Generación de campo magnético a 50cm con BJT

[Rsensando]

Buen Día a todos, tengo un par de dudas sobre un proyecto que quiero hacer. Primero les platico como está y luego las dudas.

He realizado una espira triple (3 cuadrados continuos de 50cm por 50cm) con hilo de cobre calibre 18 para que me genere un campo magnético a una altura de 50 cm, alimentado con una señal senoidal de 100KHz, con un generador de función la señal la paso a un Opam TL084 (modo inversor), pero la corriente que me pude dar según yo con las diferentes resistencias es 30mA, así que lo intente con un transistor 2N2222, pero se calienta cuando le demando una corriente de 100mA, lo cambie por un 2SC5200 configurado como divisor, pero el detalle que veo con el osciloscopio es que la señal hace un corrimiento como de offset, no se si así se le llama pero es que tengo que mover la escala en el osciloscopio al canal con el que estoy monitoreando la salida a 10 v, pero como la señal es menor en amplitud ya no me detecta la frecuencia.
Primer pregunta ¿Cómo puedo reducir ese offset si es que así se llama para no cambiar la escala y pueda detectar la frecuencia el osciloscopio?
Segunda, de acuerdo a los voltajes que marca el osciloscopio (medición entre espira y resistencia de carga) y empleando la ley de ohm (de la salida del transistor conecto la espira y después una resistencia de carga conectada a tierra) circula una corriente de 500mA. pero el campo magnético no sube, me da la medición como si circulara una corriente de 25mA. ¿Existe un método para determinar en que punto de acuerdo a la impedancia de la espira ya no se genera el campo magnético?

Anexo un archivo con las configuraciones que les comento y la imagen del osciloscopio. De antemano les agradezco la atención a la lectura de este post

 

[capitanp]

 

[Eduardo]

...
He realizado una espira triple (3 cuadrados continuos de 50cm por 50cm) con hilo de cobre calibre 18 para que me genere un campo magnético a una altura de 50 cm, alimentado con una señal senoidal de 100KHz,

De acuerdo a la calculadora: Rectangular Coil Inductance Calculator una bobina de esas dimensiones tiene aprox 21uH , no 1mH como ponés en el pdf.
Por lo tanto la impedancia a 100kHz es ~12ohms. Bastante baja para la excitación y alimentación de +-18V que estás usando.
Para 1mH debería tener unas 27vueltas.

con un generador de función la señal la paso a un Opam TL084 (modo inversor), pero la corriente que me pude dar según yo con las diferentes resistencias es 30mA,

Es el operacional el que manda, demasiado que le sacaste 30mA con +-18V de alimentación sin quemarlo.

así que lo intente con un transistor 2N2222, pero se calienta cuando le demando una corriente de 100mA, ...

El circuito que usaste en el PDF es cualquier cosa; la polarización del transistor, la falta de desacoplamiento en CC con el generador (bah, un C en serie) y la conexión de la carga (vuela Rc y en su lugar va Rl)
Corregido eso, tener en cuenta que la impedancia de carga son 12ohms.

Primer pregunta ¿Cómo puedo reducir ese offset si es que así se llama para no cambiar la escala y pueda detectar la frecuencia el osciloscopio?

Ponés una punta en la salida del generador (señal limpia) y la usás para trigger y medición de frecuencia.

Segunda, .... ¿Existe un método para determinar en que punto de acuerdo a la impedancia de la espira ya no se genera el campo magnético?

Eso implicaría una flagrante violación a las leyes del electromagnetismo.

 

[Rsensando]

Gracias @capitanp esta muy bueno el video, el detalle es que lo explican con el campo eléctrico, ya que no mencionan que la impedancia del cable es tal que el campo magnético no aumentase conserva al rededor de la antena o alambre y lo que aumenta o viaja es el campo eléctrico, es decir el rotacional del campo magnético es igual a la densidad de corriente mas una intensidad eléctrica, La ley de circuitos de Ampere o mejor conocida como la cuarta ecuación de Maxwell.
Gracias.

Mensaje automáticamente combinado: Nov 1, 2020

Que tal @Eduardo, antes que nada gracias por tomarte el tiempo de responder, la verdad la inductancia que coloque en el diagrama solo es representativa (si olvide decir eso), ya que su valor es de 363.1 uH en el primer cuadro tiene quince vueltas y en el ultimo diez, el que se forma a la mitad solo es por la unión de las dos espiras.

