Индукционный нагреватель металла на 12 киловатт – схема инвертора и компоненты
Сейчас мы узнаем как сделать своими руками индукционный нагреватель, который можно использовать для разных проектов или просто для удовольствия. Вы сможете мгновенно плавить сталь, алюминий или медь. Вы можете использовать её для пайки, плавления и ковки металлов. Вы можете использовать самодельный индуктивный нагреватель и для литья.
Мое учебное пособие охватывает теорию, компоненты и сборку некоторых из важнейших компонентов.
Инструкция большая, в ней мы рассмотрим основные шаги, дающие вам представление о том, что входит в такой проект, и о том, как его спроектировать, чтобы ничего не взорвалось.
Для печи я собрал очень точный недорогой криогенный цифровой термометр. Кстати, в тестах с жидким азотом он неплохо себя показал против брендовых термометров.
Шаг 1: Компоненты
Основные компоненты высокочастотного индукционного нагревателя для нагрева металла электричеством — инвертор, драйвер, соединительный трансформатор и колебательный контур RLC. Вы увидите схему чуть позже. Начнем с инвертора. Это — электрическое устройство, которое изменяет постоянный ток на переменный. Для мощного модуля он должен работать стабильно. Сверху находится защита, которая используется, чтобы защитить привод логического элемента МОП-транзистора от любого случайного перепада напряжения. Случайные перепады вызывают шум, который приводит к переключению на высокие частоты. Это приводит к перегреву и отказу МОП-транзистора.
Линии с большой силой тока находятся внизу печатной платы. Много слоев меди используются, чтобы позволить им пропускать более 50А тока. Нам не нужен перегрев. Также обратите внимание на большие алюминиевые радиаторы с водяным охлаждением с обеих сторон. Это необходимо, чтобы рассеивать тепло, вырабатываемое МОП-транзисторами.
Изначально я использовал вентиляторы, но чтобы справиться с этой мощностью, я установил небольшие водяные насосы, благодаря которым вода циркулирует через алюминиевые теплоотводы. Пока вода чистая, трубки не проводят ток. У меня также установлены тонкие слюдяные пластины под МОП-транзисторами, чтобы гарантировать отсутствие проводимости через стоки.
Шаг 2: Схема инвертора
Это схема для инвертора. Схема на самом деле не такая сложная. Инвертированный и неинвертированный драйвер повышает или понижает напряжение 15В, чтобы настроить переменный сигнал в трансформаторе (GDT). Этот трансформатор изолирует чипы от мосфетов. Диод на выходе мосфета действует для ограничения пиков, а резистор минимизирует колебания.
Конденсатор C1 поглощает любые проявления постоянного тока. В идеале, вам нужны самые быстрые перепады напряжения на цепи, так как они уменьшают нагрев. Резистор замедляет их, что кажется нелогичным. Однако если сигнал не угасает, вы получаете перегрузки и колебания, которые разрушают мосфеты. Больше информации можно получить из схемы демпфера.
Диоды D3 и D4 помогают защитить МОП-транзисторы от обратных токов. C1 и C2 обеспечивают незамкнутые линии для проходящего тока во время переключения. T2 — это трансформатор тока, благодаря которому драйвер, о котором мы поговорим далее, получает обратный сигнал от тока на выходе.
Шаг 3: Драйвер
Эта схема действительно большая. Вообще, вы можете прочитать про простой маломощный инвертор. Если вам нужна большая мощность, вам нужен соответствующий драйвер. Этот драйвер будет останавливаться на резонансной частоте самостоятельно. После того, как ваш металл расплавится, он останется заблокированным на правильной частоте без необходимости какой-либо регулировки.
Если вы когда-либо строили простой индукционный нагреватель с чипом PLL, вы, вероятно, помните процесс настройки частоты, чтобы металл нагревался. Вы наблюдали за движением волны на осциллографе и корректировали частоту синхронизации, чтобы поддерживать эту идеальную точку. Больше не придется этого делать.
В этой схеме используется микропроцессор Arduino для отслеживания разности фаз между напряжением инвертора и емкостью конденсатора. Используя эту фазу, он вычисляет правильную частоту с использованием алгоритма «C».
Сигнал емкости конденсатора находится слева от LM6172. Это высокоскоростной инвертор, который преобразует сигнал в красивую, чистую квадратную волну. Затем этот сигнал изолируется с помощью оптического изолятора FOD3180. Эти изоляторы являются ключевыми!
Далее сигнал поступает в PLL через вход PCAin. Он сравнивается с сигналом на PCBin, который управляет инвертором через VCOout. Ардуино тщательно контролирует тактовую частоту PLL, используя 1024-битный импульсно-модулированный сигнал. Двухступенчатый RC-фильтр преобразует сигнал PWM в простое аналоговое напряжение, которое входит в VCOin.
Как Ардуино знает, что делать? Магия? Догадки? Нет. Он получает информацию о разности фаз PCA и PCB от PC1out. R10 и R11 ограничивают напряжение в пределах 5 напряжений для Ардуино, а двухступенчатый RC-фильтр очищает сигнал от любого шума. Нам нужны сильные и чистые сигналы, потому что мы не хотим платить больше денег за дорогие мосфеты после того, как они взорвутся от шумных входов.
Шаг 4: Передохнём
Это был большой массив информации. Вы можете спросить себя, нужна ли вам такая причудливая схема? Зависит от вас. Если вы хотите автонастройку, тогда ответ будет «да». Если вы хотите настраивать частоту вручную, тогда ответ будет отрицательным. Вы можете создать очень простой драйвер всего лишь с таймером NE555 и использовать осциллограф. Можно немного усовершенствовать его, добавив PLL (петля фаза-ноль)
Тем не менее, давайте продолжим.
Шаг 5: LC-контур
К этой части есть несколько подходов. Если вам нужен мощный нагреватель, вам понадобится конденсаторный массив для управления током и напряжением.
Во-первых, вам нужно определить, какую рабочую частоту вы будете использовать. Более высокие частоты имеют больший скин-эффект (меньшее проникновение) и хороши для небольших объектов. Более низкие частоты лучше для больших объектов и имеют большее проникновение. Более высокие частоты имеют большие потери при переключении, но через бак пройдет меньше тока. Я выбрал частоту около 70 кГц и дошел до 66 кГц.
Мой конденсаторный массив имеет ёмкость 4,4 мкФ и может выдерживать более 300А. Моя катушка около 1мкГн. Также я использую импульсные пленочные конденсаторы. Они представляют собой осевой провод из самовосстанавливающегося металлизированного полипропилена и имеют высокое напряжение, высокий ток и высокую частоту (0.22 мкФ, 3000В). Номер модели 224PPA302KS.
Я использовал две медные шины, в которых просверлил соответствующие отверстия с каждой стороны. Паяльником я припаял конденсаторы к этим отверстиям. Затем я прикрепил медные трубки с каждой стороны для водного охлаждения.
Не берите дешевые конденсаторы. Они будут ломаться, и вы заплатите больше денег, чем если бы вы сразу купили хорошие.
Шаг 6: Сборка трансформатора
Если вы внимательно читали статью, вы зададите вопрос: а как управлять LC-контуром? Я уже рассказывал об инверторе и контуре, не упоминая, как они связаны.
Соединение осуществляется через соединительный трансформатор. Мой от Magnetics, Inc. Номер детали — ZP48613TC. Adams Magnetics также является хорошим выбором при выборе ферритовых тороидов.
Тот, что слева, имеет провод 2мм. Это хорошо, если ваш входной ток ниже 20А. Провод перегреется и сгорит, если ток больше. Для высокой мощности вам нужно купить или сделать литцендрат. Я сделал сам, сплетя 64 нити из проволоки 0.5мм. Такой провод без проблем может выдержать ток 50А.
Инвертор, который я показал вам ранее, принимает высоковольтный постоянный ток и изменяет его на переменные высокие или низкие значения. Эта переменная квадратная волна проходит черезч соединительный трансформатор через переключатели мосфета и конденсаторы связи постоянного тока на инверторе.
