Stepdown теоретический вопрос по магнитному полю в индукторе Опции

[iiv]

Добрый день,

не пинайте сильно, но очень надо для понимания.

Пусть у нас есть степдаун как из https://en.wikipedia.org/wiki/Buck_converter

Там есть две картинки, on-state и off-state.

Если измерить напряжение на индукторе, то полярность напряжения в on-state и off-state будет противоположной.

А вот направление магнитного поля в обоих случаях, будет противоположное, или все-таки в on-state напряженность магнитного поля будет нарастать, а в off-state - убывать, но направление вектора напряженности магнитного поля будет всегда однонаправленным?

Вдруг кто точно это понимает, пожалуйста, не оставьте меня наедине с проблемой и посвятите, пожалуйста!

Спасибо!

ИИВ

[Oxygen Power]

Если магнитное поле будет направлено в одну сторону, то ни о каком перемагничивании сердечника говорить не стоит.

[wla]

Добрый день,
Если измерить напряжение на индукторе, то полярность напряжения в on-state и off-state будет противоположной.
А вот направление магнитного поля в обоих случаях, будет противоположное, или все-таки в on-state напряженность магнитного поля будет нарастать, а в off-state - убывать, но направление вектора напряженности магнитного поля будет всегда однонаправленным?

Чтобы поменять направление поля, надо поменять направление тока в индукторе.
А теперь посмотрите, даст ли Вам схема это сделать?

[Фрол Кузьмич]

Чтобы поменять направление поля, надо поменять направление тока в индукторе.
А теперь посмотрите, даст ли Вам схема это сделать?

Может быть и бывает, что вместо замыкающего диода перед индуктором ключ mosfet, и тогда схема "даст это сделать". Но и тогда делать это нет смысла, ну кроме особых случаев, когда нужно принять от нагрузки втекающий в выход ток.

[iiv]

Хорошо, переформулирую вопрос.

Нагрузкой у меня является сам индуктор, а польза от него должна быть в виде постоянного (возможно слабо пульсирующего) магнитного поля.

Просто омическое сопротивление моей катушки гуляет от 0.01 до 0.05Ом в зависимости от температуры, индуктивность составляет около 2мкГн, а мне необходимо загонять туда 100-400А что приводит к большим диапазонам напряжения. Делать источник питания на 100-400А с выходным 1-20В немного вломы, но под рукой есть 24В х 120А или 12В х 240А и хочется понять что произойдет с магнитным полем, если я сделаю такой степдаун сделав из моей нагрузки два в одном индуктор + нагрузку.

PS: магнитным материалом сердечника моего индуктора можно принять воздух

PPS: вопросов на каких номиналах такой степ-даун следать вроде не стоит, даже не военных мосфетов на 200А+ как грязи, стойка из 10 в параллель с плисоуправлением, думаю решит все вопросы. Основной мой вопрос собственно в заголовке - скажите, пожалуйста, как в этом случае ведет себя магнитное поле.

[wim]

как в этом случае ведет себя магнитное поле

Капитан Очевидность утверждает, что средний ток в катушке будет строго соответствовать закону Ома. Т.е. постоянная составляющая напряженности магнитного поля будет гулять обратно пропорционально сопротивлению катушки (предполагая, что провода и невоенные мосфеты намного более низкоомные, чем катушка).

[iiv]

Капитан Очевидность утверждает, что средний ток в катушке будет строго соответствовать закону Ома. Т.е. постоянная составляющая напряженности магнитного поля будет гулять обратно пропорционально сопротивлению катушки (предполагая, что провода и невоенные мосфеты намного более низкоомные, чем катушка).

ничего не понял... простите. У меня нагрузка - это сама эта катушка, то есть нагрузка состоит из резистивной составляющей, это которая 0.01Ома (или 0.05Ом если катушка сильно нагрелась а ее водяное охлаждение не справляется). Будем считать, что у стойки мосфетов внутреннее сопротивление на порядок меньше и им пренебрежем.

[Фрол Кузьмич]

ничего не понял... простите. У меня нагрузка - это сама эта катушка, то есть нагрузка состоит из резистивной составляющей, это которая 0.01Ома (или 0.05Ом если катушка сильно нагрелась а ее водяное охлаждение не справляется). Будем считать, что у стойки мосфетов внутреннее сопротивление на порядок меньше и им пренебрежем.

