전자기 링 발사기

사자드 하이다르 | 2016년 11월 21일

과학 박물관과 물리학 교실에서는 "점핑 링" 또는 "전자기 링 발사기"라고 불리는 매우 일반적인 시연이 있습니다. 실험에는 대형 솔레노이드에 삽입된 수 센티미터 길이의 원통형 철심과 확장된 철심을 통과하는 구리 링이 포함됩니다. 솔레노이드가 AC 주전원으로 구동되면 링이 코어에서 튀어 나옵니다.

실험이 과학과 공학에서 그토록 인기 있고 중요한 데에는 여러 가지 이유가 있습니다. 첫째, 금속 링이 튀어나오거나 공중에 떠 있는 것을 관찰하는 것은 흥미롭습니다. 둘째, 패러데이의 유도 법칙, 렌츠의 법칙, 상호 인덕턴스, 전자기 유도로 인한 힘을 활용하여 링이 호버링하거나 점프할 수 있도록 합니다. 이러한 기존 링 발사기의 주요 문제점은 솔레노이드에 두꺼운 구리선을 많이 감아야 하고 내부에 무거운 철심이 필요하기 때문에 부피가 크고 무게가 크다는 점입니다. 또한, 본선 전압(115V 또는 230V, AC)에서 작동하므로 작동하기에 안전하지 않습니다. 계산에 따르면 링의 시작은 AC 주전원(50/60Hz)보다 몇 배 더 높은 주파수에서 몇 배 더 효율적이라는 것을 보여줍니다.

이 프로젝트에서는 555 타이머 IC를 사용하여 700Hz에서 18kHz까지 조정 가능한 주파수의 구형파 발생기를 사용했습니다. 그 출력은 전력 MOSFET을 구동합니다. MOSFET은 철심 대신 10cm 길이의 페라이트 실린더에 감긴 ~50~60회전의 작은 코일을 구동합니다. 구리 링은 페라이트 실린더의 확장된 부분을 통해 배치됩니다. 16 마이크로 패럿 필름 커패시터는 병렬 공진을 달성하기 위해 코일과 병렬로 배치됩니다. 공진 시 코일을 통과하는 전류는 전원에서 공급되는 전류보다 몇 배 더 높아질 수 있습니다. 코일 제작에 두꺼운 동선(AWG #14)을 사용하여 코일 저항을 낮추어 코일의 품질 계수(Q)를 높게 만듭니다. 코일의 높은 Q는 전원 공급 장치가 제공할 수 있는 것보다 거의 8배 더 높은 전류를 유지합니다. 코퍼 링에 높은 전류를 유도하려면 높은 1차 전류가 필수적이며, 상호 작용 필드는 링을 공중에 뜨게 만듭니다. 회로에는 24V DC만 있으면 공중에 뜨고, 호버링하고, 링을 발사할 수 있습니다. 24V 전원 공급 장치와 직렬로 10Ω 저항이 사용되며 발진기의 주파수가 천천히 증가함에 따라 공급 전류가 점차 감소합니다. 공진 주파수에서 공급 전류는 최소값(~1.2A)에 도달하고, 이 지점에서 구리 링은 공중에 떠서 확장된 페라이트 막대의 중간쯤에서 맴돌게 됩니다. 또 다른 스위치는 10옴 저항을 단락시키는 데 사용됩니다. 단락되면 링이 로드에서 몇 센티미터 튀어나옵니다. 이제 10옴 저항을 단락시킨 상태에서 전원 공급 장치를 켜면 링이 막대 위로 수십 센티미터 위로 점프합니다. 이 비디오는 이러한 효과를 보여줍니다.

전체 제작 지침과 부품 목록은 다음과 같습니다.

회로:

회로는 555 타이머 IC로 구현된 구형파 발진기, 전력 MOSFET 및 MOSFET 드라이버 회로로 구성됩니다(그림 1). 회로에는 발진기와 MOSFET 드라이버에 전력을 공급하기 위해 15V, 0.8A 전원, 2개의 전원 공급 장치가 필요하며 24V, 4A 전원은 코일에 전원을 공급합니다.

거의 50%에 가까운 듀티 사이클을 달성하기 위해 저항 R1은 180Ω을 선택합니다. 이는 R2+R7(최소~4.7k)에 비해 훨씬 작은 값입니다. R2를 100K에서 0Ω으로 변경하면 700Hz에서 18kHz까지 구형파 출력이 얻어집니다. 555 타이머 IC의 핀 3에 있는 이 구형파 출력은 게이트 커패시턴스용 MOSFET(Q3)을 구동하는 데 직접 사용되어서는 안 됩니다. MOSFET 드라이버는 Q1과 Q2라는 두 개의 트랜지스터를 사용하여 구현됩니다. 초기의 높은 게이트 전류를 제한하기 위해 R5가 사용됩니다. 고전력 및 고전류 MOSFET(Q3)은 코일-커패시터 조합을 구동하는 데 사용됩니다. 고속 복구 다이오드 D1은 MOSFET의 OFF 시간 동안 LC 회로가 자유롭게 실행되도록 하는 데 사용됩니다. MOSFET이 ON으로 전환될 때 초기 고전류를 제한하기 위해 5마이크로 헨리(L1) 인덕터가 사용됩니다. 이 L1은 직경 1cm의 플라스틱 파이프 조각을 40바퀴 정도 감으면 쉽게 만들 수 있습니다. MOSFET이 ON이면 에너지가 LC 회로로 전달되고, MOSFET이 OFF이면 커패시터 C와 코일 L에 저장된 에너지가 L과 C 사이로 흐르기 시작합니다.