Calibrador y medidor de intensidad de campo magnético

Los campos magnéticos están presentes en casi todas partes. Sin embargo, los medios convenientes para evaluar la intensidad del campo magnético en amplios rangos de intensidad y frecuencia (20 Hz a 150 kHz) no están ampliamente disponibles. A pesar de las limitaciones, todavía hay muchas razones por las que puede necesitar estas medidas. Un ejemplo es rastrear la interferencia de un cable sin blindaje o con blindaje deficiente.

En este proyecto, desarrollaremos un método para evaluar las emisiones de campos magnéticos a frecuencias de hasta 150 kHz desde cables de alimentación de alta corriente sin cortar ni perturbar el cable.

Para comenzar, necesitaremos dos instrumentos analógicos simples:

En general, es poco probable que las mediciones de alta precisión sean practicables o útiles. Esto se debe a que muchas intensidades de campos magnéticos, especialmente a altas frecuencias, pueden variar considerablemente incluso en períodos y distancias cortos. Además, es importante señalar que el verificador supera el requisito de que el instrumento tenga una alta precisión intrínseca, pero su estabilidad suele ser más que adecuada.

Profundicemos en el desarrollo y los componentes de la unidad portátil de intensidad de campo magnético. Para empezar, veamos un diagrama de bloques del medidor y el verificador que se muestra en la Figura 1.

Tenga en cuenta que el medidor funciona con una sola batería de 9 V. A partir de aquí, desglosaremos los diferentes componentes necesarios.

La sonda consta de un inductor de 1,6 μH de 8 mm de largo y 7,5 mm de diámetro. Está enrollado en un molde aislante y tiene unas 22 vueltas. Se proporciona un escudo electrostático (una sola vuelta aislada superpuesta de lámina de cobre). En cuanto a la respuesta de frecuencia, el valor de la inductancia no es crítico, pero las dimensiones físicas afectan la sensibilidad. La sonda está conectada a un cable coaxial con la pantalla electrostática conectada a la pantalla del cable.

La sonda es direccional y normalmente se coloca con su eje vertical (suponiendo un cable horizontal) y detecta la componente vertical del campo magnético. Aún así, el usuario puede configurarlo horizontalmente para medir el componente horizontal.

En general, la intensidad de campo total en un punto es la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados del campo vertical, Hv, y los dos componentes del campo horizontal, Hx e Hy.

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

El esquema de la sonda y el preamplificador se muestra en la Figura 2.

El preamplificador está integrado físicamente con el amplificador principal y comparte un terreno común. La salida, X, del preamplificador se conecta a la entrada, X, del esquema del amplificador principal que se muestra a continuación en la Figura 3.

El preamplificador consta de un amplificador de transconductancia con una impedancia de entrada muy baja. Esta técnica produce una respuesta de frecuencia plana a partir de una fuente de inductancia mutua. Sin embargo, puede resultar poco práctico obtener una impedancia de entrada suficientemente baja en comparación con la reactancia de 1,6 μH a 20 Hz. Una forma de superar esto es aumentar la inductancia mediante un inductor toroidal en serie de 1 mH insensible a los campos magnéticos externos. La resistencia de la bobina y la resistencia añadida de 15 Ω se compensan al incluir un capacitor en serie con la resistencia de retroalimentación de 1 kΩ.

Este inductor consta de unas 20 vueltas en un toroide de ferrita, de 9,6 mm de diámetro exterior, 4,7 mm de diámetro interior y 3,2 mm de espesor. El número de pieza de Digi-Key del toroide es 240-2522-ND. Los inductores de 1 mH disponibles comercialmente son piezas físicamente grandes diseñadas para transportar grandes corrientes y no son adecuadas aquí.

El amplificador tiene solo una pequeña ganancia e incluye dos filtros. Cuando se maneja una carga de alta impedancia, la sonda, el preamplificador y el amplificador principal proporcionan una sensibilidad de 1 mV para una intensidad de campo de 1 A/m en la sonda. La unidad SI A/m (amperios por metro) es una unidad 'pequeña', a diferencia del faradio, por ejemplo, que es una unidad 'grande', por lo que normalmente usamos partes cuya capacitancia es una fracción muy pequeña de un faradio. . ¿Cuán pequeño? Bueno, 1 A/m produce una densidad de flujo de 1,26 μT (microtesla) en el aire o en el vacío, mientras que el imán en un auricular produce alrededor de 1 T.

Anteriormente, en la Figura 3, mostramos el esquema del amplificador principal. En él, la primera etapa es un filtro de paso bajo de tercer orden para eliminar el ruido por encima de unos 200 kHz.

