CC BY
170
ISSN 1992-6502 (Print)_
2017. Т. 21, № 2 (76). С. 76-81
Вестник УГАТУ
ISSN 2225-2789 (Online) http://journal.ugatu.ac.ru
УДК 621.311.001
Исследование работы качера в автогенераторном режиме
ю. а. Арутюнов 1, а. а. Дробязко 2, е. а. Чащин 3, п. а. Шашок 4
1 [email protected], 2 [email protected], 3 [email protected], 4 [email protected]
1 ФГБУ «Научно-клинический центр спортивной медицины федерального медико-биологического агентства России» (НКЦ СМ ФМБАР) 2 ООО «Двойная спираль» (ООО «ДС») 3 ФГБОУ ВО «Ковровская государственная технологическая академия имени В. А. Дегтярева» (КГТА)
4 ООО «Двойная спираль» (ООО «ДС»)
Поступила в редакцию 27.03.2017
Аннотация. Работа направлена на экспериментальную проверку энергетической эффективности качера. Показано, что качер работает в режиме автогенератора в узком диапазоне питающего напряжения 0,5-2,2 В. При изменении уровня питающего напряжения генерация импульсов прекращается. В автогенераторном режиме качер вырабатывает импульсы длительностью 0,4-1,0 мкс частотой 25-300 кГц. Экспериментально показана ограниченность практического применения из-за низкой энергетической эффективности передачи электроэнергии между катушками индуктора и приемника.
Ключевые слова: качер; счетчик электрической энергии; автогенератор.
ВВЕДЕНИЕ
В соответствии с Федеральным законом № 261 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности» от 2009 г., распоряжением Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 г. № 1715-р «Энергетическая стратегия России на период до 2030 года» и рядом других постановлений, распоряжений и приказов с 2011 г. Россия присоединилась к модному «мировому тренду» последних десятилетий - экономии энергии. В связи с этим популярность стали приобретать приборы и устройства, работающие на принципах альтернативной энергетики. Одним из таких приборов является качер Бровина [1], представляющий собой разновидность генератора на транзисторе и отличающийся возможностью беспроводной передачи электрической энергии. Последнее, применительно к установке счетчиков учета расхода электрической энергии, ограничивает использование типовых информационно-измерительных систем и в ряде случаев позволяет спекулировать на «прозрачности» расходования электрической энергии. Это делает актуальным исследование энергетической эффективности качера Бровина.
ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА
Оригинальный вариант генератора электромагнитных колебаний, позже получивший назва-
ние «качер» от словосочетания «качатель реак-тивностей», был разработан В. И. Бровиным в 1987 г. в качестве составной части электромагнитного компаса его конструкции [2]. На основе генератора электромагнитных колебаний в 1993 г. В. И. Бровин сконструировал и запатентовал абсолютный датчик - устройство, преобразующее угол (любой) и расстояние (от микрон до метров) в электрический сигнал напрямую. Российским Патентным ведомством устройству присвоено имя автора как отличительный признак «Датчик Бровина». Патент № 2075726 [3].
В 1996 г. абсолютный датчик был применен для создания костюма, предназначенного для погружения в виртуальную реальность. Однако в настоящее время от подобного применения датчиков отказались [4]. На основании запатентованного устройства в последующее время В. И. Бровиным были разработаны датчики для измерения аномалий гравитации, для авиаразведки полезных ископаемых, измерители толщины покрытий металлов и пр. [5-9]. В сети Интернет1 есть сведения о том, что, используя свое открытие, В. И. Бровин создал действующие образцы датчиков: датчики измерения угла и расстояния; феррозонд для измерения магнитного поля; датчик-акселерометр на малые ускорения или частоты
1 http://www.valselivanov.narod.ru/s.htm
колебаний в доли герц; устройство для зарядки батареек и аккумуляторов; реле приближения и ряд других. Так же имеются упоминания о производственной фирме «Ваня мастер» специализирующейся на производстве датчика Бровина1.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СТЕНДА
Конструктивная и принципиальная схема исследуемого качера приведена на рис. 1, 2.
