DISEÑO DE CIRCUITO ELECTRÓNICO PARA MEDIDAS MAGNÉTICAS EN ALTA FRECUENCIA

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Fernando Araya Cruz
hace 7 años
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1 DISEÑO DE CIRCUITO ELECTRÓNICO PARA MEDIDAS MAGNÉTICAS EN ALTA FRECUENCIA Autor: González González, David Director: Giannetti, Romano Entidad colaboradora: ICAI Universidad Pontificia de Comillas RESUMEN DEL PROYECTO El propósito de este proyecto consiste en el diseño y montaje de un circuito electrónico de bajo coste que permita realizar medidas magnéticas en alta frecuencia, en concreto ciclos de histéresis (mayor loops) y de subciclos (minor loops) dentro del ciclo completo. La curva de histéresis se obtiene como resultado de enfrentar el campo H, que es directamente proporcional a la intensidad de magnetización, contra el campo B que crea, siendo este proporcional a la integral de la tensión. Puesto que un gran número de dispositivos trabajan con núcleos magnéticos, la caracterización de los mismos es una tarea indispensable a la hora de realizar correctamente diseños de dispositivos de electrónica de potencia y prevenir fallos. Además estos materiales tienden a hacerse cada vez más pequeños y más ligeros, lo que da lugar entonces a que su frecuencia de trabajo sea cada vez más alta. Por estos motivos, su estudio exhaustivo se requiere necesario. Representar el ciclo de histéresis de un material magnético es una de las tareas más complicadas en el estudio de estos materiales, a causa de su no linealidad y de los efectos de memoria. Aun así, a baja frecuencia (hasta 10 KHz.), esta curva es relativamente fácil de realizar mediante el conocido método clásico, que consiste en medir la corriente del arrollamiento primario y la tensión en el arrollamiento secundario de un transformador cuya ferrita esta bajo estudio. La inyección de energía se realiza a través de una fuente senoidal. Con estas medidas se calcula el campo B y el campo H y se enfrentan para obtener así la curva de histéresis. El método clásico solamente es válido a frecuencias bajas por una razón: al aumentar la frecuencia de trabajo, la impedancia del circuito aumenta sensiblemente, con lo que puede llegar un momento en el cual la fuente de alimentación no sea capaz de proporcionar suficiente amplitud de onda para saturar el núcleo magnético. Esto presenta el problema de la

2 necesidad de adquirir una fuente que sea capaz de saturar los núcleos magnéticos cuando trabajan a alta frecuencia. Estas fuentes son caras y difíciles de desarrollar. Se propone entonces un método eficiente y de bajo coste para realizar medidas de histéresis a alta frecuencia, encontrando así una solución a este problema. Mediante elementos básicos de electrónica fácilmente adquiribles y de bajo coste, se ha desarrollado un sistema que consigue saturar el núcleo magnético a alta frecuencia, consiguiéndose entonces poder realizar curvas de histéresis a alta frecuencia. Los elementos utilizados son resistencias, condensadores, diodos, operacionales, un transistor y un driver para controlar el transistor. Además se necesita una fuente de alimentación de tensión continua. El circuito propuesto consta de tres partes: 1) Sección de carga, formada por un condensador de carga, una resistencia, y la fuente de tensión continua, 2) condensador-bobina (arrollamiento), compuesto por un condensador de prueba y el arrollamiento del material ferromagnético sometido a estudio y 3) un interruptor compuesto básicamente por un transistor, un driver, un operacional y una fuente generadora de ondas arbitrarias. Mediante transferencia de energía entre el condensador de carga y la bobina, se consigue crear en el ferromagnético una curva de corriente con forma subamortiguada, con suficiente amplitud como para poder saturar el núcleo magnético. Esta transferencia de energía se controla mediante el transistor (interruptor) Para controlar el encendido y apagado del transistor, lo que corresponde a la parte del circuito interruptor, se ha utilizado un generador de ondas arbitrarias en forma de generador de pulsos. Controlando la duración de estos pulsos se consigue que el sistema trabaje en la zona donde se precise. De esta forma se consiguen realizar minor loops o subciclos de histéresis en la zona donde se desee dentro del mayor loop o ciclo competo de histéresis. Variando los valores de los pulsos realizados con la fuente generadora de ondas arbitrarias, el valor de la tensión de la fuente de alimentación continua y los valores de un condensador de prueba, se obtienen medidas de histéresis a distintas frecuencia. El objetivo del proyecto en conseguir realizar una medida de un subciclo de histéresis de al menos 100 KHz., y puesto que para realizar subciclos de histéresis es necesario saturar el núcleo magnético, se demuestra asimismo que la realización del ciclo de completo de histéresis es factible.

