Источники тока высокой частоты: Генератор тока высокой частоты, генератор/источник переменного тока

Генераторы постоянного тока и высокочастотные источники питания

ГЕНЕРАТОРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА И ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Подразделения «ENI» и «ASTeX» компании MKS Instruments специализируются на разработке и серийном производстве оборудования для современных плазменных технологий. В перечень входят источники постоянного тока (непрерывные и импульсные), ВЧ-генераторы, СВЧ-генераторы, устройства согласования нагрузки, датчики мощности с обратной связью, СВЧ-источники плазмы.
Продукция «ENI» и «ASTeX» перекрывает широчайший спектр применений в области плазменных технологий.

ИСТОЧНИКИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Модульные (возможность добавления 20 кВт блоков) непрерывные источники тока с встроенной системой подавления дуг, диапазон мощностей 5÷120 кВт.

DCG — переключение между 3-мя диапазонами по мощности, пассивная система подавления дуг; опция — активная система ArcKill (время жизни дуги менее 75 мкс)

OPTIMA — новейшая серия источников постоянного тока. Нет необходимости переключения между диапазонами мощности, пассивная и активная система борьбы с образованием дуг и микродуг (время жизни дуги менее 7,5 мкс).

Импульсные источники постоянного тока серии RPG — мощность 5÷10 кВт, 25÷250 кГц, асимметричные моно- и биполярные импульсы.

ВЧ-ГЕНЕРАТОРЫ

ACG — компактные и легкие генераторы малой мощности  — 0,3÷1кВт, 13,56 МГц.

OEM — 0,6÷2,8 кВт, 13,56 МГц.

Genesis — генераторы, с рабочими частотами 1,6, 2, 3,2, 13,56, 27,12 и 40,68 МГц в диапазоне мощности 1,25÷8 кВт.

Spectrum — компактные генераторы. Мощность — 1,5÷10 кВт, частоты 13,56 и 2МГц. Возможность импульсной работы с частотой импульсов 0÷1000Гц.

ОБОРУДОВАНИЕ СОГЛАСОВАНИЯ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ ВЧ-ГЕНЕРАТОРОВ

Устройства согласования Matchwork

Датчик ВЧ-мощности V/I Probe

СВЧ-СИСТЕМЫ ASTEX — 2,44-2,47 ГГЦ, 2-6 КВТ

СВЧ-генераторы, устройства согласования, источники плазмы.

ИСТОЧНИКИ ПОСТОЯННОГО ТОКА ENI

«MKS ENI Products» производит семейство высоконадежных непрерывных и импульсных источников постоянного тока в интервале мощностей 5-60кВт и более. Их конструкция компактна и дает возможность наращивания мощности до 200 кВт путем присоединения дополнительных 20 кВт модулей. Мониторинг и контроль дополнительных модулей осуществляется основным источником, что обеспечивает необходимую точность работы блока во всем рабочем диапазоне и ликвидирует задержки при обнаружении искровых пробоев.
Серии Optima, DCG и RPG представляют собой самый передовой модельный ряд источников постоянного тока для промышленного применения. Сконструированные с акцентом на исключительную воспроизводимость заданных параметров, превосходный контроль дугообразования, высокую надежность и удобство пользования, источники питания «MKS ENI» обеспечивают  высокую производительность технологических процессов.

Optima и DCG
 

Серия «Optima» и «DCG»  — это непрерывные источники постоянного тока, обеспечивающие надежную и точную работу в диапазоне мощностей 5-60 кВт и выше, обладают автоматической биполярной системой подавления дуг. Источники этой серии обладают высокими точностью (0,1%) и линейностью для повышенной воспроизводимости. По желанию пользователя источники питания снабжаются встроенными или дистанционными блоками управления, которые могут быть как аналоговыми, так и цифровыми. Высокая работоспособность и гибкость системы обеспечивается большим набором настраиваемых режимов. «Optima» может использоваться как источник тока, напряжения или мощности в зависимости от выбранного режима. Пользователь может запрограммировать последовательность из различных режимов (до 10), необходимую для его техпроцесса. В источники серии «DCG» в качестве дополнительного оборудования может устанавливаться улучшенная система подавления дуг «ArcKill» — время детектирования дуги < 50 нс, пиковый ток < 10 A, полная энергия дуги < 0,5 мДж.

RPG
 

ВЧ ГЕНЕРАТОРЫ  ENI

Оптимальное решение для технологий плазменного травления и напыления.
Модельный ряд перекрывает весь диапазон рабочих параметров ВЧ источников питания, необходимых в современном производстве: частоты от 1 до 41 Мгц, мощности от 300 ватт до 10 киловатт. Генераторы «ENI», построенные на полупроводниковой элементной базе, отличаются проверенной высокой надежностью, точностью и стабильностью характеристик. Они становятся неотъемлемыми элементами плазменных установок для современной индустрии полупроводников. Дополнение ВЧ-генераторов производимыми «ENI» устройствами согласования нагрузки Matchwork и датчиками мощности (V/I Probe) делает их самодостаточными системами по управлению технологическим процессом. 
ВЧ генераторы «ENI» делятся  на четыре группы в соответствии с их рабочими характеристиками и возможностями применения:

— серия «ACG»

Серия компактных ВЧ-генераторов с воздушным охлаждением. Генераторы ACG применяются для случаев малой потребной мощности (300-1000 Вт) и высокой частоты (13,56 МГц).

— серия «OEM»
ВЧ-генераторы, диапазон мощностей 0,6 — 2,8 кВт на частоте 13,56 МГц.

— серия Genesis

— серия «Spectrum»
Компактные генераторы этой серии перекрывают диапазон мощностей от 1,5 до 10 кВт (13,56 МГц). Отличаются модульной конструкцией с возможностью расширения, точностью ± 1%, высокой надежностью и исключительной плотностью ВЧ мощности. 

Устройства диагностики и согласования для ВЧ-генераторов

Датчик мощности «V/I Probe»
Точное измерение напряжения, силы тока и разности фаз генерируемой ВЧ-энергии для контроля и оптимизации процесса.
Линейка устройств согласования нагрузки Matchwork (В Series, LD Series, H Series, M Series, Dual Series) предназначена для повышения воспроизводимости и производительности технологических процессов и обеспечивает высокую скорость подстройки для согласования переменного сопротивления в рабочей камере и рабочей нагрузки генератора. Обычно параметры устройств Matchwork подбираются под конкретную конфигурацию установки и соответствуют практически всему диапазону генераторов «ENI» по мощности и частоте.  
Устройства согласования нагрузки обеспечивают непрерывное выравнивание сопротивлений разрядной системы для оптимальной передачи ВЧ-мощности от генератора в разрядную камеру. Это дает высокую эффективность в процессах травления, напыления  и т.д.

СВЧ-СИСТЕМЫ «ASTeX» — 2,44-2,47 ГГц, 2-6 кВт

СВЧ-системы «ASTeX» представляют собой не только источники СВЧ энергии SmartPower в диапазоне мощности 2-6 кВт. Источники могут быть дополнены высокоточными измерителями мощности PPD с обратной связью, устройствами согласования нагрузки SmartMatch и источниками плазмы AX7610. Источники плазмы мощностью 3 кВт выпускаются в двух версиях для нейтральной и агрессивной среды соответственно с кварцевыми и сапфировыми трубками.
Совокупность СВЧ-элементов «ASTeX» дает возможность построения автоматических плазменных систем для модификации поверхности, обработки полимеров, пассивации, удаления фоторезиста и других современных плазменных технологий.
Одним из решающих достоинств «ASTeX» является возможность индивидуального подхода к потребностям заказчика при выборе оптимального решения для конкретных условий вплоть до исследования и отладки всего технологического процесса в лабораториях производителя.

Сводная таблица источников питания «MKS In.», «ENI».

Токи высокой частоты их применение.

Высокочастотные токи и поля. Токи высокой частоты и их применение

Как известно, переменный ток, применяемый для промышленных и бытовых целей, имеет 50 колебаний в секунду. Число же колебаний переменного высокочастотного тока достигает сотен тысяч и миллионов в секунду.

Ток высокой частоты характеризуют числом колебаний в секунду и длиной электромагнитной волны. Между длиной волны и частотой тока существует простое соотношение: чем выше частота тока, тем короче длина волны.

По длине электромагнитные волны делят на длинные — 3000 м и больше, средние — от 3000 до 200 м, промежуточные — от 200 до 50 м, короткие — от 50 до 10 м и ультракороткие — менее 10 м.

Токи высокой частоты получаются при помощи специальных генераторов — искровых и ламповых. В основе всякого генератора высокой частоты лежит колебательный контур. Колебательный контур состоит из электрической емкости (конденсатора, обозначается буквой С) и катушки самоиндукции, иначе катушки индуктивности (обозначается L), представляющей собой проволочную спираль.

Если конденсатору колебательного контура сообщить заряд, то между его обкладками возникает электрическое поле (рис 29, 1). Конденсатор начинает разряжаться через самоиндукцию; при прохождении разрядного тока через самоиндукцию вокруг нее за счет энергии тока возникает электромагнитное поле (рис. 29, 2). Когда конденсатор полностью разрядится, ток должен прекратиться; но по мере того, как ток ослабевает, запасенная в самоиндукции энергия электромагнитного поля переходит обратно в ток того же направления. В результате конденсатор снова зарядится, хотя знак заряда на обкладках конденсатора сменится на обратный (рис. 29, 3). Получив заряд, конденсатор снова начинает разряжаться через самоиндукцию, но ток разрядки конденсатора будет уже противоположного направления (рис. 29, 4). Прохождение тока через самоиндукцию будет сопровождаться снова возникновением электромагнитного поля, энергия которого по мере ослабления, разрядного тока будет переходить в энергию наведенного тока того же направления Обкладки конденсатора окажутся снова заряженными, и заряд их будет того же знака, что и вначале (рис. 29, 5).

Энергия, запасенная теперь в конденсаторе, будет меньше первоначальной, так как часть ее ушла на преодоление омического сопротивления контура.

Идя сначала в одном направлении, а затем в обратном, ток разрядки конденсатора совершает одно колебание.

Получив снова заряд, хотя и меньший первоначального, конденсатор снова начнет разряжаться через самоиндукцию. С каждым колебанием амплитуда тока будет уменьшаться. Это будет продолжаться до тех пор, пока вся энергия, запасенная в конденсаторе, не израсходуется на преодоление омического сопротивления контура. Возникает группа затухающих колебаний.

Чтобы колебания в колебательном контуре не прекратились, необходимо периодически снабжать конденсатор запасом энергии.

Переменным называют ток, периодически меняющийся по величине и направлению. В течение одного колебания сила тока нарастает до максимума, затем спадает до нуля, меняя направление на обратное, снова нарастает до максимума и опять достигает нулевого значения.

Отрезок времени (Т), в течение которого происходит одно колебание, называется периодом. Величина, обратная периоду, т. е. 1/Т, носит название частоты. Если период

Т выражен в секундах, то частота — это количество колебаний в секунду. Частота, соответствующая одному колебанию в секунду, принята за единицу и в честь физика Herz получила название герц (гц).

Если колебание совершается по закону синуса, то графическим изображением колебательного процесса является синусоида. Такие колебания получили название гармонических.

При прохождении переменного тока по проводнику вокруг последнего возникают электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве во всех направлениях; они образуют электромагнитные волны. Электромагнитные волны распространяются в пустоте со скоростью света — 300 000 км/сек (3*10 10 см/сек), а в различных средах с несколько меньшей скоростью.

Расстояние, которое проходит электромагнитная волна за время одного периода, называют длиной волны.

В настоящее время электромагнитные волны так называемой радиочастоты делят на длинные — 3000 м и больше, средние — от 3000 до 200 м, промежуточные — от 200 до 50 м, короткие — от 50 до 10 м, ультракороткие — менее 10 л, а последние на метровые — от 10 до 1 м, дециметровые — от 1 м до 10 см и сантиметровые — от 10 до 1 см.

Токи любой частоты, в том числе высокой, получают с помощью колебательного контура, который состоит из конденсатора (электрической емкости — С) и индуктивности (проволочной катушки — L, при токах высокой частоты без железного сердечника).

Если конденсатору колебательного контура сообщить заряд, то он начинает разряжаться через индуктивность: при этом вокруг нее за счет энергии тока возникает магнитное поле. Когда конденсатор полностью разрядится, ток должен прекратиться, но по мере того, как ток ослабевает, энергия магнитного поля, накопленная в индуктивности, переходит обратно в ток того же направления; в результате конденсатор снова зарядится, но знак заряда на его обкладках изменится на обратный. Получив заряд, конденсатор снова начинает разряжаться через индуктивность, но ток его разрядки будет уже противоположного направления. Прохождение тока через индуктивность будет снова сопровождаться возникновением магнитного поля, энергия которого по мере ослабления разрядного тока будет переходить в энергию наведенного тока того же направления. Обкладки конденсатора окажутся снова заряженными, и заряд их будет того же знака, что и вначале. Энергия, накопленная теперь в конденсаторе, меньше первоначальной, так как часть ее уходит на преодоление омического сопротивления контура. Идя сначала в одном направлении, а затем в обратном, ток разрядки конденсатора совершает одно колебание.

Получив снова заряд, хотя и меньший первоначального, конденсатор снова начнет разряжаться через индуктивность. С каждым колебанием амплитуда тока будет уменьшаться. Это будет продолжаться до тех пор, пока вся энергия, накопленная в конденсаторе, не израсходуется на преодоление омического сопротивления контура и частично на излучение электромагнитных волн — возникает группа затухающих колебаний. Для того чтобы колебания были малозатухающими или незатухающими, необходимо периодически подавать энергию в колебательный контур, восполнять ее потери. В современных медицинских аппаратах высокой частоты это осуществляется с помощью электронных ламп, применяемых в генераторных схемах.

Наиболее простой генераторной лампой является триод. Он имеет 3 электрода: катод, управляющую сетку и анод. При накале катод выделяет электроны. Если подать на анод положительный потенциал, а на катод отрицательный, то между анодом и катодом возникает электрическое поле, под влиянием которого отрицательно заряженные электроны притягиваются к аноду, имеющему положительный потенциал. Проникая между витками управляющей сетки, расположенной между катодом и анодом, электроны достигают анода, в результате чего в цепи анода проходит ток. Управляющая сетка расположена ближе к катоду и оказывает на электроны более сильное воздействие, чем анод. Когда на управляющей сетке имеется положительный потенциал, движение электронов ускоряется — в единицу времени большее число их попадает на анод, ток усиливается; когда же на сетке имеется отрицательный потенциал, она отталкивает электроны, не пропуская их к аноду — анодный ток становится слабее.

Триод имеет ряд недостатков, а это заставило перейти к более совершенным лампам — тетродам, лучевым тетродам, пентодам и др. Эти лампы применяют в медицинских высокочастотных генераторах, работающих на самовозбуждении с обратной связью.

Анодный ток, проходящий в цепи генераторной лампы, заряжает конденсатор колебательного контура, что ведет к возникновению электрических колебаний в анодном колебательном контуре. Колебания тока создают в катушке индуктивности колебательного контура переменное магнитное поле, силовые линии которого пересекают витки рядом расположенной катушки индуктивности управляющей сетки, наводя на ней переменные потенциалы. В результате этого колебательный контур в цепи анода через связь с сеткой лампы начинает управлять питающим его анодным током. Такая связь называется обратной. При наличии обратной связи (если включить питание в генератор) в анодном колебательном контуре возникают колебания, генератор самовозбуждается. Таков принцип работы генератора на самовозбуждении.

Практически в аппаратах высокой и ультравысокой частоты устройство колебательного контура значительно сложнее. В аппаратах высокой частоты первоначально колебания возникают в маломощном задающем генераторе. Возникающие в нем колебания передаются обычно индуктивным путем в промежуточный усилитель, а затем в выходной усилитель, собранный на более мощных лампах. Принцип усиления заключается в том, что колебания с предыдущего контура поступают на управляющие сетки более мощных ламп последующего контура, что ведет к увеличению мощности колебаний.

Терапевтический контур, который служит для проведения лечебной процедуры, связан с предыдущим контуром, который обычно представляет собой выходной усилитель только индуктивно, чтобы обезопасить больного от высокого напряжения, под которым находятся предыдущие контуры.

Все контуры должны быть настроены в резонанс, т. е. на одну и ту же частоту. При этом переход энергии из одного контура в другой осуществляется наиболее полно.

Раньше для получения токов высокой частоты пользовались искровыми генераторами. В настоящее время они сняты с производства, так как не генерируют стабильной частоты, что создает радиопомехи.

Всякому электрическому току, в том числе высокочастотному, свойственно тепловое действие. Это тепло возникает внутри тканей, а потому получило название эндогенного в отличие от экзогенного, когда тепло проникает в ткани снаружи, как это происходит при воздействии лечебной грязи, парафина, грелки.

Для того чтобы понять причину появления тепла внутри тканей при токах высокой частоты, необходимо разобрать механизм их прохождения через ткани. В тканевых жидкостях и внутри клеток имеются ионы, преимущественно натрия и хлора, на которые диссоциирует основная соль, содержащаяся в организме, — хлористый натрий. Кроме ионов натрия и хлора, в организме в меньшем количестве присутствуют и другие ионы (кальция, магния, фосфора и т. п.), а также содержатся белковые молекулы, несущие на себе электрический заряд.

Кроме заряженных частиц, в тканях организма находятся полярные молекулы (диполи), у которых электрические заряды внутри молекулы смещены и можно различать два полюса — положительный и отрицательный. К дипольным молекулам (диполям) относятся, в частности, молекулы воды.

При подведении к тканям организма высокочастотного напряжения в них в пространстве между электродами возникает высокочастотное электрическое поле. Под его влиянием все заряженные частицы приходят в движение: отрицательные направляются к положительному, положительные — к отрицательному полюсу. Дипольные молекулы начинают поворачиваться вдоль поля, чтобы отрицательным полюсом быть обращенными в сторону положительно заряженного, положительным — в сторону отрицательно заряженного электрода.

Едва ионы и другие заряженные частицы успеют сдвинуться с места, как меняется направление электрического поля, что заставляет их изменить направление движения на обратное. С каждым периодом высокочастотного тока процесс этот будет повторяться. Заряженные частицы начнут колебаться с очень малой амплитудой около среднего положения с частотой колебаний высокочастотного тока. Такой ток, при котором возникает движение заряженных частиц, в данном случае колебательное, носит название тока проводимости.

При своих колебательных движениях заряженные частицы встречают сопротивление как при столкновении друг с другом, так и с окружающими частицами тканей, что сопровождается образованием тепла. Поворот дипольных молекул тоже встречает сопротивление со стороны окружающих частиц и сопровождается выделением тепла (так называемые диэлектрические потери). Поворот в высокочастотном электрическом поле диполей, несущих на концах заряды, носит название тока смещения (поляризации). Ткани человеческого тела обладают электрической емкостью и омическим сопротивлением, включенными параллельно, что схематически представлено на рис. 40. Индуктивное сопротивление у тканей практически отсутствует.

Клеточные мембраны являются диэлектриками, хотя и несовершенными, а межтканевые жидкости и протоплазма клеток имеют ионную проводимость. В результате возникают микроскопические конденсаторы (два проводника, разделенные слоем диэлектрика). Общая емкость человеческого тела довольно значительна и составляет 0,01-0,02 мкф.

При относительно небольших частотах (для токов высокой частоты до нескольких миллионов герц в секунду) преобладает ионная электропроводность, возникает ток проводимости, при больших же частотах (несколько десятков миллионов герц) увеличивается ток поляризации. При сверхвысоких частотах, превышающих 1 млрд. гц, ток поляризации возрастает еще больше, выраженнее становятся явления, которые относят за счет осцилляторного (колебательного) действия токов высокой частоты; к ним принадлежат физико-химические сдвиги, в частности увеличение дисперсности белков. Ионный состав и число полярных молекул в разных тканях отличаются друг от друга, поэтому при одной и той же частоте, а следовательно, и длине волны в тканях будет возникать неодинаковое количество тепла. Фактически будут греться все ткани, хотя несколько больше та, для которой длина волны ближе лежит к селективной (избирательной). По Н. Н. Малову, избирательной для мышц является длина волны 2,1 м, для крови — 2,6 м, для кожи — 6 м, для печени — 5,5 м, для мозга — 11 м, для жира — 35 м. Следует отметить, что частота и соответственно длина волны колебаний, генерируемых современными медицинскими аппаратами высокой частоты, не являются достаточно селективными для тканей человеческого тела. Несмотря на это, различие в нагревании тканей проявляется в той или иной степени. Вследствие очень малого сдвига ионов от среднего положения во время колебательных движений не происходит выраженного изменения концентрации ионов на границе клеточных мембран как вне, так и внутри клетки; этим можно объяснить отсутствие раздражающего действия высокочастотного тока на ткани.

