Рассмотрен способ повышения величины электрического тока в последовательной цепи из активного сопротивления и конденсатора в сети переменного тока. Увеличение силы тока в цепи активной нагрузки более чем на порядок возможно за счет периодического прерывания электрической цепи.
В ряде публикаций предыдущих лет был описан довольно примечательный эффект, Рисунок 1, заключающийся в резком росте тока в последовательной цепи из лампы накаливания EL1, конденсатора C1 и электрического разрядника F1 [1–5]. Все элементы схемы включены последовательно и подключены к сети переменного тока. Параллельно разряднику F1 подключен переключатель SA1. При замкнутом переключателе SA1 сила тока в электрической цепи минимальна и недостаточна для свечения нити накаливания лампы EL1. Однако стоит разомкнуть переключатель SA1 и обеспечить электрический разряд в разряднике F1, ток в цепи резко возрастает, лампа накаливания EL1 светится полным накалом.
 |
|
| Рисунок 1. | Питание лампы накаливания (активной нагрузки) от сети переменного тока через: а) гасящий конденсатор C1; б) гасящий конденсатор C1 и электрический разрядник F1. |
Электрический разрядник F1 может быть выполнен в виде дух заостренных контактов, расстояние между которыми можно регулировать микрометрическим винтом. При размыкании переключателя SA1 и регулировке межэлектродного расстояния в разряднике F1 возникает электрический разряд, лампа начинает ярко светиться. Ранее подобный эффект пытались объяснить протеканием через электрическую цепь токов повышенный частоты, в результате чего эквивалентная емкость конденсатора снижалось, а ток через последовательную цепочку «лампа накаливания – конденсатор», Рисунок 1б, заметно возрастал.
Отметим, что подобный эффект зачастую проявляется при работе ряда устройств, имеющих гасящий конденсатор. При наличии плохого контакта в цепи питания это приводит к повреждению как самого источника питания, так и питаемого от него устройства.
Для исследования процессов, протекающих в электрической цепи, состоящей из сопротивления R1, конденсатора C1, а также эквивалента электрического разрядника S1 с использованием пакета программ схемотехнического моделирования Multisim была исследована схема, представленная на Рисунке 2. При помощи осциллографов XSC1 и XSC2 контролировались напряжение на конденсаторе C1 (1) напряжение на эквиваленте разрядника S1 (2), осциллограмма тока (3) и сила тока в электрической цепи (PA1). Параллельно эквиваленту разрядника S1 подключался ключ SA1. На управляющий вход аналога разрядника S1 подавались импульсы прямоугольной формы регулируемый частоты и коэффициента заполнения импульсов. Для моделирования был избран идеальный ключ S1 с минимальными потерями на коммутацию.
 |
|
| Рисунок 2. | Моделирование электрических процессов в последовательной RC-цепи с периодически коммутируемым конденсатором. |
На Рисунке 3 приведены осциллограммы сигналов, снимаемых в различных точках устройства. Подобная картина была получена при частоте коммутации 1.5 кГц и коэффициенте заполнения импульсов D = 12%.
 |
|
| Рисунок 3. | Осциллограммы напряжения: 1 – на обкладках конденсатора C1; 2 – в точке соединения конденсатора C1 и измерителя тока PA1; 3 – на резисторе R2 (пунктир – огибающая кривая). |
Величина электрического тока в цепи помимо осциллографических наблюдений контролировалась измерителем силы переменного тока PA1. Сразу стоит отметить: данный способ измерения не претендует на абсолютную точность ввиду того, что он рассчитан на измерение тока синусоидальные формы. По этой причине показания прибора PA1 лишь косвенным образом отображают реальную величину. Более правильным представляется интегральная оценка силы тока на основании осциллографических измерений. Тем не менее, при замыкании цепи электрического разрядника S1 ключом SA1 сила тока в цепи (синусоидальный ток) составляла всего 47 мкА. При размыкании ключа SA1 ток в цепи возрастал до 630 мкА при частоте коммутации 1.5 кГц и до 1.44 мА при 125…150 Гц, Рисунки 4 и 5, или более чем в 30 раз.
 |
|
| Рисунок 4. | Зависимость тока в цепи коммутатора от частоты коммутации при коэффициенте заполнения импульсов 12%. Локальный минимум отмечается на частоте 100 Гц. |
 |
|
| Рисунок 5. | Зависимость тока в цепи коммутатора от коэффициента заполнения импульсов (КЗИ) при частоте коммутации 125 Гц. |
На Рисунке 6 показан вариант выполнения коммутатора на биполярных транзисторах p n p и n-p-n структуры. Для управления коммутатором использованы прямоугольные импульсы положительной и отрицательной полярности. Такой коммутатор при использовании высоковольтных транзисторов VT1 2N6545 и VT2 2N6423, а также диодов VD1 и VD2 1N4007 может быть использован для работы в электрической сети 230 В 50 Гц.
 |
|
| Рисунок 6. | Вариант коммутатора на биполярных транзисторах. |
В процессе исследования электрических процессов в последовательный RC-цепи с эквивалентом разрядника было показано, что прирост тока наиболее заметен при существенной разности между величиной активного сопротивления R1 и реактивного сопротивления конденсатора C1. Так, например, с увеличением емкости гасящего конденсатора C1 прирост тока при размыкании ключа SA1 менее заметен.
Для последовательной RC-цепи закон Ома можно записать как:
где
U – напряжение;
I – ток;
R, XC = 1/ωC – активное и емкостное сопротивление элементов цепи;
ω = 2πf – круговая частота;
f – частота электрических колебаний.
При XC >> R формула упрощается: I ~ 2πfCU.
Казалось бы, что при росте частоты коммутации величина тока в цепи должна безгранично возрастать. Априори полагалось, что прирост тока обусловлен снижением реактивного сопротивления гасящего конденсатора с ростом частоты. На деле оказалось, что наибольший эффект увеличения тока в цепи наблюдается при частоте коммутации порядка 120…150 Гц, Рисунки 4 и 5. Причиной этого, по-видимому, является то, что разрядный ток представляет собой сложный переменный набор частот и гармоник варьируемой амплитуды.
Импульсное регулирование эквивалентной емкости гасящего конденсатора при создании малогабаритных дешевых источников сетевого питания позволит резко снизить их массогабаритные показатели. В то же время при использовании таких устройств следует учитывать наличие выраженных импульсных помех, что потребует экранировки источника питания.
Литература
- Чернетский А.В. Неизведанный океан энергии. Энергия. 1990. № 6. С. 32–33.
- Нетушил А.В., Ермуратский П.В. Энергетический курьез. Энергия. 1990. № 6. С. 34–36.
- Шустов М.А. Парадоксы переменного тока. Радiоаматор-Электрик. 2003. № 1. С. 3–5.
- Шустов М.А. Основы силовой электроники. СПб.: Наука и Техника, 2017. 336 с.; 2019. 336 с. (Второе изд.).
- Шустов М.А. Электронные регуляторы параметров RLC-элементов. Радиолоцман. 2023. № 3–4. С. 10–16.
