УСТРОЙСТВО И СПОСОБ УСИЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ (ВАРИАНТЫ)

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=kP_n-1, где k - 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 со 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. Другим недостатком является снижение добротности из-за электромагнитной связи между обмотками трансформаторов и обмена энергией между резонансными контурами.

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 усиления колебаний является ограниченная мощность резонансного контура из-за нелинейной зависимости индуктивности катушки с железным сердечником от тока в катушке самоиндукции.

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

В результате использования предлагаемого изобретения увеличивается коэффициент усиления электрических сигналов, увеличивается добротность резонансных контуров и уменьшается влияние сопротивления нагрузки на параметры устройства за счет однонаправленной передачи электрической энергии от источника питания к нагрузке, исключения сопротивления нагрузки из электрической цепи, обеспечивающей параметрическое усиление электрических колебаний, и использования энергии электрического поля уединенных емкостей для поляризации диэлектриков атмосферы Земли, содержащей молекулы воздуха и паров воды, что приводит к параметрическому изменению емкости в резонансных контурах высоковольтных обмоток трансформаторов Тесла.

Технический результат достигается тем, что в устройстве усиления электрических сигналов, содержащем резонансный контур из последовательно соединенных индуктивности и емкости и прибор для периодического изменения параметров резонансного контура, индуктивность выполнена в виде высоковольтной обмотки трансформатора Тесла, у которой низкопотенциальный конец у основания трансформатора Тесла соединен через сопротивление нагрузки с землей, а прибор для периодического изменения параметров резонансного контура выполнен в виде уединенной емкости из проводящего материала, установленной на некоторой высоте над трансформатором Тесла и соединенной с высокопотенциальным выводом высоковольтной обмотки трансформатора Тесла, низковольтная обмотка трансформатора Тесла установлена у основания трансформатора Тесла и состоит из двух секций с одинаковым числом витков, расположенных симметрично с двух сторон высоковольтной обмотки, при этом направление намотки витков первой секции снаружи высоковольтной обмотки противоположно направлению намотки витков второй секции с внутренней стороны высоковольтной обмотки, низковольтная обмотка соединена последовательно с емкостью с образованием резонансного контура низковольтной обмотки и параллельно с источником питания и импульсным коммутатором, резонансные контуры высоковольтной и низковольтной обмотки настроены на одинаковую резонансную частоту.

В варианте устройства усиления электрических сигналов уединенная емкость выполнена в виде сферы.

В другом варианте устройства усиления электрических сигналов уединенная емкость выполнена в виде тороида.

В варианте устройства усиления электрических сигналов уединенная емкость выполнена в виде цилиндрической поверхности.

Еще в одном варианте устройства усиления электрических сигналов уединенная емкость выполнена в виде плоской поверхности.

Технический результат достигается также тем, что в устройстве усиления электрических сигналов, содержащем резонансный контур из последовательно соединенных индуктивности и емкости и прибор для периодического изменения параметров резонансного контура, индуктивность выполнена в виде высоковольтной обмотки трансформатора Тесла, у которой низкопотенциальный конец у основания трансформатора Тесла соединен через первичную обмотку дополнительного высокочастотного трансформатора Тесла с землей, вторичная обмотка дополнительного высокочастотного трансформатора соединена последовательно с емкостью с образованием резонансного контура нагрузки и параллельно через инвертор и через блок обратной связи с источником питания, прибор для периодического изменения параметров резонансного контура выполнен в виде уединенной емкости из проводящего материала, установленной на некоторой высоте над трансформатором Тесла и соединенной с высокопотенциальным выводом высоковольтной обмотки трансформатора Тесла, низковольтная обмотка трансформатора Тесла установлена у основания трансформатора Тесла и состоит из двух секций с одинаковым числом витков, расположенных симметрично с двух сторон высоковольтной обмотки, при этом направление намотки витков первой секции снаружи высоковольтной обмотки противоположно направлению намотки витков второй секции с внутренней стороны высоковольтной обмотки, низковольтная обмотка соединена последовательно с емкостью с образованием резонансного контура низковольтной обмотки и параллельно с источником питания и импульсным коммутатором, резонансные контуры высоковольтной, низковольтной обмотки и нагрузки настроены на одинаковую резонансную частоту.

В варианте устройства усиления электрических сигналов уединенная емкость выполнена в виде сферы.

В другом варианте устройства усиления электрических сигналов уединенная емкость выполнена в виде тороида.

