ТЕМА:

Здравствуйте, друзья. Прошу помощи у тех, кто неплохо знает теорию электрических цепей, изучал в институте или техникуме. Изотерика и тому подобное абсолютно не приветствуется. Буду безмерно благодарен за грамотную помощь и советы
Со своей стороны поделюсь некоторыми полезными моментами, которые обнаруживались походу моей работы.
Итак, работаю с катушкой Теслы, но в полуволновом исполнении, т.к. живу в квартире и нет доступа к заземлению.
Цель работы: постараться создать катушку, которая будет иметь собственную частоту колебаний (LC частота) такую, что в длину провода будет помещаться половина длины волны этой частоты. Это и есть совмещение LC и ВР. Об этом тут много спорили, то что это можно совместить - у меня никаких сомнений не вызывает, тем более Тесла сам делал именно так и неоднократно на это указывал. Цель работы так же состояла в том чтобы опробовать разные способы возбуждения этой катушки.
Теперь о параметрах катушки. У меня всегда вызывало удивление, когда читал про сложности при определении параметров катушки. У меня с самого начала их не было, я всегда строил катушки, которые давали фактические L и С c погрешностью не более 5% от расчетных. Если катушка простой формы, то есть цилиндрическая и постоянная, то ее индуктивность хорошо считает программа Coil32. Для начала надо узнать индуктивность на постоянном токе. Ее так же достаточно точно можно измерить тестером. Для определения реальной индуктивности перво-наперво надо знать в каком режиме она будет работать, если это классическая полуволновая Тесла, или биполярная, или любая другая, которая имеет целое число четвертьволн, или другими словами, имеет постоянную во времени форму тока, то надо ввести коэффициент корреляции. Например, если катушка имеет L1 на постоянном токе, то это надо умножить на коэффициент k, который будет являться отношением площади под кривой тока к площади прямоугольника S1, в который вписана данная кривая. Если ток в катушке синусоидальный, то этот коэффициент будет равен обратному от π/2, то есть k=0,636. Есть железобетонное правило: при любой форме тока и однородной цилиндрической катушке, для нахождения k надо всегда найти отношения площади под кривой тока по длине оси катушки к прямоугольнику в который она вписана. Но это справедливо только тогда, когда площадь под кривой тока постоянна, хоть сама кривая может иметь сколь угодно сложную форму. Когда площадь под кривой тока не постоянна - индуктивность не постоянна. Рисунок 1 и 2 иллюстрирует простой типичный и сложный случай. Мне никогда не приходилось иметь дело с какими-то сложными случаями расчета, ведь у правильно настроенной катушки Тесла ток - это четверть синусоиды, или n четвертей.
Теперь на счет собственной емкости: если катушка работает на частоте, при которой длина волны многократно больше длины витка - забудьте про межвитковую емкость. Да, она есть всегда, но в обычных катушках Тесла хорошо если дает 1% от всей емкости. Разность потенциалов между соседними витками в обычной катушки Тесла ничтожно мала, следовательно ничтожно малый заряд содержит межвитковая емкость. Катушку надо рассматривать как заряженный цилиндр, обязательно учитывая коэффициент корреляции k, его можно найти так же как для тока, только теперь берем кривую напряжения вместо кривой тока. Емкость на постоянном токе я считаю по этим данным (coil32.ru/self-capacitance.html), используя формулу (3) и таблицу под ней. Если у катушки имеется терминал, например в виде шара, то к посчитанной емкости добавляем обычную уединенную емкость шара, без всяких коэффициентов.
Следование этим правилам позволит заранее посчитать собственные L и С катушки, узнать ее собственную частоту с очень хорошей точностью.