Медная трубка из емкостного конденсатора проходит через нее, что делает ее одновитковой вторичной обмоткой трансформатора. Это, в свою очередь, позволяет сбрасываемому напряжению проходить через конденсатор емкости и рабочую катушку (контур LC).
Шаг 7: Делаем рабочую катушку
Один из вопросов, который мне часто задавали: «Как ты делаешь такую изогнутую катушку?» Ответ — песок. Песок будет препятствовать разрушению трубки во время процесса изгиба.
Возьмите медную трубку от холодильника 9мм и заполните ее чистым песком. Перед тем, как сделать это, закройте один конец какой-нибудь лентой, а также закройте другой после заполнения песком. Вкопайте трубу соответствующего диаметра в землю. Отмерьте длину трубки для вашей катушки и начните медленно наматывать её на трубу. Как только вы сделаете один виток, остальные будет сделать несложно. Продолжайте наматывать трубку, пока не получите количество желаемых витков (обычно 4-6). Второй конец нужно выровнять с первым. Это упростит подключение к конденсатору.
Теперь снимите колпачки и возьмите воздушный компрессор, чтобы выдуть песок. Желательно делать это на улице.
Обратите внимание, что медная трубка также служит для водного охлаждения. Эта вода циркулирует через емкостный конденсатор и через рабочую катушку. Рабочая катушка генерирует много тепла от тока. Даже если вы используете керамическую изоляцию внутри катушки (чтобы удерживать тепло), вы по-прежнему будете иметь чрезвычайно высокие температуры в рабочем пространстве, нагревающие катушку. Я начну работу с большим ведром ледяной воды и через некоторое время она станет горячей. Советую заготовить очень много льда.
Шаг 8: Обзор проекта
Выше представлен обзор проекта на 3 кВт. Он имеет простой PLL-драйвер, инвертор, соединительный трансформатор и бак.
Видео демонстрирует 12кВт индукционный горн в работе. Основное различие заключается в том, что он имеет управляемый микропроцессором драйвер, более крупные МОП-транзисторы и теплоотводы. Блок 3кВт работает от 120В переменного тока; блок 12 кВт использует 240В.
Индукционный нагреватель металла на 12 киловатт – схема инвертора и компоненты
Сейчас мы узнаем как сделать своими руками индукционный нагреватель, который можно использовать для разных проектов или просто для удовольствия. Вы сможете мгновенно плавить сталь, алюминий или медь. Вы можете использовать её для пайки, плавления и ковки металлов. Вы можете использовать самодельный индуктивный нагреватель и для литья.
Мое учебное пособие охватывает теорию, компоненты и сборку некоторых из важнейших компонентов.
Инструкция большая, в ней мы рассмотрим основные шаги, дающие вам представление о том, что входит в такой проект, и о том, как его спроектировать, чтобы ничего не взорвалось.
Для печи я собрал очень точный недорогой криогенный цифровой термометр. Кстати, в тестах с жидким азотом он неплохо себя показал против брендовых термометров.
Шаг 1: Компоненты
Основные компоненты высокочастотного индукционного нагревателя для нагрева металла электричеством — инвертор, драйвер, соединительный трансформатор и колебательный контур RLC. Вы увидите схему чуть позже. Начнем с инвертора. Это — электрическое устройство, которое изменяет постоянный ток на переменный. Для мощного модуля он должен работать стабильно. Сверху находится защита, которая используется, чтобы защитить привод логического элемента МОП-транзистора от любого случайного перепада напряжения. Случайные перепады вызывают шум, который приводит к переключению на высокие частоты. Это приводит к перегреву и отказу МОП-транзистора.
Линии с большой силой тока находятся внизу печатной платы. Много слоев меди используются, чтобы позволить им пропускать более 50А тока. Нам не нужен перегрев. Также обратите внимание на большие алюминиевые радиаторы с водяным охлаждением с обеих сторон. Это необходимо, чтобы рассеивать тепло, вырабатываемое МОП-транзисторами.
Изначально я использовал вентиляторы, но чтобы справиться с этой мощностью, я установил небольшие водяные насосы, благодаря которым вода циркулирует через алюминиевые теплоотводы. Пока вода чистая, трубки не проводят ток. У меня также установлены тонкие слюдяные пластины под МОП-транзисторами, чтобы гарантировать отсутствие проводимости через стоки.
Шаг 2: Схема инвертора
Это схема для инвертора. Схема на самом деле не такая сложная. Инвертированный и неинвертированный драйвер повышает или понижает напряжение 15В, чтобы настроить переменный сигнал в трансформаторе (GDT). Этот трансформатор изолирует чипы от мосфетов. Диод на выходе мосфета действует для ограничения пиков, а резистор минимизирует колебания.
Конденсатор C1 поглощает любые проявления постоянного тока. В идеале, вам нужны самые быстрые перепады напряжения на цепи, так как они уменьшают нагрев. Резистор замедляет их, что кажется нелогичным. Однако если сигнал не угасает, вы получаете перегрузки и колебания, которые разрушают мосфеты. Больше информации можно получить из схемы демпфера.
Диоды D3 и D4 помогают защитить МОП-транзисторы от обратных токов. C1 и C2 обеспечивают незамкнутые линии для проходящего тока во время переключения. T2 — это трансформатор тока, благодаря которому драйвер, о котором мы поговорим далее, получает обратный сигнал от тока на выходе.
Шаг 3: Драйвер
Эта схема действительно большая. Вообще, вы можете прочитать про простой маломощный инвертор. Если вам нужна большая мощность, вам нужен соответствующий драйвер. Этот драйвер будет останавливаться на резонансной частоте самостоятельно. После того, как ваш металл расплавится, он останется заблокированным на правильной частоте без необходимости какой-либо регулировки.
Если вы когда-либо строили простой индукционный нагреватель с чипом PLL, вы, вероятно, помните процесс настройки частоты, чтобы металл нагревался. Вы наблюдали за движением волны на осциллографе и корректировали частоту синхронизации, чтобы поддерживать эту идеальную точку. Больше не придется этого делать.
В этой схеме используется микропроцессор Arduino для отслеживания разности фаз между напряжением инвертора и емкостью конденсатора. Используя эту фазу, он вычисляет правильную частоту с использованием алгоритма «C».
Я проведу вас по цепи:
Сигнал емкости конденсатора находится слева от LM6172. Это высокоскоростной инвертор, который преобразует сигнал в красивую, чистую квадратную волну. Затем этот сигнал изолируется с помощью оптического изолятора FOD3180. Эти изоляторы являются ключевыми!
Далее сигнал поступает в PLL через вход PCAin. Он сравнивается с сигналом на PCBin, который управляет инвертором через VCOout. Ардуино тщательно контролирует тактовую частоту PLL, используя 1024-битный импульсно-модулированный сигнал.
Как Ардуино знает, что делать? Магия? Догадки? Нет. Он получает информацию о разности фаз PCA и PCB от PC1out. R10 и R11 ограничивают напряжение в пределах 5 напряжений для Ардуино, а двухступенчатый RC-фильтр очищает сигнал от любого шума. Нам нужны сильные и чистые сигналы, потому что мы не хотим платить больше денег за дорогие мосфеты после того, как они взорвутся от шумных входов.
Шаг 4: Передохнём
Это был большой массив информации. Вы можете спросить себя, нужна ли вам такая причудливая схема? Зависит от вас. Если вы хотите автонастройку, тогда ответ будет «да». Если вы хотите настраивать частоту вручную, тогда ответ будет отрицательным. Вы можете создать очень простой драйвер всего лишь с таймером NE555 и использовать осциллограф. Можно немного усовершенствовать его, добавив PLL (петля фаза-ноль)
Тем не менее, давайте продолжим.
Шаг 5: LC-контур
К этой части есть несколько подходов. Если вам нужен мощный нагреватель, вам понадобится конденсаторный массив для управления током и напряжением.
Во-первых, вам нужно определить, какую рабочую частоту вы будете использовать. Более высокие частоты имеют больший скин-эффект (меньшее проникновение) и хороши для небольших объектов. Более низкие частоты лучше для больших объектов и имеют большее проникновение. Более высокие частоты имеют большие потери при переключении, но через бак пройдет меньше тока. Я выбрал частоту около 70 кГц и дошел до 66 кГц.