Respecto al Opam fueron 3 en serie y realmente fue de 24.5mA. No conecte el cuarto porque estaba quemado, aparte cada que conectaba un Opam tenia que reducir la ganancia para que no se saturara la señal a la salida.

Respecto al 2n2222 si se calientan, ya que me un par, pero quite el capacitor (10uF) de la entrada porque metía ruido a mi señal, porque no se. por eso también cambie el 2SC5200, tiene características similares de operación pero baja ganancia, pero funciona las resistencia de colector y emisor son de 5W y la impedancia de la espira es de 54 Ohms sumada a una resistencia de carga que vario de 3 a 47 Ohms para ver como se comporta la señal.
Respecto a la punta en la salida del generador no entiendo como es que la use como trigger, ocupo dos puntas, una así como mencionas en la entrada y la otra entre la resistencia de carga y la espira, algunas veces pongo un capacitor (10uF) para acoplar la espira al transistor pero atenúa la corriente.

Respecto a la última pregunta, me explique mal, no es que no se genere si no que ya no aumente y lo que se propague sea el campo eléctrico.

Realice un programa en Matlab para ver precisamente como se comporta el campo magnético empleando la Ley de Biot-Savart, la teoría dice que si aumentas la corriente, aumenta tu campo magnético linealmente, el detalle es la impedancia del alambre por la espira y la frecuencia a la que quiero trabajar que también aumenta la impedancia.

Nuevamente muchas gracias.

 

[Eduardo]

Hola!

...Respecto al Opam fueron 3 en serie y realmente fue de 24.5mA. No conecte el cuarto porque estaba quemado, aparte cada que conectaba un Opam tenia que reducir la ganancia para que no se saturara la señal a la salida.

¿Para que 3 en serie?

Respecto al 2n2222 si se calientan, ya que me un par, pero quite el capacitor (10uF) de la entrada porque metía ruido a mi señal, porque no se. por eso también cambie el 2SC5200, tiene características similares de operación pero baja ganancia, pero funciona las resistencia de colector y emisor son de 5W y la impedancia de la espira es de 54 Ohms sumada a una resistencia de carga que vario de 3 a 47 Ohms para ver como se comporta la señal.

Vamos por partes:
- ¿Que es lo que querés hacer?
- ¿Que corriente querés que maneje el transistor?

Respecto a la punta en la salida del generador no entiendo como es que la use como trigger, ocupo dos puntas, una así como mencionas en la entrada y la otra entre la resistencia de carga y la espira, algunas veces pongo un capacitor (10uF) para acoplar la espira al transistor pero atenúa la corriente.

En la foto del oscilograma el disparo no se vé limpio --> Si podés corregirlo bien, pero si no, tomalo a la salida del generador y con el otro canal ves la salida.

Respecto a la última pregunta, me explique mal, no es que no se genere si no que ya no aumente y lo que se propague sea el campo eléctrico.

La variación del campo eléctrico/magnético lleva asociada un campo magnético/eléctrico (Ver las ecuaciones de Maxwell)
Por algo no se habla de ondas eléctricas o magnéticas sino de ondas electromagnéticas.

Realice un programa en Matlab para ver precisamente como se comporta el campo magnético empleando la Ley de Biot-Savart, la teoría dice que si aumentas la corriente, aumenta tu campo magnético linealmente, el detalle es la impedancia del alambre por la espira y la frecuencia a la que quiero trabajar que también aumenta la impedancia.

No veo problema, cuando dimensionás la bobina lo hacés teniendo en cuenta su impedancia a la frecuencia de trabajo.

 

[Rsensando]

Buen día @Eduardo me parece bien ir por partes. Lo que yo quiero es tener una señal como al de la imagen adjunta, es mi espira doble generando un campo magnético que pueda ser detectable a una altura de medio metro sobre la espira, como en una espira son mas vueltas, es mayor el campo magnético que en la otra espira (línea azul 10 vueltas, roja 15 vueltas), esa simulación es con la ley de Biot-Savart 300mA circulando en la espira generaría un campo magnético de 1uT a 50 cm sobre ella, en el centro y a lo largo(las lecturas las tomo cada 5cm, tanto en la simulación como en el experimento).

Los circuitos con transistores que he implementado según la matemática y los voltajes del osciloscopio he obtenido la corriente más de un amper, pero al conectar la espira el campo magnético obtenido es menor, siguiendo el ejemplo anterior a una altura de 7.5cm con los mismos datos de corriente y número de vueltas el campo tendría 12uT como se observa en la segunda imagen.

