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Erzeugen Sie ein Hochfrequenzmagnetfeld unter Verwendung dieser Resonanztechnik

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Das Produzieren eines Hochfrequenzmagnetfelds ficht wegen hochohmigen an. Die praktischste Lösung bezieht mit ein, Resonanz anzuwenden.

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Zahlreiche Test-undmaßanwendungen erfordern ein Hochfrequenzmagnetfeld. Oftmals ist hohe Feldstärke erforderlich. Beispiele solcher Anwendungen umfassen Biomedizinforschung auf dem Effekt eines Magnetfelds auf lebende Zellen, wissenschaftliche Experimente, Sondenkalibrierung, Magnetfeldstörung auf elektronische Produkte und viel mehr.

Eins die allgemeinsten Methoden, zum eines Magnetfelds zu erzeugen ist ein Helmholtz-Spulenpaar. Es produziert ein in hohem Grade einheitliches Magnetfeld über einem großen offenen Gebiet. Abbildung 1 zeigt eine Beschreibung eines Helmholtz-Spulenpaares, das durch einen Funktionsgeneratorverstärker angetrieben ist. Obgleich die meisten Helmholtz-Spulenmagnetfelder statisch oder DC sind, erfordern in zunehmendem Maße mehr Tests und Experimente Wechselstrom-Magnetfelder über einem breiten Frequenzbereich. Das Erhalten eines hohen Wechselstrom-Magnetfelds stellt einige Herausforderungen gegenüber, die nicht mit DC-Feldern anwesend sind.

Das Erzielen von hohen Magnetfeldern in den Spulen erfordert hohen elektrischen Strom. An DC oder Niederfrequenz, ist der Spulenwiderstand niedrig und hoher Strom ist ziemlich einfach zu erreichen. Der Spulenwiderstand wird normalerweise durch den parasitären Widerstand der Spule beherrscht, der normalerweise klein ist. Allgemeine Stromversorgung oder Stromquellen sind verfügbar, die Spule am mäßigen bis hohen Strom zu fahren.

An der Hochfrequenz jedoch wird der Magnetspulewiderstand proportional zur Frequenz erhöht. Der Widerstand kann sehr groß sein, häufig viele Mal größer als der Widerstand. Der Spulenwiderstand, Z, ist zur Frequenz und zur Induktanz proportional (sehen Sie Gleichung 1). Bei höherer Frequenz kann der Widerstand zehn, Hunderte, sogar Tausenden sein von den Zeiten, die größer als der Widerstand sind. Es ist schwierig, hoch gegenwärtiges mit solchem hochohmigen zu erreichen.

Zu die Spule berechnen gegenwärtig, Gebrauch Gleichung 2. Das gegenwärtige, obwohl die Spule umgekehrt zur Frequenz proportional ist. Für einen gegebenen Spannungsumfang die gegenwärtigen Abnahmen der Spule mit Zunahmen der Frequenz.

Ich bin die gegenwärtige Größe der Spule, ist V der Spannungsumfang, ist Z der Spulenwiderstand, ist ω die Kreisfrequenz (ω = 2πf), und L und R sind die Spuleninduktanz und -widerstand, beziehungsweise. Gleichungen 1 und 2 sind für generische Spulen wie Solenoide, Helmholtz-Spulen, Induktoren, etc. Für ein Spulenpaar Wechselstroms Helmholtz werden diese zwei Spulen in der Reihe geschaltet und erhöhen den Widerstand durch einen Faktor von 2 und die Induktanz, die etwas mehr als 2X sich erhöht (ungefähr 2.11X für die meisten Spulenpaare).

Im Falle Niederfrequenz- oder induktionsarmen oder beide ist es direkt, hohen Wechselstrom-Strom durch die Spule unter Verwendung eines leistungsstarken Stromverstärkers wie des TS250 zu fahren. Der Widerstand der Spule ist genug niedrig, hingegen er durch einen Verstärker direkt angetrieben kann (Abb. 2). Die Spule kann (Niederfrequenzmodell) als parasitärer Widerstand in der Reihe mit einem idealen Induktor modelliert werden. Der parasitäre Widerstandwiderstand ist im Allgemeinen klein. Im Falle Helmholtz-Spule werden zwei Spulen, die in der Reihe geschaltet werden, noch als einzelne Spule, aber 2X die Induktanz und Widerstand modelliert.

Wenn die Frequenz sehr hoch ist, obwohl, der Widerstand einer Elektromagnetspule mit Frequenz sich erhöht, wie in Gleichung 1. besprochen. Wenn ein Hochfrequenzmagnetfeld angefordert wird, ist der Spulenwiderstand sehr hoch. So ist ein Hochspannungsfahrer erforderlich, hohen Strom durch die Spule zu fahren.

