При проведении экспериментов ставились следующие цели:
— определить максимальную дальность передачи;
— определить максимальную мощность передачи;
— определить КПД передачи.
В экспериментах использовался ВЧ генератор SSTC и приемник, описание и схемы которых можно посмотреть в этой статье. За несколько лет они немного изменились. Некоторые части из генератора были убраны, уменьшился корпус, добавилась возможность подключения проводного и оптического прерывателей. Резонансный трансформатор остался прежний. Так же был немного улучшен приемник. В нем изменились конденсаторы. Они стали другой емкости и напряжением 4кВ. Общий вид системы представлен на рис.1
Рисунок 1 — Экспериментальная система передачи электричества без проводов
Некоторые фото и видео экспериментов сделаны давно, а некоторые решено было переделать. По прошествии нескольких лет, после того как система была впервые испытана, пришлось потратить примерно час чтоб всё настроить и заставить лампочки в приемнике светится, руководствуясь собственными записями и фото.
Эксперимент №1 – Первое включение и настройка. В ходе эксперимента замечено, что всё, что находится в высоковольтном поле передатчика влияет на его работу (приемник, провода освещения на потолке, близко расположенные доски). Это можно посмотреть на видео.
Хорошо, что SSTC это автогенератор и в большинстве случаев настраивать приходилось только понижающий трансформатор приемника.
Рисунок 2 — Схема эксперимента по беспроводной передаче электроэнергии
В ходе запусков на потолке светилась ЛДС. Пришлось установить передатчик со стола на табуретку. Еще одна ЛДС была специально подвешена на провод освещения как индикатор. Та лампа, что была подключена к сетевым проводам, стала меньше светить, а неподключенная и вовсе перестала. После этого мощность в приемнике увеличилась.
В экспериментах использовалось два типа приемников. Первый – это резонансный понижающий трансформатор с выпрямителем и измерительными приборами, второй – это просто катушка с двумя металлизированными тороидами на краях, к нижней или средней части которой подключалась лампа накаливания. Использовалась одна и та же катушка передатчика (1150 витков, провод 0,21мм, каркас 11см). Примерная собственная частота передающего контура с разными тороидами изменялась в пределах 120-170кГц. Приемные катушки были разные и подстраивались под резонансную частоту передатчика с помощью дополнительной внешней емкости (сферы тороиды).
Когда передатчик и приемник точно настроены на одну частоту на их верхних выводах уменьшаются или совсем пропадают короны. Если рассогласовать систему, например уменьшением частоты приемника, поднеся к нему металлический предмет, или нарушить связь переключением контурной емкости понижающего трансформатора в приемнике, то на передатчике корона резко увеличивается. Это можно посмотреть на коротеньком видео.
Во время первых запусков перегорел два раза провод в приемнике, подключенный к объемному емкостному противовесу (нижнему тороиду). При этом он был в двойной высоковольтной изоляции. Пришлось сделать значительное расстояние между обмоткой и проводом.
Рисунок 3 – Перегоревший провод
В результате, подбором витков и переключением емкости в приемнике был настроен резонанс с передатчиком и в нагрузке засветились две лампы 40Вт. Приемник находился на расстоянии 1м от передатчика (рис.1). Емкость низковольтной части приемника составила 4.7нФ, в низковольтной катушке L4 использовано 20 витков, проводом 1,5мм диаметром, каркас 16см. В некоторых режимах настройки лампы в приемнике светились очень ярко даже при напряжении 150В.
Снова возник вопрос с небольшим кусочком провода. Возможно, что он является антенной, разрядным штырьком, на подобие верхнего вывода, источником свободных электронов или с его помощью смещается максимум напряжения четверти длины волны. Вероятно, что он выполняет одновременно несколько функций. Ни подтвердить, ни опровергнуть версии пока невозможно. На видео ниже можно посмотреть, как кусок провода в 5см влияет на изменение работы передатчика и приемника.
Эксперимент №2 – КПД и передаваемая мощность.
