Projekty AVT
2940
2940
Nagrzewnica indukcyjna 1kW
Nagrzewnica indukcyjna 1kW
Nagrzewnica indukcyjna służy do nagrze- Opis układu
wania metalowych przedmiotów za pomo- Schemat ideowy nagrzewnicy indukcyj-
cą indukowania w nich prądów wirowych. nej zamieszczono na rysunku 1. Część
Przedmiot, który ma zostać ogrzany, jest znajdująca się na schemacie w czerwonej
umieszczany w spirali, w której przepływa ramce jest zmontowana na płytce druko-
prąd o wysokiej częstotliwości. Indukowane wanej z rysunku 2. Pozostałe elementy są
prądy wirowe oraz straty w materiale wynika- połączone przewodami, głównie z powodu
jące z jego szybkiego przemagne- ich gabarytów
sowywania powodują rozgrzewa- i konieczności
nie metalu  od wewnątrz . chłodzenia.
Eksperymentalny układ W celu mak-
nagrzewnicy indukcyjnej został symal nego
opisany w EdW 10/2008. uproszczenia
Zainspirowany tym układem bloku sterują-
postanowiłem zbudować własną cego, zastoso-
wersję nagrzewnicy, którą przed- wano dedyko- nia. Układ IR2153 pracuje w standardowej
stawiam poniżej. Zasada działania wany sterow- konfiguracji zamieszczonej w nocie kata-
obu nagrzewnic jest identyczna, nik półmostka logowej. Za pomocą potencjometru PR1
różnią się jedynie budową układu IR2153, który mamy możliwość regulowania częstotli-
sterującego, która w tym przypad- jest sercem wości pracy półmostka. Dodatkową zaletą
ku jest o wiele prostsza i tańsza. całego urządze- tego układu jest zastosowanie tzw. czasów
Rys. 2
Rys. 1
Z1
~
M1
+12
R5
10R/5W C5
D2
Z2 Z6
~
zas
+
50A
4uF/400V
-
R4 C7
C3
D3
1,5k
1000uF fan
12VDC T1
2,2nF/2kV
Rezonans
D4
1N4148
C1
10uF/400V
D1
C C C
R7
C2 L
+12
UF4001
*
47k * *
100uF
*
L1
PR1
100k
U2
*
R1 R2 R6
1 8 G1 * - patrz tekst
18k
VCC VB 10R/5W
2 7
RT HI
15R C6
3 6 S1
CT VS T2
4uF/400V
4 5
COM LO R3
C4
G2
C4
2,2nF/2kV
IR2153
470p
15R
S2
M
a
j
2
0
1
0
El ekt roni ka dl a Wszyst ki ch Maj 2010
21
0-230VAC
T1,T2 - IFRPS40N60
+
-
Projekty AVT
z kondensa-
torów ozna-
czonych na
schemacie
z rysunku 1
jako C oraz
cewki L. Ze
względu na
duże prądy
płynące w
rezonansie,
cał kowi t a
pojemność cia na bramkach obu tranzystorów. Jeżeli
musi się wszystko jest jak należy, włączamy zasilanie
martwych (dead time), które eliminują ryzy- składać z kilkunastu mniejszych konden- autotransformatora ustawionego na minimal-
ko jednoczesnego przewodzenia obu tranzy- satorów. W moim przypadku wykorzysta- ne napięcie. Następnie powoli zwiększamy
storów jednocześnie. W tym przypadku czas łem kondensatory pochodzące z demontażu napięcie na autotransformatorze, obserwu-
martwy wynosi typowo 1,2µs. starych odbiorników telewizyjnych o Å‚Ä…cz- jÄ…c wskazania amperomierza. PrÄ…d pobie-
Zasilanie części sterujÄ…cej, jak podaje nota nej pojemnoÅ›ci okoÅ‚o 8µF. Cewka robocza rany z sieci powinien powoli, ale pÅ‚ynnie
katalogowa, jest możliwe za pomocą dzielni- liczy w sumie siedem zwojów o średnicy wzrastać wraz ze wzrostem napięcia. Jeżeli
ka bezpośrednio z wyprostowanego napięcia wewnętrznej 75mm, wykonanych z rurki zaobserwujemy raptowny wzrost prądu przy
sieciowego bÄ…dz
z zewnętrznego zasilacza. miedzianej 6mm. minimalnym napięciu zasilania, będzie to
Wybrałem drugą opcję, wykorzystując zasi- Dioda D3 zamontowana równolegle do oznaczało zwarcie w układzie. Po ustawie-
lacz impulsowy o napięciu wyjściowym 12V i układu LC pełni rolę wskaz
nika rezonan- niu napięcia na około 30V przystępujemy
prądzie maksymalnym około 2A, pochodzący su, dzięki czemu możliwe jest uruchomienie do regulacji częstotliwości pracy półmostka
z demontażu. Do jego wyjścia zostały podłą- układu bez wykorzystania oscyloskopu. tak, aby uzyskać rezonans w obwodzie LC.
