Выжмем невозможное из катушки!, Получение резких скачков тока. Опции

[Waso]

Здравствуйте!

Я должен сделать генератор для экспериментальной установки исследования импульсного магнитного поля. Необходимо как можно резче развивать и останавливать ток в катушке индуктивности. Поэтому ставить шунтирующий диод недопустимо, как и создавать другие возможные пути для отхода тока катушки. Сами катушки имеют индуктивность не больше десятка миллигенри. Величина напряжения, подаваемого на катушку не имеет значения. Важен ток - порядка десятка ампер. Также и частота возбуждения сравнительно низка: 100-30К герц, но важно получить резкие фронты (десятки-сотни наносек). Cм. рисунок: на графике зеленая линия - напряжение на конденсаторах, красная - ток через катушку. Осталось воплотить в жизнь ключ управляемый напряжением.

Насколько я понимаю транзисторы или тиристоры в качестве ключей использовать бесполезно - всеравно пробьет. Да и высоковольтные транзисторы обычно медленные. Пока остановился на лампах, но не имел с ними раньше дела и незнаю какой ток они могут пропустить. Возможно придется ставить в параллель несколько штук.

Срочно нужен совет! Спасибо.

Сообщение отредактировал Waso - Nov 20 2005, 17:26

[BWZ]

Никаких резких фронтов с помощью предохранителей получить невозможно. В лучшем случае единицы миллисекунд. Весь процесс от начала нагрева до сгорания и будет составлять спад импульса (сопротивление увеличивается).

[Stanislav]

2 Waso
Простите, но не могли бы Вы привести конкретные значения требуемой индукции магнитного поля и скорости его изменения? А также конструктивно необходимую геометрию катушки/трансформатора?

[Waso]

Stanislav Думаю, моглибы. Согласно теоретическим рассчетам для достижения требуемого эффекта необходимо в течении 100нс создать маг.поле с индукцией 1Тл (все приблизительно), а потом с такойже скоростью убрать. Немало, правда? Такое поле создает вокруг себя проводник с током 5000А(если его радиус 1 мм). Но это для элементарного отрезка проводника. С применением катушек все становится попроще. И вроде как можно создать катушку особой конструкции, в которой и высокая скорость и гигантские значения индукции будут обеспечены в некотором малом объёме внутри катушки, при менее жестком внешнем воздействии.

Насчет конструкции, как я уже говорил, будут проверяться различные варианты: циллиндрические, конические, тороидальные... С различными вариантами намотки: обычная, увеличенный шаг, бифилярка, "струной"... При этом вторичная обмотка, она-же контрольно-измерительная, также будет иметь различные варианты и располагаться в самых различных местах поотношению к первичке.

Например, будет исследоваться и самая обыкновенная циллиндрическая катушка. Единственное "ноу-хау" - вторичка внутри.
Что Вы,Stanislav, хотите предложить в таком случае?

[TsAN]

Извините, что опять вмешиваюсь.

самая обыкновенная циллиндрическая катушка. Единственное "ноу-хау" - вторичка внутри.

Так ведь это практически получается конструкция В/В трансформатора магдино (магнето) ЭМ-7. Первичка 51 виток, рабочий ток в импульсе м.б. до 120 А (типовое значение в процессе работы около 75 А). Правда, длительность этой полуволны несколько поболе, чем это Вам нужно: около 6 мкс при работе вторички на трехэлектродный разрядник с искровым зазором 7 мм, да и колебаний несколько, и размеры несколько бОлишие. Что если поиграть величиной конденсатора - ведь при этом длительность полуволны м.б. и удастся привести к требуемому значению?

Удачи!

[asdf]

Stanislav Думаю, моглибы. Согласно теоретическим рассчетам для достижения требуемого эффекта необходимо в течении 100нс создать маг.поле с индукцией 1Тл (все приблизительно), а потом с такойже скоростью убрать. Немало, правда? Такое поле создает вокруг себя проводник с током 5000А(если его радиус 1 мм). Но это для элементарного отрезка проводника. С применением катушек все становится попроще. И вроде как можно создать катушку особой конструкции, в которой и высокая скорость и гигантские значения индукции будут обеспечены в некотором малом объёме внутри катушки, при менее жестком внешнем воздействии.

