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Genere un campo magnético de alta frecuencia usando esta técnica resonante

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Producir un campo magnético de alta frecuencia está desafiando debido a alta impedancia. La solución más práctica implica el aplicar de resonancia.

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Los usos numerosos de la prueba-y-medida requieren un campo magnético de alta frecuencia. A menudo, la alta fuerza de campo es necesaria. Los ejemplos de tales usos incluyen la investigación de la biomedecina sobre el efecto de un campo magnético sobre las células vivas, los experimentos científicos, la calibración de la punta de prueba, interferencia de campo magnético sobre productos electrónicos, y mucho más.

Uno los métodos mas comunes para generar un campo magnético es un par de la bobina de Helmholtz. Produce un campo magnético altamente uniforme sobre una zona abierta grande. El cuadro 1 muestra una pintura de un par de la bobina de Helmholtz conducido por un amplificador del generador de función. Aunque la mayoría de los campos magnéticos de la bobina de Helmholtz sean estáticos o C.C., cada vez más pruebas y experimentos están requiriendo campos magnéticos de la CA sobre una gama de frecuencia ancha. La obtención de un alto campo magnético de la CA hace frente a varios desafíos que no estén presentes con los campos de la C.C.

La realización de altos campos magnéticos en bobinas requiere la alta corriente eléctrica. En la C.C. o de baja fricción, la impedancia de la bobina es baja y de gran intensidad es bastante fácil de obtener. La impedancia de la bobina es dominada generalmente por la resistencia parásita de la bobina, que es generalmente pequeña. Las fuentes de alimentación comunes o las fuentes actuales están disponibles conducir la bobina en la corriente media a alta.

En el de alta frecuencia, sin embargo, la impedancia magnética de la bobina se aumenta proporcional a la frecuencia. La impedancia puede ser muy grande, a menudo muchas veces mayor que la resistencia. La impedancia de la bobina, Z, es proporcional a la frecuencia y a la inductancia (véase la ecuación 1). En una frecuencia más alta, la impedancia puede ser los diez, centenares, incluso millares de épocas mayores que la resistencia. Es difícil obtener de gran intensidad con tal alta impedancia.

Para calcular la bobina actual, ecuación 2. del uso. El actual aunque la bobina es inverso proporcional a la frecuencia. Para una amplitud dada del voltaje, las disminuciones actuales de la bobina con aumentos en frecuencia.

Soy la intensidad corriente de la bobina, V es la amplitud del voltaje, Z es la impedancia de la bobina, el ω es la frecuencia angular (ω = 2πf), y L y R son la inductancia y la resistencia de la bobina, respectivamente. Las ecuaciones 1 y 2 están para las bobinas genéricas tales como solenoides, bobinas de Helmholtz, inductores, etc. Para un par de la bobina de la CA Helmholtz, estas dos bobinas están conectadas en serie, aumentando la resistencia en un factor de 2 y la inductancia que aumenta levemente más que 2X (aproximadamente 2.11X para la mayoría de los pares de la bobina).

En el caso de baja fricción o de baja inductancia, o ambos, es directo conducir la alta corriente de la CA a través de la bobina usando un amplificador actual de alto rendimiento tal como el TS250. La impedancia de la bobina es bastante baja por el que pueda ser conducida por un amplificador directamente (fig. 2). La bobina se puede modelar (modelo de baja fricción) como resistor parásito en serie con un inductor ideal. La resistencia parásita del resistor es generalmente pequeña. En el caso de la bobina de Helmholtz, dos bobinas conectadas en serie todavía se modelan como una sola bobina, pero 2X la inductancia y resistencia.

Cuando la frecuencia está muy arriba, aunque, la impedancia de una bobina del electroimán aumenta con frecuencia como se debate en la ecuación 1. Cuando se requiere un campo magnético de alta frecuencia, la impedancia de la bobina es muy alta. Así, un conductor de alto voltaje es necesario conducir de gran intensidad a través de la bobina.