Для измерения КПД использовались: в передатчике амперметр переменного тока, подключенный в разрыв сети 220В, в приемнике – амперметр и вольтметр постоянного тока, подключенные непосредственно у нагрузки. Показания приборов можно посмотреть на видео. Значение напряжения в приемнике дополнительно регулируются изменением ширины и длительности рабочего импульса на прерывателе SSTC.
11111
В ходе эксперимента установлено:
Расстояние передачи – 1м.
Напряжение питания передатчика – 220В.
Напряжение в приемнике – 220В.
Ток питания передатчика – 0,35А
Ток в нагрузке – 0,2А.
Потребляемая мощность от сети – 77Вт
Передаваемая мощность в нагрузке – 44Вт.
КПД передачи η = P2\P1 ∙100% = 44\77 ∙100% = 57%.
В нагрузке приемника использовались различные лампы накаливания 15, 25, 40, 60, 75, 100Вт. Лампа 75Вт светит еще ярко, а лампа 100Вт в полную мощность уже не светит. К одному приемнику передается около 70-80Вт. К двум приемникам, расположенным с разных сторон передатчика передавалось примерно 50Вт. Причем, напряжение в приемнике 250В и более, но вот увеличить ток не получилось. По показаниям приборов ток в нагрузке есть, а лампы светят тускло. Увеличение ширины рабочего импульса передатчика после определенного значения уже не существенно влияет на яркость свечения ламп. Растет в основном только напряжение в приемнике. Достичь успеха в зажигании 100 ватной лампочки удалось в эксперименте №4.
Эксперимент №3 – максимальная дальность передачи.
Поиски способов увеличения дальности передачи начались с испытания разных вариантов поднятия тороидов передатчика и приемника выше над катушками. Это приводило к изменению рабочей частоты, в результате которого необходимо было перенастраивать приемник. Всё это долго и нудно. Искать резонанс по виткам, подстраивать емкость, добавлять/убавлять тороиды, ходить туда сюда, включать выключать генератор и т.д. Дальности передачи эти действия не прибавили.
Затем была увеличена емкость на верхнем выводе передающей катушки. Уменьшен до минимальных размеров разрядный штырек. Неожиданно разряды с SSTC выросли до 35-36см. У меня небольшая полу-мостовая DRSSTC такие разряды создает.
Эта тема интересна тем, кто пытается получить максимальную длину разрядов с катушек Тесла. Известно, что нужно строить катушки с четверть-волновым резонансом на краях и при этом максимально увеличивать верхнюю емкость не нарушая этого самого четверть-волнового резонанса. И вот это явление проявилось в SSTC, где нет необходимости подстраивать первичный контур. Хотя эта катушка не рассчитывалась специально, а получилась удачной случайностью, методом распила пополам более длинной катушки.
Рисунок 4 – Распределение тока и напряжения в высоковольтной обмотке передатчика
Однажды я намотал катушку без всяких расчетов, на удачу, и не угадал. В результате она не работала корректно. При запусках на малой мощности было слышно, как внутри катушки происходят разряды, происходили пробои на первичную обмотку. Можно предположить, что картина напряжения и тока в катушке выглядела как на рисунке 4Б. Однако, увеличив существенно ширину рабочего импульса и уменьшив период работы, мощность возросла и, видимо, из-за изменения резонансной частоты или по инерции, или еще из-за каких-то сил заряды нашли выход в единственном благоприятном месте, а именно на разрядном штыре. Катушка стала работать, при этом генератор потреблял до 700Вт от сети 220В. В данном случае достигнуты лучшие результаты при этом потребление от сети составляет всего 1,5А х 220В = 330Вт. Вид распределения напряжения в катушке как на рис.4А.
На длину высоковольтных разрядов существенно влияет коэффициент связи первичной и вторичной обмоток. Чем он больше, тем больше ток в первичной обмотке, больше мощности передается во вторичную обмотку, но не всегда это хорошо. Слишком большой коэффициент связи нарушает собственную резонансную частоту вторичной обмотки и так же вызывает пробои на первичную обмотку. У меня этот коэффициент не рассчитывался, а был подобран опытным путем. Первичная обмотка заканчивается и захватывает около сантиметра вторичной обмотки.
