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 180^o, 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 ...

Naszych ładnych sygnałów jeszcze nie możemy podać na tranzystory mocy, nie możemy bezpośrednio połączyć układu niskiego napięcia z układem wysokiego napięcia. Koniecznością w tego typu układzie jest zastosowanie separatora galwanicznego. Jego rolę doskonale spełni mały transformatorek impulsowy wykonany z toroidalnego rdzenia ferrytowego i kawałka komputerowej skrętki. Niestety nie znam symbolu rdzenia ferrytowego na jaki nawinąłem ten transformatorek, po prostu kupiłem kilka na Warszawskim Wolumenie i wybrałem ten, który najmniej zniekształcał sygnał. Uprzedzając pytania mogę powiedzieć, że na pewno nie nadają się rdzenie z zasilaczy komputerowych ATX.

Na oscyloskopie widzimy sygnał na uzwojeniu wtórnym transformatorka separującego, jest on nieobciążony więc występują bardzo duże oscylacje sygnału w momentach zmiany stanu.

Tutaj schemat transformatorka separującego.

Na tym zdjęciu zwiększyłem wartość podstawy czasu oscyloskopu by dokładniej przyjrzeć się oscylacjom. Czas narastania i opadania sygnału za transformatorkiem nieznacznie się zwiększył z 12 ns na wejściu dla obu do 17 ns - czas narastania i 20 ns - czas opadania.

Powyżej schemat ostatecznego układu mocy, w którym dwa tranzystory przełączane są na przemian i raz przewodzi górny, podczas gdy dolny jest zatkany - wtedy na wyjściu jest pełna moc zasilająca układ. Jest to właśnie impuls, który pochłonie rezonans. W drugim cyklu górny się zatyka a zaczyna przewodzić dolny ustawiając na wyjściu stan masy układu. Teraz już widzimy dlaczego tak ważne były czasy narastania i opadania sygnału. Jeśli były by duże mógłby wystąpić okres w którym oba tranzystory przewodziły by powodując zwarcie. Trwało by ono krótko i pewnie nie doszło by do uszkodzenia ale na pewno zwiększyło by ilość ciepła wydzielaną na tranzystorach.

- Wzór mozaiki płytki [.pdf]-
A tu już gotowy projekt płytki, na której znajduje się cały układ wykonawczy wraz z transformatorem separującym oraz wszystkimi elementami niezbędnymi do poprawnej pracy układu impulsowego. Tej płytki już niestety nie zaprojektujemy w darmowej wersji programu EAGLE, musimy np. skorzystać z komputera w firmie elektronicznej gdzie mają przynajmniej EAGLE Light.

Na fotce już zmontowanego układu widzimy, że w miejsce tranzystorów MOSFET wstawiłem złączki. Zrobiłem to w celu wyprowadzenia tranzystorów na większy wentylowany radiator. Mam zamiar wycisnąć z układu wszystkie soki więc przyda się dobre chłodzenie :)

Tranzystory przykręciłem do wentylowanego radiatora, który w przeszłości chłodził jakiś procesor komputerowy. Sprawdzają się świetnie w nowej rzeczywistości.

Tranzystory mocy należy połączyć z płytką za pośrednictwem przewodów linkowych o przekroju przynajmniej 1,5.

W radiatorze należy wywiercić dwa otwory i nagwintować je. Pod tranzystory koniecznie musimy zastosować mikowe podkładki izolacyjne oraz posmarować pastą termoprzewodzącą, która zapewni dobre odprowadzenie ciepła ze struktury tranzystora.

Na zdjęciu powyżej widzimy kolejny układ niezbędny do pracy nagrzewnicy. Jest to prostownik z kondensatorem filtrującym. Zapewni nam on zasilanie układu wykonawczego stałym napięciem w zakresie od 0 do 300 V, bo będę zasilał go z regulowanego autotransformatora.

Wszystkie opisane elementy musimy jakoś sensownie ze sobą połączyć. Ja zastosowałem kawał drewnianej sklejki.

I przyszedł czas na pierwsze testy układu wykonawczego. Na początek jeszcze raz sprawdziłem sygnały sterujące pod obciążeniem bramkami tranzystorów. Jak widzimy duże oscylacje zniknęły.

