Устройство и способ усиления электрических сигналов (варианты)

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться в усилителях мощности. Достигаемый технический результат - увеличение коэффициента усиления и снижение зависимости параметров усиления электрических сигналов от величины нагрузки. Устройство усиления электрических сигналов содержит две группы катушек индуктивности, диск с приводом от электродвигателя для периодического изменения параметров резонансного контура, установленный в зазоре между катушками индуктивности, которые попарно соединены последовательно между собой и с емкостью и образуют резонансный контур первичной обмотки резонансного высокочастотного трансформатора Тесла, вторичную обмотку которого образуют дополнительные обмотки каждой катушки индуктивности. Способ усиления электрических сигналов характеризуется тем, что возбужденные в резонансном контуре колебания преобразуют по напряжению в упомянутом трансформаторе Тесла, выпрямляют и через инвертор передают в нагрузку. 4 н. и 13 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам усиления электрических сигналов на основе резонансных преобразователей электрической энергии.

Известен резонансный усилитель мощности, содержащий входной и силовой трансформаторы с нагрузкой во вторичной обмотке силового трансформатора и последовательный резонансный контур между трансформаторами, состоящий из емкости С и индуктивности входной обмотки силового трансформатора, а также из устройства обратной связи между обмотками входного и силового трансформатора, резонансный усилитель мощности содержит n каскадов усиления из n понижающих силовых трансформаторов, соединенных между собой с помощью n последовательных резонансных контуров, где n=2, 3, … m, а обратная связь выполнена в виде устройства, обеспечивающего однонаправленное движение электрической энергии от вторичной обмотки последнего силового трансформатора к первичной обмотке входного трансформатора, мощность каждого последующего n-го силового трансформатора связана с мощностью предыдущего n-1-го силового трансформатора соотношением: P_n=кР_n-1, где к - коэффициент усиления одного каскада (Резонансный усилитель мощности. Пат. РФ №2517378, заявл. 17.10.2012, опубл. 27.05.2014. Бюл. №15).

В варианте исполнения резонансного усилителя мощности устройство обратной связи выполнено в виде блока бесперебойного питания, вход которого соединен с вторичной обмоткой последнего силового трансформатора, а выход - с первичной обмоткой входного трансформатора. В другом варианте исполнения резонансного усилителя мощности устройство обратной связи выполнено в виде однонаправленной индуктивности, вход которой соединен со вторичной обмоткой последнего силового трансформатора, а выход - с первичной обмоткой входного трансформатора.

Недостатком известного устройства является большая масса сердечников и катушек и невысокий коэффициент усиления.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является резонансный параметрический усилитель мощности, состоящий из двух групп плоских катушек самоиндукции с железным сердечником, соединенных с емкостью и образующих резонансный контур, катушки самоиндукции установлены на двух параллельных плоскостях по периферии двух параллельных окружностей, между обращенными друг к другу сторонами катушек выполнено узкое пространство в виде щели, в которой помещен металлический диск с возможностью вращения, имеющий на периферии вырезы в виде зубцов, количество зубцов равно количеству пар катушек, середины зубцов расположены на окружности, совпадающей с окружностью, проходящей через центр катушек самоиндукции (И. Греков. Резонанс. - Госэнергоиздат, 1952, с. 60-84).

Недостатком известного способа и устройства для усиления колебаний являются ограниченная мощность из-за нелинейной зависимости индуктивности катушки с железным сердечником от тока в катушке самоиндукции. Другим недостатком является снижение добротности резонансного контура из-за включения сопротивления нагрузки в цепь резонансного контура.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение коэффициента усиления и снижение зависимости параметров устройства и способа усиления электрических сигналов от величины нагрузки.

