RF Kaviteler ve RF Enerji Geri Kazanımı Projesi
advertisement
RF Kovukları ve RF Enerji Geri Kazanımı Projesi Veli YILDIZ 30.06.2010 içerik • RF kovukları • SPS kovukları ve enerji akış şeması • RF Enerji geri kazanımı projesi – Yeni enerji akış şeması – RF/DA dönüştürücüsü için seçenekler • CWC (Siklotron Dalga Dönüştürücüsü) • Doğrultucu – Neler yaptık? – Sonraki adımlar neler? NOT • Mavi arka plan – Ara bilgi • Beyaz arka plan – Asıl konu Kullanılan bazı terimlerin Türkçe-İngilizce karşılıkları o o o o o o o Cavity: kovuk Traveling wave: ilerleyen dalga Standing wave: durgun dalga Bunch: bohça Coaxial cable: eşeksenli kablo Wave guide: dalga kılavuzu Coupler:bağlayıcı o o o o o o Transmission line: iletim hattı Rectifier: doğrultucu Capacitance: sığa Amplifier: yükseltici Circulator: yönlendirici Matching circuit:eşleyen devre RF - Radyo Frekansı 30kHz – 300GHz • • • • • AM Radyo FM Radyo TV Mikrodalga Radar RF Kovukları • RF kovukları, parçacıkların enerjisinin değiştirildiği, bohça yapısının ve sürekliliğinin sağlandığı kısımdır. RF Üreteci ve Enerjinin RF Kovuğuna Ulaştırılması İlerleyen Dalga Kovuğu SPS •Kovuğa verilen RF enerjisinin %5 i kovuk duvarlarında ısıya dönüşüyor veya demete aktarılıyor. %95’i yük direncine (RL) gönderiliyor. •Yük direncine iletilen ortalama RF gücü:379 kW, •SPS: 4 Tane 202.5 MHz’ lik ilerleyen dalga kovuğu var. •Toplamda ortalama 1500kW, yük dirençlerinde ısıya dönüşüyor ve soğutma sistemi ile tahliye ediliyor. •Bir evin ortalama güç ihtiyacı : 1kW SPS Kovukları Boşa harcanan 1500kW geri kazanılabilir mi? • İletim hattına yerleştirilen antenlerin her biri ile 1kW lık güç emip RF/DA dönüştürücü birimlere günder. • RF/DA dönüştürücü birimlerden sonra doğru akımı topla. • Doğru akımı tekrar alternatif akıma dönüştürüp: – Elektrik şebekesine gönder – RF üretecine gönder Güç Emici • Eşeksenli kablo – Karakteristik empedans:50Ω – iç yarıçap: 100mm – Dış yarıçap: 345mm • Pin:500kW • Pout=50kW (RL’e) • Bağlayıcıların geometrisi emilen gücün sabit kalması için değişik tasarlanmalı • Her adımda eşeksenli kablonun dış çeperine yerleştirilmiş 10 anten var. • Toplam 45 adım : 450 kW RF-DC Dönüştürücüsü Çözüm 1: CWC Siklotron Dalga Dönüştürücüsü • Olumlu – 0.5-50kW güç – %83 e kadar verim – frekans bant genişliği:%5 • Olumsuz – Vout > 100kV – Çalışabileceği frekans 0.5-5GHz – 200 MHz için çok büyük bir alet gerekli Çözüm 2: Doğrultucu (Rectifier) • Kablosuz Enerji Transferi – 1961 Kablosuz Enerji Transferi Rectenna=anten+Doğrultucu W. C. Brown – 1964 W. C. Brown kablosuz enerji transferi ile çalışan helikopter gösterisi – 1975 NASA kablosuz enerji transferi gösterisi • DA/DA dönüştürücüleri RF/DA dönüştürücü Taslağı • Yönlendirici - Sistemdeki bir hata durumunda kovuğa enerji yansımasını engeler. • Eşleyen Devre – • Doğrultucu – • Maksimum enerji iletimini sağlar. AA/DA dönüşümünü sağlar. DA çıkış fitresi – Temiz bir doğru akımı garantiler. Takip Edilecek Adımlar! • Doğrultucuyu tasarla • Empedansını belirle • Empedans eşleme birimini tasarla • Ölçüm yap • Sonuca göre önceki adımları tekrarla Frekans:50Hz Kırmızı: Çıkış gerilimi Yeşil: Üreteç gerilimi Frekans:50Hz Kırmızı: Çıkış gerilimi Yeşil: Üreteç gerilimi Üretecin frekansını yükseltelim ve çıkış gerilimini inceleyelim! 