Jakiś czas temu zacząłem już eksperymentować z nagrzewaniem indukcyjnym, zrobiłem nawet swoją pierwszą nagrzewnicę ale jej moc była po prostu znikoma. W tym projekcie zobaczycie coś trochę większego :)
Czym jest nagrzewanie indukcyjne i na czym polega dowiecie się z częściowo, jak na razie, przetłumaczonego artykułu o nagrzewaniu indukcyjnym, który znajduje się w dziale magnetyzm. Dowiecie się stamtąd, że by ogrzać bezkontaktowo jakiś materiał przewodzący prąd trzeba umieścić go w szybkozmiennym polu magnetycznym, które to wzbudzi w nim przepływy prądów wirowych, które to z kolei spowodują jego rozgrzanie - mówiąc bardzo ogólnie. W tym projekcie zajmę się wytworzeniem szybkozmiennego pola magnetycznego o dość dużym natężeniu. Jak takie pole wytworzyć ?
Najprostszym sposobem jest wykorzystanie zjawiska rezonansu prądowego w równolegle połączonej cewce (która jednocześnie będzie cewką roboczą nagrzewnicy) z kondensatorem. Czym jest rezonans ?. Rezonans jest to zjawisko występowania drgań o ściśle określonej częstotliwości, które charakteryzuje się pochłanianiem energii z zewnątrz i tym samym wzrostem amplitudy drgań. Dla przykładu: załóżmy, że huśtawka jest naszym obwodem drgającym, na huśtawce siedzi nasza dziewczyna a my wprawiamy ją w ruch. Jeśli będziemy tę huśtawkę popychać w ściśle określonych momentach czasu (określona częstotliwość) to będzie wychylać się coraz bardziej, huśtawka będzie pochłaniać impulsy energii dostarczane przez nas i amplituda drgań będzie wzrastać. Jeśli natomiast podamy impuls w niewłaściwym momencie (częstotliwość nierezonansowa) pewnie oberwiemy huśtawką:) wygaszając jednocześnie drgania.
Sprawa ma się identycznie w elektrycznym układzie drgającym LC ze schematu powyżej, jeśli do układu będziemy podawać impulsy elektryczne o ściśle określonej częstotliwości będą one przez układ pochłaniane a amplituda drgań prądowych w układzie wzrośnie. A jak dobrze wiemy jeśli w przewodniku płynie duży prąd wytwarza on duże pole magnetyczne - i mamy nagrzewnicę :)
Teraz musimy taki układ drgający zbudować biorąc oczywiście pod uwagę wszystkie aspekty takie jak zjawisko naskórkowości czy bardzo duże prądy jakie muszą przepływać przez elementy. O tym trochę później, zacznę od układu, który będzie dostarczał impulsów do obwodu drgającego.
Będzie się on składał z trzech zasadniczych elementów:
- generatora częstotliwości,
- sterownika bramek tranzystorów MOSFET,
- układu mocy na tranzystorach MOSFET.
Zaczniemy od generatora częstotliwości wzorcowej.
Układ z powyższego schematu będzie odpowiedzialny za dostarczanie przebiegu prostokątnego o ściśle określonej częstotliwości, którą można regulować za pomocą potencjometru R1 - najlepiej wieloobrotowego (stosując kondensator C3 o wartości 1nF uzyskamy zakres częstotliwości wyjściowych od ok. 50 kHz do 300 kHz). Oczywiście sygnał z tego generatorka jest zbyt mały by zasilić układ rezonansowy - musimy go wzmocnić. W tym celu sygnał wysyłamy dalej do sterownika bramek tranzystorów MosFet - nie jest to jeszcze właściwy układ wykonawczy, można powiedzieć, że jest układem pośredniczącym. Sygnał z generatora jest za słaby nawet by odpowiednio sterować bramkami tranzystorów wykonawczych. To właśnie one będą włączać i wyłączać główne napięcie zasilające układ rezonansowy.
W tym projekcie zastosowałem dedykowane układy do sterowania bramek tranzystorów MOSFET i IGBT. Są do układy scalone TC4421 i TC4422 w obudowach TO220. Na schemacie powyżej są kostki w obudowach DIP 8, które zastosowałem w projekcie SSTC, ale nie chce mi się go przerabiać bo zasada jest identyczna, tylko w karcie katalogowej trzeba sprawdzić wyprowadzenia. Charakteryzują się one dużym prądem wyjściowym w impulsie - 9A i bardzo krótkimi czasami narastania i opadania sygnału co jest bardzo ważne dla układu wykonawczego, w którym będą włączane i wyłączane naprzemiennie dwa tranzystory MOSFET. Ponadto układ TC4421 odwraca sygnał prostokątny w fazie o 180o, co sprawi że podczas gdy jeden z tranzystorów będzie przewodził, drugi z nich będzie zatkany. Natomiast wysoki prąd w impulsie zapewni odpowiednio szybkie nasycanie bramek, które w przypadku tranzystorów MOSFET charakteryzują się dużą pojemnością.
- Wzór mozaiki [.pdf] -
- Wzór mozaiki_top [.pdf] -
A to już wynik mojej ciężkiej pracy w programie EAGLE. Projekt płytki PCB, na której znajduje się zarówno generator częstotliwości wzorcowej jak i dwa drivery tranzystorów.
A tu możecie zobaczyć już gotowy, zmontowany moduł z zewnętrznym potencjometrem wieloobrotowym do regulowania częstotliwości.
Jak widać stopień zagęszczenia na płytce jest duży, jest to spowodowane ograniczeniem darmowej wersji programu EAGLE :), który nie pozwala mi robić większych płytek i muszę upychać jak się tylko da.
I doczekaliśmy chwili testów :), podłączam oscyloskop pod jedno z wyjść i widzę, że sygnał jest idealny, jego czas narastania i opadania nie przekracza 12 ns !.
A tak wyglądają sygnały z obu driverów względem siebie. Tu już dokładnie widzimy, że w momencie gdy na jeden z MOSFET-ów dostanie stan wysoki, drugi z nich otrzyma niski - tak realizowane będzie przełączanie o którym nieco później. Jedziemy dalej na następnej stronie ...