Технический результат заключается в увеличении коэффициента усиления электрических сигналов и стабилизации величины коэффициента усиления при изменении нагрузки.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве усиления электрических сигналов, содержащем две группы катушек индуктивности, установленных попарно с зазором в параллельных плоскостях соосно напротив друг друга, соединенных последовательно с емкостью и образующих резонансный контур и диск с приводом от электродвигателя для периодического изменения параметров резонансного контура, установленный в зазоре между катушками индуктивности, диск содержит по периферии диска круглые вырезы диаметром D_B, количество вырезов равно количеству пар катушек индуктивности, диаметр вырезов D_B и расстояние между вырезами равно диаметру D_K катушек индуктивности, центры вырезов расположены на окружности, равной окружности, на которой находятся центры осей катушек индуктивности, диск установлен на оси электродвигателя, которая совпадает с осью симметрии диска с вырезами и катушек индуктивности, катушки индуктивности, попарно соединенные последовательно между собой и с емкостью, образуют резонансный контур первичной обмотки резонансного высокочастотного трансформатора Тесла, каждая катушка индуктивности имеет дополнительную обмотку, дополнительные обмотки каждой катушки индуктивности образуют вторичную обмотку резонансного высокочастотного трансформатора Тесла, выводы вторичной обмотки трансформатора Тесла соединены через выпрямитель и инвертор или через еще один резонансный трансформатор Тесла, выпрямитель и инвертор с нагрузкой, все резонансные контуры каждой пары катушек индуктивности присоединены к нагрузке параллельно по постоянному току после выпрямителя или по переменному току после инвертора.

В варианте устройства усиления электрических сигналов две установленные соосно попарно с зазором катушки индуктивности имеют встроенные по оси ферритовые сердечники.

В другом варианте устройства усиления электрических сигналов каждые две установленные соосно попарно с зазором катушки индуктивности имеют общий незамкнутый ферритовый сердечник с зазором, размер которого равен зазору между катушками индуктивности.

В другом варианте устройства каждая катушка индуктивности имеет встроенный по оси постоянный магнит.

В варианте устройства диск выполнен из феррита.

В другом варианте диск выполнен из диэлектрика и имеет на обеих поверхностях покрытие из мелкодисперсного ферромагнитного порошка с размером зерен 1-100 мкм, изолированных друг от друга слоем диэлектрика.

Технический результат достигается также тем, что в предлагаемом устройстве усиления электрических сигналов, содержащем две группы катушек индуктивности, установленных попарно с зазором в параллельных плоскостях соосно напротив друг друга, соединенных последовательно с емкостью и образующих резонансный контур и диск с приводом от электродвигателя для периодического изменения параметров резонансного контура, установленный в зазоре между катушками индуктивности, диск содержит по периферии диска круглые вырезы диаметром D_B, количество вырезов равно количеству пар катушек индуктивности, диаметр вырезов и расстояние между вырезами равно диаметру катушек индуктивности, центры вырезов расположены на окружности, равной окружности, на которой находятся центры осей катушек индуктивности, диск установлен на оси электродвигателя, которая совпадает с осью симметрии диска с вырезами и катушек индуктивности, все катушки индуктивности, соединенные последовательно между собой и с емкостью, образуют общий резонансный контур первичной обмотки резонансного высокочастотного трансформатора Тесла, каждая катушка индуктивности имеет дополнительную обмотку, все дополнительные обмотки всех катушек индуктивности соединены последовательно и образуют общую вторичную обмотку резонансного высокочастотного трансформатора Тесла, а выводы вторичной обмотки трансформатора Тесла соединены через выпрямитель и инвертор или через еще один резонансный трансформатор Тесла, выпрямитель и инвертор с нагрузкой.

В варианте устройства усиления электрических сигналов каждые две установленные соосно попарно с зазором катушки индуктивности имеют встроенные по оси ферритовые сердечники.

В другом варианте устройства каждые две установленные соосно попарно с зазором катушки индуктивности имеют общий незамкнутый ферритовый сердечник с зазором, размер которого равен зазору между катушками индуктивности.

В варианте устройства каждая катушка индуктивности имеет встроенный по оси постоянный магнит.

В варианте устройства диск выполнен из феррита.