Мой конденсаторный массив имеет ёмкость 4,4 мкФ и может выдерживать более 300А. Моя катушка около 1мкГн. Также я использую импульсные пленочные конденсаторы. Они представляют собой осевой провод из самовосстанавливающегося металлизированного полипропилена и имеют высокое напряжение, высокий ток и высокую частоту (0.22 мкФ, 3000В). Номер модели 224PPA302KS.
Я использовал две медные шины, в которых просверлил соответствующие отверстия с каждой стороны. Паяльником я припаял конденсаторы к этим отверстиям.
Не берите дешевые конденсаторы. Они будут ломаться, и вы заплатите больше денег, чем если бы вы сразу купили хорошие.
Шаг 6: Сборка трансформатора
Если вы внимательно читали статью, вы зададите вопрос: а как управлять LC-контуром? Я уже рассказывал об инверторе и контуре, не упоминая, как они связаны.
Соединение осуществляется через соединительный трансформатор. Мой от Magnetics, Inc. Номер детали — ZP48613TC. Adams Magnetics также является хорошим выбором при выборе ферритовых тороидов.
Тот, что слева, имеет провод 2мм. Это хорошо, если ваш входной ток ниже 20А. Провод перегреется и сгорит, если ток больше. Для высокой мощности вам нужно купить или сделать литцендрат. Я сделал сам, сплетя 64 нити из проволоки 0.5мм. Такой провод без проблем может выдержать ток 50А.
Инвертор, который я показал вам ранее, принимает высоковольтный постоянный ток и изменяет его на переменные высокие или низкие значения. Эта переменная квадратная волна проходит черезч соединительный трансформатор через переключатели мосфета и конденсаторы связи постоянного тока на инверторе.
Медная трубка из емкостного конденсатора проходит через нее, что делает ее одновитковой вторичной обмоткой трансформатора. Это, в свою очередь, позволяет сбрасываемому напряжению проходить через конденсатор емкости и рабочую катушку (контур LC).
Шаг 7: Делаем рабочую катушку
Один из вопросов, который мне часто задавали: «Как ты делаешь такую изогнутую катушку?» Ответ — песок. Песок будет препятствовать разрушению трубки во время процесса изгиба.
Возьмите медную трубку от холодильника 9мм и заполните ее чистым песком. Перед тем, как сделать это, закройте один конец какой-нибудь лентой, а также закройте другой после заполнения песком. Вкопайте трубу соответствующего диаметра в землю. Отмерьте длину трубки для вашей катушки и начните медленно наматывать её на трубу. Как только вы сделаете один виток, остальные будет сделать несложно. Продолжайте наматывать трубку, пока не получите количество желаемых витков (обычно 4-6). Второй конец нужно выровнять с первым. Это упростит подключение к конденсатору.
Теперь снимите колпачки и возьмите воздушный компрессор, чтобы выдуть песок. Желательно делать это на улице.
Обратите внимание, что медная трубка также служит для водного охлаждения. Эта вода циркулирует через емкостный конденсатор и через рабочую катушку. Рабочая катушка генерирует много тепла от тока. Даже если вы используете керамическую изоляцию внутри катушки (чтобы удерживать тепло), вы по-прежнему будете иметь чрезвычайно высокие температуры в рабочем пространстве, нагревающие катушку. Я начну работу с большим ведром ледяной воды и через некоторое время она станет горячей. Советую заготовить очень много льда.
Шаг 8: Обзор проекта
Выше представлен обзор проекта на 3 кВт. Он имеет простой PLL-драйвер, инвертор, соединительный трансформатор и бак.
Видео демонстрирует 12кВт индукционный горн в работе. Основное различие заключается в том, что он имеет управляемый микропроцессором драйвер, более крупные МОП-транзисторы и теплоотводы. Блок 3кВт работает от 120В переменного тока; блок 12 кВт использует 240В.
Простая и мощная ручная настройка индукционного нагревателя — Teslascience Hacks
Индукционный нагрев — это удивительная возможность беспроводного нагревания металлических или графитовых предметов без использования открытого огня и с минимальными потерями тепла в окружающую среду. Это не новое явление и существует уже более 100 лет. Он широко используется в металлургической и автомобильной промышленности, поскольку его легко контролировать и масштабировать.
Прочитав руководство и соорудив индукционный нагреватель с фазовой автоподстройкой частоты (PLL) на основе работы Джонатана Крайдена (mindcallenger.com), я захотел придумать что-то простое и легкое в сборке для начинающих любителей электроники. Поскольку я также новичок в электронике, я чувствовал, что этот проект будет интересным и даст хорошее представление об основах работы индукционных нагревателей.
В дополнение к упомянутому выше нагревателю PLL, я также построил много индукционных нагревателей типа Mazilli или Royer, включая дешевые драйверы Mazilli китайского производства, доступные на Ebay и Alibaba. Я обнаружил, что, хотя они хороши и просты в использовании, они склонны к сбоям, поскольку они ограничены диапазоном работы при низком напряжении и относительно низкой мощностью для того, что я хотел. Их также трудно контролировать с точки зрения количества нагрева. Хотелось сделать что-то более надежное и управляемое, а не вылиться в кучу перегоревших транзисторов! По сути, мне нужна была настраиваемая вручную установка, которая работала бы от выпрямленной сети вместо дорогих импульсных источников питания. Базовая конструкция заключалась бы в том, чтобы взять более высокое напряжение при более низком токе (с чем хорошо справляются MOSFET-транзисторы) и преобразовать это в более низкое напряжение при гораздо более высоких токах порядка 100 или 1000 ампер и высокочастотном переменном токе, обычно 20-100 кГц.Упомянутые выше индукционные нагреватели с ФАПЧ (хорошее подробное руководство по ним см. в работе Джонатана Крайдена на http://inductionheatertutorial.com/) автоматически настраиваются на определенную точку. PLL работает от генератора, управляемого напряжением. Поскольку частота резонанса индукционного нагревателя изменяется при помещении в него заготовки. Это может привести к резонансу потерь и соответствующей потере нагрева, поскольку максимальный нагрев происходит, когда контур бака индукционного нагревателя находится в резонансе. При использовании PLL напряжение на баке подается на управляемый напряжением генератор микросхемы CD4046 PLL для поддержания максимального напряжения на баке. Однако обычно, когда металл, такой как железо, достигает точки Кюри, изменение резонансной частоты выходит за пределы диапазона PLL, и схема выходит из резонанса, и нагрев прекращается. Некоторые любители электроники в области индукционного нагрева (например, Джонатон Крайден на mindchallenger.com) обошли это, используя микропроцессор для поддержания резонанса схемы, а также для периодической расстройки схемы для снижения общего тока, протекающего через силовые транзисторы. спасение их от разрушения в том случае, если ток превысит максимально допустимое значение. Многие люди помогли продвинуть области твердотельного индукционного нагрева, в том числе такие люди, как «Неон Джон», Бэйли Ванг из Массачусетского технологического института, Джонатан Крайден, Ричи Бернетт (Великобритания) и многие другие.
Завершенный проект — небольшой мощный настольный блок:
Если вы планируете построить индукционный нагреватель, такой как показанный здесь, сначала предостережение: в этом проекте использовалась незащищенная сеть, высокое напряжение и большие токи с серьезными риск получения травмы или хуже, если не выполняется в опытных руках. Я не несу ответственности за травмы или более серьезные последствия любой работы, описанной здесь. Работа, описанная здесь, предназначена только для академического и научного интереса.
Описанный здесь проект можно разделить на 3 части: 1) Генератор с переменной частотой, 2) Полумостовой инвертор с МОП-транзисторами или IGBT и 3) Баковая схема.
Вот список компонентов для этого проекта по разделам:
ГЕНЕРАТОР С ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТОЙ:
- 8-контактный разъем IC x 3
- 14-контактный разъем IC x 1
- Резистор 1 кОм 0,5 Вт x 2
- Керамический конденсатор 10 нФ, 50 В x 1
- 1 нФ, керамический колпачок 50 В x 1
- 20k 10-оборотный банк x 1
- Керамический конденсатор 100 нФ, 50 В, 4 шт.
