Как сделать ток высокой частоты
Токи высокой частоты
Что такое токи высокой частоты?
Токи с частотой выше 10000 гц называют токами высокой частоты (ТВЧ). Их получают с помощью электронных устройств.
Если поместить проводник внутрь катушки, по которой течет ток высокой частоты, то в проводнике возникнут вихревые токи. Вихревые токи нагревают проводник. Скорость нагрева и температуру легко регулировать, меняя ток в катушке.
В индукционной печи можно плавить самые тугоплавкие металлы. Для получения особо чистых веществ плавку можно вести в вакууме и даже без тигля, подвесив расплавленный металл в магнитном поле. Высокая скорость нагрева очень удобна при прокатке и ковке металла. Подбирая форму катушек, можно вести пайку и сварку деталей при наилучшем температурном режиме.
Индукционная плавильная печь
Влияние поля Е усиливает ток на поверхности проводника и ослабляет в середине. При достаточно большой частоте ток течет только в поверхностном слое проводника.
Метод поверхностной закалки стальных изделий придумал и предложил российский ученый В. П. Вологдин. На высокой частоте индукционный ток нагревает только поверхностный слой детали. После быстрого охлаждения получается нехрупкое изделие с твердой поверхностью.
Действие токов высокой частоты на диэлектрики
На диэлектрики действуют высокочастотным электрическим полем, помещая их между пластинами конденсатора. Часть энергии электрического поля расходуется при этом на нагрев диэлектрика. Нагрев с помощью ТВЧ особенно хорош, если теплопроводность вещества мала.
Высокочастотный нагрев диэлектриков (диэлектрический нагрев) широко применяется для сушки и склейки древесины, для производства резины и пластмасс.
Токи высокой частоты в медицине
Прочие применения токов высокой частоты
Зерно, обработанное перед посевом ТВЧ, заметно повышает урожайность.
Индукционный нагрев газовой плазмы позволяет получить высокие температуры.
Поле частотой 2400 МГц в микроволновой электропечи варит суп прямо в тарелке за 2-3 минуты.
На изменении параметров колебательного контура при поднесении катушки к металлическому предмету основано действие миноискателя.
Токи высокой частоты применяются также для радиосвязи, телевидения и радиолокации.
Способы увеличения частоты тока
Наиболее популярным на сегодняшний день методом увеличения (или уменьшения) частоты тока является применение частотного преобразователя. Частотные преобразователи позволяют получить из однофазного или трехфазного переменного тока промышленной частоты (50 или 60 Гц) ток требуемой частоты, например от 1 до 800 Гц, для питания однофазных или трехфазных двигателей.
Наряду с электронными частотными преобразователями, с целью увеличения частоты тока, применяют и электроиндукционные частотные преобразователи, в которых например асинхронный двигатель с фазным ротором работает частично в режиме генератора. Еще есть умформеры — двигатели-генераторы, о которых также будет рассказано в данной статье.
Электронные преобразователи частоты
Электронные преобразователи частоты позволяют плавно регулировать скорость синхронных и асинхронных двигателей благодаря плавному повышению частоты на выходе преобразователя до заданного значения. Наиболее простой подход обеспечивается заданием постоянной характеристики V/f, а более прогрессивные решения используют векторное управление.
Выходной блок электронного преобразователя частоты чаще всего представляет собой тиристорный или транзисторный мост, состоящий из четырех или из шести ключей, которые и формируют требуемый ток для питания нагрузки, в частности — электродвигателя. Для сглаживания помех в выходном напряжении, на выходе добавляют EMC-фильтр.
Как говорилось выше, электронный преобразователь частоты использует для своей работы в качестве ключей тиристоры или транзисторы. Для управления ключами применяется микропроцессорный модуль, служащий контроллером, и одновременно выполняющий ряд диагностических и защитных функций.
Между тем, частотные преобразователи бывают все таки двух классов: с непосредственной связью, и с промежуточным звеном постоянного тока. При выборе между этими двумя классами взвешивают достоинства и недостатки того и другого, и определяют целесообразность того или иного для решения насущной задачи.
