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Produisez d'un champ magnétique à haute fréquence utilisant cette technique résonnante

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La production d'un champ magnétique à haute fréquence conteste en raison d'à grande impédance. La solution la plus pratique implique d'appliquer la résonance.

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Les applications nombreuses d'essai-et-mesure exigent un champ magnétique à haute fréquence. Souvent, l'intensité de champ élevée est nécessaire. Les exemples de telles applications incluent la recherche en matière de biomédecine sur l'effet d'un champ magnétique sur les cellules vivantes, les expériences scientifiques, le calibrage de sonde, l'interférence de champ magnétique sur les produits électroniques, et beaucoup plus.

On les méthodes les plus communes pour produire d'un champ magnétique est une paire de bobine de Helmholtz. Il produit un champ magnétique fortement uniforme au-dessus d'un grand terrain découvert. Le schéma 1 montre une description d'une paire de bobine de Helmholtz conduite par un amplificateur de générateur de fonction. Bien que la plupart des champs magnétiques de bobine de Helmholtz soient statiques ou C.C, de plus en plus plus d'essais et d'expériences exigent des champs magnétiques à C.A. sur une grande plage de fréquence. L'obtention d'un champ magnétique élevé à C.A. relève un certain nombre de défis qui ne sont pas présents avec des champs de C.C.

La réalisation des champs magnétiques élevés dans les bobines exige le courant électrique élevé. Au C.C ou basse fréquence, l'impédance de bobine est basse et à forte intensité il est assez facile obtenir. L'impédance de bobine est habituellement dominée par la résistance parasite de la bobine, qui est habituellement petite. Les alimentations d'énergie communes ou les sources actuelles sont disponibles pour conduire la bobine au courant moyen à élevé.

À la haute fréquence, cependant, l'impédance magnétique de bobine est augmentée proportionnellement à la fréquence. L'impédance peut être très grande, souvent beaucoup de fois plus grande que la résistance. L'impédance de bobine, Z, est proportionnelle à la fréquence et à l'inductance (voir l'équation 1). À une plus haute fréquence, l'impédance peut être les dix, centaines, même milliers de périodes plus grandes que la résistance. Il est difficile d'obtenir à forte intensité avec un tel à grande impédance.

Pour calculer la bobine actuelle, équation 2. d'utilisation. L'actuel bien que la bobine soit inversement proportionnelle à la fréquence. Pour une amplitude donnée de tension, les diminutions actuelles de bobine avec des augmentations de la fréquence.

J'est l'intensité de courant de bobine, V est l'amplitude de tension, Z est l'impédance de bobine, le ω est la pulsation (ω = 2πf), et L et R sont l'inductance et la résistance de bobine, respectivement. Les équations 1 et 2 sont pour les bobines génériques telles que des solénoïdes, des bobines de Helmholtz, des inducteurs, etc. Pour une paire de bobine à C.A. Helmholtz, ces deux bobines sont reliées en série, augmentant la résistance par un facteur de 2 et l'inductance augmentant légèrement davantage que 2X (approximativement 2.11X pour la plupart des paires de bobine).

Dans le cas de basse fréquence ou de faible induction, ou chacun des deux, il est simple pour conduire le courant élevé à C.A. par la bobine utilisant un amplificateur de courant à haute production tel que le TS250. L'impédance de la bobine est assez basse par lequel elle puisse être conduite par un amplificateur directement (fig. 2). La bobine peut être modelée (modèle basse fréquence) comme résistance parasite en série avec un inducteur idéal. La résistance parasite de résistance est généralement petite. Dans le cas de la bobine de Helmholtz, deux bobines reliées en série sont encore modelées en tant qu'une bobine simple, mais 2X l'inductance et résistance.

Quand la fréquence est très haut, bien que, l'impédance d'une bobine d'électro-aimant augmente avec la fréquence comme évoqué dans l'équation 1. Quand un champ magnétique à haute fréquence est exigé, l'impédance de bobine est très haute. Ainsi, un conducteur à haute tension est nécessaire pour conduire à forte intensité par la bobine.

