Yüksek frekanslı Helmholtz bobin uygulamaları için donanım düzeneği tasarımı
Hardware setup design for high frequency Helmholtz coil applications
Yazar: BERKAY KIVANÇ
Danışman: DOÇ. DR. FİKRET ARI
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Alan ölçüm teknikleri = Field measurement techniques ; Güç elektroniği = Power electronics ; Helmholtz = Helmholtz ; Manyetik alanlar = Magnetic fields ; Rezonans = Resonance

Özet:
Düzgün manyetik alan oluşturmak için kullanılan Helmholtz bobinleri ile alterne veya doğru akım kullanılarak manyetik alan üretilebilir. Bu bobinler ile statik manyetik alana ihtiyaç duyulduğunda, bobinlere bir güç kaynağından DC akım sürülerek istenilen bu statik manyetik alan oluşturulabilir. Öte yandan bu çalışmada örneklendirilen bazı test uygulamaları, zamanla değişen düzgün manyetik alanlara ihtiyaç duyar. Bu durumlarda, Helmholtz bobinlerine AC bir güç kaynağından alterne akım sürülerek istenilen frekanstaki bu manyetik alanlar meydana getirilebilir. Ancak, frekansın büyüklüğü bu durumda çok önemli bir etkendir. Çünkü frekans artışı ile birlikte, Helmholtz bobinlerinin endüktif reaktansları doğru orantılı olarak artmaktadır. Ayrıca bu artan frekans, bobin iç direncini de yakınlık etkisi ve deri etkisi gibi nedenlerle artırmaktadır. Bu parametreler sonucunda yükselen bobin empedansı, bobinler üzerinde çok yüksek voltajlar meydana gelmesine ve güç kaynağından bobinlere çekilebilecek olan akımın düşmesine neden olmaktadır. Helmholtz bobinlerinin meydana getireceği manyetik alanın büyüklüğü de bobinlerden geçecek olan akım ile doğru orantılı olduğundan; bu düşük akım, yapılacak test uygulaması için istenilen manyetik alanın üretilmesini zorlaştırmaktadır. Bu durumun en önemli dezavantajı da bu yüksek frekanslarda bobinlere yeterli akım sürebilmek için bir veya birden fazla yüksek maliyetli amplifikatörlere (yükselteçlere) ihtiyaç duyulmasıdır. Helmholtz bobinlerinin fiyatlarının yüksekliği de göz önüne alındığında, yapılmak istenen test uygulaması için gerekli donanım düzeneğinin maliyetinin oldukça yüksek olması kaçınılmaz olacaktır. Bu çalışmada özellikle bu konu ele alınmış ve orta-yüksek frekanslı Helmholtz bobin uygulamaları için düşük maliyetli bir donanım düzeneği geliştirilmesi amaçlanmıştır. Çalışmada sunulan ölçüm verileri ile de desteklendiği üzere 0-20 kHz çalışma frekansı aralığında kullanılabilecek, düşük maliyetli bir Helmholtz bobin donanım düzeneği oluşturulabileceği görülmüştür.

Abstract:
Magnetic field can be produced by Helmholtz coils which are used to generate a uniform magnetic field, using alternating or direct current. With these coils when static magnetic field is needed, this desired static magnetic field can be generated by driving DC current from a power source to the coils. However some test applications, which exemplified in this study, require uniform magnetic fields that change over time. In these cases, these magnetic fields at the desired frequency can be generated by driving alternating current to the Helmholtz coils from an AC power source. However, the magnitude of the frequency is a very important factor in this case. Because with the increases in frequency, the inductive reactance of Helmholtz coils also increases proportionally. In addition, this increased frequency also increases the coil resistance due to proximity and skin effect. Increasing coil impedance as a result of these parameters, causes very high voltages on the coils and decrease in the current that can be supplied from the power source to the coils. Since the magnitude of the magnetic field generated by the Helmholtz coils is directly proportional to the current that will pass through the coils, this low current makes it difficult to produce the desired magnetic field for the test application. The most important disadvantage of this situation is to need one or more high-cost amplifiers to drive sufficient current to the coils. Considering the high prices of Helmholtz coils, it will be inevitable that the cost of the hardware setup required for the test application will be quite high. In this study, this subject is specifically addressed and it was aimed to develop a low-cost hardware setup for mid-high frequency Helmholtz coil applications. Supported by the measurement data presented in this study, it has been seen that a low cost Helmholtz coil hardware setup can be created that can be used in the 0-20 kHz operating frequency range.