電磁リングランチャー

サジャド・ハイダル | 2016 年 11 月 21 日

科学博物館や物理教室では、「ジャンピング リング」または「電磁リング ランチャー」と呼ばれる非常に一般的なデモンストレーションがあります。 実験では、長さ数センチメートルの円筒形の鉄心を大きなソレノイドに挿入し、延長した鉄心に銅のリングを通します。 ソレノイドに AC 電源が供給されると、リングがコアから飛び出します。

この実験が科学と工学においてこれほど人気が​​あり、重要であることにはさまざまな理由があります。 まず、金属の輪が飛び出したり、浮かんだりする様子を観察するのは興味深いです。 第二に、ファラデーの誘導法則、レンツの法則、相互インダクタンス、電磁誘導による力を利用して、リングのホバリングやジャンプを可能にします。 このタイプの従来のリングランチャーの主な問題は、ソレノイド用の太い銅線と内部の重い鉄芯を多数巻く必要があるため、サイズと重量がかさばることです。 さらに、主電源電圧 (115 V または 230 V、AC) で動作するため、安全に動作させることはできません。 計算によると、リングの起動は、AC 主電源 (50/60Hz) の数倍高い周波数で何倍も効率的であることが示されています。

このプロジェクトでは、555 タイマー IC を使用して 700 Hz から 18 kHz まで調整可能な周波数の方形波発生器を使用しました。 その出力はパワーMOSFETを駆動します。 MOSFET は、鉄心の代わりに長さ 10 cm のフェライト シリンダーに巻かれた約 50 ～ 60 ターンの小さなコイルを駆動します。 フェライトシリンダーの延長部分に銅リングを通します。 16 マイクロ ファラッドのフィルム コンデンサがコイルと並列に配置され、並列共振が実現されます。 共振時には、コイルを流れる電流は、電源によって供給される電流の数倍に達することがあります。 コイルの製造に太い銅線（AWG #14）を使用することでコイル抵抗が低くなり、コイルの品質係数（Q）が高くなります。 コイルの高い Q により、電源が供給できる電流の約 8 倍高い電流が維持されます。 銅リングに大電流を誘導するには高い一次電流が不可欠であり、相互作用する磁場によってリングが浮遊します。 この回路は、リングの浮上、ホバリング、発射に DC24V のみを必要とします。 10 オームの抵抗が 24V 電源と直列に使用されます。発振器の周波数がゆっくりと上昇すると、供給電流は徐々に減少します。 共振周波数では、供給電流が最小値 (約 1.2 A) に達し、またこの時点で銅リングが浮遊し、延長されたフェライト ロッドの中央に浮かんでいます。 別のスイッチを使用して 10 オームの抵抗器を短絡します。短絡すると、リングがロッドから数センチメートル飛び出します。 ここで、10オームの抵抗を短絡したままにして、電源をオンにすると、リングはロッドから数十センチメートル上にジャンプします。 このビデオでは、これらの効果を示します。

完全な組み立て手順と部品リストは以下に続きます。

回路:

この回路は、555タイマーICで実装された方形波発振器、パワーMOSFET、MOSFETドライバ回路で構成されています(図1)。 この回路には 2 つの電源が必要です。15V、0.8A 電源は発振器と MOSFET ドライバーに電力を供給し、24V、4A 電源はコイルに電力を供給します。

50% 近くのデューティ サイクルを達成するには、抵抗 R1 には 180 オームが選択されます。これは、R2+R7 (最小 ~4.7k) と比較してはるかに小さい値です。 R2を100Kから0Ωまで変化させることにより、700Hzから18kHzの方形波出力が得られます。 555 タイマー IC のピン 3 の方形波出力は、ゲート容量のために MOSFET (Q3) を駆動するために直接使用しないでください。 MOSFET ドライバーは、2 つのトランジスタ Q1 と Q2 を使用して実装されます。 初期の高いゲート電流を制限するために、R5 が使用されます。 高電力および高電流 MOSFET (Q3) は、コイルとコンデンサの組み合わせを駆動するために使用されます。 高速リカバリ ダイオード D1 は、MOSFET のオフ時間中に LC 回路を自由に動作させるために使用されます。 MOSFET がオンになったときの初期大電流を制限するために、5 マイクロヘンリー (L1) のインダクタが使用されます。 この L1 は、直径 1 cm のプラスチック パイプを約 40 回巻くことで簡単に作成できます。 MOSFETがオンのとき、エネルギーがLC回路に供給され、MOSFETがオフのとき、コンデンサCとコイルLに蓄えられたエネルギーがLとCの間に流れ始めます。

MOSFET のスイッチング周波数が LC 回路の共振周波数と一致すると、LC 回路は発振を維持するために最小限のエネルギーを使用します。 この状況では、電源からは低電流が引き出されますが、LC 回路にははるかに多くの電流が流れます。 この大電流により、フェライト コア内に強力な磁界が発生します。 コアを通る銅リングは、低抵抗の単巻コイルとして機能します。 フェライト コア内の交流磁場によって銅リングに電圧が誘導され、その結果、リングにも大電流が流れます。 これら 2 つの相互作用する場により、リングがコアから飛び出すように強制されます。 MOSFET Q3 とダイオード D1 は、しばらく動作すると、特にチューニング中に加熱されます。 これら 2 つのデバイスには 2 つの小さなヒートシンクが必要です。 回路の PCB レイアウトを図 2 に示します。 10 オームの電力抵抗器 (R8) はパネル取り付けタイプであるため、PCB には表示されません。 図 3 に示すように、R8 をアルミニウム製の筐体にネジ止めする必要があります。

