Parametikus Teljesítmény Generátor
A Parametrikus Teljesítmény Generátor (PTG) onnét kapta a nevét, hogy a rezgőkörök parametrikus erősítési/szűrési tulajdonságait használja ki energiatermelésre.
A készülék első ránézésre egy közönséges rezgőkörre hasonlít - mert az is - ami úgy van kialakítva, hogy a kimenet nem, vagy csak nagyon kis mértékben hat vissza a bemenetre.
Az LC rezgőkörök, mint ahogy a nevük is mutatja, egy tekercsből (L) és egy kondenzátorból (C) állnak. Ez a két passzív áramköri elem azonban különböző tulajdonságokkal rendelkezik, ha úgy vesszük, egymás tükörképei.
A kondenzátor az energiát elektromos mezőként tárolja és ezt a tárolt energiát elektromos formában feszültségként jeleníti meg (potenciális energiaként), a tekercs pedig mágneses mezőként tárolja az energiát és ezt a tárolt energiát elektromos formában áramként jeleníti meg (kinetikus energia). A kondenzátor és a tekercs ugyanannak a reaktív "érmének" a két oldala, az energiát egymást kiegészítve tárolják és adják le. Amikor ez a kétféle reaktív alkatrész közvetlenül kapcsolódik egymáshoz, akkor ez az egymást kiegészítő energiatárolási jellemző szokatlan dolgot eredményez.
Ha akár a kondenzátor, akár a tekercs fel van töltődve, akkor ez a két alkatrész egymás között oda-vissza cserélgeti ezt a tárolt energiát, így hozva létre váltakozó feszültséget és váltakozó áramot. Ha feltételezzük, hogy mind a két alkatrészt egy hirtelen feszültségimpulzusnak tesszük ki, pl. egy pillanatra az akkumulátor sarkait hozzáérintjük a kondenzátor csatlakozóihoz, akkor a kondenzátor nagyon gyorsan feltöltődik, míg a tekercs az áram ellen egy végtelen nagy ellenállást fog kifejteni. Ezáltal a kondenzátor feltöltött állapotba kerül, míg a tekercs feltöltetlen állapotban marad.
1. ábra. Az akkuval feltöltjük a kondenzátort
Ezt követően a kondenzátor elkezd kisülni, a feszültsége csökken. Eközben a tekercs mágneses mező formájában elkezdi felépíteni a saját "töltését", miközben az áramerősség növekszik az áramkörben.
2. ábra.
A tekercs töltődése közben az elektronok elkezdenek áramolni addig, míg a kondenzátor teljesen ki nem sül, azaz a feszültsége 0 V nem lesz.
3. ábra.
A tekercs biztosítja az áramot, még akkor is, ha nem alkalmazunk feszültséget. Valójában a tekercs feszültséget generál (mint az akkumulátorok) azért, hogy az elektronáramot ugyanabba az irányban biztosítsa. A kondenzátor, mely most az áram fogadójaként szerepel, elkezd töltődni, de most ellenkező polaritással.
4. ábra.
Mire a tekercs teljesen átadta a tárolt energiáját és az elektronáramlás megszűnik, addigra a kondenzátor teljesen feltöltődik, a feszültsége a maximális lesz, de ellentétes polaritású, mint korábban volt.
5. ábra.
Most a kezdéshez nagyon hasonló feltételeket látunk: a kondenzátor teljesen feltöltődött és az áramerősség nulla az áramkörben. A kondenzátor a korábbiakhoz hasonlóan elkezd kisülni a tekercsen keresztül, ami az áramerősség növekedését okozza (az ellenkező irányba). Közben, ahogy csökken a kondenzátorban tárolt energia, csökken a feszültség is.
6. ábra.
Végül a kondenzátor teljesen kisül, a feszültsége leesik nullára, miközben a tekercs teljesen fel van töltődve a rajta keresztüláramló maximális áramerősség révén.
7. ábra.
A tekercs, mivel az áramot ugyanabba az irányba akarja mozgatni, ismét feszültség forrásként fog működni. Eközben a kondenzátor elkezd töltődni, az áramerősség pedig csökkenni kezd.
8. ábra.
Végül a kondenzátor teljesen feltöltődik, miközben a tekercs a teljes energiáját arra fordította, hogy az elektronok áramlását biztosítsa. A feszültség ismét a pozitív csúcson lesz, az áramerősség pedig leesik nullára. Ezáltal befejeződött egy teljes energiacserélődési ciklus a kondenzátor és a tekercs között.
9. ábra.
Ez a rezgési folyamat folytatódik, miközben az amplitúdó folyamatosan csökken az áramkörben lévő szórt ellenállások miatt, míg végül a folyamat végleg le nem áll.
Tulajdonképpen ez a viselkedés az ingához hasonlítható: miközben az ingán lévő tömeg előre-hátra mozgatja az ingát, energiaátalakítás játszódik le a kinetikus (mozgási) és potenciális (helyzeti) energiák között, ugyanúgy, mint ahogy az energia a kondenzátor és tekercs között váltakozik az áramerősség változása (az elektronok mozgása, kinetikus energiája) és a feszültség (potenciális, helyzeti elektromos energia) között.
Az inga legmagasabb pontján a tömeg miatt az inga megáll és irányt változtat. Ezen a ponton a potenciális (helyzeti) energia a maximum értéket éri el, míg a kinetikus (mozgási) energia nulla lesz. Miközben a tömeg az ellenkező irányba kezd elmozdulni, gyorsulva áthalad azon a ponton, ahol az inga merőleges a talajra. Ezen a ponton a potenciális (helyzeti) energia nulla, a kinetikus (mozgási) energia pedig a maximumon van. Akár csak az áramkörben, az inga ide-oda történő rezgése folyamatosan csökkenő amplitúdók mellett játszódik le a légellenállás során elnyelt energia miatt. Szintén az áramkörhöz hasonlóan az inga helyzetét és sebességét két színuszhullámmal írhatjuk le, melyek egymáshoz képest 90°-os fáziseltérést mutatnak.
