Генераторы импульсов являются важной составляющей многих радиоэлектронных устройств. Простейший генератор импульсов (мультивибратор) может быть получен из двух-каскадного УНЧ (рис. 6.1). Для этого достаточно соединить вход усилителя с его выходом. Рабочая частота такого генератора определяется значениями R1C1, R3C2 и напряжением питания. На рис. 6.2, 6.3 показаны схемы мультивибраторов, полученные простой перестановкой элементов (деталей) схемы, изображенной на рис. 6.1. Отсюда следует, что одну и ту же простейшую схему можно изобразить различными способами.
Практические примеры использования мультивибратора приведены на рис. 6.4, 6.5.
На рис. 6.4 показана схема генератора, позволяющего плавно перераспределять длительность или яркость свечения светодиодов, включенных в качестве нагрузки в цепи коллекторов. Вращением ручки потенциометра R3 можно управлять соотношением длительностей свечения светодиодов левой и правой ветвей. Если увеличить емкость конденсаторов С1 и С2, частота генерации понизится, светодиоды начнут мигать. При уменьшении емкости этих конденсаторов частота генерации возрастает, мелькание светодиодов сольется в сплошное свечение, яркость которого будет зависеть от положения ручки потенциометра R3. На основе подобного схемного решения могут быть собраны разнообразные полезные конструкции, например, регулятор яркости светодиодного фонарика; игрушка с мигающими глазами; устройство плавного изменения спектрального состава источника излучения (разноцветные светодиоды или миниатюрные лампочки и светосуммирую-щий экран).
Генератор переменной частоты (рис. 6.5) конструкции В. Цибульского позволяет получать плавно изменяющееся со временем по частоте звучание [Р 5/85-54]. При включении генератора его частота возрастает с 300 до 3000 Гц за 6 сек (при емкости конденсатора СЗ 500 мкФ). Изменение емкости этого конденсатора в ту или иную сторону ускоряет или, напротив, замедляет скорость изменения частоты. Плавно изменять эту скорость можно и переменным сопротивлением R6. Для того чтобы этот генератор мог выполнять роль сирены, или быть использованным в качестве генератора качающейся частоты, можно предусмотреть схему принудительного периодического разряда конденсатора СЗ. Такие эксперименты можно рекомендовать для самостоятельного расширения познаний в области импульсной техники.
Управляемый генератор прямоугольных импульсов показан на рис. 6.6 [Р 10/76-60]. Генератор также представляет собой двухкаскадный усилитель, охваченный положительной обратной связью. Для упрощения схемы генератора достаточно соединить эмиттеры транзисторов конденсатором. Емкость этого конденсатора определяет рабочую частоту генерации. В данной схеме для управления частотой генерации в качестве управляемой напряжением емкости использован варикап. Увеличение запирающего напряжения на варикапе приводит к уменьшению его емкости. Соответственно, как показано на рис. 6.7, возрастает рабочая частота генерации.
Варикап, в порядке эксперимента и изучения принципа работы этого полупроводникового прибора, можно заменить простым диодом. При этом следует учитывать, что германиевые точечные диоды (например, Д9) имеют очень малую начальную емкость (порядка нескольких пФ), и, соответственно, обеспечивают небольшое изменение этой емкости от величины приложенного напряжения. Кремниевые диоды, особенно силовые, рассчитанные на большой ток, а также стабилитроны, имеют начальную емкость 100... 1000 пФ, поэтому зачастую могут быть использованы вместо варикапов. В качестве варикапов можно применить и р-n переходы транзисторов, см. также главу 2.
Для контроля работы сигнал с генератора (рис. 6.6) можно подать на вход частотометра и проверить границы перестройки генератора при изменении величины управляющего напряжения, а также при смене варикапа или его аналога. Рекомендуется полученные результаты (значения управляющего напряжения и частоту генерации) при использовании разного вида варикапов занести в таблицу и отобразить на графике (см., например, рис. 6.7). Отметим, что стабильность генераторов на RC-элементах невысока.
На рис. 6.8, 6.9 показаны типовые схемы генераторов световых и звуковых импульсов, выполненные на транзисторах различного типа проводимости. Генераторы работоспособны в широком диапазоне питающих напряжений. Первый из них вырабатывает короткие вспышки света частотой единицы Гц, второй — импульсы звуковой частоты. Соответственно, первый генератор может быть использован в качестве маячка, светового метронома, второй — в качестве звукового генератора, частота колебаний которого зависит от положения ручки потенциометра R1. Эти генераторы можно объединить в единое целое. Для этого достаточно один из генераторов включить в качестве нагрузки другого, либо параллельно ей. Например, вместо цепочки из светодиода HL1, R2 или параллельно ей (рис. 6.8) можно включить генератор по схеме на рис. 6.9. В итоге получится устройство периодической звуковой или светозвуковой сигнализации.
Генератор импульсов (рис. 6.10), выполненный на составном транзисторе (п-р-п и р-п-р), не содержит конденсаторов (в качестве частотозадающего конденсатора использован пьезокерамиче-ский излучатель BF1). Генератор работает при напряжении от 1 до 10 Б и потребляет ток от 0,4 до 5 мА. Для повышения громкости звучания пьезокерамического излучателя его настраивают на резонансную частоту подбором резистора R1.