Измерение тока в первичной обмотке с помощью трансформатора тока и осциллографа показало 97,2А. При том, что транзисторы IRGB20B60PD1 выдерживают согласно документации всего 80А в импульсе. Пришла мысль, что неплохо бы сделать ограничитель тока для этого генератора.
Рисунок 5 – Измерение тока L1
Не было замечено, что транзисторы сильно нагрелись после минутной работы, бывали и по горячее. Вероятно, что они бы взорвались через 3-5 минут. К тому же из SSTC был вытащен вентилятор в другую конструкцию и по этому, проверять время до перегрева я не стал. В режиме передачи генератор работал весьма продолжительное время, транзисторы нагревались незначительно. Ширина рабочего импульса 200-230мкс, период 3,5мс. Это предельные значения в прерывателе.
Рисунок 6 – Панорамная осциллограмма тока в первичной обмотке SSTC
На осциллограмме рис.6 видно, что ток в катушке постепенно возрастает в течение рабочего импульса. Если сравнивать с DRSSTC, то он возрастает гораздо медленнее. По этому, и требуется такая большая ширина импульса прерывателя более 200мкс для достижения значительных высоковольтных разрядов с L2. А медленнее ток возрастает потому, что нет контурного конденсатора. Если его установить, ток весьма вырастет (до 200-400А или более) и потребуется усложненная схема переключения транзисторов для их защиты с обратной связью от получившегося первичного контура. Возникнет зависимость частот первичного и вторичного контуров. Всё устройство гораздо усложнится, что мы и наблюдаем в DRSSTC.
После нескольких запусков транзисторы были заменены на IRGB50B60PD1 и подключен другой прерыватель с более широкими пределами значений. На катушку передатчика установлен большой тороид с приемника. Но еще больше увеличивая рабочий импульс, возросло только потребление до 1,75А 220В. Длина разрядов осталась практически такая же, разряды стали немного тоще. Как вариант еще большего увеличения длины разрядов, можно было увеличить коэффициент связи. Поднимая L1 выше к L2 появляются постоянные пробои между этими обмотками.
Еще один важный момент к улучшению работы SSTC – это катушка с повышенной добротностью. Она не испытывалась на этом генераторе, и по этому о ней написано в статье о DRSSTC3
Рисунок 6а – Высоковольтные разряды в SSTC с большим тороидом.
Тороид на рисунке 6а диаметром 40 см. Примерно такая же длина высоковольтного разряда.
Были измерены сигналы в обоих катушках приемника.
Рисунок 7 – Осциллограммы тока в катушках приемника
В приемнике наблюдается такая же нарастающая синусоида как и в передатчике, только сильно замусоренная различными шумами и наводками высоковольтного поля.
Возвращаясь к теме дальности передачи нужно отметить, что мощность (напряженность) электрического поля значительно возросла. С верхнего вывода тороида передатчика был убран разрядный штырек. На расстоянии 1м от работающей SSTC я получил удар током просто из воздуха. Телефон с сенсорным экраном начинает жить своей жизнью на расстоянии 3,5м. Частота передатчика значительно снизилась и пришлось применить более низкочастотные катушки приемников. Начали испытываться различные варианты и вскоре в помещении стало тесно. Решено было испытать систему на улице.
Расстояние между передатчиком и приемником 1,5м, передается примерная мощность 25-30Вт
Расстояние между передатчиком и приемником 2м, передается примерная мощность 15-20Вт.
Расстояние между передатчиком и приемником 2,5м, передается примерная мощность 8-10Вт.
Рисунок 8 – Эксперимент с беспроводной передачей электричества на улице
Если положить нижний тороид на землю – приемник работать перестает. Если положить картоновый каркас от катушки, на котором лежит тороид на земли и сверху него тороид – система работает плохо. Прекрасно работает только в таком положении как на фото. За 5-6 запусков в приемнике испортилось 3 лампочки. На этом эксперименты закончились. Последняя лампочка перегорела на расстоянии 2,5м хотя светила не очень ярко. Перегорание, если его можно так назвать, происходило от того, что спирали начинали очень сильно вибрировать и отрывались. Это свидетельствует о наличии высокого напряжения в катушке.
