РЕЗОНАНСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ И СПОСОБ УСИЛЕНИЯ В НЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

Изобретение относится к электротехнике, в частности к резонансным преобразователям электрической энергии на основе резонансных усилителей мощности.

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 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 сложность настройки усилителя на резонансную частоту при изменении нагрузки и невысокий коэффициент усиления.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение коэффициента усиления и снижение зависимости параметров преобразователя от величины нагрузки.

В результате использования предлагаемого изобретения увеличивается коэффициент усиления и снижается зависимость параметров преобразователя от величины нагрузки за счет использования n-каскадов усиления из n-силовых трансформаторов Тесла и параметрического возбуждения колебаний в резонансных контурах и однонаправленной передачи электрической энергии от источника к нагрузке.

Технический результат достигается тем, что в резонансном усилителе мощности, содержащем источник питания, n-каскадов усиления из n-силовых трансформаторов, где n - натуральное число, с нагрузкой во вторичной обмотке последнего силового трансформатора и последовательные резонансные контуры между низковольтными обмотками силовых трансформаторов, а также устройство обратной связи между обмотками первого и последнего силового трансформатора, согласно изобретению, все силовые трансформаторы в каскадах усиления выполнены в виде трансформаторов Тесла, у которых высоковольтная обмотка соединена высокопотенциальным выводом с уединенной емкостью в виде проводящего тела, установленной над трансформатором Тесла на высоте Н, низкопотенциальный вывод у основания высоковольтной обмотки каждого трансформатора Тесла с нечетным номером (2n=1), где n=1, 2, 3…- натуральные числа, соединен с низкопотенциальным выводом у основания следующего в каскаде трансформатора с четным номером 2n, а каждый трансформатор Тесла с четным номером соединен со следующим в каскаде трансформатором Тесла с нечетным номером с помощью последовательного резонансного контура, низковольтная обмотка каждого трансформатора Тесла с нечетным номером (2n-1) содержит две секции, установленные симметрично с двух сторон высоковольтной обмотки, при этом направление намотки витков секции низковольтной обмотки снаружи высоковольтной обмотки противоположно направлению намотки секции низковольтной обмотки изнутри высоковольтной обмотки, а высоковольтная обмотка каждого трансформатора Тесла с четным номером 2n содержит две секции, установленные симметрично с двух сторон низковольтной обмотки по всей ее площади поверхности, при этом направление витков секции высоковольтной обмотки снаружи низковольтной обмотки противоположно направлению намотки секции высоковольтной обмотки изнутри низковольтной обмотки.

В варианте резонансного усилителя мощности уединенные емкости во всех каскадах усиления выполнены в виде сферы.

В другом варианте резонансного усилителя мощности уединенные емкости во всех каскадах усиления выполнены в виде цилиндрической поверхности.

В варианте резонансного усилителя мощности уединенные емкости во всех каскадах усиления выполнены в виде конической поверхности.

Еще в одном варианте резонансного усилителя мощности уединенные емкости во всех каскадах усиления выполнены в виде плоской поверхности.

