Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Relpol przekaźniki
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Elektromagnes wysokiej częstotliwości - 100MHz

rafus81 06 Sie 2018 21:48 2922 80
  • #1
    rafus81
    Poziom 8  
    Witajcie drodzy forumowicze, od dłuższego czasu nurtuje mnie pewien problem. Czy jest możliwe wykonanie elektromagnesu, który pracowałby na częstotliwości 100MHz.
  • Relpol przekaźniki
  • #2
    modero
    Poziom 21  
    Teoretycznie tak, praktycznie nie
    Bo i po co ?
  • Pomocny post
    #3
    TvWidget
    Poziom 33  
    W odbiornikach radiowych i wielu innych urządzeniach stosuje się cewki, które są małymi elektromagnesami. Nie ma ograniczenia częstotliwości do jakiej mogą pracować.
  • #4
    _lazor_
    Moderator Projektowanie
    Cóż porównanie cewki do elektromagnesu to trochę za duża nadinterpretacja. Niby wygląd podobny, ale całkowicie inne zjawiska są eksponowane w cewce a inne w elektromagnesie.
  • #6
    TvWidget
    Poziom 33  
    Elektromagnesem może być też cewka powietrzna bez rdzenia. Takie rozwiązanie jest stosowane np. w głośniku.
    Cewka/elektromagnes przy 100MHz nie wprawi w ruch stalowego gwoździa. Może jednak wpłynąć na zjawiska zachodzące w skali atomowej. Chyba w spektroskopii NMR wzbudza się próbki właśnie taką częstotliwością.
  • #7
    _lazor_
    Moderator Projektowanie
    Zważywszy że układ rezonansowy jest układem prądu przemiennego a elektromagnes układem prądu stałego to niestety nie mogę się z tym zgodzić.

    Ważną różnicą między dławikiem a elektromagnesem jest gromadzenie energii.

    Weźmy wzór dla na siłę elektromagnesu:

    [tex:9d63afe125]F = frac{?^2 N^2 I^2 A}{2?_0 L^2}[/tex:9d63afe125]

    Z którego wynika że siła jest proporcjonalna z przekrojem rdzenia, przenikalnością magnetyczną ścieżki pola magnetycznego, ilością uzwojeń oraz prądu.
    Przeciw proporcjonalnie do przenikalności magnetycznej w próżni oraz indukcyjności uzwojenia elektromagnesu.

    Indukcyjność uzwojenia będzie rosła łącznie z wzrostem przenikalności ścieżki pola magnetycznego, ilością uzwojeń oraz z przekrojem, ale wzrasta z wzrostem prądu.
    Indukcyjność nie jest pożądana, gdyż zwiększa czas narostu prądu, co powoduje słabszą responsywność ??????????elektromagnesu.
    W książce "Elektromagnesy prądu stałego dla praktyków" Witolda Jaszczuka, jest nawet anegdota na temat tego zjawiska.
    Polecam ogólnie tą książkę.


    Cewki dobiera się bardziej bazując na ilości gromadzonej energii oraz odpowiedniej indukcyjności (układy rezonansowe) oraz optymalnemu prądowi. Parametr indukcyjności jest wręcz pożądany (i to często bardzo konkretna indukcyjność).


    Tak więc, zjawiska występują w obu przypadkach są takie same, ale podejście rozwiązania problemu jest już całkowicie inne.
  • #8
    rafus81
    Poziom 8  
    TvWidget masz rację jednak pole magnetyczne będzie bardzo małe, dlatego w elektromagnesach stosuje się rdzenie, które bardzo zwiększają to pole.
    Zastosowanie rdzenia zwiększa indukcyjność i tym samym reaktancje cewki.
    Przy częstotliwości 100MHz reaktancja była by bardzo duża i przez cewkę płynąłby bardzo mały prąd.

    Myślałem o takim rozwiązaniu aby wykorzystać szeregowy obwód rezonansowy LC gdzie cewka byłaby nawinięta na rdzeniu ferrytowym.
    Obwód rezonansu szeregowego ma bardzo małą impedancje dla częstotliwości rezonansowej
    Więc przez cewkę elektromagnesu może popłynąć większy prąd, który wytwory większe pole magnetyzczne
  • #9
    TvWidget
    Poziom 33  
    _lazor_ napisał:
    Zważywszy że układ rezonansowy jest układem prądu przemiennego a elektromagnes układem prądu stałego to niestety nie mogę się z tym zgodzić.