Болевая чувствительность при действии токов высокой частоты уменьшается, что в основном не зависит от возникающего тепла, а является результатом осцилляторного колебательного эффекта токов высокой частоты. Возможно, что при этом нарушается связь между элементами нервного окончания, воспринимающего боль, что ведет к понижению его возбудимости; чем выше частота тока, тем более выражено его болеутоляющее действие.

Дарсонваль
— метод электротерапии, при котором воздействие оказывается импульсными переменными токами высокой частоты и напряжения, но малой силы (частота 110-400 кГц, напряжение 20 кВ, сила тока до 100-200 мА). Метод назван в честь французского физиолога Дарсонваля, разработавшего основные принципы его применения в медицинской практике. Дарсонваль используется в лечении широкого спектра заболеваний с 1891 года.

Дарсонвализация подразделяется на местную и общую.

Местная дарсонвализация проводится с помощью вакуумного электрода, через который подается ток различного напряжения. По мере нарастания напряжения увеличивается ионизация воздуха и величина искрового разряда. Для проведения общей дарсонвализации пациента помещают в катушку колебательного контура, называемую «клеткой Дарсонваля».

Действующим фактором при местной дарсонвализации является импульсный высокочастотный ток и электрический разряд между электродом и телом пациента, оказывающие влияние непосредственно в зоне воздействия; при общей дарсонвализации — вихревые высокочастотные токи, наведенные в ткани по принципам электромагнитной индукции, и изменяющие параметры деятельности ЦНС, сосудистой и иммунной систем.

Диатермический ток.
В отличие от токов д»Арсонваля, диатермический ток имеет до 2 млн. изменений полярности в секунду, а сила тока уменьшается до 500 mА. Интенсивность тока зато увеличивается до 1—5 А. Электроды применяются металлические, свинцовые или станиолевые, без прокладок, непосредственно на кожу.

Действие местной диатермии сводится к вызыванию прилива крови в подвергающихся воздействию тканях. Кроме того, относительно глубокое проникновение тепла влияет на состояние подлежащих тканей. На месте наложения электродов создается ощущение тепла вследствие сопротивления, оказываемого току со стороны тканей, обладающих различной проводимостью.

В дерматологической практике очаговой диатермией пользуются для лечения вялых, потерявших напряжение, упругость атонических тканей, склеродермии, рубцов, язв от отморожения, рентгеновских язв, при озноблениях, при красных, холодных, потных руках и т. п.

Можно пользоваться сегментарной диатермией шейных и грудных симпатических узлов. При этом металлический электрод размером 6 X 8 см помещается на область, расположенную между VI шейным и II грудным позвонком. Второй электрод несколько большей величины (8 X 14 см) помещается на подложечную область. Сила тока дается в 2—3 А, продолжительность сеанса до 20 минут. Всего проводится 15—20 сеансов. Такая сегментарная диатермия с успехом применяется при гипергидрозе стоп и ладоней, при атрофиях кожи, при склеродермии и т. д.

В дерматологической практике применяют также хирургическую диатермию. Для последней используют электроды с очень маленькой действующей поверхностью, вследствие чего на месте их приложения получается коагулирование тканей.

Применяют три вида хирургической диатермии:

• 1) электрокоагуляцию,
• 2) электротомию (электрическое резание)
• 3) электродиcсекацию.

Наиболее простой является электрокоагуляция. Для дерматологических целей активный электрод прикладывают к участку, который хотят удалить, или электрод в виде иголки вкалывают на желаемую глубину в ткань. При пропускании тока в 0,5—2 А быстро наступает повеление, коагуляция ткани, образуется некроз. Под влиянием защитной повязки в течение 2—3 недель некротизировавшийея участок отпадает и остается розового цвета рубец, который понемногу принимает цвет обычной кожи и выравнивается с поверхностью окружающей кожи. Если разрушаются большие по величине участки ткани, то и в этих случаях рубец в косметическом отношении бывает достаточно хорошим. Однако при заживлении раны необходимо тщательно оберегать ее от каких-либо травм, защищая повязками.

Электрокоагуляция применяется для разрушения ангиом, родимых пятен, бородавок, ксантелазм, татуировок, телеангиэктазий. При гипертрихозе в целях эпиляции применение электрокоагуляции является целесообразнее, чем электролиз, так как она дает эффект в 3—5 секунд. Однако применение электрокоагуляций с целью эпиляции волос требует навыка и опыта со стороны персонала, чтобы не вызвать некроза на поверхности кожи у устья волоса и вместе с этим образования рубца.

Вторым видом использования хирургической диатермии является электротомия. Производится она при помощи так называемого диатермического скальпеля. При этом вокруг разреза ткань коагулируется, что предохраняет организм от появления метастазов или внедрения в ткани микробов. Заживление первичным натяжением при этом происходит редко; обычно заживление происходит вторичным натяжением.

Третьим видом использования хирургической диатермии является диссекация или электродиссекация. При этом проскакивающей искрой достигается полное обугливание подлежащей уничтожению ткани. Получаемый после коагуляции рубец бывает очень хорош в косметическом отношении. Однако и в этих случаях необходимо до заживления оберегать очаг поражения от травм и вторичной инфекции.

Токи высоких и ультравысоких частот
. С лечебной целью применяются токи высокой частоты, а именно от 10000000 до 300000000 и больше периодов в 1 секунду. Такая частота соответствует электромагнитным волнам длиной от 30 до 1 м. Частоты, соответствующие длине волны от 10 до 1 м, называются ультравысокими (УВЧ). Источником тока УВЧ, как принято говорить, генератором ультракоротких волн (УКВ), является аппаратура, в принципе сходная с диатермической.

В качестве электродов применяют различной величины и формы металлические пластинки, покрытые изолирующим веществом (деревом, резиной, стеклом, эбонитом).

Электроды располагаются на некотором расстоянии от поверхности кожи. Чем ближе к кожной поверхности находится электрод, тем поверхностнее эффект действия УВЧ. Так, при необходимости воздействовать на кожу (импетиго, фолликулиты, фурункулы, акне, небольшие абсцессы и т. п.) электронная пластинка ставится совсем близко к пораженному участку кожи.

Продолжительность сеанса при местных воспалительных и нагаои-тельных процессах бывает около 5—10 минут. При волне в 12 м, применяя пятиминутные сеансы, получают очень хорошие результаты при лечении невродермитов, экземы, токсических заболеваний кожи. Сеансы производятся ежедневно.

Для установления возникновения электрического поля между электродами вносят в электрическое поле неоновую лампочку, прилагаемую к аппарату. При правильной работе аппарата неоновая лампочка начинает светиться.

Погрузите палку в пруд. Уровень воды должен повыситься. Но это повышение настолько ничтожно, что обнаружить его трудно. А если попеременно погружать палку в воду и вытаскивать ее, то по воде побегут волны. Они заметны на значительном расстоянии от места возникновения. Такое механическое движение воды можно сравнить с электромагнитными явлениями. Вокруг проводника с постоянным током возникает постоянное электромагнитное поле. Обнаружить его вдали от токонесущего проводника трудно.

Но если по проводнику пропускать переменный электрический ток, то и электромагнитные силы вокруг проводника будут все время меняться, т. е. электромагнитное поле вокруг него будет волноваться. От проводника с переменным током бегут электромагнитные волны.

Расстояние между двумя ближайшими гребнями волн на пруду — это длина волны. Ее обозначают греческой буквой λ
(ламбда). Время, за которое какой-либо участок волнующейся поверхности воды поднимается, опускается и вновь возвращается к своему начальному положению — это период колебания — Т
. Обратную величину называют частотой колебаний и обозначают буквой f
. Частоту колебаний измеряют в периодах в секунду. Единица измерения частоты колебаний, соответствующая одному периоду в секунду, названа герц (гц) — в честь Генриха Рудольфа Герца (1857 — 1894), знаменитого исследователя колебаний и волн (1 тыс. герц=1 килогерц, 1 млн. герц= 1 мегагерц).

Скорость волн (с
) — то расстояние, на которое волны распространяются за одну секунду. За время одного периода Т волновое движение успевает распространиться как раз на длину одной волны X. Для волнового движения справедливы следующие соотношения:

с Т = λ; с / f = λ

Эти соотношения между частотой колебаний, длиной волны и скоростью движения волн верны не только для волн на воде, но и для любых колебаний и волн.

Необходимо сразу же подчеркнуть одно свойство электромагнитных колебаний. Когда они распространяются в пустом пространстве, то, какова бы ни была их частота, какова бы ни была длина волны, скорость их распространения всегда одна и та же -300 тыс. км/сек. Видимый свет — это один из видов электромагнитных колебаний (с длиной волны от 0,4 до 0,7 миллимикрона и частотой 10 14 — 10 15 гц). Скорость распространения электромагнитных волн — это скорость света (3 10 10 см/сек).

В воздухе и в других газах скорость распространения электромагнитных колебаний лишь немного меньше, чем в пустоте. А в различных жидких и твердых средах она может быть в несколько раз меньше, чем в пустоте; кроме того, здесь она зависит от частоты колебаний.

Излучение и излучатели

Мы живем в мире электромагнитных колебаний. И солнечный свет, и загадочные потоки космических лучей, падающих на Землю из межзвездных пространств, и тепло, испускаемое жарко натопленной печью, и электрический ток, циркулирующий в силовых сетях, — все это электромагнитные колебания. Все они распространяются в виде волн, в виде лучей.

Всякий предмет, всякое тело, порождающее волны, называют излучателем. Палка, которой болтают в пруду, — это излучатель водяных волн. Вода оказывает сопротивление ее движению. Чтобы двигать палку, надо затрачивать мощность. Эта передаваемая воде мощность численно равна произведению квадрата скорости движения палки на сопротивление движению. Частично эта мощность превращается в тепло — идет на нагревание воды, а частично идет на образование волн.

Можно сказать, что полное сопротивление, испытываемое палкой, — это сумма двух сопротивлений: одно из них — сопротивление теплообразования, а другое — сопротивление волнообразования — сопротивление излучения, как его принято называть.

Такие же закономерности и у электромагнитных явлений. Мощность, которую расходует в проводнике электрический ток, равна произведению сопротивления проводника на квадрат тока в нем. Если взять ток в амперах, а сопротивление в омах, то мощность получится в ваттах.

В электрическом сопротивлении любого проводника (как и в механическом сопротивлении воды движению палки) можно различить две составляющие: сопротивление теплообразования — омическое сопротивление и сопротивление излучения — сопротивление, вызванное образованием вокруг проводника электромагнитных волн, уносящих с собой энергию.

Возьмем, например, электрическую нагревательную плитку, для которой омическое сопротивление равно 20 ом, а ток — 5 а. Мощность, превращаемая в этой плитке в тепло, будет равна 500 вт (0,5 кВт). Чтобы вычислить мощность волн, бегущих от излучателя, надо помножить квадрат тока в проводнике на сопротивление излучения этого проводника.

Сопротивление излучения находится в сложной зависимости от формы проводника, от его размеров, от длины излучаемой электромагнитной волны. Но для одиночного прямолинейного проводника, во всех точках которого идет ток одного и того же направления и одинаковой силы, сопротивление излучения (в омах) выражается относительно простой формулой:

R изл =3200(l/λ) 2

Здесь l
— длина проводника, а λ
— длина электромагнитной волны (эта формула справедлива при l
значительно меньших, чем λ
).

При ориентировочных прикидках эту формулу можно применять для любых электротехнических конструкций, любых машин и аппаратов, например для нагревательной плитки, в которой провод не прямолинеен, а свернут в спираль, уложенную зигзагом. Но в качестве l
в формулу сопротивления излучения надо подставлять не полную длину проводника, а один из приведенных размеров рассматриваемой конструкции. Для нагревательной плитки l
приблизительно равно поперечнику плитки.

На центральных электростанциях вырабатывается переменный ток с частотой 50 гц. Этому току соответствует электромагнитная волна длиной в 6 тыс. км. Не только электрическая плитка, но и самые крупные электрические машины и аппараты и даже дальние линии электропередачи имеют размеры l
во много раз меньшие, нежели длина этой электромагнитной волны. Сопротивление излучения самых крупных электрических машин и аппаратов для тока с частотой 50 гц измеряется ничтожными долями ома. Даже при токах в тысячи ампер излучаются мощности меньше одного ватта.

Поэтому в практике при применении промышленного тока с частотой 50 гц не приходится учитывать его волновые свойства. Энергия этого тока крепко «привязана» к проводам. Для подключения потребителя (ламп, печей, двигателей и т. д.) необходим непосредственный контакт с токонесущими проводами.

С повышением частоты тока длина электромагнитной волны уменьшается. Например, для тока с частотой 50 Мгц она равна 3 м. При такой волне даже проводник небольших размеров может иметь значительное сопротивление излучения и при относительно небольших токах излучать значительные количества энергии.

По уточненным расчетам проводник длиной в полволны (l=λ/2)
имеет сопротивление излучения R изл.
около 73 ом. При токе, скажем, 10 а излучаемая мощность будет 7,3 кВт. Проводник, способный излучать электромагнитную энергию, называют антенной. Этот термин был заимствован электриками в конце прошлого века из энтомологии, — антенной называется усик-щупальце у насекомых.

У истоков радиотехники

Электромагнитные колебания, совершающиеся с частотой в миллион миллиардов герц, наше зрение ощущает как свет. В тысячу раз более медленные колебания могут ощущаться кожей как тепловые лучи.

Электромагнитные колебания, частота которых находится в пределах от нескольких килогерц до тысяч мегагерц, не воспринимаются органами чувств, но они имеют большое значение в нашей жизни. Эти колебания способны распространяться, как и свет и тепло, в виде лучей. По-латыни слово «луч» — «радиус». От этого корня и образовано слово «радиоволны». Это колебания, порождаемые токами высокой частоты. Основное, важнейшее их применение — беспроволочная телеграфная и телефонная связь. Впервые в мире беспроволочную передачу сигналов радиоволнами практически осуществил русский ученый Александр Степанович Попов. 7 мая (25 апреля) 1895 г. на заседании физического отделения Русского физико-химического общества он продемонстрировал прием радиоволн.

В наше время с помощью радио можно установить беспроволочную связь между любыми точками земного шара. Возникли новые отрасли высокочастотной техники — радиолокация, телевидение. Радиотехника стала применяться в различных отраслях промышленности.

Обзор высокочастотной техники правильно начинать с методов получения переменных токов высокой частоты.

Самый старый и наиболее простой способ получения высокочастотных электромагнитных колебаний — это разряд конденсатора через искру. Первые радиопередатчики А. С. Попова имели искровые генераторы с такими простейшими разрядниками в виде двух шаров, разделенных воздушным промежутком.

В начале нашего столетия появились усовершенствованные искровые разрядники, которые давали высокочастотные колебания мощностью до 100 кВт. Но в них были велики потери энергии. В настоящее время есть более совершенные источники токов высокой частоты (ТВЧ).

Для получения токов с частотой до нескольких килогерц обычно применяют машинные генераторы. Такой генератор состоит из двух основных частей — неподвижного статора и вращающегося ротора. Обращенные друг к ДРУГУ поверхности ротора и статора зубчатые. При вращении ротора взаимное перемещение этих зубцов вызывает пульсацию магнитного потока. В рабочей обмотке генератора, уложенной на статоре, возникает переменная электродвижущая сила (э.д.с.). Частота тока равна произведению числа зубцов ротора на число его оборотов в секунду. Например, при 50 зубцах на роторе и скорости его вращения в 50 об/сек получается ток-частотой 2500 гц.

В настоящее время выпускаются машинные генераторы ТВЧ мощностью до нескольких сотен киловатт. Они дают частоты от нескольких сотен герц до 10 кгц.

Один из наиболее распространенных современных способов получения ТВЧ — это применение колебательных контуров, соединенных с электрическими управляемыми вентилями.

Никола Тесла. Первая отечественная биография Ржонсницкий Борис Николаевич

Глава шестая

Токи высокой частоты. Резонанс-трансформатор. Безопасен ли электрический ток? Лекция Теслы о токах высокой частоты

По утверждению Теслы, год, проведенный им в Питсбурге, был потерян для исследовательских работ в области многофазных токов. Возможно, что это утверждение близко к истине, но возможно и то, что именно этот год стал началом дальнейших творческих успехов изобретателя. Дискуссия с инженерами завода Вестингауза не прошла бесследно. Обоснование предложенной им частоты переменного тока в 60 периодов требовало более тщательного анализа экономической эффективности применения как меньших, так и более высоких частот. Научная добросовестность Теслы не позволяла ему оставить этот вопрос без тщательной проверки.

Возвратившись в 1889 году из Европы, он принялся за конструирование генератора переменного тока большой частоты и вскоре создал машину, статор которой состоял из 348 магнитных полюсов. Этот генератор давал возможность получать переменный ток с частотой в 10 тысяч периодов в секунду. Вскоре ему удалось создать и еще более высокочастотный генератор и начать изучение различных явлений при частоте 20 тысяч периодов в секунду.

Исследования показали, что по мере увеличения частоты переменного тока можно значительно уменьшить объем железа в электромагнитных электродвигателях, а начиная с определенной частоты, можно создавать электромагниты, состоящие из одних только обмоток, вообще без железа в катушках. Двигатели, созданные из таких электромагнитов без железа, были бы чрезвычайно легкими, но во многих других отношениях неэкономичны, и уменьшение затрат металла не окупалось бы из-за значительного увеличения потребления электроэнергии.

Исследуя широкий диапазон частот переменного тока первоначально в пределах, которые могли бы быть применены в многофазной системе (25-200 периодов в секунду), Тесла вскоре перешел к изучению свойств и возможностей практического использования токов повышенных (10–20 тысяч периодов в секунду) и высоких (20-100 тысяч периодов в секунду) частот. Для получения значительно большего числа периодов и значительно более высоких напряжений, чем это могло быть достигнуто созданными им генераторами токов высокой частоты, необходимо было найти и опереться на иные принципы.

Хорошо знакомый с мировой литературой по электрофизике и электротехнике, Тесла изучил работу знаменитого американского физика Джозефа Генри, высказавшего еще в 1842 году предположение, что при некоторых электрических разрядах (в том числе и разряде лейденской банки) имеются не только «главные разряды», но и встречные, причем каждый последующий несколько слабее предыдущего. Так было впервые замечено существование затухающего двухстороннего электрического разряда.

Тесла знал и о том, что спустя одиннадцать лет после Генри английский физик лорд Кельвин экспериментально доказал, что электрический разряд конденсатора есть процесс двухсторонний, продолжающийся до тех пор, пока энергия его не будет израсходована на преодоление сопротивления среды. Частота этого двухстороннего процесса достигает 100 миллионов колебаний в секунду. Искра между шариками разрядника, кажущаяся однородной, в действительности состоит из нескольких миллионов искр, проходящих в короткий промежуток времени в обе стороны.

Кельвин дал математическое выражение процесса двухстороннего разряда конденсатора. Позднее Феддерсон, Шиллер, Кирхгоф, Гельмгольц и другие исследователи не только проверили правильность этого математического выражения, но и значительно дополнили теорию электрического разряда.

Знаком был Тесла и с работами Антона Обербанка, наблюдавшего явление электрического резонанса, то есть процесс резкого возрастания амплитуды (размаха) колебаний при приближении частоты внешнего колебания к частоте собственных внутренних колебаний системы.

Хорошо известны были ему и опыты Герца и Лоджа, занимавшихся изучением электромагнитных волн. Особенно большое впечатление на Теслу произвели эксперименты Генриха Герца, подтвердившие теоретические предположения Джеймса К. Максвелла о волновой природе электромагнитных явлений. Надо заметить, что в работах Герца Тесла впервые нашел указание на явление так называемых «стоячих электромагнитных волн», то есть волн, накладывающихся одна на другую так, что они в одних местах усиливают друг друга, создавая «пучности», а в других уменьшают до нуля, создавая «узлы».