Вам нужен источник тока. Только так получится "пренебречь" гулящей составляющей сопротивлений.

Сообщение отредактировал Фрол Кузьмич - Sep 1 2017, 07:41

[wim]

ничего не понял...

В установившемся режиме среднее напряжение на катушке равно нулю. Следовательно, <V_R>=(V1*t_on-V2*t_off)/T. <I_R>=<V_R>/R.
PS. <> - это среднее значение, V1 - напряжение, приложенное к катушке в первом интервале, V2 - во втором интервале.

[alexvu]

Магнитное поле пропорционально току в катушке, т.е. оно будет однонаправленным.
А вот напряжение пропорционально производной тока, т.е. оно будет, скажем, положительным при "заряде" индуктора от источника и отрицательным при "разряде" через диод.
(А лучше к диоду добавить синхронный полевик).
Но.
Ваш индуктор будет нехило излучать на куче гармоник, т.к. излучение тоже зависит от производной поля.
Так что лучше все же сделать источник тока с отдельным дросселем.

[_Vova]

магнитное поле определяется током, напряжение на соленоиде "показывает": поле(ток) растет или уменьшается, в Вашей ссылке из wiki ток показан
(аналогично на конденсаторе полярность напряжения может быть постоянной, а ток (заряд/разряд) менять направление)
и степдаун даст пульсации тока, которые Вам похоже не нужны

[Фрол Кузьмич]

и степдаун даст пульсации тока, которые Вам похоже не нужны

Да нужен конешно свой фильтр внутри источника тока, который и даст основное подавление пульсаций. Иначе ацкое внешнее ЭМ излучение, доп. нагрев индуктора из-за ВЧ эффектов, да и вообще просто неприлично.

Сообщение отредактировал Фрол Кузьмич - Sep 1 2017, 08:48

[iiv]

Магнитное поле пропорционально току в катушке, т.е. оно будет однонаправленным.

ага, именно это-то мне и надобно!

А вот напряжение пропорционально производной тока, т.е. оно будет, скажем, положительным при "заряде" индуктора от источника и отрицательным при "разряде" через диод.
(А лучше к диоду добавить синхронный полевик).

это понятно, что с полевиком, но на диоде принцип проще обсуждать

Но.
Ваш индуктор будет нехило излучать на куче гармоник, т.к. излучение тоже зависит от производной поля.
Так что лучше все же сделать источник тока с отдельным дросселем.

Ну это да, я это конечно понимаю, ни куда эти гармоники не денутся, скин эффект их всех съест. Планируемая частота переключений около 4КГц, а там, куда будет все излучаться, будет стоять такая нехилая железка, которая все это в тепло рассеет.

[wim]

Планируемая частота переключений около 4КГц

С катушкой 2 микрогенри? Тогда я не понимаю, что Вы называете "слабо пульсирующим" - 50% от среднего значения?

[iiv]

Да нужен конешно свой фильтр внутри источника тока, который и даст основное подавление пульсаций. Иначе ацкое внешнее ЭМ излучение, доп. нагрев индуктора из-за ВЧ эффектов, да и вообще просто неприлично.

ну нагреется воздух в индукторе, ну и пусть, у меня все равно резистивно 2.5 киловатта в катушке рассеивается и это погоды не сделает.

С катушкой 2 микрогенри? Тогда я не понимаю, что Вы называете "слабо пульсирующим" - 50% от среднего значения?

а вот тут у меня снова не понимание, посоветуйте, пожалуйста, как правильнее.

Вот пусть резистивное 0.01Ом, пусть 2мкГн, напряжение на входе 24В х 120А, а хочется все, что есть на входе в магнитное поле трансформировать. То идеально было бы иметь 530А и 5.3В. Правильно ли я понимаю, что максимум трансформации будет как раз на 50% заполнении и такой частоте, при которой реактивное сопротивление будет равно резистивному? Но тогда и поле будет скакать сильно... А как сделать, чтоб и рыбку съесть амперов побольше вогнать, и чтоб поле не скакало, скажите, пожалуйста? (ессно без внешнего степдауна, который не сильно хотелось бы колхозить).