10. ábra. Az inga és az energia kapcsolata
Az itt látható kis program segítségével egy rugóra erősített súly harmonikus (és csillapított) mozgását láthatjuk.
A fizikában ezt a fajta természetes szinusz hullámú rezgést Egyszerű Harmonikus Mozgásnak nevezzük. Ugyanaz az alapelv érvényesül az LC rezgőkörben, mint az ingánál. Érdekes tulajdonsága az ingának, hogy a periódus ideje a golyót tartó fonal hosszától függ, nem a golyó súlyától. Ez az oka annak, hogy az inga ugyanazon a frekvencián fog hintázni, miközben az amplitúdó csökken. A rezgés ideje független a tárolt energia nagyságától.
Ugyanez igaz az LC rezgőkörre is. A rezgés periódusidejét szigorúan a kondenzátor és a tekercs méretei határozzák meg, nem az értékcsúcsokban mérhető feszültség vagy áramerősség. Az LC kört az energiatárolási képessége miatt tároló körnek is nevezik. A rezgőkörnek az a tulajdonsága, hogy egy adott természetes frekvencián történik az energia nagyságától független energiaátadás, nagy jelentőséggel bír az elektromos alkatrészek tervezésénél.
Ugyanakkor ez az adott frekvencián létrejövő rezgési vagy rezonáló tulajdonság nem csak azokra az áramkörökre jellemző, amiket direkt erre a célra terveztek. A helyzet az, hogy közel az összes váltóáramú kapcsolás, mely kapacitív és induktív tulajdonságú elemeket tartalmaz, különleges hatásokat produkál, mikor a váltakozó áramú jelforrás frekvenciája eléri ezt a természetes frekvenciát. Ez mindig igaz, függetlenül az áramkör eredeti céljától.
Ha a jelgenerátor frekvenciája pontosan megegyezik az áramkör LC elemei által meghatározott természetes frekvenciával, akkor az áramkör a rezonancia állapotába kerül. Ebből az okból kifolyólag képesnek kell lennünk arra, hogy meghatározzuk, mi a rezonancia frekvenciája az áramkörben lévő különböző L és C értékek kombinációjának.
Párhuzamos LC rezonancia
A rezonancia feltétele egy LC rezgőkörben az, hogy a kondenzátor és a tekercs reaktanciája (frekvenciafüggő ellenállása - X) egyenlő legyen egymással. Mivel az induktív reaktancia a frekvencia növekedésével növekszik, míg a kapacitív reaktancia a frekvencia növekedésével csökken, ezért csak egy frekvencia van, ahol ez a két reaktancia egyenlő értéket vesz fel.
11. ábra. Párhuzamos LC rezgőkör
A 11. ábrán egy 10 ľF-os kondenzátort és egy 100 mH-is tekercset kötünk párhuzamosan. Mivel ismerjük az adott frekvenciákon jelentkező reaktanciákat meghatározó egyenleteket, és mivel azt a pontot keressük, ahol a két reaktancia egyenlő, így egyenlővé téve a két képletet kifejezhetjük a frekvenciát.
Xl = 2 * p * f * L
és
Xc = 1 / (2 * p * f * C)
Egyenlővé téve a reaktanciákat azt kapjuk, hogy:
2 * p * f * L = 1 / (2 * p * f * C)
Átrendezve az egyenletet megkapjuk, hogy milyen frekvencián egyenlő a tekercs és a kondenzátor reaktanciája:
Tehát megkaptuk az egyenletet, mely szerint egy LC rezgőkör rezonancia frekvenciája a kondenzátor Farad-ban megadott kapacitásától és a tekercs Henry-ben megadott induktivitásától függ. A 11. ábrán látható elemek értékeit behelyettesítve megkapjuk, hogy az adott elemek rezonancia frekvenciája 159,155 Hz.
De mi történik a rezonancián? Ez igen érdekes! Amikor a kapacitív és induktív reaktancia megegyezik egymással, a teljes impedancia (látszólagos ellenállás - Z) végtelen nagy lesz, ami azt jelenti, hogy az LC rezgőkör egyáltalán nem vesz fel áramot a jelgenerátorból! Számoljuk ki, hogy a 11. ábrán megadott alkatrészeknek mennyi az egyenkénti impedanciája.
Xl = 2 * p * f * L
Xl = 2 * p * 159,155 Hz * 100 mH
Xl = 100 W
Xc = 1 / (2 * p * f * C)
Xc = 1 / (2 * p * 159,155 Hz * 10 ľF)
Xc = 100 W
Mint már bizonyára kitaláltad, azért választottam ezeket a kapacitás és induktivitás értékeket, hogy könnyebb legyen számolni velük. Nézzük meg, mekkora lesz a párhuzamosan kapcsolt két alkatrész (L és C) eredő impedanciája.
12. ábra. A 11. ábrán látható LC kör impedanciájának meghatározása a rezonancia frekvencián
Soros LC rezonancia
Hasonló effektust figyelhetünk meg a tekercs és kondenzátor sorba kötésekor.
13. ábra. Soros LC rezgőkör
Mikor a rezonancia állapotát elértük, azaz a kapacitív és induktív reaktancia egyenlő, a két impedancia kioltja egymást és az eredő impedancia leesik nullára!