czone dwa wentylatory chłodzące tranzystory W tym celu należy kręcić potencjometrem
sterujące. Montaż i uruchomienie PR1 do momentu, aż dioda D3 zacznie
Po licznych próbach na tranzystory ste- Cały układ nagrzewnicy został umiesz- świecić najmocniej. Oczywiście regulacja
rujące wybrałem MOSFET-y IRFPS40N60 czony w obudowie wykonanej ze sklejki przeprowadzona za pomocą oscyloskopu
o prądzie maksymalnym 40A, napięciu dren- o wymiarach 31x25x12cm (dł/szer/wys). będzie dokładniejsza, niemniej obserwując
-z
ródÅ‚o 600V i rezystancji kanaÅ‚u 0,1©. Dodatkowo do nagrzewania krótkich przed- jasność Å›wiecenia diody da siÄ™ to zrobić w
Między wyjście półmostka a dzielnik, miotów, które muszą być ustawione na zadowalająco dokładny sposób.
utworzony z kondensatorów, został pod- swego rodzaju podwyższeniu, wykonano Po dostrojeniu układu możemy przystąpić
łączony układ rezonansowy. Cewka L1 wysuwaną podstawę widoczną na foto- do właściwej próby działania nagrzewnicy.
pełni rolę dopasowania impedancyjnego grafiach. Ze względów estetycznych górę Umieszczamy w spirali grzejnej przedmiot,
między sterownikiem a właściwym ukła- obudowy stanowi pleksi o grubości 4mm, który ma być ogrzany, włączamy zasilanie
dem rezonansowym. W urządzeniu mode- dzięki czemu widać zarówno wskaz
nik sterownika, a następnie zasilanie autotransfor-
lowym wykonano ją na rdzeniu (pozyska- rezonansu, jak i wszystkie pozostałe kom- matora (zalecana kolejność), po czym zwięk-
nym ze starego monitora komputerowego) ponenty. Cewkę grzejną zamocowano w szamy napięcie na jego wyjściu. W zależności
o wymiarach około 50x50x20mm (dł/wys/ ściance czołowej za pomocą małych klo- od wielkości ogrzewanego przedmiotu, czę-
szer). Po usunięciu oryginalnego uzwo- cków ze śrubami blokującymi, które przy-
jenia nawijamy około 15 zwojów linką o klejono od wewnątrz.
przekroju 2,5mm. Warto pozostawić nieco Do chłodzenia układu wykorzystano trzy
więcej przewodu, aby w razie konieczności wentylatory. Dwa z nich (chłodzące tranzy-
móc skorygować liczbę zwojów podczas story) tłoczą powietrze do wnętrza obudowy,
uruchamiania układu. natomiast trzeci umieszczony z tyłu wysysa
Ostatnim elementem, jaki musimy wyko- je na zewnątrz. Pierwotnie tranzystory były
nać, jest obwód rezonansowy składający się 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 urzÄ…-
dzenia niezbędny jest auto-
transformator oraz ampero-
mierz. Na początek należy
włączyć zasilanie części
sterującej i sprawdzić napię-
Maj 2010
M
a
j
2
0
1
0
El ekt roni ka dl a Wszyst ki ch
22
Projekty AVT
sieci, przy pominięciu auto-
Wykaz elementów
transformatora. Podczas jej
Rezystory C7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1000µFV
Uwaga! Podczas uruchamiania i użyt- włączenia następuje silny
R1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18k© Półprzewodniki
kowania układu w jego obwodach wystę- impuls prądowy, który przy
R2,R3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15© D1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . UF4001
pują napięcia groz
ne dla życia i zdrowia. podaniu napięcia 230V może
R4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,5k© D2,D3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . LED
Osoby niedoświadczone i niepełnoletnie uszkodzić tranzystory steru-
R5,R6 . . . . . . . . . . . . . . . . . 10©/5W D4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1N4148
mogą wykonać je wyłącznie pod kierun- jące. Stopniowe zwiększa-
R7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47k© M1. . . . . . . . . . . . . . . . . . mostek 50A
kiem wykwalifikowanego opiekuna, na nie napięcia wyjściowego
PR1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100k© T1,T2. . . . . . . . . . . . . . . IFRPS40N60
przykład nauczyciela. pozwala na bieżąco kontro-
Kondensatory U2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IR2153
lować pobierany prąd i eli-
C1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10µF/400V PozostaÅ‚e
minuje ryzyko uszkodzenia
C2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100µF C,L,L1 . . . . . . . . . . . . . .* - patrz tekst
stotliwość rezonansowa, a tym samym pobie- urządzenia.
