14 июн 2023
«Зловещий» резонанс.
#статья_supereyes_ru
Эта статья посвящена явлению, о котором практически нет внятной информации в популярном поле. Открытым поиском в интернете на эту тему ничего найти не удалось. Речь пойдёт об электромагнитном резонансе кристаллической решётки металлов, в данном случае – меди, ставшей преобладающим видом проводников в электронике. Чтобы соблюсти сущностную точность, будем называть кристаллическую решётку меди – «структурной».
Описание явления.
В нашей лаборатории проводились исследования в области распространения электромагнитных волн в твёрдых физических средах. Поведения электрических, магнитных, сононных импульсов в металлах регистрировалось как приборами объективного контроля, которые можно приобрести, так и специальными приборами собственного изготовления.
В ходе экспериментов отмечено: с ростом крутизны фронта электрического импульса поведение электромагнитной волны в медном проводнике меняется, попадая в зону малоисследованных явлений.
Все кристаллические решётки проводников имеют собственные частоты поглощения, при которых электромагнитная энергия переходит в тепловую. На этой частоте возникает резонанс, и потребление энергии в электрической цепи растёт лавинообразно.
Структурная решётка меди образует почти изотропную доменную структуру. Лучше всего это проявлено в бескислородной меди. В ней данный резонанс выражен ярко и затухает дольше, чем в проводниках из меди с примесями.
Чтобы снизить эффект возбуждения структурной решётки меди, достаточно ввести в магнитную систему ферромагнетик – это значительно снизит потерю сигнала и замедлит его распространение.
Практический пример. Инженеры прошлого столетия создали полевой телефонный провод, в котором медные жилы перемежаются стальными. В таком кабеле стальные жилы одновременно являются элементом упрочнения конструкции и ферромагнитным сердечником-экраном, снижая излучения ЭМ-энергии.
Значительную опасность резонанс структурной решётки меди представляет для полупроводниковых приборов, особенно IGBT и MOSFET. Любые защиты и схемотехнические решения слабо помогают спасти схему от разрушения. При соответствующих условиях схема на транзисторах самовозбуждается, ведь их выводы также изготовлены из меди.
Особенную проблему описываемое явление представляет тогда, когда электромагнитный резонанс электрической цепи и резонанс структурной решётки совпадают. Это порождает сильные биения, которые накачивают реактивную электрическую цепь настолько, что проводники могут плавиться и даже взрываться. В прошлом столетии, на заре цветного лампового телевидения, регистрировались случаи взрывов телевизоров американского производства, что приводило даже к гибели людей.
Инженеры-разработчики современной электроники нашли способ подавить самовозбуждение транзисторов. Для этой цели используются ферритовые бусины, надетые на выводы транзисторов, а также размещаемые в критических участках схемы.
В наше время, при проектировании индуктивных компонентов, инженеры стараются избегать совпадения частоты свободного резонанса индуктивности с резонансом структурной решётки меди.
При разработке силовых цепей желательно проверять их векторным анализатором антенн на предмет отсутствия совпадения с резонансом поглощения меди – частотами 5, 10, 15, 20, 25 и 30 мГц. Наиболее опасны частоты 5 и 10 мГц, именно они позволяют вызвать разрушительные явления в электронных схемах.
Указанные частоты не являются жёсткими величинами. Частота резонанса поглощения структурной решётки меди в значительной степени зависит от протекающего тока через медный проводник. Это осложняет проектирование цепей в симуляторах и требует тестирование готового изделия стресс-методами. По этой причине надёжность силовой аппаратуры требует дополнительных затрат.
Случай из практики
Звонит товарищ и, чуть не плача, просит приехать с приборами. Ему клиент в третий раз приносит Hi-End усилитель, в котором опять сгорели выходные MOSFETы, дорогие причём. Товарищ в панике: затраты на гарантийные ремонты давно перекрыли сумму, полученную при первом ремонте. Я ему с ходу: «Звони клиенту, пусть он привезёт не только усилок, но и всю обвязку».
Собираю стандартный набор – инструменты, двухканальный батарейный осцил, мультиметры, генератор DDS и на всякий случай кидаю в переноску анализатор антенн – чутьё подсказывает, что пригодится.
К моему приезду весь комплект собрали. Дорогая акустика и красавец усилитель заняли пространство мастерской, выглядя как «Bentley» на скотном дворе.
Товарищ нервозно поведал, что усилитель отремонтировал и настроил. Уставший мужчина в дорогой одежде скромно представился: «Аркадий Маркович».
Из рассказа владельца я узнал, что проблемы с усилителем начались, когда его сын-радиолюбитель укоротил фирменные кабеля колонок для уменьшения длинны тракта и снижения искажений. «Так-так», – буркнул я и полез за антенным анализатором китайского производства. LiteVNA64 – машинка недорогая, но весьма функциональная, проверена временем.