14. ábra. A 13. ábrán látható LC kör impedanciájának meghatározása a rezonancia frekvencián
A 159,155 Hz-es rezonancia frekvencián az eredő soros impedancia 0 W, ami rövidzárat jelent a jelgenerátor számára.
A soros LC rezgőkörben folyó nagy áramok veszélyesen magas feszültséget tudnak előállítani a kondenzátoron és a tekercsen, mivel mindegyik alkatrésznek jelentős az egyéni impedanciája.
Mint a következő egyenlet is mutatja, az elektromos mozgatóerő létrehozása, azaz az elektromos energia átalakítása kétféleképpen történhet:
- Fluxusok egyesítésével
- Parametrikus egyesítéssel
1. egyenlet
Képzeljünk el egy egyszerű tekercset (L), melyben (i) áram folyik.
1. ábra.
Ismert tény, hogy a tekercsben tárolt energia:
EL = 0,5 * L * i2
Az is ismert tény, hogy ha ez az induktivitás valamilyen okból kifolyólag növekszik, pl. egy vasrudat csúsztatunk a tekercsbe (miközben az áramerősség nem változik), akkor az eltárolt elektromos energia növekszik. Ez a parametrikus teljesítmény átvitel egy példája. (lásd az 1.egyenletet)
Hogyha a 2. ábrán bemutatott módon a feljebb említett vasmagot váltakozva becsúsztatjuk az L tekercsbe és kihúzzuk onnét, és ha ez a tekercs része egy rezgőkörnek, akkor egy parametrikus rezgőkört kapunk.
2. ábra. A parametrikus rezgőkör elvi vázlata
A parametrikus rezgőkör legkritikusabb eleme a frekvencia. Jól ismert tény, hogy ideális esetben a pumpáló frekvencia - azaz az excentrikus forgatás frekvenciája - kétszerese kell legyen a parametrikus rezgőkör természetes frekvenciájánál.
3. ábra. A pumpáló frekvencia és a rezonancia frekvencia viszonya ideális esetben
A következő példa igazolja ennek az állításnak a valódiságát:
Tételezzük fel, hogy az LC rezgőkörben folyó áram frekvenciája a vasmag excentrikus forgatási frekvenciájának a fele. (lásd a 4. ábrát)
4. ábra. Az LC rezgőkör árama
Ha a vasmagot a ciklus (1) pontjánál csúsztatjuk a tekercsbe, akkor az induktivitás (L) növekszik. Ez az induktivitás növekedés a pillanatnyi nagy áramerősséggel is párosul, ami hatalmas parametrikus energia átvitelt eredményez az áramkörben. Ha ezt követően a vasmagot kihúzzuk a ciklus (2) pontjánál, amikor az áramerősség nulla, akkor nem veszítünk a rezgőkör elektromos energiájából. Hasonlóképpen, a ciklus (3) pontjánál energia átvitel történik, a (4) pontnál pedig nem veszítünk energiát. Ezáltal, ha a pumpáló frekvencia a duplája az LC rezgőkör rezonancia frekvenciájának, akkor egyoldalú parametrikus energiaátvitelt tudunk megvalósítani az 1. egyenletnek megfelelően.
5. ábra. Az energia parametrikus erősítése
6. ábra. Átmeneti állapot (A parametrikus erősítés kezdete)
A fentebb bemutatott példánál mechanikai energiát használtunk. A mi célunk azonban természetesen az, hogy egy egyszerű, passzív elemekből felépített parametrikus kapcsolást hozzunk létre, melybe a rezonancia frekvenciának a kétszeresével pumpáljuk az energiát.
(Forrás dokumentum: The PARAFORMER (TM), "A new passive power conversion device" by Dr S.D.Wanlass and Dr L.K. Wanlass)
Naudin három kapcsolást készített, s mivel mind a három működött, ezért mindegyiket megnézzük.
1. verzió
A kapcsolási rajz az 1. ábrán látható.
1. ábra. Az 1. verzió kapcsolási rajza
Az L1 tekercs adatai a következőek:
- Átmérő: 49 mm
- Magasság: 60 mm
- Menetszám: 100 menet #22 (átmérő 0,71 mm) rézvezetékből
- Légmagos
- RL1 = 3,2 W
- Induktivitás: 0,4 mH
A rezgőkör jósági tényezője az R2 ellenállás függvényében a következőképpen alakul:
- ha R2 = 0 W, akkor Q = 3,7
- ha R2 = 100 W, akkor Q = 4,9
Érdekes megfigyelni, hogy a rezgőkör jósági tényezője a tekercsel sorba kötött R2 terhelő ellenállás növekedésével javul.
Naudin a kapcsolásban két darab BB204 típusú feszültségvezérelt kapacitást (varikapot) alkalmazott. Mivel azok párhuzamosan vannak kötve, így az eredő kapacitásuk egy varikap kapacitásának a négyszerese lesz.
2. ábra. A parametrikus erősítő bemeneti és kimeneti jelei
Mint a 2. ábrán látjuk, a függvény generátor 330 kHz-es szinuszos pumpáló jeleket vezet a V1 feszültségforrás által záró irányban előfeszített varikap diódákra. Ezek a pumpáló jelek azonban valamelyest eltorzulnak a rezgőkör visszahatása következtében.
A 2. ábrán látható kimeneti jelek a tekercs A1-B pontjai között lettek mérve. Figyeljük meg, hogy a tekercsen mérhető feszültség amplitúdója a bemenetre adott 0,8 V-os pumpáló jelekhez képest 4,4 V-ra növekedett. A feszültségerősítés mértéke tehát 4,4 / 0,8 = 5,5.