В варианте устройства усиления электрических сигналов уединенная емкость выполнена в виде цилиндрической поверхности.

Еще в одном варианте устройства усиления электрических сигналов уединенная емкость выполнена в виде плоской поверхности.

Технический результат достигается также тем, что в устройстве усиления электрических сигналов, содержащем резонансный контур из последовательно соединенных индуктивности и емкости и прибор для периодического изменения параметров резонансного контура, индуктивность выполнена в виде высоковольтной обмотки трансформатора Тесла, у которой низкопотенциальный конец у основания трансформатора Тесла соединен через первичную обмотку дополнительного высокочастотного трансформатора Тесла с землей, указанная первичная обмотка состоит из двух секций с одинаковым числом витков, расположенных симметрично с двух сторон вторичной обмотки дополнительного высокочастотного трансформатора, при этом направление намотки витков первой секции снаружи вторичной обмотки противоположно направлению намотки витков второй секции с внутренней стороны вторичной обмотки, вторичная обмотка дополнительного высокочастотного трансформатора соединена последовательно с емкостью с образованием резонансного контура нагрузки и параллельно через инвертор с нагрузкой и через блок обратной связи с источником питания, а прибор для периодического изменения параметров резонансного контура выполнен в виде уединенной емкости из проводящего материала, установленной на некоторой высоте над трансформатором Тесла и соединенной с высокопотенциальным выводом высоковольтной обмотки трансформатора Тесла, низковольтная обмотка трансформатора Тесла установлена у основания трансформатора Тесла и состоит из двух секций с одинаковым числом витков, расположенных симметрично с двух сторон высоковольтной обмотки, при этом направление намотки витков первой секции снаружи высоковольтной обмотки противоположно направлению намотки витков второй секции с внутренней стороны высоковольтной обмотки, низковольтная обмотка соединена последовательно с емкостью с образованием резонансного контура низковольтной обмотки и параллельно с источником питания и импульсным коммутатором, резонансные контуры высоковольтной и низковольтной обмотки настроены на одинаковую резонансную частоту.

В варианте устройства усиления электрических сигналов уединенная емкость выполнена в виде сферы.

В другом варианте устройства усиления электрических сигналов уединенная емкость выполнена в виде тороида.

В варианте устройства усиления электрических сигналов уединенная емкость выполнена в виде цилиндрической поверхности.

Еще в одном варианте устройства усиления электрических сигналов уединенная емкость выполнена в виде плоской поверхности.

Технический результат достигается также тем, что в способе усиления электрических сигналов путем параметрического возбуждения колебаний в резонансном контуре преобразуют электрическую энергию в энергию колебаний с частотой f₁ в резонансном контуре низковольтной обмотки трансформатора Тесла, усиливают электрические колебания тока и напряжения путем периодического изменения потенциала за счет поляризации молекул воздуха и паров воды в электрическом поле уединенной емкости и параметрического резонанса в резонансном контуре высоковольтной обмотки трансформатора Тесла с частотой f₂=f₁, блокируют передачу электрических сигналов из резонансного контура высоковольтной обмотки в резонансный контур низковольтной обмотки трансформатора Тесла путем однонаправленной передачи электрической энергии от источника питания в резонансный контур высоковольтной обмотки и однонаправленной электромагнитной связи между низковольтной и высоковольтной обмоткой трансформатора Тесла, передают усиленные колебания тока и напряжения в резонансный контур нагрузки с частотой f₃=f₂=f₁, преобразуют электрическую энергию по частоте и напряжению в инверторе, передают в нагрузку и частично по цепи обратной связи через блок обратной связи на вход источника питания.

Технический результат достигается также тем, что в способе усиления электрических сигналов путем параметрического возбуждения колебаний в резонансном контуре преобразуют электрическую энергию в энергию колебаний с частотой f₁ в резонансном контуре низковольтной обмотки трансформатора Тесла, усиливают электрические колебания тока и напряжения путем периодического изменения потенциала за счет поляризации молекул воздуха и паров воды в электрическом поле уединенной емкости и параметрического резонанса в резонансном контуре высоковольтной обмотки трансформатора Тесла с частотой f₂=f₁, блокируют передачу электрических сигналов из резонансного контура высоковольтной обмотки в резонансный контур низковольтной обмотки трансформатора Тесла путем однонаправленной передачи электрической энергии от источника питания в резонансный контур высоковольтной обмотки и однонаправленной электромагнитной связи между низковольтной и высоковольтной обмоткой трансформатора Тесла, передают усиленные колебания тока и напряжения в резонансный контур нагрузки с частотой f₃=f₂=f₁, блокируют передачу электрических сигналов из резонансного контура нагрузки в резонансный контур высоковольтной обмотки трансформатора Тесла путем однонаправленной передачи электрической энергии от резонансного контура высоковольтной обмотки и однонаправленной электромагнитной связи между первичной и вторичной обмоткой дополнительного высокочастотного трансформатора, преобразуют электрическую энергию по частоте и напряжению в инверторе, передают в нагрузку и частично по цепи обратной связи через блок питания на вход источника питания.