б
Рис. 1. Конструкция катушек индуктивности качера [1]
а
Приемник
VD
измерительный прибо б
Рис. 2. Принципиальная электрическая схема одного из вариантов качера [1]
Качер состоит из двух частей: индуктора и приемника. Индуктор представляет из себя катушку (см. рис. 1, а) содержащую две обмотки L\ и L2 (где А - начало, Б - конец катушки Lb В - начало, Г - конец катушки L2) выполненные по 50 витков медным проводом диаметром 0,07 мм, включенные в электрическую цепь транзистора VT марки КТ315Г (см. рис. 2, а). Напряжение питания схемы ип в «авторском исполнении» [1] обеспечивалось «пальчиковой» батарейкой с напряжением 1,5 В. В исследуемом стенде в качестве источника питания использован стабилизированный источник питания типа DC POWER HY3005 производства MASTECH, имеющий два независимых выхода регулируемого постоянного напряжения или постоянного тока со следующими характеристиками: выходное напряжение регулируемое (0-30)x2 В; выходной ток (0-5)x2 А. Уровень пульсаций выходного напряжения/тока источника питания DC POWER HY3005 зависит от нагрузки и при токе нагрузки до 3 А не превышает значений 0,5 мВ/3 мА.
Приемник (см. рис. 2, б) включает в себя катушку индуктивности L3 (см. рис. 1, б), выполненную 50 витками медного провода диаметром 0,07 мм (Д - начало, Е - конец катушки), подключенную последовательно с детектором (диодом VD) и RC-цепочкой во вторичной цепи (сглаживающая емкость С и нагрузочное сопротивление Кн). Согласно [1], вместо указанных на схеме диода VD и RC-цепочки с измерительным прибором включен только один потребитель энергии - светодиод марки ИД-Ь502иЯС красный 2D диаметром 5 мм 1000 mKg.
Для осциллографирования сигналов нами был использован двулучевой ПК-осциллограф типа Velleman PCS 500, обеспечивающий создание виртуального двухканального осциллографа с частотами вертикального отклонения до 50 МГц. Основные характеристики осциллографа: входной импенданс 1 М0м/30 пф; чувствительность 5 мВ-15 В/дел.; диапазон частот 050 МГц; неравномерность АЧХ ±3 дБ; погрешность отсчета - не более 2,5. Выполнение требований к системе ПК: Операционная система Windows 2000 или NT, Видеокарта SVGA с разрешением 800x600 обеспечивалось использованием персонального компьютера типа p-IV.
Измерение тока и напряжения выполнялось цифровыми мультиметрами типа WY 60 производства MASTECH со следующими диапазонами измерений: постоянного напряжения 200 мВ-1000 В; переменного напряжения 2 В-750 В; постоянного тока 20 мкА-10 А; переменного тока 200 мкА-10 А с погрешностью измерения менее 1,0%.
ПОСТРОЕНИЕ СРАВНИТЕЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
Исследуем работу качера как генератора электромагнитных колебаний (см. рис. 2). Результаты измерений приведены в табл. Осциллограмма типового сигнала приведена на рис. 3.
Таблица
Результаты измерений
№ Индуктор приемник
ип, В 1п, А /, кГц тш мкс ит, В и, В т, мкс
1 0,4 0,01 301,2 0,84 2,77 0,56 0,48
2 0,5 0,02 114,16 0,86 9,69 1,75 0,52
3 0,6 0,03 79,9 0,80 10,31 1,91 0,57
4 0,7 0,05 56,6 0,84 11,56 1,97 0,68
5 0,8 0,07 39,1 0,84 13,44 2,07 0,88
6 0,9 0,10 25,8 0,96 15,75 2,20 1,0
1п - действующее значение силы тока, отдаваемой источником питания; ип - действующее значение напряжения на выводах источника питания; / - частота генерируемых колебаний (измерено в точках А, Б, см. рис. 2); ти - длительность импульса (см. рис. 2, точки А, Б); ит -амплитудное значение напряжения (см. рис. 2, точки Е, Д); и - действующее значение напряжения на приемнике; т - длительность импульса (см. рис. 2, точки Е, Д).