3. ábra. A kimeneti feszültség (A1) és a kimeneti áram (B) viszonya
A 3. ábrán a tekercsen mérhető feszültséget (A1) és az R2 terhelő ellenálláson mért áramot (B) láthatjuk. Jól megfigyelhető a "Rezgőkörök" témakörnél kielemzett 90°-os fáziseltérés az áram és a feszültség között.
 |
 |
|
a;
|
b;
|
4. ábra. A rezgőkör parametrikus üzemmódban (a) és a varikap diódák rövidzárjával előidézett normál rezonancia üzemmódban (b)
Naudin kísérletként rövidre zárta a varikap diódákat. Ekkor egy normális rezonancia jött létre. (lásd a 4b. ábrát). A különbség jól nyomon követhető az amplitúdók változásánál. Míg a parametrikus rezonanciánál a tekercsen mérhető feszültség amplitúdó 4 V volt, addig a hagyományos rezonancia üzemmódban csak 1,6 V.
Az eredeti anyagot angol nyelven itt találod.
2. verzió
A kapcsolási rajz az 5. ábrán látható.
5. ábra. A 2. verzió kapcsolási rajza
A tekercs paraméterei megegyeznek az 1. verziónál megadottakkal. Az egyetlen változtatás az volt, hogy a négy varikap dióda nincs párhuzamosan kötve, csak kettő-kettő, így a pumpáló jel a leosztott varikap diódák középpontján keresztül jut a rezgőkörre. Mivel a varikap diódák bekötése megváltozott, ez megváltoztatta a rezgőkör eredő kapacitását, ami viszont a rezonancia frekvenciát feltolta 400 kHz-re.
Ezzel a változtatással sikerült Naudinnak elérnie, hogy a pumpáló szinuszos jel már nem torzult el a kimeneti jel hatására. Viszont a pumpáló frekvencia megegyezett a kimeneti jel frekvenciával, csak a fázisuk tért el egymástól 90°-kal. Ezt mutatja a következő ábra.
6. ábra. A pumpáló szinuszos jel (A2) már nem torzult el a kimeneti jel (A1) hatására
7. ábra. A tekercsen mérhető feszültség (A1) és az R2 terhelő ellenálláson mérhető áram (B) viszonya
Ez a verzió tehát még mindig nem volt tökéletes, mert itt nem jött létre a parametrikus rezgőkörök fontos kritériuma, azaz hogy a pumpáló jel frekvenciája a kétszerese legyen a rezonáló kör természetes frekvenciájának.
3. verzió
A kapcsolási rajz a 8. ábrán látható.
8. ábra. A 3. verzió kapcsolási rajza
A tekercs adatai megegyeznek az előző verziókéval, a különbség mindössze a jósági tényezőkben van. Itt a következő értékeket mérte Naudin:
- ha R2 = 0 W, akkor Q = 9,9
- ha R2 = 100 W, akkor Q = 7,2
Ebben az esetben a jósági tényező romlott valamelyest, mikor a terhelő ellenállást bekötötte a rezgőkörbe, míg az előző verzióknál épp ellenkezőleg, még javult is a Q a terhelés hatására.
A 9a. ábrán jól látható, hogy a bemeneti pumpáló jel feszültsége négyszög alakú, és hogy a frekvenciája a parametrikus rezgőkörök alapfeltételét kielégítő módon a duplája a rezgőkör természetes frekvenciájának. Azt is láthatjuk, hogy a négyszögjelben lévő felharmonikusok valamelyest eltorzítják a rezgőkörben mérhető feszültség alakját, de ez nem okoz különösebb problémát.
Határozzuk meg a befektetett feszültség értékét:
Ube = Ucspump / 2 = 12 V / 2 = 6 V
|
|
  |
|
a;
|
b;
|
9. ábra. A bemeneti pumpáló feszültség és a tekercsen mérhető kimeneti feszültség (a), és a varikapok bemenetére jutó, R2-es ellenálláson mérhető bemeneti áram alakja (b)
A 9b. ábrán a varikapok bemenetére jutó, R2-es ellenálláson mérhető bemeneti áram alakja látható. Annak ellenére, hogy a jelgenerátor feszültsége a periódusidő feléig esik a varikapokon, az áram alakja már nem négyszög, hanem tüske alakú, majd a tüske lemenő élét egy lapos, fekvő háromszög alakú lefutás követi.
A bemeneti áramot már kissé összetettebb módon kapjuk meg:
Ibe = 0,5*(Utű/R2) * ttű/T + 0,5*(Ulefut/R2) * tlefut/T
Ibe = (0,5/(R2*T))*[(Utű * ttű) + (Ulefut * tlefut)]
Ibe = (0,5/(100 W * 1/(2*530000 Hz)))*[(2,4V*0,1*10-6 s) + (0,2 V * 0,8*10-6 s)]
Ibe = 0,00212 A = 2,12 mA
A negatív félhullámot ugyanígy kaphatjuk meg, viszont azt nem kell figyelembe vennünk, mert csak az általunk befektetett energia értékére vagyunk kíváncsiak.
Mivel ennél a 3. verziónál Naudin megadta a bemeneti áram görbéjét is, így rendelkezésünkre áll minden adat, hogy meghatározzuk a bemeneti teljesítményt:
Pbe = Ube * Ibe
Pbe = 6 V * 0,00212 A = 0,01272 W = 12,72 mW
Vizsgáljuk meg a kimeneti feszültséget és áramot a 10. ábrán.
