Обзор генератора и приемника для проведения экспериментов по однопроводной передаче электроэнергии.
Одним из наиболее доступных способов в исследовании однопроводного резонансного способа передачи электроэнергии является система с передатчиком на радиолампах. Доступность определилась ценой и наличием деталей. Первое упоминание о генераторе (трансформаторе) Тесла на радиолампах было найдено в нескольких книгах, старейшая из которых — «Техническое творчество» 1955г.
При постройке генератора первоначально были выбраны типовые номиналы радиодеталей. Принципиальная схема имела вид, представленный на рисунке 2.
По принципиальной схеме построена структурная схема, которая представлена на рисунке 3.
Рисунок 3 – Структурная схема ВЧ генератора
Устройство является автогенератором и его можно разделить на 3 составные части:
БП – Блок питания; АЭ –Активный элемент – радиолампы;ТТ–Резонансный трансформатор Тесла с катушкой ОС.
Входное напряжение от сети 220В преобразуется в напряжение 700-750В и выпрямляется вакуумным диодом (кенотроном). С помощью активного элемента энергия подается на повышающий трансформатор Тесла состоящий из двух резонансных контуров. На выходе такого резонансного трансформатора получается переменное напряжение 60кВ с частотой 600кГц. В нашем случае к выходу подключается однопроводная линия и приемник.
В результате испытания нескольких радиоламп, различающихся мощностью, был выбран пентод ГУ-50. Википедия говорит что коэффициент полезного действия усилителя мощности на пентодах (около 35 %) существенно выше, чем у усилителя на триодах (15 %-25 %), но несколько ниже, чем у усилителя на лучевых тетродах. К сожалению КПД ламповых устройств действительно мал. Рабочий анодный ток лампы ГУ-50 составляет всего 100мА. Лампа предназначена для передачи радиосигналов и не предназначена для передачи электроэнергии.
Рисунок 4 – Схема выводов радиолампы ГУ-50
*Наибольшее напряжение анода 1кВ, при анодной модуляции 3кВ.
В режиме усиления мощности: ток в цепи анода 150мА, напряжение смещения на первой сетке –(минус) 100В, ток в цепи первой сетки 8мА, амплитуда напряжения возбуждения 135В, рабочая частота 66 МГц.
После настроек и пробных запусков принципиальная схема генератора приняла вид, представленный на рисунке 1.5. Схема работает следующим образом. Напряжение питания от сети 220В через понижающий трансформатор Т1 (ТСШ-170-3) и повышающий трансформатор Т2 (Microwave Oven Transformer — увеличивает напряжение в 10 раз) выпрямляется составным диодом VD1 и поступает в первичный колебательный контур L1C2. Использование двух трансформаторов вызвано необходимостью обеспечить оптимальное питающее напряжение радиолампы, которое находится в пределах 1000В.
Через индуктивную связь первичный контур передает энергию во вторичный, где происходят такие же колебания и с такой же частотой. Катушки L1 и L3 образуют повышающий резонансный трансформатор Тесла (без сердечника). При совпадения частот контуров напряжение возрастает не только за счет разности количества витков обмоток, а за счет возникающего резонанса. Во вторичном контуре накапливается большое количество энергии, которая разряжается на Землю в виде короны или длинных искр. В случае подключения к вторичному контуру линии передачи, энергия будет направляться к приемнику по одиночному проводнику.
Рисунок 5– Принципиальная электрическая схема ВЧ автогенератора с радиолампой ГУ-50
Обратная связь организована с помощью катушки L2, к нижнему выводу которой подключен гридлик (grid leak — утечка сетки) — цепь автоматического смещения состоящая из параллельно соединенного конденсатора и резистора. Работает следующим образом. Импульсы сеточного тока заряжают конденсатор С3, на нем устанавливается некоторое отрицательное напряжение, которое запирает лампу. При этом конденсатор тут же начинает разряжаться через резистор — устанавливается равновесие между током заряда конденсатора (импульсами сеточного тока) и током разряда через резистор. Резистор R3 может быть переменный, что позволит регулировать напряжение смещения. Подробнее о гридлике можно прочитать тут, Мощность всех резисторов схемы не менее 5 Ватт. Конденсатор С1 служит для замыкания ВЧ токов проникающих из колебательного контура.
