Резонансний підсилювач потужності

Реферат: Резонансний підсилювач містить джерело збудження, перший резонансний контур, що має першу резонансну частоту f1 та другий резонансний контур, що має другу резонансну частоту f2, відмінну від першої резонансної частоти f1. Обидва резонансні контури включені послідовно в електричне коло джерела збудження. Перша резонансна частота f1 вибрана меншою за частоту f0 сигналу джерела збудження, а друга резонансна частота f1 вибрана більшою за частоту f0 сигналу джерела збудження. UA 103215 U (54) РЕЗОНАНСНИЙ ПІДСИЛЮВАЧ ПОТУЖНОСТІ UA 103215 U UA 103215 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до електроенергетики, в даному випадку до силових резонансних контурів ударного збудження і може бути використаним у вторинних джерелах безперебійного живлення, а також як вихідний каскад систем ехолокації та передавачів електромагнітних коливань для створення надпотужних зондуючих сигналів. Відомий послідовний резонансний LC-контур для ударного збудження електромагнітних коливань. В такому контурі на частоті резонансу відбувається явище підсилення напруги на послідовно включених ємності та індуктивності. При цьому напруга на реактивних елементах контуру (індуктивності та ємності) перевищує напругу джерела ударного збудження в Q раз, де Q - так звана добротність резонансного LC контуру. За відповідних умов у послідовному резонансному LC контурі спостерігається резонанс напруг, що, по-суті, є підсиленням амплітуди сигналу в Q разів без застосування лампових, напівпровідникових чи інших твердотільних (активних) підсилювачів. Відомий також паралельний резонансний LC контур для ударного збудження електромагнітних коливань. В паралельному LC контурі на частоті резонансу відбувається явище збільшення величини струму в замкнутому колі паралельно включених ємності та індуктивності без збільшення амплітуди коливань - так званий резонанс струмів. При цьому струм через реактивні елементи (індуктивність та ємність) перевищує струм, що надходить від джерела ударного збудження, в Q разів, де Q - добротність паралельного LC контуру. Таким чином, в паралельному резонансному LC контурі відбувається підсилення струму в Q разів без застосування підсилювачів активного типу (П.А. Ионкин, «Теоретические основы электротехники», Часть I. Изд. «Высшая школа». Москва, 1965 р, стор. 344-352) Основним та спільним недоліком паралельного та послідовного резонансних LC контурів є затухання синусоїдальних коливань, що проявляється в поступовому зменшенні амплітуди коливань після припинення подачі імпульсу напруги джерела ударного збудження. Величина затухання сигналу визначається добротністю відповідного резонансного LC контуру. При збільшенні добротності контуру стабільність амплітуди сигналу в LC контурі зростає. Як прототип вибрано генератор, який містить активне джерело збудження коливань з першим, другим та третім виводами, схему зміщення, налагоджувальну схему, перший резонансний контур, що має першу резонансну частоту та другий резонансний контур, що має другу резонансну частоту, відмінну від першої резонансної частоти. Перший резонансний контур з'єднаний послідовно з налагоджувальною схемою, а другий резонансний контур з'єднаний паралельно з налагоджувальною схемою другим виводом («Генератор управляемый напряженим с последовательно и параллельно настроенными резонансними контурами», МПК Н03В5/12, заявка на винахід RU 2007147399 від 19.05.2006 р. дата публікації 27.06.2009 р. згідно РСТ US 2006/019398 20060519, конвенційний пріоритет 20.05.2005 р. US 60/683,533). Генератор дозволяє отримувати в паралельному резонансному контурі незатухаючі коливання синусоїдальної форми. Недоліком відомого генератора є складність конструкції та наявність активних компонентів налагодження та схеми зміщення. В основу корисної моделі поставлена задача спрощення конструкції та створення резонансної системи, яка забезпечує підсилення потужності сигналу джерела ударного збудження, а саме - як амплітуди, так і струму одночасно без застосування активних елементів. Поставлена задача вирішується тим що містить