10. ábra. A kimeneten mérhető feszültség (A1) és áramértékek (B)
A kimeneti feszültség és áram alakját vegyük az egyszerűség kedvéért tiszta szinusz alakúnak. Ekkor az effektív kimeneti teljesítményt a következőképpen határozhatjuk meg:
Pkieff = (Ukicsúcs / 
2) * (Ikicsúcs / 2)
Pkieff = Ukicsúcs * Ikicsúcs / 2
Pkieff = (24 V * 1,3 V / 100 W) / 2
Pkieff = 0,156 W = 156 mW
A rendszer hatásfoka ezek szerint:
h = Pkieff / Pbe
h = 156 mW / 12,72 mW = 12,26 => 1226 %
Nem szabad azonban megfeledkeznünk arról, hogy ezt a kimeneti teljesítményt nem tudjuk közvetlenül hasznosítani. Ha a tekercsről vagy a kondenzátorról kicsatoljuk ennek a teljesítménynek egy részét, akkor az visszahat a rezgőkörben lévő áram és feszültségértékekre.
Naudin egy terhelő ellenállást (R1) kötött a rezgőkörbe. Tegyük fel, hogy ez egy izzólámpa. Ekkor már közvetlenül élvezhetjük ennek a kinyert energiának a hatását, hiszen azt tételezzük fel, hogy ennek az izzólámpának is 100 W az ellenállása. Számoljuk ki, hogy mekkora teljesítménnyel világítana az izzónk:
Pterh = Uterh * Iterh
Pterh = Uterh * (Uterh / Rterh)
Pterh = Uterhcs2 / (2 * Rterh)
Pterh = (1,3 V)2 / (2 * 100 W)
Pterh = 0,00845 W = 8,45 mW
A terhelő ellenálláson (R1) mérhető teljesítmény tehát sajnos kisebb a befektetettnél! Természetesen növelhetnénk az R1 értékét mondjuk a duplájára, s ekkor a rajta eső feszültség is megduplázódik, viszont akkor meg a keresztül folyó áram esne a felére. Ha viszont csökkentjük az ellenállást, akkor ennek pont az ellenkezője figyelhető meg, vagyis az áram növekedne, de a feszültségesés lecsökkenne.
 |
 |
|
a;
|
b;
|
11. ábra. Parametrikus rezonancia az F = 2 * F0 feltétel teljesülésekor (a), és a parametrikus rezonancia átmeneti induló és leálló állapotai (b)
A 11a. ábrán a 9a. ábrához hasonló mérést mutat be Naudin, mindössze a frekvencia értéke egy kicsit magasabb. A 11b. ábrán a parametrikus rezonancia induló és leálló állapotait mutatja be. Ehhez a méréshez még egy órajel generátorra szüksége volt Naudinnak, amely mintegy modulálta a bemeneti pumpáló jelet, azaz ki-be kapcsolgatta. Ez a kiegészítő generátor azonban nem szerepel a 8. ábrán bemutatott kapcsolási rajzon.
A parametrikus erősítés ingyenenergia kinyerési célra akkor lenne felhasználható, ha a rezgőkörből az energia kinyerése nem lenne kihatással magára a rezgőkörre!
Parametrikus Transzformátor
A kapcsolási rajzot az 1. ábrán láthatod.
1. ábra. Az induktív parametrikus rezgőkör kapcsolási rajza
Az órajel generátor négy darab logikai NEM kapuból áll, melynek négyszög alakú jelét a C4 kondenzátoron keresztül vezetjük a vezérlő tekercsre. Mint a kapcsolási rajzon is látható, Naudin nem egy közös vasmagra tekercselte a két tekercset, hanem különböző anyagokból készített vasmagokra. Ezzel azt érte el, hogy nem hatott egymásra a két tekercs fluxusa. Az elvi megvalósítás a 2. ábrán látható.
2. ábra. A tekercsek elvi megvalósítása
A tekercsek konkrét megvalósítást a 3. ábrán láthatjuk.
3. ábra. A legyártott tekercsek a vasmagokkal
A vezérlő (pumpáló) tekercs induktivitása 3,25 H, az ohmikus ellenállása 302 W, a vasmag lemezelt lágyvasból készült.
A kimeneti tekercs induktivitása 0,13 H és 0,03 H között változik a pumpáló jel függvényében. A tekercs ellenállása 4 W, a vasmag négyzet alakú ferritből készült.
Naudin azt írja, hogy a két tekercs között nincs fluxus egyesítés, ezáltal éri el azt, hogy a kimeneti tekercsben végbemenő változások nincsenek hatással a bemeneti tekercsre. Viszont ha jobban belegondolunk, valamekkora kapcsolatnak kell lennie, hiszen máskülönben nem jöhetne létre a vezérlés, azaz az induktivitás megváltoztatása a kimeneti tekercsben. A lényeg tehát a gyenge csatoláson van.
A kimeneti tekercs jósági tényezője Qlin = 8,15 lineáris üzemmódban, mikor az induktivitása 0,13 H. Ekkor a pumpáló frekvencia 11,9 kHz.
Parametrikus üzemmódban, mikor a kimeneti tekercs induktivitása 0,05 H és 0,13 H között változik és a pumpáló frekvencia 25 kHz, akkor a jósági tényező Qpar = 43,1.