3 Las medidas realizadas se capturan con un osciloscopio de alta definición para poder realizar filtrados del ruido de conmutación que se produce al trabajar a altas frecuencias. Este posttratamiento se realizar con un procesador matemático, en este caso MATLAB. Para probar la validez del método propuesto se han realizado 4 medidas hasta llegar la frecuencia objetiva de 100 KHz. Una media a 7 KHz., otra a 20 KHz, otra a 30 KHz. y una ultima medida a 130 KHz. Como problema se ha encontrado el aumento de forma significativa del ruido de conmutación producido por el transistor cuando se ha incrementado la frecuencia de trabajo. Se ha solucionado realizando un post-proceso sobre las medidas realizadas mediante el procesador matemático.

4 DESIGN OF AN ELECTRONIC CIRCUIT FOR HIGH FRECUENCY MAGNETIC MEASUREMENT Author: González González, David Director: Giannetti, Romano Organization: ICAI Universidad Pontificia de Comillas SUMMARY The purpose of this Project is the design and the assembly of a low cost electronic circuit which allows to make high frequency magnetic measurement, specifically hysteresis cycles (mayor loops) and hysteresis subcycles (minor loops) inside the complete cycle. Hysteresis cycles are plots of the induction B versus the magnetic field H. H is proportional to the current which generates the field, and B is proportional to the integral of the induced voltage. Due to the high number of devices built with magnetic cores, the characterization of them is an indispensable task in order to securely accomplish the requirement of a power electronic design and prevent failures. Furthermore these materials are becoming smaller and lighter, which increases the frequency at which the materials have to work. These reasons require an exhaustive study of the magnetic cores. The representation of hysteresis cycles of a magnetic material is one of the most complicated tasks in the study of these materials, because of its non-linear characteristic and its memory effects. Even so, at low frequency (up to 10 KHz.), this curve is relative easy to realize by means of a well known traditional method, which consists of getting measurements of current in the primary coil, and voltage in the secondary coil, of an electrical transformer which magnetic core is under study. To supply energy to the system, a sine wave generator is used. The traditional method in only useful on low frequencies for one reason: when the frequency is increased, the impedance of the circuit grows up very fast, and the voltage generator may not be able to saturate the magnetic core. A high voltage generator must be purchased in order to solve this problem. These generators are very expensive to buy and are not easy to build.

5 In order to make hysteresis measurements at high frequency, a new efficient low cost method is proposed to solve this problem. Using low cost electronic components a new system has been developed, which can saturate magnetic cores at high frequency, making then possible to realize hysteresis cycle at high frequency. The components have been used are resistors, capacitors, diodes, an operational, a transistor, and a driver used to control the transistor. In addition, a d.c. voltage source is required. The proposed circuit has three blocks: 1) a charge section, which has a charge capacitor, a resistor, and a d.c. voltage source, 2) an inductor-capacitor tank, which has a probe capacitor and the inductor of the magnetic material that is being studied, 3) a switch which has a transistor, an operational, a driver, and an arbitrary wave generator. Transferring energy from the probe capacitor to the inductor and from the inductance to the probe capacitor, an oscillated current is generated, which has to have enough amplitude to saturate the magnetic core. This oscillation can be controlled by the transistor. To control when the transistor is switched on or off, the arbitrary wave generator has been used, by making pulse waves. Changing the duration of these pulses, different h-b loci can be explored (mayor or minor loops). In order to reach higher frequencies of the hysteresis cycles and subcycles, the value of the probe capacitor, the voltage of the d.c. voltage source and the duration of the pulses have to be changed. The purpose of this project is to reach at least a frequency of 100 KHz in the measurement of the minor loops. Measurements were captured with a high definition oscilloscope, in order to make a post processing, and then filtered to reduce the commutation noise, which is produced by the transistor when the frequency is increased. This post processing was made with a mathematic processor, in this case MATLAB In order to prove the validity of the proposed method, 4 measurements have been made to reach 100 KHz, which is the purpose of this project. These are at 7 KHz, 20 KHz, 30 KHz and one at 130 KHz.

6 The most significant problem of this method is the switching noise that has been found when at higher frequencies. To solve it, a filtering has been implemented with MATLAB.

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