Вторая сетка пентода ГУ-50 подключается к анодной цепи через резистор R1. Резистор рассчитан таким образом, чтобы напряжение на сетке составляло 250В. Его значение 30-35кОм. Питающие напряжения могут быть разными, поэтому и номинал резистора может изменяться.
Это довольно грубый расчет, потому что неизвестно реальное сопротивление второй сетки. Если считать под другие напряжения, то Rст_2 нужно оставлять фиксированным.
Выбор резистора R2 осуществлен опытным путем замера напряжения на первой сетке. Это напряжение не должно быть больше 80-100 вольт (см.табл.1.1 и 1.2) и зависит от числа витков обмотки ОС (L2), положения этой обмотки относительно L1 и L3 и собственно самого резистора R2. 3,3к оказалось оптимальным значением в данном случае.
Частота работы всего устройства зависит от емкости и собственной индуктивности катушки L3, длины подключеной линии или дополнительной сферической емкости (на рис.1.5 не показана). Она составляет 500-800кГц при выходном напряжении 60кВ. Однако, оптимальная работа однопроводной линии возможна при частоте до 150кГц. Это определил сам Н. Тесла. При такой частоте линия не излучает радиоволны и почти вся энергия передатчика доходит в приемник. В нашем случае будут потери на излучение.
Катушка L1 состоит из 27 витков. Провод обмотки Ø 1.4 мм в ПВХ изоляции. В разных режимах используется разное количество витков. Эта катушка подстраивает работу генератора в соответствии с вторичной обмоткой. Катушка L2 намотана на том же каркасе, что и L1 проводом Ø 0,35мм, 18 витков. Диаметр каркаса 110мм.
Катушка L3 намотана проводом 0,21мм, 1000 витков виток к витку на каркасе Ø 50 мм. Собственная резонансная частота катушки 546кГц (с учетом сферы Ø10см) Частотный расчет контуров не приводится, но обязателен. Я рассчитываю катушки в MathCad. Программы для расчета можно найти в интернете.
Следует отметить что катушки в таком варианте не являются весьма удачным исполнением. Данный генератор строился довольно давно и в то время еще не было сведений о том как нужно правильно строить катушки для достижения наибольшего КПД. Переделывать катушки уже небыло желания.
Приемником является понижающий трансформатор Тесла, идентичный повышающему, с диодным выпрямителем. Принципиальная схема приемника представлена на рисунке 6.
Рисунок 6 – Принципиальная схема приемника
Входной сигнал поступает в приемник на несущей частоте по однопроводной линии. Входная частота подстраивается конденсатором С1 приемника, количеством витков L2 и расположением L2 относительно L1. Есть некоторые особенности и тонкости настройки, которые будут рассмотрены в экспериментальной части. После диодно-конденсаторного блока выпрямленное напряжение поступает в нагрузку. В приемнике использованы высокочастотные диоды HER308. С2 подобран опытным путем, вероятно он зависит от нагрузки и его номинал составил 1мкФ. В ходе экспериментов в качестве нагрузки использовались лампы накаливания и маломощные электродвигатели (вентиляторы). Передаваемая мощность в данной конфигурации передатчика и приемника составляет 40Вт.
Линия передачи должна иметь длину, кратную четверти длины волны резонансной частоты системы. Проложить линию в 150м в лабораторных условиях не представляется возможным. При проведении экспериментов и выявлении различных режимов работы системы использовались линии, длиной которых можно в некоторой степени пренебречь (1- 5м). Максимальные протестированные длины линий 15 и 30м в уличных условиях.
Полная принципиальная схема передатчика, приемника и однопроводной линии представлена на рисунке 7.
Рисунок 7 – Принципиальная схема маломощной системы передачи электроэнергии
В ходе проведения экспериментов был выявлен низкий КПД генератора на радиолампах 20%. С целью повышения КПД и передаваемой мощности произведена доработка системы. После доработок структурная схема генератора приняла вид, представленный на рисунке 8.