A feszültség függvényében történő induktivitás változás a következő táblázatban van feltűntetve.
|
Feszültség
|
Induktivitás
|
|
0,00 V
|
0,13 H
|
|
4,80 V
|
0,12 H
|
|
5,70 V
|
0,10 H
|
|
7,10 V
|
0,08 H
|
|
8,47 V
|
0,06 H
|
|
10,60 V
|
0,05 H
|
|
17,45 V
|
0,03 H
|
|
20,00 V
|
0,03 H
|
1. táblázat. A kimeneti tekercs induktivitásának változása a pumpáló tekercsen eső feszültség függvényében
4. ábra. Az 1. táblázat grafikus ábrázolása
A mérési eredményeket a következő ábrán láthatjuk.
|
|
 |
|
a;
|
b;
|
5. ábra. Mérési eredmények. Bemeneti pumpáló jel és kimeneti feszültség (a), valamint a bemeneti áram és a kimeneti feszültség (b)
A Naudin által megadott mérési eredmények közül sajnos hiányzik a kimeneti áram görbéje, ezért nem tudjuk kiszámolni a rendszer hatásfokát.
Naudin tervezte, hogy megépít egy következő verziót is, bár azóta eltelt sok év és még nem publikálta az eredményeit, ha el is végezte a méréseket. Mindenesetre az elképzelését a következő ábrán mutatja be.
6. ábra. Naudin tervezett következő verziója
Első elgondolás:
Ingyenenergiát termelő parametrikus transzformátor
Itt van az én elképzelésem egy olyan parametrikus transzformátorról, melynek Ingyenenergiát termelő tulajdonságai vannak.
1. ábra. Fred elképzelése a parametrikus transzformátorról
Ez a megoldás Naudin egyik korábbi projektjén alapul. Annak ellenére, hogy ez egy egyszerű kapcsolás, valójában sok kutatás van mögötte.
Az én kapcsolásom teljesen megszűnteti a Naudin féle megoldásnál jelentkező visszahatásokat. Pusztán csak az alkalmazott alapelveket kell nagyon jól megérteni. Azok számára, akiknek még új a parametrikus rezgőkör fogalma, röviden elmagyarázom, s csak utána kezdem részletesen tárgyalni, hogyan termelhetünk ezzel Ingyenenergiát. Az elv bemutatásához idézni fogok "Az elektromos rezgőkörök parametrikus gerjesztése" című írásból, mely nagy hatással volt az én készülékem kifejlesztésére.
"...Mint már korábban bemutattuk, az energiával kapcsolatos gondolatokat a legegyszerűbb a rezgések keltésének fizikai aspektusaival kezdeni, ahol periodikusan (lépésekben) változtatjuk egy olyan rezgőkör kapacitását, mely nem tartalmaz semmilyen külső mágneses vagy elektromos energiaforrást. Ugyanez igaz az önindukció változtatására is. Tegyük fel, hogy i áram folyik egy olyan rezgőkörben, ami tartalmaz egy C kondenzátort, egy R ellenállást és egy L önindukciós tekercset. Egy adott időpillanatban vizsgáljuk a kapcsolást, s ezt az időpontot vesszük kezdő időpillanatnak. Ebben az időpillanatban feltöltjük az L-et dL-lel, mely a következő egyenlettel megadott energianövekedést hozza létre:
DE = 0,5 * dL * i2
Ekkor a rendszert magára hagyjuk. Egy idő után, mely a rendszer természetes frekvenciája által meghatározott periódus 1/4-e, a teljes energia átalakul mágneses energiából elektrosztatikus energiává. Ebben a pillanatban, mikor az áram leesik nullára, visszaállítjuk az önindukciós tekercset az eredeti értékére, mely bizonyítottan nem igényel munkabefektetést. Ezt követően ismét magára hagyjuk a rendszert. A következő 1/4 periódusnyi idő elteltével az elektrosztatikus energia teljesen visszaalakul mágneses energiává, mi pedig egy újabb ciklust kezdhetünk az L változtatásával. Ha a ciklus elején bevezetett energia meghaladja az energiaátalakítás veszteségeit, azaz, ha:
0,5 * dL * i2 > 0,5 * R * i2 (T/2)
vagy
dL/L > e
ahol e a rendszer természetes rezgésének logaritmikus csökkenését jelenti, akkor az áram nagyobb lesz a ciklus végén, mint az elején. Így, ha ezt a ciklust ismételgetve, azaz az L induktivitást a rezgőkör természetes frekvenciájának a kétszeresével változtatjuk úgy, hogy
dL/L > e,
akkor rezgéseket tudunk generálni a rendszerben bárminemű EME ráhatása nélkül is, függetlenül attól, hogy milyen kicsi a kezdő töltés. Még a gyakorlatilag mindig jelenlévő - az energiaátvivő rendszerek, a Föld mágneses mezeje és az atmoszférikus töltések okozta - indukció hiányában is mindig találunk "véletlenszerű töltéseket" az áramkörben a statikus fluktuálás következtében."
A kérdés az, hogy az induktivitást vagy kapacitást meg tudjuk-e változtatni kevesebb energiabefektetéssel, mint amennyi a rezgőkörben keletkezik? Én úgy hiszem, hogy ez igaz mind a kapacitás, mind pedig az induktivitás esetében. A kondenzátorok előállítási lehetőségei korlátozottak, ezért az induktivitás változtatásával nagyobb teljesítményeket érhetünk el a kimeneten. Egy parametrikus transzformátort szabadalmaztatott Leslie Wanlass 1971-ben.