Технический результат достигается также тем, что в способе усиления электрических сигналов в резонансном усилителе мощности из n последовательно соединенных резонансных контуров, согласно изобретению, преобразуют электрическую энергию источника питания в энергию электрических колебаний с частотой f₁ в резонансном контуре низковольтной обмотки первого трансформатора Тесла, передают однонаправленно энергию электрических колебаний с частотой f₁ из низковольтной обмотки в резонансный контур высоковольтной обмотки трансформатора Тесла с резонансной частотой f₂=f₁, блокируют передачу электрических колебаний в обратном направлении из резонансного контура высоковольтной обмотки в резонансный контур низковольтной обмотки трансформатора Тесла, усиливают электрические колебания тока и напряжения с частотой f₂ в резонансном контуре высоковольтной обмотки входного трансформатора Тесла путем периодического изменения с частотой 2f₂ уединенной емкости за счет поляризации молекул воздуха и паров воды в атмосфере вокруг уединенной емкости под действием электрического поля и создают условия для параметрического резонанса, передают усиленные колебания по низкопотенциальной линии в резонансный контур высоковольтной обмотки следующего в каскаде трансформатора Тесла с четным номером с резонансной частотой f₃=f₂, усиливают электрические колебания за счет периодического изменения емкости резонансного контура высоковольтной обмотки с четным номером трансформатора Тесла путем периодического изменения с частотой 2f₃ уединенной емкости за счет поляризации молекул воздуха и паров воды в атмосфере вокруг уединенной емкости под действием электрического поля, передают однонаправленно усиленные колебания тока и напряжения из резонансного контура высоковольтной обмотки трансформатора Тесла с четным номером в резонансный контур низковольтной обмотки трансформатора Тесла с нечетным номером следующего каскада усиления с резонансной частотой f₄=f₃, одинаковой для всех резонансных контуров, блокируют передачу электрических колебаний в обратном направлении из резонансного контура низковольтной обмотки в резонансный контур высоковольтной обмотки, передают однонаправленно усиленные колебания из резонансного контура низковольтной обмотки в резонансный контур высоковольтной обмотки трансформатора Тесла с нечетным номером, блокируют передачу электрических колебаний в обратном направлении из резонансного контура высоковольтной обмотки в резонансный контур низковольтной обмотки трансформатора Тесла с нечетным номером, усиливают электрические колебания за счет периодического изменения емкости резонансного контура высоковольтной обмотки с нечетным номером трансформатора Тесла путем периодического изменения с удвоенной резонансной частотой 2f₅ уединенной емкости за счет поляризации молекул воздуха и паров воды в атмосфере вокруг уединенной емкости под действием электрического поля, передают однонаправленноусиленные колебания из резонансного контура высоковольтной обмотки трансформатора Тесла с нечетным номером в резонансный контур низковольтной обмотки трансформатора Тесла с четным номером следующего каскада усиления с резонансной частотой f₆=f₅, блокируют передачу электрической энергии в обратном направлении из резонансного контура низковольтной обмотки трансформатора Тесла с четным номером в резонансный контур высоковольтной обмотки трансформатора Тесла с нечетным номером предыдущего каскада усиления, повторяют описанные выше процессы однонаправленной передачи электрической энергии от источника питания к нагрузке во всех последующих каскадах усиления резонансного усилителя мощности, преобразуют усиленные колебания по напряжению и частоте в инверторе, передают в нагрузку и частично через блок обратной связи на вход источника питания.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется на фиг. 1, 2, 3, где на фиг. 1 представлена электрическая схема резонансного преобразователя из четырех каскадов усиления, на фиг. 2 - схема поляризации диполей молекул воды в электрическом поле уединенной емкости с отрицательным потенциалом, на фиг. 3 - схема поляризации диполей молекул воды в электрическом поле уединенной емкости при положительном потенциале.

Резонансный усилитель мощности на фиг. 1 содержит источник питания 1, соединенный через ограничивающее сопротивление 2 с последовательным резонансным контуром 3, состоящим из емкости 4 и низковольтной обмотки 5 первого трансформатора Тесла 6. Импульсный коммутатор 7 установлен параллельно резонансному контуру 3. Высоковольтная обмотка 8 трансформатора Тесла 6 соединена высокопотенциальным выводом 9 с уединенной емкостью 10 в виде сферы из алюминия с образованием последовательного резонансного контура 11. Уединенная емкость 10 установлена над трансформатором Тесла 6 на высоте Н. Низковольтная обмотка 5 трансформатора Тесла 6 выполнена в виде двух секций 12 и 13 с одинаковым числом витков, установленных симметрично с двух сторон высоковольтной обмотки 8, при этом направление намотки витков секции 12 с наружной стороны высоковольтной обмотки 8 противоположно направлению намотки секции 13 с противоположной внутренней стороны высоковольтной обмотки 8. Резонансные контуры 3 и 11 с трансформатором Тесла 6 образуют первый каскад усиления 14 резонансного усилителя мощности.

Аналогичным образом выполнена низковольтная и высоковольтная обмотка трансформатора Тесла во всех каскадах усиления с нечетным номером (2 n-1), где n=1, 2, 3… m - натуральный ряд чисел.

Низкопотенциальный вывод 15 у основания 16 высоковольтной обмотки 8 трансформатора Тесла 6 соединен низкопотенциальной линией 17 с низкопотенциальным выводом 18 высоковольтной обмотки 19 второго трансформатора Тесла 20. Высоковольтная обмотка 19 с уединенной емкостью 21 образует последовательный резонансный контур 22.