Цепляю к VNA переходник с крокодилами (сам сделал, в комплект не входит) и подключаюсь к линии провод-колонка. И конечно, с удовольствием наблюдаю основные частоты резонансов – 5, 10, 15 мГц!
– Аркадий Маркович, у вас замечательный сын! Только, пожалуйста, не подпускайте его к тонкой аппаратуре, её не для этого делали, –саркастично сказал я владельцу аппаратуры.
И повернувшись к моему товарищу, тихо шепнул: «Это структурный резонанс молекулярной решётки меди виновен. Сынок владельца ему свинью подложил. Усилок в классе А?». Товарищ утвердительно кивнул.
Ну вот, мосфиты находятся на пике реакции, нагреты, а значит – склонны к самовозбуждению. Посмотрев даташит на выходные транзисторы, – шикарные лавинники с высокой скоростью, широкой линейной зоной, малыми задержками, малой ёмкость затвора, и… очень медленный диод. Ну все условия для возбуждения на частоте 5 мГц! Тут наличие защиты никакой роли не играет! Выход будет гореть!
Пытаюсь, как могу, объяснить владельцу и моему товарищу, что именно является причиной выхода из строя выходных каскадов усилителя и вижу, что меня не понимает не только владелец, но и мой товарищ – ремонтник электронной аппаратуры. Замолкаю и трагически смотрю на обоих. Наконец Аркадий Маркович тихо произносит: «И что же теперь делать?».
– А вот это правильный вопрос, – отвечаю я. Поворчиваюсь к товарищу и говорю: – Закажи клиенту оригинальные провода для колонок, они точно выведены из зоны поглощающего резонанса меди. А вам, Аркадий Маркович, придётся оплатить все ремонты и кабель, случай не гарантийный. Впрочем, это на вашей совести – скажите спасибо своему отпрыску.
Я быстро собрал инструмент и вышел из помещения. Дальнейшее меня не интересовало. Я опять столкнулся с неуловим, но таким опасным старым знакомым – резонансом кристаллической решётки меди! Этот резонанс, словно невидимый демон, преследует электронную промышленность всего земного шара! Частоты 5, 10, 15, 20, 25, 30 – это частоты, которые возбуждают структурную решётку меди и приводят к выходу из строя твёрдотельных электронных компонентов. В эпоху ламповой аппаратуры эти частоты всего лишь вызывали повышенный шум в усилительных трактах, но для транзисторов они стали убийцами.
Особенно это известно на примере ПЧ-трактов цветных телевизоров советского производства. Там, чтобы избежать аварии каскада работающего на частоте 10мГц, делался стократный запас по выносливости. Но каскады всё равно горели, а качество работы приёмников было не самым лучшим. В импортной технике промежуточная частота была сдвинута от 10 мГц, это давало и лучшее качество приёма, и более высокую надёжность. Так чем же так опасна эта частота?
Некоторое время мне довелось исследовать переходные процессы в электронных цепях. Использование для возбуждения цепи искрового разряда давало очень рельефную картину. Во всех экспериментах присутствовала частота 10 и 5 мГц. Искровой разряд порождал ток, который вырождался по мере расходования энергии из 10 в 5 мГц, оставляя чёткую синусоиду на любом типе осциллографов при любой длине цепи. То есть эта частота преследовала меня, как невиданный демон электроники! Наткнувшись на труды Папалекси и Капицы обнаружил, что они прямо указывали на существование резонанса кристаллических решёток металлов. Так я узнал о самом коварном враге электроники – структурном резонансе в меди. Стало понятно, почему эти частоты не используют в военной радиосвязи.
А вы наблюдали резонанс меди в своей практике? Есть опыт использования векторных анализаторов антенн?
ну во первых сам никогда такую пургу не наблюдал
хотя оборудование позволяет
надо будет выделить время - попытаться наблюдать
но берут дикие сомнения
было бы приятно если бы автор дал чёткие условия наблюдения такого чудного явления
Для наблюдения чёткой картины нужен крутой фронт напряжения, приложенный к проводнику из меди. Например, искровой разряд или ЭДС самоиндукции катушки без сердечника. На такой катушке фронт очень крутой. Самый лучший результат дают индуктивности, намотанные способом «Универсаль» или «Клетка». Также нужны надёжные заземления и скоростной осциллограф.
Если полоса пропускания осциллографа менее 100 мГц, чётко это явление выявить не удастся.
Попробуйте понаблюдать работу DC-DC преобразователей в режиме AC осциллографа. Вы сможете выделить шумовой сигнал со спектрами возбуждения решётки меди. Используйте короткие пробы - чем короче от источника сигнала, тем ярче картинка. Сигнал вырождается с расстоянием от источника.
занимаюсь преобразователями мощностью 100кВт
главное проявляется
но
не проявляется!!!
при мощности в 100кВт мощности "резонанса" то же должны быть кучерявые
но нет! ничего подобного не наблюдается
там других явлений полно, есть с чем бороться
всё - кроме этого