Ez a transzformátor változtatható mágneses mezőt használ a primer tekercsben a szekunder tekercs L induktivitásának megváltoztatásához, mely szekunder tekercs része egy rezgőkörnek. A szokásos EM indukció szükségtelenné válik a megfelelő szögű tekercselés révén. Ha a primer tekercset F frekvenciájú váltakozó árammal gerjesztjük, akkor az induktancia 2F frekvenciával változik, mivel két mágneses mező csúcs van minden egyes ciklusban, egyik a pozitív, másik pedig a negatív feszültség csúcsnál. Mivel a kimeneti áram frekvenciája a parametrikus változás frekvenciájának a fele, így a kimeneti áram frekvenciája 2F-nek a fele, azaz megegyezik az eredeti F frekvenciával. Ez fontos dolog, ezért ezt röviden elmagyarázom.
Ez a fajta parametrikus transzformátor nem ingyenenergia gép, mivel ez reciprokális: A SZEKUNDER tekercs F frekvenciájú áramának mágneses mezeje 2F frekvenciájú változást indukál a PRIMER tekercsben, így az ellentétes F frekvenciájú parametrikus hatást fejt ki a bemeneti árammal szemben. Ilyen transzformátor kimenete és bemenete megcserélhető, s közben nem változik a működése, HA a primer tekercs egy F frekvencián rezgő kör része.
Megértem, hogy ez kicsit komplikált és látszólag nem vezet sehová, de remélem, hogy legalább páran közületek elviselnek engem még egy darabig.
Vizsgáljuk meg a Naudin weblapján bemutatott kapcsolást. Az a különleges változtatható induktivitás, melyet a CMOS IC-ből kialakított négyszögjel generátor vezérel, természetesen DC kimenetet ad. Jean-Louis elmondta nekem, hogy ennél az áramkörnél a szekunder tekercs terhelése nem terheli a primer oldalt. Ez elgondolkoztatott, mert itt VALAMILYEN terhelésnek jelentkeznie kellett a primer oldal felé is, még akkor is, ha különböző vasmag anyagok lettek felhasználva az ilyen jellegű visszahatás csökkentésére.
A magyarázat egyszerű és ez két részből áll:
- A bemeneti áramkör nem rezonáns. Annak ellenére, hogy a kimeneti áram mágneses mezeje megváltoztatja a primer tekercs induktanciáját, ez nem tud a bemeneti árammal ellentétes parametrikus áramot létrehozni, mivel nincs a primer tekercsel sorba kötve kondenzátor, aminek a segítségével az ellentétes hatású áram felépülhetne. Ez az áram "elfogy" minden egyes ciklusban. Ugyanakkor ez nem szűnteti meg, pusztán csak minimalizálja a parametrikus EME visszahatását.
- Sokkal fontosabb, hogy Jean-Louis egyenáramú (DC) jelet használt bemenetként. Emlékezzünk vissza, hogy a parametrikus áram frekvenciája a parametrikus változás frekvenciájának a fele. Wanlass transzformátoránál két induktivitás csúcs van minden egyes primer ciklusban, melynek frekvenciája F, s ez a parametrikus visszahatás szintén F frekvenciával terheli a bemenetet. De Jean-Louis áramkörében a bemenet DC, így ott csak egy induktivitás csúcs lesz egy-egy ciklusban. Ennek következtében a kimeneti frekvencia 1/2 F és a visszahatás is 1/2 F. Jean-Louis áramkörében ez lecsökkenti a visszahatást az érzékelési szint alá, de nem szűnteti azt meg teljesen! Ennek a két ténynek a kombinációja "láthatatlanná" teszi a primer tekercsre történő visszahatást a szekunder tekercs terhelésének a határai között.
Megterveztem egy áramkört, mely ezeket az elveket használja az ingyenenergia kinyerésére (lásd az 1. ábrát).
A feltűntetett induktivitások két speciálisan tekercselt hagyományos lemezelt lágyvasmagos transzformátorok. A két primer tekercs - akárcsak a két szekunder tekercs - sorba van kötve, de a szekunder tekercsek ellentétes irányúak. Már be lett bizonyítva (2), hogy a parametrikus transzformátoroknál ez a legeffektívebb módja az EM indukció kiküszöbölésének, mivel a szekunder tekercsek elektromágneses mezői kioltják egymást, így ez nem okoz EME visszahatást a primer tekercsekre.
A meghajtó egy alacsony áramú CMOS IC-ből álló F frekvenciájú négyszöggenerátor, olyan, mint amit Jean-Louis is használt.
A kimeneti áramkör egy terhelésből és egy olyan kondenzátorból áll, melynél a rezonancia frekvencia 1/2 F. Ez a kimenet egy AC szinusz hullám, annak ellenére, hogy DC négyszögjeleket vezetünk a bemenetre. Ez jól látható, ha megfigyeljük Naudin mérési eredményeit (lásd az 5a ábrát). A fentebb ismertetett elveknek megfelelően 1/2 F frekvenciájú parametrikusan visszaható hullám alakul ki a primer tekercsben, mivel ott két induktancia csúcs jut minden egyes kimeneti ciklusra.
Mivel a primer frekvencia és a visszahatás frekvenciája különbözik, ezért lehetséges a primer tekercsre történő visszahatás teljes megszűntetése és a visszahatás energiájának a visszavezetése egy egyszerű soros rezonancia megcsapolással, mint ahogy azt az 1. ábrán láthatjuk. A primer tekercseken átfolyó energia - mely normális esetben gyakorlatilag teljesen kioltja a bemeneti feszültséget - ebben a kialakításban a szekunder oldali terhelés meghajtására fordítódik.
Összegezve elmondhatjuk, hogy ez a megoldás talán nem szűnteti meg az EME visszahatását a közönséges indukciós motorokban vagy transzformátorban, de biztosan megszűnteti bizonyos parametrikus beállításoknál, mivel a bemeneti és kimeneti frekvenciák különböznek. Ez valami olyasmi, ami soha nem jön létre egy közönséges transzformátornál, ahol a bemeneti és kimeneti frekvenciák mindig megegyeznek.