На рис. 6.11 показан достаточно оригинальный генератор релаксационных колебаний, выполненный на биполярном лавинном транзисторе.
Генератор содержит в качестве активного элемента транзистор микросхемы К101КТ1А с инверсным включением в режиме с «оборванной» базой. Лавинный транзистор может быть заменен его аналогом (см. рис. 2.1).
Устройства (рис. 6.11) часто используют для преобразования измеряемого параметра (интенсивности светового потока, температуры, давления, влажности и т.д.) в частоту при помощи резистивных или емкостных датчиков.
При работе генератора конденсатор, подключенный параллельно активному элементу, заряжается от источника питания через резистор. Когда напряжение на конденсаторе достигает напряжения пробоя активного элемента (лавинного транзистора, динистора или т.п. элемента), происходит разряд конденсатора на сопротивление нагрузки, после чего процесс повторяется с частотой, определяемой постоянной RC-цепи. Резистор R1 ограничивает максимальный ток через транзистор, препятствуя его тепловому пробою. Времязадающая цепь генератора (R1C1) определяет рабочую область частот генерации. В качестве индикатора звуковых колебаний при качественном контроле работы генератора используют головные телефоны. Для количественной оценки частоты к выходу генератора может быть подключен частотомер или счетчик импульсов.
Устройство работоспособно в широком интервале изменения параметров: R1 от 10 до 100 кОм (и даже до 10 МОм), С1 — от 100 пФ до 1000 мкФ, напряжения питания от 8 до 300 В. Потребляемый устройством ток обычно не превышает одного мА. Возможна работа генератора в ждущем режиме: при замыкании базы транзистора на землю (общую шину) генерация срывается. Преобразователь-генератор (рис. 6.11) может быть использован и в режиме сенсорного ключа, простейшего Rx-и Сх-метра, перестраиваемого широкодиапазонного генератора импульсов и т.д.
Генераторы импульсов (рис. 6.12, 6.13) также выполнены на лавинных транзисторах микросхемы К101КТ1 типа п-р-п или К162КТ1 типа р-п-р, динисторах, или их аналогах (см. рис. 2.1). Генераторы работают при напряжении питания выше 9 Б и вырабатывают напряжение треугольной формы. Выходной сигнал снимается с одного из выводов конденсатора. Входное сопротивление следующего за генератором каскада (сопротивление нагрузки) должно в десятки раз превышать величину сопротивления R1 (или R2). Низкоомную нагрузку (до 1 кОм) можно включать в коллекторную цепь одного из транзисторов генератора.
Довольно простые и часто встречающиеся на практике генераторы импульсов (блокинг-генераторы) с использованием индуктивной обратной связи показаны на рис. 6.14 [А. с. СССР 728214], 6.15 и 6.16. Такие генераторы обычно работоспособны в широком диапазоне изменения напряжения питания. При сборке блокинг-генераторов необходимо соблюдать фазировку выводов: при неправильном подключении «полярности» обмотки генератор не заработает.
Подобные генераторы можно использовать при проверке трансформаторов на наличие межвитковых замыканий (см. главу 32): никаким иным методом такие дефекты не могут быть выявлены.
Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год
Генератор импульсных токов (ГИТ) предназначен для первичного преобразования электрической энергии. Включает электрическую сеть переменного тока частотой 50 Гц, высоковольтный трансформатор, выпрямитель, токоограничивающее устройство, аппаратуру защиты. В ГИТе выделяют зарядный и разрядный контуры, которые связаны между собой батареей конденсаторов. ГИТ, являющийся источником питания, связан с технологическим блоком через разрядный контур.
Импульсные генераторы характеризуются следующими основными параметрами: напряжением на батарее конденсаторов U,
электрической емкостью батареи С, накопленной в конденсаторах энергией W н,
энергией в импульсе W 0
частотой следования импульсов υ.
Назначение зарядного контура - заряжание батареи конденсаторов до заданного напряжения. Контур включает токоограничивающее устройство, повышающий трансформаторе и высоковольтный выпрямитель. Для выпрямления зарядного тока применяют селеновые или кремниевые столбы. Высоковольтным трансформатором исходное напряжение питающей сети 380/220 В повышается до (2-70) 10 3 В.
В схеме L - С – D
имеем ή 3 > 50 %.
При применении генераторов импульсных токов значительны потери энергии на стадии формирования разряда. Этого недостатка лишена распространенная система, в которой сочетаются генераторы импульсных токов и напряжения (рис. 30). В этой системе пробой формирующего промежутка производится за счет энергии конденсаторной батареи генератора напряжения, что создает токопроводящий канал в основном рабочем промежутке и обеспечивает выделение основной энергии разряда в разрядном промежутке генератора импульсных токов.
Характерное для такой системы соотношение электрических напряжений и емкостей составляет: » при где индекс 1 соответствует генератору напряжений, а индекс 2 - генератору токов. Так, к примеру
Энергетические и массогабаритные показатели генератора существенно зависят от высоковольтного трансформатора и выпрямителя. Коэффициент полезного действия зарядно-выпрямительного устройства повышается при применении высоковольтных кремниевых столбов. Выпрямители имеют высокие характеристические показатели - удельный
объем от 0,03 до 0,28 м 3 /кВт и удельную массу 25-151 кг/кВт.
