Индукционные нагреватели давно используются в промышленности. Все чаще мы также имеем дело с ними на наших кухнях.
В промышленности индукционные нагреватели используются, в частности, для закалки и плавления металлов, но также все чаще можно встретить их небольшие, «домашние» разновидности в виде индукционных плит - индукционные плиты для приготовления пищи в металлических горшках.
Многие люди, в том числе электронщики, считают, что индукционный нагреватель является загадочным и сложным устройством. Действительно, во многих случаях они являются довольно сложными, большими конструкциями, требующими большого количества дорогих элементов, точной настройки и часто автотрансформатора для электропитания. Тем не менее, индукционный нагреватель может быть изготовлен с использованием популярных, известных и недорогих компонентов.
В этой статье представлен миниатюрная версия индукционного нагревателя на 24 В постоянного тока. Он состоит из доступных элементов, которые в прототипе были получены в основном от поврежденных ИБП.
Основой работы индукционного нагревателя является использование определенных свойств железа, которое при воздействии быстро меняющегося электромагнитного поля может нагреваться. С общей схемой работы нагревателя можно ознакомиться на рисунке 1:
Электронная система управления - это просто генератор высокой мощности и высокой частоты (ВЧ), порядка нескольких десятков килогерц или более.
Большое значение переменного тока, протекающего через катушку, создает вокруг нее сильное магнитное поле. Помещая металлический элемент внутри спирали, через которую протекает ВЧ электрический ток, в нем индуцируются вихревые токи (как в закороченной катушке трансформатора), вызывая появление большого тока и, таким образом, выделение тепловой энергии. Эти токи протекают через относительно высокое сопротивление сердечника, обычно железо, сталь. Как вы знаете, железо и сталь имеют относительно высокое сопротивление.
Феномен потери гистерезиса в «черных» материалах, заключающийся в быстрой намагниченности магнитных доменов, возникающих внутри ферромагнетиков, также способствует прогреву.
Описание схемы
Этот индукционный нагреватель был создан как модификация популярного преобразователя ZVS (Zero Voltage Switching), Владимиро Мадзилли.Он широко известен, часто используется и вообще говоря, не вызывает проблем. В интернете Вы можете найти его различные версии.
Стоит потратить несколько минут, чтобы описать эту схему, потому что она очень часто используется в качестве генератора высокого напряжения. Схема такого преобразователя показана на рисунке 2:
Этот удивительно простой инвертор может достичь КПД более 90%, и это означает, что даже в приложениях, где выходная мощность велика и составляет сотни ватт, потери относительно невелики, а радиаторы, необходимые для транзисторов, в целом малы.
Упрощеный принцип работы инвертора показан на рис.3:
В первый момент после включения питания напряжение начинает увеличиваться на обоих стоках (и на обоих затворах), что приведет к открыванию обоих полевых MOS-FET транзисторов.
Фактически, ни пороговые напряжения Ugsth, ни сопротивления транзисторов, ни индуктивности двух половин индуктивности L1 не являются идентичными.
Следовательно, больше тока протекает через одну из половин катушки L1 и через один транзистор. Предположим, что из-за этой асимметрии транзистор T1 открылся быстрее, а напряжение в точке X близко к потенциалу земли.
Это означает, что напряжение на затворе транзистора Т2 становится низким и он запирается. Это приводит к увеличению напряжения в точке Y (даже выше напряжения питания UzAgs, что на данный момент не важно). Если бы не было LC резонансного контура, ток транзистора T1 увеличился бы до очень большого значения, ограниченного только сопротивлением катушки L1.
Ток стал бы чрезмерно большим, и транзистор T1, вероятно бы взорвался.