БП–блок питания; ФНЧ–фильтр нижних частот АЭ–активный элемент; ТТ-резонансный трансформатор Тесла с катушкой ОС; ГИ – генератор импульсов прерывания катодного тока.
Рисунок 8 – Структурная схема ВЧ-генератора после доработки
Для защиты источника питания от высокочастотного напряжения, проникающего из LC контура, в цепь питания добавлен Г-образный ФНЧ (рисунок 9).
Рисунок 9 – ФНЧ
Фильтр рассчитан на частоту среза 100 кГц. Т.е. весь диапазон частот, который выше 100кГц отсекается. Нагрузкой фильтра считается БП. Защитный дроссель выполнен на ферритовом сердечнике проводом 0,4 в ПВХ изоляции Конденсатор КВИ-3.
Нагрузкой фильтра является высоковольтная обмотка МОТа, её сопротивление 200 Ом. Примем это значение к расчету.
Параметры согласованного Г-образного звена ФНЧ находятся из соотношения R = р, где R — сопротивление нагрузки фильтра; р — его характеристическое сопротивление, равное реактивному сопротивлению его элементов на частоте среза (f примем 100кГц).
Конденсатор выберем КВИ-3. А катушку рассчитаем и намотаем. Ферритовое кольцо выбрано такое, какое имелось в наличии. 2000НМ 16х8х4.
Далее вот так.
В расчете не учтено питающее напряжение и целое множество факторов (например реактивное сопротивление емкости в фильтре должно быть в 10-100 раз меньше чем у индуктивности, выпрямительные диоды и пр.) Предполагалось провести дальнейшую модернизацию, но никак не хватает время на эту VTTC.
Для уменьшения постоянной потребляемой мощности генератора добавлен блок катодного прерывания. Фактически этот блок выполняет функцию катодной модуляции, только вместо информационного сигнала используются прямоугольные импульсы заданной ширины и длительности периода. Принципиальная схема представлена на рисунке 10.
Рисунок 10 – Принципиальная схема катодного прерывателя
Схема работает следующим образом. Управляющий сигнал формируется с помощью RC генератора образованного резисторами R1,R2 и конденсатором С3, и поступает на вход 2 микросхемы DA2 (NE555). Конденсатор следует подбирать в зависимости от необходимой частоты прямоугольных импульсов. Его номинал находится в пределах 0.1-1мкФ. При этом значения переменных резисторов 50кОм. Выходной сигнал микросхемы DA2 (вывод 3) управляет полевым транзистором. Транзистор в ключевом режиме коммутирует ток катода радиолампы. Так как вывод 5 не используется, он подключается к общему контакту через конденсатор 0,1 мкФ или 0,01мкФ (С4) для предотвращения попадания через него различных помех в микросхему.
Питание схемы организовано через выпрямительный диодный мост VD1-VD4 и стабилизатор DA1 (микросхема LM7812) . C1 сглаживает пульсаций входного напряжения и подбирается примерно как 1000мкФ на 1А тока. Конденсатор С2 используется для сглаживания переходных процессов при внезапных повышениях потребляемого тока и должен иметь емкость примерно 100мкф на 1А тока нагрузки.Так же на вход и выход микросхемы DA1 можно припаять конденсаторы в 0,1мкФ для защиты от различных помех и возникновения генерации. Диоды VD5, VD6 могут быть обычными выпрямительными, например 1N4007, можно использовать ВЧ диоды. Номинал R3 в пределах 200 Ом – 1кОм. Резистор R4 защитный R4=100 Ом 2Вт, R5=10к 5Вт. Мощность остальных резисторов схемы 0,25Вт. В схему так же можно добавить индикаторные диоды.
Так же был улучшен блок питания, в котором появилась возможность переключать стандартные значения питающего напряжения в трех вариантах. В БП нет защиты «от дурака» по этому нужно правильно установить переключатели перед пуском. Иначе КЗ и перегорят предохранитель, обмотки трансформаторов или выбьет автомат. Принципиальная схема БП представлена на рисунке 11.