В электроимпульсных установках применяются также единые блоки, включающие трансформатор и выпрямитель, что уменьшает основные размеры и упрощает коммутационную сеть.
Импульсные конденсаторы предназначены для накопления электрической энергии. Высоковольтные импульсные конденсаторы должны обладать повышенной удельной энергоемкостью, малой внутренней индуктивностью и малым сопротивлением при больших токах разряда, способностью выдерживать многократные циклы заряд-разряд. Основные технические данные импульсных конденсаторов приведены ниже.
Напряжение (номинальное), кВ...................................5-50
Емкость (номинальная), мкФ. . ...................................0,5-800
Частота разряда, число импульсов/мин.......................1-780
Ток разряда, кА...............................................................0,5-300
Энергоемкость, Дж/кг....................................................4,3-30
Ресурс, число импульсов...............................................10 э - 3 10 7
Одной из основных характеристик импульсных конденсаторов, влияющей на размеры батареи и электроимпульсной установки в целом, является показатель удельной объемной энергоемкости
(3.23)
где Е н
- накапливаемая энергия; V к
- объем конденсатора.
Для существующих конденсаторов ω с
= 20 -г 70 кДж/м 3 , что определяет повышенные размеры накопителей. Так объем батареи для Е н
= 100 кДж составляет 1,5-5,0 м 3 . В накопителях установок конденсаторы соединяют в батареи, что обеспечивает суммирование их электрической емкости, которая равна 100-8000 мкФ.
Высоковольтные коммутаторы применяются для мгновенного выделения в технологическом узле электрической энергии, накопленной в батарее конденсаторов. Высоковольтные коммутаторы (разрядники)" выполняют две функции: отключают разрядную цепь
от накопителя при его заряжании; мгновенно включают накопитель в цепь нагрузки.
Возможны различные конструктивные схемы разрядников и соответствующие этим схемам типы коммутаторов: воздушные, вакуумные, газонаполненные, контактные тарельчатые, игнитронные и тригатронные, с твердым диэлектриком.
Основные требования к коммутаторам следующие - выдерживать высоковольтное рабочее напряжение без пробоя, иметь малую индуктивность и малое сопротивление, обеспечивать заданную частоту следования импульса тока.
В лабораторных электроимпульсных установках применяются преимущественно разрядники воздушного типа, обеспечивающие коммутацию больших энергий при длительном сроке эксплуатации и имеющие сравнительно простую конструктивную схему (рис. 31).
Разрядники этого типа имеют ряд существенных недостатков, ограничивающих их применение: влияние состояния поверхности и состояния атмосферного воздуха (запыленности, влажности, давления) на стабильность воспроизводимого импульса; образуются оксиды азота, оказывающие воздействие на человека; образуется мощное высокочастотное звуковое давление.
В промышленных передвижных установках распространение получили механические тарельчатые коммутаторы (см. рис. 31, а).
Разрядники этого типа просты по электрической схеме и конструктивному исполнению, надежны при транспортировке и работе на участках с пересеченным рельефом, но требуют регулярной очистки поверхности тарельчатых элементов. I
В состав электроимпульсной установки входят также блоки управления импульсным генератором и технологическим процессом, системы защиты и блокировок, вспомогательные системы, обеспечивающие механизацию и автоматизацию процессов в технологическом узле.
Блок управления включает электрические схемы запуска, блокировки и схему формирования импульса синхронизации.
Система блокировки служит для «мгновенного отключения высоковольтного напряжения. Система контроля состоит из вольтметра и киповольтметра, указывающих соответственно напряжение сети и на батарее конденсаторов, из индикаторных ламп, звуковых сигналов, а также частотомера.
Технологический узел
Технологический узел предназначен для преобразования электрической энергии в другие виды энергии и для передачи преобразованной энергии на объект обработки.
Применительно к специфике разрядно-импульсной технологии разрушения горных пород технологический узел включает: рабочую разрядную камеру, рабочий орган в виде электродной системы или электрогидравлического взрывателя, устройство для впуска и выпуска рабочей жидкости и устройство перемещения электродов или взрывающегося проводника (рис. 32). Рабочая разрядная камера заполняется рабочей жидкостью или специальным диэлектрическим составом.
Разрядные (рабочие) камеры делят на открытые и закрытые, заглубленные и поверхностные, стационарные, перемешающиеся и выносные. Камеры могут быть одноразовые и многоразовые; вертикальные, горизонтальные и наклонные. Тип и форма рабочей камеры должны обеспечивать максимальное выделение накопленной электрической энергии, максимальный к л.д. преобразования этой энергии в механическую, передачу этой энергии на объект обработки или в заданную его зону.
Рабочий технологический орган предназначен для непосредственного преобразования электрической энергии в механическую и для ввода этой энергии в рабочую среду, а через нее - на объект обработки. Тип рабочего органа зависит от используемой в данном технологическом процессе разновидности электрического разряда в жидкости - при свободном формировании разряда рациональны электродные системы (рис. 33, а);
при инициируемом разряде - электрогидравлический взрыватель с взрывающимся проводником (рис. 33,6).
