Lanceur d'anneau électromagnétique

Sajjad Haïdar | 21 novembre 2016

Il y a une démonstration très courante dans les musées des sciences et les salles de classe de physique appelée "anneau sauteur" ou "lanceur d'anneau électromagnétique". L'expérience implique un noyau de fer cylindrique de plusieurs centimètres de long inséré dans un grand solénoïde et un anneau de cuivre traverse le noyau de fer étendu. Lorsque le solénoïde est alimenté par le secteur, l'anneau saute hors du noyau.

Il y a diverses raisons pour lesquelles l'expérience est si populaire et si importante en science et en ingénierie. Tout d'abord, il est intéressant d'observer un anneau métallique qui saute ou plane. Deuxièmement, il utilise la loi d'induction de Faraday, la loi de Lenz, l'inductance mutuelle et les forces dues à l'induction électromagnétique pour permettre à l'anneau de planer ou de sauter. Le principal problème avec ce type de lanceur d'anneau conventionnel est sa taille et son poids volumineux, car il nécessite un grand nombre de tours de fil de cuivre épais pour le solénoïde et le noyau de fer lourd à l'intérieur. De plus, comme il fonctionne à la tension secteur (115 V ou 230 V, AC), son fonctionnement n'est pas sûr. Les calculs montrent que le lancement de l'anneau est bien plus efficace à des fréquences plusieurs fois supérieures à celle du secteur AC (50/60Hz).

Dans ce projet, j'ai utilisé un générateur d'onde carrée de fréquence réglable de 700 Hz à 18 kHz utilisant un circuit intégré de minuterie 555 ; dont la sortie pilote un MOSFET de puissance. Le MOSFET entraîne une petite bobine d'environ 50 à 60 tours enroulée sur un cylindre de ferrite de 10 cm de long au lieu d'un noyau de fer. Un anneau de cuivre est placé à travers la partie étendue du cylindre de ferrite. Un condensateur à film de 16 micro Farad est placé en parallèle avec la bobine pour obtenir une résonance parallèle. A la résonance, le courant traversant la bobine peut être atteint plusieurs fois supérieur à celui fourni par la source d'alimentation. En utilisant un fil de cuivre épais (AWG #14) pour fabriquer la bobine, la résistance de la bobine est abaissée, ce qui rend le facteur de qualité (Q) de la bobine élevé. Le Q élevé de la bobine maintient un courant près de ~ 8 fois supérieur à celui que l'alimentation peut fournir. Le courant primaire élevé est essentiel pour induire un courant élevé dans l'anneau de cuivre, le champ d'interaction fait léviter l'anneau. Le circuit n'a besoin que de 24V DC pour léviter, planer et tirer sur l'anneau. Une résistance de 10 ohms est utilisée en série avec l'alimentation 24 V, car la fréquence de l'oscillateur augmente lentement, le courant d'alimentation diminue progressivement. À la fréquence de résonance, le courant d'alimentation atteint le minimum (~ 1,2 A), et également à ce stade, l'anneau de cuivre lévite et flotte à mi-chemin sur la tige de ferrite étendue. Un autre interrupteur est utilisé pour court-circuiter la résistance de 10 ohms, lorsqu'il est court-circuité, l'anneau saute de quelques centimètres hors de la tige. Maintenant, en maintenant la résistance de 10 ohms en court-circuit, si l'alimentation est activée, l'anneau saute de plusieurs dizaines de centimètres au-dessus de la tige. Cette vidéo montre ces effets.

Les instructions de construction complètes et la liste des pièces continuent ci-dessous :

Le circuit:

Le circuit se compose d'un oscillateur à onde carrée mis en œuvre par un circuit intégré de minuterie 555, un MOSFET de puissance et un circuit de commande MOSFET (Fig.1). Le circuit a besoin de deux alimentations, une alimentation 15V, 0,8A pour alimenter l'oscillateur et le pilote MOSFET et une alimentation 24V, 4A alimente la bobine.