Зная все это, Никола Тесла в 1891 году закончил конструирование прибора, сыгравшего исключительную роль в дальнейшем развитии самых различных отраслей электротехники и особенно радиотехники. Для создания токов высокой частоты и высокого напряжения он решил воспользоваться известным свойством резонанса, то есть явлением резкого возрастания амплитуды собственных колебаний какой-либо системы (механической или электрической) при наложении на них внешних колебаний с той же частотой. На основании этого известного явления Тесла создал свой резонанс-трансформатор.

Действие резонанс-трансформатора основано на настройке в резонанс его первичного и вторичного контуров. Первичный контур, содержащий как конденсатор, так и индукционную катушку, позволяет получить переменные токи весьма высокого напряжения с частотами в несколько миллионов периодов в секунду. Искра между шариками разрядника вызывает быстрые изменения магнитного поля вокруг первичной катушки вибратора. Эти изменения магнитного поля вызывают возникновение соответствующего высокого напряжения в обмотке вторичной катушки, состоящей из большого числа витков тонкой проволоки, причем частота переменного тока в ней соответственно количеству искровых разрядов достигает нескольких миллионов перемен в секунду.

Наибольшей величины частота достигает в момент, когда периоды первичной и вторичной цепи совпадают, то есть когда наблюдается явление резонанса в этих цепях.

Тесла разработал очень простые методы автоматической зарядки конденсатора от источника тока низкого напряжения и разрядки его через трансформатор с воздушным сердечником. Теоретические расчеты изобретателя показали, что даже при самых незначительных величинах емкости и индукции в созданном им резонанс-трансформаторе при соответствующей настройке можно получить путем резонанса весьма высокие напряжения и частоты.

Открытые им в 1890 году принципы электрической настройки резонанс-трансформатора и возможность изменять емкость для изменения длины волны электромагнитных колебаний, создаваемых трансформатором, стали одним из наиболее важных оснований современной радиотехники, а мысли Теслы об огромной роли конденсатора и вообще емкости и самоиндукции в развитии электротехники оправдались.

Резонанс-трансформатор Теслы: Е — батарея или другой источник тока. J — индукционная катушка. ВВ — искровой разрядник. СС — батарея лейденских банок. L1 — первичная катушка трансформатора. L2 — вторичная катушка трансформатора. К — механический прерыватель. На нижнем рисунке катушки L1 и L2 погружены в масло.

При создании резонанс-трансформатора пришлось решить еще одну практическую задачу: найти изоляцию для катушек сверхвысокого напряжения. Тесла занялся вопросами теории пробоя изоляции и на основании этой теории нашел лучший способ изолировать витки катушек — погружать их в парафиновое, льняное или минеральное масло, называемое теперь трансформаторным. Позднее Тесла еще раз возвратился к разработке вопросов электрической изоляции и сделал весьма важные выводы из своей теории.

Едва начав опыты с токами высокой частоты, Никола Тесла ясно представил себе огромные перспективы, открывавшиеся перед человечеством при широком использовании токов высокой частоты. Было бы значительным преувеличением утверждать, что уже тогда он видел все частные случаи их применения в том виде, в каком это имеет место в настоящее время, но само направление работ Теслы свидетельствует о необычайно разносторонних выводах, которые он сделал из своего открытия.

Прежде всего он пришел к убеждению, что электромагнитные волны играют исключительно важную роль в большинстве явлений природы. Взаимодействуя друг с другом, они либо усиливаются, либо ослабляются, либо вызывают новые явления, происхождение которых мы иногда приписываем совершенно другим причинам. Но не только электромагнитные излучения играют огромную роль в самых различных явлениях природы. Тесла интуицией большого ученого понял значение различных излучений еще до замечательных открытий радиоактивных элементов. Когда позднее, в 1896 году, Анри Беккерель, а затем Пьер и Мария Кюри открыли это явление, Тесла нашел в этом подтверждение своих предвидений, высказанных им еще в 1890 году.

Огромное значение переменных токов в развитии промышленности, получившей наконец необходимый ей электродвигатель, стало ясно Николе Тесле при первом же знакомстве с преимуществами трехфазного тока, требующего для его передачи всего лишь три провода. Для Теслы уже в то время было несомненно, что должен быть открыт способ передачи электроэнергии и вовсе без проводов, с помощью электромагнитных волн. Эта проблема привлекла внимание Теслы, стала предметом его занятий еще в конце 1889 года.

Однако практическое применение токов высокой частоты для самых разнообразных целей требовало изучения на первый взгляд самых различных, не связанных между собой вопросов. Эти-то эксперименты в широком масштабе и начал проводить в своей лаборатории Никола Тесла.

Начав систематические опыты с токами высокой частоты и высокого напряжения, Тесла должен был прежде всего разработать меры защиты от опасности поражения электрическим током. Эта частная, вспомогательная, но весьма важная задача привела его к открытиям, заложившим основу электротерапии — обширной области современной медицины.

Ход мыслей Николы Теслы был чрезвычайно оригинален. Известно, рассуждал он, что постоянный ток низкого напряжения (до 36 вольт) не оказывает вредных действий на человека. По мере повышения напряжения возможность поражения быстро возрастает. С увеличением напряжения, поскольку сопротивление тела человека практически неизменно, сила тока также увеличивается и достигает при 120 вольтах угрожающей величины. Более высокое напряжение становится опасным для здоровья и жизни людей.

Иное дело ток переменный. Для него предел опасного напряжения значительно выше, чем для постоянного, и этот предел отодвигается с повышением частоты. Известно, что электромагнитные волны очень высокой частоты не оказывают никакого болезненного действия на человека. Пример тому свет, воспринимаемый при нормальной яркости здоровым глазом без всяких болезненных ощущений. В пределах каких же частот и напряжений переменный ток опасен? Где начинается зона безопасного тока?

Шаг за шагом исследовал Тесла действие переменного электрического тока на человека при разных частотах и напряжениях. Опыты он проводил на самом себе. Сначала через пальцы одной руки, затем через обе руки, наконец, через все тело пропускал он токи высокого напряжения и высокой частоты. Исследования показали, что действие электрического тока на человеческий организм складывается из двух составляющих: воздействия тока на ткани и клетки нагревом и непосредственного воздействия тока на нервные клетки.

Оказалось, что нагревание далеко не всегда вызывает разрушительные и болезненные последствия, а воздействие тока на нервные клетки прекращается при частоте свыше 700 периодов, аналогично тому, как слух человека не реагирует на колебания свыше 2 тысяч в секунду, а глаз — на колебания за пределами видимых цветов спектра.

Так была установлена безопасность токов высоких частот даже при высоких напряжениях. Более того, тепловые действия этих токов могли быть использованы в медицине, и это открытие Николы Теслы нашло широкое применение; диатермия, лечение УВЧ и другие методы электротерапии есть прямое следствие его исследований. Тесла сам разработал ряд электротермических аппаратов и приборов для медицины, получивших большое распространение как в США, так и в Европе. Его открытие было затем развито другими выдающимися электриками и врачами.

Однажды, занимаясь опытами с токами высокой частоты и доведя напряжение их до 2 миллионов вольт, Тесла случайно приблизил к аппаратуре медный диск, окрашенный черной краской. В то же мгновение густое черное облако окутало диск, и тотчас поднялось вверх, а сам диск заблестел, словно чья-то невидимая рука соскоблила всю краску и отполировала его.

Удивленный Тесла повторил опыт, и снова краска исчезла, а диск сиял, поддразнивая ученого. Повторив десятки раз опыты с разными металлами, Тесла понял, что он открыл способ их очистки токами высокой частоты.

«Любопытно, — подумал он, — а не подействуют ли эти токи и на кожу человека, не удастся ли с их помощью снимать с нее различные, трудно поддающиеся удалению краски».

И этот опыт удался. Кожа руки, окрашенная краской, мгновенно стала чистой, как только Тесла внес ее в поле токов высокой частоты. Оказалось, что этими токами можно удалять с кожи лица мелкую сыпь, очищать поры, убивать микробов, всегда в изобилии покрывающих поверхность тела человека.

Тесла считал, что его лампы оказывают особое благотворное действие не только на сетчатку глаза, но и на всю нервную систему человека. К тому же лампы Теслы вызывают озонирование воздуха, что также может быть использовано в лечении многих болезней. Продолжая заниматься электротерапией, Тесла в 1898 году сделал обстоятельное сообщение о своих работах в этой области на очередном конгрессе Американской электротерапевтической ассоциации в Буффало.

В лаборатории Тесла пропускал через свое тело токи напряжением в 1 миллион вольт при частоте 100 тысяч периодов в секунду (ток достигал при этом величины в 0,8 ампера). Но, оперируя с токами высокой частоты и высокого напряжения, Тесла был очень осторожен и требовал от своих помощников соблюдения всех им самим выработанных правил безопасности. Так, при работе с напряжением в 110-50 тысяч вольт при частоте в 60-200 периодов он приучил их работать одной рукой, чтобы предотвратить возможность протекания тока через сердце. Многие другие правила, впервые установленные Теслой, прочно вошли в современную технику безопасности при работе с высоким напряжением.

Создав разнообразную аппаратуру для производства опытов, Тесла в своей лаборатории начал исследование огромного круга вопросов, относящихся к совершенно новой области науки, в которой его больше всего интересовали возможности практического использования токов высокой частоты и высокого напряжения. Работы его охватывали все многообразие явлений, начиная от вопросов генерирования (создания) токов высокой частоты и кончая детальным изучением различных возможностей их практического использования. С каждым новым открытием возникали все новые и новые проблемы.

Как одна из частных задач Теслу заинтересовала возможность использовать открытие Максвеллом и Герцем электромагнитной природы света. У него возникла мысль: если свет представляет собой электромагнитные колебания с определенной длиной волны, нельзя ли искусственно получить его не путем нагрева нити электрической лампы накаливания (что дает возможность использовать лишь 5 процентов энергии, превращающейся в световой поток), а путем создания таких колебаний, которые вызвали бы появление световых волн? Эта задача и стала предметом исследований в лаборатории Теслы в начале 1890 года.

Вскоре он накопил огромное количество фактов, позволивших перейти к обобщениям. Однако осторожность Теслы заставила его проверять десятки и сотни раз каждое свое утверждение. Он повторял сотни раз каждый опыт, прежде чем делал из него какие-либо выводы.

Необычайность всех открытий Николы Теслы и огромный авторитет его привлекли внимание руководителей Американского института электроинженеров, вновь, как и три года назад, пригласивших Теслу прочесть лекцию о своих работах. Тесла избрал тему: «Опыты с переменными токами весьма высокой частоты и их использование для искусственного освещения».

По традиции, установившейся с первых лет существования института, было разослано ограниченное число приглашений лишь самым выдающимся электротехникам. Перед такой избранной аудиторией 20 мая 1892 года Тесла и прочел одну из своих самых вдохновенных лекций и продемонстрировал опыты, уже осуществленные им в своей лаборатории.

Нет ничего, что в большей степени могло бы привлечь внимание человека и заслужило бы быть предметом изучения, чем природа. Понять ее огромный механизм, открыть ее созидательные силы и познать законы, управляющие ею, — величайшая цель человеческого разума, — этими словами начал Тесла свое выступление.

И вот он уже демонстрирует перед слушателями результаты своих исследований в новой, еще никем не изученной области токов высокой частоты.

Рассеяние электромагнитной энергии в пространстве, окружающем источник токов высокой частоты, позволяет использовать эту энергию для самых различных целей, — убежденно говорит ученый и тут же показывает замечательный опыт. Он выдвигает гениальное положение о возможности передачи электроэнергии без проводов и в доказательство заставляет как обычные лампы накаливания, так и специально им созданные лампы без нитей внутри светиться, внося их в переменное электромагнитное поле высокой частоты. — Освещение лампами подобного рода, — говорит Тесла, — где свет возникает не под действием нагрева нитей протекающим током, а вследствие особых колебаний молекул и атомов газа, будет проще, чем освещение современными лампами накаливания. Освещение будущего, — подчеркивал ученый, — это освещение токами высокой частоты.

Особенно подробно остановился Тесла на описании своего резонанс-трансформатора как источника волн весьма высокой частоты и снова подчеркнул значение разряда конденсатора в создании таких колебаний. Тесла правильно оценил большое будущее этой важнейшей детали современных радиотехнических средств. Он выразил эту мысль следующими словами:

Я думаю, что разряд конденсатора будет в будущем играть важную роль, так как он не только предоставит возможность получать свет более простым способом в том смысле, какой указывает изложенная мною теория, но окажется важным и во многих других отношениях.

Подробно изложив результаты экспериментов с токами высокой частоты, получаемыми с помощью резонанс-трансформатора, Тесла завершил лекцию словами, свидетельствующими о его ясном представлении значения дальнейшего изучения явлений, над которыми его работы едва приоткрыли завесу тайны:

Мы проходим с непостижимой скоростью через бесконечное пространство; все окружающее нас находится в движении, и энергия есть повсюду. Должен найтись более прямой способ утилизировать эту энергию, чем известные в настоящее время. И когда свет получится из окружающей нас среды, и когда таким же образом без усилий будут получаться все формы энергии из своего неисчерпаемого источника, человечество пойдет вперед гигантскими шагами.

Одно созерцание этой великолепной перспективы подымает наш дух, укрепляет нашу надежду и наполняет наши сердца величайшей радостью.

Под бурные аплодисменты Тесла закончил свое замечательное выступление. Необычайность всего показанного и особенно смелые выводы ученого, видевшего революционные последствия своих открытий, поразили слушателей, хотя далеко не все поняли содержание лекции так глубоко, как того хотелось бы Николе Тесле.

Из книги
Хронолого-эзотерический анализ развития современной цивилизации. Книга 4. За семью печатями
автора

Сидоров Георгий Алексеевич

Из книги
Сияние Вышних Богов и крамешники
автора

Сидоров Георгий Алексеевич

Глава 11.
Частоты коллективного сознания
Ты видишь, какая стоит погода. Скоро подкатит к шестидесяти восьми, а снега мало. Если бы не печь, то углы нашего скита, — показал старик на стены избушки, — давно бы побелели. Дед Мороз совсем рассвирепел. Обычно морозяка долго не

Из книги
Математическая хронология библейских событий
автора

Носовский Глеб Владимирович

1. Частоты упоминания собственных имён в Библии
В Библии содержится несколько десятков тысяч упоминаний имён. Известно, что в Библии есть две серии дубликатов: каждое поколение, описанное в книгах 1 Царств, 2 Царств, 3 Царств, 4 Царств, затем повторно описано в книгах 1

Из книги
От Скифии до Индии [Древние арии: мифы и история]
автора

Бонгард-Левин Григорий Максимович

ВЕРШИНЫ ВЫСОКОЙ ХАРЫ
До самого неба возвышается Хара; вокруг ее вершины совершают движение солнце, луна и звезды. «Взойди, взойди, быстроконное солнце, над Высокой Харой, даруй свой свет земному миру… взойди, взойди, месяц, над Высокой Харой, даруй свой свет земному миру…

Из книги
Московские загадки
автора

Молева Нина Михайловна

Гнездо поэзии высокой
«Это истинный ваш род; наконец вы нашли это» – слова нового знакомца звучали приговором и надеждой. Слова известного поэта и баснописца о первом опыте не слишком удачливого собрата по перу: Ивана Ивановича Дмитриева о двух первых баснях Крылова.

автора

Фредди

XIX. По миру Высокой моды
Я достаточно много говорила о торжественных премьерах, которыми отмечается дебют коллекций, чтобы специально к ним не возвращаться. Только представьте, у нас проходит почти сотня спектаклей в год. Все дефиле похожи одно на другое. Почти везде

Из книги
Тайны парижских манекенщиц [сборник]
автора

Фредди

Фредди
За кулисами парижской Высокой моды
Воспоминания манекенщицы-звезды, записанные Жаном

Из книги
Троя
автора

Шлиман Генрих

Примечание XV
Избиение троянцев Патроклом между кораблями, рекой и высокой стеной приморского лагеря
Среди множества доводов, приведенных в «Илионе» на с. 149–150, чтобы доказать, что Гомер представлял себе греческий лагерь слева, или на западной стороне Скамандра, а не на

Из книги
Бдительность – наше оружие
автора

Коллектив авторов

«Правда», 31 января 1953 года, передовая статья.
ВОСПИТЫВАТЬ ТРУДЯЩИХСЯ В ДУХЕ высокой ПОЛИТИЧЕСКОЙ БДИТЕЛЬНОСТИ
Советский народ, руководимый партией Ленина – Сталина, добивается всё новых и новых успехов в коммунистическом строительстве.XIX съезд партии подвёл итоги

Из книги
Трактат о вдохновенье, рождающем великие изобретения
автора

Орлов Владимир Иванович

Из книги
Разум и цивилизация [Мерцание в темноте]
автора

Буровский Андрей Михайлович

Следы высокой цивилизации?
Не буду даже отрицать возможности посещения Земли инопланетянами – оно более чем вероятно. Но Ворота Солнца и Тиауанако в целом никак не годятся на роль «города инопланетян». Концы с концами не сходятся.А вот что-то невероятно древнее в

автора

Глава восемнадцатая
Торжества на родине. Несчастный случай и его последствия. Болезнь Теслы. Вторая мировая война. Отпор фашизму — дело всех славян. Первая гвардейская имени Теслы
10 июля 1936 года Николе Тесле исполнилось восемьдесят лет. Этот юбилей был торжественно

Из книги
Никола Тесла. Первая отечественная биография
автора

Ржонсницкий Борис Николаевич

автора

Петракова Анна Евгеньевна

Тема 12 Скульптура Древней Греции эпохи высокой классики
Периодизация Искусства Древней Греции (гомеровский, архаика, классика, эллинизм), краткая характеристика каждого периода и его места в истории искусства Древней Греции. Разделение классики на раннюю, высокую и

Из книги
Искусство Древней Греции и Рима: учебно-методическое пособие
автора

Петракова Анна Евгеньевна

Тема 15 Архитектура высокой (вне Афин) и поздней (вне Афин и в Афинах) классики в Древней Греции
Периодизация Искусства Древней Греции (гомеровский, архаика, классика, эллинизм), краткая характеристика каждого периода и его места в истории искусства Древней Греции.

Из книги
Предыстория под знаком вопроса (ЛП)
автора

Габович Евгений Яковлевич

Гимн высокой культуре предысторического общества
Предрассудок! Он обломок
древней правды. Храм упал;
а руин его, потомок
языка не разгадал
Баратынский
Наряду с анализом сохранившихся древних языков существует еще и другой путь познания умственного мира человека

Воздействие токов высокой частоты и индукционного нагрева на здоровье.

14 октября 2013

По утверждению Теслы, год, проведенный им в Питсбурге, был потерян для исследовательских работ в области многофазных токов. Возможно, что это утверждение близко к истине, но возможно и то, что именно этот год стал началом дальнейших творческих успехов изобретателя. Дискуссия с инженерами завода Вестингауза не прошла бесследно. Обоснование предложенной им частоты переменного тока в 60 периодов требовало более тщательного анализа экономической эффективности применения как меньших, так и более высоких частот. Научная добросовестность Теслы не позволяла ему оставить этот вопрос без тщательной проверки.

Возвратившись в 1889 году из Европы, он принялся за конструирование генератора переменного тока большой частоты и вскоре создал машину, статор которой состоял из 348 магнитных полюсов. Этот генератор давал возможность получать переменный ток с частотой в 10 тысяч периодов в секунду (10 кГц). Вскоре ему удалось создать и еще более высокочастотный генератор и начать изучение различных явлений при частоте 20 тысяч периодов в секунду.

Исследования показали, что по мере увеличения частоты переменного тока можно значительно уменьшить объем железа в электромагнитных электродвигателях, а начиная с определенной частоты, можно создавать электромагниты, состоящие из одних только обмоток, вообще без железа в катушках. Двигатели, созданные из таких электромагнитов без железа, были бы чрезвычайно легкими, но во многих других отношениях неэкономичны, и уменьшение затрат металла не окупалось бы из-за значительного увеличения потребления электроэнергии.

