Статья из сайта petrovlam.ru
Автор: Петров В. М.
Введена 25.09.2012
Последнее обновление: 28.06.2014

 

Дополнена: 28.06.14

 

Усилитель Электрической Мощности

УЭМ-1

СоАвтор: Михаил Ost (int4243@mail.ru)

 

     Аннотация.         В статье приводится описание схемы однокатушечного усилителя электрической мощности, использующего постоянный магнит.

 

      Конструктивная схема устройства приведена на рисунке 1.

 

 

Рис.1

 

      На одну из ветвей U-образного магнита (серый цвет) надета катушка (зелёный цвет).

      Магнит замкнут магнитопроводом из шихтованного железа (болотный цвет).

 

      На катушку подаётся импульсное прямоугольное напряжение. Схема усилителя приведена на рисунке 2.

 

 

Рис. 2

На рисунке:

 

Б    -    источник питания (например, выпрямитель электросети)

Rн -    нагрузка усилителя

L    -    катушка, надетая на одну из веток магнита

КТ603А -  транзистор, используемый в режиме импульсного размыкателя-замыкателя

 

      Транзистор управляется при помощи генератора прямоугольных сигналов.

 

ОПИСАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

 

      Перед проверкой макета усилителя мощности были проведены небольшие измерения магнита на предмет изменения его силы удерживания в зависимости от параметров подключения и управления (рисунок 3).

 

Рис. 3

 

Схема

Вариант

Сила[г ]

1

S S

740

2

SN

640

3

S N

730

4

S S

650

 

      На рисунке 3 показаны варианты пар «магнит – катушка».

      Розовая стрелка показывает направление генерируемого в катушке магнитного потока от северного полюса к южному (по компасной стрелке).

      Красный конец ветки магнита обозначает южный полюс.

 

      Эксперимент производился при токе в обмотке, равном 10 мА.

      Свободный от катушки магнит удерживает вес в 700г.

 

ПРИМЕЧАНИЕ 1

      Если на ветку магнита надеть отключенную катушку, то удерживаются только 690г. Причину понять не могу.

 

      Измерения (см. таблицу) производились для четырёх вариантов надевания катушки в соответствии с рис. 3.

 

ПРИМЕЧАНИЕ 2

      Попытался посмотреть, а что изменится, если увеличить ток, например, до 15мА? Заметной разницы не обнаружил, поэтому от дальнейших измерений отказался.

 

      На основании этих измерений уже сейчас можно сделать вывод о том, что при суммировании собственного магнитного потока и потока от катушки удерживающая сила увеличивается. При разнице – уменьшается. После снятия катушки 700г надёжно восстанавливаются.

 

ВЫВОД 1

 

      Вроде бы имеет смысл завершить полный эксперимент с измерением параметров усилителя.

 

      Сам экспериментальный макет показан на рисунке 4.

 

 

Рис. 4

 

      Измерительная схема показана на рисунке 5.

 

 

Рис. 5

 

На рисунке:

 

Б    -    источник питания (исходный источник электроэнергии, например, выпрямитель от электросети)

U1 -    вольтметр для измерения выходного напряжения источника энергии

I1   -    миллиамперметр для измерения тока, забираемого от источника энергии

Д   -    диод, запирающий нагрузку от прохождения по ней тока из источника энергии в период подачи управляющего напряжения.

I2   -    миллиамперметр для измерения тока, генерируемого восстанавливающимся в сердечнике магнитопотоком и проходящего через нагрузку в период отключенного управляющего напряжения.

U2 -    вольтметр для измерения напряжения на нагрузке в период отключенного управляющего сигнала

L    -    катушка усилителя мощности

КТ603А – транзистор, исполняющий роль замыкателя (ключ управления)

Rн -    нагрузка усилителя мощности (620Ом)

 

      Данная схема рассчитана на увеличение магнитного потока в магнитопроводе в период подачи управляющего импульса.

 

      Измерения опирались на следующие мои представления:

 

а)   На нагрузке генерируется импульсное практически прямоугольное отрицательное напряжение. Скважность этого напряжения зависит от скважности используемого генератора сигналов. В моём случае она составляет примерно 50%.

б)   Поскольку в момент генерации на нагрузке этого напряжения источник питания отключен, можно утверждать, что ВСЯ потребляемая нагрузкой сгенерированная мощность (на время отключенного управляющего сигнала) является даровой.

      Она может быть больше, меньше или равна мощности, потребляемой усилителем в период включенного управляющего сигнала. Это уже не имеет значения. От названного соотношения будет зависеть только эффективность усилителя мощности.

      Но для полного вычисления последней, разумеется, надо знать мощность, потребляемую в период перенасыщения магнитопровода (в период подачи управляющего импульса).

в)   Оказалось, что оптимальный результат зависит, как от напряжения источника питания, так и от частоты переключения размыкателя.

