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Generi un campo magnetico ad alta frequenza facendo uso di questa tecnica sonora

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La produzione del campo magnetico ad alta frequenza sta sfidando a causa di alta impedenza. La soluzione più pratica comprende applicare la risonanza.

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Le numerose applicazioni di prova-e-misura richiedono un campo magnetico ad alta frequenza. Sovente, l'alta intensità di campo è necessaria. Gli esempi di tali applicazioni comprendono la ricerca nella biomedicina sull'effetto di un campo magnetico sulle cellule viventi, sugli esperimenti scientifici, sulla calibratura della sonda, sull'interferenza a campo magnetico sui prodotti elettronici e su molto più.

Uno i metodi più comuni per generare un campo magnetico è un paio della bobina di Helmholtz. Produce un campo magnetico altamente uniforme sopra un grande spazio all'aperto. Figura 1 mostra un dipinto di un paio della bobina di Helmholtz determinato da un amplificatore del generatore di funzioni. Sebbene la maggior parte dei campi magnetici della bobina di Helmholtz siano statici o CC, sempre più più prove ed esperimenti stanno richiedendo i campi magnetici di CA sopra un'ampia immagine di frequenza. Ottenere un alto campo magnetico di CA affronta una serie di sfide che non sono assenti con i campi di CC.

Il raggiungimento dei campi magnetici alti in bobine richiede l'alta corrente elettrica. A CC o a bassa frequenza, l'impedenza della bobina è bassa ed a corrente forte è ragionevolmente facile da verificarsi. L'impedenza della bobina è dominata solitamente dalla resistenza parassitaria della bobina, che è solitamente piccola. Le alimentazioni elettriche comuni o le fonti correnti sono a disposizione per guidare la bobina alla corrente media a elevata.

Ad alta frequenza, tuttavia, l'impedenza magnetica della bobina è aumentata proporzionalmente a frequenza. L'impedenza può essere molto grande, spesso molte volte maggior della resistenza. L'impedenza della bobina, Z, è proporzionale alla frequenza ed all'induttanza (vedi l'equazione 1). Ad più alta frequenza, l'impedenza può essere dieci, le centinaia, anche migliaia di periodi maggiori della resistenza. È difficile da ottenere a corrente forte con tale alta impedenza.

per calcolare la bobina corrente, equazione 2. di uso. Il corrente sebbene la bobina sia inversamente proporzionale a frequenza. Per un'ampiezza data di tensione, le diminuzioni correnti della bobina con gli aumenti nella frequenza.

Sono l'intensità della corrente della bobina, la V è l'ampiezza di tensione, la Z è l'impedenza della bobina, il ω è la frequenza angolare (ω = 2πf) e L e le R sono l'induttanza e la resistenza della bobina, rispettivamente. Le equazioni 1 e 2 sono per le bobine generiche quali i solenoidi, le bobine di Helmholtz, gli induttori, ecc. Per un paio della bobina di CA Helmholtz, queste due bobine sono collegate in serie, aumentanti la resistenza da un fattore di 2 e l'induttanza che aumenta leggermente più di 2X (approssimativamente 2.11X per la maggior parte delle paia della bobina).

Nel caso di bassa frequenza o di induttanza bassa, o di entrambe, è diretto determinare l'alta corrente di CA attraverso la bobina facendo uso di un amplificatore corrente ad alto rendimento quale il TS250. L'impedenza della bobina è abbastanza bassa con cui può essere determinata direttamente da un amplificatore (fig. 2). La bobina può essere modellata (modello a bassa frequenza) come resistenza parassitaria in serie con un induttore ideale. La resistenza parassitaria della resistenza è generalmente piccola. Nel caso della bobina di Helmholtz, due bobine collegate in serie ancora sono modellate come una singola bobina, ma 2X l'induttanza e resistenza.

Quando la frequenza è molto su, sebbene, l'impedenza di una bobina dell'elettromagnete aumenti con frequenza come discusso nell'equazione 1. Quando un campo magnetico ad alta frequenza è richiesto, l'impedenza della bobina è molto alta. Quindi, un driver ad alta tensione è necessario guidare a corrente forte attraverso la bobina.

