2019 szeptember 18 - szerda

2.4.12.3. Parametrikus erősítő

A parametrikus rezgőkör tekercsből és kondenzátorból áll. Bármelyik elem módosításával parametrikus teljesítménygenerátort kaphatunk. Ezen az oldalon a kapacitás változtatásával megoldott parametrikus erősítő kapcsolásaival ismerkedhetsz meg. Ezeket Naudin készítette el és tesztelte. Mivel itt már szinte semmilyen megjegyzést nem fűzött a képekhez, ezért magam tettem meg ezt helyette.

Naudin három kapcsolást készített, s mivel mind a három működött, ezért mindegyiket megnézzük.

1. verzió

A kapcsolási rajz az 1. ábrán látható.

parmt100 2.4.12.3. Parametrikus erősítő

1. ábra. Az 1. verzió kapcsolási rajza

Az L1 tekercs adatai a következőek:

  • Átmérő: 49 mm
  • Magasság: 60 mm
  • Menetszám: 100 menet #22 (átmérő 0,71 mm) rézvezetékből
  • Légmagos
  • RL1 = 3,2 W
  • Induktivitás: 0,4 mH

A rezgőkör jósági tényezője az R2 ellenállás függvényében a következőképpen alakul:

  • ha R2 = 0 W, akkor Q = 3,7
  • ha R2 = 100 W, akkor Q = 4,9

Érdekes megfigyelni, hogy a rezgőkör jósági tényezője a tekercsel sorba kötött R2 terhelő ellenállás növekedésével javul.

Naudin a kapcsolásban két darab BB204 típusú feszültségvezérelt kapacitást (varikapot) alkalmazott. Mivel azok párhuzamosan vannak kötve, így az eredő kapacitásuk egy varikap kapacitásának a négyszerese lesz.

parmt100_1 2.4.12.3. Parametrikus erősítő

2. ábra. A parametrikus erősítő bemeneti és kimeneti jelei

Mint a 2. ábrán látjuk, a függvény generátor 330 kHz-es szinuszos pumpáló jeleket vezet a V1 feszültségforrás által záró irányban előfeszített varikap diódákra. Ezek a pumpáló jelek azonban valamelyest eltorzulnak a rezgőkör visszahatása következtében.

A 2. ábrán látható kimeneti jelek a tekercs A1-B pontjai között lettek mérve. Figyeljük meg, hogy a tekercsen mérhető feszültség amplitúdója a bemenetre adott 0,8 V-os pumpáló jelekhez képest 4,4 V-ra növekedett. A feszültségerősítés mértéke tehát 4,4 / 0,8 = 5,5.

parmt100_2 2.4.12.3. Parametrikus erősítő

3. ábra. A kimeneti feszültség (A1) és a kimeneti áram (B) viszonya

A 3. ábrán a tekercsen mérhető feszültséget (A1) és az R2 terhelő ellenálláson mért áramot (B) láthatjuk. Jól megfigyelhető a "Rezgőkörök" témakörnél kielemzett 90°-os fáziseltérés az áram és a feszültség között.

parmt100_3 2.4.12.3. Parametrikus erősítő
parmt100_4 2.4.12.3. Parametrikus erősítő
a;
b;

4. ábra. A rezgőkör parametrikus üzemmódban (a) és a varikap diódák rövidzárjával előidézett normál rezonancia üzemmódban (b)

Naudin kísérletként rövidre zárta a varikap diódákat. Ekkor egy normális rezonancia jött létre. (lásd a 4b. ábrát). A különbség jól nyomon követhető az amplitúdók változásánál. Míg a parametrikus rezonanciánál a tekercsen mérhető feszültség amplitúdó 4 V volt, addig a hagyományos rezonancia üzemmódban csak 1,6 V.

Az eredeti anyagot angol nyelven itt találod.

2. verzió

A kapcsolási rajz az 5. ábrán látható.

parmt210 2.4.12.3. Parametrikus erősítő

5. ábra. A 2. verzió kapcsolási rajza

A tekercs paraméterei megegyeznek az 1. verziónál megadottakkal. Az egyetlen változtatás az volt, hogy a négy varikap dióda nincs párhuzamosan kötve, csak kettő-kettő, így a pumpáló jel a leosztott varikap diódák középpontján keresztül jut a rezgőkörre. Mivel a varikap diódák bekötése megváltozott, ez megváltoztatta a rezgőkör eredő kapacitását, ami viszont a rezonancia frekvenciát feltolta 400 kHz-re.