PS: Правильно ли я понимаю, что последовательно поставленный индуктор на 20мкГн с практически нулевым резистивным должен решить мою проблемы.

PPS: так, на всякий случай, шины проводников в катушке у меня примерно 20квмм сечением, то есть сильно много снаружи чего-то поставить мне тоже не сильно просто.

PPPS: для блюстителей EMI хорошо экранированная (два слоя сетки) комната в полностью выкопанном в гранитной скале подвале для этих целей у меня имеется, я не сумасшедший просто так эфир засорять, иначе ко мне сразу приедут

[wim]

Правильно ли я понимаю, что максимум трансформации будет как раз на 50% заполнении

Нет.
Теоретически можно установить средний ток, регулируя коэффициент заполнения импульсов, примерно так:
I_DC=D*V1/R
Амплитуда пульсаций тока будет определяться частотой коммутации (исходя из того, какие пульсации Вы считаете малыми):
I_AC=0,5*D*V1/(L*T)

[ZVA]

А что за материал катушки? Что не медь - очевидно. Что за сплав? просто интересно.

[iiv]

А что за материал катушки? Что не медь - очевидно. Что за сплав? просто интересно.

почему же не медь, она самая. Лист 0.4мм шириной 5см, с силиконовым изолятором, внешним диаметром примерно 8см, то есть около 80 витков. Снаружи с боков и одного торца - водяное охлаждение.
Просто она греется, зараза, и из-за этого у нее сопротивление растет. У меди при комнатной температуре 17.5мОм на метр и квмм сечения, а при высокой температуре до 100мОм на метр и квмм сечения доходит. Из-за этого-то и все танцы с бубном.

[rudy_b]

iiv, для катушки с фиксированным магнитным полем пофиг сколько витков (с точностью до зазоров при их укладке), главное - сечение катушки по меди (площадь сечения обмотки). Ессно при той же общей геометрии обмотки.

Т.е. можно намотать 10 витков проводом с сечением 1, а можно 100 витков с сечением 0.1. Во втором случае ток катушки (при том же магнитном поле) будет в 10 раз меньше. При этом активное сопротивление обмотки будет в 100 раз больше, но выделяемая на нем мощность окажется той же - I^2*R.

Поэтому вы можете увеличить число витков так, чтобы напряжение на катушке (а оно определяется омиками обмотки) стало удобным - хоть 12В. Плюс при этом - снижения тока питания, увеличение индуктивности и снижение пульсаций магнитного поля - насколько я понимаю это важно для вас.

А для хорошего охлаждения и снижения дрейфа сопротивления можно намотать обмотку медной трубкой и пропустить через нее воду - при этом некоторое снижение эффективного сечения обмотки скомпенсируется улучшением эффективности ее охлаждения. Ну и для стабилизации температуры (средней) обмотки можно регулировать поток воды т.е. поддерживать среднюю температуру обмотки на нужном уровне.

[iiv]

iiv, для катушки с фиксированным магнитным полем пофиг сколько витков

при одной и той же температуре - вы правы, но я уже не один раз написал, что температура гуляет в больших пределах, из-за этого гуляет резистивное сопротивление. Так как основная функция этой катушки - создавать постоянное магнитное поле в диапазоне 0.1-1Т, а величина теплоотвода зависит от габаритов катушки, которые я не могу изменить - то есть впихиваемая мощность строго ограничена сверху 2500-3000Ваттами, то я должен менять входное напряжение, причем не заменой катушки, а именно на лету.

Кстати, по сопротивлению катушки (вернее по падению напряжения на ней) и контрольным сенсорам на поверхности катушки, решая задачу теплопроводности, я могу температуру по объему катушки измерять

Так как речь идет о 200-500А источнике питания мне реально вломы его разрабатывать так как такое чудо не реально купить по крайней мере быстро, поэтому и хочется убить двух зайцев, так как даже 1милиом где-то по глупости поставленный последовательно в этой конструкции при 500А начинает излучать 250Ватт тепла.