Par exemple, à 100 kilohertz, l'impédance d'une bobine de l'électro-aimant 10-mH sera le Ω 6283. Pour produire un haut-assez le champ magnétique, à forte intensité est exigé. Si 4 A est nécessaire, la tension exigée est plus de 25 kilovolts ! Elle sera très difficile et non pratique pour concevoir un conducteur que peut produire 25 kilovolts et 4 A avec la puissance réactive de 100 kilowatts.

Technique résonnante

La méthode de direct-commande montrée dans fig. 1 ne peut pas conduire à forte intensité dans la bobine magnétique à la haute fréquence. La réalisation d'un champ magnétique à haute intensité et à haute fréquence exige d'une technique de résonance de réduire l'impédance.

Comme illustré sur le schéma 3, un condensateur est ajouté en série avec la bobine. L'impédance de bobine et de condensateur sont ajoutées ensemble ; leur impédance est calculée dans les équations 3 et 4. L'impédance de condensateur est négative et l'impédance de bobine est positive. Quand la capacité est correctement choisie, elle agit comme un composant d'annulation d'impédance. Le condensateur réduit donc l'impédance globale.

En fait, à la fréquence de résonance, l'impédance de la capacité décommande complètement l'impédance de l'inductance. En d'autres termes, les impédances de bobine et de condensateur sont égales en valeur mais opposées dans la polarité. À la résonance, le conducteur d'amplificateur de forme d'onde seulement « voit » la résistance de bobine. Seulement le petit niveau de la résistance étant laissé dans le système, l'amplificateur de courant à haute production maintenant peut conduire très à forte intensité par la bobine ou le solénoïde de Helmholtz, même à la haute fréquence. La méthode résonnante permet à l'amplificateur de générateur de fonction de produire d'un champ magnétique élevé.

Employons un exemple pour comprendre plus loin comment le condensateur résonnant peut décommander l'impédance. La bobine ou le solénoïde sur le schéma 4 est 2 MH et la fréquence désirée est de 200 kilohertz. Si la fréquence est à résonnant, la tension à travers la bobine est de +2,5 kilovolts, et la tension à travers le condensateur en série est −2.5 kilovolt. En conséquence, toute la tension nette est zéro à travers la combinaison d'inducteur et de condensateur. Le LC est, donc, essentiellement un court-circuit à la fréquence de résonance.

L'amplificateur de la forme d'onde TS250 seulement « voit » la résistance parasite de la bobine comme charge. Généralement, la résistance de bobine magnétique est petite, qui permet à l'amplificateur de conduire à forte intensité par la bobine de solénoïde avec la basse tension. La tension à travers la bobine est toujours très grande. Intéressant pour noter la somme de tension dans une boucle bloquée est 0 V régis par la loi de la tension du Kirchhoff.

La technique résonnante est la manière la plus pratique de produire d'un champ magnétique à haute fréquence fort. Le seul inconvénient est qu'il fonctionne sur une plage de fréquence étroite près de la résonance. Pour pouvoir produire un champ électromagnétique sur une plus grande plage de fréquence, besoin de l'utilisateur pour changer les temps multiples de condensateur. Habituellement, un résonnant parfait n'est pas nécessaire-vous a besoin juste du condensateur pour décommander assez d'impédance pour permettre au conducteur de conduire assez actuel. Ceci tient compte de l'opération au-dessus d'une fenêtre légèrement plus large de fréquence.

Calculez la capacité résonnante

L'état résonnant est quand la réactance de condensateur est égale dans la grandeur à la réactance d'inducteur, mais polarité opposée en tant que ci-dessus détaillé. Calculez par conséquent la capacité de résonance de série telle que la réactance du condensateur est identique comme réactance de bobine à une fréquence de résonance donnée.

Utilisant l'exemple ci-dessus pour des bobines de 2-mH Helmholtz et l'opération 200-kHz, la capacité de série est calculée en tant que 317 PF.