30kHz 100kHz 500kHz 1MHz 100MHz Sorunlar • Eklem sığası Ce – Ciddi miktarda akım kaçırmakta – Sabit değil: diyot üzerindeki ters gerilime bağlı olarak değişiyor. • Lp indüktansı – Sabit, – Ce ile rezonansa girerse diyot yerine kısa devre elde ederiz. • Diyot lineer devre elemanı değil – Z=U/I – Doğrultucunun empedansı devreye sağlanan güç ile değişiyor • Schottky diyotları : Eklem sığaları düşük. – GaAs, GaN, SiC • Rezonans doğrultucu devreleri: • Ce ve Lp den birer devre elemanı olarak faydalan • Devreyi belirli bir güce, frekansa, yük direncine göre ayarla. • Simülasyonları yap (PSpice), • En verimli ve empedansı en az değişen devreyi seç RF/DA Verimi - Güç 100 98 96 94 Verim[%] 92 90 88 86 84 82 80 0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 Güç [W] 250,00 300,00 350,00 Empedans - Güç 20 18 16 14 |Z| [Ω] 12 10 8 6 4 2 0 0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 Güç [W] 250,00 300,00 350,00 Seri rezonans doğrultucu devresi Takip Edilecek Adımlar! Doğrultucuyu tasarla Empedansını belirle • Empedans eşleme birimini tasarla • Ölçüm yap • Sonuca göre önceki adımları tekrarla Empedans Eşleme :karakteristik empedans :birim uzunluktaki indüktans :birim uzunluktaki sığa • Eşeksenli kablo sonsuz uzunlukta olsa direnci kadar olur. • Eşeksenli kablonun sonuna, empedansı olan bir devre elamanı veya devre bağlanırsa koaksiyal kabloda taşınan enerjinin tamamı iletilir. • Farklı bir empedans değerine sahip devre bağlanırsa enerjinin birkısmı iletilir birkısmı geri yansır. Yay üzerinde atmanın yansıması RL’ e ulaşabilecek en yüksek güç:0,25W =50Ω Vür=10V RL (Ω) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 200 300 VRL (V) 1,66 2,85 3,74 4,44 5,00 5,45 5,82 6,14 6,41 6,65 7,98 8,56 PRL (W) 0,1378 0,2031 0,2331 0,2464 0,2500 0,2475 0,2419 0,2356 0,2283 0,2211 0,1592 0,1221 RL - RL’e Ulaşan Güç 0,3000 0,2500 0,2000 0,1500 0,1000 0,0500 0,0000 0 50 100 150 200 250 300 350 Kullandığımız eşeksenli kablo 12-18Ω arası değişiyor. =50Ω, doğrultucunun empedansı 20 18 16 14 |Z| [Ω] 12 10 8 6 4 2 0 0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 Güç [W] 250,00 300,00 350,00 λ/4 Dönüştürücüsü Dönüştürücünün uzunluğu tam olarak kullanılan kablodaki dalga boyunun çeyreği kadar olmalı!!! Prototip Ölçümler • LINAC2 den alınan f=202.5Hz’lik yükseltici ile: – 10 μs uzunluğunda 1 Hz frekansında sinyaller gönderdik. – 0-400 W arası güç ile ölçümler yaptık Tetikleyici Yükseltici RF üreteci Osiloskop Sonuçlar Sonraki Adımlar • Su soğutmalı bir prototip üretip: – Daha yüksek güçlerde ölçüm yamak, • Hedef 1kW – Sürekli dalga ile ölçüm yapmak, • Yönlendirici seçip, sistemi bir bütün halinde denemek, • DA birleştirme birimini tasarlamak, • DA-RF dönüştürme birimini tasarlamak (gerekli ise) Projede Emeği Geçenler • Fritz Caspers • Michael Betz • Veli Yıldız (CERN) (Karlsruhe Üniversitesi) (Boğaziçi Üniversitesi) Teşekkürler!!!