- 47 мкФ, 35 В электролитический конденсатор x 4
- 1 мкФ керамика, цоколь 50 В x 4
- 1000 мкФ, электролитический колпачок 35 В x 1
- LM7815 х 1
- LM7805 x 1
- маленький радиатор для LM7815 x 1
- Алюминиевый ящик для проектов (дополнительно) x 1
- Понижающий трансформатор с 120 В переменного тока на 19–26,5 В (радиостанция) x 1
- Мостовой выпрямитель 50 В 2 А x 1
- 1 – зеленый ферритовый тор диаметром 1,5 дюйма x 1 (для GDT)
- перфокартон x 1
- тонкий припой (зафлюсованный канифолью) x 1
- паяльник 20-30 Вт x 1
- UC37321 x 2
- UC37322 x 2
- NE555 x 1
- 1N5819 (Шоттки) x 4
- Соединительный провод x 1 рулон
- 74HC14 шестигранный инвертор x 1
ПОЛУМОСТНОЙ ИНВЕРТОР И ШИННЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ:
- IRFP260N x 2
- 6,8 Ом, резистор 2 Вт x 2
- 1N5819 (Шоттки) x 2
- 1N4744A (стабилитрон 15 В) x 4
- Сверхбыстродействующий диод U860 x 2
- 1. 5KE440CA двунаправленный диод TVS (или однонаправленный) x 1
- Полипропиленовый демпферный колпачок 5 мкФ, 450 В x 1
- 100 кОм, резистор 2 Вт x 2
- Aerovox RBPS20591KR6GNZ Демпферный колпачок 1 кВ, 2 мкФ, используемый для колпачка блокировки постоянного тока (доступен в компании Eastern Voltage Research, Нью-Джерси, США) x 1
- 400–450 В, 1500 мкФ, электролитические конденсаторы, 2 шт.
- Тумблер 20–30 А, 1 шт.
- Шунтирующий амперметр 20–30 А x 1
- Ферритовый тороид (большой) для трансформатора связи x 1 (или больше)
- Изолированный многожильный провод калибра 16 на 22 витка трансформатора связи
- большой алюминиевый радиатор x 1 (Ebay)
- Мостовой выпрямитель 35–40 А, 400 В x 1
- Предохранитель 30–40 А с держателем предохранителя или автоматический выключатель 30–40 А x 1
- клеммные винтовые соединители x 4 (для легкого удаления IGBT MOSFET)
КОНДЕНСАТОР РЕЗЕРВУАРА – 6-ОБОРОТНАЯ РАБОЧАЯ КАТУШКА:
- Мягкая медная трубка 3/8″ из хозяйственного магазина x 1
- 3/8″ фитинги для медных труб x 2-4
- Фонтанный насос x 1
- Латексная трубка для соединения насоса и медной трубки, 1 рулон
- припой и флюс x 1
- Резак для медных труб x 1
- 12 емкостных конденсаторов 1200 В, 0,33 мкФ (доступны здесь: https://www. ebay.com/itm/10PCS-New-BM-Capacitor-MKPH-0-33uF-630VAC-1200VDC-for-Induction-cooker-P -30-5/272271654633?hash=item3f64a7bee9:g:PJ4AAOSw9eVXXQsg), а также другие китайские сайты на Ebay
- Резистор 47 кОм x 1
- зеленый светодиод x 1
- Ультрабыстрый диод UF4007 x 1
В этом проекте мы используем микросхему таймера 555 (рис. 1) в нестабильном режиме для генерации прямоугольного сигнала с коэффициентом заполнения 50%. Это достигается с помощью переменного резистора (0-20 кОм) для генерации переменной частоты в диапазоне от 35 кГц до 132 кГц. Этот диапазон отлично подходит для различных индукционных нагревателей различных размеров. Хотя 555 выдает прямоугольную волну, это не «чистая» прямоугольная волна. Чтобы очистить прямоугольную волну, выход 555 подается на шестнадцатеричный инвертор 74HC14, который выдает хороший чистый прямоугольный сигнал. Он подается на инвертирующие и неинвертирующие входы микросхем драйверов MOSFET UC37321/22. Эти микросхемы питаются от 15 В для 15-вольтового выхода. Поскольку чипы работают в непрерывном режиме, а не в импульсном режиме, как в твердотельных катушках Теслы, они имеют тенденцию нагреваться. Для уменьшения перегрева этих микросхем по 2 штуки каждой из микросхем укладываются параллельно, спаивая их ножки между собой. На эти параллельно соединенные чипы можно наклеить небольшие полоски алюминия для еще большего охлаждения. Выход микросхемы проходит через керамические конденсаторы, которые функционируют как конденсаторы блокировки постоянного тока. Обычно достаточно 1-2 мкФ (рис. 1). Крышки должны быть рассчитаны не менее чем на 50В. Трансформатор драйвера затвора намотан на ферритовом тороиде, который намотан 1:1:1 10-15 витками трехжильного провода. Одна из трехжильных обмоток является первичной обмоткой ГРТ, подключенной к выходу микросхемы драйвера затвора UC. Две оставшиеся обмотки открывают затворы полевых МОП-транзисторов; один из двух включен, а другой выключен. Это достигается заменой местами соединения вывода второй из трехжильных обмоток. Прежде чем подключать выходы GDT к затворам MOSFET, проверьте формы сигналов вторичных GDT, чтобы убедиться, что они прямоугольные или как можно ближе к прямоугольным. Это может включать использование другого или большего GDT или увеличение или уменьшение количества обмоток на нем. Существует множество различных типов ферритового материала. Зеленые ферритовые тороиды работают лучше всего. Желтые или светло-зеленые тороиды из порошкового железа, используемые в компьютерных блоках питания, дают очень плохой сигнал привода затвора и не подходят для этой цели. Единственным недостатком такого использования микросхемы таймера 555 является то, что ваш рабочий цикл фиксируется на уровне 50%. Поскольку 555 допускает возможность одновременного включения обоих полевых МОП-транзисторов, известную как «прострел», существует возможность одновременного включения обоих полевых МОП-транзисторов, что приведет к короткому замыканию и разрушению полумоста. Однако, несмотря на такую возможность с чипом 555, я ни разу не наблюдал эффектов «простреливания» после многочасовой работы индукционного нагревателя!
Рисунок 1 (555 Схема драйвера на основе таймера — обратите внимание, если наблюдается слишком сильный нагрев микросхем управления затвором, попробуйте уменьшить емкость керамических конденсаторов между выходом микросхем управления затвором и GDT с 2 мкФ до 0,1. мкФ). 7HC14N является опечаткой и должно читаться как 74HC14. НАЖМИТЕ ЗДЕСЬ, ЧТОБЫ ПОЛУЧИТЬ ИЗОБРАЖЕНИЕ С БОЛЬШИМ РАЗРЕШЕНИЕМ
Отрицательная шина секции драйвера на рис. 1 также должна быть заземлена на заземление сети, так как при ручной настройке могут возникать колебания выходного сигнала, когда вы перемещаете руку или другие предметы рядом с секцией драйвера. если бы он не был должным образом заземлен, как я испытал. Секция драйвера должна быть изолирована от силовой части цепи предпочтительно алюминиевой коробкой. Коробка также должна быть заземлена. Важно: обратите внимание, что 15-вольтовый регулятор напряжения LM7815 ДОЛЖЕН иметь радиатор, иначе он перегреется и выключится. Теплоотвод может быть достигнут либо путем добавления навинчиваемого радиатора к регулятору, либо, что более удобно, путем ввинчивания LM7815 в стенку проектной коробки. Поскольку металлическая задняя часть регулятора представляет собой отрицательную шину, это позволяет легко заземлить отрицательную шину, а также коробку на землю, просто подключив заземление к внешней стороне коробки.