Это невозможно из-за наличия резонансного контура LIC1. Протекание тока через открытый транзистор T1 приводят к тому, что напряжение в точке X близко к земле, а в точке Y напряжение все еще остается высоким, поскольку резонансная цепь сначала вызывает его увеличение, но после времени, определенного L1C1, напряжение в точке Y начинает уменьшаться.В какой-то момент оно станет настолько маленьким, что закроет транзистор Т1. Это, в свою очередь, приведет к увеличению напряжения на его стоке в точке X, что откроет транзистор T2.
Транзисторы поменяются роли. Когда транзистор T2 открыт, напряжение на Y станет близким к нулю, что приведет к запиранию T1. Теперь в точке X напряжение сначала возрастет, а затем резонансный контур вызовет его снижение. В какой-то момент транзистор T2 закроется, откроется T1, и цикл повторится. Схема будет работать как генератор, в котором оба транзистора открыты попеременно.
Вернемся к рис.2. Допустимое напряжение на затворе (UG) MOSFET обычно составляет плюс минус 20 В. Даже при напряжении питания выше 10 В затворы будут повреждены.
Важным элементом являются стабилитроны, которые ограничивают напряжение на затворах транзисторов, защищая их от повреждений. Наличие резисторов R1, R2, подключенных к источнику питания, приводит к тому, что оба транзистора открываются одновременно, но этому препятствуют быстрые диоды D3, D4, которые отключают один из транзисторов, когда напряжение на стоке другого близко к нулю.
Также здесь основой для схемы является резонансный контур, состоящий из конденсатора С1 и катушки L1, намотанной в качестве первичной обмотки трансформатора. Резонансная частота этих элементов определяет частоту инвертора. Транзисторы работают попеременно, пропуская ток через первичную обмотку в противоположных направлениях.
Дроссель L2 «помогает» в получении синусоидальной формы выходного тока и ограничивает его величину.
Из-за большого тока в цепи LC конденсатор C1 должен быть хорошего качества (предпочтительно MKP) и адаптирован к напряжению, по меньшей мере, в три раза превышающему напряжение питания. проблема пробоя высоким напряжением этого конденсатора - это одно, а его низкое внутреннее сопротивление - другое. Как известно, потери происходят в реальных конденсаторах при протекании переменного тока. В основном это потери в диэлектрике. В результате конденсатор ведет себя так, как будто какое-то сопротивление было последовательно с емкостью. Это сопротивление суррогатных потерь называется ESR (Эквивалентное последовательное сопротивление). Поскольку в таких преобразователях большие токи протекают через такой конденсатор, сопротивление ESR должно быть как можно ниже, чтобы конденсатор чрезмерно не нагревался .
В обсуждаемой конструкции индукционного мини-нагревателя используется схема модификации, показанная на рисунке 4:
Модификация по отношению к оригиналу состоит в использовании двух дросселей L2 и L3, благодаря чему первичная обмотка не имеет отвода от средней точки. Также нет вторичной обмотки на выходе, потому что ее функцию будет выполнять «компактная катушка», которая будет нагревательным элементом.
В качестве управляющих транзисторов были использованы IRFP064N с напряжением стока 55В и допустимым током 98А. Могут быть использованы другие транзисторы с подобными или лучшими параметрами . Дроссели L2 и L3 были намотаны на желтых сердечниках от поврежденных импульсных источников питания. На каждом из них было намотано 30 витков эмалированной проволоки диаметром 1,2 мм. Быстрые диоды D3 и D4 должны иметь рабочее напряжение не менее 400 В.
В нашем случае это FMQGS5G-диоды в корпусе TO-247, но могут быть и более быстрые диоды на 1 А (см. UF4005 ... 4007, BYV26C..E).
Катушка резонансного контура выполнена из медной трубки с наружным диаметром 5 мм, профилированной в виде 5 витков. Внутренний диаметр катушки, изготовленной таким образом, составляет около 35 мм, и приблизительная индуктивность около 0,76 мкГн. При работе с частотой несколько десятков кГц использование проводника в форме трубки, а не толстого провода, продиктовано так называемым поверхностным эффектом, то есть протеканием высокочастотных токов только на внешнем слое проволоки.