А для хорошего охлаждения и снижения дрейфа сопротивления можно намотать обмотку медной трубкой и пропустить через нее воду

ruby_b за время моего участия на этом форуме с 2011 думаю, вы много раз видели мои посты и надеюсь, что понимаете, что такое тривиальное решение, если бы его можно было бы сделать, я бы сразу применил и не занимал бы время читателей нашего форума, и свое бы время бы сэкономил бы

[ZVA]

почему же не медь, она самая. Лист 0.4мм шириной 5см, с силиконовым изолятором, внешним диаметром примерно 8см, то есть около 80 витков. Снаружи с боков и одного торца - водяное охлаждение.
Просто она греется, зараза, и из-за этого у нее сопротивление растет. У меди при комнатной температуре 17.5мОм на метр и квмм сечения, а при высокой температуре до 100мОм на метр и квмм сечения доходит. Из-за этого-то и все танцы с бубном.

Ну тогда, вьі где- то не договариваете не доизмеряете или просто фантазируете.
1. кусок прямого медного провода сечением 100мм2 длинной 2м уже имеет индуктивность > 2 uH, как у вашей катушки с длинной проводника 15метров получается 2uH????
2. температурный коєффициент меди 0,4%/градус. т.е при при увеличении температурьі катушки на 250град ее сопротивление увеличится на 100% т.е в 2 раза. какая ваша расчетная температура катушки если ее сопротивление изменяется в 5 раз, с учетом того что она охлаждается проточной водой ????
3. что за силикон с рабочей температурой больше 300 градусов ???

[iiv]

Ну тогда, вьі где- то не договариваете не доизмеряете или просто фантазируете.

1. внутренний диаметр катушки 3мм, длина 5см, 80 витков, по формулам получается 1мкГн, в реале немного больше 2мкГн.
2. При 900С у меди сопротивление как раз 0.12Ом.
3. Силикон - это обобщенное название тетраэтоксисилана, который был нанесен на поверхность меди и размазан тонким слоем. После начала затвердевания скручен в катушку. Катушка без водяного охлаждения в вакууме была выгнана на 700-800С. Хвосты органики улетели, остался оксид кремния, который на химическом жаргоне иногда тоже силиконом называют Вот собственно все.

Ах да, один торец во время работы греется до 800-900С, а с боков и с другого торца - водяное охлаждение. Ну и сама катушка рассеивая 3КВатта хорошо нагревается, поэтому тепло надо хорошо отводить. Благо у меди теплопроводность очень хорошая, и 3КВатта утащить можно. Больше - уже не получается.

Из-за того, что с одного торца так и так 800-900С, заниматься внутренним водяным охлаждением не реально, поэтому трубки внутри катушки не применил. Градиент температуры получается более-менее равномерный, поэтому ничего там не трескается и не ломается - это тоже важно. Да, понятно, что если прозевать с охлаждением, то сопротивление поднимается в 3 раза, а при хорошем стечении обстоятельств - разброс получается только в 2 раза, но лучше заложиться на 3-4 раза. У меня критично если я просто выключу установку, тогда все надо выбрасывать и начинать с начала.

Но разброс в 2 раза - это тоже достаточно много, чтобы задуматься о регулировании, так как то, что есть под рукой - нерегулируемый источник питания на 12 или на 24В.

Ограничения 3КВатта еще вызваны тем, что иначе часть меди может перегреться за 900С и начнет при температуре 1080 плавиться. Пока не хотелось бы заморачиваться с молебденовыми листами в нагретой зоне в параллель с медными в не нагретой из-за сложности конструктива - не забываем про силу Лоренца при этих токах и этом магнитном поле!

Как я понимаю, то, что я сейчас написал - офф-топ, давайте, пожалуйста, исходный вопрос обсуждать

[Plain]

Влезть в ОС существующего БП, работы максимум на час. Ещё можно водой регулировать.

[GetSmart]

Как я понимаю, то, что я сейчас написал - офф-топ, ...

Ни разу не офтоп. Как подключены контакты к такой катушке? Рисунок/фото будут очень кстати. Желательно с <контрольными сенсорами на поверхности катушки>.

...Так как основная функция этой катушки - создавать постоянное магнитное поле в диапазоне 0.1-1Т,...

Тут явное противоречие с остальным описанием желаний. Например "(постоянное) опорное напряжение" подразумевает отсутствие его пульсаций (чистоту).

