Voglio sottolineare una cosa che le altre risposte stanno ignorando, o almeno sorvolano.

In questa misurazione, interrompiamo il flusso di corrente nel nostro induttore e questo fa sì che la corrente fluisca nella terra sottostante. Ciò significa che stiamo effettivamente utilizzando la terra stessa come bobina secondaria di un trasformatore flyback.

In un trasformatore flyback, la corrente primaria può infatti essere interrotta molto rapidamente, proprio perché il flusso magnetico è in grado di accoppiarsi al secondario e produrre lì una corrente, e non abbiamo bisogno di assorbire l'energia magnetica immagazzinata in il circuito del lato primario per spegnere la corrente.

Le tipiche forme d'onda per un tipico trasformatore flyback (con un secondario in filo di rame anziché terra) hanno questo aspetto

( origine immagine)

Nella misura in cui l'esperimento funziona e noi generiamo una corrente nella terra, non avremo bisogno di alcun dispositivo di limitazione della tensione sul primario per assicurarci di poter spegnere la corrente. La resistenza della terra alla fine assorbirà l'energia che è stata immagazzinata nel campo magnetico.

Potrebbe essere una buona idea includere uno spinterometro o un altro dispositivo di limitazione della tensione, per proteggere il circuito del lato primario da eventuali danni nel caso in cui la resistenza di terra sia molto alta o il dispositivo venga azionato accidentalmente in aria invece che vicino al suolo . Ma se questo limitatore di tensione funziona davvero, probabilmente disturberà la misurazione in modo da non ottenere un risultato utilizzabile per determinare le proprietà della terra studiata.

Dovresti anche notare questo paragrafo nella pagina a cui hai fatto riferimento:

Nella figura 4 e in questa discussione, si è ipotizzato che la corrente del trasmettitore venga disattivata istantaneamente.Realmente ottenere ciò con un grande anello di filo del trasmettitore è impossibile, ei trasmettitori moderni interrompono la corrente utilizzando una rampa lineare molto veloce.La durata di questa rampa viene mantenuta il più breve possibile (si può dimostrare che ha un effetto simile a quello dell'ampliamento delle larghezze della porta di misurazione) in particolare per i suoni superficiali in cui il transiente decade molto rapidamente nei primi tempi.La durata della rampa di spegnimento del trasmettitore (che può anche essere inclusa nei moderni programmi di inversione) è solitamente controllata dalla dimensione del loop del trasmettitore e / o dalla corrente del loop.

Puoi collassare istantaneamente il campo magnetico di un induttore?

NO ... non è possibile creare né collassare un campo magnetico istantaneamente poiché è sempre coinvolta una costante di tempo L e R.
NON è possibile invertire la tensione su un induttore (almeno non in nessun circuito pratico) e ottenere tempi di scarica inferiori.

Forse un semplice esempio può aiutare:

^{simula questo circuito - Schema creato utilizzando CircuitLab}

Nel circuito sopra l'induttore ha un valore molto basso e potrebbe essere tipico di quello che potresti avere in un grande circuito con anima in aria, sebbene il valore non sia molto importante.

Qui ho mostrato che l'induttore ha una resistenza di circa 0,5 Ohm e alimentato da 12V da un resistore da 0,5 Ohm. C'è una costante di tempo L e R per costruire il campo magnetico, e quando spegni l'unità M1 ho mostrato un'unità di feedback Zener Gate per dissipare l'energia il più rapidamente possibile.
Nello schema e nei valori sopra sono necessari circa 500us per aumentare la corrente L1 a 10A e circa 20us per diminuirla a zero.

Il limite pratico qui è la tensione che permetti di sviluppare su M1. Aumentando la tensione diminuisce il tempo necessario per scaricare L1.

Aggiornamento: se vuoi approfondire la matematica coinvolta nella caratterizzazione e selezione di componenti, tensione di alimentazione, ecc., questa nota applicativa ST potrebbe valere la pena di essere letta.

Vale la pena notare:

1. L'uso di uno spinterometro di qualsiasi forma è un metodo improbabile per scaricare un induttore poiché ha una tensione di attivazione e una tensione di mantenimento (che in realtà estenderebbe il tempo di collasso). Anche con un spinterometro professionale vuoto / gas richiedono tempo per funzionare, di solito nella gamma 1us per le piccole unità. Tuttavia, una volta attivati, si mantengono a una tensione molto più bassa (in genere 70-100 V), quindi non forniscono le capacità necessarie (mantengono un voltaggio elevato).

2. La propagazione di un campo EM è sempre inferiore alla velocità della luce e dipendente dal mezzo (vai a studiare le equazioni di Maxwells). Un campo costante non è soggetto a ritardo di propagazione, ma solo a un campo che cambia, quindi è necessario che la corrente cambi continuamente per creare fronti d'onda EM.