Устройство и способ усиления электрических сигналов иллюстрируется на фиг. 1, 2, 3, 4, 5, где

на фиг. 1 представлена электрическая блок-схема устройства и способа усиления электрических сигналов с нагрузкой в цепи высоковольтной обмотки трансформатора Тесла,

на фиг. 2 - электрическая блок-схема устройства и способа с тремя резонансными контурами,

на фиг. 3 - электрическая блок-схема устройства с однонаправленной передачей электрической энергии от источника питания к нагрузке,

на фиг. 4 - схема поляризации молекул паров воды в электрическом поле атмосферы при положительном потенциале на уединенной емкости,

на фиг. 5 - схема поляризации молекул паров воды в электрическом поле атмосферы при отрицательном потенциале на уединенной емкости.

Устройство усиления электрических сигналов на фиг. 1 содержит резонансный контур 1 из последовательно соединенных индуктивности 2 и емкости 3. Индуктивность 2 выполнена в виде высоковольтной обмотки 4 трансформатора Тесла 5, у которой низкопотенциальный конец 6 у основания трансформатора Тесла 5 соединен через сопротивление нагрузки 7 с землей 8, а прибор для периодического изменения параметров резонансного контура 1 выполнен в виде уединенной емкости 3 в форме тороида 9 из проводящего материала, установленной на некоторой высоте Н над трансформатором Тесла 5 и соединенной с высокопотенциальным выводом 10 высоковольтной обмотки 4 трансформатора Тесла 5, низковольтная обмотка 11 трансформатора Тесла 5 установлена у основания 12 трансформатора Тесла 5 и состоит из двух секций 13 и 14 с одинаковым числом витков, расположенных симметрично с двух сторон высоковольтной обмотки 4, при этом направление намотки витков первой секции 13 снаружи высоковольтной обмотки 4 противоположно направлению намотки витков второй секции 14 с внутренней стороны высоковольтной обмотки 4, низковольтная обмотка 11 соединена последовательно с емкостью 15 с образованием резонансного контура 16 низковольтной обмотки 11 и параллельно с источником питания 17 и импульсным коммутатором 18, резонансные контуры 1 и 16 высоковольтной и низковольтной обмотки настроены на одинаковую резонансную частоту. Уединенная емкость может быть выполнена также в виде сферы, цилиндрической, конусной или плоской поверхности. Выводы от сопротивления нагрузки 7 соединены через блок обратной связи 19 с источником питания 17.

На фиг. 2 низкопотенциальный конец 6 у основания 12 трансформатора Тесла 5 соединен через первичную обмотку 20 дополнительного высокочастотного трансформатора 21 с землей 8, вторичная обмотка 22 дополнительного высокочастотного трансформатора 21 соединена последовательно с емкостью 23 с образованием резонансного контура 24 нагрузки 25 и параллельно через инвертор 26 и через блок обратной связи 27 с источником питания 17, прибор для периодического изменения параметров резонансного контура 1 выполнен в виде уединенной емкости 28 в форме сферы 29 из проводящего материала, установленной на некоторой высоте Н над трансформатором Тесла 5 и соединенной с высокопотенциальным выводом 10 высоковольтной обмотки 4 трансформатора Тесла 5. Резонансные контуры 1 высоковольтной, 16 низковольтной обмотки и контура 24 нагрузки 25 настроены на одинаковую резонансную частоту.