Исследуя широкий диапазон частот переменного тока первоначально в пределах, которые могли бы быть применены в многофазной системе (25-200 периодов в секунду), Тесла вскоре перешел к изучению свойств и возможностей практического использования токов повышенных (10-20 тысяч периодов в секунду) и высоких (20-100 тысяч периодов в секунду) частот. Для получения значительно большего числа периодов и значительно более высоких напряжений, чем это могло быть достигнуто созданными им генераторами токов высокой частоты, необходимо было найти и опереться на иные принципы. Хорошо знакомый с мировой литературой по электрофизике и электротехнике, Тесла изучил работу знаменитого американского физика Джозефа Генри, высказавшего еще в 1842 году предположение, что при некоторых электрических разрядах (в том числе и разряде лейденской банки) имеются не только «главные разряды», но и встречные, причем каждый последующий несколько слабее предыдущего. Так было впервые замечено существование затухающего двухстороннего электрического разряда.

Тесла знал и о том, что спустя одиннадцать лет после Генри английский физик лорд Кельвин экспериментально доказал, что электрический разряд конденсатора есть процесс двухсторонний, продолжающийся до тех пор, пока энергия его не будет израсходована на преодоление сопротивления среды. Частота этого двухстороннего процесса достигает 100 миллионов колебаний в секунду. Искра между шариками разрядника, кажущаяся однородной, в действительности состоит из нескольких миллионов искр, проходящих в короткий промежуток времени в обе стороны.

Кельвин дал математическое выражение процесса двухстороннего разряда конденсатора. Позднее Феддерсон, Шиллер, Кирхгоф, Гельмгольц и другие исследователи не только проверили правильность этого математического выражения, но и значительно дополнили теорию электрического разряда. Знаком был Тесла и с работами Антона Обербанка, наблюдавшего явление электрического резонанса, то есть процесс резкого возрастания амплитуды (размаха) колебаний при приближении частоты внешнего колебания к частоте собственные внутренних колебаний системы.

Хорошо известны были ему и опыты Герца и Лоджа, занимавшихся изучением электромагнитных волн. Особенно большое впечатление на Теслу произвели эксперименты Генриха Герца, подтвердившие теоретические предположения Джемса К. Максвелла о волновой природе электромагнитных явлений. Надо заметить, что в работах Герца Тесла впервые нашел указание на явление так называемых «стоячих электромагнитных волн», то есть волн, накладывающихся одна на другую так, что они в одних местах усиливают друг друга, создавая «пучности», а в других уменьшают до нуля, создавая «узлы».

Зная все это, Никола Тесла в 1891 году закончил конструирование прибора, сыгравшего исключительную роль в дальнейшем развитии самых различных отраслей электротехники и особенно радиотехники. Для создания токов высокой частоты и высокого напряжения он решил воспользоваться известным свойством резонанса, то есть явлением резкого возрастания амплитуды собственных колебаний какой-либо системы (механической или электрической) при наложении на них внешних колебаний с той же частотой. На основании этого известного явления Тесла создал свой резонансный трансформатор.

Действие резонансного трансформатора основано на настройке в резонанс его первичного и вторичного контуров. Первичный контур, содержащий как конденсатор, так и индукционную катушку, позволяет получить переменные токи весьма высокого напряжения с частотами в несколько миллионов периодов в секунду. Искра между шариками разрядника вызывает быстрые изменения магнитного поля вокруг первичной катушки вибратора. Эти изменения магнитного поля вызывают возникновение соответствующего высокого напряжения в обмотке вторичной катушки, состоящей из большого числа витков тонкой проволоки, причем частота переменного тока в ней соответственно количеству искровых разрядов достигает нескольких миллионов перемен в секунду.

Наибольшей величины частота достигает в момент, когда периоды первичной и вторичной цепи совпадают, то есть когда наблюдается явление резонанса в этих цепях.

Тесла разработал очень простые методы автоматической зарядки конденсатора от источника тока низкого напряжения и разрядки его через трансформатор с воздушным сердечником. Теоретические расчеты изобретателя показали, что даже при самых незначительных величинах емкости и индукции в созданном им резонансном трансформаторе при соответствующей настройке можно получить путем резонанса весьма высокие напряжения и частоты.

Открытые им в 1890 году принципы электрической настройки резонансного трансформатора и возможность изменять емкость для изменения длины волны электромагнитных колебаний, создаваемых трансформатором, стали одним из наиболее важных оснований радиотехники, а мысли Теслы об огромной роли конденсатора и вообще емкости и самоиндукции в развитии электротехники оправдались.

При создании резонансного трансформатора пришлось решить еще одну практическую задачу: найти изоляцию для катушек сверхвысокого напряжения. Тесла занялся вопросами теории пробоя изоляции и на основании этой теории нашел лучший способ изолировать витки катушек — погружать их в парафиновое, льняное или минеральное масло, называемое теперь трансформаторным. Позднее Тесла еще раз возвратился к разработке вопросов электрической изоляции и сделал весьма важные выводы из своей теории.

Едва начав опыты с токами высокой частоты, Никола Тесла ясно представил себе огромные перспективы, открывавшиеся перед человечеством при широком использовании токов высокой частоты. Направление работ Теслы свидетельствует о необычайно разносторонних выводах, которые он сделал из своего открытия.

Прежде всего, он пришел к убеждению, что электромагнитные волны играют исключительно важную роль в большинстве явлений природы. Взаимодействуя друг с другом, они либо усиливаются, либо ослабляются, либо вызывают новые явления, происхождение которых мы иногда приписываем совершенно другим причинам. Но не только электромагнитные излучения играют огромную роль в самых различных явлениях природы. Тесла интуицией большого ученого понял значение различных излучений еще до замечательных открытий радиоактивных элементов. Когда позднее, в 1896 году, Анри Беккерель, а затем Пьер и Мария Кюри открыли это явление, Тесла нашел в этом подтверждение своих предвидений, высказанных им еще в 1890 году.

Огромное значение переменных токов в развитии промышленности, получившей, наконец, необходимый ей электродвигатель, стало ясно Николе Тесле при первом же знакомстве с преимуществами трехфазного тока, требующего для его передачи всего лишь три провода. Для Теслы уже в то время было несомненно, что должен быть открыт способ передачи электроэнергии и вовсе без проводов, с помощью электромагнитных волн. Эта проблема привлекла внимание Теслы, стала предметом его занятий еще в конце 1889 года.

Однако практическое применение токов высокой частоты для самых разнообразных целей требовало изучения на первый взгляд самых различных, не связанных между собой вопросов. Эти-то эксперименты в широком масштабе и начал проводить в своей лаборатории Никола Тесла.

Начав систематические опыты с токами высокой частоты и высокого напряжения, Тесла должен был прежде всего разработать меры защиты от опасности поражения электрическим током. Эта частная, вспомогательная, но весьма важная задача привела его к открытиям, заложившим основу электротерапии — обширной области современной медицины.

Ход мыслей Николы Теслы был чрезвычайно оригинален. Известно, рассуждал он, что постоянный ток низкого напряжения (до 36 вольт) не оказывает вредных действий на человека. По мере повышения напряжения возможность поражения быстро возрастает.

С увеличением напряжения, поскольку сопротивление тела человека практически неизменно, сила тока так же увеличивается и достигает при 120 вольтах угрожающей величины. Более высокое напряжение становится опасным для здоровья и жизни людей.

Иное дело ток переменный. Для него предел опасного напряжения значительно выше, чем для постоянного, и этот предел отодвигается с повышением частоты. Известно, что электромагнитные волны очень высокой частоты не оказывают никакого болезненного действия на человека10. Пример тому свет, воспринимаемый при нормальной яркости здоровым глазом без всяких болезненных ощущений. В пределах каких же частот и напряжений переменный ток опасен? Где начинается зона безопасного тока?

Шаг за шагом исследовал Тесла действие переменного электрического тока на человека при разных частотах и напряжениях. Опыты он проводил на самом себе. Сначала через пальцы одной руки, затем через обе руки, наконец, через все тело пропускал он токи высокого напряжения и высокой частоты. Исследования показали, что действие электрического тока на человеческий организм складывается из двух составляющих: воздействия тока на ткани и клетки нагревом и непосредственного воздействия тока на нервные клетки.

Оказалось, что нагревание далеко не всегда вызывает разрушительные и болезненные последствия, а воздействие тока на нервные клетки прекращается при частоте свыше 700 периодов, аналогично тому, как слух человека не реагирует на колебания свыше 2 тысяч в секунду, а глаз — на колебания за пределами видимых цветов спектра.

Так была установлена безопасность токов высоких частот даже при высоких напряжениях. Более того, тепловые действия этих токов могли быть использованы в медицине, и это открытие Николы Теслы нашло широкое применение; диатермия, лечение УВЧ и другие методы электротерапии есть прямое следствие его исследований. Тесла сам разработал ряд электротермических аппаратов и приборов для медицины, получивших большое распространение как в США, так и в Европе. Его открытие было затем развито другими выдающимися электриками и врачами.

Однажды, занимаясь опытами с токами высокой частоты и доведя напряжение их до 2 миллионов вольт, Тесла случайно приблизил к аппаратуре медный диск, окрашенный черной краской. В то же мгновение густое черное облако окутало диск и тотчас поднялось вверх, а сам диск заблестел, словно чья-то невидимая рука соскоблила всю краску и отполировала его.

Удивленный Тесла повторил опыт, и снова краска исчезла, а диск сиял, поддразнивая ученого. Повторив десятки раз опыты с разными металлами, Тесла понял, что он открыл способ их очистки токами высокой частоты.

«Любопытно, — подумал он, — а не подействуют ли эти токи и на кожу человека, не удастся ли с их помощью снимать с нее различные, трудно поддающиеся удалению краски».

И этот опыт удался. Кожа руки, окрашенная краской, мгновенно стала чистой, как только Тесла внес ее в поле токов высокой частоты. Оказалось, что этими токами можно удалять с кожи лица мелкую сыпь, очищать поры, убивать микробы, всегда в изобилии покрывающие поверхность тела человека. Тесла считал, что его лампы оказывают особое благотворное действие не только на сетчатку глаза, но и на всю нервную систему человека. К тому же лампы Теслы вызывают озонирование воздуха, что также может быть использовано в лечении многих болезней. Продолжая заниматься электротерапией, Тесла в 1898 году сделал обстоятельное сообщение о своих работах в этой области на очередном конгрессе Американской электротерапевтической ассоциации в Буффало.

В лаборатории Тесла пропускал через свое тело токи напряжением в 1 миллион вольт при частоте 100 тысяч периодов в секунду (ток достигал при этом величины в 0,8 ампера). Но, оперируя с токами высокой частоты и высокого напряжения, Тесла был очень осторожен и требовал от своих помощников соблюдения всех им самим выработанных правил безопасности. Так, при работе с напряжением в 110- 50 тысяч вольт при частоте в 60-200 периодов он приучил их работать одной рукой, чтобы предотвратить возможность протекания тока через сердце. Многие другие правила, впервые установленные Теслой, прочно вошли в современную технику безопасности при работе с высоким напряжением.

Создав разнообразную аппаратуру для производства опытов, Тесла в своей лаборатории начал исследование огромного круга вопросов, относящихся к совершенно новой области науки, в которой его больше всего интересовали возможности практического использования токов высокой частоты и высокого напряжения. Работы его охватывали все многообразие явлений, начиная от вопросов генерирования (создания) токов высокой частоты и кончая детальным изучением различных возможностей их практического использования. С каждым новым открытием возникали все новые и новые проблемы.

Как одна из частных задач Теслу заинтересовала возможность использовать открытие Максвеллом и Герцем электромагнитной природы света. У него возникла мысль: если свет представляет собой электромагнитные колебания с определенной длиной волны, нельзя ли искусственно получить его не путем нагрева нити электрической лампы накаливания (что дает возможность использовать лишь 5 процентов энергии, превращающейся в световой поток), а путем создания таких колебаний, которые вызвали бы появление световых волн? Эта задача и стала предметом исследований в лаборатории Теслы в начале 1890 года.

Вскоре он накопил огромное количество фактов, позволивших перейти к обобщениям. Однако осторожность Теслы заставила его проверять десятки и сотни раз каждое свое утверждение. Он повторял сотни раз каждый опыт, прежде чем делал из него какие-либо выводы. Необычайность всех открытий Николы Теслы и огромный авторитет его привлекли внимание руководителей Американского института электроинженеров, вновь, как и три года назад, пригласивших Теслу прочесть лекцию о своих работах. Тесла избрал тему: «Опыты с переменными токами весьма высокой частоты и их использование для искусственного освещения».

По традиции, установившейся с первых лет существования института, было разослано ограниченное число приглашений лишь самым выдающимся электротехникам. Перед такой избранной аудиторией 20 мая 1892 года Тесла и прочел одну из своих самых вдохновенных лекций и продемонстрировал опыты, уже осуществленные им в своей лаборатории.

— Нет ничего, что в большей степени могло бы привлечь внимание человека и заслужило бы быть предметом изучения, чем природа. Понять ее огромный механизм, открыть ее созидательные силы и познать законы, управляющие ею, — величайшая цель человеческого разума, — этими словами начал Тесла свое выступление.

И вот он уже демонстрирует перед слушателями результаты своих исследований в новой, еще никем не изученной области токов высокой частоты.

— Рассеяние электромагнитной энергии в пространстве, окружающем источник токов высокой частоты, позволяет использовать эту энергию для самых различных целей, — убежденно говорит ученый и тут же показывает замечательный опыт. Он выдвигает гениальное положение о возможности передачи электроэнергии без проводов и в доказательство заставляет как обычные лампы накаливания, так и специально им созданные лампы без нитей внутри светиться, внося их в переменное электромагнитное поле высокой частоты. — Освещение лампами подобного рода, — говорит Тесла, — где свет возникает не под действием нагрева нитей протекающим током, а вследствие особых колебаний молекул и атомов газа, будет проще, чем освещение современными лампами накаливания. Освещение будущего, — подчеркивал ученый, — это освещение токами высокой частоты.

Особенно подробно остановился Тесла на описании своего резонансного трансформатора как источника волн весьма высокой частоты и снова подчеркнул значение разряда конденсатора в создании таких колебаний. Тесла правильно оценил большое будущее этой важнейшей детали современных радиотехнических средств. Он выразил эту мысль следующими словами:

— Я думаю, что разряд конденсатора будет в будущем играть важную роль, так как он не только предоставит возможность получать свет более простым способом в том смысле, какой указывает изложенная мною теория, но окажется важным и во многих других отношениях.

Подробно изложив результаты экспериментов с токами высокой частоты, получаемыми с помощью резонансного трансформатора, Тесла завершил лекцию словами, свидетельствующими о его ясном представлении значения дальнейшего изучения явлений, над которыми его работы едва приоткрыли завесу тайны:

— Мы проходим с непостижимой скоростью через бесконечное пространство; все окружающее нас находится в движении, и энергия есть повсюду. Должен найтись более прямой способ утилизировать эту энергию, чем известные в настоящее время. И когда свет получится из окружающей нас среды и когда таким же образом без усилий будут получаться все формы энергии из своего неисчерпаемого источника, человечество пойдет вперед гигантскими шагами.

Одно созерцание этой великолепной перспективы подымает наш дух, укрепляет нашу надежду и наполняет наши сердца величайшей радостью.

Под бурные аплодисменты Тесла закончил свое замечательное выступление. Необычайность всего показанного и особенно смелые выводы ученого, видевшего революционные последствия своих открытий, поразили слушателей, хотя далеко не все поняли содержание лекции так глубоко, как того хотелось бы Николе Тесле.

Трансформатор высокой частоты | Импульсный источник питания

Постоянный ток. Токи промышленной и высокой частоты

    Известны различные виды электрических парогазовых разрядов. Соответствующие установки получают питание от источников постоянного тока или источников переменного тока промышленной и высокой частоты. В первом случае (тлеющий, дуговой, пеннин-говский разряды) главная роль принадлежит явлениям на катоде. В переменном поле определяющая роль катода утрачивается. Высокочастотные разряды подразделяются на двухэлектродные (дуговые, коронные), одноэлектродные (факельные, импульсные) и безэлектродные (Е- и Н-разряды). [c.38]







    Генераторы для сушки токами высокой частоты. Главным элементом высокочастотной сушильной установки является ламповый или машинный генератор, который превращает энергию постоянного или переменного тока промышленной частоты в энергию колебаний высокой частоты. Ламповый генератор состоит из питающего устройства, электронных ламп и колебательного контура. Питание электронных ламп постоянным током можно производить от аккумуляторов, динамомашины постоянного тока или ртутных [c.216]

    Все изложенное выше в одинаковой мере относится как к постоянному, так и к переменному току промышленной частоты (1=50 Гц). Токи высокой частоты (/»>1000 Гц) менее опасны для человека, так как они текут по поверхности его тела. Эти токи, хотя и не приводят к смертельному исходу, все же могут вызвать сильные ожоги. [c.10]

    В зависимости от принятой технологии и конструкции трубки прожиг может проводиться на постоянном или переменном токе промышленной или высокой частоты или их комбинаций. Для осуществления прожига высокой частотой могут применяться бобины типа автомобильных катушек зажигания. [c.283]

    Разработан и выпускается отечественной промышленностью пиролитический хроматограф Биохром-26 . В хроматографе имеется два пиролитических устройства (филаментного типа и индукционного нагрева токами высокой частоты до точки Кюри), включенные в оба канала дифференциальной газовой схемы хроматографа. Пиролизер филаментного типа может работать в двух режимах нагрев филамента путем питания постоянным током невысокого напряжения (до 5 В), устанавливаемого с дискретностью 0,1 В, и мгновенный разогрев филамента путем подачи импульса высокого напряжения в интервале от 150 до 250 В, который осуществляется с помощью разряда конденсатора, с последующим поддержанием заданной температуры путем подачи тока постоянного напряжения в интервале от 1,4 до 3,9 В в зависимости от требуемого значения температуры филамента. Максимальная температура филамента может изменяться от 400 до 1100°С. Пиролизер индукционного нагрева снабжен набором ферромагнитных термоэлементов, являющихся одновременно держателями проб, двух форм (стержень и спираль), что обеспечивает ввод проб в виде растворов, вязких жидкостей и твердых или эластичных нерастворимых образцов. Имеющийся набор термоэлементов соответствует шести значениям точек Кюри 430, 500, 600, 680, 770 и 960 °С, что вполне достаточно для аналитической работы с различными образцами. Продолжительность нагрева ферромагнитных элементов с пробой может быть задана любая в интервале от 1 до 20 с с дискретностью 1 с. [c.28]

    Низкотемпературная плазма может генерироваться в генераторах плазмы с дугой высокой интенсивности, плазматронах постоянного тока, переменного тока промышленной частоты, высокочастотных и сверхвысокочастотных, а также в тлеющем и коронном разрядах, установках адиабатического сжатия, ударных трубах, с помощью мощных лазеров и т. п. [c.229]

    В электродуговых нагревательных установках используется постоянный или переменный ток промышленной или высокой частоты. Разрядные камеры нагревателей однофазного переменного и постоянного тока конструктивно почти одинаковы. Однако установка переменного тока промышленной частоты в целом существенно отличается от аналогичной установки постоянного тока, поскольку для обеспечения устойчивого горения дуги при переходе тока через нудь необходимы дополнительные элементы. В то же время в установках, работающих на постоянном токе, необходимы выпрямительные агрегаты. [c.6]

    Низкотемпературная плазма может генерироваться в плазмотронах постоянного, переменного тока промышленной частоты (к,н,д. до 93%), высокочастотных и сверхвысокочастотных, а также в тлеющем и коронном разрядах, установках адиабатического сжатия, ударных трубах, с помощь мощных лазеров и т.п. Наибольший промышленный интерес в качестве источников низкотемпературной плазмы представляют электродные плазмотроны постоянного и переменного тока и генераторы плазмы с дугой высокой интенсивности . [c.5]

    Для создания электрического поля высокой напряженности и постоянной полярности применяют специальные высоковольтные агрегаты (рис. II 1.26), Они подают на электроды постоянный ток высокого напряжения. Параметры высоковольтного агрегата существенно влияют на электрическую сепарацию. В отдельных случаях (для очистки барабанов, при диэлектрической сепарации) применяют источники переменного высокого напряжения промышленной или повышенной частоты. [c.234]

    Ферриты благодаря малым потерям на вихревые токи (обладают низкой электропроводностью) и высокой намагниченности нашли широкое применение в технике. Больше всего ферриты используются в высокочастотной и импульсной технике, в частности в устройствах радиотехники, электроники, технике связи и вычислительной технике. Однако магнитомягкие ферриты не нашли применения в постоянных полях и полях промышленной частоты. [c.429]