Сообщение отредактировал GetSmart - Sep 5 2017, 06:29

[MikeSchir]

...Так как основная функция этой катушки - создавать постоянное магнитное поле в диапазоне 0.1-1Т...

Как я понял такая индукция создаётся внутри катушки. Так почему бы не поместить её (катушку) в "железный" корпус (индукция насыщения более 1 Тл и в тыщи раз меньшая напряжённость чем у воздуха) в форме трубы, тем самым уменьшить в несколько раз длину магнитной силовой линии и соответственно ток и мощность выделяемую в катушке, а за одно и внешние помехи. Конструкцию сердечника и его материал можно обсуждать отдельно.
Всё это когда-то проходилось при создании плазмотронов.

[iiv]

Ни разу не офтоп. Как подключены контакты к такой катушке?

у вас есть варианты как подключить 500А постоянного тока? У меня нет, и большинство тоже понимает, что это - что-то медное и толстое, чем толще, тем лучше.

Желательно с <контрольными сенсорами на поверхности катушки>.

а это зачем, я про теплоперенос тут вроде не спрашивал, какой смысл это показывать, поглазеть типа? Мне реально вломы это все из мокрого песка доставать и фотографировать, а потом сенсоры назад приклепывать и пасьянс из пяти примерно таких катушек снова собирать

Тут явное противоречие с остальным описанием желаний. Например "(постоянное) опорное напряжение" подразумевает отсутствие его пульсаций (чистоту).

можно нормально и адекватно понять что планируется. Нужно постоянное напряжение, с оценкой какие минимальные пульсации будут, если индуктор будет одновременно нагрузкой. В чем непонятность?

Я уже все понял, огромное спасибо советовавшим. Для любопытствующих детально рассказал что делается, наверное кому-то будет полезно и интересно.

[GetSmart]

у вас есть варианты как подключить 500А постоянного тока?

Что за вопросы. Вы писали, что сию катушку уже подключали и запитывали от какого-то питальника. Она УЖЕ нагревалась до 900С и давала магнитное поле. Как были подключены контакты? Опишите хотя бы словами или не морочьте людям голову. Вы описав конструктив обошли в описании принципиальные вещи.

Кроме того, вопрос в первом посте плохо согласуется с этим:

ruby_b за время моего участия на этом форуме с 2011 думаю, вы много раз видели мои посты и надеюсь, что понимаете, что такое тривиальное решение, если бы его можно было бы сделать, я бы сразу применил и не занимал бы время читателей нашего форума, и свое бы время бы сэкономил бы

а это зачем, я про теплоперенос тут вроде не спрашивал, какой смысл это показывать, поглазеть типа?

Не поглазеть. А правильно ответить на поставленные вопросы. Без всяких "я думал..."

Сообщение отредактировал GetSmart - Sep 5 2017, 10:05

[Corner]

Магнитное поле внутри такой катушки будет пульсирующим, однонаправленным и с постоянной составляющей, за исключением резонансных колебаний индуктора и паразитных емкостей. Величина пульсаций будет падать прямо пропорционально максимальной длительности из двух: либо когда ключ накачивает ток, либо когда катушка отдает энергию в диод и в нагрев себя.
Если нужно, чтобы магнитное поле было постоянным и без пульсаций, нужен фильтр, в котором неизбежно будут потери. Хорошая новость - в отличие от Вашей катушки, такой фильтр можно сделать большим, сократив потери или, как вариант, можно сделать многофазную схему, распределив нагрузку между несколькими источниками, каждый со своим индуктором.
Плохая новость-источник должен давать ток, а не напряжение.
Если не секрет, зачем такой вычурный источник магнитного поля?

Сообщение отредактировал Corner - Oct 13 2017, 19:28

[ffilin]

Corner ты делал многофазную схему?

[Corner]

Corner ты делал многофазную схему?

Да. Управление от MAX10. Требовался широкий функционал. При установке ПЛИС ставить готовый контроллер нет смысла.


Сообщение отредактировал Corner - Oct 15 2017, 17:23

[Herz]

Corner ты делал многофазную схему?

Коллега, на этом форуме принято уважительное обращение к собеседникам на "вы". Даже к знакомым. Кажется, я уже не раз обращал внимание.
Пожалуйста, придерживайтесь.