В другом варианте устройства диск выполнен из диэлектрика и имеет на обеих поверхностях покрытие из мелкодисперсного ферромагнитного порошка с размером зерен 1-100 мкм, изолированных друг от друга слоем диэлектрика.

Технический результат достигается также тем, что в предлагаемом способе усиления электрических сигналов, включающем изменение индуктивности резонансного контура путем вращения диска между установленными попарно и соосно катушками индуктивности резонансного контура и возбуждение электромагнитных колебаний в резонансном контуре, возбужденные в резонансном контуре колебания преобразуют по напряжению в резонансном высокочастотном трансформаторе Тесла, выпрямляют в выпрямителе и через инвертор передают электрическую энергию в нагрузку.

В варианте способа усиления мощности электрических сигналов в качестве первичной обмотки резонансного высокочастотного трансформатора Тесла используют катушки индуктивности резонансного контура.

В варианте способа установленные попарно соосно с зазором катушки индуктивности соединяют незамкнутым сердечником из ферромагнитного материала.

В другом варианте способа усиления электрических сигналов, включающем изменение индуктивности резонансного контура путем вращения диска между катушками индуктивности резонансного контура и возбуждение электромагнитных колебаний в резонансном контуре, возбужденные в резонансном контуре колебания усиливают по напряжению в резонансном высокочастотном трансформаторе Тесла, передают электрические колебания на понижающий резонансный трансформатор Тесла, усиливают электрические колебания по току в резонансном контуре понижающего трансформатора Тесла и через выпрямитель и инвертор передают электрическую энергию в нагрузку.

В варианте способа в качестве первичной обмотки резонансного высокочастотного трансформатора Тесла используют катушки индуктивности резонансного контура.

В другом варианте способа установленные попарно соосно с зазором катушки индуктивности соединяют незамкнутым сердечником из ферромагнитного материала.

Сущность изобретения поясняется Фиг. 1, 2, 3 и 4.

На Фиг. 1 показана электрическая блок-схема устройства и способа усиления электрических сигналов с двумя трансформаторами Тесла.

На Фиг. 2 показан общий вид устройства усиления электрических сигналов с катушками индуктивности с сердечниками из феррита.

На Фиг. 3 представлена конструкция металлического диска с круговыми вырезами, равными диаметру катушек индуктивности.

На Фиг. 4 показана конструкция устройства усиления электрических сигналов с незамкнутым общим ферритовым сердечником для каждой пары установленных соосно катушек индуктивности.

На Фиг. 1 каждая пара катушек индуктивности 1 и 2 с индуктивностью L₁ L₂ установлена соосно через зазор 3, катушки индуктивности 1 и 2, соединенные последовательно между собой и с емкостью 4, образуют последовательный резонансный контур 5 с резонансной частотой f₀. Каждая катушка индуктивности 1 и 2 имеет дополнительную обмотку 6 и 7, обмотки 6 и 7 соединены последовательно и с обмотками катушек индуктивности 1 и 2 образуют трансформатор Тесла 8 без сердечника или с незамкнутым ферритовым сердечником 9.

В зазоре 3 установлен диск 10 с вырезами 11.

На Фиг. 2 диск 10 имеет устройство для вращения в виде электродвигателя 12, а катушки индуктивности 1, 2 имеют ферритовый сердечник 9.

Трансформатор Тесла 8 соединен линией 14 с высоковольтной обмоткой понижающего трансформатора Тесла 16. Низковольтная обмотка 17 трансформатора Тесла 16 соединена через конденсатор 18 с выпрямителем 19, инвертором 20 с нагрузкой 21. При большом числе пар катушек индуктивности 1, 2 и 6, 7 все резонансные контуры каждой пары катушек индуктивности присоединены к нагрузке параллельно и через трансформаторы Тесла 7 и 16 и выпрямитель 19 по постоянному току или через инвертор 20 по переменному току.