Высоковольтная обмотка 19 у основания 23 выполнена из двух секций 24 и 25 с одинаковым числом витков, установленных симметрично с двух сторон низковольтной обмотки 26 трансформатора Тесла 20. Направление намотки витков секции 24 с наружной стороны низковольтной обмотки 26 противоположно направлению намотки витков секции 25 с внутренней стороны низковольтной обмотки 26. Резонансный контур 22 с трансформатором Тесла 20 образует второй каскад усиления 27 резонансного усилителя мощности.

Аналогичным образом выполнена высоковольтная инизковольтная обмотка трансформатора Тесла во всех каскадах усиления счетным номером 2 n, где n=1, 2, 3… m - натуральный ряд чисел.

Низковольтная обмотка 26 трансформатора Тесла 20 соединена с третьим трансформатором Тесла 28 с помощью резонансного контура 29, состоящего из емкости 30 и низковольтной обмотки 31 трансформатора Тесла 28. Высоковольтная обмотка 32 с уединенной емкостью 33 образует последовательный резонансный контур 34 высоковольтной обмотки 32 трансформатора Тесла 28. Резонансные контуры 29 и 34 трансформатора Тесла 28 образуют третий каскад усиления 35 резонансного усилителя мощности.

Низковольтная обмотка 31 трансформатора Тесла 28 состоит из двух секций 36 и 37 с одинаковым числом витков, установленных симметрично с двух сторон высоковольтной обмотки 32, при этом направление намотки витков секции 36 с наружной стороны высоковольтной обмотки 32 противоположно направлению намотки секции 37 с внутренней стороны высоковольтной обмотки 32. Низкопотенциальный вывод 38 высоковольтной обмотки 32 соединен низкопотенциальной линией 39 с низкопотенциальным выводом 40 высоковольтной обмотки 41 четвертого трансформатора Тесла 42. Высоковольтная обмотка 41 с уединенной емкостью 43 образует последовательный резонансный контур 44.

Высоковольтная обмотка 41 у основания 45 трансформатора Тесла 42 выполнена из двух секций 46 и 47 с одинаковым числом витков, установленных симметрично с двух сторон низковольтной обмотки 48 трансформатора Тесла 42. Направление намотки витков секции 46 с наружной стороны низковольтной обмотки 48 противоположно направлению намотки витков секции 47 с внутренней стороны низковольтной обмотки 48. Низковольтная обмотка 48 с емкостью 49 образует резонансный контур 50 низковольтной обмотки 48. Резонансные контуры 44 и 50 образуют четвертый каскад усиления 51 резонансного усилителя мощности.

Аналогично устроены следующие каскады усиления с четным номером 2 n и с нечетным номером 2 n-1, где n - натуральный ряд чисел n=1, 2, 3m. Каждый каскад усиления содержит трансформатор Тесла с резонансным контуром с уединенной емкостью в виде проводящего тела, в которых происходит параметрическое возбуждение и усиление электрических колебаний. Все резонансные контуры и все каскады усиления имеют одинаковую резонансную частоту. На выходе резонансного усилителя мощности установлены инвертор 52, соединенный с нагрузкой 53 и через блок обратной связи 54 со входом источника питания 1.

На фиг. 2 уединенная емкость в форме сферы 55 имеет отрицательный потенциал на поверхности сферы. Диполи молекул паров воды 56 с атомами кислорода 57 и водорода 58 и связями 59 кислород-водород поляризуются вдоль вектора электрического поля 60, который направлен к поверхности сферы.

На фиг. 3 уединенная емкость имеет положительный потенциал на поверхности сферы 55. Диполи молекул паров воды 56 поляризуются и ориентированы вдоль вектора электрического поля 60, который направлен по нормали от поверхности сферы.

Способ усиления электрических сигналов в резонансном усилителе мощности осуществляют следующим образом.

