2010.05_Nagrzewnica indukcyjna 1kW.pdf

Projekty AVT

2940

Nagrzewnica indukcyjna 1kW

Nagrzewnica indukcyjna służy do nagrze-

wania metalowych przedmiotów za pomo-

cą indukowania w nich prądów wirowych.

Przedmiot, który ma zostać ogrzany, jest

umieszczany w spirali, w której przepływa

prąd o wysokiej częstotliwości. Indukowane

prądy wirowe oraz straty w materiale wynika-

jące z jego szybkiego przemagne-

sowywania powodują rozgrzewa-

nie metalu „od wewnątrz”.

Eksperymentalny układ

nagrzewnicy indukcyjnej został

opisany w EdW 10/2008.

Zainspirowany tym układem

postanowiłem zbudować własną

wersję nagrzewnicy, którą przed-

stawiam poniżej. Zasada działania

obu nagrzewnic jest identyczna,

różnią się jedynie budową układu

sterującego, która w tym przypad-

ku jest o wiele prostsza i tańsza.

Rys. 2

Opis układu

Schemat ideowy nagrzewnicy indukcyj-

nej zamieszczono na rysunku 1 . Część

znajdująca się na schemacie w czerwonej

ramce jest zmontowana na płytce druko-

wanej z rysunku 2 . Pozostałe elementy są

połączone przewodami, głównie z powodu

ich gabarytów

i konieczności

chłodzenia.

W celu mak-

symalnego

uproszczenia

bloku sterują-

cego, zastoso-

wano dedyko-

wany sterow-

nik półmostka

IR2153, który

jest sercem

całego urządze-

nia. Układ IR2153 pracuje w standardowej

konfiguracji zamieszczonej w nocie kata-

logowej. Za pomocą potencjometru PR1

mamy możliwość regulowania częstotli-

wości pracy półmostka. Dodatkową zaletą

tego układu jest zastosowanie tzw. czasów

Rys. 1

Z 1

+12

10R/5 W

zas

50A

4uF/400V

1,5k

1000uF

2,2nF/2kV

Rezonans

12VDC

fan

10uF/400V

1N4148

U F 4 0 01

47k

+12

100uF

PR1

100k

18k

R 2

10R/5 W

G 1

* - patrz tekst

VCC

15R

R 3

4uF/400V

COM

2,2nF/2kV

470p

IR2153

15R

Elektronika dla Wszystkich Maj 2010

Maj 2010

Projekty AVT

martwych ( dead time ), które eliminują ryzy-

ko jednoczesnego przewodzenia obu tranzy-

storów jednocześnie. W tym przypadku czas

martwy wynosi typowo 1,2μs.

Zasilanie części sterującej, jak podaje nota

katalogowa, jest możliwe za pomocą dzielni-

ka bezpośrednio z wyprostowanego napięcia

sieciowego bądź z zewnętrznego zasilacza.

Wybrałem drugą opcję, wykorzystując zasi-

lacz impulsowy o napięciu wyjściowym 12V i

prądzie maksymalnym około 2A, pochodzący

z demontażu. Do jego wyjścia zostały podłą-

czone dwa wentylatory chłodzące tranzystory

sterujące.

Po licznych próbach na tranzystory ste-

rujące wybrałem MOSFET-y IRFPS40N60

o prądzie maksymalnym 40A, napięciu dren-

-źródło 600V i rezystancji kanału 0,1Ω.

Między wyjście półmostka a dzielnik,

utworzony z kondensatorów, został pod-

łączony układ rezonansowy. Cewka L1

pełni rolę dopasowania impedancyjnego

między sterownikiem a właściwym ukła-

dem rezonansowym. W urządzeniu mode-

lowym wykonano ją na rdzeniu (pozyska-

nym ze starego monitora komputerowego)

o wymiarach około 50x50x20mm (dł/wys/

szer). Po usunięciu oryginalnego uzwo-

jenia nawijamy około 15 zwojów linką o

przekroju 2,5mm. Warto pozostawić nieco

więcej przewodu, aby w razie konieczności

móc skorygować liczbę zwojów podczas

uruchamiania układu.

