Лабораторная работа №24: Исследование качерного датчика тока с ферритовым сердечником

Реферат

В работе продолжено исследование датчика тока на основе генератора разрывов электрической цепи (качера) Бровина В.И. Экспериментально подтверждено, что постоянный ток, протекающий через первичную обмотку ферритового тороида, изменяет его магнитную проницаемость, что приводит к сдвигу частоты генерации. Обнаружен и изучен выраженный переходный процесс (~6 с) восстановления частоты после снятия измеряемого тока, что указывает на магнитную вязкость (магнитное последействие) материала сердечника. Дополнительные контрольные обмотки показали незначительное влияние на работу датчика, подтверждая его устойчивость к внешним магнитным помехам.

1. Введение. Интерес изобретателя

Работа получила уникальное подтверждение значимости: Владимир Ильич Бровин, изобретатель качера, ознакомившись с предыдущими результатами, сообщил: «С Вашей подачи я возобновил свои исследования в качерах с сердечниками. Обобщу и пришлю Вам, что получится». Это свидетельствует о том, что практические эксперименты вносят вклад в развитие базовой технологии.

Цель данной работы: углублённое изучение динамических характеристик двухтранзисторного (npn-pnp) качерного датчика тока, включая анализ осциллограмм переходных процессов и оценку влияния внешних магнитных полей.

2. Методика и схема эксперимента

2.1. Конструкция датчика. В основе — ферритовый тороидальный сердечник с четырьмя обмотками:

• W1: Первичная измерительная обмотка (ток I от ±2 А).
• W2: Вторичная обмотка, являющаяся частью колебательного контура качера.
• W3, W4: Дополнительные контрольные обмотки, намотанные поверх основных для моделирования внешних магнитных воздействий.

2.2. Схема и измерения.

• Генератор: Качер на транзисторах КТ315 (npn) и КТ316 (pnp).
• Измерение частоты: Микропроцессорный частотомер.
• Осциллографический анализ: Для измерения динамики тока использовался резистор R = 20 Ом, включенный последовательно с обмоткой W1. Двухканальный осциллограф фиксировал:
  • Канал 1: Падение напряжения на резисторе U_R, пропорциональное току через катушку I_кат.
  • Канал 2: Напряжение на обмотке W1.

Ключевой измеряемый параметр — dT: Время спада тока в катушке от максимального значения (I_max = 37.6 мА) до нуля. Теоретически, dT прямо связано с индуктивностью L катушки: dT ~ L / R, где R — сопротивление цепи.

3. Результаты

3.1. Статические характеристики.

• Напряжение питания схемы: 3.3 В. Ток потребления в режиме генерации: 5.2 мА.
• При смене направления измеряемого тока с +2000 мА на -2000 мА выходные частоты генерации оказались приблизительно равны, подтверждая симметричность характеристики.
• Подача тока ±2000 мА на контрольную обмотку W3 вызывала крайне незначительное изменение выходной частоты (< 0.1%). Вывод: Датчик обладает высокой устойчивостью к внешним однородным магнитным полям.

3.2. Осциллографические измерения динамики тока. Были зафиксированы и сопоставлены три ключевых режима:

Наблюдение: Изменение индуктивности из-за подмагничивания сердечника приводит к значительному (в 3-4 раза) росту dT при протекании измеряемого тока. Небольшая асимметрия значений для +1 А и -1 А может быть связана с неидеальностью кривой намагничивания феррита или особенностями схемы.

3.3. Обнаружение переходного процесса. После быстрого снятия измеряемого тока ±1 А выходная частота датчика не возвращается мгновенно к значению холостого хода. Наблюдается плавный переход продолжительностью около 6 секунд. Это существенно превышает любые электрические постоянные времени схемы.

4. Обсуждение результатов

1. Подтверждение принципа действия: Рост dT при протекании постоянного тока является прямым осциллографическим доказательством изменения индуктивности L вторичной обмотки вследствие изменения магнитной проницаемости µ феррита под действием подмагничивания.

2. Явление магнитного последействия (вязкости): Наблюдаемый 6-секундный переходный процесс — ключевое открытие данной лабораторной работы. Это типичное проявление магнитной вязкости ферромагнетиков. Рассматриваются следующие возможные физические причины:

   • Диффузионное последействие: Перераспределение ионов в кристаллической решётке феррита под действием поля, требующее времени для релаксации.
   • Термомагнитное последействие: Медленное выравнивание температуры микрообластей, нагретых в процессе перемагничивания.
   • Магнитоупругое последействие: Медленная релаксация внутренних механических напряжений в материале.

3. Практические следствия для разработки датчика:

   • Положительное: Высокая устойчивость к внешним полям (проверка обмотками W3, W4).
   • Отрицательное (ограничение): Магнитная инерция в 6 секунд делает данную конкретную конфигурацию непригодной для измерения быстро меняющихся токов. Это определяющее условие для выбора области применения.

5. Выводы

1. Экспериментально подтверждена высокая чувствительность качерной схемы к подмагничиванию ферритового сердечника, что проявляется в значительном изменении параметра dT.
2. Обнаружено и впервые количественно оценено для данной системы ярко выраженное магнитное последействие (вязкость) материала сердечника с характерным временем релаксации ~6 с.
3. Датчик на исследуемом типе феррита может быть эффективно применён только для измерения медленно меняющихся или постоянных токов (например, токов заряда аккумуляторов).
4. Для создания широкополосного датчика требуется поиск и тестирование ферромагнитных материалов с минимальным временем магнитной релаксации (например, некоторые марки пермаллоя, нанокристаллические или аморфные сплавы).

Перспектива: Обнаруженный эффект требует отдельного цикла исследований по материаловедению в рамках качерной технологии. Полученные результаты и внимание со стороны В.И. Бровина открывают путь к углублённому изучению физики процессов в ферритах под воздействием качерного генератора.

 Ссылки :

• Умный кремний islife.ru - Умный кремний
   
• Умный кремний vserod.com/tables/3d/ - периодичность электроатомов