Устройство управления транзистором (качер-УТ)

Бровин В.И., Мачкин П.И.

КАЧЕР-технология и ее применение в науке и промышленности

Данная статья подготовлена в развитие содержания доклада [1], с которым автор выступил на четырнадцатой международной конференции: «Проблемы управления безопасностью сложных систем», проведенной 20 декабря 2006 года в г.Москве, в институте проблем управления Российской академии наук (ИПУ РАН).

В данной статье рассмотрены сущность, назначение, цели, задачи и применение в науке и промышленности новой отечественной комплексной технологии, основой которой является новое физическое явление по бесконтактной передаче энергии индуктивностей через магнитные моменты атомов вещества, находящегося в окружающем источник энергии пространстве, открытое, исследованное, описанное [2 - 6] и запатентованное автором этого открытия, - Бровиным В.И. [7, 8].

На основе этого нового физического явления можно создать новое по своим физическим свойствам и функциональным возможностям устройство (которое автор назвал качер, - качатель реактивностей [2, 4, 5]), и который (качер) в физическом виде его построения может быть реализован в форме:

- устройства управления транзистором (качер-УТ) [3];

- абсолютного датчика (качер-АД) [2, 4, 6];

- трансформатора постоянного тока (качер-ТПТ) [2];

- генератора электрического поля (качер-ГЭП) [2];

а также в виде нового способа передачи информации, реализованного в виде устройства индуктивной передачи информации (качер-ИПИ) [2, 4].

Качер и качер-процесс

Общим для всех этих устройств, объединяющим их между собой, является качер-процесс, под которым понимается процесс периодического формирования коротких импульсов тока с амплитудой в сотни ампер и длительностью в наносекунды. Использование же этого процесса для получения различных функциональных характеристик, позволяет создать различные по своим функциональным возможностям и назначению устройства: качер-УТ, качер-АД, качер-ТПТ, качер-ГЭП и качер-ИПИ.

Качер, в наиболее общем и простом виде его построения, состоит из двух частей, гальванически не связанных между собой (см. рис.1 и рис.2):

- индуктора, представляющего собой катушку (например, размерами 15*45 мм) из двух индуктивностей (L₁ - 1-я индуктивность, у которой А – начало, а Б – конец катушки; L₂ - 2-я индуктивность, у которой В – начало, а Г – конец катушки, - см. рис. 1.а), подключенных в электрические цепи транзистора VT (L₁ – в коллекторную цепь, а L₂ – в базовую цепь транзистора) во взаимопротивоположных направлениях, таким образом, чтобы конец Б индуктивности L₁ был подключен к коллектору транзистора, а ее начало А вместе с концом Г индуктивности L₂ были подключены к «+» источника питания, и начало B этой индуктивности было подключено к базе транзистора (см. рис. 2.а);

- приемника, представляющего собой катушку индуктивности L₃, у которой Д – начало, а Е – конец катушки, - см. рис. 1.б), подключенную последовательно с детектором (диодом VD) и RC-цепочкой (параллельно соединенными сглаживающей емкостью C и нагрузочным сопротивлением R_н) во вторичной электрической цепи этого устройства (см. рис. 2.б).

Таким образом, индуктор представляет собой первичную цепь качера, а приемник – вторичную.

Катушка индуктивностей индуктора	Катушка индуктивности приемника	Индуктор	Приемник

а)	б)	а)	б)
Рис. 1. Конструкция катушек индуктивностей качера		Рис. 2. Принципиальная электрическая схема одного из вариантов качера

Устройство управления транзистором (качер-УТ)

Рассмотрим практическую реализацию качера в виде устройства управления транзистором (качер-УТ), и проведем подробный анализ протекающих в нем процессов для раскрытия и описания внутренней сущности качер-процесса, являющегося основой функционирования всех остальных указанных выше устройств, построенных на его базе. Принципиальная электрическая схема качера-УТ представлена на рис. 3, в трех вариантах его практической реализации: на рис. 3.а – при включении источника смещения в базовую цепь транзистора, на рис. 3.б – при последовательном включении индуктивности в базовую цепь транзистора, на рис. 3.в – при параллельном включении индуктивности в базовую цепь транзистора.


а)	б)	в)
Рис. 3 Принципиальные электрические схемы качеров-УТ

Сущностью реализации качера в виде качера-УТ является возможность реализации в цепи индуктора качер-процесса. Достигается это за счет того, что на индуктивности, находящейся в коллекторной цепи транзистора, возникает ЭДС самоиндукции, которая выступает в качестве блокиратора выноса носителей из базы через коллектор, обеспечивая тем самым накопление основного количества носителей в базе транзистора в течение некоторого временного интервала. Это накопление происходит до тех пор, пока внутренний потенциал базы не сравняется с потенциалом источника смещения, находящегося в базовой цепи транзистора. При наступлении равенства этих потенциалов происходит короткое замыкание источника питания через гальваническую связь коллектор-эмиттер и находящуюся в коллекторной цепи транзистора индуктивность, которое (короткое замыкание) сопровождается выносом накопившихся носителей из объема базы под воздействием электрического поля источника питания в коллекторной цепи транзистора. При этом амплитуда и длительность импульса тока короткого замыкания определяется количеством носителей, накопившихся в базе транзистора и омическим сопротивлением цепи короткого замыкания. А так как омическое сопротивление индуктивности, находящейся в этой цепи, весьма мало, то импульсы тока будут иметь амплитуду порядка сотен ампер и длительность – единицы наносекунд.