Ostatnim elementem, jaki musimy wyko-

nać, jest obwód rezonansowy składający się

F. Cewka robocza

liczy w sumie siedem zwojów o średnicy

wewnętrznej 75mm, wykonanych z rurki

miedzianej 6mm.

Dioda D3 zamontowana równolegle do

układu LC pełni rolę wskaźnika rezonan-

su, dzięki czemu możliwe jest uruchomienie

układu bez wykorzystania oscyloskopu.

Montaż i uruchomienie

Cały układ nagrzewnicy został umiesz-

czony w obudowie wykonanej ze sklejki

o wymiarach 31x25x12cm (dł/szer/wys).

Dodatkowo do nagrzewania krótkich przed-

miotów, które muszą być ustawione na

swego rodzaju podwyższeniu, wykonano

wysuwaną podstawę widoczną na foto-

grafiach. Ze względów estetycznych górę

obudowy stanowi pleksi o grubości 4mm,

dzięki czemu widać zarówno wskaźnik

rezonansu, jak i wszystkie pozostałe kom-

ponenty. Cewkę grzejną zamocowano w

ściance czołowej za pomocą małych klo-

cków ze śrubami blokującymi, które przy-

klejono od wewnątrz.

Do chłodzenia układu wykorzystano trzy

wentylatory. Dwa z nich (chłodzące tranzy-

story) tłoczą powietrze do wnętrza obudowy,

natomiast trzeci umieszczony z tyłu wysysa

je na zewnątrz. Pierwotnie tranzystory były

umieszczone na jednym radiatorze wykona-

nym z kawałka blachy alu-

miniowej, ale nie pozwalało

to na wykorzystanie pełnej

mocy, gdyż następowało ich

przegrzewanie i uszkodzenie.

Z tego powodu jeden radia-

tor został zastąpiony dwoma

pochodzącymi ze złomu

komputerowego, co całkowi-

cie rozwiązało problem.

Do uruchomienia urzą-

dzenia niezbędny jest auto-

transformator oraz ampero-

mierz. Na początek należy

włączyć zasilanie części

sterującej i sprawdzić napię-

cia na bramkach obu tranzystorów. Jeżeli

wszystko jest jak należy, włączamy zasilanie

autotransformatora ustawionego na minimal-

ne napięcie. Następnie powoli zwiększamy

napięcie na autotransformatorze, obserwu-

jąc wskazania amperomierza. Prąd pobie-

rany z sieci powinien powoli, ale płynnie

wzrastać wraz ze wzrostem napięcia. Jeżeli

zaobserwujemy raptowny wzrost prądu przy

minimalnym napięciu zasilania, będzie to

oznaczało zwarcie w układzie. Po ustawie-

niu napięcia na około 30V przystępujemy

do regulacji częstotliwości pracy półmostka

tak, aby uzyskać rezonans w obwodzie LC.

W tym celu należy kręcić potencjometrem

PR1 do momentu, aż dioda D3 zacznie

świecić najmocniej. Oczywiście regulacja

przeprowadzona za pomocą oscyloskopu

będzie dokładniejsza, niemniej obserwując

jasność świecenia diody da się to zrobić w

zadowalająco dokładny sposób.

Po dostrojeniu układu możemy przystąpić

do właściwej próby działania nagrzewnicy.

Umieszczamy w spirali grzejnej przedmiot,

który ma być ogrzany, włączamy zasilanie

sterownika, a następnie zasilanie autotransfor-

matora (zalecana kolejność), po czym zwięk-

szamy napięcie na jego wyjściu. W zależności

od wielkości ogrzewanego przedmiotu, czę-

Maj 2010

Elektronika dla Wszystkich

z kondensa-

torów ozna-

czonych na

schemacie

z rysunku 1

jako C oraz

cewki L. Ze

względu na

duże prądy

płynące w

rezonansie,

całkowita

pojemność

musi się

składać z kilkunastu mniejszych konden-

satorów. W moim przypadku wykorzysta-

łem kondensatory pochodzące z demontażu

starych odbiorników telewizyjnych o łącz-

nej pojemności około 8

Projekty AVT

sieci, przy pominięciu auto-

transformatora. Podczas jej

włączenia następuje silny

impuls prądowy, który przy

podaniu napięcia 230V może

uszkodzić tranzystory steru-

jące. Stopniowe zwiększa-

nie napięcia wyjściowego

pozwala na bieżąco kontro-

lować pobierany prąd i eli-

minuje ryzyko uszkodzenia

urządzenia.