Рабочий орган испытывает динамические нагрузки, действие электромагнитного поля и ультрафиолетовых излучений, а также влияние рабочей жидкости.
Электродная система применяется при свободном формировании разряда. По конструктивному фактору выделяют стержневые линейные и коаксиальные системы. Наиболее просты по исполнению линейные (противостоящие или параллельные) системы с сочетаниями форм электродов острие - острие и острие - плоскость. Недостатками линейных систем являются их значительная индуктивность (1-10 мкГн) и ненаправленность действия.
Более совершенны коаксиальные системы, имеющие малую собственную индуктивность и большой к.п.д. преобразования накопленной электрической энергии в энергию плазмы. Недостаток коаксиальных систем - их малая надежность и недолговечность. Электродная система является технологичной и высокопроизводительной за счет высокой частоты процесса создания механических нагружающих усилий.
По числу повторных разрядов выделяют системы разового и многократного действия. Более экономичны и производительны системы многократного действия. Величина энергии, преобразуемой электродной системой, также влияет на конструктивное исполнение и долговечность.
В горной промышленности большее применение получили электродные системы, рассчитанные на с частотой следования импульсов 1-12 в минуту. При электрическом разряде из-за тепловых процессов происходит эрозия электродов, интенсивность которой зависит от материала электродов и рабочей жидкости, а также от количества энергии, выделяющейся в
канале разряда. Рабочая часть электродов изготавливается из стали Ст3 или Ст45; диаметр выступающей части должен быть более 8 мм при длине не менее 12 мм. В зоне электрода температура плавления железа достигается за 10 -6 с, а температура кипения за 5 10 -6 с.
Вызванное этим интенсивное разрушение электрода сопровождается образованием плазменных струй (паров и жидких капель металла). Ослабленной зоной электрода является изоляционный слой на границе выхода стержня - токовода и воды.
Основными требованиями к электродной системе являются: высокий коэффициент преобразования электрической энергии, высокие
эксплуатационные и технологические показатели, экономически целесообразная стойкость. Наибольшую эрозионную стойкость имеют электроды из сплава меди, карбида вольфрама и никеля.
Площадь поверхности катода должна превышать площадь анода в 60-100 раз, что 6 сочетании с подачей положительного импульса напряжения на анод обеспечит снижение потерь энергии на стадии формирования разряда и повысит к.п.д. системы. Рациональный материал изоляции - стеклопластик, вакуумная резина, полиэтилен.
Электрогидравлический взрыватель применяется при инициируемом разряде, воспринимает динамические нагрузки, воздействие сильноточных полей и рабочей жидкости, что приводит к разрушению корпуса, изоляции и электрода.
В электрогидравлическом взрывателе положительный электрод изолирован от корпуса; взрывающийся проводник устанавливается между электродом и заземленным корпусом, выполняющим роль отрицательного электрода.
В зависимости от решаемых технологических задач применяются проводники из меди, алюминия, вольфрама; размеры проводника в пределах диаметр 0,25-2 мм, длина 60-300 мм. Конструкция электрогидравлического взрывателя должна обеспечивать концентрацию энергии в требуемом направлении и формирование цилиндрического по форме фронта ударной волны, а также технологичность операций по установке и замене взрывающегося проводника.
Для выполнения части этих требований необходимо, чтобы корпус электрогидравлического взрывателя служил жесткой преградой Для распространяющегося фронта волн.
Это обеспечивается применением специальных кумулятивных выемок в корпусе взрывателя и определенного сочетания линейных размеров корпуса и проводника. Так, диаметр корпуса взрывателя должен в 60 раз и более превышать диаметр взрывающегося проводника.
В последние годы разработаны новые конструктивные схемы и специальные устройства, повышающие эффективность действия рабочих органов, обеспечивающие направленность действия на объект обработки образуемых волн и гидропотока.
К таким устройствам относят пассивные отражающие поверхности, электроды со сложной геометрией, генераторы расходящихся волн. Имеются также устройства для протяжки взрывающегося проводника, что осложняет конструкцию взрывателя, но повышает технологичность процесса.
Для непосредственного преобразования энергии электрического разряда в энергию импульса сжатия применяют специальные электровзрывные патроны (рис. 34).
Рабочая жидкость, заполняющая технологический узел, играет весьма существенную роль в процессе электрического разряда. Именно в жидкости воспроизводится разряд с непосредственным преобразованием электрической энергии в механическую.
В жидкости наблюдается ионизация, а также газовыделение непрореагировавших кислорода и водорода (до 0,5 10 -6 м 3 /кДж), жидкость вовлекается в движение распространяющимся фронтом волн, что образует в технологическом узле гидропоток, способный совершать механическую работу.
В качестве рабочей жидкости применяется вода (техническая, морская, дистиллированная) и водные электролиты; углеводородные (керосин, глицерин, масло трансформаторное) и силиконовые (полиметилсилоксаны) жидкости, а также специальные диэлектрические, жидкие и твердые составы. Большее применение получила техническая вода, удельная электрическая проводимость которой составляет (1- 10) См/м.
Электрическая проводимость жидкости существенно влияет на величину энергии, необходимой для формирования разряда, так как определяет величину пробойного напряжения и скорость движения стримеров. Минимальная напряженность, при которой возникают стримеры, оценивается в 3,6 10 3 В/мм.