В варианте устройства усиления электрических сигналов может иметь N пар катушек индуктивности 1 и 2, 6 и 7 и N резонансных контуров 5, 2N трансформаторов Тесла 8 и 16, N выпрямителей 19, N инверторов 20 и нагрузку. Суммирование энергии N резонансных контуров осуществляют на постоянном токе путем соединения электрических выводов N выпрямителей или на переменном токе путем соединения электрических выводов N инверторов.

В другом варианте исполнения устройства усиления электрических сигналов мощности все N пар катушек 1, 2 индуктивности соединяют последовательно в один резонансный контур, все вторичные обмотки всех катушек индуктивности 6, 7 соединяют последовательного с образованием резонансного высокочастотного трансформатора Тесла.

В этом случае суммирование энергии происходит в одном общем резонансном контуре и в общем трансформаторе Тесла, электрическую энергию передают через общую линию, второй трансформатор Тесла, выпрямитель и инвертор в нагрузку.

На фиг. 3 показан в сечении диск 10 с вырезами 11. Диаметр D_B вырезов 11 равен диаметру D_K катушек индуктивности 1 и 2, а число вырезов N_B равно числу N_nK пар катушек.

D_K=D_B, N_nK=N_B.

На фиг. 4 каждая соосно установленная пара катушек индуктивности 1, 2 и 6, 7 соединена ферритовым сердечником 22 с воздушным зазором 23, равным зазору 3 между торцами катушек индуктивности 1, 2 и 6, 7. Второй трансформатор Тесла 16 может отсутствовать. В этом варианте трансформатор Тесла 8 соединен линией 14 непосредственно с выпрямителем 19. Выпрямитель 19 присоединен через инвертор 20 к нагрузке 21.

Устройство усиления электрических сигналов работает следующим образом. При вращении диска 10 с периферийной скоростью 200 м/с в зазоре 3 между катушками индуктивности 1, 2 и 6, 7 энергия магнитного поля уменьшается, что эквивалентно уменьшению индуктивности катушек индуктивности. Когда в воздушном зазоре между катушками индуктивности 1, 2 и 6, 7 находятся вырезы 11, индуктивность контура 5 становится максимальной. Изменение индуктивности резонансного контура 5 приводит к параметрическому возбуждению электромагнитных колебаний. При изменении индуктивности с частотой 2 кГц, в два раза большей, чем резонансная частота f₀ колебаний контура, в резонансном контуре возникают мощные колебания с напряжением на катушке индуктивности 1, 2 контура 12-15 кВ. В проводниках и в катушках индуктивности 1, 2 и 6, 7 резонансного контура существуют хаотичные флуктуации электронов, энергия и амплитуда колебаний которых пропорциональна температуре окружающей среды. Как показывает теория и опыт, в резонансном контуре 5 постоянно циркулируют беспорядочные, непрерывно меняющие свое направление, частоту и величину очень слабые флуктуационные токи величиной менее 10^-12 А, наведенные теплом окружающей среды, магнитным полем Земли, атмосферными разрядами, электрическими устройствами, радиоволнами. Устройство благодаря эффекту параметрического резонанса усиливает эти электрические колебания, что приводит к увеличению мощности в цепи.

Изменение индуктивности резонансного контура соответствует введению в цель резонансного контура 5 переменной индуктивности 13. Общая индуктивность резонансного контура изменяется от L₁+L₂ до L₁+L₂-ΔL. Если частота f изменений параметров резонансного контура 5 в 2 раза превосходит резонансную частоту f₀ контура, происходит усиление энергии колебаний и напряжения на катушках индуктивности 1 и 2. Трансформатор Тесла 8 усиливает электрические колебания по напряжению и передает их по линии 14 на высоковольтную обмотку 15 второго трансформатора Тесла 16, у которого низковольтная обмотка 17 с емкостью 18 настроена на резонансную частоту f₀. Электрическую энергию с трансформатора Тесла 16 передают в выпрямитель 19, преобразуют по частоте в инверторе 20 и передают в нагрузку 21. В предлагаемом устройстве усиления электрических сигналов нагрузка отделена от резонансного контура 5 вставкой постоянного тока в виде выпрямителя 19, поэтому изменение сопротивления нагрузки 21 не влияет на добротность резонансного контура 5.