Pour atteindre près de 50% de rapport cyclique, la résistance R1 est choisie à 180 Ohm, ce qui est une valeur beaucoup plus petite par rapport à R2 + R7 (minimum ~ 4,7k). En faisant varier R2 de 100K à 0 Ohm, une sortie d'onde carrée est obtenue de 700Hz à 18 kHz. Cette sortie d'onde carrée à la broche 3 du circuit intégré de minuterie 555 ne doit pas être utilisée directement pour piloter le MOSFET (Q3), pour la capacité de grille. Un pilote MOSFET est implémenté à l'aide de deux transistors, Q1 et Q2. Pour limiter le courant de grille élevé initial, R5 est utilisé. Un MOSFET haute puissance et courant élevé (Q3) est utilisé pour piloter la combinaison bobine-condensateur. Une diode de récupération rapide, D1, est utilisée pour laisser le circuit LC fonctionner librement pendant le temps d'arrêt du MOSFET. Une inductance de 5 micro Henry (L1) est utilisée pour limiter le courant élevé initial, lorsque le MOSFET est allumé. Ce L1 peut être réalisé facilement en enroulant ~40 tours sur un morceau de tuyau en plastique de 1cm de diamètre. Lorsque le MOSFET est activé, l'énergie est fournie au circuit LC, lorsque le MOSFET est désactivé, l'énergie stockée dans le condensateur C et la bobine L commence à circuler entre L et C.

Lorsque la fréquence de commutation du MOSFET correspond à la fréquence de résonance du circuit LC, une énergie minimale est utilisée par le circuit LC pour maintenir l'oscillation. Dans cette situation, bien qu'un faible courant soit tiré de l'alimentation, un courant beaucoup plus élevé circule dans le circuit LC. Ce courant élevé crée un champ magnétique intense dans le noyau de ferrite. L'anneau de cuivre qui traverse le noyau agit comme une bobine à un seul tour de faible résistance. Le champ magnétique alternatif dans le noyau de ferrite induit une tension dans l'anneau de cuivre, ainsi un courant élevé circule également dans l'anneau. Ces deux champs en interaction forcent l'anneau à sauter hors du noyau. Le MOSFET Q3 et la diode D1 chauffent après un certain temps de fonctionnement, en particulier pendant le réglage. Deux petits dissipateurs thermiques sont nécessaires pour ces deux appareils. La disposition PCB du circuit est illustrée à la Fig.2. La résistance de puissance de 10 ohms (R8) n'est pas représentée sur le circuit imprimé, car il s'agit d'un type monté sur panneau. R8 doit être vissé au boîtier en aluminium comme illustré à la Fig.3.

Fig.2. Disposition des circuits imprimés

Fig.3. Circuit-PCB à l'intérieur du boîtier

Fig.4. Panneau avant

La bobine avec noyau de ferrite :

Pour fabriquer un support de bobine approprié et une base pour le cylindre de ferrite, une feuille FR4 non revêtue a été utilisée. Plusieurs pièces ont été découpées et vissées comme le montre la Fig.5. Sur la pièce supérieure, un trou a été fait pour le cylindre de ferrite. Comme les longues tiges de ferrite deviennent rares de nos jours, à la place, deux cylindres de ferrite avec un trou à l'intérieur ont été utilisés. Chaque cylindre mesure 5 cm de long, ceux-ci sont reliés par une longue entretoise en nylon et des vis en nylon. Une fois la bobine fabriquée, son inductance et sa résistance ont été mesurées à l'aide d'un compteur LCR. Deux condensateurs ~ 8 micro Farad ont été mis en parallèle pour faire ~ 16 micro Farad et la combinaison a été connectée en parallèle avec la bobine. Maintenant, la fréquence de résonance peut être calculée à l'aide de la formule bien connue :

La fréquence de résonance peut également être mesurée à l'aide d'un oscilloscope et d'un générateur de fonctions. Cette procédure peut être trouvée à de nombreux endroits sur le net.

Les spécifications détaillées sont données ci-dessous.

Diamètre (coil former) : ~27 mm, longueur : 16 mm, nombre de tours, N : 50 ~ 60, taille du fil : # 14 AWG. Un cylindre de ferrite d'un diamètre d'environ 16 mm a été inséré à travers la bobine (deux tiges de ferrite cylindriques ont été fixées à l'aide de vis en nylon et d'entretoises). L'inductance mesurée est d'environ 110 mH (~235 mH, avec le noyau de ferrite à l'intérieur). Résistance mesurée ~ 0,1 W, avec C = 16 mF fréquence de résonance mesurée, fr ~ 2,6 kHz

Fig.5. Bobine avec condensateur 16 micro Farad en parallèle. Un anneau de cuivre est représenté à travers le cylindre de ferrite étendu.