Значения удельной электрической проводимости (См/м) некоторых жидкостей, применяемых для заполнения технологического узла, приведены ниже.
Техническая вода (водопроводная).........................................................(1-10) 10 -2
Морская вода.............................................................................................1-10
Дистиллированная вода............................................................................4,3 -10 -4
Глицерин.....................................................................................................6,4 10 -6
Видно, что диэлектрические жидкости имеют малую ионную проводимость. Удельное электрическое сопротивление жидкости (р ж) определяет также величину электрического к.п.д. и зависит от величины энергии, вводимой в единицу объема рабочей жидкости. Так, для воды параметр р ж уменьшается с увеличением до значений 500-1000 кДж/ ; с дальнейшим возрастанием W 0 параметр р ж стабилизируется в пределах 10-25 Ом-м.
Электрический разряд в жидкости зависит также от плотности рабочей жидкости - с увеличением плотности уменьшаются пик перенапряжений и крутизна спада тока. Чтобы повысить величину напряжения разрядного контура, а соответственно величину напряжения пробоя, следует применять рабочие жидкости с низкой удельной проводимостью (пример - техническую воду).
Применение жидкостей с большей проводимостью облегчает процесс образования скользящих разрядов; увеличивает потери энергии на стадии формирования канала и снижает амплитуду ударной волны.
В качестве рабочей жидкости используют также вязкие составы (веретенное масло - 70%, алюминиевый порошок - 20%, мел - 10%), что повышает на 20-25 % амплитуду ударной волны и снижает потери энергии.
В качестве диэлектрика применяют также металлизированную диэлектрическую нить и бумажные ленты, пропитанные электролитом. Ввод твердого диэлектрика уменьшает общие затраты энергии на пробой (в 4-5 раз), снижает требуемое число стримеров (в 4-6 раз) , уменьшает термическую радиацию и ультрафиолетовое излучение. Введение в поток рабочей жидкости твердых частиц токопроводящих добавок применяют взамен взрывающихся проводников.
Наиболее распространены генераторы
прямоугольных и линейно изменяющихся
(пилообразных) импульсов напряжения.
Генераторы импульсных сигналов
(импульсные генераторы) могут работать
в одном из трех режимов: автоколебательном,
ждущем и синхронизации.
В автоколебательном режиме генераторы
непрерывно формируют импульсные сигналы
без внешнего воздействия. В ждущем
режиме генераторы формируют импульсный
сигнал лишь по приходе внешнего
(запускающего) сигнала. В режиме
синхронизации генераторы вырабатывают
импульсы напряжения, частота которых
равна или кратна частоте синхронизирующего
сигнала.
Генераторы прямоугольных
импульсов
делятся на мультивибраторы
и блокинг-генераторы. И те и другие могут
работать как в автоколебательном, так
и в ждущем режимах.
Автоколебательные мультивибраторы
могут быть построены на дискретных,
логических элементах или операционных
усилителях. Автоколебательный
мультивибратор на основе ОУ представлен
на рис. 11.12.
Рис. 11.12 . Автоколебательный мультивибратор
на основе ОУ
В данной схеме с помощью резисторов
R 1 иR 2 введена положительная обратная связь,
что является необходимым условием для
возникновения электрических колебаний.
В зависимости от напряжения на выходе
(которое может быть равно либо +Е пит,
либо –Е пит, где Е пит –
напряжение питания ОУ) на неинвертирующем
входе ОУ устанавливается или напряжениеU +1 , или напряжениеU +2 . Емкость С, входящая
в цепь отрицательной обратной связи,
перезаряжается с постоянной времениτ=
RC
.
Период следования импульсов Т определяется
выражением
.
Таким образом, данный мультивибратор
формирует прямоугольные импульсы
напряжения.
Блокинг-генераторы
используют
для получения мощных прямоугольных
импульсов малой длительности (от долей
микросекунды до долей миллисекунды) и
скважностью до нескольких десятков
тысяч. Основным элементом таких
генераторов является импульсный
трансформатор (рис. 11.13).
Рис. 11.13. Автоколебательный блокинг-генератор
Блокинг-генератор может работать
в автоколебательном, ждущем режимах
или в режиме синхронизации. Во время
паузы (выходное напряжение отсутствует)
происходит перезаряд конденсатора по
цепи E–R–W 2 с постоянной времениτ
1
=RC
.
В момент времени, когда напряжение на
конденсаторе С (и, следовательно, на
базе транзистора) становится равным
нулю, транзистор начинает открываться
(выходить из режима отсечки), начинает
протекать ток коллектора, что вызывает
появление сигнала положительной обратной
связи (через обмотку трансформатораW 2), под действием
которой транзистор скачкообразно
переходит в режим насыщения. При этом
конденсатор С перезаряжается по цепиW 2 –C– входное сопротивление транзистораr
вх
с постоянной времениτ
2
=
r
вх
·С
.
При увеличении напряжения на конденсаторе
С ток базы начинает уменьшаться и в
конце заряда транзистор выходит из
насыщения и закрывается. После этого
энергия, запасенная в индуктивности,
разряжается на нагрузку. Так какr
вх
<<
R
,
то время нахождения транзистора в
открытом состоянииt
u
,
а следовательно, и длительность импульса
на нагрузке значительно меньше периода
следования импульсов.