На фиг. 3 низкопотенциальный вывод 6 у основания 12 трансформатора Тесла 5 соединен через первичную обмотку 30 дополнительного высокочастотного трансформатора 31 с землей 8, первичная обмотка 30 состоит из двух секций 32 и 33 с одинаковым числом витков, расположенных симметрично с двух сторон вторичной обмотки 34 дополнительного высокочастотного трансформатора 31, при этом направление намотки витков первой секции 32 снаружи вторичной обмотки 34 противоположно направлению намотки витков второй секции 33 с внутренней стороны вторичной обмотки 34, вторичная обмотка 34 дополнительного высокочастотного трансформатора 31 соединена последовательно с емкостью 35 с образованием резонансного контура 36 нагрузки 25 и параллельно через инвертор 26 с нагрузкой 25 и через блок обратной связи 27 с источником питания 17, а прибор для периодического изменения параметров резонансного контура выполнен в виде уединенной емкости в форме плоской сетки 37 из проводящего материала, установленной на высоте Н над трансформатором Тесла 5 и соединенной с высокопотенциальным выводом 10 высоковольтной обмотки 4 трансформатора Тесла 5, низковольтная обмотка 11 трансформатора Тесла 5 выполнена аналогично фиг. 1 и 2. Резонансные контуры 1 высоковольтной обмотки и 16 низковольтной обмотки и резонансного контура 36 нагрузки 25 настроены на одинаковую частоту f₁=f₂=f₃.

На фиг. 4 уединенная емкость 3 в виде плоской сетки 37 имеет положительный потенциал на поверхности сетки. Молекулы паров воды 38 с атомами кислорода 39 и водорода 40 ориентированы с двух сторон плоской поверхности сетки 37 вдоль электрического поля 40 емкости 3. Угол между связями 42 кислород-водород в молекуле воды 38 составляет 104°27'.

На фиг. 5 уединенная емкость 3 имеет отрицательный потенциал на поверхности плоской сетки 37. Молекулы паров воды 38 с двух сторон сетки поляризованы и ориентированы вдоль линии электрического поля 41 с поворотом на 180° по сравнению с фиг. 4.

Способ усиления электрических сигналов реализуется следующим образом.

Источник питания 17 (фиг. 2) через ограничивающее сопротивление R заряжает емкость 15. Когда напряжение емкости 15 достигнет заданной величины, импульсный коммутатор 18 замыкает цепь резонансного контура 16, и емкость 15 разряжается на индуктивность 2. В контуре 16 возникают колебания электромагнитного поля с частотой f₁, которые передают через магнитное поле в высоковольтную обмотку 4 трансформатора Тесла 5. В резонансном контуре 1 высоковольтной обмотки 4 возникают колебания электромагнитного поля с частотой f₂=f₁, при этом вокруг естественной уединенной емкости 3 возникают колебания электрического поля. Электрическая емкость проводящего заряженного тела:

где q - заряд, а ϕ - потенциал поля заряда.

Для сферы:

Емкость сферы:

где R - радиус сферы, ε₀, ε - абсолютная и относительная диэлектрическая проницаемость среды, в которой находится сфера.

Молекулы воздуха и паров воды 37 под действием электрического поля 40 поляризуются и образуют диполи (фиг. 4 и 5). Диполи притягиваются к уединенной емкости 3 зарядами противоположного знака. Эти заряды ослабляют потенциал поля, создаваемого зарядом q, что в соответствии с формулой (1) приводит к увеличению емкости С. За один период колебаний электрического поля емкость С изменяется два раза с частотой 2f₁=2f₂, что приводит к параметрическому возбуждению и усилению колебаний в контуре 1.

Усиленные колебания с частотой f₂ передают через дополнительный высокочастотный трансформатор 21 в резонансный контур 24, преобразуют по напряжению и частоте в инверторе 26 и передают в нагрузку 25. Часть электрической энергии на выходе инвертора 26 передают по цепи обратной связи через блок обратной связи 27 на вход источника питания 17 для обеспечения его работы.

На фиг. 1, 2 и 3 трансформатор Тесла 5 передает электрическую энергию из низковольтной обмотки 11 в высоковольтную обмотку 4 и блокирует передачу электрической энергии в обратном направлении следующим образом. Переменное напряжение на высоковольтной обмотке 4 резонансного контура 1 возбуждает во включенных встречно секциях 13 и 14 низковольтной обмотки 11 ЭДС одинаковой величины и противоположного знака, в результате разница потенциалов между выводами низковольтной обмотки 11 наведенным током, текущим в высоковольтной обмотке 4, всегда равна нулю. Снаружи низковольтной обмотки 11 магнитный поток, создаваемый секцией 13, компенсируется встречным магнитным потоком от секции 14.