Изменение частоты f осуществляют путем регулирования числа оборотов электродвигателя 12 с помощью частотного преобразователя 22.

Пример выполнения способа и устройства усиления электрических сигналов.

Каждая катушка индуктивности 1, 2 имеет 15 витков изолированного медного провода диаметром 10 мм, намотанные на ферритовом стержне-сердечнике 9 диаметром 40 мм, длиной 150 мм. Зазор 3 между катушками индуктивности 1, 2 составляет 15 мм, ширина диска 10-10 мм, диаметр диска 400 мм. Диск 10 закреплен на подшипниках и соединен с осью однофазного электродвигателя 22 мощностью 300 Вт со скоростью вращения 6000 об/мин.

Диск 10 содержит 4 выреза 11 диаметром 60 мм, центры которых при вращении совпадают с осями катушек индуктивности 1 и 2.

Каждая катушка индуктивности имеет дополнительную обмотку 6 или 7 с числом витков 90 с образованием вторичной обмотки трансформатора Тесла 8.

Все катушки индуктивности 1 и 2 соединены между собой попарно последовательно с образованием общей первичной обмотки трансформатора Тесла 8 и с емкостью 14 с образованием резонансного контура 5 с резонансной частотой f₀=1 кГц. Все дополнительные обмотки 6 и 7 катушек индуктивности соединены между собой последовательно и образуют общую вторичную обмотку трансформатора Тесла.

Понижающий трансформатор Тесла 16 выполнен аналогично.

Напряжение на входе трансформатора Тесла 16 составляет 15 кВ, выпрямленное напряжение на выпрямителе 19 500 В, напряжение на трехфазном инверторе 20 230/380 В, частота 50 Гц, электрическая мощность 10 кВт.

Устройство усиления электрических сигналов имеет простую конструкцию, большую мощность при изменении нагрузки, устойчив к коротким замыканиям и может использоваться для питания радиостанций, в технологиях сварки, а также в качестве компактного высокочастотного источника питания.

1. Устройство усиления электрических сигналов, содержащее две группы катушек индуктивности, установленных попарно с зазором в параллельных плоскостях соосно напротив друг друга, соединенных последовательно с емкостью и образующих резонансный контур и диск с приводом от электродвигателя для периодического изменения параметров резонансного контура, установленный в зазоре между катушками индуктивности, отличающееся тем, что диск содержит по периферии диска круглые вырезы диаметром D_В, количество вырезов равно количеству пар катушек индуктивности, диаметр вырезов D_В и расстояние между вырезами равно диаметру D_К катушек индуктивности, центры вырезов расположены на окружности, равной окружности, на которой находятся центры осей катушек индуктивности, диск установлен на оси электродвигателя, которая совпадает с осью симметрии диска с вырезами и катушек индуктивности, катушки индуктивности, попарно соединенные последовательно между собой и с емкостью, образуют резонансный контур первичной обмотки резонансного высокочастотного трансформатора Тесла, каждая катушка индуктивности имеет дополнительную обмотку, дополнительные обмотки каждой катушки индуктивности образуют вторичную обмотку резонансного высокочастотного трансформатора Тесла, выводы вторичной обмотки трансформатора Тесла соединены через выпрямитель или через еще один резонансный трансформатор Тесла, выпрямитель и инвертор с нагрузкой, все резонансные контуры каждой пары катушек индуктивности присоединены к нагрузке параллельно по постоянному току после выпрямителя или по переменному току после инвертора.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что каждые две установленные соосно попарно с зазором катушки индуктивности имеют встроенные по оси ферритовые сердечники.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что каждые две установленные соосно попарно с зазором катушки индуктивности имеют общий незамкнутый ферритовый сердечник с зазором, размер которого равен зазору между катушками индуктивности.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что каждая катушка индуктивности имеет встроенный по оси постоянный магнит.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что диск выполнен из феррита.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что диск выполнен из диэлектрика и имеет на обеих поверхностях покрытие из мелкодисперсного ферромагнитного порошка с размером зерен 1-100 мкм, изолированных друг от друга слоем диэлектрика.