Por ejemplo, en 100 kilociclos, la impedancia de una bobina del electroimán 10-mH será el Ω 6283. Para producir un alto-bastante el campo magnético, de gran intensidad se requiere. ¡Si 4 A es necesarios, el voltaje requerido es más de 25 kilovoltios! Será muy difícil y no práctico diseñar un conductor que puede producir 25 kilovoltios y 4 A con el poder reactivo de 100 kilovatios.

Técnica resonante

El método de la directo-impulsión mostrado en fig. 1 no puede conducir de gran intensidad en la bobina magnética en el de alta frecuencia. La realización de un campo magnético de alta intensidad y de alta frecuencia requiere una técnica de la resonancia reducir la impedancia.

Como se ilustra en el cuadro 3, un condensador se añade en serie con la bobina. Se añade junta la impedancia de la bobina y del condensador; su impedancia se calcula en las ecuaciones 3 y 4. La impedancia del condensador es negativa y la impedancia de la bobina es positiva. Cuando la capacitancia se elige correctamente, actúa como un componente de la cancelación de la impedancia. El condensador por lo tanto reduce la impedancia total.

De hecho, en la frecuencia resonante, la impedancia de la capacitancia cancela totalmente la impedancia de la inductancia. Es decir las impedancias de la bobina y del condensador son iguales en valor pero opuestas en polaridad. En la resonancia, el conductor del amplificador de la forma de onda “ve solamente” la resistencia de bobina. Con solamente un pequeño nivel de resistencia dejado en el sistema, el amplificador actual de alto rendimiento ahora puede conducir muy de gran intensidad a través de la bobina o del solenoide de Helmholtz, incluso en el de alta frecuencia. El método resonante permite que el amplificador del generador de función genere un alto campo magnético.

Utilicemos un ejemplo para entender más lejos cómo el condensador resonante puede cancelar impedancia. La bobina o el solenoide en el cuadro 4 es 2 Mh y la frecuencia deseada es 200 kilociclos. Si la frecuencia está en resonante, el voltaje a través de la bobina es +2,5 kilovoltios, y el voltaje a través del condensador de serie es −2.5 kilovoltio. Por lo tanto, el voltaje neto total es cero a través de la combinación del inductor y del condensador. El LC, por lo tanto, es esencialmente un cortocircuito en la frecuencia resonante.

El amplificador de la forma de onda TS250 “ve solamente” la resistencia parásita de la bobina como carga. Generalmente, la resistencia de bobina magnética es pequeña, que permite al amplificador conducir de gran intensidad a través de la bobina del solenoide con la baja tensión. El voltaje a través de la bobina sigue siendo muy grande. Interesante observar la suma del voltaje en un lazo cerrado es 0 V gobernados por la ley del voltaje del Kirchhoff.

La técnica resonante es la manera más práctica de generar un campo magnético de alta frecuencia fuerte. La única desventaja es que actúa sobre una gama de frecuencia estrecha cerca de la resonancia. Para poder producir un campo electromagnético sobre una gama de frecuencia más ancha, el usuario necesita cambiar los tiempos múltiples del condensador. Generalmente, un resonante perfecto no es necesario-usted apenas necesita el condensador cancelar bastante impedancia para permitir al conductor conducir bastante actual. Esto permite la operación sobre una ventana levemente más ancha de la frecuencia.

Calcule la capacitancia resonante

La condición resonante es cuando la reactancia del condensador es igual en magnitud a la reactancia del inductor, solamente polaridad opuesta como antedicho detallado. Por lo tanto calcule la capacitancia de la resonancia de serie tal que la reactancia del condensador es lo mismo como reactancia de la bobina en una frecuencia resonante dada.

Usando el ejemplo antedicho para las bobinas de 2-mH Helmholtz y la operación 200-kHz, la capacitancia de la serie se calcula como 317 PF.