Update: Poiché il commento sulla possibilità di invertire la tensione su un induttore ha causato un po 'di agitazione, lasciatemi aggiungere questo:

Ovviamente puoi usare ad esempio un ponte H per alimentare un induttore e questo invertirà la tensione, ma NON fornisce un tempo di scarica più breve in nessun circuito pratico, e il punto della domanda degli OP era cercare di comprimi rapidamente il campo.

Ecco uno schema per un ponte H che utilizza 100 V, ma solo 10 A (a causa dei FET disponibili per essere simulati):

^{simula questo circuito}

Le forme d'onda hanno questo aspetto:

Notare che i tempi di salita e di discesa della corrente dell'induttore sono gli stessi e non è possibile modificarli senza modificare la tensione applicata.
Nel mio circuito originale il tempo di caduta era 0,1 del tempo di salita e poteva essere ulteriormente ridotto alterando la tensione della pinza.

L'unico modo per ridurre il tempo necessario per raggiungere la corrente massima è aumentare la tensione della pinza o diminuire la resistenza (dell'induttore). Se si cambia la polarità della tensione su L1, i tempi di salita e di discesa sono sempre uguali.
È solo bloccando l'EMF posteriore del campo di collasso a una tensione molto maggiore rispetto all'alimentazione che è possibile ridurre il tempo di caduta.

Come si potrebbe effettivamente collassare rapidamente un grande campo nella pratica? Sto cercando le sfumature del collasso di un carico induttivo grande che potenzialmente 1kV + di contraccolpo.

Come hai riconosciuto nel tuo primo aggiornamento alla tua domanda, non è realistico aspettarsi il collasso istantaneo del campo magnetico generato dall'induttore "eccitante". Tuttavia, tenendo conto di alcune inevitabili non idealità del circuito, è possibile controllare il tempo di caduta nell'induttore entro valori da ragionevoli a piuttosto bassi, evitando anche il contraccolpo induttivo (o magari trasformandolo in un vantaggio) e un'eccessiva dissipazione di potenza.

Qualche tempo fa ho affrontato lo stesso problema guidando alcune elettrovalvole: dovevamo rendere la parte elettrica del ritardo allo spegnimento trascurabile rispetto alla parte meccanica (il tempo necessario alla "molla" per chiudere l'ugello) . Ciò implica la necessità di trasferire rapidamente l'energia \ $ E \ $ immagazzinata nell'induttore \ $ L \ $ span > del solenoide (+ un po 'di energia meccanica dovuta al potenziale elastico della "molla", ma questo non è rilevante nel contesto attuale quindi lo cito qui solo per completezza e non più nel testo sotto), ovvero $$ E = \ frac {1} {2} LI_o ^ 2 \ label {1} ​​\ tag {1} $$ dove \ $ I_o \ $ è la corrente dell'induttore di stato acceso e questo a sua volta implica la necessità di disporre di grandi potenze.

Il nucleo del circuito che abbiamo sviluppato è mostrato qui, con il significato evidente dell'induttanza \ $ L \ $ e della sua resistenza in serie parassita \ $ R_s \ $ :

^{simula questo circuito - Schema creato utilizzando CircuitLab}

È un driver half bridge, simile nello spirito ai circuiti full bridge proposti da Jack Creasey e laptop2d, con una differenza significativa: i diodi a ruota libera \ $ D_1 \ $ span> e \ $ D_2 \ $ non sono collegati allo stesso alimentatore che alimenta i MOSFET, ma con un altro a un livello di tensione più alto, cioè \ $ V_ {DD} \ ll V_ {sto} \ $ . Questo dà luogo ad un comportamento di spegnimento che è analiticamente prevedibile (almeno nella misura in cui possiamo considerare la tensione anodica di un diodo quasi costante) e controllato dal rapporto \ $ V_ {sto} / V_ {DD} \ $ : vediamo come.

The comportamento di spegnimento del circuito
Quando i MOSFET \ $ M_1 \ $ e \ $ M_2 \ $ sono disattivati, il circuito sopra è equivalente al seguente:

^{simula questo circuito}

L'attuale \ $ i (0 _ +) \ $ è uguale a \ $ I_o = V_ {DD} / R_s \ $ , poiché l'induttore tende a mantenere costante l'energia magnetica immagazzinata al suo interno: quindi i due diodi \ $ D_1 \ $ e \ $ D_2 \ $ iniziano a condurre e possono essere visti come due generatori di tensione con \ $ V_ {A_ {D_1}} = V_ { A_ {D_2}} = V_ \ gamma \ $ . Scrivendo l'equazione della mesh che abbiamo $$ \ begin {split} V_ {sto} + V_ {A_ {D_1}} + V_ {A_ {D_2}} + R_s i (t) + L \ frac {\ mathrm {d} i (t)} {\ mathrm {d} t} & = 0 \\ \ Updownarrow \ qquad \ qquad \ qquad & \\ V_ {sto} + 2V_ \ gamma + R_s i (t) + L \ frac {\ mathrm {d} i (t)} {\ mathrm {d} t} & = 0 \\ \ end {split} $$ Applicando la trasformata di Laplace all'equazione che otteniamo $$ \ frac {V_ {sto} + 2V_ \ gamma} {p} + R_s I (p) + pL I (p) -Li (0 _ +) = 0 $$ e dopo aver risolto per \ $ I (p) \ $ e aver applicato la trasformata inversa di Laplace abbiamo $$ i (t) = \ frac {V_ {DD}} {R_s} e ^ {- \ frac {R_s} {L} t} - \ frac {V_ {sto} + 2V_ \ gamma} {R_s} \ left [1 -e ^ {- \ frac {R_s} {L} t} \ right] \ label {2} \ tag {2} $$ Questa equazione è (quasi) corretta solo per i valori di \ $ t \ $ per i quali \ $ i (t) \ ge 0 \ $ : d'altra parte, vogliamo conoscere il tempo di compressione \ $ t_c \ $ , cioè il tempo necessario per \ $ i (t) \ $ per passare da \ $ I_o \ $ a \ $ 0 \ $ , poiché questo è esattamente il tempo necessario al collasso del campo magnetico, ovvero per raggiungere la condizione di energia magnetica zero in \ eqref {1}: $$ \ begin {align} i (t_c) = 0 \ iff & \ frac {V_ {DD} + V_ {sto} + 2V_ \ gamma} {R_s} e ^ {- \ frac {R_s} {L} t_c} - \ frac {V_ {sto } + 2V_ \ gamma} {R_s} = 0 \\ \\ \ iff & e ^ {- \ frac {R_s} {L} t_c} = \ frac {V_ {sto} + 2V_ \ gamma} {V_ {DD} + V_ {sto} + 2V_ \ gamma} = \ sinistra [1 + \ frac {V_ {DD}} {V_ {sto} + 2V_ \ gamma} \ right] ^ {- 1} \\ \\ \ iff & \ color {blue} {t_c = \ frac {L} {R_s} \ ln \ left (1 + \ frac {V_ {DD}} {V_ {sto} + 2V_ \ gamma} \ right)} \ label {3} \ tag {3} \ end {align} $$ Come indicato sopra, maggiore è il rapporto \ $ V_ {sto} / V_ {DD} \ $ minore è il tempo di compressione \ $ t_c \ $ , idealmente vicino a zero quanto necessario. Nota anche che, a parte la dissipazione su \ $ D_1 \ $ , \ $ D_2 \ $ e \ $ R_s \ $ la parte più grande dell'energia \ eqref {1} viene restituita all'alimentatore \ $ V_ {sto} \ $ , aumentando enormemente l'efficienza \ $ \ eta \ $ del circuito: così si usa il calcio induttivo per reimmettere in un alimentatore l'energia immagazzinata dall'induttore (nota: l'alimentatore deve essere in grado di assorbire la corrente), evitando sia l'eccessiva dissipazione di un circuito snubber sia la rottura del MOSFET \ $ M_2 \ $ .

Notes

• Alcune note:
  • \ $ D_1 \ $ e \ $ D_2 \ $ devono essere veloci diodi classificati \ $ I_o \ $ . In questo caso \ $ I_o \ simeq 100 \ mathrm {A} \ $ : comunque diodi Schottky ad altissima corrente, in tecnologia Si o SiC, sono prontamente disponibili e quindi questo non è un problema.
  • Il MOSFET dovrebbe essere in grado di resistere a tensioni di drain source molto grandi, ad esempio \ $ V_ {DS} \ simeq V_ {sto} \ $ : anche questo non lo è un problema in quanto possiamo utilizzare allestimenti totem e dispositivi SiC per realizzare le prestazioni richieste. New edit: come sottolineato da Jack Creasey nei suoi commenti, nelle applicazioni in cui è necessaria l'inversione di campo (come sembra sia questo il caso) è possibile applicare lo stesso concetto a un driver full-brigde, a patto di evitare gli effetti del corpo- diodo di drain dei MOSFET superiori, cioè il cortocircuito dei terminali dell'induttore di loop a \ $ V_ {DD} \ $ durante il kick induttivo. Questo fondamentalmente può essere ottenuto in due modi
    1. Metti un diodo con le stesse caratteristiche di \ $ D_1 \ $ in serie a ciascun MOSFET superiore e metti un diodo a ruota libera parallelamente a questa disposizione: questo però aumenta la dissipazione di potenza del circuito.
    2. Metti due MOSFET in antiserie al posto di ogni MOSFET superiore e di nuovo metti un diodo a ruota libera in parallelo a questa disposizione: questo potrebbe aumentare la complessità dei circuiti di pilotaggio.