Na załączonych fotogra-

fiach zaprezentowano przykła-

dy nagrzewanych przedmio-

tów. Nawet tak duże elementy

jak śruby o średnicy 20mm

rozgrzewają się do czerwoności w przecią-

gu jedynie kilku sekund. Niektóre ze zdjęć

przedstawiają pierwszą wersje nagrzewnicy w

innej obudowie i ze spiralą wykonaną z drutu

miedzianego.

Na zakończenie chciałbym ostrzec wszyst-

kich, którzy zechcą zbudować taką nagrzew-

Wykaz elementów

Uwaga! Podczas uruchamiania i użyt-

kowania układu w jego obwodach wystę-

pują napięcia groźne dla życia i zdrowia.

Osoby niedoświadczone i niepełnoletnie

mogą wykonać je wyłącznie pod kierun-

kiem wykwalifikowanego opiekuna, na

przykład nauczyciela.

Rezystory

R1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18k Ω

R2,R3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15 Ω

R4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,5k Ω

R5,R6 . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Ω /5W

R7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47k Ω

PR1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100k Ω

Kondensatory

C1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 μ F/400V

C2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 μ F

C3,C4 . . . . . . . . . . . . . . . . 2,2nF/2kV

C5,C6 . . . . . . . . . . . . . . . . 4 μ F/400V

C7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1000 μ FV

Półprzewodniki

D1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . UF4001

D2,D3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . LED

D4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1N4148

M1. . . . . . . . . . . . . . . . . . mostek 50A

T1,T2 . . . . . . . . . . . . . . . IFRPS40N60

U2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IR2153

Pozostałe

C,L,L1 . . . . . . . . . . . . . . * - patrz tekst

Z1,Z2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ARK2

Z6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ARK2 mały

stotliwość rezonansowa, a tym samym pobie-

rany prąd, będzie ulegał niewielkiej zmianie.

Przedstawiona nagrzewnica była zasilana

z autotransformatora o mocy maksymalnej

1kW i taką moc udało mi się wykorzystać.

Tranzystory sterujące przy takim chłodzeniu

nie grzały się mocno, co świadczy o możli-

wości dalszego zwiększenia mocy. Niestety,

ponieważ nie posiadam autotransformatora o

większej mocy, nie mogłem tego sprawdzić

w praktyce.

Warto podkreślić, że niezalecane jest

uruchamianie nagrzewnicy bezpośrednio z

Płytka drukowana jest dostęp na

w sieci handlowej AVT jako kit szkolny AVT-2940.

nicę. Urządzenie jest zasilanie bez separacji

galwanicznej od sieci, co stwarza niebez-

pieczeństwo porażenia. Z tego względu

zarówno przy budowie, jak i uruchamianiu

należy zachować szczególną ostrożność.

Łukasz Plis

lukasplis@interia.pl

Ciąg dalszy ze strony 20

Wykaz elementów

IC1, IC2 . . . . . . . . NE5532

L1 . . . . . . . . dławik 100 μ H

JP1,JP2,ZAS . . . . . goldpin

Moduł procesora

R1,R7,R8,R24,R25 . . . . . .

. . . . . . . . . . . .1,5k Ω 0603

R2-R5,R14-R16. . 47k Ω 0603

R6,R12,R13,R18,R19. . . . .

