда прямоугольного импульса, \(D\) — коэффициент заполнения в относительных единицах, \(n\) — номер гармоники (\(n = 1,2,3,4,5 ...\)), \(\omega\) — круговая частота (\(\omega=2 \pi f\)), \(t\) — время. Произведение \(A\) и \(D\) представляет собой нулевую гармонику или — постоянную составляющую, которая не может трансформироваться на вторичную обмотку TV1. Тогда амплитуды остальных гармоник, которые потенциально могут быть получены на вторичной обмотке этого трансформатора, можно искать по следующей формуле: \[a_n = \frac{2 A}{\pi\,n} \sin(n\,\pi\,D), \quad n = 1,2,3,4,5 ... \qquad (1.2)\] Анализируя такую модель получается, что амплитуда первой гармоники будет максимальна при \(D = 0.5\), т.е. при скважности равной 2. Амплитуды более высоких гармоник будут симметрично спадать относительно этого значения. Таким образом, исходя из классической модели и формулы (1.2) мы должны получить график с максимумом мощности на нагрузке при \(D = 0.5\), что и показано на рис.4 красной пунктирной линией. В реальном же этом опыте отклонения от классики начинаются при \(D \gt 0.5\).

Стенд для этого опыта такой же, как и для предыдущего (рис. 3), но в этом случае нам понадобится регулировка напряжения от источника E1. Выставим значение этого напряжения, например, в 10В, и установим коэффициент заполнения в 80%. Измерим показатели мощности PW1 и PW2. Теперь, установим коэффициент заполнения в 50%, а на PW2, постепенно увеличивая напряжение E1, получим ту же мощность, что и в предыдущем измерении. Затем снова измерим мощность на PW1. Она окажется большей, чем в первом случае. У автора разница достигала 15%.

Для этого опыта дополнительно потребуется источник синусоидального низкочастотного сигнала, которым вполне может стать промышленная сеть 220В. Этот источник включается последовательно со вторичной обмоткой трансформатора TV1. Здесь будет важен первоначальный подбор разделительного конденсатора C3 — необходимо, чтобы мощности на нагрузке Rn были примерно одинаковы, при независимом включении сетевого источника и источника от E1. При этом сравнении коэфф. заполнения нужно установить в 75%. Точный подбор необязателен, важен лишь порядок соотношения. Конденсаторы C3 и C4 должны быть рассчитаны на напряжения не менее 400В.

Установим коэфф. заполнения в 85-90%, включим все источники питания (сетевой в том числе), регулировкой частоты найдём максимум для мощности на нагрузке Rn, затем измерим значение мощности PW1. К слову, если поблизости от этой установки в этот момент будут находится включенные компьютер или осциллограф, то они могут начать перезагружаться при том, что мощности в нашей системе относительно небольшие. Теперь установим коэфф. заполнения в 50%, а регулировкой частоты подстроим максимум для мощности на нагрузке Rn. В этом случае, регулировкой напряжения на E1, нужно будет подобрать ту же мощность на Rn, что и при первом измерении. Измерим значение мощности PW1 для этого случая, и оно окажется большим, чем для первого измерения. У автора разница составляла 25-30%.

Во всех трёх опытах мы наблюдаем отклонения результатов от классической модели. В первом — такое отклонение проявляется за счёт постоянной составляющей, которая в классике не может трансформироваться на вторичную обмотку. Во втором опыте — при 50% заполнении должен наблюдаться максимум передачи мощности, а в реальности — при 85%. Третий опыт самый сложный, но и самый необычный, хотя бы в плане влияния полей трансформатора на окружающие приборы. Учитывая, что добротность системы низкая, в ней не должны проявляться острые резонансные максимумы, а значит максимум передачи мощности снова таки должен наблюдаться при 50% заполнении, а в реальности — при 85-90% (и более).

По всей видимости, в этих опытах мы наблюдаем ещё один процесс, а точнее — ещё одно неучитываемое классикой поле. Никола Тесла называл его радиантом, а Геннадий Николаев — скалярным или вторым магнитным полем [3]. В самом общем случае оно всё же может иметь вектор направления, поэтому мы будем его далее называть вторым магнитным полем (второе МП). Анализируя эти опыты автор пришёл к выводу, что и первое и второе МП образуются одновременно при любых электрических процессах дополняя друг друга. Соотношение между ними в приведенных выше опытах регулируется величиной коэффициента заполнения. Первое МП строго подчиняется закону Фарадея [4] и образует в проводнике разность потенциалов, а второе — ответственно за появление в нём дополнительных свободных зарядов. Дополняя друг друга они и образуют ток.

При изменении своей величины второе МП, по всей видимости, образует свой тип электромагнитной волны (не Герцовский), которая может распостраняться по проводам (и в пространстве), вызывая на приёмном конце то же дейстие, что и на передающем — генерируя в проводнике дополнительные свободные заряды. Видимо, с этим связано воздействие на электрические приборы в радиусе действия этого поля. Также, тогда становится совершенно ясным способ передачи огромных мощностей на большие расстояния по тонкому проводнику (однопроводная передача энергии) [5].

Также, рекомендуем ознакомится с другими опытами, в которых наглядно показано отклонение от классической модели.