С непосредственной связью
Преобразователи с непосредственной связью отличаются тем, что в них используется управляемый выпрямитель, в котором группы тиристоров поочередно отпираясь коммутируют нагрузку, например обмотки двигателя, прямо к питающей сети.
В результате на выходе получаются кусочки синусоид сетевого напряжения, а эквивалентная частота на выходе (для двигателя) становится меньше сетевой, в пределах 60% от нее, то есть от 0 до 36 Гц для 60 Гц входа.
Такие характеристики не позволяют в широких пределах варьировать параметры оборудования в промышленности, от того и спрос на данные решения низок. Кроме этого незапираемые тиристоры сложно управляются, стоимость схем становится выше, да и помех на выходе много, требуются компенсаторы, и как следствие габариты высокие, а КПД низкий.
С звеном постоянного тока
Гораздо лучше в этом отношении частотные преобразователи с ярко выраженным звеном постоянного тока, где сначала переменный сетевой ток выпрямляется, фильтруется, а затем снова схемой на электронных ключах преобразуется в переменный ток нужной частоты и амплитуды. Здесь частота может быть значительно выше. Безусловно, двойное преобразование несколько снижает КПД, зато выходные параметры по частоте как раз соответствуют требованиям потребителя.
Чтобы на обмотках двигателя получить чистый синус, используют схему инвертора, в котором напряжение нужной формы получается благодаря широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Электронными ключами здесь служат запираемые тиристоры или IGBT-транзисторы.
Тиристоры выдерживают большие импульсные токи, по сравнению с транзисторами, поэтому все чаще прибегают именно к тиристорным схемам, как в преобразователях с непосредственной связью, так и в преобразователях с промежуточным звеном постоянного тока, КПД получается до 98%.
Справедливости ради отметим, что электронные преобразователи частоты для питающей сети являются нелинейной нагрузкой, и порождают в ней высшие гармоники, это ухудшает качество электроэнергии.
С целью преобразования электроэнергии из одной ее формы в другую, в частности — для повышения частоты тока без необходимости прибегать к электронным решениям, применяют так называемые умформеры — двигатели-генераторы. Такие машины функционируют подобно проводнику электроэнергии, однако на самом деле прямого преобразования электроэнергии, как например в трансформаторе или в электронном частотном преобразователе, как такового не происходит.
Здесь доступны следующие возможности:
постоянный ток может быть преобразован в переменный более высокого напряжения и требуемой частоты;
постоянный ток может быть получен из переменного;
прямое механическое преобразование частоты с повышением или понижением оной;
получение трехфазного тока требуемой частоты из однофазного тока сетевой частоты.
В каноническом виде мотор-генератор представляет собой электродвигатель, вал которого напрямую соединен с генератором. На выходе генератора устанавливают стабилизирующее устройство для улучшения частотных и амплитудных параметров получаемой электроэнергии.
В некоторых моделях умформеров якорь содержит обмотки и моторные и генераторные, которые гальванически развязаны, и выводы которых соединены соответственно с коллектором и с выходными контактными кольцами.
В других вариантах встречаются общие обмотки для обоих токов, например для преобразования числа фаз коллектора с контактными кольцами нет, а просто от обмотки статора делаются отводы для каждой из выходных фаз. Так асинхронная машина преобразует однофазный ток в трехфазный (тождественно в принципе увеличению частоты).
Итак, мотор-генератор позволяет преобразовать род тока, напряжение, частоту, количество фаз. До 70-х годов в военной технике СССР использовались преобразователи данного типа, где они питали, в частности, устройства на лампах. Однофазные и трехфазные преобразователи питались постоянным напряжением 27 вольт, а на выходе получалось переменное напряжение 127 вольт 50 герц однофазное или 36 вольт 400 герц трехфазное.