Рассмотрим более подробно протекающие в индукторе качера-УТ процессы (графическое представление которых приведено на рис. 4), при его реализации по схеме, приведенной на рис. 3.а.

Рис. 4. Токи и напряжения, протекающие в качере-УТ, при реализации качер-процесса.

Если транзистор в этой схеме оставить в запертом состоянии (с помощью источника смещения в его базовой цепи), при величине удерживающего напряжения на базе ниже напряжения отпирания (например, U_б=0.5 В), то через коллекторно-эмиттерный переход будет идти нарастающий ток (Iэ=Iк, см. рис 4). Приращение тока вызывает ЭДС самоиндукции, которая вычитается из напряжения питания: U_к= U_п – E < U_б. Численно, приблизительно, это выглядит так: U_п= 30 В, U_к= 0,1 В, а U_б= 0,5 В (напряжения U_кэ, U_бэ на рис. 4). В итоге коллекторный электрод в паузе находится под меньшим потенциалом, чем базовый электрод. А так как обычно область коллектора транзистора менее легированная, чем эмиттерная, то поэтому из нее носители вытягиваются к базовому переходу под воздействием большего потенциала базового электрода. Низкий потенциал коллектора блокирует вынос основного количества носителей через коллектор. При этом ток базы убывает (ток I_бэ на рис. 4), поскольку с появлением носителей в объеме базы увеличивается ее внутренний потенциал, направленный навстречу напряжению внешнего источника смещения. Ток базы в качере по своей физической природе является компенсационным, формируемым двумя источниками питания: источником смещения в базовой цепи транзистора и возрастающим при реализации качер-процесса внутренним потенциалом базы. При равенстве тока нулю потенциалы источника смещения и внутренний потенциал объема базы сравниваются, что позволяет преодолеть потенциальный барьер в коллекторе. Вслед за преодолением этого барьера происходит короткое замыкание (сопровождающееся, как было указано выше, выносом носителей из объема базы) через коллекторно-эмиттерный переход и коллекторную индуктивность, с весьма малым омическим сопротивлением всей этой цепи (порядка 0,1 Ом). Это значит, что ток в импульсе короткого замыкания будет порядка 300 А.

И магнитное поле тока короткого замыкания (с амплитудой порядка сотен ампер и длительностью – единицы наносекунд) совершает механический поворот магнитных моментов атомов окружающего вещества (подобно тому, как это происходит при ядерном магнитном резонансе с отбором энергии от источника питания). И поэтому тока, отдавшего энергию своего магнитного поля, нельзя увидеть в виде падения напряжения на резисторе малой величины. Зато этот виртуальный ток объясняет образование высоко амплитудных импульсов неизменяемой полярности относительно полюсов источника питания коллектора (поскольку они измеряются с разных сторон, относительно виртуального тока, имеющего одно направление).

Необходимо отметить, что качер-УТ, собранный по схеме, приведенной на рис. 3.а, является весьма чувствительным к любым внешним воздействиям, так, что, например, всякое касание схемы измерительными приборами вызывает искажения в его работе. Но, тем не менее, эта схема качера-УТ работает в широком диапазоне граничных условий по величинам индуктивности, типам транзистора и напряжения питания.

Но если же в эту схему в базовую цепь транзистора вместе с источником смещения поставить индуктивность (можно либо последовательно - как на рис. 3.б, либо параллельно - как на рис. 3.в), то эта схема качера-УТ начинает работать стабильно, и становится нечувствительной к внешним воздействиям различных полей и излучений. При этом касание щупом осциллографа или другими измерительными приборами не приводит к искажениям работы схемы. Формы токов и напряжений при работе такой схемы приведены на рис. 4, они аналогичны схеме, указанной на рис. 3.а, но являются при этом более устойчивыми. Токи и напряжения качера-УТ резко отличаются по форме и знаку. Импульсы напряжения могут в десятки раз превышать напряжение источника питания, и им не соответствует ток. Это свидетельствует о том, что в схеме качера-УТ работает только ЭДС самоиндукции. Полученный результат позволяет сделать следующий вывод: происхождение самоиндукции это и есть отбор энергии тока на поворот магнитных моментов атомов окружающего вещества, и их возврат в исходное состояние при отключении цепи от источника напряжения.

