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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Soldadura eléctrica de cuarto de onda. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / equipo de soldadura Los radioaficionados de onda corta y cualquiera que haya estado seriamente interesado en las comunicaciones por radio saben que las ondas estacionarias a niveles de alta potencia son un mal inequívoco. Una vez establecidas en la ruta de transmisión de energía de RF, las ondas estacionarias pueden causar muchos problemas. Por ejemplo, desactive el amplificador de potencia, queme el cable a la antena, queme el relé de la antena, etc. Te contaré una historia. Una vez necesité un trozo de cable coaxial de 75 ohmios de exactamente 2 m de largo, guardé una bobina de cable de una sola pieza de 30 m de largo, corté el trozo deseado, corté los extremos, verifiqué la rotura del núcleo central con un ohmímetro Decidí que, dado que la pieza es del final de la bahía, se puede romper. Nuevamente cortó la pieza necesaria, la cortó, la revisó, nuevamente la rotura del núcleo central. Pensé que era un cable usado, tirado en algún lugar de la sala de control, y podría haber sido pisoteado. El otro extremo del cable debe estar en la antena, no hay nadie para pisotear allí. Corta un trozo del otro extremo de la bahía. Lo mismo: una ruptura en la vena central. Mi paciencia se agotó, llevé toda la bahía al patio y comencé a cortarla. Habiendo cortado la bahía en 17 piezas y sin haber recibido ninguna buena, decidí ir a la tienda y comprar un cable nuevo. En el camino, pensé en cómo se puede quemar el cable al mismo tiempo en muchos lugares. En corriente continua, el circuito generalmente se quema en uno, el lugar más débil, otros lugares después de eso ya no se queman. Volviendo a casa con un cable nuevo, decidí quitar toda la trenza en pedazos del cable viejo. Después de eso, los lugares oscurecidos y las roturas de cables de 24 mm fueron visibles a través del aislamiento translúcido. El diámetro del núcleo central del cable RK-75-4-11 es de 0,72 mm, para quemar dicho cable, se necesita una corriente de 21 A. Los lugares de quemaduras se ubicaron con cierta frecuencia, un poco menos de 1 metro Más tarde, logré averiguar que el cable dañado se usaba como parte de una estación de radio de 54 MHz. La longitud de onda en el cable era de 3,66 m (teniendo en cuenta el factor de acortamiento de 1,52). Y luego me di cuenta de que el cable estaba "cortado" en segmentos de cuarto de onda de 0,915 m No pude encontrar una explicación clara para este efecto en la literatura. Y luego se me ocurrió un modelo adecuado, que propongo a continuación.
Requisitos previos iniciales (los símbolos se muestran en la Fig. 1): 1) una línea coaxial ideal con una distribución uniforme de parámetros a lo largo de la longitud en el modo de interrupción de carga; 2) el aislamiento entre el núcleo central y la malla es idealmente fuerte desde el punto de vista eléctrico y no puede ser atravesado por ningún voltaje; 3) el núcleo central tiene una pequeña resistencia óhmica y tiene la capacidad de aumentar la resistencia en el lugar de calentamiento, un núcleo calentado uniformemente tiene una resistencia distribuida uniformemente a lo largo de toda la longitud; 4) el núcleo central se puede quemar con alta corriente en un lugar precalentado, en este lugar se forma una cápsula llena de vapores del metal del núcleo; 5) la cápsula se rompe en el sitio de la quemadura y se ioniza por un aumento de voltaje, la ionización persiste durante mucho tiempo en la cápsula y la conductividad aumenta con el aumento de la corriente en el gas ionizado (arco) y la liberación de calor. Las averías repetidas se producen a un voltaje mucho más bajo que las primarias. La Figura 1 a, b muestra los gráficos de la distribución de voltajes y corrientes a lo largo de la línea en el modo de desajuste extremo (rotura de carga o cortocircuito; los gráficos están desplazados por λ / 4). En este caso, los máximos se denominan antinodos y los valores cero se denominan nodos. La Figura 1c muestra una línea coaxial larga idealizada en el modo de onda estacionaria (en ruptura de carga), donde los antinodos de corriente y voltaje se muestran como símbolos. Se alternan con un periodo de λ/4 a partir del extremo de salida, ya que se produce una reflexión completa de la onda. La línea es alimentada por un generador adaptado a la línea de transmisión de energía. En los antinodos de la corriente se produce un calentamiento uniforme de las secciones de la línea. En este caso, la resistencia aumenta en esta zona y el núcleo puede fundirse y formarse una cápsula llena de vapores metálicos. En realidad, debido a la distribución desigual de los parámetros del cable, la fusión del núcleo central no puede ocurrir en todos los antinodos actuales simultáneamente.