Мной была сделана катушка (рис3) из алюминиевого эмальпровода диаметром 1,25мм длиной примерно 192 метра. Каркас - труба 10см. Длина катушки получилась 80см. На концах терминалы в виде алюминиевых дисков. Они необходимы для подстройки LC частоты. Длина провода катушки постоянна, именно изменением С я и хочу добиться совмещения. Как это происходит - будет показано ниже. Для полуволновой работы, необходимо, чтобы собственная частота катушки была около 775КГц. Возбуждал я ее разряжая конденсатор через полевой транцистор на первичную обмотку (рис4). Частота первичной части тоже была настроена на 775 КГц. На рис5 видно, что катушка совершает колебания на своей частоте, на транзистор подавался 1 импульс, этот импульс подобен удару молоточком о бакал, я использую импульс, используя генератор, можно случайно попасть на гармонику или вторичный резонанс, используя удар - всегда попадаешь на собственную частоту. На фото видно, что поближе к терминалам катушки (2 диска) были поставлены еще 2 диска, которые просто соединены проводом между собой. Приближение и отдаление дисков от терминалов давало подстройку собственной LC частоты катушки. При такой схеме, катушка имеет, кроме своей собственной, дополнительные емкости, кот
орые образует воздушный конденсатор из двух дисков на каждом конце, причем эти емкости соединены последовательно, и дают соответствующую общую добавку.
И все бы хорошо, но обнаружился ряд моментов. Первое: по длине провода катушки была детектирована скорость намного больше c, чего ,естественно, быть не может. После долгих раздумий, я пришел к выводу, что это происходит из-за расположения индуктора, то есть, индуктор возбуждает в катушке волну начиная не с одной точки (одном витке), а сразу в большом количестве витков, над которыми расположен, то есть, исходя из наблюдений, из общей длины катушки надо выкинуть см 15-20 витков по оси. Как же заставить волну начинать возбуждаться в проводе из одной точки? Ответить на вопрос помогло прочтение экспериментов Тесла в Колорадо. Он начал использовать 3 контура, то есть индуктор плюс вторичная обмотка, которая имела очень мало витков и экстра катушка, которая по сути и была основным резонатором. Тесла писал, что первичная и вторичная обмотка в данном случае - это просто трансформатор, а экстра катушка, причем она расположена под 90 градусов, или далеко от первых двух, уже совершает независимые колебания. Я не знаю точно почему Тесла перешел к этой конструкции, он писал про дополнительное увеличение напряжения, якобы на резонатор уже приходит повышенное трансформатором напряжение, вроде бы писал про легкое получение собственных колебаний резонатора, без влияний первичной части. Нигде не читал что у него была проблема с возбуждением, или со скоростью волны, или еще с чем-то раньше, но это было решением в моем случае. Теперь я разрезал провод своей катушки ровно посередине, зачищенные концы припаял к аудио разъему и сделал трансформатор на ферритовом кольце (рис6). Вторичная обмотка трансформатора - это и была искомая точка возбуждения. После первого же эксперимента, на осциллограмме колебаний катушки удалось добиться картины, при которой в ней было 2 колебания, или 2 частоты, причем одна из них была 775 КГц (рис7, смотри только желтый луч, на синий не обращай внимание). Причем LC частота должны была быть близкой к 775, это было ясно из расчетов и положения подстроечных дисков.
Казалось, что достаточно еще немного подстроить диски и наконец то появится ровная картина одного совмещенного колебания, но возникли проблемы именно в силовой части схемы. Я никогда не занимался электроникой или схемотехникой, пришлось все изучать с нуля по ходу дела, что отняло много сил, денег и времени. Далее я опишу проблемы, прошу опытных электронщиков помочь. Эти проблемы как технического, так и теоретического характера, но они не сложные.
Пока задавайте вопросы, следующим постом опишу эти проблемы, в благодарность за помощь в решении которых я поделюсь дальнейшими осциллограммами, итогом совмещения, так же расскажу полезные вещи по дизайну вторичной обмотки которые помогут ее сильно улучшить... Прошу проявлять уважения, у меня могут быть ошибки и я могу многого не знать, именно по этому я тут.

