磁場強度計および校正器

磁場はほぼどこにでも存在します。 しかし、広範囲の強度と周波数 (20 Hz ～ 150 kHz) にわたる磁場の強度を評価する便利な手段は、あまり普及していません。 制限があるにもかかわらず、これらの測定が必要になる理由は依然として数多くあります。 一例としては、シールドされていないケーブルまたはシールドが不十分なケーブルからの干渉を追跡することが挙げられます。

このプロジェクトでは、ケーブルを切断したり妨害したりすることなく、大電流電力ケーブルからの最大 150 kHz の周波数での磁界放射を評価する方法を開発します。

まず、2 つの単純なアナログ機器が必要です。

一般に、高精度の測定は実用的または有用である可能性は低いです。 これは、多くの磁場の強さ、特に高周波では、短い期間や距離でも大幅に変化する可能性があるためです。 さらに、検証器は機器が高い固有精度を持つという要件を克服しているが、その安定性は通常十分以上であることに注意することが重要です。

手持ち型磁場強度ユニットの開発とコンポーネントについて詳しく見ていきましょう。 まず、図 1 に示すメーターと検証器のブロック図を見てみましょう。

メーターは単一の 9 V バッテリーから電力を供給されることに注意してください。 ここからは、必要なさまざまなコンポーネントを分類していきます。

プローブは、長さ 8 mm、直径 7.5 mm の 1.6 μH インダクタで構成されています。 絶縁フォーマーに巻き付けられ、約 22 回巻かれます。 静電シールド (銅箔を 1 回重ねて絶縁したもの) が設けられています。 周波数応答に関しては、インダクタンス値は重要ではありませんが、物理的寸法は感度に影響します。 プローブは同軸ケーブルに接続され、静電シールドはケーブル シールドに接続されます。

プローブは指向性があり、通常は軸が垂直になるように配置され (水平ケーブルを想定)、磁場の垂直成分を感知します。 さらに、水平方向に設置して水平成分を測定することもできます。

全体として、ある点での合計磁界強度は、垂直磁界 Hv と水平磁界の 2 つの成分 Hx と Hy の二乗の合計の平方根です。

$$H_{合計} = \sqrt{H^2_v + H^2_x + H^2_y}$$

プローブとプリアンプの回路図を図 2 に示します。

プリアンプはメインアンプと物理的に統合されており、共通のグランドを共有します。 プリアンプからの出力 X は、図 3 に示すメイン アンプの回路図の入力 X に接続されます。

プリアンプは、非常に低い入力インピーダンスを備えたトランスコンダクタンス アンプで構成されています。 この技術は、相互インダクタンス源から平坦な周波数応答を生成します。 ただし、20 Hz で 1.6 μH のリアクタンスと比較して十分に低い入力インピーダンスを得るのは非現実的です。 これを克服する 1 つの方法は、外部磁場の影響を受けない直列の 1 mH トロイダル インダクタによってインダクタンスを増やすことです。 コイルの抵抗と追加の 15 Ω 抵抗は、1 kΩ フィードバック抵抗と直列にコンデンサを含めることによって補償されます。

このインダクタは、外径 9.6 mm、内径 4.7 mm、厚さ 3.2 mm のフェライト トロイド上の約 20 回の巻線で構成されています。 トロイドの Digi-Key 部品番号は 240-2522-ND です。 市販の 1 mH インダクタは、大電流を流すように設計された物理的に大きな部品であるため、ここでは適していません。

アンプのゲインは小さく、フィルターが 2 つ含まれています。 高インピーダンス負荷を駆動する場合、プローブ、プリアンプ、およびメインアンプは、プローブでの電界強度 1 A/m に対して 1 mV の感度を提供します。 SI 単位である A/m (1 メートルあたりのアンペア) は、たとえば「大きな」単位であるファラドとは対照的に「小さな」単位であるため、通常、静電容量がファラッドのごく一部である部品を使用します。 。 どのくらい小さいですか？ そうですね、1 A/m は空気中または真空中で 1.26 μT (マイクロテスラ) の磁束密度を生成しますが、イヤホンの磁石は約 1 T を生成します。