Рис. 3. Осциллограмма:
1 - сигнал индуктора (измерено в точках А, Б, см. рис. 2); 2 - сигнал приемника (измерено в точках Е, Д, см. рис. 2)
Согласно паспортным данным [10], транзистор КТ315Г - кремниевый, эпитаксиально-планарный, обратный (структура п-р-п), усилительный. Предназначен для генерирования и усиления высокочастотных колебаний (гранич-
ная частота коэффициента передачи тока не менее 250 МГц), может так же работать в различных импульсных схемах. Предельные эксплуатационные характеристики имеют ограничение по напряжению коллектор-эммитор 35 В, база-эммитор 6 В. Учитывая, что в исследуемой схеме сопротивление катушки Ь1 по постоянному току пренебрежимо мало в ходе эксперимента изменяли напряжение ип в диапазоне 0-2,2 В с шагом 0,1 В. Указанный диапазон изменения ип не противоречит «авторскому исполнению», ограниченному напряжением 1,5 В от «пальчиковой» батарейки. Результаты эксперимента показали, что при напряжении ип<0,4 В транзистор УТ1 (см. рис. 2) находится в «запертом состоянии», ток коллектора нулевой, импульсы не вырабатываются. При напряжении ип>0,9 В транзистор УТ1 (см. рис. 2) переходит в состояние насыщения и импульсы так же не вырабатываются. Во всех рабочих диапазонах (см. табл.) ток коллектора не превышает 100 мА, что соответствует паспортным данным на транзистор КТ315Г [10], согласно которым предельное эксплуатационные характеристики имеют ограничение по току коллектора (постоянный) 100 мА. Таким образом, из результатов измерений видно (см. табл.), что транзистор КТ315Г в предложенной схеме работает в штатном режиме.
Известно, что генератор электромагнитных колебаний - это устройство, преобразующее с помощью усилительных элементов энергию источника питания постоянного тока в энергию электрических колебаний. По форме генерируемых колебаний (см. рис. 3) можно считать, что исследуемый генератор является импульсным генератором с самовозбуждением.
Условия самовозбуждения:
9к +фр = 2пп, (1)
к ■ в = 1, (2) где фК - сдвиг фаз, вносимый усилительным каскадом; фр - сдвиг фазы, вносимый цепью обратной связи; в - коэффициент передачи; к - коэффициент усиления.
Условие баланса фаз (1), которое заключается в том, что сдвиг фаз в замкнутой цепи автоколебательной системы должен равняться 2пп, где п=0, 1, 2 ... выполняется в исследуемой схеме (см. рис. 2) путем того, что индуктор представляет из себя катушку, содержащую две обмотки Ь\ и Ь2, намотанные совместно по 50 витков медным проводом диаметром 0,07 мм каждая. Можно считать, что и Ь2 являются элементом положительной обратной связи (ПОС). Если принимать в первом приближении
индуктивную связь совместно намотанных обмоток Ь\ и Ь2 идеальной, тогда коэффициент передачи в в цепи обратной связи будет примерно равен 1:
=
в ^
L
ю.
где Юь ю2 - число витков катушек Ь1 и Ь2 соответственно.