Рисунок 11 – Схема блока питания генератора (Т1-ТСШ-170-3 и Т2-МОТ)
На выводах 3,4 трансформатора Т2 может быть напряжение примерно 800, 1300 или 2100В в зависимости от положения переключателей. На выводах 7, 10 трансформатора Т1 напряжение 12В для питания низковольтной части схемы. Конечно же истинное выходное напряжение будет ниже, особенно после малоэффектовного однополупериодного выпрямителя.
Реальные цифры на входе генератора будут выглядеть так:
Действующее значение напряжения на выходе трансформатора Uд1=1300В
Амплитудное напряжение на выходе трансформатора Umax = 1,41 х 1300=1833В,
Действующее значение напряжения на выходе однополупериодного выпрямителя Uд2 = Umax /π = 0,318 х Umax, или Uд2=К х Uд1. (коэффициент выпрямителя К=0,45 из справочника).
Вычисляем: Uд2 = 0,318 х 1833= 583В. или Uд2 = 0,45 х 1300 = 585В (что почти тоже самое)
Еще процентов 5-10 можно откинуть на разные потери. Примерно 530-540В получаем в представленной схеме. Поэтому здесь и далее когда называется режим работы например 1300В, то имеется в виду, что это значение на выходе трансформаторной части. (так же как мы считаем что в розетке 220В).
VTTC Схема генератора с указанием номиналов.
Это была краткая теория. Теперь перейдем к конструкции (как всё это делалось).
Катушки намотаны на ПВХ трубах. Намотка – самая трудоемкая часть работы, но не самая сложная.
Рисунок 12 – Создание вторичной обмотки
После получения некоторого опыта катушку аккуратно можно намотать за 2-3 часа в зависимости от её размеров. Намотанная катушка покрывается защитным слоем из диэлектрика. Я использовал расплавленный воск, эпоксидную смолу, самоклеющуюся резину, различные лаки. Конечно же это всё было испытано на разных катушках, а не на одной. В большинстве случаев использован эпоксидный клей ЭДП из-за дешевизны и доступности. Одного флакона хватает на несколько катушек, но он сохнет 24 часа.
Рисунок 15 – Катушки генератора в сборе
Провод для первичной обмотки L1 вытащен из электрического кабеля ВВГ диаметр жилы 1,4мм. Катушки первичной и вторичной обмоток зафиксированы у основания деревянными крепежами. Верхний вывод вторичной обмотки припаян к гайке навинчиной на металлический пруток М6 который закреплен в вырезанном кругом куске доски. Обмотка обратной связи размещается сверху первичной обмотки на расстоянии 2-3см.
В случае выполнения генератора на печатной плате нужно делать расстояния между дорожками как можно больше, особенно в месте подключения ВН. В данном случае печатная плата сделана для генератора с одной радиолампой.
В этой конструкции при напряжении 1300В по поверхности текстолита происходили КЗ на расстоянии нескольких см, плату пришлось немного изменить. Так же на момент постройки небыло выпрямительных диодов, поэтому были установлены диоды HER308 по 3шт последовательно. Работа устройства от этого не ухудшилась. Впоследствии они были заменены на КЦ201б
Блок питания построен в отдельном корпусе, чтобы можно было использовать его в других устройствах. В качестве корпуса выбран ящик для инструментов. Применены трехпозиционные кнопки с нулевым положением (см. схему).
Генератор помещен в корпус из обрезков ламината.
Рисунок 20 – Генератор (внутри)
В корпус встроен вентилятор охлаждения лампы. Инструкция по включению написана на корпусе БП. В генераторе (а точнее в БП) предусмотрена возможность подключения различных питающих напряжений (800/ 1300/ 2100В). Есть возможность переключения контурного конденсатора (470/1000/1470пФ) для разных рабочих частот. Подстройка частоты может осуществляться изменением числа витков первичной обмотки L1. Генератор может работать в течение длительного периода времени в режимах 800 / 1300В.
Всё это прошло относительно успешные испытания (относительно, потому что при подаче U=2100В сгорел прерыватель).
Прерыватель сделан на отдельной печатной плате чтоб его можно было легко достать и починить при необходимости.