以前の図 3 では、メインアンプの回路図を示しました。 その最初のステージは、約 200 kHz を超えるノイズを除去する 3 次ローパス フィルターです。

ローパス フィルターの後には 3 次ハイパス フィルターが続き、その -3dB 周波数はスイッチ S1a、S1b、および S1c を使用して 8 Hz と 800 Hz の間で切り替えることができます。 スイッチは、単一の 3 極 2 方向 (またはオン/オフ) スイッチを使用して実装できます。

図 3 では、2 段目のスイッチが 2 段目のフィルタから 8 Hz の -3 dB 周波数を生成するように構成されていることが示されています。 この 8 Hz 応答は、この広帯域応答モードでフリッカー ノイズを減衰するのに最適です。 この構成では、完全なメインアンプは、図 4 に示すように、20 Hz 未満から 100 kHz まで実質的に平坦な応答と 150 kHz までの制限された低下を備えた広帯域出力を提供します。他の結合コンデンサ (C2、C2、C2) の影響により、 C7、C11、C18)、メインアンプの完全な応答の -3 dB 周波数は 11 Hz です。

800 Hz のハイパス応答の場合、1.5 kΩ の抵抗が R8、R9、および R11 と並列に接続され、電源周波数と 2 kHz 未満の高調波成分が減衰されます。 800 Hz ハイパス フィルター構成でのメイン アンプの周波数応答を図 5 に示します。

このフィルターは、Sallen-Key の等しい成分値の 3 次バターワース フィルターのように見えますが、正確には異なります。 真のバターワース応答を実現するには、最初の受動セクションの後にバッファを配置し、2 番目のセクションに低インピーダンスから電力が供給されるようにする必要があります。 しかし、このプロジェクトの目的では、これは必要ありません。

2 段目のハイパス フィルタからの出力は、50 Ω (またはそれ以上) の負荷を駆動する出力を提供する 3 段目の低電力アンプに適用されます。

大きな磁場強度を生成する簡単な方法は、ソレノイドを使用することです。 磁界の強さとインダクタンスは、物理的寸法と電流から正確に計算できます。 インダクタンスの測定値は、計算された電界強度のチェックとして機能します。

ソレノイドは長さ 50 mm、直径 16 mm、巻き数は 200 です。 ボール紙製の成形機（はんだごてに触れても溶けません）に巻き付けられます。 もちろん、前者の穴はプローブを収容するのに十分な大きさである必要があります。 一端にフォノコネクタを接着して取り付けることができるため (したがって、はんだ付けが必要です)、シールドケーブルで検証用アンプに接続できます。

検証アンプは、15 V 電源で動作する LM386 を使用した低電力アンプです。 これは、20 Hz ～ 100 kHz の任意の周波数で実質的に一定の電流を生成する電流源出力として構成されていますが、最大 150 kHz までの制限付きで減少します。

検証器の回路図を図 6 に示します。

プローブとソレノイドを図 7 に示します。

検証器の電流出力の周波数応答を図 8 に示します。空気の透磁率は一定であるため、ソレノイド内の磁場は当然ながら電流に厳密に比例します。

LM386 オーディオ アンプが 150 kHz で 250 mA、ソレノイドで 1000 A/m を生成することを期待するのは過大です。 15 kHz までは 250 mA、100 kHz までは 25 mA、150 kHz までは 12.5 mA を生成します。 高周波の強い磁場に遭遇することはほとんどありません。

高誘導負荷のため、250 mA を生成するとデバイスはかなり熱くなります。 電流を 1 ～ 2 分以上供給する必要がある場合は、ヒートシンクを接着することもできます。これは通常、キャリブレーションをチェックするのに十分な時間です。

プローブコイルはソレノイドのほぼ中間点に挿入され、ベリファイアを使用します。 プローブを出し入れすると、ソレノイド内の磁場の強さがどれほど均一であるかがわかります。 プローブが終わりに近づいた場合にのみ変化します。