Las imágenes son resultado de el programa, donde no toma en cuenta la frecuencia de la señal, ni la impedancia de la espira.

Por eso es que reduje el número de vueltas para disminuir la impedancia, pero aún así no corresponde la corriente que circula por la espira con el campo magnético generado, la pregunta es ¿Por qué no existe esa correspondencia?

Un profesor me dijo que lo primero que hiciera es que la señal no tuviera ese offset a la salida y es con lo que estoy batallando.

Nuevamente gracias por la atención y las respuestas.

 

[capitanp]

Eso tiene pinta de onda estacionaria reflejada (ROE)

 

[Rsensando]

Hola @capitanp es que solo es una línea de muestreo al centro de la espira en realidad el campo se vería como las imágenes adjuntas.

Saludos.

 

[Eduardo]

Buen día @Eduardo me parece bien ir por partes. Lo que yo quiero es tener una señal como al de la imagen adjunta, es mi espira doble generando un campo magnético que pueda ser detectable a una altura de medio metro sobre la espira, como en una espira son mas vueltas, es mayor el campo magnético que en la otra espira (línea azul 10 vueltas, roja 15 vueltas), esa simulación es con la ley de Biot-Savart 300mA circulando en la espira generaría un campo magnético de 1uT a 50 cm sobre ella, en el centro y a lo largo(las lecturas las tomo cada 5cm, tanto en la simulación como en el experimento).

Sigo sin entender. No describas lo que tenés sino el objetivo de todo esto.

Los circuitos con transistores que he implementado según la matemática y los voltajes del osciloscopio he obtenido la corriente más de un amper, pero al conectar la espira el campo magnético obtenido es menor, siguiendo el ejemplo anterior a una altura de 7.5cm con los mismos datos de corriente y número de vueltas el campo tendría 12uT como se observa en la segunda imagen.

¿Pero con qué estás midiendo el campo?
¿Estás teniendo en cuenta que su dirección varía?

Las imágenes son resultado de el programa, donde no toma en cuenta la frecuencia de la señal, ni la impedancia de la espira.

Por eso es que reduje el número de vueltas para disminuir la impedancia, pero aún así no corresponde la corriente que circula por la espira con el campo magnético generado, la pregunta es ¿Por qué no existe esa correspondencia?

Puede ser porque no tenés en cuenta la dirección del campo, porque al introducir el elemento desconocido que usás para medir te lo distorsiona o porque haya errores en el cálculo.
Además, si hacés un cálculo en continua no entiendo por qué la verificación la hacés en alterna.

Un profesor me dijo que lo primero que hiciera es que la señal no tuviera ese offset a la salida y es con lo que estoy batallando.

Si querés que el campo no tenga componente continua tenes que excitar la bobina con un puente H o meterle en serie un condensador.
Con un condensador vas a tener que sintonizar la carga, a 100kHz olvidate de un condensador variable; vas a tener que usar un condensador de valor cercano y variar la frecuencia.

 

[Rsensando]

Buen día @Eduardo, el primer objetivo, es tener un campo magnético a una altura de 50 cm para que al paso de un vehículo lo deforme y validar la dirección del vehículo. Mi segundo objetivo es que se comunique con otra espira más pequeña que voy a traer en el vehículo para que al paso sobre el campo le envíe una señal para accionar algo (una alarma o que abra la puerta, etc.).

Mido el campo magnético con un equipo Narda ELT-400(solo mide campo magnético) y un Kmoon GM3120 (mide eléctrico y magnético, pero no es confiable), En cuanto a la variación pues como va en sentido de la corriente, creo que no hay afectación por eso es mayo al centro de la espira (según yo).

El equipo de medición no creo que lo distorsione, ya que hasta los 24mA que circulan en la espira y concordancia con el programa, el detalle es cuando aumento la corriente, ya no la hay.

El puente H como lo conectaría? en lugar de le motor estaría la espira?

 

[Eduardo]

...el primer objetivo, es tener un campo magnético a una altura de 50 cm para que al paso de un vehículo lo deforme y validar la dirección del vehículo. Mi segundo objetivo es que se comunique con otra espira más pequeña que voy a traer en el vehículo para que al paso sobre el campo le envíe una señal para accionar algo (una alarma o que abra la puerta, etc.).

