На частоте резонанса в LC контуре образуются гармонические колебания. При этом ток и напряжение в колебательном контуре в разы превышают ток и напряжение от источника питания идущие на поддержание резонанса.
Если напряжение на конденсаторе в контуре 40 вольт , а напряжение источника питания в момент открытия транзистора 12 вольт, возникает вопрос каким образом энергия будет поступать в колебательный контур? Логично предположить, что всё должно быть с точностью до наоборот и повышаться должно напряжение на конденсаторе источника питания.
Обратимся к истокам и посмотрим как в учебнике физики за 11 класс, Мякишев освятил увеличение тока и напряжения в колебательном контуре.
"При R → 0 резонансное значение силы тока неограниченно возрастает. Одновременно с увеличением силы тока при резонансе резко возрастают напряжения на конденсаторе и катушке индуктивности."
Последнее рвёт все шаблоны - увеличение тока в цепи при уменьшении её активного сопротивления, способствует увеличению напряжения!!
Будьте предельно осторожны и не пытайтесь понять учебник физики за 11 класс. Это бомба способная взорвать любой здравый смысл!!
"Добротность — количественная характеристика резонансных свойств колебательной системы, указывающая, во сколько раз амплитуда установившихся вынужденных колебаний при резонансе превышает амплитуду вынужденных колебаний вдали от резонанса."
Проще говоря, добротность характеризует свершившийся факт - показывает количественное превышение тока и напряжения в резонансе, но не объясняет физики процесса и не даёт ответа на вопрос - почему напряжение в контуре оказывается в три четыре раза больше напряжения источника питания.
На фотографии синий луч осциллограммы показывает напряжение на конденсаторе, зелёный луч - изменение тока на нём. Жёлтый луч - фиксирует моменты времени когда открыт транзисторный ключ и происходит поступление порций энергии в колебательный контур.
Общепринятым является подход, что следует определять моменты перехода тока в колебательном контуре через ноль и в эти моменты времени закрывать один транзистор и открывать следующий.
Индукционный нагреватель адаптивного типа класса "Охотник" основан на других принципах и определяет резонансную частоту, ориентируясь на максимум тока в контуре, поэтому длительность открытия ключа может быть произвольна.
После разрыва электрической цепи ток начинает исчезать, стремительно уменьшаясь. По закону Фарадея уменьшение тока образует ЭДС индукции. "Амплитуду" возникшей ЭДС определяет скорость уменьшения тока, которая при разрыве цепи измеряется сотнями наносекунд, а значит значительно выше ЭДС источника питания. Возникший потенциал приходится на момент максимума напряжения на конденсаторе и дополнительно увеличивает его амплитуду.
Вы видите этот импульс на датчике тока (зелёный луч) в момент закрытия транзистора. И Вы видите что именно в момент образования высоковольтного импульса происходит увеличение заряда конденсатора. Синий луч осциллографа показывает ступеньку роста напряжения на конденсаторе в максимуме синусоиды. Симулятор LTSpice в точности повторяет данную осциллограмму.
Таким образом, в результате сотрудничества внешних сил противодействия (самоиндукции) и закона Фарадея образуется - энергия, которая увеличивает напряжения в контуре до значений больших чем ЭДС источника питания.
Не поддавайтесь искушению считать, что в силу малой длительности данного импульса (порядка 300-700ns) его энергия незначительна. Именно этот импульс выполняет заряд конденсатора до напряжений больших чем ЭДС источника питания.
На осциллограмме или в симуляции LTSpice Вы можете видеть что увеличение напряжения на конденсаторе происходит после того как электронный ключ разомкнул цепь. Подумайте, это важно. Цепь разомкнута, тока от плюса источника питания к его минусу нет, и именно в это время происходит увеличение напряжения на конденсаторе.
У тока источника питания есть два возможных пути следования от плюса к минусу - через конденсатор или через индуктивность. Конденсатор заряжен и напряжение на нём выше источника питания. Логично предположить что ток идёт через индуктивность - осциллограмма тока в индуктивности имеет ступеньку.
Факт того, что энергии в колебательном контуре аккумулируется на порядки больше чем тратится на поддержание резонанса в контуре, ни у кого не вызывает сомнений. В контуре безусловно есть энергия среды. Этот вопрос детально раскрыт в следующей статье:
Избегайте заблуждения считать, что энергия запасется индуктивностью в магнитном поле. Увеличивается ток, увеличивается магнитное поле, уменьшается ток, уменьшается магнитное поле. Если Вы считаете что энергия запасается в магнитном поле, то равнозначно утверждать что энергия запасается электрическим током. Что неверно.
Материалы по теме:
- Как использовать энергию среды, обосновано математически и доказано на практике Л.И. Мандельштамом и Я.Д.Папалекси в 1934 году в их совместной работе о параметрическом возбуждении электрических колебаний: https://energy4all.ru/books/mandelstam_papalexi_1934.pdf
- Что такое энергия среды и возможность её использования смотрите в статье - Что самоиндукция и её роль в параметрическом резонансе: https://energy4all.ru/self_induction.html
- Как именно энергия поступает в колебательный контур описано в статье: https://energy4all.ru/zpe.html#281123
- Что такое энергия электрического тока: https://energy4all.ru/zpe.html#131023
Делитесь своими мыслями, ставьте лайки и подписывайтесь на канал. Это Ваш вклад, который поможет миссии - открытые технологии и схемотехника построения экономных нагревателей индукционного типа для всех!