Jste zde

WREL - bezdrátová rezonanční linka

Ing. Robert Láníček, 9. Leden 2017 - 9:09

Po neúspěšných pokusech s vařiči mi zbyly dvě stejné ploché cívky, které jsem zkusil zapojit jako rezonanční transformátor. S překvapením jsem pak zjistil, že s podobnými plochými vzduchovými cívkami si už několik let hrají vědci na univerzitě ve Washingtonu a mají velmi slibné výsledky.

Dokáží už prý s dobrou účinností přenášet energii pro rozsvícení žárovky na metrovou vzdálenost. Předpokládají, že by se s tímto systémem mohla v místnosti napájet například výkonnější biomedicínská zařízení jako je srdeční pumpa. Takže v místnosti by byly ve vhodných vzdálenostech umístěny vysílací cívky a na pacientovi vysokofrekvenční přijímací cívka a pacient by tak byl minimálně omezován v pohybu. Pod hesly Wireless Resonant Energy Link a Free-range Resonant Electrical Energy lze na internetu najít teoretické podrobnosti včetně videí na youtube. Nejzajímavější je asi experiment s vloženou třetí pomocnou rezonanční cívkou, která prodlouží dosah přenosu energie.

První pokusy s cívkami mne docela překvapily. Na vysílací cívku jsem přivedl signál z rozmítaného generátoru a přijímací cívku jsem připojil k osciloskopu v režimu xy a na vodorovnou osu přivedl pilu rozmítacího napětí generátoru v logaritmickém režimu. Cívky jsou samozřejmě orientovány tak, aby radiální feritové pásky byly na vnějších stranách. Při zmenšování vazby posunem nebo odklápěním se výrazně mění tvar rezonanční křivky. Je mnohem strmější a rezonanční kmitočet klesne na polovinu.

Obr. 1: Posun rezonančního kmitočtu z 2 na 1MHz a zúžení tvaru rezonanční křivky při posunu cívky

Na demonstračních videích s WREL se problém se změnou kmitočtu řeší automatickým dolaďováním rezonance, což jak předpokládám, zvládne fázový závěs (PLL). Každopádně rezonance překvapí. Pokud tyto stejné cívky z indukčního vařiče ležely na sobě tak, že se dotýkaly, bylo výstupní napětí desetkrát větší než vstupní. Teprve na poměrně velké vzdálenosti a samozřejmě po doladění rezonance kleslo napěti na stejnou úroveň. Přitom cívky mají jen pár závitů.

Obr. 2: WREL, přibližná vzdálenost s jednotkovým přenosem napětí (kontrolováno BM579)

Nemám výkonový zesilovač pro signál na vysokých kmitočtech, takže o přenosu výkonu jsem se pokusit nemohl. Za to ale mám řadu šuplíkových zásob různých cíveček, takže následující pokusy byly už jen variací na dané uspořádání. Pro zobrazení rezonanční křivky není nutné přepínat osciloskop do xy zobrazení, protože rozmítání kmitočtu generátoru lze navolit i v rychlém módu. Výhodou je, že zůstane k dispozici druhý kanál osciloskopu a lze tak zobrazit dvě rezonanční křivky současně, což bude později využito pro naladění Teslova transformátoru.

Obr. 3: Zobrazení xy (nahoře) rezonanční křivky a yt zobrazení s pilou rozmítacího napětí generátoru

Obrazovky rezonanční křivky přenosu soustavy na fotografii vyšly velice pěkně a je na nich patrná i obnova obrazu analogového osciloskopu. To dříve snímání CRT obrazovek analogových televizí se zatmívacími šmouhami vypadalo mnohem škareději. Opustil jsem logaritmické rozmítání a další měření proběhlo v lineárním módu rozmítaného generátoru v malém rozsahu kmitočtu okolo rezonance. Minimum (levý kraj) a maximum (pravý kraj obrazovky) kmitočtu generátoru Hung Chang G305 jdou nastavit relativně přesně. Každopádně zvolené konstrukční řešení nastavování kmitočtu tohoto generátoru je příšerné. Generátor je laděn napětím (potenciometrem) a buď se měl zvolit víceotáčkový potenciometr, anebo tak jak je to na stabilizovaných zdrojích, se měly použít potenciometry dva (hrubě a jemně).