Per esempio, a 100 chilocicli, l'impedenza di una bobina dell'elettromagnete 10-mH sarà Ω 6283. Per produrre un alto-abbastanza il campo magnetico, a corrente forte è richiesto. Se 4 A sono necessari, la tensione richiesta è di più di 25 chilovolt! Sarà molto difficile e non pratica progettare un driver che può produrre 25 chilovolt e 4 A con un potere reattivo di 100 chilowatt.

Tecnica sonora

Il metodo dell'diretto-azionamento indicato nella fig. 1 non può guidare a corrente forte nella bobina magnetica ad alta frequenza. Il raggiungimento del campo magnetico ad alta intensità ed ad alta frequenza richiede una tecnica di risonanza di ridurre l'impedenza.

Come illustrato in figura 3, un condensatore si aggiunge in serie con la bobina. L'impedenza del condensatore e della bobina si aggiunge insieme; la loro impedenza è calcolata nelle equazioni 3 e 4. L'impedenza del condensatore è negativa e l'impedenza della bobina è positiva. Quando la capacità è scelta correttamente, agisce come una componente di annullamento dell'impedenza. Il condensatore quindi riduce l'impedenza globale.

Infatti, a frequenza di risonanza, l'impedenza della capacità completamente annulla l'impedenza dell'induttanza. Cioè le impedenze del condensatore e della bobina sono uguali nel valore ma opposte nella polarità. A risonanza, il driver dell'amplificatore di forma d'onda «vede soltanto» la resistenza della bobina. Con soltanto un piccolo livello di resistenza lasciato nel sistema, l'amplificatore corrente ad alto rendimento ora può guidare molto a corrente forte tramite la bobina o il solenoide di Helmholtz, anche ad alta frequenza. Il metodo sonoro permette che l'amplificatore del generatore di funzioni generi un alto campo magnetico.

Usiamo un esempio più ulteriormente per capire come il condensatore sonoro può annullare l'impedenza. La bobina o il solenoide nella figura 4 è 2 MH e la frequenza desiderata è di 200 chilocicli. Se la frequenza è a sonoro, la tensione attraverso la bobina è di +2,5 chilovolt e la tensione attraverso il condensatore di serie è −2.5 chilovolt. Di conseguenza, la tensione netta totale è zero attraverso la combinazione del condensatore e dell'induttore. Il LC, quindi, è essenzialmente un cortocircuito a frequenza di risonanza.

L'amplificatore di forma d'onda TS250 «vede soltanto» la resistenza parassitaria della bobina come carico. Generalmente, la resistenza di bobina magnetica è piccola, che permette all'amplificatore di guidare a corrente forte attraverso la bobina del solenoide con bassa tensione. La tensione attraverso la bobina è ancora molto grande. Interessante notare la somma di tensione in un ciclo chiuso è 0 V governate dalla legge della tensione del Kirchhoff.

La tecnica sonora è la maggior parte del senso pratico generare un forte campo magnetico ad alta frequenza. Il solo svantaggio è che funziona sopra una gamma di frequenza stretta vicino alla risonanza. per potere produrre un campo elettromagnetico sopra il più ampia gamma di frequenza, le necessità dell'utente di cambiare i tempi multipli del condensatore. Solitamente, un sonoro perfetto non è necessario-voi appena ha bisogno del condensatore di annullare abbastanza impedenza per permettere al driver di guidare abbastanza corrente. Ciò tiene conto l'operazione sopra una finestra leggermente più ampia di frequenza.

Calcoli la capacità sonora

Lo stato sonoro è quando la reattanza del condensatore è uguale nella grandezza alla reattanza dell'induttore, ma polarità opposta come di cui sopra dettagliato. Di conseguenza calcoli la capacità di risonanza serie tale che la reattanza del condensatore è la stessa come reattanza della bobina ad una frequenza di risonanza data.

Facendo uso dell'esempio di cui sopra per le bobine di 2-mH Helmholtz e l'operazione 200-kHz, la capacità di serie è calcolata come 317 PF.