    Elektromagnesy są również na prąd zmienny.
    Nie każda cewka służy do uzyskania rezonansu.
  • Relpol przekaźniki
  • #10
    AdamFilipek
    Poziom 18  
    Chyba mamy tutaj doskonały przykład zjawiska zwanego "XY problem"...
    rafus81 - co chcesz osiągnąć?
  • #11
    TvWidget
    Poziom 33  
    rafus81 napisał:
    Myślałem o takim rozwiązaniu aby wykorzystać szeregowy obwód rezonansowy LC gdzie cewka byłaby nawinięta na rdzeniu ferrytowym.
    Obwód rezonansu szeregowego ma bardzo małą impedancje dla częstotliwości rezonansowej
    Więc przez cewkę elektromagnesu może popłynąć większy prąd, który wytwory większe pole magnetyzczne

    Do czego chcesz wykorzystać ten "elektromagnes" ?
  • #12
    _lazor_
    Moderator Projektowanie
    Pamiętaj, że elementy mechaniczne (np to czym byś chciał drgać) mają bardzo dużą bezwładność i trzeba by było użyć bardzo dużego natężenia pola czymś ruszyć.
    W warunkach domowych, może będziesz w stanie wytworzyć natężenie pola o wartości 100-150mT (Urządzenie w Polsce do wytwarzania IMPULSU o natężeniu około 60T zajmuje całą wielką halę).

    Jeśli zrobisz układ rezonansowy o takiej częstotliwości to w rzeczywistości zaprojektujesz nagrzewnicę indukcyjną (albo antenę nadawczą powyżej 0,159*długości fali), gdyż przy tak dużej częstotliwości przemiennego pola magnetycznego wszystko będzie się zamykało w prądach wirowych dookoła (łączenie z materiałem, którym byś chciał drgać).
    Oraz trzeba pamiętać o kondensatorach, ich straty również nie są zerowy gdyż występuje zjawisko przeciwne do nagrzewania indukcyjnego - nagrzewanie dielektryczne. Więc trzeba by było stosować specjalne kondensatory, np kondensatory próżniowe.



    Tak to prawda, są elektromagnesy na prąd przemienny.

    I to prawda"Nie każda cewka służy do uzyskania rezonansu" ale każda cewka służy do gromadzenia energii (nawet jeśli jest to dławik sieciowy do ograniczania prądu zwarcia), gdzie jak pisałem powyżej jest to wadą w elektromagnesach.
  • #13
    rafus81
    Poziom 8  
    Chciałbym przeprowadzić pewne doświadczenie polegające na na uruchomieniu dwóch elektromagnesów, które zasilane będą tym samym sygnałem o częstotliwości 100MHz. Elektromagnesy będą ustawione na przeciw siebie. Jeżeli fazy sygnałów będą zgodne na obu elektromagnesach to elektromagnesy powinny się przyciągać lub odpychać. Chciałbym też sprawdzić czy takie zmienne pole magnetyczne przyciąga żelazo - stal miękką.
  • #14
    modero
    Poziom 21  
    Zrób to się dowiemy :)
    Ale myśle że to nie zadziała straty będą tak olbrzymie że ....
    Chyba ze zastosujesz stosowne do danej freq rdzenie proszkowe...
  • Pomocny post
    #15
    Rzuuf
    Poziom 43  
    Do takich doświadczeń rdzeń stalowy się nie nadaje: ma olbrzymią stratność i zmienne pole magnetyczne jest w prawie 100% zamieniane w nim na ciepło (porównaj: kuchenki indukcyjne pracują na częstotliwościach 10 000 razy mniejszych!).
    Przydatność rdzeni ferrytowych sięga kilkuset kHz.
    Osobna sprawa, to zjawisko naskórkowości w przewodach doprowadzających prądy 100MHz i straty na promieniowanie pola.
    Chcesz do tego "elektromagnesu" doprowadzić choćby 1W? To musisz umieć "wyprodukować" 10W, a będziesz tym mocno zakłócać odbiór radiowy u sąsiadów.
    10W przy 100MHz to jest niezły nadajnik. Raczej lampowy, niż półprzewodnikowy (dostępność elementów do budowy ...).
    A czym i jak chcesz obserwować drgania mechaniczne o częstotliwości 100MHz?
  • #16
    modero
    Poziom 21  
    10W/100MHz z lampy dziś kolego są tranzystory LDMOS które mają ponad 1000W i kilkaset MHz.
    :)
    Pewnie tanie nie są ale są.
  • #17
    Rzuuf
    Poziom 43  
    modero napisał:
    ... tanie nie są ale są ...
    "Goły" tranzystor to ok. 300USD ...
  • #19
    jarek_lnx
    Poziom 43  
    A dlaczego aż 100MHz? Wytworzenie i dopasowanie nie będzie proste dla początkującego.
    Co miało by się stać przy 100MHz? czego nie będzie przy 10MHz? 1MHz? 100kHz?

