Lanzador de anillo electromagnético

Sayjad Haidar | 21 de noviembre de 2016

Hay una demostración muy común en los museos de ciencias y en las aulas de física llamada "Anillo de salto" o "Lanzador de anillos electromagnéticos". El experimento involucra un núcleo de hierro cilíndrico de varios centímetros de largo insertado en un solenoide grande y un anillo de cobre atraviesa el núcleo de hierro extendido. Cuando el solenoide es alimentado por la red de CA, el anillo salta fuera del núcleo.

Hay varias razones por las que el experimento es tan popular y tan importante en la ciencia y la ingeniería. En primer lugar, es interesante observar un anillo de metal que salta o flota. En segundo lugar, utiliza la ley de inducción de Faraday, la ley de Lenz, la inductancia mutua y las fuerzas debidas a la inducción electromagnética para que el anillo pueda flotar o saltar. El principal problema con este tipo de lanzador de anillos convencional es su tamaño y peso voluminosos, ya que requiere una gran cantidad de vueltas de alambre de cobre grueso para el solenoide y un núcleo de hierro pesado en el interior. Además, como funciona con el voltaje de la línea principal (115 V o 230 V, CA), no es seguro operar. Los cálculos muestran que el lanzamiento del anillo es muchas veces más eficiente a frecuencias varias veces superiores a las de la red de CA (50/60 Hz).

En este proyecto utilicé un generador de onda cuadrada de frecuencia ajustable de 700 Hz a 18 kHz empleando un temporizador IC 555; cuya salida impulsa un MOSFET de potencia. El MOSFET impulsa una pequeña bobina de ~50 a 60 vueltas enrollada en un cilindro de ferrita de 10 cm de largo en lugar de un núcleo de hierro. Se coloca un anillo de cobre a través de la parte extendida del cilindro de ferrita. Un condensador de película de 16 microfaradios se coloca en paralelo con la bobina para lograr una resonancia paralela. En resonancia, la corriente a través de la bobina se puede lograr varias veces mayor que la suministrada por la fuente de alimentación. Usando un alambre de cobre grueso (AWG #14) para hacer la bobina, se reduce la resistencia de la bobina, lo que hace que el factor de calidad (Q) de la bobina sea alto. El alto Q de la bobina mantiene una corriente casi ~ 8 veces mayor que la que puede proporcionar la fuente de alimentación. La corriente primaria alta es esencial para inducir una corriente alta en el anillo de cobre, el campo de interacción hace que el anillo levite. El circuito solo necesita 24 V CC para levitar, flotar y disparar al anillo. Se utiliza una resistencia de 10 ohmios en serie con la fuente de alimentación de 24 V, ya que la frecuencia del oscilador aumenta lentamente y la corriente de alimentación disminuye gradualmente. A la frecuencia resonante, la corriente de suministro alcanza el mínimo (~1,2 A), y también en este punto el anillo de cobre levita y flota en el medio de la varilla de ferrita extendida. Se usa otro interruptor para cortocircuitar la resistencia de 10 ohmios, cuando se cortocircuita, el anillo salta unos centímetros fuera de la varilla. Ahora, manteniendo la resistencia de 10 ohmios en cortocircuito, si se enciende la fuente de alimentación, el anillo salta decenas de centímetros por encima de la varilla. Este video muestra estos efectos.

Las instrucciones completas de construcción y la lista de piezas continúan a continuación:

El circuito:

El circuito consta de un oscilador de onda cuadrada implementado por un temporizador IC 555, un MOSFET de potencia y un circuito controlador MOSFET (Fig. 1). El circuito necesita dos fuentes de alimentación, una fuente de 15 V, 0,8 A para suministrar energía al oscilador y al controlador MOSFET y una fuente de 24 V, 4 A alimenta la bobina.