Эксперимент №4 – другой тип приемника и прочие наблюдения.
В поисках причин поломки лампочек, а так же наилучших вариантов приема был использован вариант приемника Б (рис.9).
Рисунок 9 – Подключение лампы между двух катушек (Вариант Б), и к нижней части катушки (Вариант А)
L3 и L4 – две ВЧ катушки (испытаны катушки с одинаковым и разным количеством витков). О том как я пришел к такому приемнику, можно понять посмотрев видео.
В середине катушки есть участок с пониженным напряжением, на котором ЛДС хуже светит. Логика – если у нас наблюдается стоячая волна, то на участке где низкое напряжение будет большой ток. На следующем видео решился еще один давний вопрос – куда замыкается нижний тороид. Предполагалось, что он составляет с верхним тороидом две обкладки раскрытого конденсатора.
Наблюдаются несколько положений, при которых лампа светит ярко. Один в середине катушки, еще один на определенном расстоянии от пола или вдалеке от катушки. Сам деревянный пол начинает нарушать рабочую частоту, если на него положить тороид. У верхнего тороида лампа не светит. Вероятно, они создают поля одинаковой фазы. А замыкается нижний тороид емкостным способом на участки с отсутствие высокого напряжения. (Наверно можно сместить такой участок на один из тороидов.) При приближении к генератору свечение прекращается.
Решено было подключить лампочку в разрыв двух катушек, чтоб подтвердить теорию практикой. После некоторого подбора определились две подходящие катушки. У них должно быть равное количество витков (длина проволки) чтоб участок без напряжения оказался точно на их стыке. На рисунке 10 (фото) подключены две лампочки накаливания 60Вт. Одна запитана от катушки приемника беспроводной системы, другая подключена обычным образом в розетку. Светят они абсолютно одинаково.
Рисунок 10 – Свечение ламп накаливания 60Вт в беспроводной и обычной системах
Потом решено было подключить лампочку не в разрыв двух катушек, а через индуктивную связь (трансформатор).
Рисунок 11 – Варианты подключения ламп к приемной катушке
Во втором варианте рис.11 использована обмотка из ста витков, проводом Ø0,42мм без настройки на резонансную частоту. Теоретически, добавка конденсатора и подстройка получившегося контура под резонанс высоковольтной катушка могла еще улучшить параметры принимаемого сигнала. Но эта теория не была проверена. В лампочках перестали отрываться спирали. В получившийся приемник подключались лампы различной мощность от 15 до 100Вт. Все они прекрасно светят на расстоянии 1м от передатчика. Когда дело дошло до лампы 100Вт, разрядился аккумулятор в фотоаппарате и пришлось снимать телефоном. При увеличении ширины рабочего импульса SSTC, возрастает мощность и когда достигается определенная напряженность поля, она влияет на телефон, и он перестает работать. По этому видео получилось коротеньким. Лучше снять не удалось.
Изменяя параметры прерывателя можно добиться свечения лампы в полную яркость. КПД при этом составляет 40%.
После этого была испытана максимальная дальность передачи с этим приемником. Ситуация немного улучшилась по сравнению с приемником А, но возникли свои трудности. В итоге на расстояние 3м передавалось 5-7Вт. При этом значение ширины рабочего импульса прерывателя составило 180мкс – весьма скромное значение. При попытке его еще увеличивать внутри катушки передатчика начинали происходить разряды. Не помогло еще большее увеличение емкости на передатчике и соответственно приемнике. Как с этим бороться, так и не было придумано. Предположительно, увеличивая рабочий импульс до 250мкс можно было добиться передачи на расстояние 3м около 15-20Вт. Выглядело это всё как на рис.12.
Рисунок 12 – Беспроводная передача электричества на улице
О том как работает система.