Аналогичным образом на фиг. 3 реализуют однонаправленную передачу электрических сигналов от высоковольтной обмотки 4 трансформатора Тесла 5 через секции 32 и 33 первичной обмотки 30 дополнительного высокочастотного трансформатора 31 в резонансный контур 36 нагрузки 25.

Таким образом, трансформатор Тесла 5 обладает свойством однонаправленной передачи электрической энергии от источника питания 17 к нагрузке 25. Отбор мощности и параметрическое усиление электрических сигналов в резонансном контуре 1 в высоковольтной обмотке 4 не оказывает влияния на резонансные процессы, происходящие в резонансном контуре 16 низковольтной обмотки 11, что увеличивает добротность контуров и системы в целом.

На фиг. 2 электрическую энергию источника питания 17 преобразуют в энергию колебаний с частотой f₁ в резонансном контуре 16 низковольтной обмотки 11 трансформатора Тесла 5, усиливают электрические колебания тока и напряжения путем периодического изменения потенциала и емкости 28 за счет поляризации молекул воздуха и паров воды в электрическом поле уединенной емкости 28 в виде сферы 29 и параметрического резонанса в резонансном контуре 1 высоковольтной обмотки 4 трансформатора Тесла 5 с частотой f₂=f₁, блокируют передачу электрических сигналов из резонансного контура 1 высоковольтной обмотки 4 в резонансный контур 16 низковольтной обмотки 11 трансформатора Тесла 5 путем однонаправленной передачи электрической энергии от источника питания 17 в резонансный контур 1 высоковольтной обмотки 4 и однонаправленной электромагнитной связи между низковольтной 11 и высоковольтной обмоткой 4 трансформатора Тесла 5, передают усиленные колебания тока и напряжения в резонансный контур 24 нагрузки 25 с частотой f₃=f₂=f₁, преобразуют электрическую энергию по частоте и напряжению в инверторе 26, передают в нагрузку 25 и частично по цепи обратной связи через блок обратной связи 27 на вход источника питания.

В способе усиления электрических сигналов на фиг. 3 производят однонаправленную передачу электрической энергии от источника питания 17 к нагрузке 25 однонаправленной электромагнитной связи между низковольтной 11 и высоковольтной 4 обмоткой трансформатора Тесла 5 и путем однонаправленной передачи электрической энергии от резонансного контура 1 высоковольтной обмотки 4 и однонаправленной электромагнитной связи между первичной 30 и вторичной 34 обмоткой дополнительного высокочастотного трансформатора 31. Блокировка передачи электрической энергии в обратном направлении от нагрузки 25 к источнику питания 17 снижает потери энергии в резонансных контурах 16, 24 и 36, увеличивает добротность и коэффициент усиления сигналов в контуре 1 высоковольтной обмотки 4 трансформатора Тесла 5.

Пример выполнения устройства и способа усиления электрических сигналов.

Трансформатор Тесла 5 на фиг. 3 имеет индуктивность 2 с числом витков 900, число витков низковольтной обмотки 11-20 с секциями 13 и 14 по 10 витков. Число витков в дополнительном высокочастотном трансформаторе 31: первичная обмотка 30-20 витков с секциями 32 и 33 по 10 витков, вторичная обмотка 34-10 витков. Размеры трансформатора Тесла 5: диаметр 500 мм, высота 1500 мм. Уединенная емкость 3 выполнена в виде сферы диаметром 1,5 м. Напряжение на уединенной емкости 3-100 кВ, резонансная частота 25 кГц, напряжение на нагрузке 25-220 В, частота 50 Гц, электрическая мощность 500 Вт.

Электрическая мощность устройства возрастает при увеличении размеров естественной уединенной емкости 3 в соответствии с формулой (3). Электрическая энергия устройства увеличивается при увеличении высоты Н расположения уединенной емкости 3. Это связано с наличием разности потенциалов 180-400 кВ между Землей и Ионосферой, которая изменяется в соответствии с солнечной и геомагнитной активностью. Напряженность электрического поля у поверхности Земли составляет 100 В/м, а во время грозы увеличивается до 40-100 кВ/м. На высоте 10 км над землей потенциал уединенной емкости 13 достигает 10 кВ, и этот потенциал увеличивает вырабатываемую электрическую энергию. Устройство усиления электрических сигналов может быть использовано в качестве автономного электрического источника питания.