Устройство и способ усиления электрических сигналов

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 трансформаторов 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, модность 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 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 усиления колебаний является ограниченная мощность резонансного контура индуктивности 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 достигается тем, что в устройстве усиления электрических сигналов, содержащем катушку индуктивности, соединенную последовательно с емкостью, с образованием резонансного контура, и прибор для периодического изменения параметров резонансного контура, резонансный контур соединен последовательно с высоковольтным

источником питания на основе солнечного фотоэлектрического модуля и параллельно с импульсным коммутатором для замыкания цепи резонансного контура, катушка индуктивности имеет первую дополнительную обмотку с образованием трансформатора Тесла, прибор для периодического изменения параметров резонансного контура выполнен в виде уединенной емкости из проводящего материала, которая соединена последовательно с первой дополнительной обмоткой трансформатора Тесла и образует второй резонансный контур, трансформатор Тесла содержит вторую дополнительную обмотку, которая соединена со второй емкостью с образованием третьего резонансного контура, третий резонансный контур соединен через выпрямитель и инвертор с нагрузкой, все три резонансных контура имеют одинаковую резонансную частоту.

В варианте устройства усиления электрических сигналов катушка индуктивности, первая и вторая дополнительные обмотки выполнены на общем цилиндрическом изолированном каркасе в следующей последовательности расположения обмоток от оси цилиндра: третья дополнительная обмотка, вторая дополнительная обмотка и катушка индуктивности.

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

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

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

В другом варианте устройства усиления электрических сигналов уединенная емкость выполнена в виде изолированной от земли крыши здания.

Технический результат достигается также тем, что в способе усиления электрических сигналов параметрического возбуждения колебаний в резонансном контуре преобразуют солнечную энергию в электрическую в высоковольтном источнике питания, преобразуют электрическую энергию в энергию колебаний в первом резонансном контуре трансформатора Тесла, усиливают электрические колебания тока и напряжения с частотой f_o=f₁ путем периодического изменения потенциала в уединенной емкости и параметрического резонанса в резонансном контуре трансформатора Тесла с частотой f₂>f₁, передают усиленные колебания тока и напряжения в третий резонансный контур трансформатора Тесла с частотой f₃=f₂=f₁=f_o выпрямляют ток и напряжение в выпрямителе, преобразуют электрическую энергию по частоте и напряжению в инверторе, передают в нагрузку и частично по цепи обратной связи через блок питания и коммутатор, на вход высоковольтного источника питания.

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

на фиг. 1 представлена электрическая блок-схема устройства и способа усиления электрических сигналов,

на фиг. 2 - конструкция трансформатора Тесла с тремя обмотками и схема соединений резонансных контуров,

на фиг. 3 - конструкция устройства с использованием крыши здания в качестве уединенной емкости,

на фиг. 4 - конструкция устройства с использованием сетки на изолированных опорах в качестве уединенной емкости.

Устройство усиления электрических сигналов на фиг. 1 содержит трансформатор Тесла 1 с катушкой индуктивности 2, со второй 3 и третьей 4 дополнительными обмотками. Катушка индуктивности 2 соединена последовательно с емкостью 5 и образует резонансный контур 6. В цепи резонансного контура 6 установлен высоковольтный источник питания 7, содержащий высоковольтный солнечный фотоэлектрический модуль 8, высоковольтный суперконценсатор 9, с разделительным диодом 10. Импульсный коммутатор 11 включен параллельно высоковольтному солнечному фотоэлектрическому модулю 8 через сопротивление 12.

Сопротивление 12 ограничивает ток высоковольтного источника питания 7 при замыкании импульсного коммутатора 11.

Вторая дополнительная обмотка 3 соединена с уединенной емкостью 13 и образует второй резонансный контур 14 в виде сферы. Третья дополнительная обмотка 4 соединена с емкостью 15 и образует третий резонансный контур 16, который через выпрямитель 17 с емкостным фильтром С_ф и заземлением 18 одной ветви и инвертор 19 соединен с нагрузкой 20. Выход инвертора 19 через блок питания 21 и коммутатор 22 соединен с входом 23 высоковольтного источника питания 7. Все три резонансных контура 6, 14 и 16 имеют одинаковую резонансную частоту f_o=f₁=f₂=f₃, где

,

где L₁ - индуктивность катушки индуктивности 2, С, С₁ - емкость концентратора 5, L₂ - индуктивность второй дополнительной обмотки 3, С₂ - емкость 13, L₃ - индуктивность третьей дополнительной обмотки 4, С₃ - емкость 15.