Условие баланса амплитуд (2) обеспечивающее существования автоколебательного режима заключается в том, что ослабление сигнала, вносимое звеном ПОС (см. рис. 2, катушки Ь\ и Ь2) компенсируется усилительной цепью на базе транзистора УТ марки КТ315Г. В этом приближении катушки Ь1 и Ь2 являются элементами ПОС. Пренебрегая активными сопротивлениями катушек и соединительных проводов оценим параметры колебательного контура, образуемого катушкой Ь1 и емкостью р-п перехода транзистора. Согласно паспортным данным, емкость С коллекторного перехода транзистора КТ315Г составляет не более 7 пФ. Тогда можно считать, что в момент включения питания ип в коллекторной цепи транзистора УТ появляется коллекторный ток, заряжающий емкость С контура Ь1С. В следующий момент времени С разряжается на катушку индуктивности Ь1. Сигнал ПОС снимается со вторичной обмотки ю2, индуктивно связанной с обмоткой юь и подается на вход транзистора УТ. Пренебрегая потерями в активных сопротивлениях соединительных проводов, межвитковыми сопротивлениями катушек индуктивности и влиянием взаимоиндукции, оценим частоту / колебательного контура Ь1С:
/ = . (3)
C этой целью с помощью on-line программы coil32 v11.0.0.419 выполним расчет индуктивности Li многослойной катушки, выполненной на прямоугольном каркасе. При заданных параметрах (см. рис. 1) путем решения обратной задачи Li с точностью ±10% составляет порядка 145 мкГн. Тогда резонансная частота составит 157 кГц. Результаты расчета по формуле (3) соответствуют частотам, полученным экспериментально y=30i,2-25,8 кГц (см. табл.). Таким образом можно считать, что импульсы, вырабатываемые качером, есть результат работы бло-кинг-генератора с цепочкой ПОС образованной индуктивной связью катушек Li и L2, а колебательный контур образован индуктивностью Li и собственной емкостью транзистора VT.
Последнее подтверждается изменением диапазона резонансных частот при изменении напряжения ип так как емкость р-п перехода зависит от приложенного напряжения (рис. 4) [11].
Рис. 4. Зависимость емкости р-п перехода [11]
Таким образом, исследование работы показало, что качер представляет их себя видоизмененный релаксационный генератор импульсов, выполненный на базе усилительного элемента (транзистора КТ315Г) с трансформаторной обратной связью образованной совместно намотанными катушками Ь1 и Ь2, работающий на частоте резонансного контура образованного собственной емкостью р-п перехода транзистора УТ, межвитковыми емкостями катушки индуктивности и собственно индуктивностью Ь1 катушки. Форма генерируемых импульсов приближается к прямоугольной (см. рис. 3)
Рассмотрим возможность передачи генерируемых индуктором импульсов на расстояние. На рис. 5 приведены типовые осциллограммы работы, снимаемые с катушек индуктора и приемника.
1
1 \
.....J \
d*/: 35.00V (37.81] (2.81)
1/dt: 80.65kHz
Рис. 5. Осциллограмма:
1 - сигнал индуктора (измерено в точках А, Б, см. рис. 2); 2 - сигнал приемника (измерено в точках Е, Д, см. рис. 2)
Видно, что длительность импульсов, регистрируемых в катушке приемника составляет 0,5-1,0 мкс. Форма импульсов соответствует генерируемым импульсам, что позволяет говорить о электромагнитной связи между катушками Ь1 и Ь3 индуктора и приемника. Причем ма-
ленькая длительность импульсов не позволяет использовать их для электропитания светодиода ИД-Ь502иЯС красный 1000mKg, свечения которого не наблюдалось. Кроме того, при увеличении расстояния между катушками L\ и L3 амплитуда сигнала резко падала. Также следует отметить, что исследуемая схема работала только в режиме холостого хода. При подключении нагрузки, с целью определить силу тока, протекающего в цепи приемника, напряжение на выводах катушки L3 снижалось до нуля, что не позволяет говорить о сколь либо значительном коэффициенте полезного действия.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Результаты экспериментального исследования показали, что качер Бровина представляет из себя видоизмененный релаксационный генератор импульсов, выполненный на базе усилительного элемента (транзистора КТ315Г) с трансформаторной обратной связью образованной совместно намотанными катушками Lj и L2, работающий на частоте резонансного контура образованного собственной емкостью p-n перехода транзистора VT, межвитковыми емкостями катушки индуктивности и собственно индуктивностью L\ катушки.
