УДВОИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ НА ТРАНСФОРМАТОРЕ
FREQUENCY DOUBLER ON TRANSFORMER

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для удвоения частоты и преобразования амплитуды переменного напряжения. Может применяться в электротехнике в качестве составной части различных электрических схем или в виде отдельного устройства.
Известен удвоитель частоты Жоли-Эпштейна [1], состоящий из двух трансформаторов с включенными последовательно первичными обмотками. Выходная цепь образована соединенными встречно вторичными обмотками этих же трансформаторов и подключена к источнику постоянного тока, создающему смещение намагниченности (иногда для этой цели используются отдельные обмотки или постоянные магниты). При хорошей балансировке обмоток входной сигнал полностью компенсируется и на выходе возникает только переменное напряжение удвоенной частоты. Значительная амплитуда второй гармоники обусловлена неодинаковой передачей положительной и отрицательной полуволн входного напряжения из-за нелинейности кривой намагниченности сердечников и асимметрии, вызванной наведенной извне постоянной составляющей. Если объединить вторичную обмотку, пропустив ее сразу через оба сердечника, получается слегка усовершенствованный вариант удвоителя [2].
Наиболее близким к заявляемому здесь техническому решению является удвоитель частоты [3], в котором используется один сердечник, полученный совмещением двух упомянутых по отрезкам, проходящим через вторичную обмотку. Хотя в этом случае распределение магнитных потоков несколько иное, чем в двух раздельных сердечниках, принцип работы удвоителя остается прежним.
В приведенных примерах основным недостатком является наличие, по меньшей мере, двух первичных обмоток (или разнесенных секций одной обмотки), что обуславливает дополнительные сложности по их балансировке для погашения сигнала исходной частоты. В практических схемах эту проблему, как правило, решают добавлением в выходные цепи настроенного на входную частоту подавляющего резонансного фильтра. Очевидно, что при варьировании частоты данный метод не годится.
Кардинальным решением для преодоления указанной трудности является создание трансформаторного удвоителя, имеющего не разбитые на секции одну первичную и одну вторичную обмотки, что и сделано в предлагаемом устройстве (чертеж). Первичная обмотка 1 и вторичная обмотка 2 располагаются на сердечнике 3. Подмагничивание создается постоянными магнитами 4 и 5. Существенным отличием сердечника является присутствие свободного от обмоток замкнутого магнитопровода с четырьмя узлами. Из них два образованы присоединенными концами магнитопроводящего отрезка, несущего первичную обмотку, а два других - концами отрезка, несущего вторичную обмотку. Между последними узлами от одного к другому наводится постоянная намагниченность.
Принцип работы удвоителя состоит в следующем. Форма сердечника представляет собой своеобразный мост магнитных потоков (к известным схемам мостовых удвоителей не имеет отношения, поскольку те работают на дисбалансе электрических напряжений). Создаваемый первичной обмоткой магнитный поток делится в замкнутом магнитопроводе пополам. При отсутствии внешнего подмагничивания из-за симметричности подключения отрезка со вторичной обмоткой через нее не протекает никакого магнитного потока. Мост оказывается сбалансированным. При наличии магнитного смещения из-за нелинейности кривой намагничивания материала сердечника магнитные потоки в разделенных узлами соседних промежутках замкнутого магнитопровода становятся различными. При этом изменения происходят симметрично относительно центральной оси замкнутого магнитопровода.
Такая разбалансировка моста является оптимальной для передачи магнитного потока через отрезок, несущий вторичную обмотку. Поскольку внешнее подмагничивание направлено симметрично относительно концов отрезка с первичной обмоткой, разбаланс моста не зависит от полярности первичного магнитного потока, что ведет к удвоению частоты выходного напряжения относительно входного.
Несложная экспериментальная проверка подтвердила работоспособность заявленного устройства и правильность идей, лежащих в основе его конструкции.
Источники информации
1. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА И ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА. Справочник, Т.З. «Советская энциклопедия». Москва, 1964, с.80.
2. В.П.Миловзоров. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ТЕХНИКА. «Высшая школа», Москва, 1966, с.455.
3. В.А.Гейгер. СХЕМЫ МАГНИТНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ. Перевод с английского Д.А.Липмана, И.И.Ратгауза. Под общей редакцией И.Я.Лехтмана. «Государственное энергетическое издательство». Москва, 1959, с.298.