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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Soldagem elétrica de quarto de onda. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / equipamento de solda Os radioamadores de ondas curtas e qualquer pessoa que já tenha se interessado seriamente por comunicações de rádio sabem que ondas estacionárias em altos níveis de potência são claramente malignas. Uma vez estabelecidas no caminho de transmissão de energia de RF, as ondas estacionárias podem causar muitos problemas. Por exemplo, danificar o amplificador de potência, queimar o cabo da antena, queimar o relé da antena, etc. Vou te contar essa história. Um dia precisei de um pedaço de cabo coaxial de 75 ohms com exatos 2 m de comprimento. Guardei uma bobina de cabo inteira de 30 m de comprimento. Cortei o pedaço necessário, separei as pontas e verifiquei a ruptura no núcleo central com um ohmímetro. Decidi que como o pedaço era do final da baia, poderia ser quebrado. Mais uma vez cortei a peça necessária, cortei, verifiquei - novamente houve uma ruptura no núcleo central. Achei que se tratava de um cabo usado em algum lugar da sala de controle e que poderia ter sido pisoteado. A outra ponta do cabo deve ficar na antena, não tem ninguém para pisar ali. Cortei um pedaço do outro lado da baía. A mesma coisa – uma ruptura no núcleo central. Minha paciência acabou, levei toda a baia para o quintal e comecei a cortar. Depois de cortar a bobina em 17 pedaços e não conseguir nenhum que servisse, resolvi ir até a loja e comprar um cabo novo. No caminho pensei em como é possível queimar o cabo em vários lugares ao mesmo tempo. Em corrente contínua, o circuito geralmente queima em um local mais fraco e, depois disso, os outros locais não queimam mais. Voltando para casa com um cabo novo, resolvi retirar toda a trança dos pedaços do cabo antigo. Depois disso, áreas escurecidas e quebras de fio de 24 mm ficaram visíveis através do isolamento translúcido. O diâmetro do núcleo central do cabo RK-75-4-11 é de 0,72 mm, para queimar esse fio é necessária uma corrente de 21 A. Os locais de queima foram localizados com uma certa frequência - pouco menos de 1 m. Mais tarde descobri que o cabo danificado era usado como parte de uma estação de rádio de 54 MHz. O comprimento de onda do cabo foi de 3,66 m (levando em consideração o fator de encurtamento de 1,52). E então percebi que o cabo foi “cortado” em seções de quarto de onda de 0,915 m cada, não consegui encontrar uma explicação clara desse efeito na literatura. E então descobri um modelo adequado, que proponho a seguir.
Pré-requisitos iniciais (os símbolos são mostrados na Fig. 1): 1) uma linha coaxial ideal com distribuição uniforme de parâmetros ao longo do comprimento no modo de ruptura de carga; 2) o isolamento entre o núcleo central e a trança é idealmente eletricamente forte e não pode ser rompido por qualquer tensão; 3) o núcleo central possui uma pequena resistência ôhmica e tem a capacidade de aumentar a resistência no local de aquecimento; um núcleo aquecido uniformemente possui uma resistência uniformemente distribuída ao longo de todo o seu comprimento; 4) o núcleo central pode ser queimado por uma alta corrente em um local pré-aquecido, neste local é formada uma cápsula cheia de vapor do metal do núcleo; 5) a cápsula no local da queima é perfurada e ionizada pelo aumento da tensão, a ionização persiste por muito tempo na cápsula e a condutividade nela aumenta com o aumento da corrente no gás ionizado (arco) e a liberação de calor. Avarias repetidas ocorrem em tensões muito mais baixas do que as primárias. A Figura 1 a,b mostra gráficos da distribuição de tensões e correntes ao longo do comprimento da linha em modo de incompatibilidade extrema (quebra de carga ou curto-circuito - os gráficos são deslocados em λ/4). Nesse caso, os máximos são chamados de antinodos e os valores zero são chamados de nós. A Figura 1c mostra uma longa linha coaxial idealizada em modo de onda estacionária (em ruptura de carga), onde os antinodos de corrente e tensão são representados como símbolos. Eles alternam com um período de λ/4, começando na extremidade de saída, já que a onda é completamente refletida ali. A linha é alimentada por um gerador compatível com a linha de transmissão de energia. Nos antinodos atuais, ocorre aquecimento uniforme das seções da linha. Neste caso, a resistência aumenta nesta área e pode ocorrer o derretimento do núcleo e a formação de uma cápsula cheia de vapor metálico. Na realidade, devido à distribuição desigual dos parâmetros do cabo, a fusão do núcleo central não pode ocorrer em todos os antinodos atuais simultaneamente.
