Резонансный метод в испытаниях на восприимчивость к высокочастотному магнитному полю

Рис. 1. Катушка Гельмгольца

Для получения однородного магнитного поля используют катушки Гельмгольца (рис. 1) — две одинаковые и расположенные на одной оси радиальные катушки, расстояние между центрами которых равно их среднему радиусу. В центре такой системы колец образуется зона однородного магнитного поля.

Как известно, плотность магнитного потока, или магнитная индукция, пропорциональна электрическому току:

где B, [Тл] — магнитная индукция; µ₀, Н×А^–2 — магнитная постоянная; n — количество витков; I, [А] — сила электрического тока; r — радиус катушки.

Следовательно, для генерации мощного магнитного поля необходим большой ток. Однако на высоких частотах импеданс катушки становится высоким, как известно:

где X_L — реактивное сопротивление катушки; f, [Гц] — частота; L, [Гн] — индуктивность катушки.

Если рабочая частота катушки Гельмгольца близка к частоте собственного резонанса, в эквивалентную схему (рис. 2) включаются паразитные емкости (рис. 3). Они подключаются параллельно индуктивности и собственному активному сопротивлению катушки.

Рис. 2. Эквивалентная схема катушки Гельмгольца

Частоту собственного резонанса определяют паразитная емкость и индуктивность катушки. Однако при проведении испытаний желательно использовать рабочую частоту значительно меньшего значения. В этом случае можно пренебречь влиянием паразитных емкостей и пойти другим путем.

Рис. 3. Эквивалентная схема высокочастотной катушки Гельмгольца

Метод прямого управления

Если испытания проводятся на постоянном токе, на низких частотах, или если катушки Гельмгольца имеют малую индуктивность, а паразитными емкостями C₁ и C₂ можно пренебречь, то в таком случае ток можно подавать непосредственно на контакты катушки. Источником может являться генератор, используемый совместно с внешним усилителем мощности или отдельно от него. В испытательной лаборатории ЭМС АО «ТЕСТПРИБОР» в зависимости от назначения испытаний используются комплексы имитации кондуктивных помех (КИКП‑1) или комплекс имитации бортовой сети (КИБС‑7).

На рис. 4 представлены типичные схемы их подключения к катушке Гельмгольца в режиме прямого управления. При испытаниях на частотах до 1,5 кГц применяется комплекс КИБС‑7. На частотах выше 1,5 кГц используется оборудование из состава КИКП‑1. При этом параметры катушки выбираются исходя из требований к частоте и величине плотности магнитного потока.

Рис. 4. Прямое управление катушками Гельмгольца с помощью комплексов КИКП 1 и КИБС 7

Напряжение U на контактах катушки при протекании через нее тока силой I можно представить следующим выражением [2]:

где I — пиковый ток; f — частота возбуждения; L₁, L₂ — индуктивности колец катушки Гельмгольца; R₁, R₂ — собственное сопротивление колец катушки Гельмгольца.

Тогда, с учетом (1), можно вычислить напряжение на контактах катушки Гельмгольца, необходимое для создания поля с магнитной индукцией B:

Метод последовательного резонанса

Импеданс катушки Гельмгольца возрастает пропорционально частоте. На высоких частотах возрастает реактивное сопротивление катушки. Так, например, для катушки с индуктивностью 45 мГн на частоте 10 кГц ее полное сопротивление будет равно 2827 Ом. Соответственно, при напряжении на контактах катушки 100 В по ней будет протекать ток в 35 мА. А чтобы получить ток в 2 А, необходимо подать напряжение 5,7 кВ, что неприемлемо с практической точки зрения.

Для решения данной проблемы с током в цепи катушки Гельмгольца можно использовать явление последовательного резонанса [1, 3]. Схема электрического подключения катушки представлена на рис. 5. Известно, что при последовательном резонансе полное сопротивление последовательного колебательного контура минимально и равно активному сопротивлению, так как реактивные сопротивления конденсатора и индуктивности имеют одинаковую величину, но противоположны по знаку.

Рис. 5. Схема подключения катушки Гельмгольца в режиме последовательного резонанса

Величина емкости конденсатора вычисляется выражением:

где f_рез — частота резонанса, C — емкость компенсирующего конденсатора.

На частоте резонанса полное сопротивление катушки Гельмгольца равно ее активному сопротивлению R₁+R₂. Например, для катушки с активным сопротивлением, равным 3,3 Ом, чтобы создать в ней ток в 40 А, необходим генератор с выходным напряжением всего 132 В.

Основным недостатком резонансного метода является необходимость перестройки компенсирующего конденсатора при изменении резонансной частоты. Кроме того, при конструировании катушки и выборе конденсатора необходимо учитывать высокие напряжения, возникающие на их контактах, которые могут достигать единиц и даже десятков тысяч вольт. Поэтому необходимо применять меры по защите от электрического пробоя оборудования и требования в части обеспечения безопасности персонала.

Метод резонансного усиления тока

При испытаниях на восприимчивость к магнитному полю может не хватать мощности источника тока (генератора или усилителя). Однако существует способ увеличения тока в катушке Гельмгольца в два раза без замены источника тока. Этот метод называется методом резонансного усиления тока [1, 4]. На рис. 6 представлена схема подключения оборудования в указанном режиме.

Рис. 6. Схема генерации магнитного поля в режиме резонансного усиления тока

Емкости конденсаторов принимаются равными и вычисляются по формуле:

На резонансной частоте f_рез импеданс катушек Гельмгольца имеет чисто активный характер и в четыре раза превышает сопротивление катушки в режиме последовательного резонанса [4]. Так, например, для катушки с активным сопротивлением, равным 3,3 Ом, чтобы создать в ней ток в 40 А, необходимо использовать генератор с выходным напряжением 264 В и током 20 А. Так же, как и в методе последовательного резонанса, здесь необходимо учитывать, что катушки, которые должны использоваться именно в схеме резонансного усиления тока, необходимо конструировать так, чтобы их сопротивление было, по возможности, минимальным. Кроме того, следует помнить и о том, что не только по причине наличия индуктивности, а также и из-за скин-эффекта сопротивление катушек переменному току больше, чем по постоянному.

Заключение

Рассмотрены три способа подключения катушки Гельмгольца для получения высокочастотных магнитных полей. Показано, что основным недостатком метода прямого подключения на высоких частотах является необходимость иметь высоковольтный источник переменного тока, что с практической точки зрения не всегда возможно. Метод последовательного резонанса имеет преимущество в активном характере сопротивления катушки на частоте резонанса, а величина сопротивления определяется только параметрами провода катушки. При этом способе не требуется высоковольтного источника переменного тока. Преимущество метода резонансного усиления тока (в сравнении с методом последовательного резонанса) заключается в увеличении в два раза тока (и магнитной индукции поля), протекающего через катушку Гельмгольца при одинаковом токе источника. Недостатком является большее полное сопротивление катушки, а значит, и необходимость источника с более высоким выходным напряжением. Преимуществом резонансных методов является возможность получения высокочастотных магнитных полей большой плотности магнитного потока, а также работа аппаратуры на чисто активное сопротивление. Недостатком является необходимость перестройки резонансного контура на требуемую для проверки аппаратуры резонансную частоту.