A tu już włączyłem zasilanie inwertera, jako obciążenie na początek zastosowałem żarówkę 230V/60W. Po włączeniu generatora częstotliwości żarówka zaświeciła. Niby wszystko OK ale na oscyloskopie widzimy potężną oscylację w momencie załączania stanu wysokiego. Jej amplituda przy zasilaniu napięciem 200 V wynosiła prawie 300V p-p.

W pewnej chwili poczułem dziwny zapach palonej elektroniki :(, okazało się że rezystory szeregowo włączone z bramkami tranzystorów MOSFET potężnie się nagrzewają. Postanowiłem zastosować dodatkowy rezystor 27 ohm na wyjściu z jednego z driverów.

Jak widzimy na fotce powyżej, zastosowany rezystor rozwiązał problem.

Przebieg na wyjściu jest idealny. Na fotce widzicie inny rezystor, bo na samym początku dałem 2W, ale później zmieniłem na 5W bo trochę się grzał. Tym sposobem mamy już gotowy generator impulsów, które będą wzbudzać drgania rezonansowe w naszym układzie LC.

Na poprzednich stronach wykonaliśmy generator impulsów prostokątnych o regulowanej częstotliwości od ok 50 kHz do 300 kHz. teraz przyszedł czas na wykonanie naszego obwodu rezonansowego.

Znów w Internecie namierzyłem ciekawy schemat przedstawiający taki niezbyt duży układzik rezonansowy, na schemacie jest też para tranzystorów przełączających oraz kondensator blokujący składową stałą ale my te elementy mamy już na płytce inwertera. Interesuje nas to co jest dalej.
Pierwsza w kolejności jest cewka dopasowująca impedancję dwóch wspomnianych układów. Musi mieć ona indukcyjność ok. 45 uH i tu niestety musimy postarać się o miernik indukcyjności. Cewkę wykonałem na rdzeniu ferrytowym, który kiedyś służył dzielnie w monitorze komputerowym jako transformator jednej z przetwornic. Takie trafka najczęściej zalane są żywicą i bardzo trudno jest je rozebrać. Ja męczyłem się z tym... i męczyłem się aż znalazłem rewelacyjny patent. Wlewamy do zlewki wodę i doprowadzamy ją do wrzenia. do wody wrzucamy nasz transformatorek i gotujemy jak jajko na twardo. Następnie zakładamy jakieś grube rękawice i póki trafko jest gorące rozdzielamy rdzenie. Przed gotowaniem trzeba pozbyć się taśmy, którą owinięty jest rdzeń. Oczywiście już po ostygnięciu usuwamy stare uzwojenia i przewodem min. 1,5 mm nawijamy tyle uzwojeń by cewka miał indukcyjność ok. 45 uH.

Potrzebny nam będzie też kondensator o pojemności 376 nF, ale tu nie wystarczy taki zwykły kondensatorek. Jak wiemy w cewce przepływać będą potężne prądy i ten kondensator musi je wytrzymać. W nagrzewnicach indukcyjnych stosuje się duże kondensatory ceramiczne ale ja niestety obecnie nie posiadam takiego więc wpadłem na pomysł by połączyć równolegle kilkadziesiąt kondensatorów o pojemności 10 nF/1000V i wtedy duży prąd rozpłynie się na nie wszystkie i może wytrzymają.

Teraz czas wykonać cewkę i połączyć ją z kondensatorami. Ze względu na efekt naskórkowy oraz na konieczność chłodzenia trzeba ją wykonać z miedzianej rurki. Skąd ją wziąć ? Takie rurki wykorzystywane są w zakładach instalujących systemy LPG w samochodach więc z dostępem nie będzie żadnych problemów. Do wykonania cewki potrzebna jest rurka o średnicy 6mm i długości 2m. Ja swoją cewkę nawinąłem na pojemnik po piance poliuretanowej, nie pamiętam jaką ma średnicę ale to chyba standard. Zmieściłem 7 zwoi i cewka mieści się w indukcyjności 2 uH.

Kondensatory musimy przylutować do zakończeń cewki i jednocześnie umieścić tam jakieś złączki do wprowadzenia impulsów wzbudzających z generatora. Trzeba też pomyśleć o jakimś wentylatorku chłodzącym kondensatory.

Wszystko montujemy na jednej płycie drewnianej sklejki i możemy pokusić się o pierwsze pobudzenie układu rezonansowego impulsami z naszego generatorka.