На счет скорости сигнала в проводе. Если есть цилиндрическая однослойная катушка, то можно рассматривать 2 скорости одной и той же волны, там нет никаких двух волн, холодного тока и т.д. Первая скорость намного меньше С, это скорость движения волны вдоль оси катушки. Если принять ее за Со, скорость течения тока по длине провода (обычно близко к С) за Сп, длину катушки по оси за lо, длину катушки по проводу за lп, то эти величины будут связаны следующим соотношением:
Сп/Со=lп/lo. На счет того, почему я детектировал скорость по проводу больше с, у меня написано в первом посте, возбуждение начиналось не в точке провода катушки, а сразу во многих витках, сумму длин которых надо вычесть из уравнения. В этом я точно не уверен, но не нахожу пока другого объяснения.
На осциллограмме у меня одна частота строго совпадает с длиной провода - 775КГц и не зависит от положения дисков, вторая зависит, она немного отличается, именно ее надо подстроить. Я вообще никогда не рассматриваю скорость волны по длине оси, мне она не нужна, я рассматриваю по длине провода. Это одна и та же волна, ее не надо рассматривать с двух точек зрения одновременно, только с одной, или с осевой или с точки зрения длины провода. Эти точки зрения будут равнозначны, просто в одной формуле будет длина по оси и маленькая скорость, во второй длина по проводу и скорость близкая к с.
Вообще я сам всегда удивлялся почему волна, если так выразиться, разматывает провод. По логике, ток, текущий в одном витке, имеет магнитное поле, линии которого выходят далеко за пределы этого витка и должны наводить токи во всех витках, на которое оно распространяется, но тем не менее, эксперимент показал, что волна именно разматывает провод. До сих пор для меня это выглядит странным.
Теперь главный вопрос, который сейчас тормозит всю работу. На рис 1 показан эскиз того как катушка подключена сейчас, намотка в одну сторону, катушка просто разрезана посередине. Для настройки часто использую тактовую кнопку, чтобы не брать в расчет паразитные свойства транзистора. Настроив отдельно частоту CLp на частоту катушки, после подключения трансформатора к катушке, частота CLp падает. Скорее всего, это происходит из-за внесения дополнительного сопротивления во вторичный контур. Я думал, что вносимое сопротивление будет равно волновому катушки, которое у меня примерно 6200 Ом. Теперь, взяв полную формулу частоты первичного контура (формула с учетом сопротивления), я закинул туда волновое катушки, результат даже близко не сошелся, он сходится если добавить туда 5 Ом, а у меня 6200. Потом я вспомнил, что контур на резонансной частоте (этот контур у меня это катушка) имеет только омическое входное сопротивление. Я не знаю точно, справедливо ли это в моем случае, или нет. Хорошо, омической всей катушки у меня примерно 4,65-4,85 Ом. Это близко к пяти, возможно, сопротивления не совпадают идеально, т.к. резонанс не полный, или замеры/расчеты с погрешностью, или я не учел скин эффект в катушке, что и добьет ее сопротивление до 5 Ом.
Еще момент, индуктивность вторичной обмотки возбуждающего трансформатора равна Ls = 1,47 мкГн, а индуктивность катушки примерно 4,4 мГн, то есть трансформатор добавляет тысячную долю к индуктивности катушки и сильно на нее не влияет.
Осталось последнее. Схема накачки, с ней возникло больше всего трудностей. Это опишу далее.

П.С. Еще, все эти разговоры про невозможность совмещения ВР и LC, про огромные добавочные емкости, или лишнюю индуктивность. Это все из-за того, что заранее не просчитывается катушка под эти условия, можно сделать катушку, которая сама по себе будет практически совмещенной. Однако небольшая погрешность будет всегда, поэтому всегда нужен механизм подстройки.

shaxel пишет: ......
Вообще я сам всегда удивлялся почему волна, если так выразиться, разматывает провод. По логике, ток, текущий в одном витке, имеет магнитное поле, линии которого выходят далеко за пределы этого витка и должны наводить токи во всех витках, на которое оно распространяется, но тем не менее, эксперимент показал, что волна именно разматывает провод. До сих пор для меня это выглядит странным.
.....

Виток с током стремится увеличить свои размеры . Следует из закона Ампера .

Мне думается, что расчет не будет точным, в реальности взаимодействие может быть не по закону сохранения импульса, а по приумножения, если одна обмотка допустим сильно быстрая, другая медленная.

Bezant пишет: Правда не очень понятно, каких чудес вы ждете от совмещения этих резонансов

Как бы это банально не звучало, жду того, о чем писал Мельниченко. Буду пытаться наложить волны. Позже, после того, как все настрою.

Давайте не загромождать тему и не превращать в помойку. Модератор, почисти плиз посты с видео, не относящиеся к теме.
На счет бифиляра. По моему мнению бифиляр не может быть хорошим резонатором, и она никогда для этого не была предназначена. В патенте Тесла US 512340 сказано, что в бифилярной обмотке многократно повышается межвитковая емкость. Так как добротность резонатора прямо пропорциональна волновому сопротивлению, самым плохим резонатором может быть резонатор с большой емкостью, на это Указывал Тесла прямым текстом. Если кто-то достаточно поработает с формулами, то это станет понятно. Мне этого уже достаточно чтобы ее не использовать. Может быть она имеет другую полезную особенность, но мне не известна и пока хватает того с чем работаю.
Если хотите чтобы я высказал свое мнение по вашей схеме, создайте тему, хорошо опишите установку, желательно с рисунком. отвечу если буду иметь что полезного добавить по теме.