    Хотя в качестве ионного источника можно использовать дугу (разд. 8.1), промышленно, выпускают только искровой источник [8.5-1]. Масс-спектрометры с искровым источником (ИИМС) появились в 1960-х гг. Используют искру высокого напряжения (разд. 8.1). Была использована искра постоянного тока, но в производимых приборах применяют импульсное поле с частотой 1 МГц, чтобы получить цуг коротких импульсов через межэлектродный промежуток. Поскольку длительность импульса (20-200 мкс) и частоту повторения (1Гц -10 кГц) можно изменять довольно широко, можно оптимизировать условия ионизации в соответствии с типом пробы. В противоположность искровым источникам для атомно-эмиссионной спектрометрии, которые работают обычно при атмосферном давлении, искровой источник для МС функционирует в условиях вакуума. Электроды расположены в искровом кожухе, который также соединен с высоким напряжением. Электрическое соединение не дает большинству ионов сталкиваться со стенками вакуумной системы, что могло бы привести к распьшению материала кожуха. [c.136]

    При температурах, превыщающих 500—700°С, стекло является проводником, и атрев его осуществляют пропусканием электрического тока как постоянного, так и переменного промышленной или высокой частоты. Подачу тока к стеклу можно осуществить через электрическую дугу ил через ионизованные [c.128]

    На фиг. 377 приведен общий вид конструкции вибрационного преобразователя типа ВП-34. Пластинка 9 преобразователя, к которой подсоединяется один полюс измерительной цепи, изготовлена из берилиевой бронзы, жестко закреплена одним концом в стойке 10 и имеет на свободном конце якорь 4 из мягкой стали. Якорь 4 помещен внутри катушки 3, питаемой переменным током промышленной частоты напряжением 6,3 в, в результате чего производится периодическое перемагничивание его. В то же время конец якоря 4 находится между полюсами С-образного постоянного магнита 5, изготовленного из сплава, обладающего высокой коэрцитивной силой. При перемагничивании якорь колеблется между полюсами магнита с частотой 50 гц и производит переключение плоских 7 и стержневых 1 и 8 контактов. [c.478]

    Этим условиям соответствуют электродвигатели постоянного тока сшун-товой обмоткой, имеющие регулирование частоты вращения 1 10 и позволяющие осуществить электродинамическое торможение. Регулирование частоты вращения достигается за счет применения трехмашинного агрегата системы Вард — Леонардо . Подобный привод имеет большая часть работающих каландров. Ряд зарубежных фирм и отечественная промышленность начинают широко применять ртутные или тиристорные выпрямители с регулированием тока возбуждения 1 100, комбинируемые с шунтовым двигателем, у которого регулируется напряжение на якоре. Они экономичны, имеют высокий КПД, не зависящий от нагрузки, и допускают кратковременные перегрузки. [c.192]

    Моделирование короны переменного тока с изменением частоты, так же как и моделирование при постоянной частоте, приближенное, ибо в этом случае не будет выполняться условие неизменпости критериев К-и М. Так что в этом отношении моделирование с изменением частоты особыми преимуществами не обладает. Зате епе -евязано с определенными техническими трудностями (необходимость использования источников высокого напряжения с частотой, отличающейся от промышленной частоты). Поэтому такой способ моделирования короны переменного тока практически не нашел применения. [c.50]

    Основными элементами ламповых генераторов (рис. 4-42) являются трехфазный повышающий анодный трансформатор 1, повышающий напряжение с 220—380 е до 7 500—ЮООО е блок выпрямительных ламп — газотронов (тиратронов) 2 для преобразования переменного тока в постоянный напряжением до 10 000— 15 000 в генераторный блок 3 с трехэлектродными лампами, преобразующий энергию постоянного тока в энергию электрических колебаний высокой частоты колебательный контур 4, состоящий из воздушного трансформатора с нагревательным индуктором и конденсаторной батареей. Почти все промышленные образцы генераторов собраны по схемам с самовозбуждением. Поэтому, кроме перечисленных элементов, обязательными являются элементы, относящиеся к возбуждению генератора и к управлению его работой контур обратной связи, состоящий из конденсаторов, сопротивлений и катушек связи, подающих напряжение обратной связи на сетку генераторной лампы, а также феррорезонансные стабилизаторы напряжения накала, дроссели и разделительные конденсаторы, [c.215]

    Низкотемпературная плазма может быть использована как высокоэнталь-пийный источник энергии, источник положительных и отрицательных ионов для ионно-молекулярных реакций, мощный источник светового излучения для фотохимических реакций. Низкотемпературная плазма может генерироваться в генераторах плазмы с дугой высокой интенсивности, плазмотронах постоянного тока, переменного тока промышленной частоты, высокочастотных и сверхвысокочастотных, а также в тлеющем и коронном разрядах, установках адиабатического сжатия, ударных трубах, с помощью мощных лазеров (см. гл. 1). [c.222]

    Во многих работах для получения ацетилена крекингом углеводородов нагрев газа ос>тцествляется при контакте с электрическим сопротивлением, по которому течет ток. Некоторые результаты, полученные недавно с помощью нагревателей пз карбида кремния, приведены на стр. 352. Этот метод нагрева позволяет точно контролировать температуру реакции или температурный профиль и поэтому имеет очевидные нреимзтцества ири лабораторных исследованиях. Эти же преимущества, если их оценивать должным образом, сказываются и лри промышленной реализации. Кроме того, используемая в процессе электрическая энергия имеет частоту сети и напряжение сети илп меньшее, и, таким образом, не требуется сложного и дорогого оборудования (например, выпрямителей, трансформаторов) необходимого для большинства процессов электрокрекинга. К сожалению не известно удовлетворительного материала, который мог бы быть использован для непрерывного нагрева углеводородов до температуры реакции. Использованные материалы или делаются хрупкими под действием высокой температуры (Р1 и ее сплавы), или образуют карбиды (Мо, Та, У). При высоких температурах некоторые материалы изменяют свои свойства (81С) или восстанавливаются водородом (окислы). Углеродистые материалы при контакте с углеводородами покрываются отложениями углерода, так как его образование в условиях крекинга является автокаталитическим процессом. Помимо изменения электрического сопротивления отложения углерода на поверхности реактора уменьшают эффективность переноса тепла к газу. Следовательно, для постоянной продолжительной работы греющее сопротивление не должно быть в контакте с реагирующим газом и, таким образом, нагрев должен осуществляться через стенку огнеупорного материала. Это, в свою очередь, вызывает большие [c.373]

    На Ворошиловградском и Коломенском заводах построены опытные тепловозы мощностью 2950 и 4420 кВт в секции с передачей переменно-постоянного и переменного тока. Энергетические возможности создания таких локомотивов обеспечиваются освоением отечественной промышленностью четырехтактных тепловозных дизелей типа Д49 агрегатной мощностью до 2950 кВт и более при частоте вращения вала 1000об/мин с расходом топлива 210г/(кВт-ч) и высоким моторесурсом. [c.247]

Сравнение радиочастотных источников питания для индукционного нагрева

Р.Л. Кук

Inductoheat Inc, Madison Heights, Michigan

Аннотация

Современное развитие высокочастотных мощных полупроводниковых приборов привело к существенным изменениям в области источников питания для индукционного нагрева. До того как эти приборы стали доступны, приоритетом на рынке пользовались машинные генераторы и ламповые генераторы радио частот. В настоящее время, из-за высокого коэффициента полезного действия, безопасности, малых размеров и низкой стоимости полупроводниковые источники питания заменяют предшественников во многих областях применения. Полупроводниковые источники питания имеют различные характеристики по сравнению с машинными и ламповыми генераторами. При этом необходима выработка рациональных критериев для определения соответствия совокупностей характеристик перечисленных источников питания требованиям, предъявляемым процессами индукционного нагрева.

История

 До 1970 года на рынке источников питания для индукционного нагрева доминировали машинные и ламповые генераторы. В конце 1960-ых годов получили развитие мощные и достаточно высокочастотные тиристоры, что определило появление и развитие полупроводниковых источников питания для индукционного нагрева. Вначале выпускались низкочастотные источники питания на частоты от 200 герц до 10 килогерц, постепенно этот диапазон был расширен до 25 – 50 килогерц за счет применения схемных решений умножения частоты.

 Следующий этап развития новых высокочастотных полупроводниковых приборов (MOSFET, IGBT и SIT) пришелся на середину 1980-ых годов. Это в комбинации с созданием конденсаторов, рассчитанных на высокую реактивную мощность и обладающих низкими индуктивностями и малыми потерями, а также трансформаторов с малой индуктивностью рассеяния и высоким КПД способствовало разработке и производству гаммы различных типов полупроводниковых источников питания для индукционного нагрева, работающих на частотах от 50 до 450 килогерц.

 Вначале мощности этих генераторов составляли всего несколько киловатт, однако достаточно скоро удалось реализовать в одном источнике питания мощности в мегаватт и более. Процессы индукционного нагрева включают закалку, нагрев полос, выращивание кристаллов, гальванический отжиг и т.д.

 Вопрос «Реально ли это?» уже не стоит. Теперь спрашивают: «Как выяснить и правильно использовать параметры и характеристики источника питания для конкретного процесса».

 Характеристики

 Ламповые генераторы

 В течение многих лет ламповый генератор (см. рисунок 1) является «рабочей лошадкой» в радиочастотном диапазоне источников питания для индукционного нагрева.

​

Рисунок 1 – Силовая схема лампового генератора

 Кроме того, что это оборудование зависимым от процедур согласования и ухода параметров при замене электронных ламп, оно еще и является низкоэффективным (50 – 60%) и часто опасно из-за напряжения высокого уровня внутри корпуса. Вызывало затруднение достоверное определения мощности, реально выделяемой в заданной нагрузке: часто требовались ручные расчеты по постоянному току (входные параметры) или калориметрические измерения для каждого конкретно используемого индуктора.

 Наличие очень высоких напряжений (15 – 20 киловольт) в подсистеме постоянного тока и в некоторых случаях удвоение на переменном токе с учетом его амплитудного значения (AC+DC) на силовой панели требует использования шлангов системы водяного охлаждения большой длины для уменьшения токов утечки и пробоев. Коронные и дуговые разряды всегда рассматривались в ряду проблем для таких установок из-за больших амплитуд напряжений.

 Требовались специальные меры предосторожности при разработке систем охлаждения. В частности они сводились к использованию деионизированной воды с низким уровнем проводимости и достаточно большим объемом для ее хранения, обеспечивающим поглощение всех отводимых потерь источника питания.

 Функциональным преимуществом этого типа источника питания является то, что с ним может быть согласовано большое количество индукторов с различными параметрами, для которых легко достигается резонансный режим работы. Настройка не всегда является оптимальной, но в большинстве случаев это и не требуется. Настройку обычно удается осуществить быстро и без особых проблем. Для источников радиочастот на нагрузке обычно удается получить синусоидальное напряжение, модулированное низкочастотным сигналом, определяемым частотой питающей сети и углом отпирания тиристоров входного выпрямителя (см. рисунок 2).

​

Рисунок 2 – Формы выходных напряжений лампового источника питания (нижняя осциллограмма) и полупроводникового источника питания (верхняя осциллограмма)

Радиочастотные полупроводниковые источники питания

 Радиочастотные полупроводниковые источники питания обладают многими преимуществами по сравнению с ламповыми; среди них – малые размеры, более низкая стоимость, повышенные надежность и коэффициент полезного действия, легкость управления и безопасность.

 Сложные алгоритмы управления позволяют с высокой точностью определять моменты коммутации полупроводников. Это позволяет реализовать их эффективное функционирование за счет снижения коммутационных потерь, которые характерны для работы полупроводниковых ключей при высоких частотах. Основная стратегия управления сводится к тому, чтобы источник питания работал с коэффициентом мощности равным 1, что обеспечивается за счет обратной связи, обеспечивающей коммутации полупроводников с резонансной частотой нагрузочного контура. Это позволяет осуществлять коммутации при очень малых значениях напряжения и тока, что обеспечивает низкие коммутационные потери и очень высокий коэффициент полезного действия (85 – 90%). При длительной работе нагревательных систем даже одна эта характеристика определяет целесообразность использования полупроводниковых источников питания, поскольку при их высокой мощности за счет высокого КПД даже за короткое время эксплуатации, экономия средств сопоставима с затратами на покупку остального оборудования нагревательной системы.

Таблица 1. Сравнение: приблизительные ежегодные затраты при длительной эксплуатации полупроводникового и лампового генераторов мощностью 100 кВт

Система управления полупроводникового инвертора обеспечивает быструю и точную реакцию на внешние возмущения, высокую надежность и обеспечивает совместную работу с микропроцессорной системой управления и мониторинга.

Сравнение относительных габаритов рассматриваемых источников питания приведено на рисунке 3.

​

Рисунок 3 – Относительные размеры полупроводникового и лампового источников питания

 В подавляющем большинстве практических случаев в источниках питания для индукционного нагрева используются два типа инверторов: инвертор напряжения и инвертор тока.

Инвертор напряжения

 В инверторе напряжения (см. рисунок 4) выход трехфазного сетевого выпрямителя подключается на фильтровую емкость и в транзисторный мост с обратными диодами. Управление мощностью осуществляется за счет изменения постоянного входного напряжения, получаемого от сетевого выпрямителя. Мост работает на частоте, определяемой собственной резонансной частотой последовательного нагрузочного контура. Инвертор напряжения используется в источниках питания небольшой мощности (до 90 кВт) на частотах выше 50 кГц и в мощных источниках (1 МВт и более) на частотах ниже 50 кГц.

​

Рисунок 4 – Инвертор напряжения

Инвертор напряжения обеспечивает на последовательном нагрузочном контуре прямоугольное напряжение, при этом форма тока через нагрузку является синусоидальной (см. рисунок 5).

​

Рисунок 5 – Выходные напряжение и ток для инвертора напряжения

Инвертор тока

Инвертор тока (см. рисунок 6) состоит из управляемого тиристорного выпрямителя, который питается от понижающего сетевого трансформатора и входного дросселя с большой индуктивностью. Через этот дроссель протекает на мост переменного тока практически постоянный входной ток. Мост обеспечивает на нагрузке ток резонансной частоты, определяемый собственной частотой параллельного нагрузочного контура. Инверторы тока используются в источниках питания большой мощности (100 кВт – 1 МВт) на частотах выше 50 кГц.

​

Рисунок 6 – Инвертор тока

Инвертор тока преобразует постоянный ток источника питания в переменный ток прямоугольной формы. При этом напряжение на нагрузке переменное синусоидальное (см. рисунок 7).

​

Рисунок 7 – Выходные напряжение и ток для инвертора тока

Применения

Фактические мощность и частота, необходимые для конкретной операции нагрева, определяются размером заготовки, необходимой глубиной проникновения и требуемой производительностью. Когда эти параметры известны, требуемая рабочая частота, напряжение и ток могут быть определены. В свою очередь, это позволяет определить тип источника питания, который надо применять в каждом конкретном случае.

 На рисунке 8 приведены общие рекомендации по выбору мощности и частоты для различных технологических процессов нагрева.

​

Рисунок 8 – Области применения в зависимости от мощности и частоты

На рисунке 9 приведены общие рекомендации по выбору полупроводниковых приборов в зависимости от мощности и частоты источника питания.

​

Рисунок 9 – Типы полупроводниковых приборов в зависимости от мощности и частоты

Согласование с нагрузкой

Основной вопрос, решаемый при реализации индукционного нагрева – согласование нагрузки с источником питания для передачи в нагрузочный контур требуемой мощности. Существует два метода соединения индуктора и компенсирующего конденсатора – последовательный и параллельный (см. рисунок 10).

​

Рисунок 10 – Способы соединения выходной цепи

 Кривые импеданса для этих цепей различны, но кривые мощности практически одинаковы (см. рисунок 11).

​

Рисунок 11 – Кривые мощности для последовательной и параллельной выходных цепей

 Нагрузочная цепь для радиочастотного лампового генератора приведена на рисунке 12.

​

Рисунок 12 – Нагрузочная цепь для радиочастотного лампового генератора

Отметим, что ламповые генераторы работают на очень высоких напряжениях, что делает их работу менее критичной к длине линии, подводящей выходное напряжение генератора к индукционной нагрузке. Выходное напряжение полупроводникового инвертора ниже, что накладывает дополнительные требования на длину и качество линии, соединяющей источник питания с нагревательным постом и батареей согласующих конденсаторов. По этой причине радиочастотные полупроводниковые инверторы часто располагаются в двух корпусах: один содержит источник постоянного тока, который может быть смонтирован на достаточном удалении, второй – мост переменного тока и согласующие элементы, которые должны быть расположены в непосредственной близости от индуктора. В новых установках это может быть легко реализовано на этапе проектирования путем выделения соответствующего объема в корпусе. Установки, в которых ламповый генератор заменяется на полупроводниковый, могут нуждаться в специальных доработках, которые сводятся к тому, что источник питания  располагается в непосредственной близости от малогабаритного радиочастотного нагревательного поста. На рисунке 13 демонстрируется относительная разница в размерах 100 киловаттного полупроводникового моста переменного тока с выходными согласующими элементами по сравнению с радиочастотной нагревательной станцией, содержащей только выходной трансформатор.

​

Рисунок 13 – Относительные размеры радиочастотной нагревательной станции и блока переменного тока полупроводникового инвертора

Кроме этого, необходимо принимать во внимание, что добротность нагрузки Q может определять способность источника питания обеспечивать требуемое напряжение на нагрузке и способность системы управления отслеживать текущее значение фазы по отношению к начальной фазе при включении. Решение этих проблем не является очень трудным и легко может быть заложено на начальной стадии проектирования. Если индуктивность системы очень мала, применяется специальная вставка (тромбонообразная) на подводящих шинах, которая обеспечивает необходимое согласование (см. рисунок 14).

​

Рисунок 14 – Тромбонообразная выходная шина полупроводникового источника питания

Если добротность цепи Q очень мала, то к выходной цепи может быть подключена дополнительная параллельная индуктивность, ответвляющая в себя достаточно заметную часть выходного тока источника питания, что приводит к увеличению суммарной добротности Q нагрузки.

С появлением полупроводниковых источников питания во многих случаях применения индукционного нагрева происходит вытеснение ламповых источников питания. Особенно интенсивно это происходит на частотах от 30 до 50 килогерц. Это может приводить к большому удешевлению оборудования. При индукционном нагреве, требующем применения частот от 50 до 450 килогерц преимущества полупроводникового оборудования сохраняются, но стоимость таких источников питания выше, чем на частотах от 30 до 50 килогерц. Функционирование полупроводниковых источников питания на частотах выше, чем 450 килогерц возможно, но область применения таких частот в индукционном нагреве существенно сужается. В настоящее время на этих частотах продолжают использовать ламповые генераторы.

 Заключение

 Благодаря маленьким размерам, низкой стоимости, высокой надежности, повышенному коэффициенту полезного действия, легкости управления, безопасности радиочастотные полупроводниковые источники питания вытесняют ламповые в области индукционного нагрева. Этот процесс аналогичен процессу вытеснения машинных генераторов полупроводниковыми источниками питания для индукционного нагрева. Для любой новой технологии необходимы определенные усилия на начальной стадии освоения, так как необходимо учитывать характерные для этой технологии нюансы и тонкости.

 Основой применения полупроводниковых источников питания является системный подход при проектировании. Каждый случай применения должен учитывать системные требования в целом. При этом принимаются во внимание металлургические требования, производительность, эргономика, безопасность, стоимость, надежность, ремонтопригодность. Необходимо ясное понимание того, что индуктор, вспомогательное оборудование и системы подачи заготовок должны разрабатываться также тщательно, как, собственно, источник питания. Понимание характеристик источника питания и его расположения в нагревательной установке позволяет определить эффективность его применения в каждом конкретном случае.

PVR 1000 — Наземные источники питания , статические преобразователи частоты 400 Гц gpu для авиации компании Powerstart

Современный источник питания обладает наилучшими характеристиками этого класса.

Является идеальным для проведения ремонтно-монтажных, регламентных работ, предполетных проверок, тренингов,

 тестирования авиационной техники, как в закрытых помещениях, так и на открытых стоянках.

Источник питания PVR 1000 обеспечивает подачу постоянного тока напряжением 28 В  1000А кратковременно пиковый ток 1200А

− В данном источнике питания используются современные силовые модули с выходным напряжением 28 В.