Генератор линейно изменяющегося
напряжения
. Линейно изменяющимся
напряжением (ЛИН) называют напряжение,
которое в течение промежутка времени,
называемого рабочим ходом, изменяется
по линейному закону, а затем в течение
промежутка времени, называемого обратным
ходом, возвращается к исходному уровню
(рис. 11.14).
Рис. 11.14. Линейно изменяющееся напряжение
На рис. 11.14 приняты следующие
обозначения: U 0 –начальный
уровень,U m –амплитуда
ЛИН, Т р –время рабочего хода, Т 0
–время обратного хода.
Устройства, предназначенные для
формирования ЛИН, называют генераторами
ЛИН (ГЛИН). Генераторы ЛИН часто называют
генераторами пилообразного напряжения.
Принцип построения генераторов ЛИН
основан на заряде емкости постоянным
током. Основой ГЛИН (рис. 11.15) является
емкость, через которую от источника
постоянного тока ИТ протекает постоянный
ток, благодаря чему при разомкнутом
ключевом устройстве КУ напряжение на
емкости определяется выражением
,
(приi
с
=
I
=
const),
т.е. изменяется по линейному закону.
ГЛИН могут работать либо в ждущем
(рис. 11.15,а
), либо в автоколебательном
режиме (рис. 11.15,б
). ГЛИН в автоколебательном
режиме формирует ЛИН регулярно, а для
получения ЛИН в ГЛИН в ждущем режиме
необходим внешний импульс напряженияU вх.
Рис. 11.15. Генераторы линейно изменяющихся
напряжений,
работающих в ждущем (а) и автоколебательном
(б) режимах
Все ГЛИН можно разделить на три
типа:
а) с интегрирующей RC-цепочкой
(рис. 11.16);
б) с токостабилизирующим двухполюсником
(рис. 11.17);
в) с компенсирующей обратной связью
(ОС) (рис. 11.18).
Рис. 11.16. ГЛИН на основе транзисторного
ключа
(с интегрирующей RC-цепочкой)
До момента времени t
1
транзисторный ключ находится в режиме
насыщения, т.е. напряжениеU
кэ
,
а значит, и напряжениеU
вых
,равны нулю. При подаче в момент времениt
1
запирающего импульса напряжения
транзистор входит в режим отсечки, и
емкость С заряжается от источника Е к через резисторR к,
причем напряжение на емкости стремится
к уровню Е к. В момент времениt
2
транзистор вновь входит в режим насыщения,
и емкость через малое сопротивление
промежутка коллектор–эмиттер транзистора
разряжается.
Рассмотрим принцип построения ГЛИН
с токостабилизирующим двухполюсником,
обеспечивающим протекание через него
постоянного тока независимо от
приложенного напряжения (рис. 11.17).
Простейшим токостабилизирующим элементом
является транзистор. При постоянном
токе базы (например, i
бэ
),
даже при значительном уменьшении
напряженияu
эк
между эмиттером и коллектором
(например, отU 2 доU 1) коллекторный ток
транзистора уменьшается незначительно.
Рис. 11.17. ГЛИН с токостабилизирующим
двухполюсником
Недостатком данной схемы является
то, что при подключении к выходу (т.е. к
емкости С) сопротивления нагрузки
искажается линейность выходного
напряжения.
Рассмотрим ГЛИН с компенсирующей
ОС (на основе ОУ) (рис. 11.18). В момент
времени t
1
ключК
размыкается и осуществляется и
осуществляется прямой ход, а в момент
времениt
2
ключ замыкается, емкостьС
разряжается и на выходе
устанавливается нулевое напряжения.
ЕмкостьС
заряжается постоянным током, а значит,
напряжение на ней (как и напряжениеU
вых
)
изменяется по линейному закону (рис.
11.18,б
). Компенсирующее напряжениеU
к
повторяет напряжение на емкостиU
c
при размыкается ключа и заряде емкости
от источникаU
.
Поскольку компенсирующее напряжение
включено встречно по отношению к
напряжению на емкости, то напряжение,
приложенное к резисторуR
,
все время постоянно и равноU
.
Рис. 11.18. ГЛИН с компенсирующей обратной
связью
Протекающий через резистор R
ток определяется выражением
i
R
=(E
-
U
вх
)/
R
.
Если ОУ близок к идеальному, (К→
∞
,U
вх
→
0
,i
–
→
0
), тоi
R
=
E
/
R
=
const.
Тогда выходное напряжение определяется
выражением
.
В данной статье поговорим про импульсный генератор для ячейки Мэйера.
Изучая элементную базу электронных плат, на которых были собраны все устройства входящие в состав сложной установки, применяемой Мэйером в водородном генераторе, установленном им на автомобиль, я собрал «главную часть» устройства – импульсный генератор.
Все электронные платы выполняют в Ячейке определённые задачи.
Электронная часть мобильной установки генератора водорода Мэйера состоит из двух полноценных устройств, оформленных в виде двух независимых блоков. Это блок управления и контроля ячейки, вырабатывающей кислородно-водородную смесь и блок управления и контроля за подачей этой смеси в цилиндры двигателя внутреннего сгорания. Фотография первого представлена ниже.