Насчет конструкции, как я уже говорил, будут проверяться различные варианты: циллиндрические, конические, тороидальные... С различными вариантами намотки: обычная, увеличенный шаг, бифилярка, "струной"... При этом вторичная обмотка, она-же контрольно-измерительная, также будет иметь различные варианты и располагаться в самых различных местах поотношению к первичке.

Например, будет исследоваться и самая обыкновенная циллиндрическая катушка. Единственное "ноу-хау" - вторичка внутри.
Что Вы,Stanislav, хотите предложить в таком случае?

Господа, я восхищаюсь Вами - Вы великие оптимисты!
Существует такое понятие как общефизические соображения.
У был свидетелем нескольких случаев когда их использование могло предотвратить потери исчисляемые единичкой с кучей нулей, но дело было в конце 80-х в стране А..., а мы были, как-бы помягче сказать, конкуренты, то - наверное далее все понятно.
Давайте рассмотрим данный эксперимент.
Энергия магнитного поля E=B^2*V/m0=L*I^2/2;
Где B - индукция магнитного поля внутри объема V;
V =S*d - объем равный произведению некой площади S на некую длину d;
L - индуктивность этого объма V;
I - ток вокруг объема V;
чтобы двигаться дальше нужны некоторые допущения.
Эксперимент проводим в воздухе m=1.
Исходя из длительности импульса 100наносек. (длина волны 30м) получаем максимальную длину намотки 15м.
Принимаем S=10кв. см, а d=1см (объем меньше спичечного коробка), тогда максимальное количество витков в обмотке n=150.
Исходя из формулы для намагничивающей силы n*I=B*d/m0, для B=1 Тл получаем намагничивающий ток I=55А.
Далее из L*I=B*S*n получаем L=3000мкГн.
Скорость нарастания тока dI/dt=5.5*10^8 А/сек. а требуемое напряжение чтобы обеспечить этот процесс U=L*dI/dt=1500000 В.
Напряженность электрического поля внутри объема на радиусе витка будет достигать E=dФ/dt=10000 В. Те нужна соответствующая изоляция.
И это все для идеальной установки.
Добавим теперь реальную обмотку со скин эффектом (будет очень не слабый).
Средних ампер 5 на кв мм при бифиляре с D=0.05 мм (при локальных 100А/кв.мм.) дают
сечение витка 11 кв.мм и площадь обмотки 16 кв.см. и ее объем не менее Vo=200 куб.см.
Мощность тепловых потерь в реальной обмотке W=Ro*J^2*Vo=1000 Вт - что вобщем-то терпимо.
Теперь когда в первом приближении получено представление об катушке, нужно все пересчитать с учетов ее новых параметров.
Нужно учесть что скин-эфффект оценен из справочника Стеля (среднепотолочно ) исходя из статического представления.

Ну пока хватит, наверное, утомил всех читающих.
Утром попробую все пересчитать, может где ошибся?

[bav]

По-поводу ключа. Попробуй параллельно ему включить последовательную RC-цепочку. Варьируя параметры можно добиться требуемого напряжения на ключе. Правда, подрежутся фронты.
Другой вариант, как было сказано ранее, - тиратроны. Они обеспечат длительности импульсов единицы нс, мощности МВт. Схемы подключения, поджига - ищите в литературе по импульсным устройствам, годов 80х. Извеняюсь, не помню названий. Есть в справочнике по электронике, автор - не помню. Найду, напишу.

[Waso]

TsAN видите-ли, для данного эксперимента принципиально возбуждение катушки однополярными импульсами. Конечно, казалось-бы проще настроить колебательный контур на частоту, хоть ГГц. Но как срезать отрицательную полуволну в катушке? Диод - тогда никаких вам колебаний.

asdf ну вот видите - всего полтора мегавольта нужно! Да, от полупроводниковых приборов в качестве ключа мы уже отказались. Скорее всего будем использовать разрядник с магнитным прерыванием дуги. Мы фактически идем по стопам Теслы. И другого пути просто нет. Да, мы оптимисты, но в хорошем смысле! И я уже об этом говорил. Есть исторические прецеденты...

bav Насчет RC - колебания возникнуть ить. Насчет тиратронов спасибо.