Электрическую энергию источника питания (фиг. 1) с помощью импульсного коммутатора 7 преобразуют в энергию электрических колебаний с частотой f₁ в резонансном контуре 3 низковольтной обмотки 5 первого трансформатора Тесла 6, передают однонаправленно энергию электрических колебаний в резонансный контур 11 с резонансной частотой f₂=f₁, блокируют передачу электрических колебаний в обратном направлении из резонансного контура 11 в резонансный контур 3, усиливают электрические колебания тока и напряжения с частотой f₁=f₂ в резонансном контуре 11 трансформатора Тесла 6 путем периодического изменения с частотой 2f₁=2f₂ уединенной емкости 10 за счет поляризации молекул воздуха и паров воды в атмосфере вокруг уединенной емкости 10 под действием электрического поля и создают условия для параметрического резонанса, передают усиленные колебания по низкопотенциальной линии 17 в резонансный контур 22 высоковольтной обмотки 19 второго трансформатора Тесла 20 с частотой f₃=f₂, усиливают электрические колебания путем параметрического изменения уединенной емкости 21 резонансного контура 22 высоковольтной обмотки 19 второго трансформатора Тесла 20, передают однонаправленно усиленные колебания тока и напряжения из резонансного контура 22 в резонансный контур 29 с частотой f₄=f₃, блокируют передачу электрических колебаний в обратном направлении из резонансного контура 29 в резонансный контур 22, передают однонаправленно усиленные колебания из резонансного контура 29 в резонансный контур 34 высоковольтной обмотки 35 с частотой f₅=f₄ третьего трансформатора Тесла 28, блокируют передачу электрических колебаний в обратном направлении из резонансного контура 34 в резонансный контур 29 трансформатора Тесла 28, повторяют описанные выше процессы в последующих каскадах усиления электрических колебаний. Усиленные колебания на выходе резонансного преобразователя преобразуют по напряжению и частоте в инверторе 52 и передают в нагрузку 53. Часть электрической энергии на выходе инвертора 52 передают через блок обратной связи 54 на вход источника питания 1 для обеспечения его работы.

Однонаправленную передачу электрической энергии из резонансного контура 3 низковольтной обмотки 5 в резонансный контур 11 высоковольтной обмотки 8 и блокировку передачи электрической энергии в обратном направлении осуществляют следующим образом.

Переменное напряжение на высоковольтной обмотке 8 резонансного контура 11 возбуждает во включенных встречно секциях 12 и 13 низковольтной обмотки 5 ЭДС одинаковой величины и противоположного знака, в результате разница потенциалов между выводами низковольтной обмотки 5 наведенным током, текущим в высоковольтной обмотке 8, всегда равна нулю. Снаружи низковольтной обмотки 5 магнитный поток, создаваемый секцией 12, компенсируется встречным магнитным потоком от секции 13.

Аналогичным образом реализуют однонаправленную передачу электрических сигналов от резонансного контура 22 высоковольтной обмотки 19 трансформатора Тесла 20 через секции 24 и 25 в резонансный контур 29 низковольтной обмотки 31.

Таким образом, резонансный усилитель мощности обладает свойством однонаправленной передачи электрической энергии от источника питания 1 к нагрузке 53. Передача и параметрическое усиление электрических сигналов в резонансном контуре 11 в высоковольтной обмотке 8 не оказывает влияния на резонансные процессы, происходящие в резонансном контуре 3 низковольтной обмотки 5 и в резонансном контуре 29 низковольтной обмотки 26, что увеличивает добротность контуров и системы резонансного усилителя в целом.

Параметрическое усиление электрических колебаний в резонансном усилителе мощности осуществляют следующим образом.

В резонансных контурах высоковольтных обмоток трансформаторов Тесла во всех каскадах усиления возникают колебания электромагнитного поля с резонансной частотой, при этом вокруг каждой естественной уединенной емкости 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 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 резонансных контурах.

Параметры резонансного усилителя мощности составляют в зависимости от мощности: напряжение на уединенной емкости 10³-10⁶ В, резонансная частота 1-500 кГц, высота Н расположения уединенной емкости 1-10⁴ м, площадь уединенной емкости 1-10³ м, электрическая мощность 10-10⁶ Вт, общий коэффициент усиления 6-9, что превышает параметры прототипа.

Однонаправленная передача электрической энергии между резонансными контурами и каскадами усиления снижает зависимость параметров преобразователя от величины нагрузки.

Электрическая мощность резонансного усилителя мощности возрастает при увеличении размеров естественной уединенной емкости в соответствии с формулой (3), а также при увеличении резонансной частоты и высоты Н расположения уединенной емкости. 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 достигает 10 кВ, и этот потенциал увеличивает вырабатываемую электрическую энергию. Резонансный усилитель мощности может быть использован в качестве автономного электрического источника питания.