    Znane są urządzenia wykorzystujące drgania (ultradźwięki) o częstotliwości rzędu kilkudziesięciu-stu kilkudziesięciu MHz ale działające na innej zasadzie:
    https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301562996001536

    Dodano po 15 [minuty]:

    Cytat:
    10W/100MHz z lampy dziś kolego są tranzystory LDMOS które mają ponad 1000W i kilkaset MHz.
    :)
    Pewnie tanie nie są ale są.
    A lampy są tanie (używki i NOS), łatwiejsze w użyciu i dosyć odporne na błędy konstruktora, np pracę z niedopasowanym obciążeniem, główny problem w układach lampowych jest taki że człowiek zupełnie nie jest odporny na napięcia przy jakich pracują lampy. W amatorskich konstrukcjach lampy są jeszcze stosowane.

    Przykładowo na allegro można znaleźć lampę 7855K za 5zł która może pracować do 3GHz z mocą strat 10W bez radiatora albo 100W z radiatorem, ktoś znajdzie podobny tranzystor w zbliżonej cenie?
  • #20
    _lazor_
    Moderator Projektowanie
    kortyleski napisał:
    modero napisał:
    dziś kolego są tranzystory LDMOS które mają ponad 1000W i kilkaset MHz.

    Wiesz jaką mają pojemność bramki? I co z tego wynika? Owszem, są takie tranzystory, są też układy sterujące do nich. Skomplikowane i drogie.


    Sprawdziłem z ciekawości i wychodzi że są to dziesiątki pF. W porównaniu do klasycznych mosfetów gdzie te wartości są rzędu nF, więc nie jest tak źle ;)
    Co nie oznacza oczywiście, że zaprojektowanie takiego układu to prosta sprawa. Wręcz przeciwnie, zaprojektowanie układu na taką częstotliwość jest jedną z najbardziej złożonych operacji, a jeśli dołożymy do tego sporą skalę mocy (w sumie 100W to już dużo) to mamy naprawdę dużo stopni swobody (a raczej tutaj by bardziej pasowało określenie stopnie skrępowania).
  • #21
    modero
    Poziom 21  
    No nie wiem czy dla amatora jest łatwa aplikacja lampy.
    To chyba mit, i nie widziałeś jak prosta jest aplikacja takiego tranzystora.
    To proponuję obejrzeć to:
    https://www.youtube.com/watch?v=8ziYqjMQGEQ
    Sam tranzystor to wydatek ok 500 PLN.
    Ktoś powie dużo
    Ale proszę sobie policzyć ile będzie kosztować takiego samego wzm na lampach.
    O ile może nam się uda kupić jakas lampe tanio (1000W) .... to idą koszty wszystkich podzespołów ... a to na pewno nie będzie tanie.
  • #22
    jarek_lnx
    Poziom 43  
    Cytat:
    O ile może nam się uda kupić jakas lampe tanio (1000W) .... to idą koszty wszystkich podzespołów ... a to na pewno nie będzie tanie.
    Tylko gdzie ty chcesz "wpakować" te 1000W, "elektromagnes" nie będzie skuteczną anteną, więc nie wypromieniuje tego w postaci energii RF, gdzie się ma podziać te 1000W?