Блок управления и контроля за работой ячейки состоит из устройства вторичного питания обеспечивающего все платы модуля энергией и одиннадцати модулей – плат, состоящих из генераторов импульсов, схем контроля и управления. В этом же блоке, за платами импульсных генераторов находятся импульсные трансформаторы. Один из одиннадцати комплектов: плата импульсного генератора и импульсного трансформатора используется конкретно только для одной пары трубок Ячейки. А поскольку пар трубок одиннадцать, то и генераторов тоже одиннадцать.
.
Судя по фотографиям, импульсный генератор собран на простейшей элементной базе цифровых логических элементов. Принципиальные схемы, публикуемые на различных сайтах, посвящённых Ячейке Мэйера, по принципу работы не так далеки от её оригинала, за исключением одного – они упрощены и работают бесконтрольно. Другими словами, импульсы подаются на трубки-электроды до той поры, пока не наступит «пауза», которую по своему усмотрению оперативно с помощью регулировки устанавливает конструктор схемы. У Мэйера «пауза» формируется только тогда, когда сама Ячейка, состоящая из двух трубок, сообщит что пора бы эту паузу сделать. Имеется регулировка чувствительности схемы контроля, уровень которой устанавливается оперативно с помощью регулировки. Кроме того, имеется оперативная регулировка длительности «паузы» — времени, в течение которого на ячейку не поступают импульсы. В схеме генератора Мэйера предусмотрена автоматическая регулировка «паузы» в зависимости от необходимости количества вырабатываемого газа. Эта регулировка осуществляется по сигналу, поступающему от блок управления и контроля за подачей топливной смеси в цилиндры ДВС. Чем быстрее вращается двигатель внутреннего сгорания, тем больше расход кислородно-водородной смеси и тем короче «пауза» у всех одиннадцати генераторов.
На переднюю панель генератора Мэйера выведены шлицы подстроечных резисторов осуществляющих регулировку частоты импульсов, длительности паузы между пачками импульсов и ручной установки уровня чувствительности схемы контроля.
Для репликации опытного импульсного генератора нет необходимости в автоматическом контроле потребности газа и автоматическом регулировании «паузы». Это упрощает электронную схему импульсного генератора. Кроме того, современная электронная база более развита, чем была 30 лет назад, поэтому при наличии более современных микросхем, нет смысла использовать простейшие логические элементы, которые ранее использовал Мэйер.
В настоящей статье публикуется схема импульсного генератора, собранного мной, воссоздающего принцип работы генератора ячейки Мэйера. Это не первая моя конструкция импульсного генератора, до неё было ещё две более сложных схемы, способных генерировать импульсы различной формы, с амплитудной, частотной и временной модуляцией, схемами контроля тока нагрузки в цепях трансформатора и самой Ячейки, схемами стабилизации амплитуд импульсов и формы выходного напряжения на Ячейке. В результате исключения, по моему мнению «ненужных» функций получилась простейшая схема, очень похожая на схемы, публикуемые на различных сайтах, но отличающаяся от них наличием схемы контроля тока Ячейки.
Как и в других публикуемых схемах, в ячейке имеются два генератора. Первый является генератором – модулятором, формирующим пачки импульсов, а второй генератором импульсов. Особенностью схемы является то, что первый генератор — модулятор работает не в режиме автогенератора, как у других разработчиков схем Ячейки Мейера, а в режиме ждущего генератора. Модулятор работает по следующему принципу: На начальном этапе он разрешает работу генератора, а по достижении непосредственно на пластинах Ячейки определённой амплитуды тока, происходит запрет генерации.
В мобильной установке Мэйера в качестве импульсного трансформатора используется тонкий сердечник, а количество витков всех обмоток огромное. Ни в одном патенте не указаны ни размеры сердечника, ни количество витков. В стационарной установке у Мэйера замкнутый торроид с известными размерами и количеством витков. Именно его и решено было использовать. Но поскольку тратить энергию впустую на намагничивание в однотактной схеме генератора это – расточительство, было решено использовать трансформатор с зазором, взяв за основу ферритовый сердечник от строчного трансформатора ТВС-90 применяемого в транзисторных чёрно-белых телевизорах. Он наиболее подходит под параметры, указанные в патентах Мэйера для стационарной установки.
Принципиальная электрическая схема Ячейки Мэйера в моём исполнении представлена на рисунке.
.
Никакой сложности в конструкции генератора импульсов нет. Он собран на банальных микросхемах – таймерах LM555. По причине того, что генератор экспериментальный и неизвестно какие токи нагрузки нас могут ожидать, для надёжности в качестве выходного транзистора VT3 используется IRF.
Когда ток Ячейки достигнет определённого порога, при котором происходит разрыв молекул воды, необходимо сделать паузу в подаче импульсов на Ячейку. Для этого служит кремниевый транзистор VT1 — КТ315Б, который запрещает работу генератора. Резистор R13 «Ток срыва генерации» предназначен для установки чувствительности схемы контроля.
Переключатель S1 «Длительность грубо» и резистор R2 «Длительность точно» являются оперативными регулировками длительности паузы между пачками импульсов.