Ezzel a változtatással sikerült Naudinnak elérnie, hogy a pumpáló szinuszos jel már nem torzult el a kimeneti jel hatására. Viszont a pumpáló frekvencia megegyezett a kimeneti jel frekvenciával, csak a fázisuk tért el egymástól 90°-kal. Ezt mutatja a következő ábra.

parmt210_1 2.4.12.3. Parametrikus erősítő

6. ábra. A pumpáló szinuszos jel (A2) már nem torzult el a kimeneti jel (A1) hatására

parmt210_2 2.4.12.3. Parametrikus erősítő

7. ábra. A tekercsen mérhető feszültség (A1) és az R2 terhelő ellenálláson mérhető áram (B) viszonya

Ez a verzió tehát még mindig nem volt tökéletes, mert itt nem jött létre a parametrikus rezgőkörök fontos kritériuma, azaz hogy a pumpáló jel frekvenciája a kétszerese legyen a rezonáló kör természetes frekvenciájának.

Az eredeti anyagot angol nyelven itt találod.

3. verzió

A kapcsolási rajz a 8. ábrán látható.

parmt310 2.4.12.3. Parametrikus erősítő

8. ábra. A 3. verzió kapcsolási rajza

A tekercs adatai megegyeznek az előző verziókéval, a különbség mindössze a jósági tényezőkben van. Itt a következő értékeket mérte Naudin:

  • ha R2 = 0 W, akkor Q = 9,9
  • ha R2 = 100 W, akkor Q = 7,2

Ebben az esetben a jósági tényező romlott valamelyest, mikor a terhelő ellenállást bekötötte a rezgőkörbe, míg az előző verzióknál épp ellenkezőleg, még javult is a Q a terhelés hatására.

A 9a. ábrán jól látható, hogy a bemeneti pumpáló jel feszültsége négyszög alakú, és hogy a frekvenciája a parametrikus rezgőkörök alapfeltételét kielégítő módon a duplája a rezgőkör természetes frekvenciájának. Azt is láthatjuk, hogy a négyszögjelben lévő felharmonikusok valamelyest eltorzítják a rezgőkörben mérhető feszültség alakját, de ez nem okoz különösebb problémát.

Határozzuk meg a befektetett feszültség értékét:

Ube = Ucspump / 2 = 12 V / 2 = 6 V

parmt310_1 2.4.12.3. Parametrikus erősítő
parmt310_2 2.4.12.3. Parametrikus erősítő
a;
b;

9. ábra. A bemeneti pumpáló feszültség és a tekercsen mérhető kimeneti feszültség (a), és a varikapok bemenetére jutó, R2-es ellenálláson mérhető bemeneti áram alakja (b)

A 9b. ábrán a varikapok bemenetére jutó, R2-es ellenálláson mérhető bemeneti áram alakja látható. Annak ellenére, hogy a jelgenerátor feszültsége a periódusidő feléig esik a varikapokon, az áram alakja már nem négyszög, hanem tüske alakú, majd a tüske lemenő élét egy lapos, fekvő háromszög alakú lefutás követi.

A bemeneti áramot már kissé összetettebb módon kapjuk meg:

Ibe = 0,5*(U/R2) * t/T + 0,5*(Ulefut/R2) * tlefut/T

Ibe = (0,5/(R2*T))*[(U * t) + (Ulefut * tlefut)]

Ibe = (0,5/(100 W * 1/(2*530000 Hz)))*[(2,4V*0,1*10-6 s) + (0,2 V * 0,8*10-6 s)]

Ibe = 0,00212 A = 2,12 mA

A negatív félhullámot ugyanígy kaphatjuk meg, viszont azt nem kell figyelembe vennünk, mert csak az általunk befektetett energia értékére vagyunk kíváncsiak.

