# Парадоксальный резонансный преобразователь напряжения

Владимир Уткин

Предложен подход преобразования напряжения на основе теории связанных резонансных контуров. Приведены структурные и принципиальные схемы. Проведён эксперимент подтверждающий предложенный подход.

ПАРАДОКСАЛЬНЫЙ РЕЗОНАНСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ


("чудеса" резонанса)


Владимир Уткин u.v@bk.ru


С статье рассматривается резонансный преобразователь напряжения на основе пары связанных резонансных контуров.

Парадокс данного резонансного преобразователя заключается в том, что для повышения напряжения в N раз, соотношение витков в контурах должно образовывать понижающий напряжение в N раз трансформатор. А для понижения напряжения в N раз, соотношение витков в контурах должно образовывать повышающий напряжение в N раз трансформатор. Структурная схема резонансного преобразователя приведена ниже на Рис.1.


Рис.1 Структурная схема резонансного преобразователя на основе пары связанных резонансных контуров при разном числе витков в контурах, где ╖2 резонансная частота связанных контуров.

Кроме того, данный преобразователь может быть построен для случая, когда число витков в контурах совпадает. В этом случае выходное напряжение определяется соотношением ёмкостей конденсаторов, подключенных к первичному и вторичному контуру. Для повышения напряжения в N раз ёмкость конденсатора вторичного контура должна быть в N раз меньше ёмкости конденсатора первичного контура. Для понижения напряжения наоборот. Структурная схема такого варианта представлена ниже на Рис.2.


Рис.2 Структурная схема резонансного преобразователя на основе пары связанных резонансных контуров при равном числе витков в контурах, где ╖2 резонансная частота связанных контуров.

Идея обоих вариантов преобразователя основана на теории связанных резонансных контуров. Эту теорию можно подробно изучить по учебнику, указанному в конце статьи. Либо в Интернете по запросу:" Связанные резонансные контуры".

Из теории известно, что при коэффициенте связи контуров К> 0.7 их резонансная кривая приобретает "двугорбый" вид с резонансами на частотах ╖1 и ╖2, показанный на Рис.3. Чем больше коэффициент связи контуров К, тем больше отличаются резонансные частоты ╖1 и ╖2. Происходит это за счёт того, что фаза колебаний во вторичном контуре на частоте ╖2 отличается на 180 градусов от фазы колебаний в первичном контуре. В результате электромагнитные поля катушек контуров направлены встречно и подавляют друг друга. Чем ближе катушки друг к другу (больше коэффициент связи К), тем сильнее подавление и выше резонансная частота за счёт уменьшения эффективной индуктивности катушек.


Рис.3 Резонансные кривые связанных резонансных контуров в зависимости от коэффициента связи К.

При этом в литературе рассматривается вариант связанных резонансных контуров, когда они идентичны. То есть, совпадают индуктивности и ёмкости первого и второго контура.

В тоже время, резонансы будут наблюдаться, даже тогда, когда параметры первого и второго контура не совпадают. Правда на других частотах ╖1 и ╖2, но всё равно будут наблюдаться. И вот здесь происходит самое интересное с точки зрения преобразования напряжения. Напряжение на выходном контуре будет зависеть от резонансной частоты ╖2, определяемой соотношениями индуктивностей и ёмкостей связанных контуров. То есть, чем выше будет резонансная частота ╖2 в зависимости от указанных параметров, тем выше будет напряжение на выходном контуре. Обобщённые графики этой зависимости представлены на Рис.4 для случаев (А) и (В).


Рис.4. Зависимость резонансной частоты ╖2 и напряжения U2 на выходном контуре от соотношения числа витков контуров - вид (А), и соотношения ёмкостей конденсаторов С2/С1 при равном числе витков контуров - вид (В).

Эти зависимости и лежат в основе структурных схем преобразователей, показанных на Рис.1 и Рис.2.

Принципиальные схемы простейших резонансных преобразователей напряжения, построенных на изложенном принципе показаны на Рис.5.


Рис.5. Простейшие схемы парадоксального резонансного повышающего преобразователя напряжения для случая разного числа витков в контурах - (А), и случая равного числа витков в контурах - (В).

По сути это обычные LC генераторы с трансформаторной обратной связью. Однако, чтобы заставить их работать на частоте ╖2 катушка положительной обратной связи L3 включается в полярности противоположной "общепринятой", чтобы заставить резонансные катушки создавать встречные электромагнитные поля. И располагается эта катушка положительной обратной связи пространственно вместе с катушкой L2.

При этом, катушки L1 и L2 должны иметь коэффициент связи K в пределах от 0,7 до 1, в соответствии с теорией. Но сама величина коэффициента связи К практически не влияет на величину преобразования напряжения (если нет потерь в индуктивностях и ёмкостях). А только меняет рабочую частоту схем. При коэффициенте связи К = 1 рабочая частота схем равна бесконечности ╖2 = ".

Если все вышеуказанные условия не соблюдены, то схемы превращаются в обычные LC генераторы, работающие на частоте ╖1. И как следствие "чудо" не происходит.

В процессе экспериментов были апробированы оба варианта резонансного повышающего преобразователя. Однако, ниже приводятся результаты только для преобразователя с равным числом витков в контурах - вариант (В), с повышением напряжения в восемь раз.

Контура были изготовлены на основе тороидального сердечника 100х60х14 600НН (не принципиально) и содержали по 64 витка эмалированного провода, намотанных на противоположных сторонах магнитопровода (чтобы несколько снизить коэффициент связи катушек). Катушка связи L3 содержала 16 витков провода и располагалась компактно поверх катушки L2 точно в её центре.

В качестве транзистора использовался 2N2222A, резистор использовался номиналом 20 Ком. Ёмкости конденсаторов для увеличения напряжения в восемь раз отличались также в восемь раз С1=0,2 мкф и С2=0,025 мкф. Источник питания использовался напряжением 1,5 Вольта.

Результаты эксперимента в виде осциллограмм, наблюдавшихся на первичном и вторичном контуре представлены на Рис.6. В начале без повышения напряжения (оба конденсатора ёмкостью по 0,2 мкф) и с повышением напряжения (ёмкость выходного конденсатора 0,025 мкф). Там же показан внешний вид использовавшихся контуров. В качестве нагрузки использовались пять пар светодиодов на 3 Вольта (5213UWC, 20000 mCd, 3 -3,6V), соединённых встречно/параллельно, и показанных в правой части рисунка.

Красным показаны осциллограммы напряжения на входном контуре, жёлтым осциллограммы напряжения на выходном контуре.


Рис.6. Осциллограммы напряжений на входном и выходном контуре при равных величинах ёмкостей конденсаторов С1 и С2 и при отличии ёмкостей в восемь раз.

Как видно из представленных результатов, при уменьшении ёмкости выходного конденсатора в восемь раз с 0,2 мкф до 0,025 мкф амплитуда колебаний на выходном контуре также возросла в восемь раз. А частота колебаний повысилась с 22 кГц до 49 кГц. Подключённые светодиоды начали светиться, хотя и не очень ярко.

В заключении следует сказать, что поставленные эксперименты полностью подтвердили подход по созданию резонансного преобразователя напряжения на основе пары связанных резонансных контуров. При этом автор не ставил целью изучить КПД данного преобразователя, или оптимизировать режим генераторного транзистора. Целью являлось желание показать работоспособность данного подхода. Возможность объединения вариантов (А) и (В) является очевидной.


ЛИТЕРАТУРА

-- Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. Учебник для вуз - ов, 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь. 1986, 512 с.: ил. ни.


--