Мощность таких умформеров достигала 4,5 кВА. Подобные машины использовались и в электровозах, где постоянное напряжение 50 вольт преобразовывалось в переменное 220 вольт частотой до 425 герц для питания люминесцентных ламп, и 127 вольт 50 герц для питания бритв пассажиров. Первые ЭВМ часто использовали для своего питания умформеры.
По сей день кое-где еще можно встретить умформеры: на троллейбусах, в трамваях, в электропоездах, где их устанавливали с целью получения низкого напряжения для питания цепей управления. Но нынче они уже вытеснены почти полностью полупроводниковыми решениями (на тиристорах и транзисторах).
Преобразователи типа мотор-генератор ценны рядом достоинств. Во-первых это надежная гальваническая развязка выходной и входной силовых цепей. Во-вторых, на выходе получается чистейший синус без помех, без шумов. Устройство очень просто по своей конструкции, от того и обслуживание довольно бесхитростно.
Это легкий способ получения трехфазного напряжения. Инерция ротора сглаживает броски тока при резком изменении параметров нагрузки. И конечно, здесь очень просто осуществлять рекуперацию электроэнергии.
Не обошлось и без недостатков. Умформеры имеют движущиеся части, от того и ресурс их ограничен. Масса, вес, обилие материалов, и как следствие — высокая стоимость. Шумная работа, вибрации. Необходимость в частой смазке подшипников, чистке коллекторов, замене щеток. КПД в пределах 70%.
Несмотря на недостатки, механические моторы-генераторы по сей день применяются в электроэнергетической отрасли для преобразования больших мощностей. В перспективе моторы-генераторы вполне могут помочь согласованию сетей с частотами 60 и 50 Гц, либо для обеспечения сетей с повышенными требованиями по качеству электроэнергии. Питание обмоток ротора машины в данном случае возможно от твердотельного преобразователя частоты небольшой мощности.
Схемы генераторов высокой частоты (ВЧ)
Итак, самый главный блок любого передатчика – это генератор. От того, насколько стабильно и точно работает генератор, зависит, сможет ли кто-то поймать переданный сигнал и нормально его принимать. В интернете валяется просто уйма различных схем жучков, в которых используются различные генераторы. Сейчас мы немного классифицируем все это.
Классика жанра — генератор ВЧ
Транзистор включен по схеме с общей базой. Резисторный делитель напряжения R1- R2 создает на базе смещение рабочей точки. Конденсатор C3 шунтирует R2 по высокой частоте.
R3 включен в эмиттерную цепь для ограничения тока протекающего через транзистор.
Конденсатор C1 и катушка L1 образуют частотозадающий колебательный контур.
Кондер C2 обеспечивает положительную обратную связь (ПОС), необходимую для генерации.
Механизм генерации
Упрощенно схему можно представить так:
Вместо транзистора мы ставим некий «элемент с отрицательным сопротивлением». По сути – усилительный элемент. То есть, ток на его выходе больше, чем ток на входе (так вот хитро).
К входу этого элемента подключен колебательный контур. С выхода элемента на этот же колебательный контур подана обратная связь (через кондер C2). Таким образом, когда на входе элемента ток увеличивается (происходит перезарядка контурного конденсатора), увеличивается ток и на выходе. Через обратную связь, он подается обратно на колебательный контур – происходит «подпитка». В результате, в контуре устаканиваются незатухающие колебания.
Все оказалось проще пареной репы (как всегда).
Разновидности
В безбрежном инете можно еще встретить такую реализацию этого же генератора:
Схема называется «емкостная трехточка». Принцип работы – тот же.
Во всех этих схемах сгенерированный сигнал можно снимать либо непосредственно с коллектора VT 1, либо использовать для этого катушку связи, связанную с контурной катушкой.
Индуктивная трехточка
Эту схему выбираю я, и советую вам.
R1 – ограничивает ток генератора
R2 – задает смещение базы
C1, L1 – колебательный контур
C2 – конденсатор ПОС
Катушка L1 имеет отвод, к которому подключен эмиттер транзистора. Этот отвод должен быть расположен не ровно посередине, а ближе к «холодному» концу катушки (то есть тому, который соединен с проводом питания). Кроме того, можно вообще не делать отвод, а намотать дополнительную катушку, то есть – сделать трансформатор:
Эти схемы идентичны.