Por lo tanto, introducimos falta de homogeneidad en la línea. Tal heterogeneidad puede ser un defecto de fabricación (una disminución en la sección transversal del núcleo en un lugar determinado, una abolladura, una inclusión). Entonces, por ejemplo, en el antinodo 3λ/4 del extremo abierto de la línea, se produjo una quemadura (Fig. 2a) y se formó una cápsula llena de vapor de metal. Tal interrupción en la línea se percibe como una interrupción en la carga, el antinodo del voltaje se desplaza en λ/4, es decir al lugar de la primera ruptura y hace una ruptura primaria (Fig. 2, b). La ionización en la cápsula aumenta y la resistencia disminuye debido a la quema del arco. El antinodo de tensión se desplaza de nuevo en λ/4, y el antinodo de corriente se desplaza en su lugar, restaurando la conductividad en el espacio, es decir en este lugar, el arco de plasma restaura la conductividad del núcleo. Pero como el extremo de carga de la línea está abierto, la onda estacionaria se restaura en su forma anterior (Fig. 2, c). La temperatura en el sitio de la sección restaurada de esta manera aumenta y, debido a la transferencia de calor, aumenta la resistencia del núcleo en las secciones vecinas. En los antinodos de corriente vecinos, se libera un mayor calor, lo que conduce a la quema del núcleo hacia la derecha y hacia la izquierda en λ / 4 desde el lugar del primer daño, y el antinodo de voltaje se desplaza a estos lugares Fig. 2, c. Hay una ruptura primaria de los espacios, su calentamiento y una fuerte ionización en las cápsulas formadas. En este momento, el arco previamente encendido se mantiene ya sea por corriente o voltaje (alternativamente a medida que ocurren los siguientes daños en la línea), y aumenta el calentamiento en las secciones vecinas hasta la fusión, y luego se desarrolla el proceso, como se muestra en la Fig. 2, g-g a lo largo de toda la longitud del cable. Vemos que la onda estacionaria transfiere energía (pero no a la carga) y la libera sobre las "cargas" organizadas por ella, dispuestas con un paso de λ/4, en forma de fusión del núcleo central. Además, con una potencia del generador relativamente baja, surgen valores muy grandes de corriente y voltaje en los antinodos. La suma de estos valores divididos se produce debido a la inercia de los espacios ionizados (la ionización en cápsulas se retiene durante bastante tiempo). En el caso considerado anteriormente con el cable RK-75-11 con 18 daños con un espacio promedio de 3 mm, dicho espacio total fue de aproximadamente 50 mm.
Es posible utilizar la energía de una onda estacionaria si los lugares de formación de antinodos se eliminan de la línea de transmisión de energía hasta sus extremos. Por lo tanto, consideramos la línea de cuarto de onda por separado. La figura 3a muestra una línea de este tipo, adaptada a la fuente de alimentación y la carga. Este es el llamado transformador de línea de cuarto de onda, que transforma la impedancia de carga en la impedancia de entrada de línea. Ahora consideremos modos de desajuste extremo en el marco del modelo propuesto anteriormente y reemplacemos la carga con un circuito de soldadura que consiste en un portaelectrodos y un electrodo en forma de pieza soldada como llave con ionización del espacio entre los contactos. La figura 3b muestra el caso de una ruptura de carga cuando los electrodos están separados por una distancia a la cual se rompe el arco, luego el voltaje al final del electrodo forma un antinodo con la subsecuente ruptura del gap, la descarga del antinodo y la formación de una nube ionizada. La figura 3c muestra el caso de cierre de carga, en el que el arco se extingue y el electrodo se "pega" a la pieza de trabajo que se está soldando. En este caso, el voltaje cae a cero (teóricamente), pero la corriente del electrodo alcanza valores muy altos y quema el puente de cierre, y luego derrite intensamente el electrodo hasta alcanzar el modo normal. La Figura 3d muestra el caso del modo normal, este es el caso clásico de transmisión de potencia en el modo de ondas viajeras con una carga adaptada, y las condiciones coincidentes también las conocemos. Se sabe que el arco se quema a un voltaje de aproximadamente 20 V, y la corriente en él está determinada por la sección transversal del electrodo utilizado. Al dividir el voltaje por la corriente según la ley de Ohm, obtenemos la resistencia de carga, que debe ser igual a la resistencia de onda de la línea. Cabe señalar que para los cables coaxiales estándar esta resistencia es baja y es necesario desarrollar cables especiales. Será necesario aumentar la sección transversal del núcleo central del cable, ya que a corrientes inferiores a 40 A, el arco arde de forma inestable y no crea una temperatura suficiente para fundir el acero. De los momentos facilitadores del diseño, cabe señalar lo siguiente. Un transformador de cuarto de onda crea condiciones casi ideales para iniciar