El filtro de paso bajo es seguido por un filtro de paso alto de tercer orden, cuya frecuencia de -3dB se puede cambiar entre 8 Hz y 800 Hz usando los interruptores S1a, S1b y S1c. Los interruptores se pueden implementar utilizando un solo interruptor de 2 vías (o de encendido y apagado) de 3 polos.

En la Figura 3, los interruptores de la segunda etapa se muestran configurados para producir una frecuencia de -3 dB de 8 Hz desde el filtro de la segunda etapa. Esta respuesta de 8 Hz es la mejor para atenuar el ruido de parpadeo en este modo de respuesta de banda ancha. En esta configuración, el amplificador principal completo proporciona una salida de banda ancha con una respuesta sustancialmente plana desde menos de 20 Hz hasta 100 kHz y una caída limitada hasta 150 kHz, como se muestra en la Figura 4. Debido al efecto de otros capacitores de acoplamiento (C2, C7, C11, C18), la frecuencia de -3 dB de la respuesta completa del amplificador principal es de 11 Hz.

Para la respuesta de paso alto de 800 Hz, se conectan resistencias de 1,5 kΩ en paralelo con R8, R9 y R11 para atenuar la frecuencia de alimentación y los componentes armónicos por debajo de 2 kHz. La respuesta de frecuencia del amplificador principal con la configuración de filtro de paso alto de 800 Hz se muestra en la Figura 5.

Los filtros se parecen a los filtros Butterworth de tercer orden de valor de componentes iguales de Sallen-Key, pero no exactamente. Para respuestas Butterworth verdaderas, las primeras secciones pasivas deben ir seguidas de amortiguadores para que las segundas secciones se alimenten desde impedancias bajas. Pero para nuestros propósitos en este proyecto, esto no es necesario.

La salida del filtro de paso alto de la segunda etapa se aplica al amplificador de baja potencia de la tercera etapa que proporciona una salida que impulsará una carga de 50 Ω (o superior).

Una forma simple de producir una gran fuerza de campo magnético es usar un solenoide. La intensidad de campo y la inductancia se pueden calcular con precisión a partir de las dimensiones físicas y la corriente. El valor medido de la inductancia actúa como control de la intensidad de campo calculada.

El solenoide tiene 50 mm de largo, 16 mm de diámetro y 200 vueltas. Está enrollado en un molde de cartón (que no se derretirá si se toca con un soldador). El orificio anterior debe ser lo suficientemente grande para acomodar la sonda, por supuesto. Puede equiparse con un conector fono pegado en un extremo (de ahí la necesidad de soldar), de forma que pueda conectarse mediante un cable blindado al amplificador verificador.

El amplificador verificador es un amplificador de baja potencia que utiliza un LM386 que funciona con un suministro de 15 V. Está configurado como una salida de fuente de corriente para producir una corriente sustancialmente constante a cualquier frecuencia de 20 Hz a 100 kHz, con una reducción limitada de hasta 150 kHz.

El esquema del verificador se muestra en la Figura 6.

La sonda y el solenoide se muestran en la Figura 7.

La respuesta de frecuencia de la salida de corriente del verificador se muestra en la Figura 8. El campo magnético en el solenoide es, por supuesto, estrictamente proporcional a la corriente porque el aire tiene una permeabilidad magnética constante.

Sería demasiado esperar que el amplificador de audio LM386 produzca 250 mA a 150 kHz y 1000 A/m en el solenoide. Producirá 250 mA hasta 15 kHz, 25 mA hasta 100 kHz y 12,5 mA hasta 150 kHz. Raramente se encuentran campos magnéticos fuertes a altas frecuencias.

Debido a la carga altamente inductiva, el dispositivo se calienta bastante cuando produce 250 mA. Se le puede pegar un disipador de calor si es necesario suministrar corriente durante más de uno o dos minutos, que normalmente es bastante tiempo para comprobar la calibración.

La bobina de la sonda se inserta en el solenoide para que quede aproximadamente en el punto medio para usar el verificador. Mover la sonda hacia adentro y hacia afuera muestra qué tan uniforme es la fuerza del campo magnético dentro del solenoide; cambia solo cuando la sonda está cerca del final.

La Figura 9 muestra la respuesta de frecuencia general desde el verificador hasta la salida del amplificador principal, con el amplificador principal en modo de banda ancha (11 Hz a 150 kHz).

Con todo eso en mente, exploremos algunos ejemplos de casos de uso para este medidor de intensidad de campo magnético.