Zum Beispiel bei 100 kHz, ist der Widerstand einer Spule des Elektromagneten 10-mH Ω 6283. Um hoch-genug zu produzieren wird Magnetfeld, hoher Strom angefordert. Wenn 4 A erforderlich ist, ist die erforderliche Spannung mehr als 25 KV! Sie ist sehr schwierig und, einen Fahrer, als nicht praktisch zu entwerfen 25 KV und 4 A produzieren kann mit Blindleistung von 100 Kilowatt.

Resonanztechnik

Die Direktantriebmethode, die im Abb. 1 gezeigt wird, ist nicht imstande, hohen Strom in die Magnetspule an der Hochfrequenz zu fahren. Das Erzielen eines Intensitäts- und Hochfrequenzmagnetfelds erfordert ein Resonanzverfahren, den Widerstand zu verringern.

Wie im Abbildung 3 veranschaulicht, wird ein Kondensator in der Reihe mit der Spule hinzugefügt. Der Spulen- und Kondensatorwiderstand werden zusammen addiert; ihr Widerstand wird in Gleichungen 3 und 4. berechnet. Der Kondensatorwiderstand ist negativ und der Spulenwiderstand ist positiv. Wenn die Kapazitanz richtig gewählt wird, fungiert sie wie eine Widerstandannullierungskomponente. Der Kondensator verringert deshalb den Gesamtwiderstand.

Tatsächlich bei Eigenfrequenz, annulliert der Widerstand der Kapazitanz vollständig den Widerstand der Induktanz. Das heißt, sind die Spulen- und Kondensatorwiderstände gleich im Wert aber in der Polarität gegenüberliegend. An der Resonanz „sieht“ der Wellenformverstärkerfahrer nur den Widerstand der Spule. Wenn nur ein kleines Niveau des Widerstands im System gelassen ist, kann der leistungsstarke Stromverstärker sehr hohen Strom durch die Spule oder das Solenoid Helmholtz, sogar an der Hochfrequenz jetzt fahren. Die Resonanzmethode lässt den Funktionsgeneratorverstärker ein hohes Magnetfeld erzeugen.

Lassen Sie uns ein Beispiel verwenden, um weiter zu verstehen, wie der Resonanzkondensator Widerstand annullieren kann. Die Spule oder das Solenoid im Abbildung 4 ist 2 mH und die gewünschte Frequenz ist 200 kHz. Wenn die Frequenz an Resonanz ist, ist die Spannung über der Spule +2,5 KV, und die Spannung über dem Serienkondensator ist −2.5 KV. Infolgedessen ist die Gesamtnetzspannung über der Induktor- und Kondensatorkombination null. Der LC ist deshalb im Wesentlichen ein Kurzschluss bei Eigenfrequenz.

Der Verstärker der Wellenform-TS250 nur „sieht“ den parasitären Widerstand der Spule als Last. Im Allgemeinen ist der Magnetspulewiderstand klein, der dem Verstärker ermöglicht, hohen Strom durch die Solenoidspule mit Niederspannung zu fahren. Die Spannung über der Spule ist noch sehr groß. Interessant, die Spannungssumme in einer Endlosschleife ist zu merken 0 V, das durch das des Kirchhoffs Spannungs-Gesetz geregelt wird.

Die Resonanztechnik ist die praktischste Weise, ein starkes Hochfrequenzmagnetfeld zu erzeugen. Der einzige Nachteil ist, dass er über einem schmalen Frequenzbereich nahe der Resonanz funktioniert. Zu in der Lage sein, ein elektromagnetisches Feld über breiterem Frequenzbereich zu produzieren, die Nutzerbedarfe, die mehrfachen Zeiten des Kondensators zu ändern. Normalerweise ist ein perfektes Resonanz nicht erforderlich-Sie benötigt gerade den Kondensator, genügend Widerstand zu annullieren, um dem Fahrer zu ermöglichen, gegenwärtiges genug zu fahren. Dieses lässt Operation über einem etwas breiteren Frequenzfenster zu.

Berechnen Sie Resonanzkapazitanz

Die Resonanzzustand ist, wenn die Kondensatorreaktanz in der Größe der Induktorreaktanz gleich ist, aber gegenüberliegende Polarität als ausführliches oben genanntes. Berechnen Sie deshalb die solche Reihenresonanzkapazitanz, dass die Reaktanz des Kondensators die selbe als Spulenreaktanz bei einer gegebenen Eigenfrequenz ist.

Unter Verwendung des oben genannten Beispiels für 2-mH Helmholtz Spulen und Operation 200-kHz, wird die Reihenkapazitanz als 317 PF berechnet.