Mivel ennél a 3. verziónál Naudin megadta a bemeneti áram görbéjét is, így rendelkezésünkre áll minden adat, hogy meghatározzuk a bemeneti teljesítményt:

Pbe = Ube * Ibe

Pbe = 6 V * 0,00212 A = 0,01272 W = 12,72 mW

Vizsgáljuk meg a kimeneti feszültséget és áramot a 10. ábrán.

parmt310_3 2.4.12.3. Parametrikus erősítő

10. ábra. A kimeneten mérhető feszültség (A1) és áramértékek (B)

A kimeneti feszültség és áram alakját vegyük az egyszerűség kedvéért tiszta szinusz alakúnak. Ekkor az effektív kimeneti teljesítményt a következőképpen határozhatjuk meg:

Pkieff = (Ukicsúcs / gyok 2.4.12.3. Parametrikus erősítő2) * (Ikicsúcs / gyok 2.4.12.3. Parametrikus erősítő2)

Pkieff = Ukicsúcs * Ikicsúcs / 2

Pkieff = (24 V * 1,3 V / 100 W) / 2

Pkieff = 0,156 W = 156 mW

A rendszer hatásfoka ezek szerint:

h = Pkieff / Pbe

h = 156 mW / 12,72 mW = 12,26 => 1226 %

Nem szabad azonban megfeledkeznünk arról, hogy ezt a kimeneti teljesítményt nem tudjuk közvetlenül hasznosítani. Ha a tekercsről vagy a kondenzátorról kicsatoljuk ennek a teljesítménynek egy részét, akkor az visszahat a rezgőkörben lévő áram és feszültségértékekre.

Naudin egy terhelő ellenállást (R1) kötött a rezgőkörbe. Tegyük fel, hogy ez egy izzólámpa. Ekkor már közvetlenül élvezhetjük ennek a kinyert energiának a hatását, hiszen azt tételezzük fel, hogy ennek az izzólámpának is 100 W az ellenállása. Számoljuk ki, hogy mekkora teljesítménnyel világítana az izzónk:

Pterh = Uterh * Iterh

Pterh = Uterh * (Uterh / Rterh)

Pterh = Uterhcs2 / (2 * Rterh)

Pterh = (1,3 V)2 / (2 * 100 W)

Pterh = 0,00845 W = 8,45 mW

A terhelő ellenálláson (R1) mérhető teljesítmény tehát sajnos kisebb a befektetettnél! Természetesen növelhetnénk az R1 értékét mondjuk a duplájára, s ekkor a rajta eső feszültség is megduplázódik, viszont akkor meg a keresztül folyó áram esne a felére. Ha viszont csökkentjük az ellenállást, akkor ennek pont az ellenkezője figyelhető meg, vagyis az áram növekedne, de a feszültségesés lecsökkenne.

parmt310_4 2.4.12.3. Parametrikus erősítő
parmt310_5 2.4.12.3. Parametrikus erősítő
a;
b;

11. ábra. Parametrikus rezonancia az F = 2 * F0 feltétel teljesülésekor (a), és a parametrikus rezonancia átmeneti induló és leálló állapotai (b)

A 11a. ábrán a 9a. ábrához hasonló mérést mutat be Naudin, mindössze a frekvencia értéke egy kicsit magasabb. A 11b. ábrán a parametrikus rezonancia induló és leálló állapotait mutatja be. Ehhez a méréshez még egy órajel generátorra szüksége volt Naudinnak, amely mintegy modulálta a bemeneti pumpáló jelet, azaz ki-be kapcsolgatta. Ez a kiegészítő generátor azonban nem szerepel a 8. ábrán bemutatott kapcsolási rajzon.

Az eredeti anyagot angol nyelven itt találod.

A parametrikus erősítés ingyenenergia kinyerési célra akkor lenne felhasználható, ha a rezgőkörből az energia kinyerése nem lenne kihatással magára a rezgőkörre!

Vajon mi történik, ha a pumpáló jelet nem a kapacitás, hanem az induktivitás megváltoztatásával próbáljuk elérni? Erről lesz szó a következő oldalakon.

Hozzászólok!

A weblap további használatával Ön beleegyezik a sütik használatába. További információ

A süti beállítások ennél a honlapnál engedélyezett a legjobb felhasználói élmény érdekében. Amennyiben a beállítás változtatása nélkül kerül sor a honlap használatára, vagy az "Elfogadás" gombra történik kattintás, azzal a felhasználó elfogadja a sütik használatát.

Bezárás