О том как работают катушки Тесла в интернете написаны целые тома с сложнейшими вычислениями. Люди высчитывают скорости распространения волны в проводнике катушки и в спиральном волноводе, который образует катушка и т.п. Оказалось, что так просто тут всё не разъяснить, да и к тому же не всё еще известно. По этому кратко представлю мою версию происходящих процессов на примере этой беспроводной системы. Версия не является конечно-же абсолютной истиной и состоит из предположений.
В SSTC нет контурного конденсатора, по этому не нужно настраивать резонанс в передатчике. Автогенератор сам подстраивается под частоту высоковольтной катушки, с нижнего вывода которой обратная связь поддерживает работу генератора. Это облегчает проведение экспериментов. У нас есть почти независимая передающая катушка со своей собственной резонансной частотой.
Генератор создает колебания и передает энергию индуктивным способом от первичной обмотки к вторичному контуру. Через переменное электрическое поле вторичный контур взаимодействует с приемником. Передающая и приемная катушки настроены на одну частоту. В приемнике возникают электромагнитные колебания, которые вызывают движение зарядов в проводнике, из которого сделана катушка. За несколько циклов работы в приемной катушке и конденсаторе накапливается энергия.
Если более подробно, то допустим, энергия сосредоточена в индуктивности приемника, затем она переходит в емкость, затем снова в индуктивность, но уже с добавлением энергии от поля передатчика в резонансном режиме. Полностью энергия израсходоваться не успела, и к ней добавляется новая. Возникают нарастающие синусоидальные колебания, которые мы видели на осциллограммах. Короче теория обычного колебательного контура. Возникает электрический ток, лампочки светятся. Колебания существуют на протяжении импульса прерывателя SSTC и продолжаются еще незначительное время после прекращения импульса. Мерцаний ламп не видно, потому что период следования импульсов достаточно маленький.
Теория обычная, но в то же время необычная. Возникает первый вопрос – иногда видно как лампочки загораются не сразу, а постепенно. Это нельзя списать на нарастающие колебания, т.к. ширина рабочего импульса и время нарастания тока достаточно малы, что бы различить это визуально. Плавное включение ламп происходит в течении 1-1,5сек. (Тут вероятно дело в смещении точки максимума тока из-за влияния сопротивления самой лампы и еще каких-то факторов.)
Второй и более интересный вопрос – куда замыкаются тороиды на краях приемной катушки, был уже частично отвечен. После проведенных экспериментов вырисовывается следующая картина рис.13.
Рисунок 13 – Распределение тока и напряжения в высоковольтной обмотке приемника
Дальнейшие размышления привели к версии о том, что верхний тороид передатчика и верхний тороид приемника образуют обкладки одного конденсатора. Нижний замыкается на точку с нулевым потенциалом в центре катушек или на любую другую окружающую приемник емкость. Если приемник перевернуть всё станет наоборот. Тот тороид приемника, который ближе к передатчику с ним и взаимодействует. А еще есть электростатическое поле вокруг тороида. Оно тоже участвует во всей этой ситуации.
Рисунок 14 – Предположительные колебательные контура
Нижний край катушки передатчика заземлен, и он восполняет потерявшиеся в результате высоковольтных разрядов электроны. Осталось придумать как быть с неподключенной ни к чему катушкой, которая искрит в метре от передатчика. У неё так же должен быть источник носителей зарядов. Можно предположить, что эту функцию выполняет тороид на нижнем конце приемной катушки (получая электроны из воздуха?). Так же можно предположить, что электроны движутся туда-суда. В общем, это еще не подтверждено.
Пока стоит ограничиться фактами и не делать преждевременных выводов о принципах работы беспроводной системы, потому как ни своими рассуждениями, ни поисками в литературе не было полностью раскрыто способа переноса электроэнергии. Много вопросов, теорий и вариантов. Дальнейшие исследования принесут на них ответ.
На последок такое вот видео.
Продолжение: Эксперименты с SSTC ЧАСТЬ 2 .