Beschließen Sie einen hoch--q (niedriger ESR) und (elektrostatische Induktanz) der Resonanz NiedrigeSL Kondensator, um den Widerstand zu annullieren. Der Kondensator muss für Hochspannung veranschlagt werden. Die Nennspannung wird durch das folgende berechnet:

wo ich der Spitzenstrom bin.

Unter Verwendung des oben genannten Beispiels muss die Nennspannung mindestens 2,5 KV (V = 1 A sein * Ω 2512 = 2512 V). Addieren Sie zusätzlichen Nennspannungsrand, wenn höherer Strom benutzt wird.

Maximale Frequenz-praktische Beschränkung

Die Resonanztechnik benutzt einen Reihenresonanzkondensator, um die Spulenreaktanz heraus zu annullieren; theoretisch verringert sie den Widerstand auf gerade dem parasitären Widerstand. In der Theorie können die Frequenz und die Magnetfeldstärke sehr hoch sein. Jedoch gibt es etwas praktische Beschränkungen.

Die erste Beschränkung ist die Kondensatornennspannung. Gleichung 8 wird verwendet, um die Kondensatornennspannung für einen gegebenen Spulenstrom, -induktanz und -frequenz zu berechnen. Wenn die erforderliche Spannung kleiner als 10 KV ist, gibt es im Allgemeinen viel von den Kondensatoren, zum von zu wählen. Wenn die Spannung höher als 10 KV ist, sind weniger Kondensatoren verfügbar. Als Faustregel ist die maximale praktische Spannung ungefähr 50 KV. Wenn in hohem Grade als 50 KV, andere praktische Herausforderungen wie elektrischer Bogen entstehen.

Die zweite praktische Beschränkung ist die Kapazitanz. Bei höherer Frequenz wird der Kapazitanzwert verringert. Im Allgemeinen wird eine Kapazitanz von 100 PF oder größeres empfohlen. Kapazitanz unten bis 10 PF ist mögliche, aber parasitäre Kapazitanz von den Verbindungsdrähten und die Spule selbst zu beginnen, in Kraft zu treten.

Spulen-Entwurf

Das Magnetfeld in den Solenoidspulen wird in Equation-9 und in Equation-10 für Helmholtz-Spulenpaare gegeben.

B ist das Magnetfeld, ist µ die Durchlässigkeit, ist N die Anzahl von Drehungen, ist L die Länge, bin ich der Strom, und R ist der Spulenradius.

Ein hohes Magnetfeld in einem Elektromagneten kann auf verschiedene Arten erzielt werden: erhöhen Sie die Anzahl von Drehungen, Zunahmestrom, erhöhen Sie die Durchlässigkeit und den Radius zu verringern.

Erhöhen Sie die Anzahl von Drehungen (N)

In den Elektromagneten wie Solenoiden, Induktoren und Helmholtz-Spulen, ist das Magnetfeld zur Anzahl von Drehungen proportional. Die Erhöhung der Anzahl von Drehungen ergibt ein höheres Magnetfeld. Jedoch erhöht sie auch die Induktanz und die parasitäre Kapazitanz. Wie über besprochen, ist höhere Induktanz nicht wünschenswert und wird höhere Kondensatorspannung erfordern.

Im Allgemeinen ist die Induktanz zum Quadrat (Energie von zwei) der Anzahl von Drehungen proportional. Für ein Hochfrequenzmagnetfeld hat sie sich empfohlen, die Anzahl von Drehungen zu verringern, aber den Strom erhöht. Auf diese Weise, können Sie die gleiche Feldstärke erreichen, aber senken die Induktanz und senken die Kondensatornennspannung.

Selbst-Resonanz

Die Erhöhung der Anzahl von Drehungen hebt auch den parasitären Kapazitanz CP an (Abb. 5). Höherer CP senkt die selbst-Resonanzfrequenz der Spule. Im allgemeinen sollte die Schalthäufigkeit 2-5mal als die selbst-Resonanzfrequenz niedriger sein (sehen Sie Tabelle unten). Die niedrigere selbst-Resonanzfrequenz wegen CPs begrenzt die Arbeitsfrequenz der maximalen Spule.

Verringern Sie Spulen-Radius

Gewöhnlich ändert die Verringerung des Spulenradius nicht das Magnetfeld für lange Solenoide, aber es verringert die Induktanz und den CP. Die Verringerung von CP erhöht die selbst-Resonanzfrequenz. Deshalb wenn Sie eine Spule entwerfen, halten Sie den Radius so klein, wie möglich.

Im Falle Helmholtz-Spule hat die Verringerung des Radius drei positiven Nutzen. Ein kleinerer Radius erhöht das Magnetfeld, die selbst-Resonanzfrequenz zu erhöhen und verringert die Induktanz. Induktionsärmer ist entscheidend, wie im Abschnitt „der maximale Frequenz-praktischen Beschränkung“ oben besprochen. Wieder halten Sie den Radius so klein, wie möglich.