7. Устройство усиления электрических сигналов, содержащее две группы катушек индуктивности, установленных попарно с зазором в параллельных плоскостях соосно напротив друг друга, соединенных последовательно с емкостью и образующих резонансный контур и диск с приводом от электродвигателя для периодического изменения параметров резонансного контура, установленный в зазоре между катушками индуктивности, отличающееся тем, что диск содержит по периферии диска круглые вырезы диаметром D_В, количество вырезов равно количеству пар катушек индуктивности, диаметр вырезов и расстояние между вырезами равно диаметру катушек индуктивности, центры вырезов расположены на окружности, равной окружности, на которой находятся центры осей катушек индуктивности, диск установлен на оси электродвигателя, которая совпадает с осью симметрии диска с вырезами и катушек индуктивности, все катушки индуктивности, соединенные последовательно между собой и с емкостью, образуют общий резонансный контур первичной обмотки резонансного высокочастотного трансформатора Тесла, каждая катушка индуктивности имеет дополнительную обмотку, все дополнительные обмотки всех катушек индуктивности соединены последовательно и образуют общую вторичную обмотку резонансного высокочастотного трансформатора Тесла, а выводы вторичной обмотки трансформатора Тесла соединены через выпрямитель и инвертор или через еще один резонансный трансформатор Тесла, выпрямитель и инвертор с нагрузкой.

8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что каждые две установленные соосно попарно с зазором катушки индуктивности имеют встроенные по оси ферритовые сердечники.

9. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что каждые две установленные соосно попарно с зазором катушки индуктивности имеют общий незамкнутый ферритовый сердечник с зазором, размер которого равен зазору между катушками индуктивности.

10. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что каждая катушка индуктивности имеет встроенный по оси постоянный магнит.

11. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что диск выполнен из феррита.

12. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что диск выполнен из диэлектрика и имеет на обеих поверхностях покрытие из мелкодисперсного ферромагнитного порошка с размером зерен 1-100 мкм, изолированных друг от друга слоем диэлектрика.

13. Способ усиления электрических сигналов, включающий изменение индуктивности резонансного контура путем вращения диска между установленными попарно и соосно катушками индуктивности резонансного контура и возбуждение электромагнитных колебаний в резонансном контуре, отличающийся тем, что возбужденные в резонансном контуре колебания преобразуют по напряжению в резонансном высокочастотном трансформаторе Тесла, выпрямляют в выпрямителе и через инвертор передают электрическую энергию в нагрузку.

14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что в качестве первичной обмотки резонансного высокочастотного трансформатора Тесла используют катушки индуктивности резонансного контура.

15. Способ по п. 13, отличающийся тем, что установленные попарно соосно с зазором катушки индуктивности соединяют незамкнутым сердечником из ферромагнитного материала.

16. Способ усиления электрических сигналов, включающий изменение индуктивности резонансного контура путем вращения диска между катушками индуктивности резонансного контура и возбуждение электромагнитных колебаний в резонансном конуре, отличающийся тем, что возбужденные в резонансном контуре колебания усиливают по напряжению в резонансном высокочастотном трансформаторе Тесла, передают электрические колебания на понижающий резонансный трансформатор Тесла, усиливают электрические колебания по току в резонансном контуре понижающего трансформатора Тесла и через выпрямитель и инвертор передают электрическую энергию в нагрузку.

17. Способ по п. 15 или 16, отличающийся тем, что установленные попарно соосно с зазором катушки индуктивности соединяют незамкнутым сердечником из ферромагнитного материала.