Система Д. Смита в импульсе

Для опыта взял две одинаковые катушки, намотаны в навал эмалированным проводом длиною около 8 метров каждый, сечением 0,5 мм, диаметр намотки выполнен на корпус элемента 18650, т.е. чуть шире сердечника. Сердечник от ТВС использован. Катушки соединены по схеме Смита, с заземлением средней точки трансформатора (на самом деле оказалось достаточно собственной емкости общей точки осциллографа для данной схемы, т.к. схема сбалансирована).  Диоды ВЧ использовал. Осциллограф без заземления корпуса использовался при измерении.                                                                       

Заряжаю конденсатор С1 (емкостью 1,5 мкФ) от внешнего источника и тут же его отключаю (оба провода отбрасываю ИПН, красный и синий по рис.1) и замыкаю ключ К на схему, ниже полученная осциллограмма.

Мы видим в момент коммутации почти все напряжение С1 приложено к катушке L2, т.к. катушка L1 шунтируется диодом, на ней падение около 0,8 В. Т.е. емкость С1 первоначально заряжена примерно до 9 В в момент разрядки (значение напряжения зарядки С1 в опыте незначительно меняется, т.к. емкость данного типа К73-17В быстро разряжается без источника).

Посмотрим на С2 напряжение после разрядки С1, схема подключения осциллографа показана ниже.  

Посчитаем энергию до и после разрядки емкости С1, если до разрядки С1 имеем на нём напряжение около 9 В (осциллограмма 1, считается как напряжение на катушках L1+L2 в момент коммутации), энергия получается:

Wc1 до= ½ CU²= ½ *1.5* 10^-6 *9²= 60,75 мкДж.

После разрядки С1 (осциллограмма 1) имеем на нём остаточное напряжение 6,8 В (складываем желтый и голубой сигнал), а в это же время С2 заряжается до 5,9 В, поэтому считаем энергию по отдельности для каждого конденсатора:

Wc1 после= ½ CU²= ½ *1.5* 10^-6 *6,8²= 34,68 мкДж

Wc2 после= ½ CU²= ½ *1.5* 10^-6 *5,9²= 26,11 мкДж

Складываем значения, чтобы получить общую энергию в емкостях и видим энергия до разрядка 60,75 мкДж, а после 60,79 мкДж, на выходе даже чуть больше, что вероятно погрешность измерения.

Проверим работу схему на короткое замыкание.

Очевидно, что на короткое замыкание схема работает неэффективно, энергия теряется.

Увеличу С2 в 2 раза, как ниже показано на рисунке.

Посчитаем энергию конденсатора С2+С3

Wc2с3 после= ½ CU²= ½ *3* 10^-6 *4,7²=  33, 135 мкДж

Кажется энергии стало больше, чем с одной емкостью, но и если судить по желтому графику (осциллограмма 5), который показывает половину напряжения на конденсаторе после разрядки, напряжение на С1 остаточное стало меньше, 2,7 В, против 3,5 В на осциллограмме 2. Остаточная энергия на С1

Wc1 после= ½ CU²= ½ *1.5* 10^-6 *5,4²= 21,87 мкДж

Суммарная энергия на выходе составила 21,87+ 33,135= 55 мкДж, опять ничего лишнего не получается.

Включу последовательно емкости С2 и С3, чтобы уменьшить емкость в два раза.

Посчитаем энергию конденсатора С2+С3

Wc2с3 после= ½ CU²= 1/4 *1,5* 10^-6 *6²= 13,5 мкДж

Wc1 после= ½ CU²= ½ *1.5* 10^-6 *7,6²= 43,32 мкДж

Суммарная энергия 56,82 мкДж.

Как видим, ничего лишнего в схеме Смита без использования накопленной ранее энергии не наблюдается, выполняется закон сохранения импульса и энергии.

Интересно, что если прервать ток первичного контура, как показано ниже (получилось за счет плохого контакта К), то увидим интересную картину.                 

Где видим ток контура случайно прервался в момент почти максимума тока и накопленная энергия катушки зарядила емкость С2+С3 (включены последовательно), при этом первичный контур почти отдал всю энергию, а то, что осталось погасил на затухающей вибрации, которую мы видим на желтом графике в виде ВЧ вибраций.

Посчитаем энергию конденсатора С2+С3

Wc2с3 после= ½ CU²= 1/4 *1,5* 10^-6 *11,7²= 51,33 мкДж

Опять ничего лишнего, энергии меньше, чем было в заряженной емкости С1 (примерно 60,75 мкДж).

Ниже еще вариант прерывания контура, только когда ток контура почти останавливается. Мы видим, что зарядка есть дополнительная, но очень не значительная.

Отсюда вывод, что система Д. Смита без накопления энергии в прежних циклах не дает ничего лишнего, всё по законам физики.

Когда емкость С1 разряжается, то возникают два встречных тока, как показано ниже на рисунке.

Или даже правильнее сказать, что сначала в катушке L1 идет ток (напряжение в ней почти нулевое), а в катушке L2 получаем напряжение, равное напряжению C1, затем плечи меняются местами, в катушке L2 получаем ток, напряжение почти нулевое, а в катушке L1 возникает напряжение. Именно этот момент изображен на рис.7.

Но возникает вопрос, откуда дровишки, прирост энергии!? Мне думается, чтобы схема Д. Смита работала эффективно необходимо выполнить следующее:

1. Иметь как можно больше накопительную емкость (С2 на рис.7). Это позволяет току I1 течь свободно, не создавая торможение и потери энергии в начале зарядке на С2. Поэтому ток I1 через положительную обратную связь (ПОС) воздействует на ток I2, усиливая напряжение на катушке L1.
2. Необходимо иметь накопленную энергию в емкости С2 в предыдущие циклы, что и позволяет усиливать энергию, потому как ПОС позволяет для источника заряжать емкость С2 без влияния накопленной энергии. А на нагрузке вся энергия емкости С2 прикладывается. Или же можно сказать при заряженной емкости С2 напряжение оборачивается против себя же, ток в плече L1 не возникает, как это получается при разряженной емкости С2, но зато возникает ток в плече L2 при зарядке C2.
3. Желательно использовать резонанс для накопления энергии в контуре, например, сделать первичную обмотку относительно быструю, т.е. повышающий трансформатор реализовать, тогда, настроив источник по частоте с частотой резонанса контура, чтобы быстрый источник разгонял более медленную обмотку (контур), за счет сложения импульсов (резонанса) получается дополнительное усиление, именно поэтому Д. Смит часто применял неоновый трансформатор, где принцип резонанса  и использования высокой индуктивности вторичной обмотки применяется.

В данной заметке описаны только ВЧ процессы в катушках, когда токи идут встречно в обмотках, на осциллограммах мы видим так же НЧ колебания контура, когда остаточная энергия свободно затухает, когда токи в катушках идут в одном направлении.

Пояснение дополнительное к данной схеме