Рисунок 21 – Прерыватель на печатной плате
Лучше всего настраивать его с помощью осциллографа. Без осциллографа определить что прерыватель работает можно по мерцанию диодов, они для этого в нем и предусмотрены, но если возникнут какие-то неисправности найти их будет сложно. Переменные резисторы выбраны беспроволочные мощностью 0,5Вт. Основные причины неработы прерывателей – это плохой контакт или не пропаялась дорожка. Так же частые проблемы возникают с переменными резисторами. В принципе генератор может работать и без прерывателя в режимах пониженного напряжения 800 и 1300В.
Общий вид ВЧ генератора с БП представлен на фото ниже.
Рисунок 22 – Генератор и БП
Особой настройки генератор не требует. До подачи питания необходимо убедиться, что кнопка 1 находится в положении I, а кнопка 2 в положении II. Кнопка пуск при этом должна быть в положении «Выкл».
Режим 2000В (2100В точнее) не используется т.к. резисторы в схеме на него не рассчитаны. Генератор включался в этом режиме без прерывателя. Через 30 сек. работы можно увидеть красные раскаленные внутренности в лампе которая может перегореть. С прерывателем ситуация немного получше, работает дольше. Такую вот табличку я себе сделал чтоб не путаться при многочисленных запусках в различных режимах
Рисунок 23 – Порядок включения и режимы работы ВЧ генератора
При первом запуске выставляется режим с минимальным доступным входным напряжением 800В. После подачи напряжения 220В (кн. «Сеть» на боковой части корпуса БП) нужно убедиться, что радиолампа начала нагреваться. Об этом сообщит оранжевое свечение катода лампы. После 30 сек. прогрева можно подавать анодное напряжение. Наличие генерации проверяется по свечению газоразрядной лампы, расположенной на расстоянии 30-50см от катушки вторичной обмотки. Если свечение не наблюдается, необходимо поменять местами выводы катушки L2 (рис.1.7). Если свечение лампы слабое, необходимо подстроить резонансную частоту контура L1C2 (рис.1.7) перемещением проводника с контактом по зацепам витков катушки L1 или выбрать другой номинал контурной емкости. Если прицепить на верхний вывод катушки L3 иголку то c неё возникнет высоковольтный разряд 3-4см, в зависимости от питающего напряжения. При напряжении 2100В разряды 7-8см. Большинство сегодняшних катушек Тесла встречающихся в интернете именно для этого и строят.
Все действия с настройкой генератора производятся только при выключенном напряжении питания!
После проведения настройки генератор готов к подключению в однопроводную линию.
Осталось рассмотреть конструкцию приемника.
Рисунок 24 – Приемник (внутри)
Приемник состоит из входного понижающего резонансного трансформатора, диодно-конденсаторного блока выпрямления ВЧ-тока, и нагрузки – ламп накаливания. Приемник на рисунке 24 предусмотрен для работы с ламповым генератором, описанным выше, по этому в нем так же имеется кнопка переключения контурной емкости 470/1000/1470пФ (конденсаторы КВИ-3). Когда строились передатчик и приемник было ограниченное количество и тип радиодиталей, например вместо С5 (рис.7) применен конденсатор от микроволновки. Конечно же можно использовать и другие типы конденсаторов.
Вторичная обмотка приемника состоит из 90 витков проводом Ø 1,5мм в лаковой изоляции с зацепами для выбора числа витков. Диаметр каркаса — 75 мм. Для проведения измерений, используются встроенные в корпус вольтметр и амперметр. На выходе приемника постоянный ток с напряжением до 250В. В качестве нагрузки применялись лампы накаливания 15, 25 и 40 Вт.
Однопроводная линия подключается к верхнему выводу приемной катушки. Подстройка частоты осуществляется перемещением контактных проводов по виткам или переключением контурной емкости.
После соединения всех частей системы вместе нужно включить генератор и настроить его на резонансную частоту, способами, описанными выше. Затем необходимо подстроить приемник. После достижения максимального значения напряжения и тока по показаниям приборов приемника система готова к проведению экспериментов.
Рисунок 25 – Приемник электроэнергии с двумя лампами 40Вт, работающий от однопроводной линии
Видео работающей системы.
В следующей статье рассмотрены различные эксперименты и определены основные свойства однопроводной резонансной линии передачи электроэнергии.