[yornik]

3мГн при токе 55А - это 4.54 Дж, которые должны исчезнуть из катушки за 0.1мкс, т.е. средняя мощность "перекачки" энергии из поля в тепло д.б. 45МВт... Или эти МВт все же не в тепло должны уйти? В любом случае, без мегавольт не обойтись %)

[asdf]

asdf ну вот видите - всего полтора мегавольта нужно! Да, от полупроводниковых приборов в качестве ключа мы уже отказались. Скорее всего будем использовать разрядник с магнитным прерыванием дуги. Мы фактически идем по стопам Теслы. И другого пути просто нет. Да, мы оптимисты, но в хорошем смысле! И я уже об этом говорил. Есть исторические прецеденты...

[khach]

asdfСуществует такое понятие как общефизические соображения

Еще существует раздел науки- экспериментальная физика. Иногда полезно почитать, и не городить чушь с мегавольтами.
Получение экстремальных импульсных манитных полей- давно распаханное поле. Да, громкое, и со взрывами, но работает. Катушка используеться или однослойная спиральная из ленты ( несколько тесла максимум) или одновитковая разрушаемая - тогда достижимо поле в десятки тесла. Выше- только с трансформатором тока с обжатием взрывом. Рекорд, имхо 340 Т в Арзамасе16 на макете иплозера от ЯБЧ.
Для одновитковой катушки нужен неслабый конденсаторный накопитель энергии. Вот пример такой машины http://www.fz-rossendorf.de/pls/rois/Cms?pNid=941
Только форма импульса тока ( и поля) непрямоугольная.

Waso
Скорее всего будем использовать разрядник с магнитным прерыванием дуги

Правильной дорогой идете, товарищи (с). Только не забывайте о распылении электродов при таком токе- как только "лохматость повысится" он начнет пробиваться когда ненадо. Лучше его в азот сухой при 2-3 атмосферах, а поджигать через дырку в электроде. А гасильную катушку тоже импульсно питать- тиратроном.
@модератор
А может стоит сделать отдельный подфорум "экстремальная электроника"- субнаносекунды, мегаватты, плазма, лазера, метрология физического эксперимента? Такой электронный филиал ПТЭ?

[asdf]

asdfСуществует такое понятие как общефизические соображения

Еще существует раздел науки- экспериментальная физика. Иногда полезно почитать, и не городить чушь с мегавольтами.
Получение экстремальных импульсных манитных полей- давно распаханное поле. Да, громкое, и со взрывами, но работает. Катушка используеться или однослойная спиральная из ленты ( несколько тесла максимум) или одновитковая разрушаемая - тогда достижимо поле в десятки тесла. Выше- только с трансформатором тока с обжатием взрывом. Рекорд, имхо 340 Т в Арзамасе16 на макете иплозера от ЯБЧ.
Для одновитковой катушки нужен неслабый конденсаторный накопитель энергии. Вот пример такой машины http://www.fz-rossendorf.de/pls/rois/Cms?pNid=941
Только форма импульса тока ( и поля) непрямоугольная.

Читайте, пожалуйста, условия вопроса, прежде чем отвечать.
Вопрос не в величине поля,а в его эстремальной скорости нарастания. Те устройства о которых вы говорите дают милисекунды, в лучшем случае сотни микросекунд. Автор просит сотни наносекунд. Чудес не бывает.
Хотя сменять одно на другое иногда удается.
Если говорить конструктивно, то ответ khach можно интерпретировать следующим образом:
сделать одновитковую катушку и приложить к ней напряжение 10кВ, при этом ток будет 8250 А.
Результат будет тот-же.
Материалы предложенные khach безусловно интересны, но там исследуются поля со скорость нарастания в лучшем случае 10 килотесла в сек, Waso нужно получить 10 мегатесла в секунду.
Вот в этом и заключена проблема.

Сообщение отредактировал Alexandr - Nov 24 2005, 07:55

[Waso]

khach спасибо за поддержку и за советы!

Кстати, не имел раньше дела с разрядниками. Так понимаю что "повышенная лохматость" снижает пробивное напряжение. Вопрос - а намного?

asdf я уже об этом говорил, но видно не помогает. Попробую объяснить по другому. Да, по расчетам получаются огромные цифры. НО видите-ли, РАСЧЕТЫ выполненные по формулам из учебников иногда НЕ СОГЛАСУЮТСЯ С ПРАКТИКОЙ. В таких случаях для практических расчетов вводят различные коэффициенты, которые оказываются действительными лишь в ограниченной области.