Erhöhen Sie die Durchlässigkeit

Für wissenschaftliche Experimente anders als eine Luftkernspule, kann ein Magnetkern in die Spule eingefügt werden, um das Magnetfeld zu erhöhen. Nicht alle Mittellagen sind gleich. Etwas magnetische Materialien haben hohe Durchlässigkeit, aber in den Niederfrequenz- und Niedrigsättigungsanwendungen. Wählen Sie ein magnetisches Material für die Rate der Schalthäufigkeit, die nicht an der gewünschten Magnetfeldstärke sättigt. Der Magnetkern erhöht auch die Induktanz.

Zusammenfassend verwenden Sie folgen Kriterien, um Wechselstrom-Magnetspulen zu entwerfen:

Die Spule muss für den Strom und die Energie (Heizung) bewertet sein Fähigkeit behandelnd.

- Niedriger Widerstand zu erhitzen zu verringern und höheren Strom zuzulassen.

- Betrachten Sie Widerstandzunahmen an Hochfrequenzwegen des Skineffektes.

Consider die Anzahl von Drehungen verringernd, aber den Strom erhöhend, um die Induktanz zu senken.

Vergewissern Sie sich, dass die Spulenselbst-resonanzfrequenz 2-5X ist, das höher als die Arbeitsfrequenz ist.

Halten Sie das kleine so mögliche des Spulenradius so, Widerstand, Induktanz und parasitäre Kapazitanz zu verringern.

Wenn Sie gewünscht werden, wählen Sie einen Magnetkern mit hoher Durchlässigkeit aber bewertet für die Arbeitsfrequenz und hohe das Sättigungsfeld.

Entwerfen Sie die Spule, um Hochspannung zu behandeln (vermeiden Sie elektrischen Bogen).

Simulations-Ergebnisse

Unter Verwendung des Induktormodells im Abb. 5, wird eine Spule durch eine ±1V-Sinuswelle gefahren. In diesem Beispiel L = 1 mH; CP = 125 PF; R = 0,5 Ω; Cs = 470 PF; und die Arbeitsfrequenz ist selbe wie die Reiheneigenfrequenz von 206 kHz. Die selbst-Resonanzfrequenz der Spule ist 450 kHz.

Abbildung 6 zeigt den Induktorstrom. Der Höchstinduktorstrom ist A 1,56 und der Höchst-CP-Strom ist 328 MA 180 Grad. phasenverschoben. Kontrastieren Sie das mit dem 2299-kHz, das in der Tabelle-d selbst-Resonanz ist, die Höchstinduktorstrom A 1,96 mit einzigem Strom CP-20-mA ist. Deshalb wenn die arbeitende Reihe-Resonanzfrequenz zur selbst-Resonanzfrequenz nah ist, verringert er den Induktorstrom. Die Simulationsdaten der Tabelle betrachtend, ist es annehmbar, die Spule bis zur ungefähr Hälfte der selbst-Resonanzfrequenz zu benützen. Bei dieser Frequenz wird der Spulenstrom um ungefähr 25% verringert. Es wird nicht empfohlen, dass die Arbeits-Reiheneigenfrequenz höher als Hälfte selbst-Resonanzfrequenz ist.

Vorsicht: Möglicher elektrischer Schock

Der hoch-gegenwärtige Elektromagnet, der oben besprochen wird, kann genügend Energie speichern, um eine Gefahr des elektrischen Schocks zu werden. Vergewissern Sie sich, dass alle elektrischen Verbindungen mit Hochspannungsisolatoren isoliert werden. Drähte müssen für Spannungen bewertet sein sich besprachen früher. Sperren Sie immer den Verstärkerertrag, bevor Sie die Spule und den Kondensator anschließen oder trennen.

Schlussfolgerung

Ein hoch-gegenwärtiger Verstärkerfahrer ist erforderlich, ein hohes Wechselstrom-Magnetfeld zu produzieren. Wenn ein Hochfrequenzmagnetfeld angefordert wird, verringert die Resonanztechnik den Spulenwiderstand und darf hohen Strom die Spule mit einem Schwachstromfunktionsgeneratorverstärker fahren.

Die Resonanztechnik ist die stärkste Weise, ein Hochfrequenzwechselstrom-Feld zu erzeugen. An der Hochfrequenz ist die praktische Beschränkung die Verfügbarkeit von Hochspannungskondensatoren. Eine andere Beschränkung ist die Magnetspuleselbst-resonanzfrequenz. Außerdem sollte die selbst-Resonanzfrequenz 2-5mal als die Arbeitseigenfrequenz höher sein.