図 9 は、メインアンプが広帯域 (11 Hz ～ 150 kHz) モードの場合の、検証器からメインアンプ出力までの全体的な周波数応答を示しています。

これらすべてを念頭に置いて、この磁場強度メーターの使用例をいくつか見てみましょう。

主電源変圧器はスイッチモード技術に置き換えられつつありますが、数十億個が依然として使用されており、目的によっては主変圧器が好まれる場合もあります。 ただし、外部磁場は発生します。また、変圧器がフィルタ コンデンサを備えた整流器に電流を供給するため、電流は多くの場合正弦波ではありません。 したがって、この場には、少なくとも 10 kHz までの電源周波数の高調波の成分が含まれます。 これにより、近くのオーディオ回路に重大な「スパイクハム」干渉が発生する可能性があります。 スパイキーなハムは低いうなり声ではありません。高調波成分は磁気結合プロセスによって誇張されており、誘導電圧はその周波数に比例します。 ベースやゲートの代わりにグリッドを備えたチューブ/バルブの時代には、これは「グリディ・ハム」と呼ばれていました。

磁場の方向は導体を中心とした円形であり、その強さ H は次の式で正確に求められます。

$$H = \frac{I}{2πr}$$

どこ：

電流が流れる 2 本の導体の間隔と比較して、ケーブルから離れた場所では、逆向きの電流からの磁場はほぼ相殺されますが、ケーブルに近づくと相殺されません。 電界強度を正確に計算できます。 図 10 は、導体が非常に薄いと仮定して、1 cm 離れた 2 本の導体によって生成される磁界の垂直成分を簡略化して計算した結果を示しています。 電界強度は距離が離れると急速に低下しますが、ケーブルに近づくと非常に強くなる可能性があることがわかります。

次のセクションでは、このプロジェクトのさまざまな電界強度の測定について説明します。

電源変圧器からの磁界漏洩

変圧器の筐体から 25 mm の距離で、電界強度は 50 A/m と測定されました。 波形は歪んだ 50 Hz の正弦波でした。 この電界強度は、近くの回路で可聴「スパイク状のハム」信号を誘発するのに十分な大きさです。

50 Hz で 10 A を伝送する長い (1 m) の真っ直ぐな水平導体の測定結果を表 1 に示します。

導体中心からの距離(mm)

メーターの出力電圧 (mV)

磁界強度 (A/m)

導体間隔が 6 mm の水平 2 導体ケーブルからさまざまな距離で測定した放射を表 2 に示します。

近い導体の中心からの距離 (mm)

メーターの出力電圧 (mV)

磁界強度 (A/m)

このケーブルには、半分の電流に減光された 400 W の抵抗負荷の電流が流れました。 導体の直径 (1.6 mm) は導体の間隔に比べて小さくないため、結果を図 9 と数値的に比較することはできません。 ただし、表 2 は、電界強度が距離とともにどのように減少するかを示しています。

図 11 は、7 A/m に相当する 7 mV での 50 Hz 成分の電圧で表した場のスペクトルを示しています。

図 12 は、同じ応答を dB (mV) で示しており、デシベルは 1 mV として参照され、高周波成分の強さをよりよく強調しています。 ここでは、150 Hz 成分が 50 Hz 基本波より 7 dB 低く、比率が 0.45 であることがわかります。 高調波は実際には約 10 MHz まで広がりますが、スペクトラム アナライザはそのような周波数までは広がりません。

2 つの完成したプロトタイプは、プリント基板よりも浮遊電流が高いプラグボード上に構築されました。 プリント基板の性能はもう少し良くなるでしょう。

回路図は、無料で非常に強力なシミュレーター LTspice (www.analog.com) を使用して作成されましたが、私は満足したユーザーである以上、これとは何の関係もありません。 これらはグラフィックとして再現されますが、シミュレーションでは実行されません。 シミュレーションの結果は、正確な値を持つある程度理想化された部品に基づいています。 部品の公差は中周波ゲインに多少影響を与え、周波数応答の極端なところでゲイン変動を引き起こす可能性があります。 これらはいくつかのプリセット コンポーネントを追加することで修正できますが、ベリファイアではこれが不要になります。

周波数応答とスペクトルは、PC 用の手頃な価格のアドオンである Instrustar USB オシロスコープ ISD205C (www.instrustar.com) を使用してキャプチャおよびプロットされた実際の測定値です。 繰り返しになりますが、私は単に満足しているユーザーです。 ユーザー インターフェイスについては少し学習が必要です。