Сегодня получил интересные данные. В прошлый раз первичный конденсатор был 21.8 nF. Сегодня решил еще раз посмотреть частоту отдельно первичного контура (первичная обмотка трансформатора + конденсатор, вторичная обмотка никуда не подключена) и получил другую частоту, по сравнению с той, что была несколько дней назад. Оказалось, что конденсатор, скорее всего, был пробит. Я заряжал его до 370 В примерно, а он рассчитан на 250 В. Проверка тестером показала 20.7 nF против 21.8 nF в прошлый раз.
Пришлось делать все замеры заново с другим конденсатором.
На этот раз
C1 = 25,65 nF (измерено тестером)
F1 = 833,3 KHz (по осциллографу)
L1 = 1,423 µH (по ф-ле Томсона)
индуктивность получилась на 3% меньше чем в прошлый раз, но это можно списать на погрешность измерений.
F2 = 288 KHz (вторичная обмотка + С1, первичная никуда не подключена)
L2 = 11,906 µH (по Томсону)
индуктивность меньше на 6% чем в прошлый раз, это уже странно.
Возможно, пересчет по формуле затухающих колебаний прояснит ситуацию, но пока это не сделано.
С подключенной основной катушкой (см. рисунок) колебания имели странный вид, как будто есть сильное биение. В прошлый раз осциллограмма имела другой вид.
Частота первичного контура с подключенной катушкой
F1к = 696,4 КHz
Теперь решил проверить, действительно ли катушка дает вносимое сопротивление примерно равное своему омическому. Катушка была отсоединени и вместо нее подключен резистор 5,1 Ом. Ожидал, что частота первичного контура будет близка к 696,4 КHz, но она оказалась 967,1 KHz.
C резистором 10,2 Ом она практически не изменилась.
Это может говорить об одном из двух: или вносимое сопротивление катушки не равно омическому, или катушка достаточно сильно расстроена по отношению к частоте первичного контура. Ведь колебательный контур имеет чисто омическое входное только при резонансе. Это очень важно выяснить. Надо определить на какую частоту сейчас настроена катушка. Наверное еще стоит все посчитать по полной формуле (учитывающей омическое сопротивление), а не по упрощенной формуле Томсона.
У кого какие мысли?

Конечно я бы не хотел ничего усложнять. С самого начала был обычный индуктор посередине, я даже сделал его на подобие лидцендрата. Но я рассказал почему решил заменить на трансформатор связи. Не сходились замеры сигнала к длине провода катушки. Скорость света получалась более 400 000 000 если правильно помню.
Что бы волна прошла всю длину провода, она должна начинаться (возбуждаться) в одной точке провода. Я подумал, что при обычном расположении индуктора, он возбуждает волну не в одном витке под собой, а в целой группе сразу, то есть, их суммарную длину надо вычесть из длины провода катушки. А длина провода - это одна из главных величин, которую к тому же желательно знать очень точно. Под нее надо подогнать волновой резонанс, под волновой - собственный LC. После замены на трансформатор, я сразу увидел на осциллограмме колебаний катушки одну частоту, которая почти точно совпала с длиной провода и скоростью света. Я не думаю, что замена обычного индуктора на трансформатор как-то усложнит схему, может быть даже упростит. Единственное, что в катушке будет некоторая неоднородность. Индуктивность вторичной обмотки трансформатора составляет менее 1/1000 от индуктивности катушки, на свой резонанс вряд ли как-то повлияет.
Если поискать, можно найти некоторые похожие компановки, которые пробовал Тесла в Колорадо.

Тем не менее, стоит признать, что, если в катушке будет стоячая волна, то если рассматривать именно ее, а не разделять на бегущие и отраженные, то она колеблется как-бы сразу во всех витках катушки сразу, только амплитуда будет не одинаковая во всех витках, меняться по синусоиде. Но как ни крути, что-то из всевозможных вариантов надо выбрать. Я выбрал с трансформатором связи.

Кстати, Тесла в Колорадо тоже пробовал разные исполнения. Одно из них действительно с шунтирующим конденсатором. Пока не буду касаться шунтирующего конденсатора. Надо пока разобраться с тем, что есть.

Vikt1 пишет: Не знаю какой конденсатор у вас, но пленочные, типа "восстанавливающиеся" подкидывают головоломки, особенно в резонансных питальниках.

Там на фото видно. Пленочный. Включал внепрерывном режиме, ватт 10-15 качал через него, сильно грелся, причем не выводы, а само тело. Надо вакуумные wima брать.

