Elektromagnetischer Ringwerfer

Sajjad Haidar | 21. November 2016

In Naturwissenschaftsmuseen und Physikunterrichtsräumen gibt es eine sehr verbreitete Demonstration namens „Jumping Ring“ oder „Electromagnetic Ring Launcher“. Bei dem Experiment wird ein mehrere Zentimeter langer zylindrischer Eisenkern in eine große Magnetspule eingesetzt, durch den verlängerten Eisenkern verläuft ein Kupferring. Wenn der Magnet vom Wechselstromnetz gespeist wird, springt der Ring aus dem Kern.

Es gibt verschiedene Gründe dafür, dass das Experiment in Wissenschaft und Technik so beliebt und so bedeutsam ist. Erstens ist es interessant zu beobachten, wie ein Metallring herausspringt oder schwebt. Zweitens nutzt es das Faradaysche Induktionsgesetz, das Lenzsche Gesetz, die gegenseitige Induktivität und Kräfte aufgrund elektromagnetischer Induktion, um dem Ring das Schweben oder Springen zu ermöglichen. Das Hauptproblem bei dieser Art herkömmlicher Ringwerfer ist ihre sperrige Größe und ihr Gewicht, da sie eine große Anzahl dicker Kupferdrahtwindungen für die Magnetspule und einen schweren Eisenkern im Inneren erfordert. Da das Gerät außerdem mit Netzspannung (115 V oder 230 V, Wechselstrom) betrieben wird, ist der Betrieb nicht sicher. Berechnungen zeigen, dass der Start des Rings bei Frequenzen, die um ein Vielfaches höher sind als die des Wechselstromnetzes (50/60 Hz), um ein Vielfaches effizienter ist.

In diesem Projekt habe ich einen Rechteckwellengenerator mit einstellbarer Frequenz von 700 Hz bis 18 kHz unter Verwendung eines 555-Timer-ICs verwendet; dessen Ausgang einen Leistungs-MOSFET antreibt. Der MOSFET treibt eine kleine Spule mit ca. 50 – 60 Windungen an, die auf einem 10 cm langen Ferritzylinder anstelle eines Eisenkerns gewickelt ist. Ein Kupferring wird durch den verlängerten Teil des Ferritzylinders gelegt. Ein 16-Mikrofarad-Folienkondensator wird parallel zur Spule platziert, um eine Parallelresonanz zu erreichen. Bei Resonanz kann der durch die Spule fließende Strom um ein Vielfaches höher sein als der von der Stromquelle gelieferte Strom. Durch die Verwendung eines dicken Kupferdrahtes (AWG Nr. 14) zur Herstellung der Spule wird der Spulenwiderstand verringert, wodurch der Qualitätsfaktor (Q) der Spule hoch wird. Der hohe Q-Wert der Spule hält einen fast achtmal höheren Strom aufrecht, als das Netzteil liefern kann. Der hohe Primärstrom ist wichtig, um im Kupferring einen hohen Strom zu induzieren. Das Wechselwirkungsfeld lässt den Ring schweben. Der Schaltkreis benötigt nur 24 V Gleichstrom, um den Ring zu schweben, zu schweben und abzuschießen. Ein 10-Ohm-Widerstand wird in Reihe mit der 24-V-Stromversorgung verwendet. Da die Frequenz des Oszillators langsam erhöht wird, sinkt der Versorgungsstrom allmählich. Bei der Resonanzfrequenz erreicht der Versorgungsstrom ein Minimum (~1,2 A), und auch an diesem Punkt schwebt der Kupferring und schwebt in der Mitte des verlängerten Ferritstabs. Ein weiterer Schalter dient zum Kurzschließen des 10-Ohm-Widerstands, bei dessen Kurzschluss springt der Ring einige Zentimeter aus dem Stab heraus. Wenn nun der 10-Ohm-Widerstand kurzgeschlossen bleibt und die Stromversorgung eingeschaltet wird, springt der Ring mehrere zehn Zentimeter über den Stab. Dieses Video zeigt diese Effekte.

Die vollständige Bauanleitung und die Teileliste finden Sie weiter unten:

Die Rennbahn:

Die Schaltung besteht aus einem Rechteckoszillator, der durch einen 555-Timer-IC, einem Leistungs-MOSFET und einer MOSFET-Treiberschaltung implementiert wird (Abb. 1). Die Schaltung benötigt zwei Stromversorgungen: eine 15-V-, 0,8-A-Versorgung, um den Oszillator und den MOSFET-Treiber mit Strom zu versorgen, und eine 24-V-, 4-A-Versorgung, die die Spule mit Strom versorgt.