Полумостовой инвертор (рис. 2) питается выпрямленным переменным током от вариатора. Он также будет работать с выпрямленным переменным током без больших сглаживающих конденсаторов, если нет необходимости в удвоителе напряжения.
Выпрямитель может быть подключен как удвоитель напряжения, обеспечивающий максимальное постоянное напряжение 120 x 1,42 x2 = 340 В на инверторе или 170 В на каждом плече полумоста. Вы хотите использовать как минимум 2 или 3 кВА variac. Однако будет работать с вариаком на 500 ВА, но с меньшей мощностью.
Рис. 2 (Полумостовой инвертор с защитными диодами, демпферным колпачком и резисторами затвора 6,8 Ом) НАЖМИТЕ ЗДЕСЬ, ЧТОБЫ ПОЛУЧИТЬ ИЗОБРАЖЕНИЕ С БОЛЬШИМ РАЗРЕШЕНИЕМ их огромное рассеивание мощности (которое обязательно требует радиатора). Для еще большей мощности МОП-транзисторы IRFP260N можно заменить на FDh54N50. Поскольку все эти полевые МОП-транзисторы имеют собственную емкость затвора, которая в сочетании с вторичной индуктивностью трансформатора управления затвором может привести к сильным колебаниям звона на затворах во время переключения, что приведет к повреждению затворов. Этот звон гасится резисторами затвора на 6,8 Ом. Остаточный заряд на затворах полевых МОП-транзисторов быстро разряжается транзистором Шоттки (1N5819).) диоды, подключенные параллельно резисторам затвора (см. рис. 2). Если затворы работают при напряжении 15 В, они работают в области плато кривой напряжения-тока, где нагрев полевого МОП-транзистора снижается. Это дополнительно уменьшается за счет ZVS или переключения нулевой точки, которое достигается правильной настройкой (см. далее). Противоположные стабилитроны на затворе и истоке предотвращают скачки напряжения на затворе более 15 В и, следовательно, защищают затворы от повреждений из-за скачков напряжения. Сверхбыстродействующие обратные диоды (U860) на истоке и стоке МОП-транзисторов защищают их от скачков обратного напряжения. Снабберный конденсатор, рассчитанный на 450 В 5 мкФ, и диоды TVS, обычно рассчитанные на 400–440 В (переходное напряжение), защищают мост от скачков напряжения. Большие электролитические конденсаторы помогают сгладить выпрямленный переменный ток и действуют как резервуар заряда. Они также позволяют настроить удвоитель напряжения мостового выпрямителя. Выпрямитель и транзисторы IRFP260 должны иметь радиатор с добавлением вентилятора для дополнительного охлаждения радиаторов. Выход инвертора подается на трансформатор связи, предпочтительно изготовленный из феррита, вокруг которого намотано около 20-22 витков изолированного многожильного провода калибра 16. Эти обмотки действуют как первичные обмотки для контура бака (см. рис. 3). Резервуар представляет собой первичную обмотку с 1 витком, соединенную последовательно с рабочей катушкой (в данном случае 6 витков медной трубки диаметром 3/8 дюйма диаметром 1,5 дюйма) и последовательно с батареей конденсаторов (рис. 3). Конденсаторная батарея состоит из 12 параллельно соединенных конденсаторов MKP 0,33 мкФ 1200 В (рассчитанных на использование с индукционными нагревателями и катушками Тесла). Использование качественных MKP или других полипропиленовых конденсаторов, способных выдерживать большие токи, высокое напряжение и высокую частоту, необходимо для работы индукционного нагревателя. Если конденсаторы имеют неправильный номинал, они нагреются и взорвутся, а передача энергии на заготовку в 6-витковой рабочей катушке будет незначительной или вообще не будет передаваться.
Блокировочный конденсатор постоянного тока 1 кВ 2 мкФ подключен между выходом инвертора и ферритовым трансформатором связи (см. схему инвертора на рис. 2). В начальном запуске я использовал блокирующий конденсатор постоянного тока с неправильным номиналом (5 мкФ на 275 В вместо 2 мкФ на 1000 В), и вот результат:
Вот замена на правильный блокировочный конденсатор (Aerovox) на 1 кВ 2 мкФ, который безупречно функционировал в несколько прогонов:
4 электролитических конденсатора соединены последовательно параллельно для удвоения напряжения в цепи. Обратите также внимание на резистор 100 кОм на этой конденсаторной батарее для отвода лишнего заряда, когда устройство не используется.
Резонансную частоту контура резервуара можно определить, подключив его к генератору сигналов через резистор 10 кОм и измеряя напряжение на резервуаре до тех пор, пока не будет достигнут резонанс.
При типичном запуске переменный ток на вариаторе устанавливается на низкое значение, например, 40 В. Цепь драйвера настраивается, начиная с более высокой частоты ВЫШЕ резонанса контура резервуара и медленно настраиваясь на более низкую частоту, пока не будет достигнута резонансная частота контура резервуара. В этот момент загорится зеленый светодиодный индикатор на баке, и будет слышно гудение вариатора. Настройку продолжают до тех пор, пока на шунтирующем амперметре не появится максимальный ток (рис. 2).
Важно начинать с более высокой частоты выше резонансной и медленно уменьшать частоту, пока не будет достигнут резонанс и не произойдет нагрев заготовки. Причина в том, что если настройка начинается с более низкой частоты на более высокую, между истоком и стоком полевого МОП-транзистора возникнут сильные скачки напряжения звонка ниже резонанса, что может привести к выходу из строя МОП-транзистора.
Предпочтительно начинать настройку, когда заготовка (нагреваемый кусок металла) уже находится в рабочей катушке. Отсутствие заготовки в катушке приведет к очень высоким токам, протекающим через стоки полевых МОП-транзисторов, что может привести к их нагрузке. Когда устройство настроено (максимальный ток при наличии заготовки и горящем индикаторе), напряжение на вариаторе медленно увеличивается для достижения желаемого уровня нагрева. Перенастройка выполняется по мере необходимости с увеличением напряжения на вариаке для максимального нагрева заготовки.
Рис. 3 (Настройка контура резервуара со световым индикатором состояния резонанса) НАЖМИТЕ ЗДЕСЬ, ЧТОБЫ ПОЛУЧИТЬ ИЗОБРАЖЕНИЕ С ВЫСОКИМ РАЗРЕШЕНИЕМ
Если, например, 20 А протекает через МОП-транзисторы во время нагрева, это соответствует 22 x 20 А, протекающим через МОП-транзисторы. бак с 22-витковым трансформатором связи, т.е. 440А.
Использование токоизмерительных клещей для измерения тока 355 А, протекающего в контуре резервуара:
С 6-витковой рабочей катушкой величина тока, протекающего в изделии, составит 440 x 6 = приблизительно 2,6 кА! Общая емкость конденсаторной батареи, состоящей из 12 конденсаторов по 0,33 мкФ = 4 мкФ. С 6-витковой 1,5-дюймовой рабочей катушкой это колеблется примерно на 60 кГц. Это частота, при которой схема находится в резонансе и происходит переключение нулевой точки транзисторов. Частота может быть изменена на лету, чтобы приспособить большую заготовку и т. д. Обычно для более точной настройки предпочтительнее использовать 10-витковый подстроечный резистор 20 кОм в цепи драйвера (рис. 1). Когда желаемый уровень нагрева достигнут, передача мощности может быть уменьшена и отключена либо путем расстройки, либо уменьшением напряжения на вариаке. Рабочий змеевик охлаждается за счет того, что вода течет по медным трубкам в виде непрерывного контура с помощью фонтанного насоса или просто из шланга, подключенного к крану. Если ферритовый соединительный трансформатор выбран правильно, нагрев материала соединительного трансформатора или первичной обмотки соединительного трансформатора практически отсутствует. Конденсаторы подключены (рис. 3) таким образом (я припаял свой к медной шине), что каждый из конденсаторов в блоке конденсаторов вносит одинаковый вклад в общий ток, чтобы избежать чрезмерного нагрева любого из конденсаторов. Следовательно, рабочая катушка подключена к противоположным концам батареи конденсаторов, как показано на рисунке 3. Дальнейшее охлаждение конденсаторов может быть достигнуто с помощью принудительного воздушного охлаждения от вентилятора корпуса компьютера.0003
Давайте подробно рассмотрим конструкцию конденсаторной батареи.