図2. PCB レイアウト

図3. 筐体内の回路 PCB

図4． フロントパネル

フェライトコア付きコイル:

適切なコイル ホルダーとフェライト シリンダーのベースを作成するために、被覆されていない FR4 シートが使用されました。 図5に示すように、いくつかの部品を切断してネジ止めしました。 上部にはフェライトシリンダーを通すための穴を開けました。最近では長いフェライトロッドが珍しくなったので、代わりに内部に穴のあるフェライトシリンダーを2つ使用しました。 各シリンダーの長さは 5 cm で、これらは長いナイロン製スタンドオフとナイロン製ネジで接続されています。 コイルを作成した後、LCRメーターを使用してそのインダクタンスと抵抗を測定しました。 2 つの ~8 マイクロ ファラッドのコンデンサを並列接続して ~16 マイクロ ファラドにし、その組み合わせをコイルと並列に接続しました。 これで、よく知られた公式を使用して共振周波数を計算できます。

共振周波数は、オシロスコープとファンクションジェネレーターを使用して測定することもできます。 この手順はネット上の多くの場所で見つけることができます。

詳細な仕様を以下に示します。

直径（コイルフォーマー）：～27mm、長さ：16mm、巻き数N：50～60、線径：#14AWG。 直径約 16 mm のフェライト シリンダーをコイルに挿入しました (ナイロン ネジとスタンドオフを使用して 2 つの円筒形フェライト ロッドを取り付けました)。 測定されたインダクタンスは約 110 mH (フェライト コアが内部にある場合は約 235 mH) です。 測定された抵抗 ~ 0.1 W、C = 16 mF で測定された共振周波数、fr ~ 2.6 kHz

図5。 16 マイクロファラッドのコンデンサを並列に接続したコイル。 銅のリングが、延長されたフェライト シリンダーを通して示されています。

システム全体はボックス化された回路、PCB、電源、コイルで構成されています。 これを図6に示します。

図6. システム全体の写真

テスト手順:

最適な動作条件を設定するには、コイルとコンデンサの回路を共振状態に設定する必要があります。 高価な機器を使用せずに、図-7に示すブロック図に従ってこの状態を簡単に確認できます。

図7。 共振のセットアップ

24V 電源を接続する前に、10 オームの抵抗シャント スイッチ (S2) が開いていることを確認する必要があります。 ここで、24V 電源を回路と直列の電流計に接続すると、ポテンショメータ R2 がゆっくりと高から低に回転し、これにより周波数が低から高に変化します。 周波数が上がると電流が下がり、リングが浮遊し始めるのがわかります。 共振時、電流は約 1.2 A で最小になります。共振時、銅のリングはコイルから約 2 cm 上に浮上します。 ここで、S2 を閉じることによって 10 オームの抵抗が短絡すると、リングがフェライト ロッドから飛び出します。 スイッチS2を閉じたまま、電源スイッチS1をOFFからONにすると、リングはロッドから数十センチ上にジャンプします。 このテストはすべてビデオで示されています。 この回路は 24V を超える電圧でも動作できます。 48V で駆動すると、さらに高いジャンプが見られます。

コイルが共振状態にあるときのオシロスコープ波形を図 8 に示します。

図8. コイルが共振状態で駆動されているときの、MOSFETのゲート、ドレイン、コイルハイサイド、およびコイル両端の波形。

パーツリスト

一部

価値

説明

関連部品番号

C1

0.01u

セラミックコンデンサ

70079249

C2

0.1μF

セラミックコンデンサ

70095155

C3

0.1μF

セラミックコンデンサ

70095155

C4

0.1μF

セラミックコンデンサ

70095155

C5

0.1μF

セラミックコンデンサ

70095155

C6

100μF

分極コンデンサ

70187892

C8

100μF

分極コンデンサ

70079479

D1

FFPF30UA60S

高速リカバリダイオード

70078639

VS-15ETH06FPPBF

D2

18V

ツェナーダイオード

70061620

IC1

NE555N

タイマーIC

70550780

L1

5μH

インダクタ

直径 1cm で ~ 40 回回転します。 プラスチックチューブ

Q1

2N2222

NPNトランジスタ

70725575

第2四半期

2N2906

PNPトランジスタ

70348161

Q3

TK32E12N1

パワーMOSFET

70017262 (IRFB61N15DPBF 相当)

R1

180オーム

抵抗器、

70024696

R2

100K

ポテンショメータ

70153741

R3

1k

抵抗器

70648011

R4

4.7オーム

抵抗器

70023927

R5

10オーム

抵抗器

70183308

R6

20k

抵抗器

70183654

R7

4.7K

抵抗器

70650980

R8

10オーム、25W

電力抵抗器

70201458

2ピン端子 4個

70086275

ヒートシンク – 2 個

70115166

PS1

15V、800mA

電源1

70231086

PS2

24V、4.5A

電源2

70177388

S1

オンオフ

スイッチ

70192043

S2

オンオフ

スイッチ

70192043

L

～238μH

フェライトコア付きコイル

C

8.2μF + 8.2μF

2つのコンデンサを並列接続

70260082

バインディングポスト(レッド) 2本

70210915

バインディングポスト(ブラック) 2本

70198054

箱

70148724

フェライトシリンダー – 2個

公正な儀式 #2643625202

プロジェクトに必要なその他のアイテムは、ネジ、ナイロンネジ、フックアップワイヤーです。

テキスト形式の詳細