    Dobrze że wspomniałeś o istnieniu takich tranzystorów RF, jednak do tego zastosowania to zdecydowanie za dużo, chyba znowu dyskusja potoczy się w kierunku jak dobrać elementy... żeby układ był dla autora tematu niewykonalny, dzięki czemu niektórzy będą mogli potwierdzić swoją tezę że się nie da.

    Ja proponują autorowi zaczynać od 10MHz można zrobić na tanich tranzystorach nawet nie znając zawiłości techniki radiowej i stosując proste nieoptymalne rozwiązania z układów na kHz jak scalony driver mosfetów, albo powielić jakąś krótkofalarską konstrukcję.

    Cytat:
    To chyba mit, i nie widziałeś jak prosta jest aplikacja takiego tranzystora.
    Prosta jeśli kopiujemy PCB 1:1 na specjalnym laminacie w.cz. (Rogers 5880) jak trzeba modyfikować to już prosta nie jest, z lampami podobnie, albo znajdzie gotowca albo musi sie sporo nauczyć żeby zrobić cokolwiek.

    Cytat:
    Sam tranzystor to wydatek ok 500 PLN.
    Ktoś powie dużo
    Do profesjonalnych zastosowań nie dużo, ale to nie jest profesjonalne zastosowanie, ten element w rękach autora nie "zarobi" na siebie.
  • #23
    modero
    Poziom 21  
    1000W to był tylko luźny przykład...
    A o to samo mogę zapytać po co się mordować z lampą.

    Po za tym wróćmy w końcu na ziemię, robienie elektromagnesu na xx MHz jest skrajnie bez sensu.
    Jeśli tylko tu mówimy o niewykorzystaniu tego jako elektromagnesu.
  • Pomocny post
    #24
    jarek_lnx
    Poziom 43  
    rafus81 napisał:
    Chciałbym przeprowadzić pewne doświadczenie polegające na na uruchomieniu dwóch elektromagnesów, które zasilane będą tym samym sygnałem o częstotliwości 100MHz. Elektromagnesy będą ustawione na przeciw siebie. Jeżeli fazy sygnałów będą zgodne na obu elektromagnesach to elektromagnesy powinny się przyciągać lub odpychać.


    Nawet gdybyś ominął problem budowy wzmacniacza i użył gotowego, będą też inne problemy, zasilenie "tym samym" sygnałem nie gwarantuje że prądy będą w fazie, do rezonansu przy 100MHz wystarczy 2,5pF i 1uH wystarczy ułamek pF albo uH żeby zmienić przesunięcie fazy, zamienić charakter obwodu z indukcyjnego na pojemnościowy lub odwrotnie, kawałek przewodu albo zbliżona ręka mogą zmienić znacząco parametry cewki, poza tym dwie sprzężone cewki będą oddziaływały na siebie również elektrycznie, w takim obwodzie pojawiają się dwie różne częstotliwości rezonansowe. Dlaczego piszę o obwodach rezonansowych? bo pojemności międzyzwojowej cewki nie wyeliminujesz, a więc każda cewka jest w istocie obwodem rezonansowym, przejrzyj katalogi cewek, niewiele jest takich które mają rezonans >100MHz (poza cewkami które mają nie więcej niż kilka zwojów) A co ci po cewce która będzie pracowała powyżej rezonansu cewce która ma charakter pojemnościowy? innymi słowy cewce w której więcej prądu płynie "dielektrykiem" niż przez drut. I to właśnie jest 100MHz dla laika to tylko zestaw cyfr, praktyk wie że kilka milimetrów przewodnika przy tej częstotliwości może wtrącić indukcyjność lub pojemność która wpłynie na działanie całego układu.
  • #25
    PPK
    Poziom 26  
    _lazor_ napisał:
    Zważywszy że układ rezonansowy jest układem prądu przemiennego a elektromagnes układem prądu stałego to niestety nie mogę się z tym zgodzić.

    Ważną różnicą między dławikiem a elektromagnesem jest gromadzenie energii.