Mivel az általam bemutatott kapcsolásban nagyon kis mértékben terheljük a bemenetet, ezért sok hasonló eszközt párhuzamosan kapcsolhatunk úgy, hogy közös a meghajtásuk, miközben odafigyelünk arra, hogy lecsökkentsük a soros rezisztenciát annyira, amennyire csak lehet.
Második elgondolás:
Kapcsolóüzemű bifiláris parametrikus áramkör
Általános tévhit, hogy az induktancia megváltoztatásához szükséges energia pontosan megegyezik a tekercsben folyó áram energiájával. Én azonban már jó ideje megkérdőjelezem, hogy van-e valamilyen öröklött kapcsolat eközött a két érték között.
Nézzük meg a következő ábrát.
2. ábra.
Ez egy egyszerű parametrikus kapcsolás. Jól ismert tény (vagy talán nem is annyira JÓL ismert), hogy ha a kapcsolásban az induktivitást F frekvenciával periodikusan változtatjuk, akkor a rezgőkör áramának a frekvenciája F/2 lesz.
Most nézzük meg a 3. ábrát.
3. ábra.
Egy ferrit magra bifilárisan vagy ellentétes irányban feltekert tekercsek helyettesítik a 2. ábrán látható változtatható induktivitást. Egy négyszögjel generátorral meghajtott analóg kapcsoló található a két tekercs között, aminek eredményeként az egyik félhullámban az egyik tekercsen, a másik félhullámban pedig mind a két tekercsen folyik áram. Ennek következtében a teljes induktancia egy magas értékről lecsökken egy nagyon alacsony értékre. Ez a változó induktancia ugyanaz, mint a 2. ábrán látható kapcsolásban, és ez is felépíti az áramot, melynek értéke az induktancia változásának mélységétől és a terhelő ellenállás értékétől függ. Mivel az induktancia változása jelentős, ezért az áramerősség is jelentős lesz, miközben az áramkör kapcsolgatásához szükséges áramerősség kicsi lehet.
A nyilvánvaló eredmény sokkal nagyobb kimeneti teljesítmény, mint amennyit befektettünk.
Harmadik elgondolás:
Nagytekercses bifiláris transzformátor
Ez egy parametrikus transzformátor, ami nagy tekercseket használ a ferrit vagy fémüveg magban történő nagy induktivitás változás létrehozására, s egy parametrikus kimeneti áramkör csapolja meg a teljesítményt.
4. ábra.
A Stefan Hartmann értelmezése szerinti Newman motorhoz hasonlóan ezt Newman transzformátornak lehetne nevezni, figyelembe véve természetesen azt, hogy Mr. Newman magyarázata a motorjával kapcsolatban teljesen eltérő.
A 4. ábrán három teljesen egyforma tekercspár látható. (A párok száma tetszőleges.) A primer áramkör hat párhuzamos tekercset tartalmaz, melyek egy kisteljesítményű rezgőkör részét képezik. Ezek a tekercsek sok menetből állnak és egyenként nagy az induktivitásuk, bár a párhuzamos kapcsolás révén a bemeneti rezgőkör eredő induktivitása viszonylag kicsi lesz.
A szekunder tekercsek, melyek sorba vannak kötve egy rezonáló áramkörrel és egy terheléssel, jóval kevesebb menetet tartalmaznak. Minden második szekunder tekercs ellentétes irányban van felcsévélve, így az indukció révén generált EME nulla lesz. Nem jelentkezik EME visszahatás, mivel nincs ezt okozó EME - az energiaátvitel teljesen az induktancia változás hatására jön létre.
A vasmag mangán-cink ferrit lehet vagy más mágneses anyag, melynek a relatív permeabilitása széles határok között változik. A teljes vasmag együttest kiegyenlíthetjük egy ortogonális állandómágneses mezővel úgy, hogy a vasmagokat a B/H görbéjük hajlatába helyezzük, ezáltal maximalizálhatjuk az induktivitás változást a primer tekercs mezőjének változtatásával.
A működési elv a következő:
Ismert tény, hogy nagy tekercs nagy mágneses mezét generál, így a primer tekercsek mezeje nagy lesz az adott kis áramok mellett is. Mivel a vasmagok úgy vannak beállítva, hogy még a mező kis változása esetén is jelentősen megváltozik az induktivitás, ezért a primer körben jelenlévő nagyon kicsi oszcillációs áram is hatalmas indukciós változásokat hoz létre a vasmagban.
A parametrikus áramkörben az energia nagysága szigorúan az áramkörben létrejövő induktivitás változástól függ. Ez is ismeretes, bár nem olyan széles körben. Ezért tehát a rezonáló kimeneti áramkörben az áram nagy lesz.
Kis áram be, nagy áram ki... Ez ilyen egyszerű.
Vagyis mégsem ennyire egyszerű, mint ahogy az lenni szokott. A kimeneti áramkörben folyó nagy áram leterheli a bementet egy bizonyos mértékig azáltal, hogy megváltoztatja a vasmagok induktivitását a primer kör hatásával ellentétes irányban. Ez az effektus viszont minimalizálva van a primer és szekunder tekercsek hatalmas méretbeli különbsége révén. Ezen kívül a primer áram olyan kicsi, hogy ha ezt még meg is kellene duplázni a terhelés miatt, még akkor is kicsi maradna a kimeneti áramhoz képest.
Ne feledjük, hogy a transzformátoroknál használatos feszültség/menetszám egyenlet itt nem alkalmazható, mivel itt nincs indukció!