− Подключение к трехфазной сети электропитания.

− Защищенность от помех, исключает влияние работающего источника питания на другие электрические приборы.

− Новейшая технология контроля выходной мощности и силы тока.

− Малые размеры, небольшой вес, простота эксплуатации.

− Применяется на открытом воздухе и в закрытом помещении.

Основными отличительными особенностями источника питания являются:

− Возможность продолжительной работы (состояние – вкл.) при температуре окружающей среды от  -20 °С до + 50 °С.

− Обеспечение многопрофильной системы защиты: при превышении нормативов по силе тока или по мощности,

 источник питания автоматически отключается.

− Высокая надежность в работе, удобство в эксплуатации и сервисном обслуживании.

− Применение микроэлектронных блоков, обеспечивающих высокую мощность и экономичность.

Эффективно используется в:

−  В аэропортах и авиастроительных предприятиях;

−  В лабораториях и конструкторских бюро;

−  В ремонтных и эксплуатационных службах авиакомпаний и аэропортов;

−  На  вертодромах и приписных площадках;

(PDF) Дифференциальный источник тока для высокочастотных биомедицинских приложений в технологии интегральных схем КМОП 0,5 мкм

Герман Шарфеттер, Роберт Мерва (ред.): ICEBI 2007, IFMBE Proceedings 17, pp. 217–220, 2007

www .springerlink.com © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2007

Дифференциальный источник тока для высокочастотных биомедицинских приложений

в технологии интегральных схем КМОП 0,5 мкм

Джавад Фроунчи, Мохаммад Хоссейн Зарифи и лаборатория Microselect Microsystem

и Fahimeh Dehkhoda

, Факультет электротехники и вычислительной техники,

Тебризский университет, Тебриз, Иран

Аннотация — В этой статье мы представляем новый источник дифференциального тока

с очень высоким выходным импедансом

даже на высоких частотах с использованием четырех высокочастотных сигналов. Импедансный ток

источников в H-мостовом соединении.Груз, образец ткани человека

, помещается между левой и правой руками. Два источника тока

активны в течение первой половины периода входной синусоидальной волны

и два других источника тока во второй половине периода

, таким образом создается полная синусоидальная форма волны тока

. Чтобы уменьшить гармонические искажения, все источники тока

имеют одинаковый уровень постоянного тока, поэтому транзисторы в четырех источниках тока

всегда включены.Мы реализовали эту схему в стандартной интегральной схеме КМОП

0,5 мкм. Два полуволновых выпрямителя

генерируют синусоидальные волны на синусоидальном входе

, а синфазная обратная связь используется для стабилизации выходного общего постоянного напряжения

. Результаты моделирования подтверждают, что

выходное сопротивление 1,2 ГОм можно ожидать на частотах

до 1 кГц. Моделирование переходных процессов также доказывает, что эта схема

может выдавать стабильный выходной ток 10 МГц всего за

2.Общий коэффициент гармонических искажений (THD) 3% и выходное сопротивление

1,1 МОм. Выходное сопротивление на частоте 100 МГц составляет

выше 109 кОм.

Ключевые слова —

Полностью дифференциальный источник тока, EIT, EIS,

Синфазная обратная связь, CMOS IC

I. ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время для многих приложений требуются источники тока с высоким выходным сопротивлением

в широком частотном диапазоне.

катионов, таких как системы электроимпедансной спектроскопии (EIS)

, системы электроимпедансной томографии (EIT)

и т. Д.В последнее время было предпринято несколько попыток сконструировать

такой высокочастотный высокоимпедансный источник тока [1-4].

Saulnier и др. [5] представили даже высокоточный источник напряжения

для EIT, чтобы преодолеть некоторые проблемы с текущим дизайном источника арендной платы

, такие как ограниченная полоса пропускания, большая занимаемая площадь системы

и высокий уровень компонентов, затраты на электроэнергию и охлаждение.

В основном, для разработки высокоомного источника тока

для систем EIT использовались два общих подхода.Первый метод

основан на источнике тока топологии Howland

, который использует один операционный усилитель как с отрицательной

, так и с положительной обратной связью. Были сообщения об увеличении выходного импеданса этой схемы за счет включения преобразователя нерализованного импеданса (GIC) ge-

параллельно выходу

, чтобы можно было обнулить выходную емкость [3]. Хотя

были представлены некоторые результаты моделирования на основе анализа малых сигналов

, однако на практике невозможно полностью компенсировать выходную емкость в широком диапазоне частот

и поддерживать калибровку системы в течение длительного времени

. время.Другой метод основан на схеме токового зеркала

, которая обычно страдает от постоянного остаточного тока (или напряжения

) в условиях реальной нагрузки [6]. Некоторые исследователи

приняли этот постоянный ток для своих систем визуализации EIT, а

некоторые другие пытались каким-то образом его компенсировать [2].

В этой статье мы представляем новый полностью дифференциальный источник тока

с очень высоким выходным импедансом, использующий четыре высокоомных источника тока

в H-мостовом соединении.

Во втором разделе описывается работа системы. Схема источника тока

также приведена во втором разделе. Результаты анализа малых сигналов

(AC) представлены в третьем разделе.

Мы выполнили анализ больших сигналов (переходных процессов) для

, чтобы исследовать стабильность источника дифференциального тока в

различных частотах и ​​вычислить его полное гармоническое искажение

, результаты также представлены в третьем разделе.

II.

РАБОТА СИСТЕМЫ

Четыре источника тока, подключенные как H-мост, могут подавать полную синусоидальную волну тока на нагрузку, образец ткани человека

, который помещается между левой и правой руками.

Как показано на рисунке 1, два источника тока (один с левой стороны

, а другой с правой стороны) активны в течение

первого полупериода входной синусоиды, а два других источника тока

в вторая половина периода, так что текущая рента

может течь через нагрузку в обоих направлениях.

Входы к источникам тока поступают от двух активных выпрямителей половинной

волны, которые в данном случае являются двумя умножителями.

Умножители используются для смешивания двух сигналов противофазного тока

с двумя импульсами, генерируемыми главным синусоидальным входом

дал. На каждом входе умножителя ток и импульс

синфазны, поэтому может быть получено полуволновое выпрямление.

Использование высокоскоростных умножителей значительно увеличивает номинальную рабочую частоту системы и является одной из ключевых характеристик этого высокочастотного источника тока.Одна из

выпрямителей работает в положительном цикле синусоидального опорного

входом, а другой работает в отрицательном цикле

Высокочастотные источники тока | Продукты и поставщики

A большой источник тока с высокой точностью и быстродействием

Источники тока, управляемые напряжением (VCCS), широко используются во многих областях, таких как медицинское оборудование и промышленная автоматизация.В этих приложениях очень важны точность постоянного тока, характеристики переменного тока и возможности привода VCCS. В этой статье анализируются ограничения схемы улучшенного источника тока Хауленда (EHCS) и показано, как улучшить ее с помощью топологии составного усилителя для реализации источника тока ± 500 мА с высокой точностью и быстрой установкой.

Улучшенный источник тока Howland

Рисунок 1. Схема источника тока Хауленда.

На рисунке 1 показана традиционная схема источника тока Хауленда (HCS), а в уравнении 1 показано, как можно рассчитать выходной ток.Выходной ток будет постоянным, если R2 достаточно велик.

Рисунок 2. Улучшенная схема источника тока Хауленда.

В то время как большой R2 снизит скорость и точность схемы, вставка буфера в маршрут обратной связи для формирования улучшенного источника тока Хауленда устранит это, как показано на рисунке 2. Все токи, протекающие через R ₀ проходят через в R _L . Выходной ток рассчитывается по уравнению 2.

Если R1 / R2 = R3 / R4 = k, уравнение изменяется на уравнение 3.Выходной ток не зависит от нагрузки и регулируется только входным напряжением. Это идеальный VCCS.

Анализ производительности

Уравнение 3 основано на идеальной системе. На рисунке 3 показана модель анализа ошибок постоянного тока EHCS. V _OS и IB + / IB– — входное напряжение смещения и ток смещения основного усилителя. V _OSbuf и I _Bbuf — это входное напряжение смещения и ток смещения буфера. Общая ошибка вывода может быть рассчитана по уравнению 4.

Рисунок 3. Расчет напряжения смещения.

Игнорируйте рассогласование резисторов усиления и учитывайте R ₁ / R ₂ = R ₃ / R ₄ = k, R ₁ // R ₂ = R ₃ // Р ₄ . Выходной ток смещения зависит от смещения и тока смещения усилителей, как показано в уравнении 5.

Принимая во внимание несоответствие R ₁ / R ₂ и R ₃ / R ₄ , R _L будет влиять на выходной ток смещения.Наихудшая относительная ошибка показана в уравнении 6. Ошибка зависит от R _L / R ₀ и k. Меньший нагрузочный резистор и более высокое значение k уменьшат ошибку смещения.

Мы также можем рассчитать температурный дрейф цепи, который исходит от усилителей и резисторов. Напряжение смещения и ток смещения усилителей изменяются в зависимости от рабочей температуры. Для большинства входных КМОП-усилителей ток смещения удваивается при каждом увеличении на 10 ° C. Дрейф резисторов сильно меняется у разных типов.Например, TC единиц углеродного состава составляет приблизительно 1500 ppm / ° C, в то время как TC металлической пленки и объемных металлических резисторов может составлять 1 ppm / ° C.

Выбор прецизионного усилителя влияет на точность выходного тока по постоянному току. Однако есть много ограничений при выборе прецизионного усилителя. Возможности привода и производительность переменного тока недостаточны. В таблице 1 перечислены некоторые распространенные прецизионные усилители. Мы хотим создать источник тока ± 500 мА с временем установления 1 мкс. Для источника тока нам потребуется высокая приводная способность. Для источника тока с дополнительным длительным временем установления необходимы хорошие характеристики переменного тока.Как правило, прецизионные усилители не обеспечивают такую ​​комбинацию характеристик, поскольку скорость нарастания и ширина полосы недостаточно хороши. Это требует выбора из нескольких других усилителей.

Внедрение EHCS

ADA4870 — это высокоскоростной, высоковольтный усилитель с большой мощностью привода. Он может подавать напряжение от 10 В до 40 В с ограничением выходного тока 1,2 А. Его полоса пропускания превышает 52 МГц для большого сигнала, а скорость нарастания до 2500 В / мкс. Все эти характеристики делают его подходящим для быстрой стабилизации и большого источника тока.На рисунке 4 показана схема EHCS на базе ADA4870, которая генерирует источник выходного тока ± 500 мА при входном напряжении 10 В.

Рисунок 4. Схема EHCS на базе ADA4870.

В спецификациях переменного тока больше внимания уделяется времени установления, скорости нарастания, полосе пропускания и шуму. Время установления составляет около 60 нс, а полоса пропускания составляет около 18 МГц, как показано на рисунке 5. Скорость нарастания выходного тока может быть рассчитана путем измерения крутизны нарастания и спада стадии. Положительная и отрицательная скорость нарастания составляет +25 А / мкс и –25 А / мкс.Шумовые характеристики показаны на кривой плотности выходного шума. Это примерно 24 нВ / √Гц при 1 кГц.

Рисунок 5. Время установления и частотная характеристика EHCS на базе ADA4870.

Рис. 6. Кривая плотности выходного шума EHCS на базе ADA4870.

Из-за большого входного напряжения смещения и тока смещения точность по постоянному току в этой схеме невысока. В таблице 2 показаны различные источники и вклад ошибок постоянного тока. Основная ошибка постоянного тока исходит от V _os и I _B ADA4870.Типичное смещение выходного тока составляет около 11,06 мА, что составляет около 2,21% погрешности диапазона при 500 мА во всем диапазоне.

Топология композитного усилителя

Усилители с высоким приводом, такие как параметры постоянного тока ADA4870, ограничивают точность выходного тока, а высокоточные усилители не обладают достаточной скоростью. Здесь мы можем объединить все эти качества в одну схему с композитной топологией усилителя. На рисунке 7 показан составной усилитель с улучшенным источником тока Howland (CAEHCS), который образован ADA4870 и ADA4898-2.

Рисунок 7. Схема EHCS с композитным усилителем.

ADA4898-2 выбран для создания композитного усилителя из-за его превосходных характеристик переменного и постоянного тока. Его полоса по уровню –3 дБ составляет 63 МГц. Время установления 0,1% при шаге выхода 5 В составляет 90 нс, а скорость нарастания — до 55 В / мкс. У него тоже сверхнизкий уровень шума. Плотность шума напряжения составляет 0,9 нВ / √Гц, а плотность шума тока составляет 2,4 пА / √Гц. Что касается характеристик постоянного тока, то он тоже неплохой. Типичное входное напряжение смещения составляет 20 мкВ с температурным дрейфом 1 мкВ / ° C. Ток смещения 0,1 мкА. В таблице 3 показана ошибка постоянного тока CAEHCS.Смещение выходного тока уменьшается до 0,121 мА, что означает, что погрешность диапазона составляет менее 0,03%.

Характеристики CAEHCS по переменному току показаны в таблице 4. Время установления и полоса пропускания ниже, чем у EHCS, из-за задержки контура композитного усилителя. Выходной шум CAEHCS намного ниже, чем выходной шум EHCS из-за низкого токового шума ADA4898-2. Как указано в спецификации, плотность шума инвертированного входного тока ADA4870 составляет 47 пА / √Гц.С резисторами в несколько кОм он будет генерировать гораздо больший шум, чем шум напряжения (2,1 нВ / √Гц). В то время как плотность шума входного тока CAEHCS составляет 2,4 пА / √Гц. Это будет генерировать гораздо более низкий выходной шум.

Прежде всего, CAEHCS значительно улучшил точность постоянного тока VCCS с сопоставимой емкостью диска и производительностью переменного тока. Кроме того, существует множество вариантов композитных усилителей для различных требований.В таблице 5 показаны характеристики различных усилителей в цепи CAEHCS. LT6275 — лучший по характеристикам переменного тока. Его время установления может быть в пределах 100 нс, а скорость нарастания до 15 А / мкс. Усилители с нулевым дрейфом, такие как ADA4522-2, подходят для высокоточных приложений, которые имеют ошибку смещения выходного тока около 0,002 мА.

Результаты испытаний

Производительность EHCS и CAEHCS на основе ADA4898 показана в Таблице 6 и на Рисунке 8.

Рисунок 8. Время установления ADA4898-2 (Ch2-Input, Ch3-Output).

Схема CAEHCS имеет гораздо лучшие характеристики постоянного тока, чем схема EHCS. Его смещение выходного тока составляет 0,2 мА, а смещение выходного тока схемы EHCS составляет 10,9 мА. Схема CAEHCS также имеет хорошие характеристики по переменному току. Время установления обоих составляет около 100 нс.Полоса пропускания схемы EHCS составляет 18 МГц, а схемы CAEHCS — 8 МГц.

Характеристики CAEHCS на основе ADA4522-2 и LT6275 показаны в таблице 7. Ошибка смещения выхода версии ADA4522-2 ниже 0,04 мА. Время установления версии LT6275 составляет около 60 нс, а скорость нарастания выходного тока до 16,6 А / мкс, что показано на рисунке 9.

Рисунок 9. Время установления LT6275 (Ch2-Input, Ch3-Output).

Температурный режим

Выходной ток VCCS может составлять несколько сотен миллиампер. Общая рассеиваемая мощность может составлять несколько ватт. Если выходная эффективность низкая, температура детали будет быстро расти. Тепловое сопротивление (θ _JA ) ADA4870 без раковины может составлять 15,95 ° C / Вт. Повышение температуры можно рассчитать с помощью уравнения 7.

Значение R ₀ будет влиять на рассеиваемую мощность ADA4870. Таблица 8 показывает рост температуры для различных R ₀ , выбранных при напряжении питания ± 20 В.Повышение температуры значительно снизится при использовании большего R ₀ . Поэтому рекомендуется использовать более крупный R ₀ для уменьшения повышения температуры.

Заключение

Схема CAEHCS, сочетающая в себе усилитель с высокой мощностью и прецизионный усилитель, может обеспечить отличные характеристики переменного и постоянного тока с большой выходной мощностью в приложениях VCCS.ADA4870 в сочетании с ADA4898, LT6275 и ADA4522 рекомендуются для использования в этой схеме.

Реактивное сопротивление, индуктивное и емкостное | Физика

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Зависимость напряжения и тока от времени в простых индуктивных, емкостных и резистивных цепях.
• Рассчитайте индуктивное и емкостное реактивное сопротивление.
• Рассчитайте ток и / или напряжение в простых индуктивных, емкостных и резистивных цепях.

Многие цепи также содержат конденсаторы и катушки индуктивности в дополнение к резисторам и источнику переменного напряжения. Мы видели, как конденсаторы и катушки индуктивности реагируют на постоянное напряжение при его включении и выключении. Теперь мы исследуем, как катушки индуктивности и конденсаторы реагируют на синусоидальное переменное напряжение.

Катушки индуктивности и индуктивное сопротивление

Предположим, что индуктор подключен непосредственно к источнику переменного напряжения, как показано на рисунке 1. Разумно предположить, что сопротивление пренебрежимо мало, поскольку на практике мы можем сделать сопротивление индуктора настолько малым, что оно окажет незначительное влияние на схему.Также показан график зависимости напряжения и тока от времени.

Рис. 1. (a) Источник переменного напряжения, включенный последовательно с катушкой индуктивности, имеющей незначительное сопротивление. (б) График зависимости тока и напряжения на катушке индуктивности от времени.

График на Рисунке 1 (b) начинается с максимального напряжения. Обратите внимание, что ток начинается с нуля и повышается до своего пика после напряжения, которое им управляет, точно так же, как это было в случае, когда напряжение постоянного тока было включено в предыдущем разделе.Когда напряжение становится отрицательным в точке а, ток начинает уменьшаться; оно становится нулевым в точке b, где напряжение является самым отрицательным. Затем ток становится отрицательным, снова вслед за напряжением. Напряжение становится положительным в точке c и начинает делать ток менее отрицательным. В точке d ток проходит через ноль, когда напряжение достигает своего положительного пика, чтобы начать следующий цикл. Кратко это поведение можно описать следующим образом:

Напряжение переменного тока в индукторе

Когда на катушку индуктивности подается синусоидальное напряжение, оно опережает ток на одну четверть цикла или на фазовый угол 90º.

Ток отстает от напряжения, поскольку индукторы препятствуют изменению тока. При изменении тока возникает обратная ЭДС В = — L (Δ I / Δ t ). Это считается эффективным сопротивлением катушки индуктивности переменному току. Среднеквадратичный ток I через катушку индуктивности L определяется версией закона Ома:

[латекс] I = \ frac {V} {{X} _ {L}} \\ [/ latex],

, где В, — среднеквадратичное значение напряжения на катушке индуктивности, а X _L определяется как

.

[латекс] {X} _ {L} = 2 \ pi {fL} \\ [/ латекс],

с f частота источника переменного напряжения в герцах (анализ схемы с использованием правила петли Кирхгофа и вычислений фактически дает это выражение). X _L называется индуктивным реактивным сопротивлением , потому что катушка индуктивности препятствует прохождению тока. X _L имеет единицы измерения Ом (1 Гн = 1 Ом с, так что частота, умноженная на индуктивность, имеет единицы (циклов / с) (Ом ⋅ с) = Ом)), что соответствует его роли в качестве эффективное сопротивление. Логично, что X _L пропорционально L , поскольку чем больше индукция, тем больше его сопротивление изменениям.Также разумно, что X _L пропорционально частоте f , поскольку большая частота означает большее изменение тока. То есть Δ I / Δ t является большим для больших частот (большие f , маленькие Δ t ). Чем больше изменение, тем больше сопротивление катушки индуктивности.

Пример 1. Расчет индуктивного сопротивления, а затем тока

(a) Рассчитайте индуктивное сопротивление 3.Индуктор 00 мГн при подаче переменного напряжения 60,0 Гц и 10,0 кГц. (b) Каков среднеквадратичный ток на каждой частоте, если приложенное действующее напряжение составляет 120 В?

Стратегия

Индуктивное реактивное сопротивление находится непосредственно из выражения X _L = 2πf L . Как только X _L найден на каждой частоте, можно использовать закон Ома, как указано в уравнении I = V / X _L , чтобы найти ток на каждой частоте.