Um ein Tastverhältnis von nahezu 50 % zu erreichen, wird der Widerstand R1 mit 180 Ohm gewählt, was ein viel kleinerer Wert im Vergleich zu R2+R7 ist (mindestens ~4,7 k). Durch Variieren von R2 von 100 K auf 0 Ohm wird eine Rechteckwellenausgabe von 700 Hz bis 18 kHz erreicht. Dieser Rechteckwellenausgang an Pin 3 des 555-Timer-ICs sollte nicht direkt zum Ansteuern des MOSFET (Q3) für die Gate-Kapazität verwendet werden. Ein MOSFET-Treiber wird mit zwei Transistoren Q1 und Q2 implementiert. Um den anfänglich hohen Gate-Strom zu begrenzen, wird R5 verwendet. Zur Ansteuerung der Spulen-Kondensator-Kombination wird ein Hochleistungs- und Hochstrom-MOSFET (Q3) verwendet. Eine Diode mit schneller Wiederherstellung, D1, wird verwendet, um den LC-Schaltkreis während der Ausschaltzeit des MOSFET frei laufen zu lassen. Eine Induktivität von 5 Mikro-Henry (L1) wird verwendet, um den anfänglich hohen Strom zu begrenzen, wenn der MOSFET eingeschaltet ist. Dieser L1 kann leicht hergestellt werden, indem etwa 40 Windungen auf ein Stück Kunststoffrohr mit 1 cm Durchmesser gewickelt werden. Wenn der MOSFET eingeschaltet ist, wird Energie an den LC-Schaltkreis geliefert. Wenn der MOSFET ausgeschaltet ist, beginnt die im Kondensator C und in der Spule L gespeicherte Energie zwischen L und C zu fließen.

Wenn die Schaltfrequenz des MOSFET mit der Resonanzfrequenz des LC-Schaltkreises übereinstimmt, verbraucht der LC-Schaltkreis nur minimale Energie, um die Schwingung aufrechtzuerhalten. Obwohl in dieser Situation nur ein geringer Strom aus der Versorgung entnommen wird, fließt im LC-Kreis ein viel höherer Strom. Dieser hohe Strom erzeugt ein starkes Magnetfeld im Ferritkern. Der durch den Kern verlaufende Kupferring fungiert als Spule mit einer einzigen Windung und geringem Widerstand. Das magnetische Wechselfeld im Ferritkern induziert eine Spannung im Kupferring, wodurch auch durch den Ring ein hoher Strom fließt. Diese beiden wechselwirkenden Feldkräfte lassen den Ring aus dem Kern springen. Der MOSFET Q3 und die Diode D1 erwärmen sich nach einiger Zeit des Betriebs, insbesondere während der Abstimmung. Für diese beiden Geräte werden zwei kleine Kühlkörper benötigt. Das PCB-Layout der Schaltung ist in Abb. 2 dargestellt. Der 10-Ohm-Leistungswiderstand (R8) ist auf der Platine nicht dargestellt, da es sich um einen plattenmontierten Typ handelt. R8 sollte wie in Abb. 3 gezeigt am Aluminiumgehäuse angeschraubt werden.

Abb.2. PCB-Layout

Abb. 3. Schaltungsplatine im Gehäuse

Abb.4. Frontblende

Die Spule mit Ferritkern:

Um einen geeigneten Spulenhalter und eine Basis für den Ferritzylinder herzustellen, wurde unbeschichtetes FR4-Blech verwendet. Mehrere Teile wurden geschnitten und verschraubt, wie in Abb. 5 gezeigt. Am Oberteil wurde ein Loch für den Ferritzylinder angebracht. Da lange Ferritstäbe heutzutage nicht mehr üblich sind, wurden stattdessen zwei Ferritzylinder mit Loch im Inneren verwendet. Jeder Zylinder ist 5 cm lang und wird durch einen langen Nylon-Abstandshalter und Nylonschrauben verbunden. Nachdem die Spule hergestellt wurde, wurden ihre Induktivität und ihr Widerstand mit einem LCR-Messgerät gemessen. Zwei ca. 8 Mikro-Farad-Kondensatoren wurden parallel geschaltet, um ca. 16 Mikro-Farad zu erzeugen, und die Kombination wurde parallel zur Spule geschaltet. Nun lässt sich die Resonanzfrequenz nach der bekannten Formel berechnen:

Die Resonanzfrequenz kann auch mit einem Oszilloskop und einem Funktionsgenerator gemessen werden. Dieses Verfahren ist an vielen Stellen im Netz zu finden.

Detaillierte Spezifikationen finden Sie weiter unten.

Durchmesser (Spulenkörper): ~27 mm, Länge: 16 mm, Anzahl der Windungen, N: 50 ~ 60, Drahtstärke: # 14 AWG. Durch die Spule wurde ein Ferritzylinder mit einem Durchmesser von ca. 16 mm eingeführt (zwei zylindrische Ferritstäbe wurden mit Nylonschrauben und Abstandshaltern befestigt). Die gemessene Induktivität beträgt ~ 110 mH (~ 235 mH, mit Ferritkern im Inneren). Gemessener Widerstand ~ 0,1 W, bei C = 16 mF gemessene Resonanzfrequenz, fr ~ 2,6 kHz

Abb.5. Spule mit 16-Mikrofarad-Kondensator parallel. Durch den verlängerten Ferritzylinder ist ein Kupferring zu sehen.