Aunque los transformadores de red están siendo reemplazados por tecnología de modo de conmutación, todavía se utilizan miles de millones y, para algunos propósitos, pueden preferirse. Sin embargo, producen un campo magnético externo y la corriente a menudo no es sinusoidal porque el transformador alimenta un rectificador con un condensador de filtro. Por lo tanto, el campo incluye componentes en los armónicos de la frecuencia de la red hasta al menos 10 kHz. Esto puede causar una interferencia significativa de 'zumbido puntiagudo' en los circuitos de audio cercanos. Spikey hum no es un gruñido bajo: el contenido armónico es exagerado por el proceso de acoplamiento magnético, donde el voltaje inducido es proporcional a su frecuencia. Solía ​​​​llamarse 'zumbido de rejilla' en los días de los tubos/válvulas con rejillas en lugar de bases o compuertas.

La dirección del campo magnético es circular, centrada en el conductor, y su fuerza, H, está dada con precisión por la fórmula:

$$H = \frac{I}{2πr}$$

Dónde:

A una distancia del cable, en comparación con la separación de los dos conductores que transportan corriente, los campos magnéticos de las corrientes opuestas casi se cancelan, pero cerca del cable no lo hacen. La intensidad del campo se puede calcular con precisión. La Figura 10 muestra el resultado de un cálculo simplificado de la componente vertical del campo producido por dos conductores separados por 1 cm, asumiendo que los conductores son extremadamente delgados. Se puede ver que la intensidad del campo cae muy rápidamente con la distancia, pero puede ser bastante fuerte cerca del cable.

En las siguientes secciones, cubriremos las diferentes medidas de intensidad de campo de este proyecto.

Fuga de campo magnético de un transformador de red

A una distancia de 25 mm de la envolvente del transformador, la intensidad de campo medía 50 A/m. La forma de onda era una onda sinusoidal distorsionada de 50 Hz. Esta fuerza de campo es lo suficientemente grande como para inducir una señal audible de 'zumbido puntiagudo' en un circuito cercano.

Los resultados de una medición de un conductor horizontal recto largo (1 m) que lleva 10 A a 50 Hz se dan en la Tabla 1.

Distancia desde el centro del conductor (mm)

Voltaje de salida del medidor (mV)

Fuerza del campo magnético (A/m)

Las emisiones medidas a varias distancias de un cable horizontal de dos conductores, con conductores separados 6 mm, se muestran en la Tabla 2.

Distancia desde el centro del conductor más cercano (mm)

Voltaje de salida del medidor (mV)

Fuerza del campo magnético (A/m)

El cable transportaba la corriente de una carga resistiva de 400 W atenuada a la mitad de la corriente. El resultado no se puede comparar numéricamente con la figura 9 porque el diámetro de los conductores (1,6 mm) no es pequeño en comparación con su separación. Sin embargo, la Tabla 2 muestra cómo la intensidad de campo disminuye con la distancia.

La figura 11 muestra el espectro del campo en términos de tensión con la componente de 50 Hz a 7 mV, correspondiente a 7 A/m.

La Figura 12 muestra la misma respuesta en dB (mV), decibelios denominados 1 mV, para resaltar mucho mejor las fortalezas de los componentes de frecuencia más alta. Aquí podemos ver que el componente de 150 Hz está 7 dB por debajo del fundamental de 50 Hz, una relación de 0,45. Los armónicos en realidad se extienden hasta unos 10 MHz, pero el analizador de espectro no se extenderá a tales frecuencias.

Los dos prototipos completos se han construido sobre un clavijero con más pérdidas que las placas impresas. El rendimiento de las placas impresas probablemente sería un poco mejor.

Los esquemas se han realizado utilizando el simulador gratuito y muy potente LTspice (www.analog.com), con el que no tengo conexión más allá de ser un usuario satisfecho. Se reproducen como gráficos, que no se ejecutarán para la simulación. Los resultados de las simulaciones se basan en partes algo idealizadas con valores exactos. Las tolerancias de los componentes pueden afectar un poco la ganancia de frecuencia media y causar variaciones de ganancia en los extremos de la respuesta de frecuencia. Si bien estos podrían corregirse agregando varios componentes preestablecidos, el verificador hace que esto sea innecesario.

Las respuestas de frecuencia y los espectros son mediciones reales capturadas y trazadas utilizando un complemento asequible para PC, el osciloscopio USB Instrustar ISD205C (www.instrustar.com). Una vez más, soy simplemente un usuario satisfecho. La interfaz de usuario necesita un poco de aprendizaje.