джерело збудження, перший резонансний контур, що має першу резонансну частоту f 1 та другий резонансний контур, що має другу резонансну частоту f2, відмінну від першої резонансної частоти f 1, згідно з корисною моделлю, обидва резонансні контури включені послідовно в електричне коло джерела збудження, причому перша резонансна частота f1 вибрана меншою за частоту f 0 сигналу джерела збудження, а друга резонансна частота f 2 вибрана більшою за частоту f0 сигналу джерела збудження. Крім того, згідно з корисною моделлю, кожен резонансний контур містить паралельно включені котушку індуктивності та конденсатор, причому перший резонансний контур має індуктивний електричний імпеданс, а другий резонансний контур має ємнісний електричний імпеданс. Крім того, згідно з корисною моделлю, котушки індуктивності першого та другого резонансних контурів містять феритові осердя. Крім того, згідно з корисною моделлю, котушки індуктивності першого та другого резонансних контурів містять осердя з трансформаторного заліза. Крім того, згідно з корисною моделлю, перший та другий резонансні контури встановлені з можливістю забезпечення позитивного зворотного зв'язку між їх елементами. Крім того, згідно з корисною моделлю, зворотний зв'язок між першим та другим резонансними контурами встановлено шляхом введення взаємної індукції між котушкою 1 UA 103215 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 першого резонансного контуру та котушкою другого резонансного контуру, причому котушка першого резонансного контуру включена зустрічно відносно до котушки другого резонансного контуру. Крім того, згідно з корисною моделлю, як перший резонансний контур застосовано біфілярну котушку індуктивності з міжвитковою ємністю, а як другий резонансний контур застосовано паралельний LC контур з ємнісним електричним імпедансом. Між суттєвими відмінностями та досягнутою метою існує безпосередній причиннонаслідковий зв'язок. Внаслідок послідовного включення відповідно налаштованих резонансних контурів змінна напруга з виходу джерела накачки розподіляється між ними порівну. При цьому у кожному резонансному контурі з паралельно включеними котушкою індуктивності та конденсатором виникає резонанс струмів, тобто підсилення струму в обох резонансних контурах в Q разів, а між першим резонансним контуром з ємнісним електричним імпедансом (резонансна частота якого менша від частоти сигналу накачки) та другим резонансним контуром з індуктивним електричним імпедансом (резонансна частота якого більша від частоти сигналу накачки) виникає одночасно резонанс напруг, тобто їх збільшення в 0 разів на кожному резонансному контурі. При цьому напруга на першому резонансному контурі випереджає по фазі напругу на другому резонансному контурі на 180°. В результаті спостерігається так званий «резонанс в резонансі» і в такій резонансній підсилювальній системі відбувається одночасне підсилення і струму і напруги без застосування активних компонентів. Суть корисної моделі пояснюють креслення. На Фіг. 1 зображено схему резонансного підсилювача. На Фіг. 2 зображено варіант резонансного підсилювача з послідовно-паралельним резонансом. На Фіг. 3 зображено векторну топографічну діаграму напруг і струмів в різних точках резонансного підсилювача. Резонансний підсилювач на Фіг. 1 містить джерело 1 збудження синусоїдальних коливань, перший резонансний контур 2, що має першу резонансну частоту f1 та другий резонансний контур 3, що має другу резонансну частоту f 2, відмінну від першої резонансної частоти f1. Обидва резонансні контури 2 та 3 включені послідовно в коло 4, 5 джерела збудження 1, причому перша резонансна частота f1 вибрана меншою за частоту сигналу f0 джерела збудження 1, а друга резонансна частота f 2 вибрана більшою за частоту f0 сигналу джерела збудження 1. Провідники 4 та 5 кола джерела збудження 1 виконані із мідного проводу. Провідник 4 кола джерела збудження 1 в переважному варіанті виконання підключений до заземлення 6. Перший резонансний контур 2 містить паралельно включені конденсатор 7 з ємністю С і та котушку 8 з індуктивністю L. Другий резонансний