Scelga un condensatore di risonanza) induttanza elettrostatica (la basso ESL e) esr basso (alto--q per annullare l'impedenza. Il condensatore deve essere valutato per alta tensione. La valutazione di tensione è calcolata da quanto segue:

dove sono il picco di corrente.

Facendo uso dell'esempio di cui sopra, la valutazione di tensione deve essere A almeno 2,5 di chilovolt (V = 1 * Ω 2512 = 2512 V). Aggiunga il margine supplementare di tensione-valutazione se a corrente forte è usato.

Limitazione pratica di frequenza massima

La tecnica sonora utilizza un condensatore di risonanza serie per annullare fuori la reattanza della bobina; ridurrà teoricamente l'impedenza appena alla resistenza parassitaria. Nella teoria, la frequenza e la forza a campo magnetico possono essere molto alte. Tuttavia, ci sono alcune limitazioni pratiche.

La prima limitazione è la valutazione di tensione del condensatore. L'equazione 8 è usata per calcolare la valutazione di tensione del condensatore per una corrente, un'induttanza e una frequenza date della bobina. Se la tensione richiesta è di meno di 10 chilovolt, c'è generalmente abbondanza dei condensatori da scegliere da. Se la tensione è superiore a 10 chilovolt, meno condensatori sono disponibili. In generale, la tensione pratica massima è di circa 50 chilovolt. Se superiore 50 chilovolt, altre sfide pratiche quale l'arco elettrico sorgeranno.

La seconda limitazione pratica è la capacità. Ad più alta frequenza, il valore di capacità è ridotto. Generalmente, una capacità di 100 PF o più grande è raccomandata. La capacità giù a 10 PF è possibile, ma capacità parassita dai cavi del collegamento e la bobina stessa cominciare entrare in vigore.

Progettazione della bobina

Il campo magnetico nelle bobine del solenoide riceve Equation-9 e Equation-10 arresi per le paia della bobina di Helmholtz.

La B è il campo magnetico, il µ è la permeabilità, la N è il numero dei giri, la L è la lunghezza, sono la corrente e la R è il raggio della bobina.

Un alto campo magnetico in una bobina elettromagnetica può essere raggiunto in vari modi: aumenti il numero dei giri, corrente di aumento, aumenti la permeabilità e fare diminuire il raggio.

Aumenti il numero dei giri (n)

In bobine elettromagnetiche quali i solenoidi, induttori e bobine di Helmholtz, il campo magnetico è proporzionale al numero dei giri. L'aumento del numero dei giri provocherà un più alto campo magnetico. Tuttavia, inoltre aumenta l'induttanza e la capacità parassita. Come discusso sopra, il più alta induttanza non è desiderabile e richiederà il più alta tensione del condensatore.

Generalmente, l'induttanza è proporzionale al quadrato (un potere di due) del numero dei giri. Per un campo magnetico ad alta frequenza, ha raccomandato di ridurre il numero dei giri, ma aumenta la corrente. Questo modo, potete ottenere la stessa intensità di campo, ma abbassate l'induttanza ed abbassate la valutazione di tensione del condensatore.

Auto-sonoro

L'aumento del numero dei giri inoltre solleva la capacità parassita CP (fig. 5). Il più alto CP abbassa la frequenza auto-sonora della bobina. Generalmente la frequenza dell'operazione dovrebbe essere 2-5 volte più in basso della frequenza auto-sonora (vedi la tavola qui sotto). La frequenza auto-sonora più bassa dovuto il CP limiterà la frequenza di lavoro della bobina massima.

Riduca il raggio della bobina

Tipicamente, ridurre il raggio della bobina non cambia il campo magnetico per i solenoidi lunghi, ma ridurrà l'induttanza ed il CP. La riduzione del CP aumenterà la frequenza auto-sonora. Di conseguenza quando progettano una bobina, tenga il raggio piccolo come possibile.

Nel caso della bobina di Helmholtz, ridurre il raggio avrà tre benefici positivi. Un più piccolo raggio aumenterà il campo magnetico, aumentare la frequenza auto-sonora e riduce l'induttanza. L'induttanza più bassa è preminente, come discusso «nella sezione di limitazione pratica di frequenza massima» qui sopra. Di nuovo, tenga il raggio piccolo come possibile.