Das gesamte System bestehend aus der Boxed-Circuit-Platine, den Netzteilen und der Spule; was in Abb.6 dargestellt ist.

Abb.6. Foto des kompletten Systems

Testprozedur:

Um die Voraussetzungen für einen optimalen Betrieb zu schaffen, sollte der Spulen-Kondensator-Schaltkreis auf Resonanz eingestellt werden. Ohne den Einsatz teurer Geräte können wir diesen Zustand leicht sicherstellen, indem wir dem Blockschaltbild in Abb. 7 folgen.

Abb.7. Auf Resonanz eingestellt

Vor dem Anschließen der 24V-Versorgung müssen wir sicherstellen, dass der 10-Ohm-Widerstands-Shunt-Schalter (S2) geöffnet ist. Wenn Sie nun die 24-V-Versorgung an ein mit dem Stromkreis in Reihe geschaltetes Amperemeter anschließen, wird das Potentiometer R2 langsam von hoch auf niedrig gedreht, wodurch die Frequenz von niedrig auf hoch wechselt. Wenn die Frequenz steigt, sinkt der Strom und wir können sehen, dass der Ring zu schweben beginnt. Bei Resonanz erreicht der Strom sein Minimum bei ~ 1,2 A. Bei Resonanz schwebt der Kupferring ~ 2 cm über der Spule. Wird nun der 10 Ohm Widerstand durch Schließen von S2 kurzgeschlossen, springt der Ring aus dem Ferritstab. Wenn der Schalter S2 geschlossen bleibt und der Netzschalter S1 von AUS auf EIN geschaltet wird, springt der Ring mehrere zehn Zentimeter über die Stange. Alle diese Tests werden im Video gezeigt. Die Schaltung kann sogar mit Spannungen über 24 V betrieben werden. Bei Betrieb mit 48 V ist ein noch viel höherer Sprung zu beobachten.

Die Wellenformen des Oszilloskops sind in Abb. 8 dargestellt, wenn die Spule in Resonanz ist.

Abb.8. Wellenformen am MOSFET-Gate, Drain, Spulen-High-Seite und über der Spule, wenn die Spule in Resonanz betrieben wird.

Liste der Einzelteile

Teil

Wert

Beschreibung

Alliierte Teilenummer

C1

0,01u

Keramikkondensator

70079249

C2

0,1 uF

Keramikkondensator

70095155

C3

0,1 uF

Keramikkondensator

70095155

C4

0,1 uF

Keramikkondensator

70095155

C5

0,1 uF

Keramikkondensator

70095155

C6

100uF

polarisierter Kondensator

70187892

C8

100uF

polarisierter Kondensator

70079479

D1

FFPF30UA60S

Schnelle Wiederherstellungsdiode

70078639

VS-15ETH06FPPBF

D2

18V

Zenerdiode

70061620

IC1

NE555N

Timer-IC

70550780

L1

5uH

Induktor

~ 40 Umdrehungen bei 1 cm Durchmesser. Kunststoffrohr

Q1

2N2222

NPN-Transistor

70725575

Q2

2N2906

PNP-Transistor

70348161

Q3

TK32E12N1

Leistungs-MOSFET

70017262 (entspricht IRFB61N15DPBF)

R1

180 Ohm

Widerstand,

70024696

R2

100.000

Potentiometer

70153741

R3

1 k

Widerstand

70648011

R4

4,7 Ohm

Widerstand

70023927

R5

10 Ohm

Widerstand

70183308

R6

20k

Widerstand

70183654

R7

4,7K

Widerstand

70650980

R8

10 Ohm, 25W

Leistungswiderstand

70201458

2-polige Klemme, 4 Stk

70086275

Kühlkörper – 2 Stk

70115166

PS1

15 V, 800 mA

Netzteil1

70231086

PS2

24V, 4,5A

Stromversorgung 2

70177388

S1

AN AUS

Schalten

70192043

S2

AN AUS

Schalten

70192043

L

~238 uH

Spule mit Ferritkern

C

8.2 uF + 8.2 uF

2 Kondensatoren parallel geschaltet

70260082

Polklemme (rot), 2 Stück

70210915

Polklemme (schwarz), 2 Stück

70198054

KASTEN

70148724

Ferritzylinder – 2 Stk

Fair-Rite #2643625202

Weitere für das Projekt benötigte Gegenstände sind Schrauben, Nylonschrauben und Anschlusskabel.

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