Трансформатор Тесла на фиг. 2 содержит каркас 24 из изоляционного материала с третьей дополнительной обмоткой 4. Каркас 25 из изоляционного материала установлен соосно с внешней стороны каркаса 24 и содержит вторую дополнительную обмотку 3, на которую намотана катушка индуктивности 2.

На фиг. 3 уединенная емкость 13 выполнена в виде крыши 26 здания 27. Крыша 26 выполнена из проводящего материала и изолирована от здания 27 с помощью изоляции 28.

На фиг. 4 уединенная емкость выполнена в виде металлической сетки 29, закрепленной на опорах 30 из изоляционного материала.

Способ усиления электрических сигналов реализуется следующим образом.

Преобразуют солнечную энергию в электрическую в высоковольтном источнике питания 7. Высоковольтный солнечный фотоэлектрический модуль 8 через разделительный диод 10 заряжает суперкондесатор 9 и емкость 6. Когда напряжение суперконденсатора 9 достигнет заданной величины, импульсный коммутатор 11 замыкает цепь резонансного контура 6 и емкость 6 разряжается на катушку индуктивности 2. В контуре 6 возникают колебания электромагнитного поля с частотой f_o=f₁, которые передают через магнитное поле во вторую дополнительную обмотку 3 трансформатора Тесла 1. Во втором резонансном контуре 14 возникают колебания электромагнитного поля с частотой f_o=f₁=f₂, при этом вокруг уединенной емкости 13 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 под действием электрического поля поляризуются и образуют диполи.

Диполи притягиваются к уединенной емкости 13 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 2 f₀=2f₂, что приводит к параметрическому возбуждению и усилению колебаний в контуре 14.

Усиленные колебания с частотой f₂ передают через третью дополнительную обмотку 4 в третий резонансный контур 16, выпрямляют в выпрямителе 17, преобразуют по напряжению и частоте в инверторе 19 и передают в нагрузку 20. Часть электрической энергии на выходе инвертора 19 передают по цепи обратной связи через блок питания 21 и коммутатор 22 на вход 23 высоковольтного источника питания 7 для обеспечения его работы в ночное время и в пасмурные дни.

Емкостной фильтр С_ф обеспечивает сглаживание пульсаций выпрямленного тока и напряжения, а заземление 18 одной из ветвей выпрямителя 17 обеспечивает сток зарядов из контуров 14 и 16 и прохождение их через выпрямитель 17 и инвертор 19.

Пример выполнения устройства и способа усиления электрических сигналов Высоковольтный солнечный фотоэлектрический модуль 8 размером 1000×70 мм при освещенности 1000 Вт/м² генерирует рабочее напряжение 1,5 кВ и ток 6 мА. Трансформатор Тесла 1 имеет катушку индуктивности 2 с числом витков 15, число витков второй дополнительной обмотки 3-150, в третьей дополнительной обмотке 4-12, размеры трансформатора Тесла 1: диаметр 200 мм, высота 1200 мм. Уединенная емкость 13 выполнена в виде сферы диаметром 0,6 м. Напряжение на уединенной емкости 13-10 кВ, напряжение на нагрузке 19-220 В, частота 50 Гц, электрическая мощность 360 Вт.

Электрическая энергия на нагрузке возрастает при увеличении размеров уединенной емкости 13 в соответствии с формулой (3). Электрическая энергия на нагрузке увеличивается при увеличении высоты расположения уединенной емкости 13. Это связано с наличием градиента электрического поля между Землей и Ионосферой. На высоте 10 км над землей потенциал уединенной емкости 13 достигает 10 кВ и этот потенциал увеличивает электрическую энергию, вырабатываемую устройством. Устройство усиления электрических колебаний может быть использовано в качестве автономного электрического источника питания.