Aumenti la permeabilità

Per gli esperimenti scientifici all'infuori di una bobina del centro dell'aria, un nucleo magnetico può essere inserito nella bobina per aumentare il campo magnetico. Non tutti i materiali del centro sono uguali. Alcuni materiali magnetici hanno alta permeabilità, ma nelle applicazioni di basso saturazione ed a bassa frequenza. Scelga un materiale magnetico per il tasso di frequenza dell'operazione che non satura alla forza a campo magnetico desiderata. Il nucleo magnetico inoltre aumenta l'induttanza.

Riassumendo, usi seguono i criteri per progettare le bobine magnetiche di CA:

La bobina deve essere stimata per la corrente ed il potere (riscaldamento) che trattano la capacità.

- Resistenza bassa da ridurrsi riscaldare e tenere conto più a corrente forte.

- Consideri gli aumenti della resistenza a ad alta frequenza dovuto effetto di pelle.

Consider che riduce il numero dei giri, ma aumentante la corrente per abbassare l'induttanza.

Assicuri che la frequenza auto-sonora della bobina sia 2-5X superiore alla frequenza di lavoro.

Tenga il possibile piccolo del raggio della bobina ridurre la resistenza, l'induttanza e la capacità parassita.

Se desiderato, scelga un nucleo magnetico con alta permeabilità ma stimato per la frequenza di lavoro e l'alto campo di saturazione.

Progetti la bobina per trattare l'alta tensione (eviti l'arco elettrico).

Risultati di simulazione

Facendo uso del modello dell'induttore nella fig. 5, una bobina è guidata da una sinusoide di ±1V. In questo esempio, L = 1 MH; CP = 125 PF; R = 0,5 Ω; Cs = 470 PF; e la frequenza di lavoro è stessa della frequenza di risonanza di serie di 206 chilocicli. La frequenza auto-sonora della bobina è di 450 chilocicli.

Figura 6 mostra la corrente dell'induttore. La corrente di punta dell'induttore è A 1,56 e la corrente di punta di CP è di 328 mA 180 gradi. sfasato. Contrapponga quello con il 2299-kHz auto-sonoro nella tavola- che la corrente di punta dell'induttore è A 1,96 con la sola corrente di 20-mA CP. Di conseguenza, quando la frequenza serie-sonora di lavoro è vicina alla frequenza auto-sonora, riduce la corrente dell'induttore. Esaminando i dati della simulazione della tavola, è accettabile azionare la bobina fino circa alla metà della frequenza auto-sonora. A questa frequenza, la corrente della bobina è ridotta di circa 25%. Non è raccomandato che la frequenza di risonanza di lavoro di serie sia superiore alla metà della frequenza auto-sonora.

Cautela: Scossa elettrica potenziale

La bobina elettromagnetica a corrente forte discussa sopra può memorizzare abbastanza energia per trasformarsi in in un rischio di scossa elettrica. Assicuri che tutti i collegamenti elettrici siano isolati con gli isolanti ad alta tensione. I cavi devono essere stimati per le tensioni hanno discusso più presto. Disattivi sempre l'uscita dell'amplificatore prima del collegamento o del distacco la bobina e del condensatore.

Conclusione

Un driver a corrente forte dell'amplificatore è necessario produrre un alto campo magnetico di CA. Quando un campo magnetico ad alta frequenza è richiesto, la tecnica sonora ridurrà l'impedenza della bobina e terrà conto a corrente forte guidare la bobina con un amplificatore a bassa tensione del generatore di funzioni.

La tecnica sonora è il modo più potente generare un campo ad alta frequenza di CA. Ad alta frequenza, la limitazione pratica è la disponibilità dei condensatori ad alta tensione. Un'altra limitazione è la frequenza auto-sonora della bobina magnetica. Ancora, la frequenza auto-sonora dovrebbe essere 2-5 volte più superiore alla frequenza di risonanza di lavoro.