Portanto, introduzimos heterogeneidade na linha. Tal heterogeneidade pode ser um defeito de fabricação (redução da seção transversal do núcleo em determinado local, um amassado, uma inclusão). Assim, por exemplo, no antinodo 3λ/4 da extremidade aberta da linha, ocorreu uma queima (Fig. 2, a) e uma cápsula cheia de vapor metálico foi formada. Tal quebra de linha é percebida como uma ruptura de carga; o antinó de tensão é deslocado em λ/4, ou seja, para o local da primeira pausa e faz uma quebra primária (Fig. 2, b). A ionização na cápsula aumenta e a resistência diminui devido ao arco voltaico. O antinodo de tensão é novamente deslocado em λ/4, e o antinodo de corrente é deslocado em seu lugar, restaurando a condutividade no intervalo, ou seja, neste local o arco de plasma restaura a condutividade do núcleo. Mas como a extremidade de carga da linha está aberta, a onda estacionária é restaurada em sua forma anterior (Fig. 2, c). A temperatura na área da área assim restaurada aumenta e, devido à transferência de calor, a resistência do núcleo nas áreas vizinhas aumenta. Nos antinodos de corrente adjacentes, é liberado aumento de calor, o que leva à queima do núcleo à direita e à esquerda em λ/4 do local do primeiro dano, e os antinodos de tensão são deslocados para esses locais na Fig. c. Ocorre a quebra primária das lacunas, seu aquecimento e forte ionização nas cápsulas resultantes. Neste momento, o arco anteriormente aceso é suportado por corrente ou tensão (alternadamente à medida que a linha é ainda mais danificada), e ocorre aumento do aquecimento em áreas adjacentes até que ocorra a fusão, e então o processo se desenvolve, conforme mostrado na Fig. ao longo de todo o comprimento do cabo. Vemos que uma onda estacionária transfere energia (mas não para a carga) e a libera nas “cargas” que organiza, localizadas com passo de λ/4, na forma de fusão do núcleo central. Além disso, com uma potência do gerador relativamente baixa, surgem valores muito grandes de corrente e tensão nos antinodos. A adição dessas quantidades divididas ocorre devido à inércia das lacunas ionizadas (a ionização nas cápsulas persiste por muito tempo). No caso discutido acima com o cabo RK-75-11, com 18 falhas com folga média de 3 mm, essa folga total foi de cerca de 50 mm.
Você pode usar a energia de uma onda estacionária se mover os locais onde os antinodos se formam, da linha de transmissão de energia até suas extremidades. Portanto, consideraremos a linha de um quarto de onda separadamente. A Figura 3a mostra essa linha combinada com a fonte de energia e a carga. Este é o chamado transformador de quarto de onda na linha, que transforma a resistência de carga na resistência de entrada da linha. Agora consideraremos os modos extremos de incompatibilidade no âmbito do modelo proposto anteriormente e substituiremos a carga por um circuito de soldagem composto por um porta-eletrodo e um eletrodo em forma de peça soldada como chave com ionização do vão entre os contatos. A Figura 3b mostra o caso de ruptura de carga quando os eletrodos são separados por uma distância na qual o arco se rompe, então a tensão na extremidade do eletrodo forma um antinodo, seguido pela quebra do gap, descarga do antinodo e a formação de uma nuvem ionizada. A Figura 3,c mostra o caso de fechamento de carga, em que o arco se extingue e o eletrodo “gruda” na peça a ser soldada. Nesse caso, a tensão cai para zero (teoricamente), mas a corrente do eletrodo atinge valores muito altos e queima a ponte de fechamento, e então derrete intensamente o eletrodo até que o funcionamento normal seja alcançado. A Figura 3d mostra o caso do modo normal, este é o caso clássico de transmissão de energia no modo de onda viajante em uma carga casada, e as condições de correspondência também são conhecidas por nós. Sabe-se que o arco queima a uma tensão de aproximadamente 20 V, e a corrente nele contida é determinada pela seção transversal do eletrodo utilizado. Dividindo a tensão pela corrente conforme a lei de Ohm, obtemos a resistência da carga, que deve ser igual à impedância característica da linha. Deve-se notar que para cabos coaxiais padrão esta resistência é baixa e cabos especiais devem ser projetados. Será necessário aumentar a seção transversal do núcleo central do cabo, pois em correntes inferiores a 40 A o arco queima instável e não cria temperatura suficiente para derreter o aço. Os seguintes pontos devem ser observados para facilitar o design. Um transformador de quarto de onda cria condições quase ideais para excitação e queima do arco, equivalentes à