Для понимания того, как работает такой генератор, давайте рассмотрим именно вторую схему. При этом, левая (по схеме) обмотка будет вторичной, правая – первичной.
Когда на верхней обкладке C1 увеличивается напряжение (то есть, ток во вторичной обмотке течет «вверх»), то на базу транзистора через конденсатор обратной связи C2 подается открывающий импульс. Это приводит к тому, что транзистор подает на первичную обмотку ток, этот ток вызывает увеличение тока во вторичной обмотке. Происходит подпитка энергией. В-общем – то, все тоже довольно просто.
Разновидности
Мое небольшое ноу-хау: можно поставить между общим и базой диод:
Этот диод ускоряет перезаряд C2, что приводит к увеличению мощности генерируемого сигнала. Однако, вместе с тем, это вносит в сигнал нелинейные искажения, так что на выходе придется ставить фильтры НЧ для подавления паразитных гармоник.
Сигнал во всех этих схемах снимаем с эмиттера транзистора либо через дополнительную катушку связи непосредственно с контура.
Двухтактный генератор для ленивых
Самая простая схема генератора, какую только мне приходилось когда-либо видеть:
В этой схеме легко улавливается схожесть с мультивибратором. Я вам скажу больше – это и есть мультивибратор. Только вместо цепочек задержки на конденсаторе и резисторе (RC-цепи), здесь используются катушки индуктивности. Резистор R1 устанавливает ток через транзисторы. Кроме того, без него генерация просто-напросто, не пойдет.
Допустим, VT1 открывается, через L1 течет коллекторный ток VT1. Соответственно, VT2 закрыт, через L2 течет открывающий базовый ток VT1. Но поскольку сопротивление катушек раз в 100…1000 меньше сопротивления резистора R1, то к моменту полного открытия транзистора, напряжение на них падает до очень маленького значения, и транзистор закрывается. Но! Поскольку до закрытия транзистора, через L1 тек большой коллекторный ток, то в момент закрытия происходит выброс напряжения (ЭДС самоиндукции), который подается на базу VT2 открывает его. Все начинается по новой, только с другим плечом генератора. И так далее…
Этот генератор имеет только один плюс – простота изготовления. Остальные – минусы.
Поскольку в нем отсутствует четкое времязадающее звено (колебательный контур или RC-цепь), то частоту такого генератора рассчитать весьма сложно. Она будет зависеть от свойств применяемых транзисторов, от напряжения питания, от температуры и т.д. Во-общем, в серьезных вещах этот генератор лучше не использовать. Однако, в диапазоне СВЧ его применяют довольно часто.
Двухтактный генератор для трудолюбивых
Другой генератор, который мы рассмотрим – тоже двухтактный. Однако, он содержит колебательный контур, что делает его параметры более стабильными и прогнозируемыми. Хотя, по сути, он тоже довольно прост.
Что мы здесь видим?
Видим колебательный контур L1 C1,
А дальше видим каждой твари по паре:
Два транзистора: VT1, VT2
Два конденсатора обратной связи: С2, С3
Два резистора смещения: R1, R2
Опытный глаз (да и не сильно опытный), обнаружит и в этой схеме схожесть с мультивибратором. Ну что же – оно так и есть!
Чем примечательна данная схема? Да тем, что ввиду использования двухтактного включения, она позволяет развивать двойную мощность, по сравнению со схемами 1-тактных генераторов, при том же напряжении питания и при условии применения тех же транзисторов. Во как! Ну, в общем, у нее почти нет недостатков 🙂
При перезаряде конденсатора в одну или другую сторону, через один из конденсаторов обратной связи поступает ток на соответствующий транзистор. Транзистор открывается, и добавляет энергию в «нужном» направлении. Вот и вся премудрость.
Особо изощренных вариантов исполнения этой схемы я не встречал…
Теперь немного креатива.