Решение для (a)

Ввод частоты и индуктивности в уравнение X _L = 2πf L дает

X _L = 2πf L = 6,28 (60,0 / с) (3,00 мГн) = 1,13 Ом при 60 Гц.

Аналогично, на 10 кГц,

X _L = 2πf L = 6,28 (1,00 × 10 ⁴ / с) (3,00 мГн) = 188 Ом при 10 кГц.

Решение для (b)

Среднеквадратичное значение тока теперь определяется с использованием версии закона Ома в уравнении I = В / X _L , при условии, что приложенное действующее напряжение составляет 120 В.Для первой частоты это дает

[латекс] I = \ frac {V} {{X} _ {L}} = \ frac {120 \ text {V}} {1.13 \ text {} \ Omega} = 106 \ text {A at} 60 \ текст {Hz} \\ [/ latex].

Аналогично, на 10 кГц,

[латекс] I = \ frac {V} {{X} _ {L}} = \ frac {120 \ text {V}} {188 \ text {} \ Omega} = 0,637 \ text {A at} 10 \ текст {кГц} \\ [/ latex].

Обсуждение

Катушка индуктивности по-разному реагирует на двух разных частотах. На более высокой частоте его реактивное сопротивление велико, а ток невелик, что соответствует тому, как катушка индуктивности препятствует быстрому изменению.Таким образом, наиболее затруднены высокие частоты. Индукторы могут использоваться для фильтрации высоких частот; например, большую катушку индуктивности можно включить последовательно с системой воспроизведения звука или последовательно с вашим домашним компьютером, чтобы уменьшить высокочастотный звук, выводимый из ваших динамиков или высокочастотные всплески мощности на ваш компьютер.

Обратите внимание, что, хотя сопротивлением в рассматриваемой цепи можно пренебречь, переменный ток не очень велик, потому что индуктивное реактивное сопротивление препятствует его протеканию.С переменным током нет времени, чтобы ток стал слишком большим.

Конденсаторы и емкостное сопротивление

Рассмотрим конденсатор, подключенный непосредственно к источнику переменного напряжения, как показано на рисунке 2. Сопротивление такой цепи можно сделать настолько малым, что оно окажет незначительное влияние по сравнению с конденсатором, и поэтому мы можем предположить, что сопротивление незначительно. Напряжение на конденсаторе и ток показаны на рисунке как функции времени.

Рисунок 2.(а) Источник переменного напряжения, включенный последовательно с конденсатором С, имеющим незначительное сопротивление. (б) График зависимости тока и напряжения на конденсаторе от времени.

График на Рисунке 2 начинается с максимального напряжения на конденсаторе. В этот момент ток равен нулю, потому что конденсатор полностью заряжен и останавливает поток. Затем напряжение падает, а ток становится отрицательным по мере разряда конденсатора. В точке а конденсатор полностью разряжен (на нем Q = 0 ), и напряжение на нем равно нулю.Ток остается отрицательным между точками a и b, вызывая обратное напряжение на конденсаторе. Это завершается в точке b, где ток равен нулю, а напряжение имеет самое отрицательное значение. Ток становится положительным после точки b, нейтрализуя заряд конденсатора и доводя напряжение до нуля в точке c, что позволяет току достичь своего максимума. Между точками c и d ток падает до нуля, когда напряжение достигает своего пика, и процесс начинает повторяться. На протяжении всего цикла напряжение соответствует тому, что делает ток, на одну четверть цикла:

Напряжение переменного тока в конденсаторе

Когда на конденсатор подается синусоидальное напряжение, оно следует за током на одну четверть цикла или на фазовый угол 90º.

Конденсатор влияет на ток, имея возможность полностью его остановить, когда он полностью заряжен. Поскольку применяется переменное напряжение, возникает среднеквадратичный ток, но он ограничивается конденсатором. Это считается эффективным сопротивлением конденсатора переменному току, поэтому среднеквадратичный ток I в цепи, содержащей только конденсатор C , определяется другой версией закона Ома равным

.

[латекс] I = \ frac {V} {{X} _ {C}} \\ [/ latex],

, где В — среднеквадратичное напряжение, а X _C определено (Как и в случае с X _L , это выражение для X _C является результатом анализа цепи используя правила и исчисление Кирхгофа) равным

[латекс] {X} _ {C} = \ frac {1} {2 \ pi fC} \\ [/ latex],

, где X _C называется емкостным реактивным сопротивлением , потому что конденсатор препятствует прохождению тока. X _C имеет единицы измерения Ом (проверка оставлена ​​в качестве упражнения для читателя). X _C обратно пропорционально емкости C ; Чем больше конденсатор, тем больший заряд он может накапливать и тем больше может протекать ток. Она также обратно пропорциональна частоте f ; чем выше частота, тем меньше времени остается для полной зарядки конденсатора, и поэтому он меньше препятствует току.

Пример 2. Расчет емкостного реактивного сопротивления, а затем тока

(a) Рассчитайте емкостное реактивное сопротивление конденсатора 5,00 мФ при приложении переменного напряжения 60,0 Гц и 10,0 кГц. (b) Каков среднеквадратичный ток, если приложенное действующее напряжение составляет 120 В?

Стратегия

Емкостное реактивное сопротивление находится непосредственно из выражения в [latex] {X} _ {C} = \ frac {1} {2 \ pi fC} \\ [/ latex]. Как только X _C найден на каждой частоте, закон Ома сформулирован как I = V / X _C , можно использовать для определения тока на каждой частоте.

Решение для (a)

Ввод частоты и емкости в [латекс] {X} _ {C} = \ frac {1} {2 \ pi fC} \\ [/ latex] дает

[латекс] \ begin {array} {lll} {X} _ {C} & = & \ frac {1} {2 \ pi fC} \\ & = & \ frac {1} {6.28 \ left (60.0 / \ text {s} \ right) \ left (5.00 \ text {} \ mu \ text {F} \ right)} = 531 \ text {} \ Omega \ text {at} 60 \ text {Hz} \ end {массив }\\[/латекс].

Аналогично, на 10 кГц,

[латекс] \ begin {array} {lll} {X} _ {C} & = & \ frac {1} {2 \ pi fC} = \ frac {1} {6.{4} / \ text {s} \ right) \ left (5,00 \ mu \ text {F} \ right)} \\ & = & 3,18 \ text {} \ Omega \ text {at} 10 \ text {кГц} \ end {array} \\ [/ latex].

Решение для (b)

Среднеквадратичное значение тока теперь определяется с использованием версии закона Ома в I = В / X _C , учитывая приложенное действующее напряжение 120 В. Для первой частоты это дает

[латекс] I = \ frac {V} {{X} _ {C}} = \ frac {120 \ text {V}} {531 \ text {} \ Omega} = 0,226 \ text {A at} 60 \ текст {Hz} \\ [/ latex].

Аналогично, на 10 кГц,

[латекс] I = \ frac {V} {{X} _ {C}} = \ frac {120 \ text {V}} {3.18 \ text {} \ Omega} = 3.37 \ text {A at} 10 \ текст {Hz} \\ [/ latex].

Обсуждение

Конденсатор очень по-разному реагирует на двух разных частотах, а индуктор реагирует прямо противоположным образом. На более высокой частоте его реактивное сопротивление мало, а ток велик. Конденсаторы одобряют изменения, тогда как индукторы противодействуют изменениям. Конденсаторы больше всего препятствуют низким частотам, поскольку низкая частота позволяет им успеть зарядиться и остановить ток.Конденсаторы можно использовать для фильтрации низких частот. Например, конденсатор, включенный последовательно с системой воспроизведения звука, избавляет ее от гула 60 Гц.

Хотя конденсатор в основном представляет собой разомкнутую цепь, в цепи с напряжением переменного тока, приложенным к конденсатору, присутствует среднеквадратичный ток. Это связано с тем, что напряжение постоянно меняет направление, заряжая и разряжая конденсатор. Если частота стремится к нулю (DC), X _C стремится к бесконечности, и ток равен нулю после зарядки конденсатора.На очень высоких частотах реактивное сопротивление конденсатора стремится к нулю — он имеет незначительное реактивное сопротивление и не препятствует току (действует как простой провод). Конденсаторы имеют противоположное влияние на цепи переменного тока, чем индукторы .

Резисторы в цепи переменного тока

В качестве напоминания рассмотрим Рисунок 3, на котором показано напряжение переменного тока, приложенное к резистору, и график зависимости напряжения и тока от времени. Напряжение и ток равны точно в фазе в резисторе.Отсутствует частотная зависимость поведения простого сопротивления в цепи:

Рис. 3. (a) Источник переменного напряжения, включенный последовательно с резистором. (b) График зависимости тока и напряжения на резисторе от времени, показывающий, что они точно совпадают по фазе.

Напряжение переменного тока на резисторе

Когда на резистор подается синусоидальное напряжение, напряжение точно совпадает по фазе с током — они имеют фазовый угол 0 °.

Сводка раздела

• Для катушек индуктивности в цепях переменного тока мы обнаруживаем, что когда на индуктор подается синусоидальное напряжение, оно опережает ток на одну четверть цикла или на фазовый угол 90 °.
• Сопротивление катушки индуктивности изменению тока выражается как сопротивление переменному току.
• Закон Ома для катушки индуктивности

  [латекс] I = \ frac {V} {{X} _ {L}} \\ [/ latex],

  , где В, — среднеквадратичное значение напряжения на катушке индуктивности.

• X _L определяется как индуктивное реактивное сопротивление, определяемое по формуле

  [латекс] {X} _ {L} = 2 \ pi fL \\ [/ латекс],

  с f частота источника переменного напряжения в герцах.

• Индуктивное реактивное сопротивление X _L выражается в единицах Ом и имеет наибольшее значение на высоких частотах.
• Для конденсаторов мы обнаруживаем, что когда на конденсатор подается синусоидальное напряжение, напряжение следует за током на одну четверть цикла или на фазовый угол 90º.
• Поскольку конденсатор может останавливать ток при полной зарядке, он ограничивает ток и предлагает другую форму сопротивления переменному току; Закон Ома для конденсатора

  [латекс] I = \ frac {V} {{X} _ {C}} \\ [/ latex],

  , где В, — среднеквадратичное значение напряжения на конденсаторе.

• X _C определяется как емкостное реактивное сопротивление, определяемое по формуле

  [латекс] {X} _ {C} = \ frac {1} {2 \ pi fC} \\ [/ latex].

• X _C имеет единицы измерения Ом и имеет наибольшее значение на низких частотах.

Концептуальные вопросы

1. Пресбиакузис — это возрастная потеря слуха, которая постепенно влияет на высокие частоты. Усилитель слухового аппарата предназначен для равномерного усиления всех частот. Чтобы отрегулировать его мощность на пресбиакузис, включите ли вы конденсатор последовательно или параллельно динамику слухового аппарата? Объяснять.

2. Будете ли вы использовать большую индуктивность или большую емкость последовательно с системой для фильтрации низких частот, таких как гул 100 Гц в звуковой системе? Объяснять.

3. Высокочастотный шум в сети переменного тока может повредить компьютеры. Использует ли съемный блок, предназначенный для предотвращения этого повреждения, большую индуктивность или большую емкость (последовательно с компьютером) для фильтрации таких высоких частот? Объяснять.

4. Зависит ли индуктивность от тока, частоты или и того, и другого? А как насчет индуктивного сопротивления?

5. Объясните, почему конденсатор на рисунке 4 (a) действует как фильтр низких частот между двумя цепями, тогда как конденсатор на рисунке 4 (b) действует как фильтр высоких частот.

Рисунок 4. Конденсаторы и катушки индуктивности. Конденсатор с высокой и низкой частотой.

6. Если конденсаторы на Рисунке 4 заменить катушками индуктивности, какой фильтр действует как фильтр низких частот, а какой — как фильтр высоких частот?

Задачи и упражнения

1. На какой частоте индуктор 30,0 мГн будет иметь реактивное сопротивление 100 Ом?

2. Какое значение индуктивности следует использовать, если требуется реактивное сопротивление 20,0 кОм при частоте 500 Гц?

3.Какую емкость следует использовать для получения реактивного сопротивления 2,00 МОм при 60,0 Гц?

4. На какой частоте конденсатор 80,0 мФ будет иметь реактивное сопротивление 0,250 Ом?

5. (a) Найдите ток через катушку индуктивности 0,500 Гн, подключенную к источнику переменного тока 60,0 Гц, 480 В. (б) Каким будет ток на частоте 100 кГц?

6. (a) Какой ток течет, когда источник переменного тока 60,0 Гц, 480 В подключен к конденсатору 0,250 мкФ? (b) Каким будет ток на частоте 25,0 кГц?

7. А 20.Источник 0 кГц, 16,0 В, подключенный к катушке индуктивности, вырабатывает ток 2,00 А. Что такое индуктивность?

8. Источник 20,0 Гц, 16,0 В вырабатывает ток 2,00 мА при подключении к конденсатору. Какая емкость?

9. (a) Катушка индуктивности, предназначенная для фильтрации высокочастотного шума от источника питания, подаваемого на персональный компьютер, включается последовательно с компьютером. Какая минимальная индуктивность должна обеспечивать реактивное сопротивление 2,00 кОм для шума 15,0 кГц? (б) Каково его реактивное сопротивление при 60?0 Гц?

10. Конденсатор на рисунке 4 (а) предназначен для фильтрации низкочастотных сигналов, препятствуя их передаче между цепями. (а) Какая емкость необходима для создания реактивного сопротивления 100 кОм при частоте 120 Гц? (b) Каким будет его реактивное сопротивление на частоте 1,00 МГц? (c) Обсудите значение ваших ответов на (a) и (b).

11. Конденсатор на рисунке 4 (b) будет фильтровать высокочастотные сигналы, замыкая их на землю / землю. (a) Какая емкость необходима для получения реактивного сопротивления [латекса] \ text {10.0 м \ Omega} [/ latex] для сигнала 5,00 кГц? (б) Каким будет его реактивное сопротивление при 3,00 Гц? (c) Обсудите значение ваших ответов на (a) и (b).

12. Необоснованные результаты При регистрации напряжений, вызванных мозговой активностью (ЭЭГ), сигнал 10,0 мВ с частотой 0,500 Гц подается на конденсатор, создавая ток 100 мА. Сопротивление незначительное. а) Какая емкость? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какое предположение или предпосылка ответственны?

13. Создайте свою проблему Рассмотрите возможность использования индуктора последовательно с компьютером, работающим от электричества 60 Гц. Постройте задачу, в которой вы вычисляете относительное снижение напряжения входящего высокочастотного шума по сравнению с напряжением 60 Гц. Среди вещей, которые следует учитывать, — допустимое последовательное реактивное сопротивление катушки индуктивности для мощности 60 Гц и вероятные частоты шума, проходящего через линии электропередач.

Глоссарий

индуктивное сопротивление:

противодействие катушки индуктивности изменению тока; рассчитывается по X _L = 2π fL

емкостное реактивное сопротивление:

сопротивление конденсатора изменению тока; рассчитывается по [latex] {X} _ {C} = \ frac {1} {2 \ pi fC} \\ [/ latex]

Избранные решения проблем и упражнения

1.531 Гц

3. 1,33 нФ

5. (а) 2,55 А (б) 1,53 мА

7. 63,7 мкГн

9. (а) 21,2 мГн (б) 8,00 Ом

California Instruments CS Series — Источник переменного тока

Обзор продукта

Серия CS представляет собой усовершенствованный источник переменного тока, отвечающий растущим требованиям производителей к тестированию продуктов с использованием реальных профилей тока. Комбинируя усилители крутизны истинного тока с усовершенствованным цифровым контроллером и анализатором мощности гармоник, источники тока серии CS способны выполнять тесты, которые традиционно было бы трудно выполнить.

Серия CS полностью управляется микропроцессором и может управляться с простой клавиатуры на передней панели. Аналоговая ручка, расположенная рядом с буквенно-цифровым ЖК-дисплеем с подсветкой, позволяет динамически увеличивать или уменьшать выходной ток или частоту. Благодаря точному программированию и регулированию тока, высокому выходному току, многофазному режиму и встроенным функциям измерения анализатора мощности, источники переменного тока серии CS подходят для многих приложений тестирования переменного тока. Дополнительные функции, такие как генерация сигналов произвольной формы и переходных процессов, делают серию CS идеальным источником для сложных производственных испытаний.

Все источники переменного тока серии CS оснащены интерфейсами дистанционного управления IEEE-488 (GPIB), USB и RS232C и поддерживают программирование на языке команд SCPI. Интерфейс Ethernet не является обязательным (опция -LAN).

Основные характеристики

• Прецизионный источник тока:
  Идеально подходит для тестирования устройств токовой защиты
• Однофазный и трехфазный режимы:
  Встроенный переключатель фазового режима делает
  конфигурация вывода easy
• Уровни мощности от 3 кВА до 18 кВА:
  Подберите источник питания и стоимость в соответствии с
  требования к приложению
• Генератор сигналов произвольной формы:
  Тестируйте продукты, используя ток в реальном мире
  профили с учётом гармонических токов
• Встроенный анализатор мощности:
  Выполняет гармонику напряжения и тока
  анализ и получение формы сигнала
• Стандарт IEEE-448, USB и RS232C:
  Интерфейс дистанционного управления для системной интеграции ATE

Программный пакет

• GUI:
  Позволяет пользователям получить доступ к мощным
  особенности и функции инструмента
  в системе Windows ™
• Программируемые переходные процессы:
  Контроль амплитуды и времени до
  Разрешение 1 мс

Текущий контроль

В серии CS используется настоящая обратная связь по току.Это значительно отличается от многих общедоступных источников питания переменного тока, в которых используется схема обратной связи по напряжению в сочетании с режимом работы с постоянным током. Такие источники питания регулируют выходное напряжение, чтобы попытаться поддержать требуемый уровень тока (ток, управляемый напряжением). Эти источники тока, управляемые напряжением, имеют конечное время отклика на внезапные изменения импеданса, что обычно приводит к превышению или понижению динамического тока при изменении импеданса нагрузки. Источник тока с управляемым током не страдает от задержки срабатывания и всегда будет поддерживать ток на заданном уровне, независимо от переходных условий нагрузки.Максимальное допустимое напряжение, поддерживаемое серией CS, составляет 135 В. При необходимости можно запрограммировать более низкий уровень напряжения срабатывания.

Генерация сигналов

Серия CS предоставляет сигналы синусоидальной, ограниченной синусоидальной и прямоугольной формы в дополнение к сигналам произвольной формы, определяемым пользователем. Формы гармонических сигналов можно использовать для проверки чувствительности испытуемого устройства к гармоническому току. С помощью прилагаемого программного обеспечения Windows Instrument Control Software (ICS) определить формы гармонических сигналов так же просто, как указать относительную амплитуду и фазовый угол для каждой из 50 гармоник.Пользователь также может определять данные произвольной формы. Таким образом можно смоделировать сложные аномалии переменного тока. Сгенерированные точки данных формы сигнала загружаются ICS в источник переменного тока через IEEE-488, USB или шину RS232C. Можно сохранить до 50 сигналов, задаваемых пользователем, и присвоить им описательное имя для облегчения вызова. Загруженные осциллограммы сохраняются в энергонезависимой памяти для вызова по шине или с передней панели.

Переходное поколение

Для моделирования сложных текущих событий серия CS предлагает список переходных шагов.Эти шаги можно запрограммировать с передней панели или загрузить через интерфейс с помощью прилагаемого программного обеспечения. ICS позволяет создавать библиотеки часто используемых последовательностей на диске для быстрого вызова. После загрузки переходную программу можно запустить с ПК или с передней панели. Генерация переходных процессов переменного тока позволяет анализировать влияние быстрых изменений тока, частоты и формы волны тока на тестируемое устройство. Комбинация переходных процессов и определяемых пользователем сигналов произвольной формы создает мощную испытательную платформу для продуктов с питанием от переменного тока.

Измерения
Измерительная система серии CS основана на оцифровке в реальном времени осциллограмм напряжения и тока с использованием буфера выборок 4K. Данные оцифрованной формы сигнала обрабатываются цифровым сигнальным процессором для извлечения обычных значений нагрузки, таких как среднеквадратичное напряжение, среднеквадратичный ток, активная и полная мощность. Те же данные также используются для выполнения быстрого преобразования Фурье (БПФ) для извлечения амплитуды гармоники и фазового угла 50 гармоник.