Вообще цифры (на примере Ваших расчетов) - это такая удивительная вещь, которая только на бумаге кажется недостижимой, но на практике оказывается что в силу различных причин все гораздо проще или сложнее. В нашем случае есть примеры, что проще. Тоесть вполне возможно что нам не придется добиваться таких экстремальных величин для получения нужного эффекта. Если не получится - что-ж, отрицательный результат - тоже результат, на то оно и исследование. А вообще мне жаль что тут такой цирк вокруг этого развели. Зря всетаки раскрыл цифры.

Всего Доброго.

Сообщение отредактировал Waso - Nov 23 2005, 19:14

[asdf]

asdf я уже об этом говорил, но видно не помогает. Попробую объяснить по другому. Да, по расчетам получаются огромные цифры. НО видите-ли, РАСЧЕТЫ выполненные по формулам из учебников иногда НЕ СОГЛАСУЮТСЯ С ПРАКТИКОЙ. В таких случаях для практических расчетов вводят различные коэффициенты, которые оказываются действительными лишь в ограниченной области.

Вообще цифры (на примере Ваших расчетов) - это такая удивительная вещь, которая только на бумаге кажется недостижимой, но на практике оказывается что в силу различных причин все гораздо проще или сложнее. В нашем случае есть примеры, что проще. Тоесть вполне возможно что нам не придется добиваться таких экстремальных величин для получения нужного эффекта. Если не получится - что-ж, отрицательный результат - тоже результат, на то оно и исследование. А вообще мне жаль что тут такой цирк вокруг этого развели. Зря всетаки раскрыл цифры.

Мне тоже жаль, что Вы приняли меня за безнадежного идиота, а желание показать Вам, что в этой работе цель можно достигнуть не лихой атакой, а грамотным обходным маневром, за тупость.

По поводу расчетов и практики. Как раз практика и показывает, что нестыковки чаще всего происходят из-за неправильной или некорректной постановки задачи.

По поводу формул которые я приводил. Зря Вы так пренебрежительно к ним относитесь - это основа хлеба, который зарабатывают разработчики силовой электроники. И насколько я знаю - они никого еще не подводили.

По поводу достижимой и недостижимой цели. В некотором смысле, несколько лет назад я попал в Вашу ситуацию. Я 12 лет проводил подготовку одного эксперимента, правда не в Вашей области, но когда подготовка была закончена и я начал уже делать рабочие чертежи установки, я нашел аналитическое решение своей задачи. Но, в принципе, сейчас я не жалею ни о том ни о другом.

И тоже зря я ввязался в эту дискуссию, просто повеяло родным и близким к тому чем я занимался в прошлой жизни.

Всяческих Вам успехов.

[Waso]

asdf

Мне тоже жаль, что Вы приняли меня за безнадежного идиота, а желание показать Вам, что в этой работе цель можно достигнуть не лихой атакой, а грамотным обходным маневром, за тупость.

Неправда. И в мыслях небыло! Сами на себя наговариваете.
И в последних Ваших постах я чтото не заметил намеков на грамотный маневр, а только насмешки, основанные на упрощенных формулах для частного случая, несоответствующего действительности. Нафик так делать?!

[yornik]

Так а какой случай соответствует действительности? Вы сами в самом начале писали про катушку до 10мГн, токи десятки ампер, время - 10-100нс.

Может, требования к градиенту поля во времени можно снизить, если использовать пространственный градиент и - вместе с выключением тока - быстро двигать образец того, на что действует поле? Но участок, попавший под нужное воздействие, надо будет с микроскопом искать.

Или разложить требуемый график поля по Фурье и сделать соосные катушки на несколько гармоник? Но катушка на миллигенри с частотой резонанса 10/30/50/МГц - видимо, невозможно...

Имхо, надо уменьшать все в размерах - т.е. 1 виток кажется гораздо более реальным, нежели 10мГн (в формулах, приведенных asdf, энергия пропорциональна объему, в котором создается поле). Может, Вам просто нужно каким-нить "хорошо разогнанным"протоном по другому протону стукнуть, чтобы аж отскочило? %)