Генератор на логических элементах
Если использование транзисторов в генераторе кажется вам несовременным или громоздким или недопустимым по религиозным соображениям – выход есть! Можно использовать вместо транзисторов микросхемы. Обычно используется логика: элементы НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, реже – Исключающее ИЛИ. Вообще говоря, нужны только элементы НЕ, остальное – излишества, только лишь ухудшающие скоростные параметры генератора.
Видим страшную схему.
Квадратики с дырочкой в правом боку – это инвертеры. Ну или – «элементы НЕ». Дырочка как раз указывает на то, что сигнал инвертируется.
Это конечно, слишком просто. Но доля правды в этом есть.
Впрочем, нам пока что это не столь важно.
Итак, смотрим схему генератора. Имеем:
Два инвертера ( DD1.1, DD1.2)
Колебательный контур L1 C1
Заметьте, что колебательный контур в этой схеме – последовательный. То есть, конденсатор и катушка стоят друг за другом. Но это – все равно колебательный контур, он рассчитывается по тем же формулам, и ничуть ни хуже (и не лучше) своего параллельного собрата.
Начнем сначала. Зачем нам нужен резистор?
Резистор создает отрицательную обратную связь (ООС) между выходом и входом элемента DD1.1. Это надо для того, чтобы держать под контролем коэффициент усиления – это раз, а также – чтоб создать на входе элемента начальное смещение – это два. Как это работает, подробно мы рассмотрим где-нибудь в обучалке по аналоговой технике. Пока что уясним, что благодаря этому резистору, на выходе и входе элемента, в отсутствие входного сигнала, устаканивается напряжение, равное половине напряжения питания. Точнее – среднему арифметическому напряжений логических «нуля» и «единицы». Не будем пока на этом заморачиваться, у нас еще много дел…
Итак, на одном элементе мы получили инвертирующий усилитель. То есть, усилитель, который «переворачивает» сигнал вверх ногами: если на входе много – на выходе мало, и наоборот. Второй элемент служит для того, чтобы сделать этот усилитель неинвертирующим. То есть, он переворачивает сигнал еще раз. И в таком виде, усиленный сигнал подается на выход, на колебательный контур.
А ну-ка, смотрим внимательно на колебательный контур? Как он включен? Правильно! Он включен между выходом и входом усилителя. То есть, он создает положительную обратную связь (ПОС). Как мы уже знаем из рассмотрения предыдущих генераторов, ПОС нужна для генератора, как валерьянка для кота. Без ПОС ни один генератор не сможет что? Правильно – возбудиться. И начать генерацию…
Все наверно знают такую вещь: если к входу усилителя подключить микрофон, к выходу – динамик, то при поднесении микрофона к динамику, начинается противный «свист». Это – ни что иное как генерация. Мы же подаем сигнал с выхода усилителя на вход. Возникает ПОС. Как следствие, усилитель начинает генерить.
Ну что, сложно?
Если (сложно)
<
чешем (репу) ;
читаем еще раз;
>
Теперь поговорим о разновидностях подобных генераторов.
Во-первых, вместо колебательного контура, можно включить кварц. Получится стабилизированный генератор, работающий на частоте кварца:
Если в цепь ОС элемента DD1.1 включить вместо резистора колебательный контур – можно завести генератор на гармониках кварца. Для получения какой-либо гармоники, нужно, чтобы резонансная частота контура была близка к частоте этой гармоники:
Если генератор делается из элементов И-НЕ или ИЛИ-НЕ, то входы этих элементов нужно запараллелить, и включать как обычный инвертор. Если используем Исключающее ИЛИ, то один из входов каждого элемента сажается на + питания.
Пара слов о микросхемах.
Предпочтительнее использовать логику ТТЛШ или быстродействующий КМОП.
Рассмотренные здесь генераторы – далеко не все, что могут повстречаться вам в этой нелегкой жизни. Но зная основные принципы работы этих генераторов, будет уже намного проще понять работу других, укротить их и заставить работать на себя 🙂