Сегодня начал просчитывать вчерашние результаты. Уже странный момент есть:
Первичная обмотка (при никуда не подключенной вторичной) с конденсатором C1 = 25,65 nF дала частоту 833,3 KHz.
Если считать по формуле Томсона, такую частоту с такой емкостью дает 1,423 µH.
Проблема в том, что по Coil32 и по другим калькуляторам, индуктивность первичной обмотки должна быть 0,540 µH.
Сердечник M30ВН 32х16х8, 4 витка.
Что за хрень? Я, если честно, в ферритах и их свойствах мало что понимаю, может феррит так влияет? Проницаемость феррита должна быть 75, чтоб вышло 1,423 µH. Амплитуда тока при такой схеме не должны превышать 2,73 А, может насыщение какое или еще что.
Вчера купил еще одно такое кольцо, попробую на нем чисто одну первичную обмотку намотать и потестить.
Если феррит так влияет, то однозначно на воздухе тогда мотать буду.

shaxel пишет: Конечно я бы не хотел ничего усложнять. С самого начала был обычный индуктор посередине, я даже сделал его на подобие лидцендрата. Но я рассказал почему решил заменить на трансформатор связи. Не сходились замеры сигнала к длине провода катушки. Скорость света получалась более 400 000 000 если правильно помню.
Что бы волна прошла всю длину провода, она должна начинаться (возбуждаться) в одной точке провода. Я подумал, что при обычном расположении индуктора, он возбуждает волну не в одном витке под собой, а в целой группе сразу, то есть, их суммарную длину надо вычесть из длины провода катушки. А длина провода - это одна из главных величин, которую к тому же желательно знать очень точно. Под нее надо подогнать волновой резонанс, под волновой - собственный LC. После замены на трансформатор, я сразу увидел на осциллограмме колебаний катушки одну частоту, которая почти точно совпала с длиной провода и скоростью света. Я не думаю, что замена обычного индуктора на трансформатор как-то усложнит схему, может быть даже упростит. Единственное, что в катушке будет некоторая неоднородность. Индуктивность вторичной обмотки трансформатора составляет менее 1/1000 от индуктивности катушки, на свой резонанс вряд ли как-то повлияет.
Если поискать, можно найти некоторые похожие компановки, которые пробовал Тесла в Колорадо.

Тем не менее, стоит признать, что, если в катушке будет стоячая волна, то если рассматривать именно ее, а не разделять на бегущие и отраженные, то она колеблется как-бы сразу во всех витках катушки сразу, только амплитуда будет не одинаковая во всех витках, меняться по синусоиде. Но как ни крути, что-то из всевозможных вариантов надо выбрать. Я выбрал с трансформатором связи.

Кстати, Тесла в Колорадо тоже пробовал разные исполнения. Одно из них действительно с шунтирующим конденсатором. Пока не буду касаться шунтирующего конденсатора. Надо пока разобраться с тем, что есть.

Нет там никакого шунтирующего конденсатора! Забудьте названия электриков! Это вторичный резонансный контур с резонансным конденсатором с удлинительными катушками на его концах.

По поводу не совпадения расчётов и реалий.
Ещё ни разу точно не совпал ни один расчет на программе с реальным замером приборами после изготовления так как влияет плотность намотки, и проницаемость основы катушки (труба или феррит) и прочее так, что после изготовления всегда подгон под нужные параметры.

Спасибо за информацию. Мне примерно понятно как работает такая топология.R2 и R3 должны быть одинаковыми. При равенстве R1 и Rx, ток через Vg не идет, то есть на нем нет напряжения. Если подаваемый на АС ток постоянный, то можно определить омическае сопротивление Rx, если переменное, то можно определить комплексное на этой частоте.
Хлтите ли Вы сказать, что таким методом можно определить входное сопротивление катушки (в моей топологии, как указано на моем рисунке), подключив ее своими выводами вместо Rx?
Недавно я серьезно задумался о том, что могу никогда не увидеть чистою синусоиду колебаний катушки лишь потому, что она может быть разрезана не точно по середине длины провода. Провод-провод...важнее всего точно знать его длину и разрезать четко пополам.
Ладно, буду работать дальше, сегодня гоняю по катушке генератором, синусоидой. Потом напишу, если будет что обсудить.

Юрий, голову людям хернёй не забивайте!
КСВ не предназначен для этого!

Shaxel, Юрий не помошник Вам в этой теме!
К тому же, хотите быстрее узнать резонансную частоту катушки подавайте на неё меандр, а не синус.