Также показано, что применение качера Бровина в качестве источника питания для беспроводной передачи электроэнергии является малоперспективным ввиду низкой энергетической эффективности, а также из-за достаточно узкого диапазона напряжения 0,4-0,9 В, подключаемого к индуктору источника питания, что ограничивает промышленное применение. При изменении уровня питающего напряжения в указанном диапазоне происходит изменение как частоты автоколебаний в диапазоне от 300 кГц (соответствует напряжению 0,5 В) до 25 кГц (соответствует напряжению 2,2 В), так и длительности вырабатываемых импульсов с 0,4 до 1,0 мкс соответственно. При изменении уровня питающего напряжения вне указанного диапазона 0,5-2,2 В ка-чер переходит в режим насыщения и перестает вырабатывать импульсы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бровин В. И. Явление передачи энергии индуктив-ностей через магнитные моменты вещества, находящегося в окружающем пространстве, и его применение. М.: Мета-синтез, 2003. 20 с. [ V. I. Brovin, The phenomenon of energy transfer inductors using magnetic moments of substances in the environment, and its application, (in Russian). M.: Meta-sintez, 2003. ]
2. Качер Бровина [Электронный ресурс]. URL: http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1307316 (дата обращения: 10.02.2017). [ (2017, Feb. 10) Katscher Brovina [Online]. Available: http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/ 1307316 ]
3. Бровин В. И., Мачкин П. И. Качер-технология // Биржа интеллектуальной собственности. 2008. Т. 7, № 11. С. 17-32. [ V. I. Brovin and P. I. Machkin, "Katscher-technology, " (in Russian), in Intellectual property stock exchange, vol. 7, no. 11, pp. 17-32, 2008. ]
4. Бровин В. И. Датчик Бровина. Суть дела [Электронный ресурс]. URL: http://www.valselivanov.narod.ru/s.htm (дата обращения: 10.02.2017). [ V. I. Brovin (2017, Feb. 10). Sensor Brovina. Essence [Online]. Available: http://www.valselivanov.narod.ru/s.htm ]
5. Бровин В. И. Качер-технология и ее применение в больших сложных системах // Проблемы управления безопасностью сложных систем: 14-я Междунар. конф. (Москва, ИПУ РАН, дек. 2006): тр. конф. М.: РГГУ, 2006. С. 502-505. [ V.I. Brovin, "Katscher-technology and its application in large complex systems»," (in Russian), in Proc. 14rd Int. Problems of safety management of complex systems, M., pp. 502-505, 2006. ]
6. Бровин В. И. Знакомьтесь, качер это не только новый способ управления транзистором, но еще и новый способ передачи информации, а также абсолютный датчик, и заодно трансформатор постоянного тока [Электронный ресурс]. URL: http://www.sciteclibrary.ru/cgi-bin/yabb/yabb.cgi?board=physic&action=display&num=11513 10189&start=0 (дата обращения: 10.02.2017). [ V. I. Brovin (2017, Feb. 10). Meet the katscher is not only a new method of controlling the transistor, but also a new way of transmitting information, as well as the absolute sensor, and at the same time DC transformer [Online]. Available: http://www.sciteclibrary.ru/cgi-
bin/yabb/yabb.cgi?board=physic&action=display&num=11513 10189&start=0 ]
7. Бровин В. И. Качер - новое средство автоматизации на основе датчика Бровина [Электронный ресурс]. URL: http://www.valselivanov.narod.ru/ (дата обращения: 10.02.2017). [ V. I. Brovin. (2017, Feb. 10). Katscher is a new tool based automation sensor Brovina. [Online]. Available: http://www.valselivanov.narod.ru/ ]
8. Бровин В. И. Реле приближения. Техническое описание [Электронный ресурс]. URL: http://www.valselivanov.narod.ru/ (дата обращения: 10.02.2017). [V. I. Brovin. (2017, Feb. 10). Relay approach. Technical details [Online]. Available: http://www.valselivanov.narod.ru/ ]
9. О генераторе Тесла-Бровина [Электронный ресурс]. URL: http://www.spkristall.narod.ru (дата обращения: 10.02.2017). [ (2017, Feb. 10) About the Tesla generator-Brovina [Online]. Available: http://www.spkristall.narod.ru ]
10. Справочник по биполярным транзисторам [Электронный ресурс]. URL: http://www.volt-220.com/images/book/bipoltr.pdf (дата обращения: 10.02.2017). [ (2017, Feb. 10) Handbook of bipolar transistors [Online]. Available: http://www.volt-220.com/images/book/bipoltr.pdf ]
11. Прянишников В. А. Электроника: Курс лекций. СПб.: Корона принт, 1998. 400 с. [ V. A. Pryanishnikov, Electronics: a Course of lectures, (in Russian). SPb.: Korona print, 1998. ]
ОБ АВТОРАХ
АРУТЮНОВ Юрий Артемович, вед. науч. сотрудник. Дипл. инж. Московский физико-технический институт, факультет аэромеханики и летательной техники 1971. Канд. физ.-мат. наук 1974. Иссл. в обл. электрофизич. методов обраб-ки.