Elija un condensador alto-q (ESR bajo) y (inductancia electrostática) de la resonancia bajo-ESL para cancelar la impedancia. El condensador necesita ser valorado para el alto voltaje. El grado del voltaje es calculado por el siguiente:

donde estoy la corriente de pico.

Usando el ejemplo antedicho, el grado del voltaje debe ser por lo menos 2,5 A del kilovoltio (V = 1 * Ω 2512 = 2512 V). Añada el margen adicional del voltaje-grado si es de gran intensidad se utiliza.

Limitación práctica de la frecuencia máxima

La técnica resonante utiliza un condensador de la resonancia de serie para anular la reactancia de la bobina; reducirá teóricamente la impedancia apenas a la resistencia parásita. En teoría, la frecuencia y la fuerza de campo magnético pueden ser muy altas. Sin embargo, hay algunas limitaciones prácticas.

La primera limitación es el grado del voltaje del condensador. La ecuación 8 se utiliza para calcular el grado del voltaje del condensador para una corriente, una inductancia, y una frecuencia dadas de la bobina. Si el voltaje requerido es menos de 10 kilovoltios, hay generalmente un montón de condensadores a elegir de. Si el voltaje es más alto de 10 kilovoltios, menos condensadores están disponibles. En general, el voltaje práctico máximo es cerca de 50 kilovoltios. Si se presentan más altamente de 50 kilovoltios, otros desafíos prácticos tales como arco eléctrico.

La segunda limitación práctica es la capacitancia. En una frecuencia más alta, se reduce el valor de la capacitancia. Generalmente, una capacitancia de 100 PF o más grande se recomienda. La capacitancia abajo a 10 PF es capacitancia posible, pero parásita de los alambres de la conexión y la bobina sí mismo comenzar a tomar efecto.

Diseño de la bobina

El campo magnético en bobinas del solenoide se da en Equation-9 y Equation-10 para los pares de la bobina de Helmholtz.

B es el campo magnético, el µ es la permeabilidad, N es el número de vueltas, L es la longitud, soy la corriente, y R es el radio de la bobina.

Un alto campo magnético en una bobina electromágnetica se puede alcanzar en distintas maneras: aumente el número de vueltas, corriente del aumento, aumente la permeabilidad, y disminuir el radio.

Aumente el número de las vueltas (n)

En bobinas electromágneticas tales como solenoides, inductores, y las bobinas de Helmholtz, el campo magnético es proporcional al número de vueltas. El aumento del número de vueltas dará lugar a un campo magnético más alto. Sin embargo, también aumenta la inductancia y la capacitancia parásita. Según lo discutido sobre, una inductancia más alta no es deseable y requerirá un voltaje más alto del condensador.

Generalmente, la inductancia es proporcional al cuadrado (poder de dos) del número de vueltas. Para un campo magnético de alta frecuencia, ha recomendado reducir el número de vueltas, pero aumenta la corriente. Esta manera, usted puede obtener la misma intensidad de campo, pero baja la inductancia y baja el grado del voltaje del condensador.

Uno mismo-resonante

El aumento del número de vueltas también aumenta la capacitancia parásita CP (fig. 5). Un CP más alto baja la frecuencia uno mismo-resonante de la bobina. Generalmente la frecuencia de la operación debe ser 2-5 veces más bajo que la frecuencia uno mismo-resonante (véase la tabla abajo). Una frecuencia uno mismo-resonante más baja debido al CP limitará la frecuencia de trabajo de la bobina máxima.

Reduzca el radio de la bobina

Típicamente, la reducción del radio de la bobina no cambia el campo magnético para los solenoides largos, pero reducirá la inductancia y el CP. La reducción del CP aumentará la frecuencia uno mismo-resonante. Por lo tanto, al diseñar una bobina, mantenga el radio tan pequeño como sea posible.

En el caso de la bobina de Helmholtz, la reducción del radio tendrá tres ventajas positivas. Un radio más pequeño aumentará el campo magnético, aumentar la frecuencia uno mismo-resonante, y reduce la inductancia. Más de baja inductancia es supremo, como se debate en “la sección de la limitación práctica de la frecuencia máxima” arriba. Una vez más mantenga el radio tan pequeño como sea posible.