característica de queda acentuada em transformadores de soldagem convencionais, que geralmente é realizada transferindo o ponto de operação do transformador para o limite de saturação do núcleo, que é extremamente antieconômico e cria enorme interferência na rede de iluminação (quando o núcleo de um TC convencional está saturado, os pulsos de corrente do enrolamento primário atingem centenas de amperes, a potência térmica gerada é medida em quilowatts). Na soldagem elétrica de quarto de onda, o arco é mantido alternando e combinando todos os três modos de operação da linha de quarto de onda, uma vez que o circuito de soldagem provavelmente terá que ser alimentado por uma fonte de energia através de um transformador correspondente de um gerador operando em frequências mais altas. Utilizando esse transformador de quarto de onda, é possível eliminar o modo de curto-circuito da carga do gerador, o que permitirá a utilização de circuitos conversores de transistores. O fato é que um curto-circuito em uma carga conectada através de um transformador de quarto de onda é transmitido para a entrada da linha na forma de alta resistência. Mas se o circuito de soldagem quebrar, a carga do gerador será semelhante a um curto-circuito. Mas temos uma enorme reserva de tensão nos eletrodos. Esta tensão deve ser limitada em algum nível por razões de segurança. Ao limitar a tensão nos eletrodos de soldagem abertos, reduzimos simultaneamente o pico de carga no gerador e podemos construir um sistema otimizado com potência de apenas algumas centenas de watts, semelhante em eficiência a uma máquina de vários quilowatts em uma implementação clássica. Teoricamente é possível utilizar soldagem elétrica de quarto de onda na frequência de 50 Hz, mas na prática é muito cara. Portanto, a frequência deve ser aumentada para pelo menos vários megahertz. Em geral, quanto maior a frequência, mais simples e compacto pode ser o desenho, mas começa a aparecer o efeito pelicular, que vai diminuir a profundidade da soldagem, e no micro-ondas vai virar um “gerador de fogos de artifício”. Sugiro soldagem elétrica de quarto de onda apenas para material em folha, neste caso pode substituir dispositivos do tipo KEMP. O efeito pelicular é útil porque é capaz de limpar a superfície do metal dos filmes de óxido. Este filme geralmente é dielétrico e possui estrutura cristalina, e abaixo dele aparece uma área de maior resistência às correntes superficiais, o que causará aquecimento local sob o filme e em seus limites, e a diferença de temperatura destruirá a estrutura do filme. filme de óxido (o filme irá lascar a superfície do metal), que pode ser uma alternativa aos fluxos para eletrodos de soldagem. Falando sobre implementação prática, deve-se notar que o comprimento físico da linha de quarto de onda na versão coaxial é significativamente encurtado (ao contrário dos fios trançados), e os cabos de soldagem atuam como um cabo de sintonia, estendendo a linha para que o quarto - segmento de onda termina exatamente no final do eletrodo de soldagem.
Na ligação habitual de uma linha coaxial (Fig. 4,a), a sua impedância característica ρ é igual à impedância característica do cabo Z. É aconselhável reduzir a impedância característica da linha de cabo (utilizar, por exemplo, padrão cabos de 50 ohms). Se você conectar a trança do cabo paralelamente ao núcleo central, conforme mostrado na Fig. 4b, poderá reduzir a resistência da linha em 2 vezes. A trança do cabo geralmente tem uma seção transversal de cobre significativa, excedendo a seção transversal do núcleo central, embora as correntes que fluem através deles sejam as mesmas. Sugiro usar a trança do cabo como enrolamento secundário do transformador de saída do gerador. Você pode combinar o transformador de saída do gerador e um transformador de quarto de onda na linha (Fig. 4, c), ou seja, pode simplesmente enrolar o enrolamento secundário com um cabo coaxial, que compõe a linha de quarto de onda. Como o circuito da Fig. 4c é ressonante, podemos esperar que a energia do campo magnético do transformador do gerador seja transferida para o campo eletromagnético da linha coaxial. A Figura 4d mostra um diagrama da conexão usual de uma linha de quarto de onda. Aqui, a carga do transformador ao longo da trança do cabo pode ser obtida usando o resistor de carga R, bem como o projeto do cabo discutido anteriormente. O que é especialmente conveniente neste design é que uma extremidade da linha está conectada, mas provavelmente terá que ser resfriada. Autor: Yu.P. Sarazh
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