      В моём конкретном макете выявлены следующие оптимальные параметры:

U1 = 4.7В; I1 = 0.93мА → Рист = 4.37мВт

U2 = 0.55В; I2 = -1мА → Рн = 0.55мВт

fк  = 7кГц

где

      Рист  - мощность, потребляемая от источника питания

      Рн  - мощность, потребляемая нагрузкой

 

ПРИМЕЧАНИЯ 3

      Напряжение U2 измерялось, как обычное переменное, хотя на самом деле оно имеет прямоугольную форму и отрицательную постоянную составляющую.

      Ток I2 измерялся, как постоянная составляющая импульсного напряжения. Знак «минус» говорит о том, что сигнал имеет явную отрицательную постоянную составляющую.

 

      По большому счёту, приведённые цифры ни о чём не говорят.

      Просто из них видно, что на период самовосстановления магнитного потока львиная доля энергии (88.3%) затрачивается на внутренние преобразования.

      Но грубо оценённые 0.55мВт – явно подарены эфиром!

г)   При замкнутом диоде с увеличением напряжения источника питания увеличивается и суммарный ток, проходящий по нагрузке.

      Если всё-таки сохранить неизменными напряжение питания и частоту, то при открытом (замкнутом) диоде были получены следующие оценочные цифры:

 

U1 = 4.7В; I1 = 2.5мА → Рист = 11.75мВт

U2 = 1.5В; I2 = +0.8мА → Рн = 1.2мВт

fк  = 7кГц

 

      Получается, что ток, потребляемый от источника питания, увеличился на 1.5мА.

      Отсюда следует, что из суммарного тока 2.5мА даровыми являются 1мА, а затраченными 1.5мА.

      Коэффициент полезного действия (оценочно) получается равным

 

η = 2.5 / 1.5 =  1.67 (167%)

 

      Первичная информация о подобных электрогенераторах получена мною из статьи В. Н. Власова по ссылке  http://vitanar.narod.ru/MEG/MEG.htm

      В статье в частности сказано, что устройства можно соединять в каскадную сборку, когда с выхода одного каскада сигнал можно подать на вход следующего. При большом количестве каскадов появляется возможность часть энергии из последнего каскада подать на вход первого каскада. Должно получиться что-то вроде вечного электрогенератора, отключенного от электросети.

      В статье, правда, не сказано, как можно осуществить такое решение. И это очень похоже на Виталия Наримановича, которому, как обычно, недосуг разбираться в сути разработок, им продвигаемых.

      Так вот, если подумать, то выходным сигналом усилителя мощности является НЕ напряжение на его нагрузке, а МОЩНОСТЬ, используемая нагрузкой! Предполагается, что традиционно можно вместо нагрузки подключить вход следующего каскада, и – эврика! Коэффициент усиления мощности стал ещё больше!

      А если бы Виталий Нариманович хотя бы иногда задумывался над продвигаемыми им устройствами, то он бы понял, что у описываемых устройств просто НЕТ входа! Поэтому некуда подключать сигнал с выхода предыдущего каскада.

      Входом, по сути, является источник питания усилителя.

      И получается, что Автор предлагает в качестве источника питания второго каскада использовать выходное напряжение первого каскада!

      Любопытно здесь то, что выходное напряжение КАЖДОГО каскада практически всегда (за очень редкими исключениями) МЕНЬШЕ напряжения его собственного источника питания!

      О каком тогда покаскадном увеличении и об увеличении ЧЕГО можно говорить?

 

ПРИМЕЧАНИЕ

      Впрочем, я допускаю, что г-н Власов В. Н. сознательно рекламирует разработки, заведомо неработоспособные.

 

      Для измерения выходного напряжения в принципе можно, конечно, применить выпрямитель и получить-таки реальную величину выигрыша. Но это, скорее, для личного удовлетворения. Ведь в большинстве практических применений подобного усилителя потребителем будут либо нагревательные элементы (к ним же можно отнести и лампы накаливания), либо трансформатор-разветвитель.

 

      Попытка поменять полярность подключения катушки при наличии диода не дала ничего нового. При замкнутом диоде – тоже.

 

 

ВЫВОДЫ

 

1.   Рассмотренная однокатушечная схема может быть применена для проектирования и изготовления усилителя электрической мощности с коэффициентом эфирного прибавления, как минимум, 50%-тов мощности от мощности, потребляемой из сети.

 

2.   Выбором материала для магнита и соответствующего материала для перемычки, а также путём индивидуального подбора частоты управляющего переключения и напряжения питания можно, вероятно, добиться 100%-ной добавки и даже более того.

 

3.   В связи с невозможностью покаскадного построения усилителя следует сразу проектировать устройство на требуемую мощность.