Стандартные измерения

На передней панели или по шине доступны следующие стандартные измерения: частота, фаза, напряжение (среднеквадратичное значение), ток (среднеквадратичное значение), пиковое напряжение, пик-фактор напряжения, реальная мощность, полная мощность, коэффициент мощности.

Расширенные функции измерения

В дополнение к стандартным параметрам нагрузки, серия CS может измерять амплитуду напряжения и тока, а также фазовые гармоники.Также доступны общие гармонические искажения как напряжения, так и тока. По шине доступны расширенные результаты измерений, такие как содержание гармоник напряжения и тока для всех трех фаз. ICS можно использовать для сохранения и печати данных о гармониках в виде таблиц, гистограмм или временной области. Полученные осциллограммы напряжения и тока во временной области для каждой выходной фазы также могут быть отображены с помощью программного обеспечения. Отображаемые на ПК осциллограммы включают объединенное напряжение и ток, трехфазное напряжение, трехфазный ток и истинную мощность.Данные во временной области также доступны для передачи на ПК.

Графический интерфейс пользователя Windows

Программное обеспечение управления прибором (ICS) предлагает программный интерфейс на передней панели для работы с ПК под управлением Windows Vista ™, Windows XP ™ или Windows 2000 ™. В этом программном обеспечении доступны следующие функции:

• Устойчивое управление выходом (все параметры).
• Создание, запуск, сохранение и печать переходных программ.
• Создание и сохранение гармонических сигналов.
• Создание и сохранение сигналов произвольной формы.
• Измерьте и зарегистрируйте стандартные измерения.
• Захват и отображение сигналов напряжения и тока.
• Измерение, отображение, печать и регистрация гармонического напряжения и
• измерения тока.

Сильноточная и высокочастотная фильтрация с проходными конденсаторами

В сегодняшнем мире возрастающих электрических шумов, высокоскоростных логических схем и более чувствительных схем потребность в высокочастотной фильтрации шума особенно критична.Шум может попасть в цепь через внешние соединения, такие как входной источник питания или другие линии передачи в цепи. Кроме того, нежелательный шум может создаваться импульсным преобразованием мощности или другими схемами системы питания. Не меньшее беспокойство вызывает генерация электромагнитного излучения проектируемой системой. Эти приложения требуют фильтрации высокочастотного шума в соответствии с многочисленными отраслевыми или государственными стандартами и нормативами (FCC, IEC, MIL-STD, CE и т. Д.)). На рис. 1 показано, как силовой фильтр минимизирует влияние источников шума.

В этой статье будут рассмотрены основные методы сильноточной фильтрации и рентабельные методы достижения желаемых уровней шумоподавления. Мы рассмотрим токи от 50 А до более 400 А, потому что эти уровни обычно выше обычных проводов шасси. Проводники, используемые для этого уровня тока, представляют собой шины или провода сечением более 8 AWG (8 мм ² ). Мы будем рассматривать только высокопроизводительные фильтры (те, которые достигают вносимых потерь 40 дБ или более), потому что такой уровень фильтрации не может быть легко достигнут простым последовательным импедансом или индуктивностью, а достижение снижения на 40 дБ является минимальным требованием для большинства приложений. На рис. 2 показаны некоторые типичные сильноточные проходные конденсаторы; их физический размер увеличивается с текущим рейтингом.

Сильноточные проходные фильтры имеют характеристики, отличные от слаботочных проходных фильтров. Они крепятся контргайкой к панели и имеют большую площадь поперечного сечения электрода по сравнению с низковольтными вводами. Крепление проушин лучше всего выполнять с помощью резьбовых соединений. Важно, чтобы гайки электродов имели высокий крутящий момент, чтобы предотвратить выход из строя и обеспечить минимальное сопротивление для соединения проводов.Паяные и быстроразъемные язычки лучше всего отнести к проходам с более низким током. Фиг. 3a и 3b показаны, соответственно, проходной конденсатор с шиной и наконечником, а также проходной конденсатор с наконечником и зажимом для проволоки.

ОСНОВНАЯ ИНФОРМАЦИЯ ДЛЯ ФИЛЬТРА

Ключевым компонентом всех высокопроизводительных фильтров нижних частот является шунтирующая емкость. Подходящие уровни фильтрации обычно могут быть достигнуты с использованием фильтра C-типа, в котором фильтр может оставаться компактным и легким, при этом масштабирование остается относительно независимым от более высоких уровней тока.В качестве альтернативы может потребоваться π-фильтр, в котором используются катушки индуктивности, если есть большие различия в импедансе между линией и нагрузкой или требуются более высокие вносимые потери. Однако с повышением уровня тока увеличиваются и размер, и вес катушек индуктивности. Например, индуктор, рассчитанный на 40 А, может весить более 25 фунтов, а при увеличении до 200 А вес увеличивается более чем вдвое. Из-за большого размера и веса индуктивность не является предпочтительным решением для большинства систем, особенно для аэрокосмических или мобильных приложений.

Упрощенная принципиальная схема конденсатора показана на рис. 4 . Предполагаемая емкость обозначена буквой C. Мы должны принять во внимание три паразитных составляющих: ESL (эквивалентная последовательная индуктивность), которая уменьшает или устраняет действие фильтрации высоких частот; ESR (эквивалентное последовательное сопротивление), ограничивающее действие фильтрации высоких частот; и EPR (эквивалентное параллельное сопротивление), которое вызывает протекание тока утечки и обычно не является важным фактором эффективности фильтрации, хотя утечку необходимо учитывать и сохранять на приемлемо низком уровне.

Конденсатор

A имеет два критических параметра фильтрации: частоту среза и частоту собственного резонанса. Частота среза обычно основана на вносимых потерях 3 дБ и приблизительно равна:

, где f _co — желаемая частота среза в мегагерцах для фильтра емкости C (в пикофарадах).

Для фильтра C-типа вносимые потери увеличиваются на 20 дБ на каждый коэффициент 10 (декады) увеличения частоты выше f _co .Вносимые потери конденсатора составят 30 дБ примерно в 31,6 раза выше частоты среза. Таким образом, для емкости фильтра 220 000 пФ (220 нФ) f _co будет примерно 28,8 кГц. Вносимые потери будут составлять 20 дБ на 288 кГц и 30 дБ на 912 кГц. Эти частоты масштабируются обратно пропорционально емкости, поэтому конденсатор емкостью 22 нФ будет иметь f _co 288 кГц и вносимые потери 30 дБ на частоте 9,12 МГц.

Вносимые потери и частоты, упомянутые выше, соответствуют точности фильтрации примерно до 40 дБ.Однако вторым критическим параметром характеристик собственных резонансных частотных ограничений является увеличение вносимых потерь с увеличением частоты. Собственная резонансная частота является результатом резонанса конденсатора C с паразитной последовательной индуктивностью ESL. Эта индуктивность вызвана внутренней индуктивностью и любой длиной присоединения проводов. Управляющее уравнение для саморезонанса:

Где:

SRF = Собственная резонансная частота в Гц

C = емкость в F

L = Полная эквивалентная последовательная индуктивность в Гн

Индуктивность свинцового конденсатора трудно уменьшить до менее 4 нГн, особенно в сильноточных приложениях.SRF для выводного конденсатора 220 нФ в этом примере рассчитан примерно на 5,4 МГц. Одна из целей проходного конденсатора состоит в том, чтобы существенно снизить индуктивность выводов и любые эффекты саморезонанса.

На рис. 5 показаны характеристики фильтрации как выводных, так и проходных конденсаторов 220 нФ. Характеристики фильтрации для обоих конденсаторов практически идентичны, от частоты среза до SRF выводного конденсатора на ~ 4 МГц. Проходной канал продолжает увеличиваться и поддерживать вносимые потери на более высоких частотах, тогда как вывод с выводами имеет тенденцию иметь симметричную кривую с точкой перегиба на SRF.

После кратковременного пика эффективности фильтрации на SRF фильтрующее действие выводного конденсатора уменьшается примерно с той же скоростью, что и рост производительности, образуя V-образный график вносимых потерь. И наоборот, проходной конденсатор эффективно поддерживает вносимые потери и почти не проявляет признаков воздействия ESL.

На рис. 5 показано, как дискретный конденсатор с выводами работает хорошо только на низких частотах, в то время как проходной конденсатор имеет высокую эффективность фильтрации до 1 ГГц и выше.Эти результаты показывают, что этилированные конденсаторы подходят для фильтрации до 1 МГц или, возможно, 10 МГц, в то время как проходные конденсаторы расширяют диапазон фильтрации с высокими вносимыми потерями за пределы 1 ГГц.

ОГРАНИЧЕНИЯ СОЭ

Максимальное фильтрующее действие конденсатора обычно ограничивается ESR конденсатора. ESR 0,02 Ом будет ограничивать вносимые потери примерно до 62 дБ. Большинство высококачественных фильтрующих конденсаторов работают до этого уровня. Рис. 6 показывает ESR фильтра NexTek 220-нФ, испытанного в Рис.5 . Обратите внимание, как ESR ограничивает максимальные вносимые потери, что также отражено в рис. 5 плато около 60 дБ на частотах более 100 МГц.

Кривая вносимых потерь на рис. 5 показывает фильтр с шунтирующими конденсаторами первого порядка. Характеристики представляют собой частоту среза, основанную исключительно на значении емкости согласно уравнению 1, и крутизну вносимых потерь ~ 20 дБ / декаду. Если требуется больше вносимых потерь, есть три варианта:

• Увеличьте емкость, тем самым уменьшив частоту среза.

• Включите последовательную индуктивность, чтобы увеличить наклон кривой вносимых потерь. Номинал индуктивности должен быть оптимизирован для работы с емкостью конденсаторов и должен быть спроектирован в соответствии с критериями Баттерворта или Чебышева.

• Используйте катушки индуктивности небольшого размера, чтобы увеличить максимальные вносимые потери. Эти катушки индуктивности могут составлять примерно 10% от оптимизированных катушек индуктивности.

Для мощных приложений с более высокими требованиями к вносимым потерям наиболее эффективной схемой является π-фильтр, поскольку в них используется только одна последовательная катушка индуктивности и два относительно компактных конденсатора.

Увеличение емкости является предпочтительным методом для получения более высоких вносимых потерь на более низких частотах из-за минимального влияния с точки зрения размера, объема и экономики. Это особенно актуально для цепей постоянного тока напряжением 200 В или меньше. Увеличение емкости сместит зеленую кривую производительности на рис. 7, и обе кривые на рис. 5 влево, увеличивая вносимые потери в сторону более низких частот.

Для увеличения крутизны вносимых потерь требуется значительная последовательная индуктивность.Например, для улучшения характеристик ранее описанного проходного конденсатора π-фильтр Баттерворта может быть сконструирован с двумя конденсаторами 220 нФ и последовательной катушкой индуктивности 1,2 мГн. Производительность этого фильтра резко возрастет, а f _co снизится примерно до 14 кГц. Результатом будут вносимые потери 30 дБ на частоте 46 кГц, что примерно в три раза превышает частоту f _— . Однако размер и вес индуктора будут значительными, особенно для приложений с более высоким током.Оптимизированные вносимые потери π-фильтра показаны синей линией на рис. 7 .

Доступны катушки индуктивности с изменением индуктивности на ~ 10% от нулевого до полного тока. Объем такого индуктора примерно:

Vin ³ = 0,01 × ток × мкГн (3)

— или —

РАЗМЕР КРАЯ ИНДУКТОРА ДЛЯ π ФИЛЬТРОВ МАСШТАБА

В · см ³ = 0,16 × ток × мкГн

, где Vin ³ — приблизительный объем в кубических дюймах, а Vcm ³ — объем в кубических сантиметрах, ток — это номинальный ток катушки индуктивности в амперах, а мкГн — желаемая индуктивность.

Для увеличения фильтрации при больших токах и низких частотах требуются индукторы большего размера. Для слаботочных фильтров индуктивность 1 мГн очень проста в изготовлении и интеграции. Когда уровень тока превышает 50 А, индуктор представляет собой физические и экономические проблемы. Поскольку требования к уровню тока входят в диапазон от 200 до> 400 А, катушка индуктивности становится серьезной проблемой.

В таблице показан размер края индуктивности в см для оптимальных катушек индуктивности при различных частотах и ​​номинальных токах, необходимых для π-фильтра Баттерворта (кубический корень из объема, рассчитанный по формуле Eq.3 подчеркивает значительный размер и вес, требуемый при использовании индукторов). Для сравнения, объем проходного конденсаторного фильтра не увеличивается резко с увеличением тока или емкости.

Альтернативой оптимизированной катушке индуктивности является использование катушки индуктивности меньшего размера, приблизительно равной 10% от значения Баттерворта, чтобы увеличить наклон, а также максимальные вносимые потери. Это красная кривая на рис. 7 . График вносимых потерь показывает явный провал перед началом крутого наклона вносимых потерь.

NexTek усовершенствовал компактные сильноточные фильтры для многих приложений. Проходной фильтр обеспечивает высокую степень фильтрации и подходит для больших наконечников, проводов и шин.

ПОСМОТРЕТЬ ПРОВОДА!

Поскольку большие провода и шины могут оказывать значительное усилие на фильтр, в проходном конденсаторе NexTek используются конденсаторы с механической развязкой, которые выдерживают жесткие условия окружающей среды, такие как удары и вибрация, температурные удары и изменения атмосферного давления.

БОЛЬШОЕ ПРАВИЛО

Правильно настроенный фильтр должен обеспечивать требуемые вносимые потери в зависимости от частоты и выдерживать сквозной ток и приложенное напряжение с достаточным запасом. Цепь низкочастотной фильтрации должна быть сконцентрирована на сильноточных проходных конденсаторах, если требуются значительные вносимые потери на частотах выше 10 МГц и в случаях, когда проводник имеет ток 50 А или более. Простой проходной конденсатор обеспечит наиболее компактное решение для фильтрации самых высоких частот.

Чтобы отфильтровать самую низкую частоту, вызывающую беспокойство, следует использовать максимальное значение емкости. Если требуется больше вносимых потерь, можно использовать последовательные индукторы.

• Каждый провод, ведущий к фильтру и от него, может действовать как антенна и создавать тракт связи, который будет обходить фильтр и препятствовать высокопроизводительной фильтрации.

• Используйте экранирование, чтобы в полной мере реализовать преимущества фильтра, отделяя электрические помехи от одной стороны фильтра к другой.

• Используйте дискретные конденсаторы и катушки индуктивности для фильтрации частот ниже 1 МГц.

• Определите наименьшую интересующую частоту и начните со значения емкости, чтобы обеспечить на этой частоте не менее 20 дБ.

• Увеличьте емкость по мере необходимости для увеличения фильтрации в соответствии с совместимостью схемы.

• Используйте наибольшее значение емкости, которое будет работать в цепи, чтобы покрыть наименьшую интересующую частоту.

• Рассмотрите π-фильтр или фильтр более высокого порядка, если увеличенная емкость несовместима со схемой, или если требуется достижение еще больших вносимых потерь по сравнению с тем, что может быть достигнуто с помощью проходного конденсатора.

• Попытайтесь устранить ограничение увеличения емкости путем фильтрации на шине постоянного тока для устранения переменного тока утечки или уменьшения шума в источнике.

Высокочастотные проблемы в электронике | Руководство по дизайну

В этой статье рассматриваются некоторые важные вопросы проектирования высокочастотных электронных схем и общепринятые методы их устранения.

Электронные схемы по-разному ведут себя на высоких частотах. В основном это происходит из-за изменения поведения пассивных компонентов (резисторов, катушек индуктивности и конденсаторов) и паразитных воздействий на активные компоненты, дорожки печатной платы и схемы заземления на высоких частотах. Изменение поведения также вызывает проблемы с электромагнитными помехами (EMI). В этой статье обсуждаются эти эффекты и некоторые часто применяемые методы их смягчения.

Идеальные компоненты

Резистор

Во временной области мгновенные напряжение и ток для идеального резистора связаны соотношением:

v = iR ——- (1)

, где R — сопротивление, а v — энергия, теряемая на единицу заряда, когда она течет от положительного вывода к отрицательному.Потерянная энергия преобразуется резистором в тепло.

В частотной области векторы синусоидальных напряжений и токов связаны соотношением:

В = ИК ———- (2)

Таким образом, соотношение напряжения и тока не зависит от частоты.

Рис.1: Соотношение напряжения и тока для идеального резистора

Индуктор (элемент накопления энергии)

Во временной области соотношение напряжение-ток для идеальной катушки индуктивности составляет:

v = Ldi / dt ——— (3)

где L — индуктивность, а t — время.

Поскольку v — это энергия, теряемая на единицу заряда, когда заряд течет от положительного вывода к отрицательному, эта энергия используется для увеличения тока в соответствии с приведенным выше уравнением. Магнитное поле внутри катушки индуктивности пропорционально току. Следовательно, энергия используется для создания магнитного поля и сохраняется в магнитном поле.

В частотной области векторы синусоидальных напряжений и токов связаны соотношением:

В = j (Lω) × I ——– (4)

, где L — индуктивность в Генри, ω — угловая частота источника синусоидального напряжения в радианах в секунду и j = √ – 1

Следовательно, соотношение напряжения и тока для катушек индуктивности зависит от частоты.

Рис.2: Соотношение напряжения и тока для идеального индуктора

Конденсатор (элемент накопления энергии)

Во временной области напряжение и ток идеального конденсатора связаны следующим образом:

, где q — заряд, накопленный на конденсаторе в момент времени t, c — емкость и t — время.

Заряд, накопленный на конденсаторе, создает электрическое поле между пластинами конденсатора, и, таким образом, конденсатор накапливает энергию в виде электрического поля.

В частотной области векторы синусоидальных напряжений и токов связаны соотношением:

, где C — емкость в Фарадах, угловая частота источника синусоидального напряжения в радианах в секунду и j = √ – 1

Следовательно, соотношение напряжение-ток для конденсатора зависит от частоты.

Рис. 3: Зависимость напряжения от тока для идеального конденсатора

Поведение компонентов на высоких частотах

Провода

На высоких частотах провода ведут себя как индукторы (противодействуя изменениям тока) помимо своего естественного низкого значения сопротивления.

Рис.4: Эквивалентная схема для провода на высокой частоте

Резисторы

На высоких частотах резисторы, помимо своего естественного сопротивления, ведут себя как последовательные катушки индуктивности (противодействующие изменениям тока) и параллельные конденсаторы (противодействующие изменениям напряжения).

Рис.5: Эквивалентная схема резистора на высокой частоте

Катушки индуктивности

На высоких частотах катушки индуктивности помимо своей собственной индуктивности ведут себя как последовательные резисторы и параллельные конденсаторы.

Рис.6: Эквивалентная схема для индуктора на высокой частоте

Конденсаторы

На высоких частотах конденсаторы, помимо своей естественной емкости, ведут себя как последовательные резисторы и последовательные индукторы.

Рис. 7: Эквивалентная схема для конденсатора на высокой частоте

Таким образом, простые соотношения напряжение / ток для идеальных компонентов больше не действительны на высоких частотах, и следует использовать подходящие методы анализа цепей, заменив их их высокочастотными эквивалентными схемами.

Дорожки печатной платы

Дорожки

на печатной плате ведут себя как провода на низких частотах. Такое поведение больше не поддерживается на высоких частотах. Чтобы понять это поведение, вы должны понять, как сигнал передается от источника к приемнику, и теорию линии передачи. На рис. 8 показан источник / драйвер, доставляющий сигнал на нагрузку / приемник по проводам (показаны линиями).

Рис. 8: Дорожки печатной платы

На низких частотах соединительные провода от передатчика / источника к приемнику / нагрузке имеют очень низкое сопротивление и действуют как короткое замыкание.Напряжение от источника подается непосредственно на приемник. Любое изменение напряжения в источнике мгновенно передается на приемник. Соответствующий ток течет от положительного вывода источника через соединительный провод, нагрузку и обратный провод к отрицательному выводу источника.

Значение тока зависит от напряжения источника и нагрузки.

Обычно источник и приемники представляют собой компоненты, припаянные на печатных платах, а соединительные провода представляют собой дорожки на печатных платах.Дорожки отправки и возврата на печатной плате ведут себя как линия передачи, если частота сигнала источника достаточно высока.

Модель линии передачи с сосредоточенными параметрами представляет линии передачи и возврата, имеющие сопротивление (R), индуктивность (L), емкость (C) и проводимость (G) на единицу длины.