Во-первых, вам потребуются конденсаторы хорошего качества, предназначенные для использования с индукционными нагревателями и катушками Тесла, как указывалось ранее. У меня 1200 В 0,33 мкФ, купленные на Ebay (https://www.ebay.com/itm/10PCS-New-BM-Capacitor-MKPH-0-33uF-630VAC-1200VDC-for-Induction-cooker-P-30-5). /272271654633?hash=item3f64a7bee9:g:PJ4AAOSw9eVXXQsg):
Вам понадобятся 2 медные полоски примерно от 1 до 1,5 дюймов в ширину, 12–15 дюймов в длину и примерно 0,1–0,2 дюйма в толщину. Его можно легко купить в виде рулона медной полосы. Я нашел свой на EBay:
Вот как я припаял колпачки и 3/8-дюймовую медную трубку к медным полоскам, чтобы получить красивый внешний вид.
Для выполнения электрических соединений я использовал пропановую горелку и припой. Будьте осторожны, чтобы не сжечь конденсаторы горелкой во время пайки! Медная трубка диаметром 3/8 дюйма была разрезана труборезом для медных труб и соединена с помощью медного потового фитинга с помощью припоя для герметичности соединения. Фитинг для медных труб:
6-витковая медная рабочая катушка была изготовлена путем расчета правильной длины медной трубки 3/8″ для получения 6-витковой катушки диаметром 1,5 дюйма, а затем добавления дополнительных 20–24 дюймов для получения прямой меди диаметром 10–12 дюймов. дополнительная трубка на каждом конце катушки. Требуемая длина трубки – это отрезок (с помощью резака для медных труб, а не ножовки) рулона мягкой медной трубки, который можно приобрести в любом хозяйственном магазине. Середина отрезанного куска отмечается маркером, один конец отрезанного куска закрывается колпачком, а затем отрезанный кусок доверху засыпается песком. Песок периодически утрамбовывают, постукивая трубкой по земле, чтобы обеспечить полное заполнение без воздушных зазоров. Затем другой конец закрывается крышкой, как только труба полностью заполняется песком. С помощью куска трубы из ПВХ или дерева с наружным диаметром 1,5 дюйма, крепко удерживаемого не менее чем двумя тисками, средняя точка заполненной песком трубы помещается на один конец трубы из ПВХ диаметром 1,5 дюйма или деревянного дюбеля, и на каждый конец наматывается 3 витка. стороне отмеченной средней точки, чтобы получить в общей сложности 6 витков с наконечниками равной длины 10-12 дюймов на 6-витковой катушке. Песок предотвращает перекручивание или коробление трубки во время намотки змеевика. Намотать катушку не так просто, как может показаться, и перед намоткой 6-витковой катушки может быть полезно потренироваться с небольшой длиной заполненной песком медной трубки. Песок удаляют из готового змеевика, снимая торцевые крышки и постукивая по нему, пока песок не высыпается из него. Последние следы песка в змеевике можно удалить, продув их ртом или сжатым воздухом.
Схема драйвера изготовлена из обычной перфокарты и компонентов со сквозными отверстиями. Для компонентов ИС настоятельно рекомендуется использовать держатели гнезд ИС! Как упоминалось ранее, заземление отрицательной шины схемы драйвера необходимо для стабильной работы драйвера.
В схеме инвертора для этого проекта используется полумостовой инвертор. Я использовал разъемы с винтовыми клеммами, чтобы легко заменить IRFP260, вместо того, чтобы припаивать их на место. Хотя ламинированный мост с низкой индуктивностью с медной шиной или полосой является оптимальным, для данного проекта он не нужен, так как протекающие токи—
Видео нагревания кусков стали:
Видео подобного более крупного устройства, использующего полный мост из модулей IGBT размером To247 вместо IRFP260 для нагрева кусков железа. В остальном основная конструкция IGBT такая же. Тигель Al2O3 треснул во время этого прогона, и жидкое железо начало выливаться:
прод.
— через полумост и МОП-транзисторы не такие высокие, как обычно наблюдаемые в твердотельных катушках Тесла (SSTC и DRSSTC). Большие токи возникают в цепи бака с гальванической развязкой. Обратите внимание на хороший большой радиатор для транзисторов MOSFET. Поскольку задняя часть этих полевых МОП-транзисторов металлическая и электрически сообщается с их стоками, необходимы электроизолирующие теплопроводящие прокладки радиатора, чтобы избежать короткого замыкания стоков полевых МОП-транзисторов. Требуется много термопасты между MOSFET и передней частью площадки, а также между задней частью площадки и алюминиевым радиатором. Слюда — лучший материал, так как она обладает превосходной теплопроводностью, а также является отличным изолятором:
Обратите внимание на зеленый трансформатор GDT и вентилятор корпуса компьютера. Убедитесь, что вторичные выводы от GDT скручены и не слишком длинные, чтобы уменьшить паразитные радиочастотные помехи, мешающие затворам МОП-транзисторов:
Трансформатор ферритовой связи с 22T многожильного провода калибра 16:
Нагревание толстого болта до возле белого каления. Позже он расплавился и начал капать на бетонный пол:
Шунтирующий амперметр, подключенный к выходу удвоителя напряжения для точной настройки максимального резонанса и нагрева:
Регулятор частоты с отмеченной точкой резонанса. Цепь генератора находится за заземленным алюминиевым листом:
Использование прерывателя на 40 А вместо предохранителя. Выключатель на 30 А мог бы быть лучше:
Схема драйвера с алюминиевыми полосовыми радиаторами, приклеенными к сдвоенным чипам драйверов UC373XX, чтобы обеспечить их охлаждение. Обратите внимание на перфорированную плату и гнезда IC:
Нагревание большой гайки. Гайку позже расплавили, подняв напряжение: 9 В.0003
Мостовой выпрямитель, охлаждаемый тем же радиатором, что и МОП-транзисторы:
Вот видео на YouTube, показывающее работу блока, включая отказ блокировочного конденсатора постоянного тока, номинал которого был неверным:
https://youtu . be/nIPuZ1WPtc0
Я надеюсь, что это краткое руководство было полезным для тех, кто заинтересован в создании небольшого, но мощного настраиваемого индукционного нагревателя. Это устройство доказало свою надежность без перегоревших транзисторов (пока) и оказалось простым в эксплуатации. Для еще большей мощности МОП-транзисторы IRFP260N можно заменить на FDh54N50, которые являются зверями с точки зрения управления мощностью, учитывая, что они поставляются в том же маленьком корпусе To247, что и блоки IRFP260N. Этот проект принес удовлетворение тем, что он придумал небольшое устройство, способное плавить различные металлы, и с точки зрения изучения некоторых электронных устройств, лежащих в основе этих удивительных устройств.
Если вас интересует другая электроника и целый ряд других интересных технических проектов, посетите мой канал на YouTube по адресу
https://www.youtube.com/user/skippy38305
и не забудьте подписаться!
Нравится:
Нравится Загрузка. ..
Простая схема индукционного нагревателя своими руками
Этот замечательный небольшой проект демонстрирует принципы высокочастотной магнитной индукции и процесс изготовления индукционного нагревателя. Схема очень проста в построении и использует только несколько общих компонентов. С показанной здесь индукционной катушкой схема потребляет около 5 А от источника питания 15 В, когда наконечник отвертки нагревается. Чтобы кончик отвертки стал красным, требуется примерно 30 секунд!
Схема управления использует метод, известный как ZVS (переключение при нулевом напряжении), для активации транзисторов, что обеспечивает эффективную передачу энергии. В схеме, которую вы видите здесь, транзисторы почти не нагреваются из-за метода ZVS. Еще одна замечательная особенность этого устройства заключается в том, что это саморезонансная система, которая автоматически работает на резонансной частоте подключенной катушки и конденсатора. Если вы хотите сэкономить время, в нашем магазине есть схема индукционного нагревателя. Возможно, вы все же захотите прочитать эту статью, чтобы получить несколько полезных советов о том, как заставить вашу систему работать хорошо.