y quemar un arco, equivalente a una característica de fuerte caída en los transformadores de soldadura convencionales, que generalmente se logra transfiriendo el punto de operación del transformador al límite de saturación del núcleo, lo cual es extremadamente antieconómico y crea una gran interferencia en la red de iluminación (cuando el núcleo de un CT convencional está saturado, los pulsos de corriente del devanado primario alcanzan cientos de amperios, la potencia térmica generada se mide en kilovatios). Con la soldadura eléctrica de cuarto de onda, el arco se mantiene alternando y combinando los tres modos de operación de la línea de cuarto de onda, ya que el circuito de soldadura se alimenta de una fuente de energía, lo más probable es que se tenga que hacer a través de un equipo de emparejamiento. transformador de un generador que opera a frecuencias más altas. Con la ayuda de un transformador de cuarto de onda de este tipo, es posible excluir el modo de cerrar la carga del generador, lo que permitirá el uso de circuitos de transistores de convertidores. El hecho es que un cortocircuito en la carga conectada a través de un transformador de cuarto de onda se transmite a la entrada de línea en forma de alta resistencia. Pero cuando se rompe el circuito de soldadura, la carga para el generador es similar a un cortocircuito. Pero tenemos un enorme margen de voltaje en los electrodos. Este voltaje debe limitarse en algún nivel por razones de seguridad. Al limitar el voltaje en los electrodos de soldadura abiertos, reducimos simultáneamente la carga máxima en el generador y podemos construir un sistema optimizado con una potencia de solo unos pocos cientos de vatios, similar en eficiencia a una máquina de varios kilovatios en una implementación clásica. Teóricamente existe la posibilidad de soldadura eléctrica de cuarto de onda a una frecuencia de 50 Hz, pero en la práctica es muy costosa. Por lo tanto, la frecuencia debe elevarse al menos a unos pocos megahercios. En general, cuanto mayor sea la frecuencia, más simple y compacto puede ser el diseño, pero comienza a aparecer el efecto piel, que reducirá la profundidad de la soldadura, y en el microondas se convertirá en un "generador de fuegos artificiales". Sugiero soldadura eléctrica de cuarto de onda solo para material laminado, en cuyo caso puede reemplazar los dispositivos tipo KEMP. El efecto piel es útil porque es capaz de limpiar la superficie metálica de las películas de óxido. Esta película suele ser dieléctrica y tiene una estructura cristalina, y debajo de ella hay una región de mayor resistencia para las corrientes superficiales, lo que provocará un calentamiento local debajo de la película y en sus límites, y la diferencia de temperatura destruirá la estructura de la película de óxido. (la película se desprenderá de la superficie metálica), que puede ser una alternativa a los fundentes para electrodos de soldadura. Hablando de la implementación práctica, debe tenerse en cuenta que la longitud física de una línea de cuarto de onda en una versión coaxial tiene un acortamiento significativo (a diferencia de los cables trenzados), y los cables de soldadura actúan como un bucle de sintonización que extiende la línea para que el cuarto de onda segmento de onda termina justo al final del electrodo de soldadura.
En la inclusión habitual de una línea coaxial (Fig. 4, a), su impedancia de onda ρ es igual a la impedancia de onda del cable Z. Es deseable reducir la impedancia de onda de la línea de cable (utilice, por ejemplo, estándar cables de 50 ohmios). Si conecta la trenza del cable paralela al núcleo central, como se muestra en la Fig. 4, b, entonces puede reducir la resistencia de la línea 2 veces. La malla del cable suele tener una sección transversal importante para el cobre, superando la sección transversal del núcleo central, aunque las corrientes que circulan por ellos son las mismas. Sugiero usar la malla del cable como devanado secundario del transformador de salida del generador. Puede combinar el transformador de salida del generador y un transformador de cuarto de onda en la línea (Fig. 4, c), es decir, simplemente puede enrollar el devanado secundario con un cable coaxial que forma una línea de cuarto de onda. Dado que el circuito de la Fig. 4c es resonante, podemos esperar la transferencia de la energía del campo magnético del transformador del generador al campo electromagnético de la línea coaxial. La figura 4d muestra un diagrama de la inclusión habitual de una línea de cuarto de onda. Aquí, la carga del transformador en la malla del cable se puede obtener aplicando la resistencia de carga R, así como el diseño del cable considerado anteriormente. Particularmente conveniente en este diseño es que un extremo de la línea está tapado, pero lo más probable es que tenga que enfriarse. Autor: Yu.P.Sarazh
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