Choisissez un condensateur haut-q (bas esr) et (inductance électrostatique) de la résonance la bas-EEL pour décommander l'impédance. Le condensateur doit être évalué pour la haute tension. L'estimation de tension est calculée par ce qui suit :

là où j'est le courant de pointe.

Utilisant l'exemple ci-dessus, l'estimation de tension doit être A au moins 2,5 du kilovolt (V = 1 * Ω 2512 = 2512 V). Ajoutez la marge supplémentaire de tension-estimation si à forte intensité est employé.

Limitation pratique de fréquence maximum

La technique résonnante utilise un condensateur de résonance de série pour décommander la réactance de bobine ; théoriquement elle ramènera l'impédance juste à la résistance parasite. Dans la théorie, la fréquence et la force de champ magnétique peuvent être très hautes. Cependant, il y a quelques limitations pratiques.

La première limitation est l'estimation de tension de condensateur. L'équation 8 est employée pour calculer l'estimation de tension de condensateur pour un courant, une inductance, et une fréquence donnés de bobine. Si la tension exigée est moins de 10 kilovolts, il y a généralement d'abondance des condensateurs à choisir de. Si la tension est plus haute que 10 kilovolts, moins condensateurs sont disponibles. En général, la tension pratique maximum est environ 50 kilovolts. Si plus fortement que 50 kilovolts, d'autres défis pratiques tels que l'arc électrique surgiront.

La deuxième limitation pratique est la capacité. À une plus haute fréquence, la valeur de capacité est réduite. Généralement, une capacité de 100 PF ou plus grand est recommandée. La capacité en baisse à 10 PF est capacité possible, mais parasite des fils de connexion et la bobine elle-même pour commencer à entrer en vigueur.

Conception de bobine

Le champ magnétique dans des bobines de solénoïde est donné dans Equation-9 et Equation-10 pour des paires de bobine de Helmholtz.

B est le champ magnétique, le µ est la perméabilité, N est le nombre de tours, L est la longueur, j'est le courant, et R est le rayon de bobine.

Un champ magnétique élevé dans une bobine électromagnétique peut être réalisé dans diverses manières : augmentez le nombre de tours, courant d'augmentation, augmentez la perméabilité, et diminuer le rayon.

Augmentez le nombre de tours (n)

Dans les bobines électromagnétiques telles que des solénoïdes, inducteurs, et des bobines de Helmholtz, le champ magnétique est proportionnel au nombre de tours. L'augmentation du nombre de tours aura comme conséquence un champ magnétique plus élevé. Cependant, elle augmente également l'inductance et la capacité parasite. Comme discuté au-dessus de, une inductance plus élevée n'est pas souhaitable et exigera une tension plus élevée de condensateur.

Généralement, l'inductance est proportionnelle à la place (puissance de deux) du nombre de tours. Pour un champ magnétique à haute fréquence, elle a recommandé de réduire le nombre de tours, mais augmente le courant. De cette façon, vous pouvez obtenir la même intensité du champ, mais abaissez l'inductance et abaissez l'estimation de tension de condensateur.

Auto-résonnant

L'augmentation du nombre de tours soulève également la capacité parasite CP (fig. 5). Un CP plus élevé abaisse la fréquence auto-résonnante de la bobine. Généralement la fréquence de l'opération devrait être 2-5 fois plus bas que la fréquence auto-résonnante (voir le tableau ci-dessous). La fréquence auto-résonnante inférieure due au CP limitera la fréquence fonctionnante de bobine maximum.

Réduisez le rayon de bobine

Typiquement, la réduction du rayon de bobine ne change pas le champ magnétique pour de longs solénoïdes, mais elle réduira l'inductance et le CP. La réduction du CP augmentera la fréquence auto-résonnante. Par conséquent, en concevant une bobine, maintenez le rayon aussi petit comme possible.

Dans le cas de la bobine de Helmholtz, la réduction du rayon aura trois avantages positifs. Un plus petit rayon augmentera le champ magnétique, augmenter la fréquence auto-résonnante, et réduit l'inductance. Plus de faible induction est primordial, comme évoqué dans la section « de limitation pratique de fréquence maximum » ci-dessus. Encore, maintenez le rayon aussi petit comme possible.