Как работает индукционный нагрев?
При изменении магнитного поля вблизи металлического или другого проводящего объекта в материале индуцируется ток (известный как вихревой ток), который выделяет тепло. Выделяемое тепло пропорционально квадрату тока, умноженному на сопротивление материала. Эффекты индукции используются в трансформаторах для преобразования напряжения во всевозможных приборах. Большинство трансформаторов имеют металлический сердечник, поэтому при использовании в них индуцируются вихревые токи. Разработчики трансформаторов используют различные методы, чтобы предотвратить это, поскольку нагрев — это просто трата энергии. В этом проекте мы будем напрямую использовать этот эффект нагрева и попытаемся максимизировать эффект нагрева, создаваемый вихревыми токами.
Если мы подадим на катушку с проводом постоянно меняющийся ток, внутри нее будет постоянно меняющееся магнитное поле. На более высоких частотах эффект индукции довольно силен и имеет тенденцию концентрироваться на поверхности нагреваемого материала из-за скин-эффекта. Типичные индукционные нагреватели используют частоты от 10 кГц до 1 МГц.
ОПАСНО! Это устройство может создавать очень высокие температуры!
Схема
Используемая схема представляет собой коллекторно-резонансный генератор Ройера, преимущества которого заключаются в простоте и саморезонансной работе. Очень похожая схема используется в обычных схемах инвертора, используемых для питания флуоресцентного освещения, такого как подсветка ЖК-дисплея. Они управляют трансформатором с центральным отводом, который повышает напряжение примерно до 800 В для питания освещения. В этой схеме индукционного нагревателя своими руками трансформатор состоит из рабочей катушки и нагреваемого объекта.
Основным недостатком этой схемы является то, что требуется катушка с центральным отводом, которую может быть немного сложнее намотать, чем обычный соленоид. Катушка с центральным отводом необходима, чтобы мы могли создать поле переменного тока из одного источника постоянного тока и всего двух транзисторов N-типа. Центр катушки подключается к положительному источнику питания, а затем каждый конец катушки поочередно подключается к земле транзисторами, так что ток будет течь туда и обратно в обоих направлениях.
Величина тока, потребляемого от источника питания, зависит от температуры и размера нагреваемого объекта.
Из этой схемы индукционного нагревателя видно, насколько он на самом деле прост. Всего несколько основных компонентов — это все, что необходимо для создания рабочего устройства индукционного нагревателя.
R1 и R2 — стандартные резисторы 240 Ом, 0,6 Вт. Значение этих резисторов будет определять, как быстро МОП-транзисторы могут включаться, и должно быть достаточно низким значением. Однако они не должны быть слишком маленькими, так как резистор будет притянут к земле через диод, когда противоположный транзистор включится.
Диоды D1 и D2 используются для разрядки затворов MOSFET. Это должны быть диоды с малым падением напряжения в прямом направлении, чтобы затвор был хорошо разряжен, а полевой МОП-транзистор полностью отключался, когда другой открыт. Рекомендуется использовать диоды Шоттки, такие как 1N5819, так как они имеют низкое падение напряжения и высокое быстродействие. Номинальное напряжение диодов должно быть достаточным, чтобы выдержать повышение напряжения в резонансном контуре. В этом проекте напряжение поднялось аж до 70В.
Транзисторы T1 и T2 представляют собой полевые МОП-транзисторы на 100 В, 35 А (STP30NF10). Для этого проекта они были установлены на радиаторах, но почти не нагревались при работе на указанных здесь уровнях мощности. Эти полевые МОП-транзисторы были выбраны из-за низкого сопротивления сток-исток и малого времени отклика.
Катушка индуктивности L2 используется в качестве дросселя для защиты источника питания от высокочастотных колебаний и ограничения тока до допустимого уровня. Значение индуктивности должно быть довольно большим (у нас было около 2 мГн), но также оно должно быть выполнено из достаточно толстого провода, чтобы провести весь ток питания. Если дроссель не используется или он имеет слишком маленькую индуктивность, схема может не генерировать. Точное необходимое значение индуктивности зависит от используемого блока питания и настройки вашей катушки. Возможно, вам придется поэкспериментировать, прежде чем вы получите хороший результат. Тот, что показан здесь, был изготовлен путем намотки около 8 витков магнитной проволоки толщиной 2 мм на тороидальный ферритовый сердечник. В качестве альтернативы вы можете просто намотать провод на большой болт, но вам потребуется гораздо больше витков провода, чтобы получить ту же индуктивность, что и у тороидального ферритового сердечника. Пример этого вы можете увидеть на фото слева. В левом нижнем углу можно увидеть болт, обмотанный множеством витков аппаратного провода. Эта установка на макетной плате использовалась при малой мощности для тестирования. Для большей мощности пришлось использовать более толстую проводку и спаять все вместе.
Поскольку задействовано очень мало компонентов, мы припаяли все соединения напрямую и не использовали печатную плату. Это также было полезно для подключения сильноточных частей, поскольку толстый провод можно было напрямую припаять к клеммам транзистора. Оглядываясь назад, возможно, было бы лучше подключить индукционную катушку, прикрутив ее непосредственно к радиаторам на полевых МОП-транзисторах. Это связано с тем, что металлический корпус транзисторов также является клеммой коллектора, а радиаторы могут помочь охладить катушку.
Конденсатор C1 и катушка индуктивности L1 образуют резонансный контур индукционного нагревателя. Они должны выдерживать большие токи и температуры. Мы использовали полипропиленовые конденсаторы емкостью 330 нФ. Подробнее об этих компонентах показано ниже.
Индукционная катушка и конденсатор
Катушка должна быть изготовлена из толстой проволоки или трубы, так как по ней будут протекать большие токи. Медная труба работает хорошо, так как высокочастотные токи в любом случае будут в основном течь по внешним частям. Вы также можете качать холодную воду через трубу, чтобы она оставалась прохладной.
Конденсатор должен быть подключен параллельно рабочей катушке для создания резонансного контура резервуара. Комбинация индуктивности и емкости будет иметь определенную резонансную частоту, на которой будет автоматически работать схема управления. Используемая здесь комбинация катушки и конденсатора резонировала на частоте около 200 кГц.
Важно использовать конденсаторы хорошего качества, способные выдерживать большие токи и тепло, рассеиваемое внутри них, иначе они скоро выйдут из строя и разрушят схему привода. Они также должны быть размещены достаточно близко к рабочей катушке и с использованием толстой проволоки или трубы. Большая часть тока будет протекать между катушкой и конденсатором, поэтому этот провод должен быть самым толстым. Провода, соединяющие цепь и блок питания, при желании можно сделать немного тоньше.
Эта катушка была сделана из латунной трубы диаметром 2 мм. Его было просто наматывать и легко паять, но вскоре он начинал деформироваться из-за избыточного нагрева. Затем витки соприкасались, замыкая и делая его менее эффективным. Поскольку схема управления оставалась относительно холодной во время использования, казалось, что ее можно заставить работать на более высоких уровнях мощности, но необходимо будет использовать более толстую трубу или охлаждать ее водой. Затем установка была улучшена, чтобы выдерживать более высокий уровень мощности…
Широкий ассортимент деталей для индукционных нагревателей | ||
Готовая схема индукционного нагревателя | Медная труба 4 мм | |
Готовая сборка катушки индукционного нагревателя | Кабель 30 А | |
Керамическая стойка | Измеритель тока | |
Блок питания 12 В 15 А | Вольтметр | |
Водяной насос 12 В | Дроссель | |
Радиатор охлаждения | Транзисторы 35А 100В | |
Силиконовая трубка | ТО-220 Радиатор | |
Резисторы 240 Ом | Быстродействующие диоды | |
Полипропиленовые конденсаторы | Регулятор напряжения 12 В |
Толкаем дальше
Основным ограничением описанной выше установки было то, что рабочая катушка через короткое время сильно нагревалась из-за больших токов. Чтобы иметь большие токи в течение более длительного времени, мы сделали еще один змеевик, используя более толстую латунную трубку, чтобы можно было прокачивать воду, когда он работает. Более толстую трубу было труднее согнуть, особенно в центральной точке отвода. Перед изгибом трубу необходимо было заполнить мелким песком, чтобы предотвратить ее защемление в местах резких изгибов. Затем его очистили сжатым воздухом.