контур 3 містить паралельно включені котушку 9 індуктивністю L та конденсатор 10 з ємністю С2. В окремих випадках конструктивного виконання котушки 8 та 9 містять феритові осердя 11 та, відповідно, 12, або осердя із трансформаторного заліза. Між котушками 8 та 9 резонансних контурів 2 та 3 встановлено зв'язок взаємної індукції 13 величиною М1,2. Величина коефіцієнта М1,2 взаємної індукції вибирається в межах від 0.5 до 1.0. Для забезпечення позитивного зворотного зв'язку взаємної індукції М1,2 котушка 8 включена зустрічно відносно до котушки 9. Варіант виконання резонансного підсилювача на Фіг. 2 містить перший резонансний контур 2 у вигляді біфілярної котушки індуктивності 8 з міжвитковою ємністю 7, а як другий резонансний контур 3 застосовано паралельний LC контур з ємнісним електричним імпедансом паралельно включених котушки 9 та конденсатора 10. Резонансний підсилювач функціонує наступним чином. Потенціали діючих напруг для кожної точки електричного кола 4, 5 на Фіг. 1 зображені у формі векторів на комплексній площині, представленій на Фіг. 3. При цьому потенціал в точці а на Фіг. 1 дорівнює потенціалу в точці d, а потенціал в точці с дорівнює потенціалy в точці e. Електричний імпеданс першого 2 та другого 3 резонансного контуру - це комплексний опір Z двополюсника відносно до протікання через нього змінного струму відповідної частоти f0: Z=R+jX; 2 де R - активний опір; X - реактивний опір; j - уявна одиниця, для якої j =-1. Реактивний опір XL1 котушки індуктивності 8 для частоти f0 вибраний рівним реактивному опору ХL2 котушки індуктивності 9, тобто XL1=ХL2=L; де L - індуктивність котушки 8 (9);  циклічна частота джерела збудження 1. Реактивний опір конденсатора 7 для частоти f 0 вибраний більшим, ніж реактивний опір конденсатора 10 для тієї ж частоти f 0, тобто ХС1>ХС2; де ХС1=-1/С1; XC2=-1/С2. Циклічна частота  пов'язана з частотою f0 джерела збудження 1 відомим співвідношенням: =2 f0. 2 UA 103215 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Напруга Uca між точками с та а на виході джерела збудження 1 відображується на Фіг.3 в комплексному вигляді як вектор: Uca=Aexp(jt); де А - амплітудне значення сигналу джерела збудження 1;  - частота сигналу джерела збудження 1; j - уявна одиниця. Вираз ехр(х) тут і х надалі означає е ; де e=2.71828 - основа натурального логарифма. Вектор Ucа на комплексній площині обертається проти годинникової стрілки і в деякий момент часу t знаходиться на Фіг. 3 під кутом  відносно осі Re значень реальних чисел комплексної площини. Оскільки резонансна частота f 1 першого резонансного контуру 2 вибрана меншою за частоту f0 сигналу джерела збудження 1, то імпеданс Z1 резонансного контуру 2 має індуктивний характер і визначається як: Z1=(r+jXL1)*-jXC1/(r+jXL1-jXC1)>0; де r - активний опір обмотки котушки 8 резонансного контуру 2; ХL1=L - реактивний опір котушки 8 резонансного контуру 2 на частоті f0; XC1=1/(C1) - реактивний опір конденсатора 7 першого резонансного контуру 2 на частоті f0. При цьому вектор напруги Uba на першому резонансному контурі 2 випереджає вектор напруги Uca на величину кута 90° як це показано на Фіг. 3. На основі цього факту напругу Uba між точками b та а на першому резонансному контурі 2 записується в комплексному вигляді наступним чином: Uba=jQAexp(jt); де Q - добротність першого резонансного контуру 2 на частоті f0. На Фіг. 1 та Фіг. 3 струм ІL1 через котушку 8 першого резонансного контуру 2 запізнюється відносно вектора напруги Uba на величину ≤/2 оскільки котушка 2 має невеликий активний опір r. При цьому IL1=Uba/(r+jL). У свою чергу, струм IC1 через конденсатор 7 першого резонансного контуру 2 випереджає вектор напруги Uba на величину /2: IC1=-UbajC1. Оскільки резонансна частота f1 першого резонансного контуру 2 вибрана меншою за частоту f0, то амплітудне значення струму IС1 є дещо меншим від амплітудного значення струму IL1, в результаті чого результуючий струм І1 в точці b визначається векторною сумою струму IС1 та струму IL1 як це показано на Фіг. 3 і при відповідному налаштуванні першого резонансного контуру2 маємо: І1=Uba/(Q*jL)