Para lograr una resistencia de ciclo de trabajo cercana al 50%, R1 se elige 180 ohmios, que es un valor mucho más pequeño en comparación con R2 + R7 (mínimo ~ 4.7k). Al variar R2 de 100 K a 0 ohmios, se obtiene una salida de onda cuadrada de 700 Hz a 18 kHz. Esta salida de onda cuadrada en el pin 3 del IC del temporizador 555 no debe usarse directamente para controlar el MOSFET (Q3), para la capacitancia de la puerta. Se implementa un controlador MOSFET utilizando dos transistores, Q1 y Q2. Para limitar la corriente de puerta alta inicial, se utiliza R5. Se utiliza un MOSFET (Q3) de alta potencia y alta corriente para impulsar la combinación de bobina y condensador. Un diodo de recuperación rápida, D1, se usa para dejar que el circuito LC funcione libremente durante el tiempo de APAGADO del MOSFET. Se utiliza un inductor de 5 micro Henry (L1) para limitar la alta corriente inicial, cuando el MOSFET está encendido. Este L1 se puede hacer fácilmente enrollando ~40 vueltas en un tubo de plástico de 1 cm de diámetro. Cuando el MOSFET está ENCENDIDO, la energía se entrega al circuito LC, cuando el MOSFET está APAGADO, la energía almacenada en el capacitor C y la bobina L comienza a fluir entre L y C.

Cuando la frecuencia de conmutación del MOSFET coincide con la frecuencia de resonancia del circuito LC, el circuito LC utiliza la energía mínima para sostener la oscilación. En esta situación, aunque se extrae poca corriente del suministro, fluye mucha más corriente en el circuito LC. Esta alta corriente crea un intenso campo magnético en el núcleo de ferrita. El anillo de cobre que atraviesa el núcleo actúa como una bobina de una vuelta de baja resistencia. El campo magnético alterno en el núcleo de ferrita induce un voltaje en el anillo de cobre, por lo que también fluye una alta corriente a través del anillo. Estos dos campos que interactúan obligan al anillo a saltar del núcleo. El MOSFET Q3 y el diodo D1 se calientan después de algún tiempo de operación, especialmente durante la sintonización. Se necesitan dos pequeños disipadores de calor para estos dos dispositivos. El diseño de PCB del circuito se muestra en la Fig.2. La resistencia de potencia de 10 ohmios (R8) no se muestra en la PCB, ya que es del tipo montado en panel. R8 debe atornillarse a la caja de aluminio como se muestra en la Fig.3.

Figura 2. Diseño de placa de circuito impreso

Fig. 3. Circuito-PCB dentro de la caja

Figura 4. Panel frontal

La bobina con núcleo de ferrita:

Para hacer un portabobinas adecuado y una base para el cilindro de ferrita, se utilizó lámina de FR4 sin revestimiento. Se cortaron y atornillaron varias piezas como se muestra en la Fig.5. En la pieza superior, se hizo un orificio para que entrara el cilindro de ferrita. Como las varillas largas de ferrita se están volviendo poco comunes hoy en día, en su lugar se usaron dos cilindros de ferrita con un orificio en el interior. Cada cilindro tiene 5 cm de largo, estos están unidos por un separador largo de nailon y tornillos de nailon. Después de fabricar la bobina, se midieron su inductancia y resistencia utilizando un medidor LCR. Dos capacitores de ~8 micro Farad se conectaron en paralelo para hacer ~ 16 micro Farad y la combinación se conectó en paralelo con la bobina. Ahora la frecuencia de resonancia se puede calcular utilizando la conocida fórmula:

La frecuencia de resonancia también se puede medir con un osciloscopio y un generador de funciones. Este procedimiento se puede encontrar en muchos lugares de la red.

Las especificaciones detalladas se dan a continuación.

Diámetro (bobina anterior): ~27 mm, longitud: 16 mm, número de vueltas, N: 50 ~ 60, tamaño del cable: # 14 AWG. Se insertó un cilindro de ferrita de ~16 mm de diámetro a través de la bobina (se unieron dos varillas cilíndricas de ferrita con tornillos de nailon y separadores). La inductancia medida es ~ 110 mH ( ~ 235 mH, con el núcleo de ferrita en el interior). Resistencia medida ~ 0,1 W, con C = 16 mF frecuencia resonante medida, fr ~ 2,6 kHz

Figura 5. Bobina con capacitor de 16 micro Farad en paralelo. Se muestra un anillo de cobre a través del cilindro de ferrita extendido.