Para eso no hace falta medir el campo a una distancia determinada porque vos la detección la hacés midiendo la variación de un parámetro ya sea en la bobina o en una bobina auxiliar.

En esta clase de detecciones la distancia "confiable y estable" de detección es siempre menor que el diámetro de la bobina, por lo que estarías medio al límite. Por supuesto que pueden ser distancias mayores, pero como la variación del parámetro que midas decae muy rápido vas perdiendo confiabilidad; como ser que un vehículo que no pasó exactamente por el medio , es unos centímetros mas alto o ha llovido, no te lo detecte.

Para distancias mucho menores que el diámetro basta medir la variación de la inductancia (alimentás a corriente constante y medís la variación de amplitud) pero para distancias comparables con el diámetro ya se utiliza una o dos bobinas lectoras.
La mejor es con dos bobinas lectoras separadas y en contrafase, de manera que cuando no hay vehículo la tensión inducida es 0 y cuando las líneas se deforman tendrás tensión.
Si la bobina de excitación tiene punto medio se puede usar una salida pushpull, si no un puente H. La bobina lectora conviene que sea un circuito sintonizado.

Como en este tipo de circuitos magnéticos la sensibilidad decae muy rápido con la distancia, como nada se te dispara la complejidad.

Mido el campo magnético con un equipo Narda ELT-400(solo mide campo magnético) y un Kmoon GM3120 (mide eléctrico y magnético, pero no es confiable), En cuanto a la variación pues como va en sentido de la corriente, creo que no hay afectación por eso es mayo al centro de la espira (según yo).

El equipo de medición no creo que lo distorsione, ya que hasta los 24mA que circulan en la espira y concordancia con el programa, el detalle es cuando aumento la corriente, ya no la hay.

Compará tus cálculos con los de una espira circular, simplemente porque es mas fácil encontrar calculadoras online para bobinas redondas que cuadradas. En el eje el valor no será el mismo pero cercano , digamos que una espira de 60cm de diámetro te va a crear en el eje casi el mismo campo que un cuadrado de 50cm.

El puente H como lo conectaría? en lugar de le motor estaría la espira?

Si.
Si usás una frecuencia mas baja podés usar los driver tipo L298 (hasta 2A , es un puente doble la placa es barata Módulo L298 Control Motores Doble Puente H - $349,00).
Si no, hacer uno mas rápido pero que ande bien no es trivial --> Pensándolo bien mejor fuente partida y par complementario o salida pushpull .

De todas maneras para ensayo de prototipos te conviene trabajar a a escala, menos problemas haciendo/ensayando bobinas, simulando paso de vehículos (chapa + mano) y menores corrientes.

 

[Rsensando]

Gracias @Eduardo voy a probar como tu me dices y ya luego te cuento que resultados tuve, aun que la medición del campo solo es como para comprobar que si habrá distorsión.

Haré una espira de mayor diámetro, para que no tenga problema por la altura, respecto al puente me queda la duda como se va a amplificar la señal senoidal si el transistor para esos casos funciona en la región saturada y corte (o me equivoco?).

Mientras iré pidiendo el módulo. Gracias.

 

[Eduardo]

...Haré una espira de mayor diámetro, para que no tenga problema por la altura,

Para pruebas seguí con lo que tenés, si al final te resulta una detección segura a 30cm ya tenés en qué porcentaje hay que agrandar la bobina.
Con eso resolvés el problema geométrico, otra cosa es el número de vueltas porque la impedancia de la bobina debe estar acorde a la corriente y alimentación de la etapa de salida.
Ojo con esto último, primero se decide de cuanto será la impedancia de carga y con eso calculás las vueltas. Hacerlo al revés, dar las vueltas que resulte práctico y darle para adelante en general sale mal por ley de Murphy.

respecto al puente me queda la duda como se va a amplificar la señal senoidal si el transistor para esos casos funciona en la región saturada y corte (o me equivoco?).

Con un puente no hay mas senoidal, se lo excita con señales cuadradas y la salida es cuadrada. Tiene la ventaja respecto a una etapa lineal que disipa mucha menos potencia y es lo apropiado si se maneja cierta corriente) En los casos que moleste el contenido armónico, se ponen filtros y además hay técnicas de modulación que te lo disminuyen.

Como acá lo que interesa es detectar un disturbio respecto al comportamiento "sin vehículo" y la emisión electromagnética es baja (no tiene sentido usar corrientes altas) la forma de onda no tiene importancia.