L'ensemble du système composé du circuit imprimé en coffret, des alimentations et de la bobine ; qui est illustré à la Fig.6.

Fig.6. Photographie du système complet

Procédure de test:

Pour définir les conditions d'un fonctionnement optimal, le circuit bobine-condensateur doit être réglé sur la résonance. Sans utiliser d'équipement coûteux, nous pouvons facilement nous assurer de cette condition en suivant le schéma fonctionnel illustré à la Fig-7.

Fig.7. Configuration pour la résonance

Avant de connecter l'alimentation 24V, nous devons nous assurer que le commutateur de résistance-shunt de 10 ohms (S2) est ouvert. En connectant maintenant l'alimentation 24V à un ampèremètre en série avec le circuit, le potentiomètre R2 est lentement tourné de haut en bas, ce qui fait passer la fréquence de bas en haut. Au fur et à mesure que la fréquence augmente, le courant diminue et nous pouvons voir que l'anneau commence à léviter. A la résonance, le courant passe au minimum à ~ 1,2 A. A la résonance, l'anneau de cuivre lévite ~ 2 cm au-dessus de la bobine. Maintenant, si la résistance de 10 ohms est court-circuitée en fermant S2, l'anneau saute hors de la tige de ferrite. En gardant l'interrupteur S2 fermé, si l'interrupteur d'alimentation S1 passe de OFF à ON, l'anneau saute de plusieurs dizaines de centimètres au-dessus de la tige. Tous ces tests sont présentés dans la vidéo. Le circuit peut même fonctionner à des tensions supérieures à 24V. S'il est entraîné par 48V, un saut encore plus élevé est observé.

Les formes d'onde de l'oscilloscope sont illustrées à la Fig.8 lorsque la bobine est en résonance.

Fig.8. Formes d'onde au niveau de la grille MOSFET, du drain, du côté haut de la bobine et à travers la bobine, lorsque la bobine est entraînée à la résonance.

Liste des pieces

Partie

Valeur

Description

Numéro de pièce allié

C1

0.01u

Condensateur en céramique

70079249

C2

0,1 uF

Condensateur en céramique

70095155

C3

0,1 uF

Condensateur en céramique

70095155

C4

0.1uF

Condensateur en céramique

70095155

C5

0,1 uF

Condensateur en céramique

70095155

C6

100uF

condensateur polarisé

70187892

C8

100uF

condensateur polarisé

70079479

D1

FFPF30UA60S

Diode de récupération rapide

70078639

VS-15ETH06FPPBF

D2

18V

Diode Zéner

70061620

IC1

NE555N

IC de minuterie

70550780

L1

5uH

Inducteur

~ 40 tours sur 1cm dia. tube en plastique

Q1

2N2222

Transistor NPN

70725575

Q2

2N2906

Transistor PNP

70348161

Q3

TK32E12N1

MOSFET de puissance

70017262 (équivalent IRFB61N15DPBF)

R1

180 ohms

Résistance,

70024696

R2

100K

Potentiomètre

70153741

R3

1 k

Résistance

70648011

R4

4,7 ohms

Résistance

70023927

R5

10 ohms

Résistance

70183308

R6

20k

Résistance

70183654

R7

4.7K

Résistance

70650980

R8

10 ohms, 25 W

Résistance de puissance

70201458

Borne à 2 broches, 4 pièces

70086275

Dissipateur de chaleur - 2 pièces

70115166

PS1

15 V, 800 mA

Alimentation1

70231086

PS2

24V, 4.5A

Alimentation 2

70177388

S1

ALLUMÉ ÉTEINT

Changer

70192043

S2

ALLUMÉ ÉTEINT

Changer

70192043

L

~238 uH

Bobine avec noyau de ferrite

C

8.2uF + 8.2uF

2 condensateurs en parallèle

70260082

Poteau de reliure (rouge) 2pcs

70210915

Poteau de reliure (noir) 2pcs

70198054

BOÎTE

70148724

Cylindre en ferrite – 2 pièces

Fair-Rite #2643625202

Les autres éléments nécessaires au projet sont les vis, les vis en nylon, le fil de raccordement.

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