. . . . . . . . . . . 4,7k Ω 0603

R9,R20-R23. . .10k Ω 0603

R10 . . . . . . . . .22k Ω 0603

R26 . . . . . . . . 470 Ω 0603

C1,C2,C6,C12 100nF 1206

C15,C20-C24 . .100nF 1206

C3,C5 . . . . . . . . 1 μ F 1210

C4,C7,C8,C25 . . 10nF 0805

C9,C10 . . . . . . . . . . .10pF

C11,C19 . . . . . . 1nF 0603

C13 . . . . . . . . . . 220 μ F/16

C14 . . . . . . . . . . . 47 μ F/16

C17,C18 . . . . . . . . . 4,7nF

IC1 . . . . . . AT91SAM7S64

IC2 . . . . . . . TC1264 3.3V

T1,T3-T6 . . . . . . . . BC547

T2 . . . . . . . . . . . . . BC557

Q1 . . . . . .rezonator 16MHz

L1 . . . . . . . . dławik 100μH

S1,S2 . . . . . . mikroswitch

Rs232,MODIN,D_IN,D_

OUT,CTRL,DDS,

DATA,JTAG . . . . . . goldpin

X1 . . . . . . . . . złącze ARK2

Rozdzielacz

R1 . . . . . . . . . 470 Ω 0603

C1,C6 . . . . . . 100nF 1206

C2,C5 . . . . . . . 10nF 0805

C3 . . . . . . . . . 470pF 0603

C4 . . . . . . . . . . . . . 220 μ F

L1 . . . . . . . . . . . . . 250 μ H

L2,L3 . . . . . . . . . . . 100 μ H

LED . . . . . dioda LED niebieska

TSH,X1,ARM,ARB,DDS . . .

. . . . . . . . . . . złącze ARK2

TSH330

R1 . . . . . . . . . 220 Ω 0603

R2 . . . . . . . . . 100 Ω 0603

R3,R7 . . . . . . . 51 Ω 1206

R4,R5 . . . . . . 470 Ω 0603

C1 . . . . . . . . . . . 1 μ F 1210

C2,C9 . . . . . . . 10nF 0805

C3-C5,C8 . . . 100nF 1206

C6,C11 . . . . nie montować

C7 . . . . . . . . . . . . . . 47 μ F

X1,X3. . . . . . opis w tekście

X2 . . . . . . . . złącze ARK2

Zasilacz

C1 . . . . . . . . . 2200 μ F/25V

C2,C3 . . . . . . . . . . . 100nF

C4 . . . . . . . . . . . . . 220 μ F

D1,D2 . . . . . . . . . 1N4007

IC1 . . . . . . . . . . . . . .7805

X1-X3 . . . . . . złącza ARK2

Wszystkie elementy poza

gniazdem śrubowym ARK2,

kondensatorem elektroli-

tycznym C7 oraz dławikiem

L1 to elementy SMD, co

jest oczywiście zrozumi-

ale ze względu na zakres

częstotliwości, w jakich

pracuje ten układ. Blok bu-

fora został połączony z płytką

syntezy przewodem kon-

centrycznym 50Ω RG58U.

Połączenie z gniazdem BNC

X3 także wykonano tym

samym przewodem. Każdą

linię transmisyjną pomiędzy

buforem a obciążeniem (rezystor 50Ω kanału

wejściowego oscyloskopu lub analizatora

widma) powinno się wykonywać stosownym

przewodem o impedancji 50Ω. Układ zasilany

jest napięciem 5V, podawanym na złącze X2,

pobór prądu wynosi ok. 20mA. Płytka została

przykręcona trzema śrubami M3 do większej

płytki laminatu miedziowego.