Todo el sistema compuesto por el circuito en caja-PCB, las fuentes de alimentación y la bobina; que se muestra en la Fig.6.

Figura 6. Fotografía del sistema completo.

Procedimiento de prueba:

Para establecer la condición para un funcionamiento óptimo, el circuito bobina-condensador debe establecerse en resonancia. Sin usar ningún equipo costoso, podemos asegurarnos fácilmente de esta condición siguiendo el esquema de bloques como se muestra en la Fig-7.

Figura 7. Configuración para resonancia

Antes de conectar la alimentación de 24V debemos asegurarnos de que la resistencia-interruptor-derivador de 10 Ohm (S2) esté abierta. Ahora, conectando el suministro de 24 V a un amperímetro en serie con el circuito, el potenciómetro R2 se gira lentamente de mayor a menor, lo que hace que la frecuencia pase de menor a mayor. A medida que aumenta la frecuencia, la corriente disminuye y podemos ver que el anillo comienza a levitar. En resonancia, la corriente llega al mínimo a ~ 1,2 A. En resonancia, el anillo de cobre levita ~ 2 cm por encima de la bobina. Ahora, si la resistencia de 10 ohmios se cortocircuita al cerrar S2, el anillo salta fuera de la varilla de ferrita. Manteniendo el interruptor S2 cerrado, si el interruptor de alimentación S1 se enciende desde APAGADO, el anillo salta decenas de centímetros por encima de la varilla. Todas estas pruebas se muestran en el video. El circuito puede funcionar incluso con tensiones superiores a 24 V. Si funciona con 48 V, se ve un salto mucho mayor.

Las formas de onda del osciloscopio se muestran en la Fig. 8 cuando la bobina está en resonancia.

Figura 8. Formas de onda en la compuerta MOSFET, el drenaje, el lado alto de la bobina y a través de la bobina, cuando la bobina funciona en resonancia.

Lista de partes

Parte

Valor

Descripción

Parte aliada #

C1

0.01u

Condensador cerámico

70079249

C2

0,1 uF

Condensador cerámico

70095155

C3

0,1 uF

Condensador cerámico

70095155

C4

0.1uF

Condensador cerámico

70095155

C5

0,1 uF

Condensador cerámico

70095155

C6

100uF

condensador polarizado

70187892

C8

100uF

condensador polarizado

70079479

D1

FFPF30UA60S

Diodo de recuperación rápida

70078639

VS-15ETH06FPPBF

D2

18V

Diodo Zener

70061620

IC1

NE555N

Temporizador IC

70550780

L1

5uH

Inductor

~ 40 vueltas en 1 cm de diámetro. tubo plastico

Q1

2N2222

Transistor NPN

70725575

Q2

2N2906

Transistor PNP

70348161

Q3

TK32E12N1

MOSFET de potencia

70017262 (equivalente a IRFB61N15DPBF)

R1

180 ohmios

Resistor,

70024696

R2

100K

Potenciómetro

70153741

R3

1k

Resistor

70648011

R4

4,7 ohmios

Resistor

70023927

R5

10 ohmios

Resistor

70183308

R6

20k

Resistor

70183654

R7

4.7K

Resistor

70650980

R8

10 ohmios, 25W

Resistencia de potencia

70201458

Terminal de 2 pines, 4 piezas

70086275

Disipador de calor - 2 piezas

70115166

ps1

15V, 800mA

Fuente de alimentación1

70231086

ps2

24 V, 4,5 A

Fuente de alimentación 2

70177388

S1

ENCENDIDO APAGADO

Cambiar

70192043

S2

ENCENDIDO APAGADO

Cambiar

70192043

L

~238 uH

Bobina con núcleo de ferrita

C

8,2 uF + 8,2 uF

2 capacitores en paralelo

70260082

Poste de encuadernación (rojo) 2 piezas

70210915

Poste de encuadernación (negro) 2 piezas

70198054

CAJA

70148724

Cilindro de ferrita – 2 piezas

Fair-Rite #2643625202

Otros elementos que se necesitan para el proyecto son tornillos, tornillos de nailon, alambre de conexión.

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