Особенности реализации качер-процесса характеризуются тем, что, во-первых, в этом режиме функционирования данного устройства оно работает только в пределах ЭДС самоиндукции, возникающей на индуктивности, и не выходит в общеизвестный стационарный режим работы транзистора, во-вторых, в этом режиме не напряжение вызывает ток, а ток вызывает напряжение, в-третьих, в этом режиме не соблюдаются такие базовые, фундаментальные законы физики, как законы Кулона, Ампера и Кирхгофа [9], и, в-четвертых, ток и напряжение в этом режиме действуют в противоположных направлениях, - в полном соответствии с уравнением Максвелла для ЭДС самоиндукции [9].

При этом необходимо подчеркнуть, что получить обычным способом короткие импульсы большого тока невозможно, так как на генерацию и рассасывание носителей требуется времени существенно больше, чем на мгновенный вынос уже предварительно накопившихся. Полученные же в данном устройстве импульсы тока в сотни ампер и длительностью в наносекунды, имеют много полезных, прежде неизвестных физических свойств, таких, например, как передача информации через сплошные среды (ранее непреодолимые, например, такие как: жидкости, металлы, диэлектрики), поскольку энергия тока такого импульса идет на механический поворот магнитных моментов атомов окружающего источник энергии вещества.

Относительно областей возможного применения рассмотренного устройства необходимо отметить, что:

а) качер-УТ может управлять транзисторами и тиристорами любой мощности на трансформаторных связях, поэтому применение данных устройств позволит сделать бесконтактными и безинерционными широко используемые на практике в различных областях человеческой деятельности реле, магнитные пускатели, потенциометры и реостаты;

б) качер-УТ позволит сделать бесконтактные разъемы, отличающиеся тем, что во вторичной цепи будет полноценный электрический сигнал, вследствие чего пропадает необходимость устанавливать дополнительный источник питания в этой цепи; - это очень нужно, например, для ноутбуков, сотовых телефонов, раздельных частей роботов, бесколлекторных электродвигателей и т.п.

Рассмотрим далее остальные формы практической реализации качера.

Абсолютный датчик (качер-АД)

Если при работающем индукторе к приемнику подключить вольтметр, то наблюдается значительное напряжение, в десятки вольт, на расстояниях от миллиметров до сантиметров от индуктора, линейно падающее от расстояния (см. рис.5).

Рис. 5. Выходные параметры качера-АД.

Это свойство качера позволяет построить его в форме абсолютного датчика, - качера-АД. Поэтому сущностью реализации качера-АД является возможность линейного преобразования неэлектрических величин (отражающих параметры перемещения чего-либо относительно какой-либо заданной точки пространства, фиксируемые с помощью такого датчика и выражаемые в линейных размерах: метрах или градусах), - в электрические величины (выражаемые в вольтах, амперах или герцах). Достигается это посредством последовательного соединения во вторичной цепи качера обычного диода и конденсатора. На выходе конденсатора получаются импульсы однополярного тока, параметры которого могут быть выражены линейной зависимостью в вольтах, амперах или герцах.

Представленные на рис. 5 характеристики линейной зависимости напряжения U_вых(В) на приемнике качера-АД от его расстояния до индуктора:

- при перемещении катушки индуктивности приемника вдоль короткой стороны катушек индуктивности индуктора, т.е. сдвиге приемника вправо или влево относительно плоскости индуктора, - по координате X;

- при перемещении катушки индуктивности приемника вдоль длинной стороны катушек индуктивности индуктора, т.е. сдвиге приемника вверх или вниз относительно плоскости индуктора, - по координате Y;

- при удалении катушки индуктивности приемника вверх или вниз относительно плоскости катушек индуктивности индуктора, - по координате Z;

получены для схемы качера-АД, приведенной на рис. 2.а, при параметрах ее элементов, представленных в табл. 1.

Таблица 1.

№ п/п	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Элемент	L₁, L₂, L₃	L₁, L₃	L₂	VT	VD	U_п	I_п	R_н	C
Параметр	по 50 витков	diam. 0,1 медь	diam. 0,1 нихром	КТ315Г	Д522	5 В	0,14 А	2 К	1 мкф

При этом численные значения выходного параметра U_вых(В) для данной схемы качера-АД, с указанными параметрами, приведены в табл. 2.

Таблица 2.

Сдвиг приемника относи- тельно индуктора (мм)		0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
U_вых(В)	при сдвиге в коротк. сторону по коорд. X	10,0	9,56	9,26	8,53	7,64	6,62	5,29	3,97	2,35	1,32	0,44	0	0,74	1,47	1,76	1,47	1,05
U_вых(В)	при удалении вверх по координате Z	10,0	8,38	7,64	6,76	5,88	5,29	4,70	4,12	3,68	3,23	2,79	2,35	1,91	1,76	1,47	1,18	1,02

U_вых(В)	при сдвиге в длин-ую сторону по коорд. Y	10,0	9,58	8,98	8,25	7,64	7,02	6,32	5,50	4,70	4,02	3,31	2,58	1,84	1,12	0,44	0,05	0,44
Сдвиг приемника относи- тельно индуктора (мм)		0	2,5	5	7,5	10	12,5	15	17,5	20	22,5	25	27,5	30	32,5	35	37,5	40

Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 251; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 4 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!