Блок резонансных конденсаторов является еще одним важным компонентом устройства. Из-за тока в несколько сотен ампер один конденсатор будет быстро поврежден (перегрет). В описанной схеме использовались конденсаторы МКП, предназначенные для импульсной работы, от поврежденных UPS. Один конденсатор имеет емкость 2,2 мкФ, допустимое рабочее напряжение 250 В переменного тока. В общей сложности было использовано 8 таких конденсаторов, соединенных в группы 2 последовательно и 4 параллельно. Общая емкость составляет 4,4 мкФ.
По формуле для резонансной частоты
мы получаем резонансную частоту схемы в пределах 87 кГц.
Изготовление устройства
макет прототипа был собран на печатной плате (см. фото1). Дорожки сделаны ручной фрезеровкой. Из-за высоких токов, протекающих от источника питания и в резонансных цепях, должен быть использованы толстые провода. Дорожки должны быть покрыты дополнительным слоем припоя (даже больше, чем на фото 1).
В качестве корпуса устройства и одновременно радиатора для транзисторов был использован алюминиевый литой корпус от неисправного автомобильного преобразователя напряжения.
Оказалось, что он отлично сыграл свою роль. Были установлены большие силовые клеммы и вентилятор для охлаждения. Сняв верхнюю крышку, одну стенку и электронную плату, был вырезан кусок стеклотекстолита с такими же размерами, соответствующими направляющим корпуса.
Блок из восьми конденсаторов был установлен ближе всего к передней панели, рядом с резонансной катушкой.
Управляющие транзисторы достаточно сильно нагреваются, поэтому они размещены по бокам с обеих сторон корпуса и прикручены к нему винтами (фото 2, 3).
Следует помнить об использовании изолирующих прокладок, в противном случае схема может быть повреждена.
Были использованы два вентилятора для охлаждения инвертора. Заводской вентилятор, расположенный сзади рядом с силовыми клеммами, забирает воздух из корпуса, а другой, установленная сверху, всасывает внутрь (фото 4).
Такое расположение позволяет работать безопасно, не опасаясь перегрева. Вы можете заглянуть внутрь нагревателя через крышку из оргстекла, на котором установлен верхний вентилятор (фото 7-8). Передняя панель была вырезана из черного пластика и привернута к заводскому корпусу.
В отличие от многих аналогичных конструкций, этот питается от небольшого постоянного напряжения 12-24В.
Из-за высокого энергопотребления порядка нескольких десятков ампер прототип системы питался от гелевых аккумуляторов емкостью 60 Ач. При напряжении питания 12 В ток, потребляемый от батареи, составляет около 15-20 А, в то время как
ток в резонансной обмотке достигает более 1200А (фото 5-7). Это позволяет винту М8 разогреться до красного каления всего за несколько секунд.
При напряжении питания 24 В ток, потребляемый от батарей, достигает 30 А, а ток в резонансной обмотке 2000 А. Дальнейшее увеличение напряжения питания может повредить управляющие транзисторы.
Как вы видите, с небольшими финансовыми затратами можно легко построить полностью пригодный к использованию индукционный нагреватель.
Несмотря на небольшие размеры, устройство идеально подходит для закалки небольших стальных компонентов, гибочных стержней и т.д.
Предостережение! Хотя в схеме нет высокого напряжения, необходимо соблюдать осторожность при запуске и использовании.
Ток, потребляемый от источника питания, имеет очень высокое значение, и при питании от батарей большой емкости каждое короткое замыкание может быть очень опасно. Перед подключением нагревателя к источнику питания обязательно подключите последовательно с ним плавкий предохранитель на 100 А.
Автор не несет ответственность за нанесеный ущерб физическому лицу,связаный с изготовлением этого устройства.
Материал взят из журнала Elektronika dla Wszystkich за 2015.1