    Weźmy wzór dla na siłę elektromagnesu:

    $$F = \frac{µ^2 N^2 I^2 A}{2µ_0 L^2}$$

    Z którego wynika że siła jest proporcjonalna z przekrojem rdzenia, przenikalnością magnetyczną ścieżki pola magnetycznego, ilością uzwojeń oraz prądu.
    Przeciw proporcjonalnie do przenikalności magnetycznej w próżni oraz indukcyjności uzwojenia elektromagnesu.
    Indukcyjność uzwojenia będzie rosła łącznie z wzrostem przenikalności ścieżki pola magnetycznego, ilością uzwojeń oraz z przekrojem, ale wzrasta z wzrostem prądu.
    Indukcyjność ni jest pożądana, gdyż zwiększa czas narostu prądu, co powoduje słabszą responsywność elektromagnesu.
    W książce "Elektromagnesy prądu stałego dla praktyków" Witolda Jaszczuka, jest nawet anegdota na temat tego zjawiska.
    Polecam ogólnie tą książkę.


    Cewki dobiera się bardziej bazując na ilości gromadzonej energii oraz odpowiedniej indukcyjności (układy rezonansowe) oraz optymalnemu prądowi. Parametr indukcyjności jest wręcz pożądany (i to często bardzo konkretna indukcyjność).


    Tak więc, zjawiska występują w obu przypadkach są takie same, ale podejście rozwiązania problemu jest już całkowicie inne.


    Zaiste ! Czyli stycznik prądu zmiennego nie powinien działać ? A przecież działa i to przy 50Hz ??? Tesla chyba był innego zdania....... :)
  • #26
    _lazor_
    Moderator Projektowanie
    Już w poście #9 zostałem poprawiony przez kolegę TvWidget

    Jednak przy stycznikach trzeba pamiętać, że mają one trochę inną budowę. Posiadają uzwojenie zwierające część rdzenia, co powoduje zwiększenie złożoności układu i inną analizę problemu.

    Jak zauważysz w patencie od Tesli:
    https://teslauniverse.com/nikola-tesla/patents/us-patent-512340-coil-electro-magnets
    też jest wspomniana energia gromadzona w polu magnetycznym i ten sposób nawoju wprowadzą sporą ilość pojemności, która jest w stanie pomieścić energię samoindukcji nie powodując znacznego wzrostu napięcia na cewce. Zważywszy że kiedyś nie szło się do sklepu i nie kupowało się odpowiedniego kondensatora aby zrobić sobie gasik RC równoległy do uzwojenia cewki przekaźnika/stycznika na napięcie AC (nie można użyć jak w przypadku cewek DC diody) to rozwiązanie było naprawdę genialne.
    I to się zgadza, bo Tesla głównie w dziedzinie elektrotechniki interesował się drganiami własnymi obwodu LC, ale również był genialny w innych płaszczyznach (np turbina tesli).

    Problem gromadzenia się energii w elektromagnesach był odwiecznym problemem.



    To mi nasunęło rozwiązanie dla autora tematu, może być zrobił tego typu układ z częstotliwością drgań własnych na 100Mhz. Jeśli przepuścisz duży prąd a następnie jakimś półprzewodnikiem rozewrzesz układ to będziesz mieć elektromagnes działający z taką właśnie częstotliwością.
    Wtedy również po części synchronizacja elektromagnesów będzie rozwiązana... pod warunkiem bardzo precyzyjnego wykonania uzwojeń...
  • Pomocny post
    #27
    Rzuuf
    Poziom 43  
    Czy któryś z Kolegów policzył już, jak wielką siłę uzyskamy z elektromagnesu o jakichś sensownych rozmiarach (Uwaga! To jest zakres UKF!) i prądzie możliwym do uzyskania w warunkach "amatorskich"?
    Spróbowałem obliczeń dla cewki jednowarstwowej powietrznej: średnica 1cm, długość 1cm, 10 zwojów -> indukcyjność 0,67uH; dla częstotliwości 100MHz przedstawia sobą XL= 420Ω, a więc aby wymusić przepływ prądu 1A trzeba dysponować źródłem o napięciu 420V!
    I uzyskamy siłę przyciągania 10 Ampero-zwojów!
    Góra urodzi mysz ...
    Czułe przekaźniki mają kilkadziesiąt Amperozwojów ...
    A jeśli powiększymy cewkę, to zwiększy się indukcyjność i będzie trzeba jeszcze wyższego napięcia!