Układy zasilania. Oba układy zostały za-

montowane na płytkach pokazanych na

rysunkach 16 i 17 . Jedynie dioda LED została

wyprowadzona na przedni panel za pomocą

dwużyłowego przewodu. Ścieżki zasilające są

odpowiednio grube, aby zapewnić możliwie

niski spadek napięcia na ich rezystancji

oraz zminimalizować przenikanie tętnień z

sąsiednich modułów. Duża liczba konden-

satorów stałych oraz elektrolitycznych ma

zapewnić napięcie zasilania pozbawione jakie-

Moduł DDS

R1-R4 . . . . . . .33k Ω 1206

R5 . . . . . . . . . 4,7k Ω 0805

R6 . . . . . . . . . . .1k Ω 0805

R7 . . . . . . . . . 220 Ω 0805

R8-R11 . . . . . . 51 Ω 1206

R12-R15 . . . . . . . . .2,2k Ω

C1-C8 . . . . . . . 10nF 0805

C9,C10 . . . . . .2,2nF 0603

C11-C14 . . . . 100nF 1206

C15,C16,C36. . . . .47 μ F/16V

C17 . . . . . . . . 4,7 μ F 1206

C18 . . . 220nF+100nF 1206

C19-C26 . . . . . 22pF 0805

C27,C30 . . . . .4,7pF 0805

C28,C31 . . . . .6,8pF 0805

C29,C32 . . . . . 10pF 0805

C33,C35 . . . . . . . . . 100nF

C34 . . . . . . . . . 220μF/16V

IC1 . . . . . . . TC1264 3.3V

US1 . . . . . . . . . . . AD9854

L1 . . . . . . . . . . . . . 100 μ H

L2 . . . . . . . . . . . . . . 47nH

QG1. . . . . gen. 28,322MHz

S-K,CON,FSK. . . . . . .goldpin

X1 . . . . . . . . . złącze ARK

X2,X3. . . . . . nie montować

Filtr ARB

R1,R2,R6,R11,R12 . . . 10k Ω

R3,R7,R13 . . . . . . . 100k Ω

R4,R5 . . . . . . . . . . .6,8k Ω

R8,R9 . . . . . . . . . . .2,2k Ω

R10 . . . . . . . . . . . . .6,8k Ω

C1,C10,C12. . . . . . . 100nF

C2,C3 . . . . . . . . . . . 2,2nF

C4 . . . . . . . . . . . . . .470pF

C5 . . . . . . . . . . . . . .100pF

C6,C8,C9. . . . . . . . . 10 μ F

C7 . . . . . . . . . . . . . . . . 1nF

C11 . . . . . . . . . . . . . 47 μ F

jkolwiek składowej zmiennej, która mogłaby

pogorszyć parametry układu. Poszczególne

bloki podpięte są w następujący sposób:

Gniazdo DDS – blok syntezy DDS.

Gniazdo ARM – blok sterownika mikroproce-

sorowego.

Gniazdo TSH – blok wzmacniacza

wyjściowego dla syntezy DDS.

Gniazdo ARB – blok ﬁ ltru i wzmacniacza

generatora arbitralnego.

Na początku montażu warto zmontować tylko

układ sterowania oraz blok syntezy DDS.

Umożliwi to od razu sprawdzenie poprawności

działania obu płytek. Następnie można

zmontować zasilacz, stopień wyjściowy z

układem TSH330 oraz ﬁ ltr generatora arbi-

tralnego. Do uruchomienia układu niezbędny

będzie oscyloskop oraz generator funk-

cyjny. Testowanie należy przeprowadzić od

sprawdzenia poprawności pracy samego gen-

Płytka drukowana jest dostępna

w sieci handlowej AVT jako kit szkolny AVT-2941.

eratora, poprzez modulacje cyfrowe, z wyko-

rzystaniem przebiegu prostokątnego TTL po-

dawanego na wejścia FSK, S-K, kończąc na

modulacjach analogowych (przebieg sinusoi-

dalny, muzyka itp.) – złącze MODIN.

Test zmontowanego urządzenia przeprowadza

się poprzez sprawdzenie obecności zadanych

sygnałów na wyjściach urządzenia. Do syn-

chronizacji oscyloskopu z urządzeniem można

wykorzystać złącze oznaczone jako D_OUT,

pozwoli ono zaobserwować skomplikowane

sygnały np. 16-QAM. Oscyloskop powin-

ien wtedy pracować w trybie single-trigger z

wyzwalaniem ze złącza D_OUT.

Rafał Stępień

rafals1@poczta.fm

Elektronika dla Wszystkich Maj 2010

Maj 2010

223

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: