УСТРОЙСТВО И СПОСОБ СТРЕБКОВА УСИЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ (ВАРИАНТЫ)
STREBKOV'S DEVICE AND METHOD OF ELECTRIC SIGNAL AMPLIFICATION (VERSIONS)

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам усиления электрических сигналов на основе резонансных преобразователей электрической энергии.
n
n-1
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 C 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=кP, 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 является использование только одного параметра индуктивности резонансного контура и 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 Стребкова 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 прибор для периодического изменения параметров резонансного контура, установленный в зазоре между каждыми двумя катушками индуктивности, прибор для периодического изменения параметров резонансного контура выполнен в виде короткозамкнутых солнечных элементов, соединенных оптически с источниками оптического излучения, площадь каждого солнечного элемента равна или больше площади торцевой поверхности катушки индуктивности, источники оптического излучения соединены электрически с импульсным источником питания с регулируемой частотой 100 Гц - 100 кГц, 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 понижающий резонансный трансформатор Тесла, выпрямитель и инвертор с нагрузкой, все понижающие трансформаторы присоединены к нагрузке параллельно по постоянному току после выпрямителя или по переменному току после инвертора.
В варианте устройства каждые две установленные соосно попарно с зазором катушки индуктивности имеют встроенные по оси кольцевые ферритовые сердечники, а источники света установлены с внешней стороны катушек индуктивности.
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, а источники света установлены в зазоре у торцевой части солнечных элементов.
В другом варианте устройства каждая катушка индуктивности имеет встроенный по оси постоянный магнит.
В варианте устройства источники света выполнены в виде светодиодов.
В другом варианте устройства источники света выполнены в виде люминесцентных автокатодных ламп с холодной эмиссией электронов.
Технический результат достигается также тем, что в предлагаемом устройстве Стребкова 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 прибор для периодического изменения параметров резонансного контура, установленный в зазоре между каждыми двумя катушками индуктивности, прибор для периодического изменения параметров резонансного контура выполнен в виде короткозамкнутых солнечных элементов, соединенных оптически с источниками оптического излучения, площадь каждого солнечного элемента равна или больше площади торцевой поверхности катушки индуктивности, источники оптического излучения соединены электрически с импульсным источником питания с регулируемой частотой 100 Гц - 100 кГц, катушки индуктивности, попарно соединенные последовательно между собой и с емкостью и образующие резонансный контур, соединены через выпрямитель или через понижающий резонансный трансформатор Тесла, выпрямитель и инвертор с нагрузкой, все понижающие трансформаторы присоединены к нагрузке параллельно по постоянному току после выпрямителя или по переменному току после инвертора.
В варианте устройства каждые две установленные соосно попарно с зазором катушки индуктивности имеют встроенные по оси кольцевые ферритовые сердечники, а источники света установлены с внешней стороны катушек индуктивности.
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, а источники света установлены в зазоре у торцевой части солнечных элементов.
В варианте устройства каждая катушка индуктивности имеет встроенный по оси постоянный магнит.
В варианте устройства источники света выполнены в виде светодиодов.
В варианте устройства источники света выполнены в виде люминесцентных автокатодных ламп с холодной эмиссией электронов.
Технический результат достигается также тем, что в устройстве Стребкова 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 прибор для периодического изменения параметров резонансного контура, установленный в зазоре между каждыми двумя катушками индуктивности, прибор выполнен в виде короткозамкнутых солнечных элементов, соединенных оптически с источниками оптического излучения, плоскости солнечных элементов параллельны плоскости торцов катушек индуктивности, а площадь каждого солнечного элемента равна или больше площади торцевой поверхности катушки индуктивности, источники оптического излучения соединены электрически с импульсным источником питания с регулируемой частотой 100 Гц - 100 кГц, все катушки индуктивности, соединенные последовательно между собой и с емкостью, образуют общую вторичную обмотку резонансного высокочастотного трансформатора Тесла, а выводы вторичной обмотки трансформатора Тесла соединены через диодно-конденсаторный блок или через понижающий резонансный трансформатор Тесла, выпрямитель и инвертор с нагрузкой.
В варианте устройства каждые две установленные соосно попарно с зазором катушки индуктивности имеют встроенные по оси кольцевые ферритовые сердечники, а источники света установлены с внешней стороны катушек индуктивности.
В 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, а источники света установлены в зазоре у торцевой части солнечных элементов.
В варианте устройства каждая катушка индуктивности имеет встроенный по оси постоянный магнит.
В варианте устройства источники света выполнены в виде светодиодов.
В другом варианте устройства источники света выполнены в виде люминесцентных автокатодных ламп с холодной эмиссией электронов.
Технический результат достигается также тем, что в устройстве Стребкова 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 прибор для периодического изменения параметров резонансного контура, установленный в зазоре между каждыми двумя катушками индуктивности, прибор выполнен в виде короткозамкнутых солнечных элементов, соединенных оптически с источниками оптического излучения, плоскости солнечных элементов параллельны плоскости торцевой поверхности катушек индуктивности, а площадь каждого солнечного элемента равна или больше площади торцевой поверхности катушки индуктивности, источники оптического излучения соединены электрически с импульсным источником питания с регулируемой частотой 100 Гц - 100 кГц, все катушки индуктивности, соединенные последовательно между собой и с емкостью и образующие общий резонансный контур, соединены через выпрямитель или через понижающий резонансный трансформатор Тесла, выпрямитель и инвертор с нагрузкой.
В варианте устройства каждые две установленные соосно попарно с зазором катушки индуктивности имеют встроенные по оси кольцевые ферритовые сердечники, а источники света установлены с внешней стороны катушек индуктивности.
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, а источники света установлены в зазоре у торцевой части солнечных элементов.
В другом варианте устройства каждая катушка индуктивности имеет встроенный по оси постоянный магнит.
В варианте устройства источники света выполнены в виде светодиодов.
c
0
c
0
Технический результат достигается также тем, что в способе Стребкова усиления электрических сигналов, включающем периодическое изменение параметров резонансного контура путем изменения энергии электромагнитного поля в установленных попарно и соосно катушках индуктивности резонансного контура и возбуждения электромагнитных колебаний в резонансном контуре, в зазоре между катушками индуктивности устанавливают короткозамкнутые солнечные элементы, солнечные элементы освещают импульсным излучением с частотой 100 Г - 100 кГц, возбуждают в катушках индуктивности и в солнечных элементах колебания электромагнитного поля, изменяют индуктивность резонансного контура, с частотой f, в два раза большей резонансной частоты f резонансного контура, f=2f, 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 в качестве первичной обмотки резонансного высокочастотного трансформатора Тесла используют катушки индуктивности резонансного контура, а источники света устанавливают с внешней стороны катушек индуктивности.
В варианте способа установленные попарно соосно с зазором катушки индуктивности соединяют незамкнутым сердечником из ферромагнитного материала, например, феррита, а источники света устанавливают в зазоре у торцевой части солнечных элементов.
Изобретение иллюстрируется фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6.
На фиг. 1 представлена электрическая блок-схема устройства и способа усиления электрических сигналов с использованием солнечных элементов для изменения индуктивности в независимых резонансных контурах с двумя трансформаторами Тесла в каждом резонансном контуре.
На фиг. 2 - электрическая блок-схема устройства и способа усиления электрических сигналов с использованием солнечных элементов для изменения индуктивности в независимых резонансных контурах с понижающими трансформаторами Тесла в каждом резонансном контуре.
На фиг. 3 - электрическая блок-схема устройства усиления электрических сигналов с использованием катушек индуктивности с кольцевыми ферритами и источниками света с внешней стороны катушек индуктивности.
На фиг 4 - электрическая блок-схема устройства усиления электрических сигналов с общим незамкнутым сердечником для каждой пары попарно соосно установленных катушек индуктивности с источниками света у торцевой части солнечных элементов.
На фиг. 5 - электрическая блок-схема устройства и способа усиления электрических сигналов с использованием солнечных элементов для изменения индуктивности общего резонансного контура с двумя трансформаторами Тесла.
На фиг. 6 - электрическая блок-схема устройства и способа усиления электрических сигналов с использованием солнечных элементов для изменения индуктивности общего резонансного контура с одним понижающим трансформатором Тесла.
Устройство Стребкова усиления электрических сигналов на фиг. 1 содержит две группы катушек индуктивности 1 и 2, установленных попарно с зазором 3 в параллельных плоскостях 4 соосно напротив друг друга, соединенных последовательно с емкостью 5 и образующих резонансный контур 6. Прибор 7 для периодического изменения параметров резонансного контура 6, установленный в зазоре 3 между каждыми двумя катушками индуктивности 1, 2, выполнен в виде короткозамкнутых солнечных элементов 8, соединенных оптически с источниками оптического излучения 9. Площадь S1 каждого солнечного элемента 8 равна или больше площади S2 торцевой поверхности 10 катушки индуктивности 1, 2. Источники оптического излучения 9 установлены с внешней стороны катушек индуктивности 1. 2 и соединены электрически с импульсным источником питания 11 с регулируемой частотой 100 Гц-100 кГц. Катушки индуктивности 1, 2, попарно соединенные последовательно между собой и с емкостью 5, образуют резонансный контур 6 первичной обмотки 12 резонансного высокочастотного трансформатора Тесла 13, каждая катушка индуктивности 1, 2 имеет дополнительную обмотку 14, дополнительные обмотки 14 каждой катушки индуктивности 1, 2 образуют вторичную обмотку 15 резонансного высокочастотного трансформатора Тесла 13, выводы вторичной обмотки трансформатора Тесла 13 соединены через понижающий резонансный трансформатор Тесла 16, выпрямитель 17 и инвертор 18 с нагрузкой 19, все резонансные трансформаторы Тесла 16 присоединены к нагрузке 19 параллельно по постоянному току после выпрямителя 17.
На фиг. 2 каждые две установленные соосно пары катушек индуктивностей 1, 2, попарно соединенные последовательно между собой и с емкостью 5 и образующие независимый резонансный контур 6, соединены через понижающий трансформатор Тесла 16, выпрямитель 17 и с общим инвертором 18 с нагрузкой 19. Все резонансные и понижающие трансформаторы Тесла 16 присоединены к нагрузке 19 параллельно по постоянному току после выпрямителя 17.
Источники света 9 выполнены в виде светодиодов или в виде люминесцентных автокатодных ламп с холодной эмиссией электронов и установлены по оси 20 катушек индуктивности 1. 2 с наружной стороны 21 катушек индуктивности 1. 2, противоположной зазору с солнечными элементами 8.
Солнечные элементы 8 имеют плоскости р-n переходов 22 и металлических контактов 23, параллельные плоскости торцевой поверхности 10 катушек индуктивности 1. 2 резонансного контура 6. Контакты 21 солнечных элементов 8 закорочены между собой с помощью металлической перемычки 24.
Солнечные элементы 8 выполнены из полупроводникового материала, например, кремния, который при отсутствии освещения прозрачен для магнитного поля катушек индуктивности 1 и 2. Для того, что исключить экранирование магнитного поля металлическими контактами 22 солнечных элементов 8, контакты 22 выполнены в виде тонких полос шириной 100-200 мкм, которые размещены друг на другом на обоих сторонах солнечного элемента 8, при этом общая площадь контактов 22 на поверхности солнечного элемента не превышает 5% площади солнечного элемента 8.
На фиг. 3 каждые две установленные соосно попарно с зазором катушки индуктивности 1, 2 имеют встроенные по оси кольцевые ферритовые сердечники 25, а источники света 9 установлены на оси 20 с наружной стороны катушек индуктивности 1 и 2.
На фиг. 4 каждые две установленные соосно попарно с зазором 3 катушки индуктивности 1, 2 имеют общий незамкнутый ферритовый сердечник 26 с зазором, размер которого равен зазору 3 между катушками индуктивности 1 и 2, а источник света 9 установлен в зазоре 3 у торцевой части солнечных элементов 8.
На фиг. 5 все катушки индуктивности 1, 2 соединены последовательно между собой и с емкостью 5, образуют общую первичную обмотку 27 резонансного высокочастотного трансформатора 28, все дополнительные обмотки 14 соединены последовательно между собой и образуют вторичную обмотку 29 резонансного высокочастотного трансформатора 28, а выводы вторичной обмотки 29 трансформатора Тесла 28 соединены через еще второй резонансный трансформатор Тесла 30, выпрямитель 31 и инвертор 32 с нагрузкой 33.
На фиг. 6 все катушки индуктивности соединены последовательно между собой и с емкостью 5 и образуют общий резонансный контур 34, соединены через понижающий резонансный трансформатор Тесла 35, выпрямитель 36 и инвертор 37 с нагрузкой 38.
с
o
c
o
Способ Стребкова усиления электрических сигналов реализуется следующим образом. Устанавливают попарно и соосно катушки индуктивности и соединяют их последовательно с емкостью 5 резонансного контура 34 (фиг. 6), в зазоре 3 между катушками индуктивности 1, 2 устанавливают короткозамкнутые солнечные элементы 8, солнечные элементы 8 освещают импульсным излучением с частотой 100 Гц - 100 кГц, возбуждают в катушках индуктивности 1, 2 и в солнечных элементах 8 колебания электромагнитного поля, изменяют индуктивность резонансного контура 34 с частотой f в два раза большей резонансной частоты f резонансного контура, f=2f, возбужденные в резонансном контуре 34 колебания преобразуют по напряжению в резонансном контуре 34 колебания преобразуют по напряжению в резонансном высокочастотном трансформаторе Тесла 28, выпрямляют в выпрямителе 31 и через инвертор 32 передают электрическую энергию в нагрузку 33.
При освещении короткозамкнутых солнечных элементов 8 по всей площади солнечных элементов протекает ток короткого замыкания, который создает собственное магнитное поле и экранирует магнитное поле катушек индуктивности 1 и 2, при этом энергия магнитного поля катушек индуктивности изменяется, что эквивалентно уменьшению индуктивности катушек индуктивности 1 и 2. При выключении освещения солнечных элементов 8 эффективная самоиндукция катушек индуктивности 1 и 2 становится максимальной.
o
-12
-10
Изменение индуктивности резонансного контура 6 приводит к параметрическому возбуждению электромагнитных колебаний. При изменении индуктивности с частотой 2 кГц, в два раза большей, чем резонансная частота f колебаний контура 6, в резонансном контуре возникают мощные колебания с напряжением на катушке самоиндукции 1, 2 контура 12-15 кВ. В проводниках и в катушках 1, 2 резонансного контура 6 существуют хаотичные флуктации электронов, энергия и амплитуда колебаний которых пропорциональна температуре окружающей среды. Как показывают теория и опыт, в резонансном контуре 6 постоянно циркулируют беспорядочные, непрерывно меняющие свое направление, частоту и величину очень слабые флуктуационные токи величиной 10-10 А, наведенные теплом окружающей среды, магнитным полем Земли, атмосферными разрядами, электрическими устройствами, радиоволнами. Параметрический резонансный усилитель мощности усиливает эти электрические колебания, что приводит к увеличению мощности в цепи.
1
2
1
2
o
o
Изменение индуктивности резонансного контура 6 соответствует введению в цель резонансного контура 6 переменной индуктивности. Общая индуктивность резонансного контура 6 изменяется от от L+L до L+L-ΔL. Если частота f изменений параметров резонансного контура 6 в 2 раза превосходит резонансную частоту f 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 однопроводной линии 14 на высоковольтную обмотку 15 понижающего трансформатора Тесла 16, у которого низковольтная обмотка 17 с емкостью 18 настроена на резонансную частоту f. Электрическую энергию с трансформатора Тесла 16 передают в выпрямитель 17, преобразуют по частоте в инверторе 18 и передают в нагрузку 19.
Изменение частоты f осуществляют путем регулирования частоты импульсов освещения источников оптического излучения 9 с помощью импульсного источника питания 11.
Пример выполнения устройства и способа Стребкова усиления электрических сигналов.
Каждая катушка индуктивности 1, 2 (фиг. 1) диаметром 80 мм, длиной 150 мм имеет 12 витков изолированного медного провода диаметром 10 мм, намотанные на кольцевом ферритовом сердечнике 23 (фиг. 3). Зазор 3 между катушками индуктивности 1, 2 составляет 15 мм, количество солнечных элементов 8-2, толщина каждого солнечного элемента 0,5 мм, диаметр солнечного элемента 100 мм. Два источника света 9 на основе светодиодов общей электрической мощностью 100 Вт установлены с внешней стороны 2 катушек индуктивности 1 и 2 и присоединены параллельно к импульсному источнику питания 11. Кремниевые солнечные элементы установлены осеметрично на оси 20. Освещение солнечных элементов 8 от источников света 11 осуществляют по оси 20 через внутреннюю полость катушек индуктивности 1, 2.
Каждая катушка индуктивности имеет дополнительную обмотку 14 с числом витков 92 с образованием вторичной обмотки 15 резонансного трансформатора Тесла 13.
o
Катушки индуктивности 1 и 2 соединены между собой попарно последовательно с образованием общей первичной обмотки 12 трансформатора Тесла 13 и с емкостью 5 с образованием резонансного контура 6 с резонансной частотой f=2 кГц. Дополнительные обмотки 14 катушек индуктивности соединены между собой последовательно и образуют общую вторичную обмотку 15 трансформатора Тесла 13.
2
Ток короткого замыкания солнечного элемента 8 составляет в импульсном режиме 5А при освещенности 0,5 Вт/см.
Напряжение на входе понижающего трансформатора Тесла 16 составляет 12 кВ, выпрямленное напряжение на выпрямителе 19 - 500 В, напряжение на трехфазном инверторе 20 - 230/380 В, чистота 50 Гц, электрическая мощность 6 кВт.
Устройство усиления электрических сигналов имеет простую конструкцию, большую мощность при изменении нагрузки, устойчиво к коротким замыканиям и может использоваться для питания радиостанций, в технологиях сварки, а также в качестве компактного высокочастотного источника питания.