    Najlepszy jest elektromagnes zasilany prądem stałym.
  • #28
    TvWidget
    Poziom 33  
    Rzuuf napisał:
    Czy któryś z Kolegów policzył już, jak wielką siłę uzyskamy z elektromagnesu o jakichś sensownych rozmiarach

    Jaką konkretnie siłę masz na myśli ?
    Dla 100MHz chyba większość materiałów przyciąganych przez magnes będzie się zachowywała jak słabe diamagnetyki.
  • #29
    Rzuuf
    Poziom 43  
    Na obliczenie siły w gramach masz wzory, ja porównuję "praktyczne" efekty działania elektromagnesu: przekaźnik podobny konstrukcyjnie do typu R15 z cewką na prąd stały przyciąga kotwicę przekaźnika z siłą kilkunastu gramów "kosztem" ok. 150 Amperozwojów.
    Po przyciągnięciu oczywiście siła rośnie, bo nie ma szczeliny ...
  • #30
    rafus81
    Poziom 8  
    Dziękuję wszystkim za podpowiedzi i wskazówki
    Podsumuję zdobyte informacje dotyczące wykonania elektromagnesu pracującego na częstotliwości 100MHz

    1. Elektromagnes może działać jak antena i być źródłem zakłóceń na UKF-ie - dlatego należy elektromagnesy ekranować lub najlepiej cały układ.

    2. Elektromagnesy musza mieć identyczną częstotliwość i być zgodne w fazie - niestety jak wcześniej sądziłem użycie układu rezonansowego będzie błędem ponieważ obydwa muszą być zestrojone z taką samą częstotliwością co praktycznie jest niewykonalne. Lepszym rozwiązaniem jest użycie cewki z rdzeniem, której częstotliwość rezonansowa jest większa od częstotliwości taktowania -100MHz.
    Dzięki temu więcej prądu pójdzie po indukcyjności niż po pojemności.

    3.Układ może być wykonany w oparciu o nagrzewnicę indukcyjną tylko tranzystory muszą działać na wyższych częstotliwościach.

    4.Przy budowie elektromagnesu należy brać pod uwagę efekt naskórkowości

    5.Dobrym pomysłem jest etap pośredni układ na 10MHz.

    6.Co do przyciągania stali to faktycznie może być problem - zmienne pole magnetyczne wytworzy prądy wirowe co da w efekcie ciepło zamiast przyciągania. Zjawisko to jest wykorzystywane w nagrzewnicach indukcyjnych.

    Celem mojego doświadczenia jest uzyskanie efektu przyciągania lub odpychania dwóch elektromagnesów które taktowane są sygnałem o częstotliwości 100MHz
    Na sile mi nie zależy.

    Więc nasuwa mi się pomysł aby zamiast nawijać cewki na rdzeń. To do budowy mojego układu mogę zastosować dławiki drutowe z rdzeniem ferrytowym SMD. Zaletą takich dławików jest bardzo niska indukcyjność oraz znane parametry - indukcyjność, rezonans własny, maksymalny prąd i powtarzalność.
    Przykładowy dławik - LQW2BHN10NJ03L

    Wiec jeżeli ustaliłbym ile ma zwojów i jaki kierunek nawijania one posiadają to mógłbym połączyć dławiki szeregowo/równolegle Rysunek 2 to uzyskam "baterię elektromagnesów" która będzie miała określoną sumaryczną ilość Amperozwoji.

    Jedna taka "bateria" to jeden elektromagnes
    Wcześniej zrobię test na napięciu stałym tak aby sprawdzić czy elektromagnes działa.

    Następnie taką bateria podłączę do klucza tranzystorowego Rysunek 1 który będzie zasilany wspólnym sygnałem 100MHz i przeprowadzę doświadczenie.

    Mam jeszcze kilka pytań :
    1.Czy kluczując cewkę sygnałem f=100MHz której częstotliwość rezonansu własnego 3,3Ghz to czy cewka będzie drgała z taką samą częstotliwości 100MHz czy z jakąś inną.
    2.Jeżeli połączę szeregowo kilka cewek z rezonansem własnym 3,3Ghz to czy one zmienią częstotliwość sygnału 100MHz na jakąś inną jak tak to na jaka lub jak to obliczyć.