 

ДОПОЛНЕНИЕ от 28.06.14

 

      По прошествии времени повысилась моя грамотность в части проведения измерений импульсных напряжений и токов. Как следствие – потребность переизмерить параметры описанного УМ-1.

 

1.   Самое первое, что необходимо отметить, так это неверно найденная оптимальная частота переключающего сигнала. Она равна не 7кГц, а, как минимум, 300кГц! Возможно, что и выше. Я думаю, что это связано с материалами магнита и перемычки, а также – с параметрами катушки.

      Я не знаю, из какого материала изготовлен китайцами мой подковообразный магнит (купил самый дешёвый в Интернет-магазине).

      В качестве магнитопровода мною использовалась железка

      Я не знаю параметры своей катушки и даже не помню, откуда она у меня появилась. Попытался выяснить число её витков. Для этого отмотал 200 витков и припаял к обмотке дополнительный отвод. Затем заново намотал эти 200 витков. Я рассчитывал, что подавая на новый отвод заданное переменное напряжение, смогу по величине вторичного напряжения определить итоговое количество витков в катушке.

      Результаты получились неожиданными!

      Примера для ради привожу таблицу коэффициента трансформации в зависимости от частоты напряжения (с экрана осциллографа):

 

f  [кГц]

5

15

20

25

50

k

18.3

27.5

24

15.7

11.5

 

      Вот и попробуй после этого выяснить число витков неизвестной катушки.

 

2.   Далее, я провёл измерения мощности на нагрузке:

 

f  [кГц]

7

100

150

200

250

300

P [мВт]

1,10

1,00

1,33

1,43

1,50

1,66

 

      Для частоты 7кГц показатель почти совпал с первоначальными измерениями.

      Но для частоты 300кГц он оказался выше.

 

      Повторюсь о том, что мощность, забираемая от ИП, при  наличии диода в коллекторной цепи ключа тратится только на перемагничивание ПМ (диод не пропускает питание  к нагрузочному сопротивлению).

 

      Ток, отбираемый от ИП при частоте 250кГц, стал равен  2.6мА

      Мощность, отбираемая от ИП, равна теперь 12.2мВт

      Коэффициент полезного действия устройства:

 

ПРИМЕЧАНИЕ

      При частоте 300кГц:

      Понятно, что говорить об сверхединичности не приходится.

 

3.   Для примера показываю мою методику расчёта эффективного напряжения на резисторе и выделяемой на нём мощности.

 

Осциллограмма для высоких частот (от 150кГц и выше) имеет примерно следующий вид:

 

 

Рис. 7

 

Обозначения на рисунке 7:

      Заштрихованные площади пропорциональны напряжению на нагрузочном сопротивлении. При оценочных вычислениях принято, что напряжение над нулевой линией (красная горизонталь) диодом не пропускается и по этой причине к нагрузке условно не прикладывается. Впрочем, формально, эти выбросы несколько уменьшают напряжение на нагрузке.

      Если бы к нагрузке прикладывался чистый прямоугольный импульс, то напряжение, воздействующее на нагрузочное сопротивление за один цикл, равнялось бы половине амплитуды. Но так как форма напряжения, приложенного к нагрузке, существенно отличается от прямоугольной, то напряжение считается равным площади подаваемого прямоугольника за минусом площади треугольника высотой «е» и основанием «с», расположенного слева от импульса.

 

a     -   период управляющей частоты, условно принятый за 1

b    -   полупериод (при скважности, равной 2 считается равным 0.5)

c    -   основание треугольника (измеряется на экране осциллографа в единицах периода)

e    -   амплитуда импульса, воздействующего на нагрузку.

 

      Для примера привожу вычисления в конкретных числах, произведённые для частоты 250кГц.

 

a = 3.8 делений экрана (а = 1)

с = 0.7 делений экрана (с = 0.18 относительно величины периода)

е = 2.35В

Эффективное напряжение на нагрузке:

 

Мощность, выделяемая нагрузкой:

Мощность, забираемая от ИП:

UИП = 12.2мВт

ПРИМЕЧАНИЕ

      Ток от ИП измерялся обычным миллиамперметром, исходя из предположения о том, что напряжение на выходе ИП остаётся неизменным.

 

4.   Попытка уменьшить нагрузочное сопротивление до 100Ом приводит к уменьшению полезной мощности более, чем в 3 раза! Попытка увеличить нагрузочное сопротивление до 3.2кОм приводит к уменьшению полезной мощности более, чем в 1.3 раза!

 

 


Просмотров: 3499

Комментарии к статье:


Ваще сообщение:
 

 

Добавить комментарий

[B] [I] [u] [S] [2] [2]       [TAB] [∑] [∓] [≈] [≠] [≤] [≥] [π] [×] [√]       [RED] [GRE] [BLU]

[α] [β] [Γ] [γ] [Σ] [σ] [Δ] [δ] [Ω] [ω] [μ] [Λ] [λ]