Obr. 4: Chybný tvar signálu ebayčíny generátoru s přímou digitální syntézou DDS

Jen pro zajímavost, zjistil jsem, že nejlevnější DDS generátor (ale už v krabičce) má sice displej a z principu přesný a stabilní kmitočet, ale nefunguje mu vyhlazovací filtr. Na přepínač ON/OFF filtru to téměř nereaguje a navíc signál na sestupné šikmé hraně má v pravidelných rozestupech zuby, přičemž vzestupná hrana signálu má schody v pořádku. Filosofie ovládání generátoru: OFF, kurzor doleva-doprava, změna hodnoty nahoru-dolu a ON výstup je hrozná. Ovšem když je to za pár korun i s poštou…

Obr. 5: Nefungující vyhlazovací filtr a chybný tvar sestupné hrany u levného DDS generátoru

Pokud se nad tím zamyslíte, tak kurzorový způsob ovládání levného generátoru naprosto vylučuje použití takového generátoru pro zvolenou úlohu určení rezonance. Generátor je zapotřebí ladit jako staré rádio anebo elektronicky rozmítat (SWEEP). Samozřejmě, že o několik řádů dražší profesionální DDS generátory budou mít i analogové ovládání otočným knoflíkem a vyfiltrované zubatice. A současnost nf generátorů je jako všude jinde v technice digitální. Metoda přímé digitální syntézy je sice obtížně pochopitelná, nicméně pro praxi je důležité, že vzorky signálu z DA převodníku mají stabilitu krystalového oscilátoru a tomu nemůže žádné klasické řešení generátoru konkurovat. Na druhou stranu ebayčína osciloskop stejné cenové kategorie překvapil příjemně. Je popsán na robodoupěti a opravdu měří TRMS efektivní hodnoty průběhu a kmitočet průběhu (zkontrolováno). Frekvenční rozsah osciloskopu je sice mizerný, ale na druhou stranu lze s ním zobrazit i velmi pomalé děje.

Obr. 6: Pokus měřit rezonanci grip dip metrem sací metodou GDO (špatně zvolená cívka)

Pro zajímavost jsem zkusil i měřit rezonanci cívek pomocí stařičkého grip dip metru, ale výsledky nebyly zrovna přesvědčivé. Protože nevím, zda přístroj vůbec funguje, nejsem schopen posoudit dosažený výsledek. No něco to dělalo (viz video) a samozřejmě pro mé pokusy bych potřeboval výrazně nižší frekvenční rozsah přístroje. Chtěl jsem jenom při tomto experimentu vyřadit ostatní měřicí přístroje a ověřit rezonanci jinou metodou, protože si samozřejmě uvědomuji, že impedance generátoru má vliv na tvar rezonanční křivky a nemám ani osciloskopickou sondu pro lepší snímání výstupu přijímací cívky. Navíc sací metoda GDO připomíná svým odsáním energii z vnitřního oscilátoru přístroj při rezonanci rezonanční přenos těchto experimentů. Takže jsem původně myslel, že by se to dalo použít jako laditelný vysílač (rušička je to dobrá). V režimu absorpčního vlnoměru to pracovat nechtělo vůbec.

Obr. 7: Rezonančně vázané cívky 1mH na společném trnu (svíčce)

Nejdříve jsem zopakoval pokusy s vodorovným posuvem plochých cívek vodorovně po kuchyňské vařečce, co by spojovacím trnu. Pak jsem vyzkoušel dvě dvojice válcových cívek. Mají poměrně velký počet závitů a tak se rezonance posouvá do přijatelnějších nižších kmitočtů. Vzdálenosti cívek na obrázcích přibližně odpovídají jednotkovému přenosu napětí.

Obr. 8: Rezonančně vázané cívky 29 mH na společném parafínovém trnu

Výsledek je z hlediska dosažené vzdálenosti mnohem horší než u plochých cívek z indukčního vařiče, ale na druhou stranu se rezonanční kmitočet prakticky nemění s posuvem cívek. A hlavně je to kmitočtově v desítkách kilohertz a ne v megahertzích, takže výhledově to půjde budit i lepším nízkofrekvenčním výkonovým zesilovačem. Například firma Harman Kardon dělávala kdysi 200W nízkofrekvenční zesilovač Citation 24 pro slony a netopýry s rozsahem od 0,07Hz do 490kHz.

Obr. 9: Sestava ala Teslův transformátor, tj. plochá vysílací a válcová příjímací cívka

V posledním uspořádání Teslova transformátoru se samozřejmě neuplatní rezonance ploché cívky indukčního vařiče ale jen rezonance sekundární cívky 29mH. Každopádně napěťový zisk je velmi slušný, což lze ověřit i pomocí knoflíku na osciloskopu (50mV/div vstup a 5V/div výstup). Je vidět, že vstupní i výstupní průběhy při rezonančním kmitočtu jsou téměř ve fázi.

Obr. 10: Průběhy vstupního a výstupního napětí při rezonančním kmitočtu 71,4kHz

A vrátíme se k tomu, čím tento malý seriál začal, k Teslovu transformátoru. Zvolená metoda vytvoření elektromagnetického pole pomocí ploché cívky z vařiče se dá použít i k určení rezonance sekundární cívky zobrazením rezonanční křivky na osciloskopu. Zajímavé je, že napěťový zisk opravdového Teslova transformátoru v tomto uspořádání je téměř shodný s přenosem předchozí sestavy ploché a válcové cívky.