ДРОБЯЗКО Александр Александрович, инж. Дипл. инж. Харьковская гос. акад. гор. хоз-ва. Иссл. в обл. электрофи-зич. методов обраб-ки.
ЧАЩИН Евгений Анатольевич, зав. каф. электротехники. Дипл. инж. по спец. машины и технология высокоэффективных процессов обраб. (КГТА, 1997). Канд. техн. наук (филиал Воен. акад. ракетных войск стратегич. назнач., 2003). Иссл. в обл. электрофизич. методов обраб-ки.
ШАШОК Павел Александрович, инж. Дипл. инж. Нац. Исслед. Томский гос. ун-т.. Иссл. в обл. приклад матем., кибернет. и программ-я.
METADATA
Title: Research the work of the katscher in the autogenerator mode.
Authors: Y. A. Arutyunov1, A. A. Drobyazko2, Ye. A. Chaschin3, P. A. Shashok4
Affiliation:
1 Scientific-Clinical Center of Sports Medicine Federal Medical-
Biological Agency of Russia, Russia.
2 LLC «Double spiral», Russia.
3 Kovrov State Technological Academy (KGTA), Russia.
4 OOO Double Spiral (OOO DS), Russia.
Email: [email protected]; [email protected]; [email protected]; [email protected]
Language: Russian.
Source: Vestnik UGATU (scientific journal of Ufa State Aviation Technical University), vol. 21, no. 2 (76), pp. 76-81, 2017. ISSN 2225-2789 (Online), ISSN 1992-6502 (Print).
Abstract: The work focused on experimental verification of energy efficiency of the katscher. It is shown that katscher works in the autogenerator mode in a narrow range of supply voltage 0.5-2.2 V. Generation of pulses ceases when changing the supply voltage level. Katscher working in the autogeneror mode generates pulses of 0.4-1.0 microseconds at a frequency of 25-300 kHz. The limited of the practical application due to low energy efficiency of power transmission between the coils of the inductor and the receiver has been shown experimentally.
Key words: katscher; electricity meter; oscillator.
About authors:
ARUTYUNOV, Yuri Artemovich, leading researcher, Dipl. Eng. the Moscow Institute of physics and technology, faculty of Aeromechanics and flying vehicles 1971. PhD in Fiz.-Mat. Sciences 1974. Research in the field of the electro-physical methods of treatment.
DROBYAZKO, Aleksandr Aleksandrovich, Engineer. Engineer diploma of Kharkov state acad. mountains. khoz-vz. Research in the field of the electro-physical methods of treatment.
CHASCHIN, Yevgeny Anatolyevich, Head of dept. of electrical engineering, Dipl. Eng. on specialty machines and technology of high-efficiency processing (Kovrov State technological academy, 1997). PhD in engineering (branch of the Military Academy of strategic missile troops, 2003). Research in the field of the electro-physical methods of treatment.
DROBYAZKO, Aleksandr Aleksandrovich, Engineer.. Dipl. ing. NAT. Issled. Tomsk state Univ. Research in the stock mod., kibernet. and programs-I.