Tylko skąd będziemy wiedzieć co w naszym układzie rezonansowym się dzieje ?. Musimy zastosować bezkontaktowy przetwornik pomiarowy, który pozwoli nam zobrazować zmianę wartości prądu płynącego w uzwojeniu na ekranie oscyloskopu. Czujnik dokładnie opisałem w dziale: Warsztat elektroniki/Przetworniki.

Włączyłem generator, źródło zasilania invertera też włączone a w uzwojeniu nie płynie żaden prąd, dlaczego ? Jak na razie generator generuje przebieg o częstotliwości 50 kHz i taka częstotliwość nie jest w stanie wzbudzić żadnych drgań rezonansowych.

Kręcę moim wieloobrotowym potencjometrem i gdy zacząłem zbliżać się do 130 kHz ogarnęła mnie wielka radość. W układzie pojawiły się sinusoidalne drgania rezonansowe a wiertło umieszczone w cewce zaczęło się nagrzewać. Jak widzimy na ekranie częstotliwość pojawiania się impulsów jeszcze nie jest odpowiednia. Owszem są pochłaniane i powstał rezonans, ale to pochłanianie nie jest idealne bo część rozprasza się powodując dodatkowe oscylacje. Zresztą widać, że oscylacje nie pojawiają się w szczytach. To tak jakby próbować wspomnianą wcześniej huśtawkę popychać nie do końca w odpowiednim momencie. Poczujemy na pewno pewne uderzenie.

Ale gdy jeszcze trochę pokręcimy gałką wytworzymy w układzie piękne sinusoidalne drgania rezonansowe.

Biorąc pod uwagę przełożenie mojego przetwornika pomiarowego wartość 1,44 V p-p na oscyloskopie oznacza ponad 50 A p-p płynącego w uzwojeniu prądu zmiennego. A to jeszcze nie wszystko bo nie mam jeszcze pompki, która będzie tłoczyć przez rurkę zwojnicy wodę. Boję się podkręcić większe zasilanie bo sama zwojnica zaczyna się nagrzewać a umieszczony jest na niej czujnik.
Jak na razie opisywałem tylko niewidoczne gołym okiem prądy płynące w układzie rezonansowym. A co dzieje się we wnętrzu cewki ?, przecież właśnie to nas interesuje. Zapraszam na ostatnią stronę opracowania.

Skoro w uzwojeniu cewki płynie tak duży prąd o częstotliwości ok. 160 kHz, nie ma możliwości by w cewce nie powstało silne, szybkozmienne pole magnetyczne.

By sprawdzić działanie pola zacząłem skromnie. Włożyłem do środka małego wkręta. Praktycznie natychmiast rozgrzał się do czerwoności.

Pomyślałem wtedy, że taki wkręcik jest za mały do takiej wielkiej cewki, pojechałem z grubej rury i wetknąłem śrubę M10.

Tu potrzeba było aż 10 sekund by rozgrzała się do czerwoności.

A tu na śrubę nakręciłem nakrętkę z jakiegoś innego materiału nieżelazowego bo nie przyciąga jej magnes. Była z nią niezła akcja bo wsadziłem ją samą do nagrzewnicy i chciałem rozgrzać. włączyłem generator i nic, robiła się gorąca ale nie aż tak by świecić. Dopiero później zorientowałem się że jest z jakiegoś innego materiału i nie chce się tak bardzo nagrzewać. Tu na fotce pewnie bardziej rozgrzała się od samej śruby niż od pola.

Podejrzewam, że uda mi się tą śrubę rozgrzać do białości ale zrobię to jak już uruchomię wodne chłodzenie cewki oraz jak kupię jakiś porządny kondensator ceramiczny bo nawet te 37 kondensatorów połączonych równolegle grzeje się strasznie i podejrzewam, że jak bym włączył nagrzewnicę na kilka minut stopiły by się.

A tutaj oscylogram z testu na zakończenie materiału, na chwilkę podkręciłem autotransformator do 200V - widzimy, że amplituda sygnału z przetwornika wzrosła do 2,42 V p-p co w przeliczeniu na prąd daje prawie 80 A !!! Ale niestety nie zdążyłem już zrobić fotki ogrzewanej śrubki bo jeden z kondensatorów dostał przebicia i cała ich bateria nadaje się do kosza. Poza tym mają jeszcze jedną poważną wadę: "częstotliwość rezonansowa pływa" znaczy to tyle, że im bardziej robią się ciepłe tym bardziej zmienia się ich pojemność i trzeba potencjometrem zmieniać częstotliwość praktycznie na bieżąco.