Obr. 11: Zjišťování rezonančního kmitočtu sekundární cívky Teslova transformátoru 61kHz

Indukčnost sekundáru se pomocí levného RLC multimetru určit nepodařilo. Přístroj ukazoval nesmyslné tisíce Henry podle zvoleného měřicího kmitočtu (120 a 1000Hz) ještě diametrálně různé. S měřením indukčnosti primárního vinutí problémy nebyly a vyšla indukčnost 22,7 μH. K tomu se pomocí Thomsonova vzorce dopočítala kapacita a poskládala se sériově ze čtyř rozběhových kondenzátoru ze sklepních zásob.

Obr. 12: Současné zobrazení rezonančních křivek primárního a sekundárního obvodu

Ukázalo se, že kondenzátory nedosahují jmenovitých hodnot a tak bylo zapotřebí měřením vybrat kusy s největší kapacitou. Ani tak se sice nedosáhlo hodnoty vypočítané z Thomsonova rezonančního vzorce, ale na sladění obvodů projevila změna kapacity výrazně a rezonanční křivky jsou téměř v zákrytu. Oproti očekávání ale příliš nenarostl napěťový zisk v režimu dvojité rezonance.

Obr. 13: Doladění primárního rezonančního obvodu výběrem kapacit kondenzátorů

Naladění primárního obvodu do rezonance lze zkontrolovat i pomocí obdélníkového signálu, Tedy přesněji, že se zapojení bude chovat, alespoň jako dolní propust. S vnitřním odporem generátoru 50 ohmů by totiž paralelní LC obvod měl vytvořit filtr typu pásmová propust. Takže se tam pustí obdélníky s rezonančním kmitočtem 62kHz a zkontrolují se průběhy.

Obr. 14: Vstupní obdélníky 62kHz pro kontrolu rezonance primárního obvodu

Po propojení generátoru na primární rezonanční obvod vyfiltruje obvod první harmonickou z obdélníku a samozřejmě rezonance sekundární cívky transformátoru tento efekt ještě podpoří. Pokus není úplně přesvědčivý kvůli zbytkům derivačních špiček, ale na druhou stranu vysvětluje, že i při podivných průbězích při spínání síťového napětí IGBT tranzistory či v jiskřišti bude po dvojí rezonanci na výstupu Teslova transformátoru sinusovka.

Obr. 15: Filtrace obdélníkového průběhu pomocí dvojité rezonance Teslova transformátoru

A teď ta smutnější část, chybí tomu ta elektrárna na vstupu. Pokud se to budí z generátoru s vnitřním odporem 50, 75 či dokonce 600 Ohmů a konečný napěťový přenos při dvojí rezonanci je asi 500, tak kdyby se to řešilo jako klasický transformátor, impedance naroste s druhou mocninou převodu transformátoru. Takže se to bude chovat jako zdroj s vnitřním odporem 500*500*75 Ohmů. Sice tak není problém i z nízkofrekvenčního generátoru vydolovat Teslovým transformátorem kilovolty, ale budou bez náboje. Jako měřidlo vstupu je použit voltmetr generátoru. Zrovna u tohoto typu RC generátoru je zrada a měřidlo ukazuje naprázdno polovinu skutečné hodnoty napětí na BNC konektoru, takže údaj napětí na papírové cedulce je správně. Jako výstup byl použit orientačně stařičký analogový voltmetr UNI10, přičemž jeho použitelnost pro frekvenční rozsah byla generátorem předem zkontrolována.

Obr. 16: Výstup je 1000V po zatížení voltmetrem s vnitřním odporem 4MOhm

Výsledný pokus sice vypadá impozantně, ale bohužel, i když se dráty s kilovoltem olíznou jazykem, tak není cítit žádný fyziologický účinek, tak moc je to měkký zdroj. Ve skutečnosti po odpojení voltmetru (naprázdno) tam bude napětí ještě větší než kilovolt, protože už i ten voltmetr to značně zatěžuje odběrem proudu. A osciloskop s malým vstupním odporem 1MOhm je na tom ještě hůře. K voltmetru by to chtělo vysokonapěťovou sondu a k osciloskopu dělicí sondu nejlépe 1:100. Ten starší osciloskop má i rozsah 20V/div takže velké napětí by se zobrazit dalo. Je otázka, zda pokud se bude Teslův transformátor budit přes výkonový zesilovač, to bude jako zdroj stačit. Nicméně shledávám rezonanční přenos mezi cívkami za zajímavou variantu. Zda se pokusy s WREL z amerických univerzit dostanou do komerčního použití, ukáže čas. Jsem spíš skeptik, protože už je to několi let stará záležitost. Osobně si myslím, že perspektivnější je předchozí varianta dvou cívek položených na sobě.

Určení rezonance grip dip metrem metodou GDO