Augmentez la perméabilité

Pour des expériences scientifiques autres qu'une bobine de noyau d'air, un noyau d'aimant peut être inséré dans la bobine pour augmenter le champ magnétique. Non tous les matériaux de noyau sont égaux. Quelques matériaux magnétiques ont la perméabilité élevée, mais dans des applications basses fréquences et de bas-saturation. Choisissez un matériel magnétique pour le taux de fréquence de l'opération qui ne sature pas à la force de champ magnétique désirée. Le noyau d'aimant augmente également l'inductance.

En résumé, employez suivent des critères pour concevoir les bobines magnétiques à C.A. :

La bobine doit être évaluée pour le courant et la puissance (chauffage) manipulant la capacité.

- Basse résistance pour réduire chauffer et tenir compte de plus à forte intensité.

- Considérez les augmentations de résistance à en raison à haute fréquence de l'effet de peau.

Consider réduisant le nombre de tours, mais augmentant le courant pour abaisser l'inductance.

Assurez-vous que la fréquence auto-résonnante de bobine est 2-5X plus haut que la fréquence fonctionnante.

Gardez le possible aussi petit de rayon de bobine aussi de réduire la résistance, l'inductance, et la capacité parasite.

Si désiré, choisissez un noyau d'aimant avec la perméabilité élevée mais évalué pour la fréquence fonctionnante et le champ élevé de saturation.

Concevez la bobine pour manipuler la haute tension (évitez l'arc électrique).

Résultats de simulation

Utilisant le modèle d'inducteur dans fig. 5, une bobine est conduite par une onde sinusoïdale de ±1V. Dans cet exemple, L = 1 MH ; CP = 125 PF ; R = 0,5 Ω ; Cs = 470 PF ; et la fréquence fonctionnante correspond la fréquence de résonance de série de 206 kilohertz. La fréquence auto-résonnante de la bobine est de 450 kilohertz.

Le schéma 6 montre le courant d'inducteur. Le courant maximal d'inducteur est A 1,56 et le courant maximal de CP est de 328 mA 180 degrés. déclassé. Contrastez cela avec le 2299-kHz auto-résonnant à la table-le le courant que maximal d'inducteur est A 1,96 avec le seul courant de 20-mA CP. Par conséquent, quand la fréquence série-résonnante fonctionnante est proche de la fréquence auto-résonnante, il réduit le courant d'inducteur. Regardant les données de la simulation de la table, il est acceptable d'utiliser la bobine jusqu'environ à la moitié de la fréquence auto-résonnante. À cette fréquence, le courant de bobine est réduit d'environ 25%. On ne lui recommande pas que la fréquence de résonance fonctionnante de série soit plus haute que la moitié de la fréquence auto-résonnante.

Précaution : Choc électrique potentiel

La bobine électromagnétique à forte intensité discutée ci-dessus peut stocker assez d'énergie pour devenir un risque de choc électrique. Assurez-vous que toutes les connexions électriques sont isolées avec les isolateurs à haute tension. Les fils doivent être évalués pour des tensions ont discuté plus tôt. Désactivez toujours la sortie d'amplificateur avant de relier ou déconnecter la bobine et le condensateur.

Conclusion

Un conducteur à forte intensité d'amplificateur est nécessaire pour produire un champ magnétique élevé à C.A. Quand un champ magnétique à haute fréquence est exigé, la technique résonnante réduira l'impédance de bobine et tiendra compte pour qu'à forte intensité conduise la bobine avec un amplificateur de basse tension de générateur de fonction.

La technique résonnante est la manière la plus puissante de produire d'un champ à haute fréquence à C.A. À la haute fréquence, la limitation pratique est la disponibilité des condensateurs à haute tension. Une autre limitation est la fréquence auto-résonnante de bobine magnétique. En outre, la fréquence auto-résonnante devrait être 2-5 fois plus haut que la fréquence de résonance fonctionnante.