Индукционная катушка состоит из двух половин, как показано здесь. Затем они были спаяны вместе, и небольшой кусок трубы из ПВХ был использован для соединения центральных труб, чтобы вода могла проходить через весь змеевик.
В этой катушке было использовано меньше витков, чтобы она имела более низкий импеданс и, следовательно, выдерживала более высокие токи. Емкость также была увеличена, чтобы резонансная частота была ниже. В общей сложности было использовано шесть конденсаторов емкостью 330 нФ, что дало общую емкость 1,98 мкФ.
Кабели, подсоединяемые к катушке, были просто припаяны к трубе ближе к концам, оставив место для установки трубы из ПВХ.
Этот змеевик можно охлаждать, просто подавая воду прямо из-под крана, но для отвода тепла лучше использовать насос и радиатор. Для этого старый насос из аквариума поместили в коробку с водой, а к выпускному патрубку приделали трубу. Эта трубка подводила к модифицированному кулеру процессора компьютера, который использовал три тепловые трубки для отвода тепла.
Кулер был преобразован в радиатор, отрезав концы тепловых трубок, а затем соединив их с трубками ПВХ, чтобы вода проходила через все 3 тепловые трубки, прежде чем выйти и вернуться к насосу.
Если вы отрезаете тепловые трубки самостоятельно, делайте это в хорошо проветриваемом помещении, а не в помещении, так как они содержат летучие растворители, которые могут быть токсичными для дыхания. Вы также должны носить защитные перчатки, чтобы предотвратить контакт с кожей.
Этот модифицированный процессорный кулер был очень эффективным в качестве радиатора и позволял воде оставаться довольно прохладной.
Другие необходимые модификации заключались в замене диодов D1 и D2 на диоды, рассчитанные на более высокое напряжение. Мы использовали обычные диоды 1N4007. Это было связано с тем, что с увеличением тока в резонансном контуре росло большее напряжение. Вы можете видеть на изображении здесь, что пиковое напряжение составляло 90 В (желтая кривая), что также очень близко к номинальному напряжению транзисторов 100 В.
Используемый блок питания был настроен на 30 В, поэтому необходимо было также подать напряжение на затворы транзисторов через стабилизатор напряжения 12 В. Когда внутри рабочей катушки не было металла, она потребляла около 7 А от источника питания. Когда был добавлен болт на фотографии, он увеличился до 10 А, а затем снова постепенно упал, поскольку он нагрелся выше температуры Кюри. Он, безусловно, превысит 10 А с более крупными объектами, но используемый блок питания имеет ограничение в 10 А. Вы можете найти подходящий блок питания 24 В, 15 А в нашем интернет-магазине.
Болт, который вы видите на фотографии раскаленным докрасна, достиг максимальной температуры примерно за 30 секунд. Отвертка на первом изображении теперь могла нагреваться докрасна примерно за 5 секунд.
Чтобы перейти на более высокую мощность, чем эта, необходимо было бы использовать другие конденсаторы или их больший массив, чтобы ток был более распределен между ними. Это связано с тем, что протекающие большие токи и используемые высокие частоты значительно нагревают конденсаторы. Примерно через 5 минут использования на этом уровне мощности индукционный нагреватель DIY нужно было выключить, чтобы он мог остыть. Также было бы необходимо использовать другую пару транзисторов, чтобы они могли выдерживать большие скачки напряжения.
В общем, этот проект меня вполне удовлетворил, так как он дал хороший результат, используя простую и недорогую схему. Как таковой, он может быть полезен для закалки стали или для пайки мелких деталей. Если вы решили сделать свой собственный проект индукционного нагревателя, пожалуйста, разместите свои фотографии ниже. Пожалуйста, прочитайте другие комментарии, прежде чем писать свои собственные, так как это может сэкономить вам время позже.
Если вы хотите смоделировать этот проект для тестирования различных значений индуктивности или выбора транзисторов, загрузите LTSpice и запустите это моделирование индукционного нагревателя своими руками (щелкните правой кнопкой мыши, Сохранить как)
Насколько жарко будет?
Трудно сказать, насколько горячо вы сможете что-то получить, так как нужно учитывать множество параметров. Различные материалы будут по-разному реагировать на индукционный нагрев, а их форма и размер будут влиять на то, как они нагреваются или отдают тепло в атмосферу.
Вы можете получить приблизительное представление, используя некоторые базовые расчеты по приведенной ниже формуле, или, если хотите, мы сделали удобный калькулятор мощности нагревателя, который может рассчитать это для вас. Эта форма включает материалы (например, воду), которые нельзя нагревать напрямую с помощью индукционных нагревателей, но она все же полезна, если вы пытаетесь, например, выработать мощность, необходимую для нагрева кастрюли с водой с помощью индукционного нагревателя.
Устранение неполадок
Если у вас возникли проблемы с работой, вот несколько советов, которые помогут устранить неполадки в вашем домашнем проекте индукционного нагревателя….
Блок питания (блок питания)
Если блок питания не может обеспечить большой импульс тока при включении индукционного нагревателя, он не будет генерировать. Напряжение от источника питания в этот момент упадет (хотя блок питания может этого не отображать) и это помешает корректному переключению транзисторов. Чтобы решить эту проблему, вы можете подключить несколько больших электролитических конденсаторов параллельно источнику питания. Когда они заряжены, они смогут подавать большой импульсный ток в вашу цепь. Хорошим мощным источником питания будет наш блок питания постоянного тока 24 В 15 А.
Дроссель (индуктор L2)
Ограничивает мощность индукционного нагревателя. Если у вас нет колебаний, вам может понадобиться больше индуктивности, чтобы предотвратить падение напряжения в вашем блоке питания. Вам нужно будет поэкспериментировать с необходимой индуктивностью. Лучше иметь слишком много, чем слишком мало, так как это только ограничит мощность обогревателя. Слишком мало может означать, что это не сработает вообще. Если ваш сердечник катушки индуктивности слишком мал, большой ток насытит его, что приведет к протеканию слишком большого тока и потенциально может повредить вашу схему.
Электропроводка
Соединительные провода должны быть короткими, чтобы уменьшить паразитную индуктивность и помехи. Длинные провода добавляют в цепь нежелательное сопротивление и индуктивность, что может привести к нежелательным колебаниям или снижению производительности. Наш силовой кабель на 30 А хорошо подходит для этого.
Компоненты
Выбранные транзисторы должны иметь низкое падение напряжения / сопротивление во включенном состоянии, иначе они перегреются или даже предотвратят колебание системы. IGBT, вероятно, не будут работать, но большинство полевых МОП-транзисторов с аналогичными параметрами должны быть в порядке. Конденсаторы должны иметь низкое ESR (сопротивление) и ESL (индуктивность), чтобы они могли выдерживать высокие токи и температуры. Диоды также должны иметь низкое прямое падение напряжения, чтобы транзисторы правильно отключались. Они также должны быть достаточно быстрыми, чтобы работать на резонансной частоте вашего индукционного нагревателя.
Включение питания
При включении не должно быть металла внутри нагревательного змеевика. Это может привести к большим скачкам тока, которые могут помешать запуску колебаний, как указано выше. Также не пытайтесь нагревать большое количество металла. Этот проект подходит только для небольших индукционных нагревателей. Если вы хотите контролировать или постепенно увеличивать мощность, вы можете использовать одну из наших схем модулятора импульсов мощности. Подробнее см. сообщение 5108 ниже.
Мозг
Вам понадобится достаточно хорошо функционирующий мозг, чтобы сделать этот проект безопасным. Создание индукционного нагревателя может быть очень опасным, поэтому, если вы новичок в электронике, вам следует попросить кого-нибудь помочь вам сделать это.