^{simula questo circuito}

• Inizialmente abbiamo provato questo circuito con \ $ V_ {DD} = 24 \ mathrm {V} \ $ e utilizzando vari diodi Zener: abbiamo raggiunto il ricercato valore \ $ t_c \ $ al prezzo di una grande dissipazione di potenza. Successivamente, abbiamo utilizzato un alimentatore e abbiamo risolto il problema.
• Il fatto che siamo in grado di ottenere valori sempre più bassi di \ $ t_c \ $ non implica un comportamento non fisico delcircuito: dopotutto, abbiamo a che fare con campi elettromagnetici, che ammettono un comportamento "shock" cioè cambiamenti estremamente rapidi della loro intensità.Ciò che rende irrealistica la variazione istantanea dei campi sono le reali caratteristiche dei mezzi utilizzati per generarli, non limitati ma inclusi i circuiti.

Un altro modo per comprimere il campo: collegalo a un condensatore.Attendere che la tensione del condensatore raggiunga un picco e quindi scollegarlo.La tensione può essere calcolata dall'energia dell'induttore, ad es. $$ LI ^ 2 = CV ^ 2. $$ Il tempo di caduta è determinato come la metà di un'onda sinusoidale la cui frequenza è $$ f = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC}} $$ Puoi anche risparmiare la maggior parte dell'energia per il ciclo successivo.

1. Non stanno collassando nessun campo istantaneamente.Nella migliore delle ipotesi è limitato dalla velocità della luce;in realtà stanno generando scariche ad alta tensione, oppure l'energia del campo viene dissipata nel suolo.
2. All'aria aperta, scarichi la bobina in uno spinterometro."Istantaneo" è letteralmente sbagliato, ma in senso figurato, se riduci la forza della bobina a zero in meno tempo del necessario per eccitare qualsiasi modalità interessante nell'oggetto che stai testando, è "abbastanza istantaneo".

Ecco uno schema di altri che usano TDEM per fare ricerca, che è un ponte H con diodi TVS per cortocircuitare le alte tensioni che possono incontrare l'induttore quando è scollegato:

Fonte: https://www.researchgate.net/post/How_to_evaluate_the_performance_of_a_time_domain_electromagnetic_TDEM_or_TEM_system

Questo sarebbe un punto di partenza per un circuito, ma per le alte correnti e le alte tensioni di un progetto da 100 V 100 A ci sarebbe bisogno di qualche modifica.

Questi sono alcuni consigli (non ho mai progettato un circuito ad alta tensione, 60 V è il mio massimo con i ponti ad H ma i principi sono gli stessi):

• La prima cosa è il gate drive, i nmos sono i migliori per la corrispondenza e i mosfet più comuni, il gate deve avere un voltaggio più alto rispetto alla sorgente del mosfet, altrimenti non si "accenderà".

• Il tempo di commutazione è importante, i mosfet possono andare da pochi mΩ di resistenza a più di 10 ^ 9Ω. Il problema è tra questi due valori, la resistenza del feto può dissipare quantità significative di calore, quindi si desidera che il feto sia completamente spento o completamente acceso, ma non nel mezzo. Gate drivers può aiutare questo problema.

• Assicurati che la tensione da drain a source sia superiore a 100 V, nel tuo caso la vorresti significativamente più alta se la tensione dell'induttore è in picchiata.

• Seleziona FET in grado di gestire correnti superiori a 100A o in parallelo (se ne hai di più piccoli, come 50A, puoi usarne due o tre per darti 100A o 150 A. Probabilmente sceglierei una corrente nominale superiore a quella necessaria con i fets paralleli, i fets 100A sono costosi.

• Gli interruttori nell'h-bridge (coppia verticale) non devono mai essere attivati contemporaneamente, quindi utilizza driver con logica incorporata o nella logica incorporata del controller perassicurarsi che ciò accada.Ciò include l'accensione e lo spegnimento del sistema (a volte la logica può attivare i gate durante lo spegnimento o l'accensione).Usa pull up o pull down per assicurarti che ciò non accada.

Se non hai mai costruito un h-bridge prima, questa potrebbe diventare una sfida.Queste sono le basi del design h-bridge.Esistono dispositivi che commutano correnti e tensioni più elevate con ponti h, come saldatrici e inverter.