В соответствии с патентами Мэйера трансформатор имеет две обмотки: первичная содержит 100 витков (для 13 вольт питания) провода ПЭВ-2 диаметром 0,51 мм, вторичная содержит 600 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,18 мм.
При указанных параметрах трансформатора оптимальная частота следования импульсов – 10 кГц. Катушка индуктивности L1 намотана на картонной оправке диаметром 25 мм, и содержит 100 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,51 мм.
Теперь, когда вы всё это «проглотили», произведём разбор полётов этой схемы. С данной схемой я не применял дополнительных схем повышающих выход газа, потому что в мобильной Ячейке Мэйера их не наблюдается, конечно не считая лазерной стимуляции. Или я забыл сходить со своей Ячейкой к «бабке – шептунье», чтобы она нашептала высокую производительность Ячейки, или не правильно выбрал трансформатор, но КПД установки получился очень низкий, а сам трансформатор сильно нагревался. Учитывая, что сопротивление воды мало, сама Ячейка не способна выступать в качестве накопительного конденсатора. Ячейка просто не работала по тому «сценарию» который описывал Мэйер. Поэтому я добавил в схему дополнительный конденсатор С11. Только в этом случае на осциллограмме выходного напряжения появилась форма сигнала, с выраженным процессом накопления. Почему я поставил его не параллельно Ячейке, а через дроссель? Схема контроля тока ячейки должна отслеживать резкое повышение этого тока, а конденсатор будет препятствовать этому своим зарядом. Катушка уменьшает влияние С11 на схему контроля.
Я использовал простую воду из под крана, использовал и свежее дистиллированную. Как я только не извращался, но затраты энергии при фиксированной производительности были в три — четыре раза выше, чем напрямую от аккумулятора через ограничительный резистор. Сопротивление воды в ячейке настолько мало, что повышение импульсного напряжения трансформатором, с лёгкостью гасилось на малом сопротивлении, заставляя магнитопровод трансформатора сильно нагреваться. Возможно, предположить, что вся причина в том, что я использовал трансформатор на феррите, а в мобильной версии Ячейки Мэйера стоят трансформаторы, у которых сердечник почти отсутствует. Он больше выполняет функцию каркаса. Не трудно понять, что Мэйер компенсировал малую толщину сердечника большим количеством витков, тем самым увеличив индуктивность обмоток. Но сопротивление воды от этого не увеличится, поэтому и напряжение, о котором пишет Мэйер, не поднимется до описываемого в патентах значения.
С целью повышения КПД я решил «выкинуть» из схемы трансформатор, на котором происходит потеря энергии. Принципиальная электрическая схема Ячейки Мэйера без трансформатора представлена на рисунке.
.
Так как индуктивность катушки L1 очень маленькая, я так же исключил её из схемы. И «о чудо» установка стала выдавать сравнительно высокий КПД. Я провёл эксперименты и пришел к выводу, что на заданный объём газа установка затрачивает ту же самую энергию, что и при электролизе постоянным током, плюс-минус погрешность измерений. То есть я наконец собрал установку, в которой не происходит потерь энергии. Но зачем она нужна, если напрямую от аккумулятора точно такие же затраты энергии?
Завершение
Завершим тему очень маленького сопротивления воды. Сама Ячейка не способна работать в качестве накопительного конденсатора потому, что вода, которая выступает в качестве диэлектрика конденсатора, быть им не может – она проводит ток. Для того, чтобы над ней совершался процесс электролиза – разложения на кислород и водород, она должна быть проводящей. Получается неразрешимое противоречие, которое возможно разрешить только по одному пути: Отказаться от версии «Ячейка-конденсатор». Накопления в Ячейке подобно конденсатору происходить не может, это Миф! Если учитывать площадь обкладок конденсатора образованного поверхностями трубок, то даже при воздушном диэлектрике ёмкость ничтожно мала, а здесь в качестве диэлектрика выступает вода со своим малым активным сопротивлением. Не верите? Возьмите учебник физики и посчитайте ёмкость.
Можно предположить, что накопление происходит на катушке L1, но этого также не может быть по той причине, что её индуктивность также очень мала для частоты порядка 10 кГц. Индуктивность трансформатора на несколько порядков выше. Можно даже задуматься над тем, зачем её с малой индуктивностью вообще «воткнули» в схему.
Послесловие
Кто-то скажет, что всё чудо в бифилярной намотке. В том виде, в каком она представлена в патентах Мэйером, толку от неё не будет. Бифилярная намотка применяется в защитных фильтрах питания, не одного и того же проводника, а противоположных по фазе и предназначена для подавления высоких частот. Она даже имеется во всех без исключения блоках питания компьютеров и ноутбуков. А для одного и того же проводника, бифилярная намотка делается в проволочном резисторе, для подавления индуктивных свойств самого резистора. Бифилярная намотка может использоваться в качестве фильтра, защищающего выходной транзистор, не пропускающего мощные СВЧ-импульсы в схему генератора, подаваемые от источника этих импульсов непосредственно на Ячейку. Кстати и катушка L1 является отличным фильтром для СВЧ. Первая схема импульсного генератора, которая использует повышающий трансформатор – правильная, только чего-то не хватает между транзистором VT3 и самой Ячейкой. Этому я посвящу следующую статью.
Похожие публикации