Aumente la permeabilidad

Para los experimentos científicos con excepción de una bobina de la base del aire, un centro magnético se puede insertar en la bobina para aumentar el campo magnético. No todos los materiales de la base son iguales. Algunos materiales magnéticos tienen alta permeabilidad, pero en usos de baja fricción y de la bajo-saturación. Elija un material magnético para el índice de frecuencia de la operación que no satura en la fuerza de campo magnético deseada. El centro magnético también aumenta la inductancia.

En resumen, utilice siguen criterios para diseñar bobinas magnéticas de la CA:

La bobina debe ser clasificada para la corriente y el poder (calefacción) que manejan capacidad.

- Resistencia baja a reducir el calentar y a tener en cuenta más de gran intensidad.

- Considere los aumentos de la resistencia en de alta frecuencia debido al efecto de piel.

Consider que reduce el número de vueltas, pero aumentando la corriente para bajar la inductancia.

Asegúrese de que la frecuencia uno mismo-resonante de la bobina sea 2-5X más alto que la frecuencia de trabajo.

Guarde posible tan pequeño del radio de la bobina el tan reducir resistencia, inductancia, y capacitancia parásita.

Si está deseado, elija un centro magnético con alta permeabilidad pero clasificado para la frecuencia de trabajo y el alto campo de la saturación.

Diseñe la bobina para manejar alto voltaje (evite el arco eléctrico).

Resultados de la simulación

Usando el modelo del inductor en fig. 5, una bobina es conducida por una onda sinusoidal de ±1V. En este ejemplo, L = 1 Mh; CP = 125 PF; R = 0,5 Ω; Cs = 470 PF; y la frecuencia de trabajo es lo mismo que la frecuencia resonante de la serie de 206 kilociclos. La frecuencia uno mismo-resonante de la bobina es 450 kilociclos.

El cuadro 6 muestra la corriente del inductor. La corriente máxima del inductor es A 1,56 y la corriente máxima del CP es 328 mA 180 grados. desfasado. Ponga en contraste eso con el 2299-kHz uno mismo-resonante en la tabla- que la corriente máxima del inductor es A 1,96 con la única corriente de 20-mA CP. Por lo tanto, cuando la frecuencia serie-resonante de trabajo está cercana a la frecuencia uno mismo-resonante, reduce la corriente del inductor. Mirando los datos de la simulación de la tabla, es aceptable actuar la bobina hasta alrededor la mitad de la frecuencia uno mismo-resonante. En esta frecuencia, la corriente de la bobina es reducida por el cerca de 25%. No se recomienda que la frecuencia resonante de trabajo de la serie sea más alta que mitad de la frecuencia uno mismo-resonante.

Precaución: Choque eléctrico potencial

La bobina electromágnetica de gran intensidad discutida arriba puede almacenar bastante energía para convertirse en un peligro de choque eléctrico. Asegúrese de que todas las conexiones eléctricas estén aisladas con los aisladores de alto voltaje. Los alambres deben ser clasificados para los voltajes discutieron anterior. Inhabilite siempre la salida del amplificador antes de conectar o de desconectar la bobina y el condensador.

Conclusión

Un conductor de gran intensidad del amplificador es necesario producir un alto campo magnético de la CA. Cuando se requiere un campo magnético de alta frecuencia, la técnica resonante reducirá la impedancia de la bobina y permitirá para que de gran intensidad conduzca la bobina con un amplificador de baja tensión del generador de función.

La técnica resonante es la manera más potente de generar un campo de alta frecuencia de la CA. En el de alta frecuencia, la limitación práctica es la disponibilidad de condensadores de alto voltaje. Otra limitación es la frecuencia uno mismo-resonante de la bobina magnética. Además, la frecuencia uno mismo-resonante debe ser 2-5 veces más arriba que la frecuencia resonante de trabajo.