C3,C4 . . . . . . . . . . . . . . . . 2,2nF/2kV Z1,Z2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ARK2
rany prąd, będzie ulegał niewielkiej zmianie. Na załączonych fotogra-
C5,C6 . . . . . . . . . . . . . . . . 4µF/400V Z6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ARK2 maÅ‚y
Przedstawiona nagrzewnica była zasilana fiach zaprezentowano przykła-
Płytka drukowana jest dostępna
z autotransformatora o mocy maksymalnej dy nagrzewanych przedmio-
w sieci handlowej AVT jako kit szkolny AVT-2940.
1kW i taką moc udało mi się wykorzystać. tów. Nawet tak duże elementy
Tranzystory sterujące przy takim chłodzeniu jak śruby o średnicy 20mm
nie grzały się mocno, co świadczy o możli- rozgrzewają się do czerwoności w przecią- nicę. Urządzenie jest zasilanie bez separacji
wości dalszego zwiększenia mocy. Niestety, gu jedynie kilku sekund. Niektóre ze zdjęć galwanicznej od sieci, co stwarza niebez-
ponieważ nie posiadam autotransformatora o przedstawiają pierwszą wersje nagrzewnicy w pieczeństwo porażenia. Z tego względu
większej mocy, nie mogłem tego sprawdzić innej obudowie i ze spiralą wykonaną z drutu zarówno przy budowie, jak i uruchamianiu
w praktyce. miedzianego. należy zachować szczególną ostrożność.
Warto podkreślić, że niezalecane jest Na zakończenie chciałbym ostrzec wszyst- A
ukasz Plis
uruchamianie nagrzewnicy bezpośrednio z kich, którzy zechcą zbudować taką nagrzew- [e-mail]
CiÄ…g dalszy ze strony 20
IC1, IC2 . . . . . . . . NE5532 IC1 . . . . . . AT91SAM7S64 . . . . . . . . . . . złącze ARK2
Wykaz elementów
L1 . . . . . . . . dÅ‚awik 100µH IC2 . . . . . . . TC1264 3.3V TSH330
Moduł DDS US1 . . . . . . . . . . . AD9854
JP1,JP2,ZAS . . . . . goldpin T1,T3-T6 . . . . . . . . BC547 R1 . . . . . . . . . 220© 0603
R1-R4 . . . . . . .33k© 1206 L1 . . . . . . . . . . . . . 100µH
ModuÅ‚ procesora T2 . . . . . . . . . . . . . BC557 R2 . . . . . . . . . 100© 0603
R5 . . . . . . . . . 4,7k© 0805 L2 . . . . . . . . . . . . . . 47nH
Wszystkie elementy poza
R1,R7,R8,R24,R25 . . . . . . Q1 . . . . . .rezonator 16MHz R3,R7 . . . . . . . 51© 1206
R6 . . . . . . . . . . .1k© 0805 QG1. . . . . gen. 28,322MHz
gniazdem śrubowym ARK2,
. . . . . . . . . . . .1,5k© 0603 L1 . . . . . . . . dÅ‚awik 100µH R4,R5 . . . . . . 470© 0603
R7 . . . . . . . . . 220© 0805 S-K,CON,FSK. . . . . . .goldpin
kondensatorem elektroli-
R2-R5,R14-R16. . 47k© 0603 S1,S2 . . . . . . mikroswitch C1 . . . . . . . . . . . 1µF 1210
R8-R11 . . . . . . 51© 1206 X1 . . . . . . . . . zÅ‚Ä…cze ARK
tycznym C7 oraz dławikiem R6,R12,R13,R18,R19. . . . . Rs232,MODIN,D_IN,D_ C2,C9 . . . . . . . 10nF 0805
R12-R15 . . . . . . . . .2,2k© X2,X3. . . . . . nie montować
. . . . . . . . . . . 4,7k© 0603 OUT,CTRL,DDS, C3-C5,C8 . . . 100nF 1206
C1-C8 . . . . . . . 10nF 0805 Filtr ARB
L1 to elementy SMD, co
R9,R20-R23. . .10k© 0603 DATA,JTAG . . . . . . goldpin C6,C11 . . . . nie montować
C9,C10 . . . . . .2,2nF 0603 R1,R2,R6,R11,R12 . . . 10k©
jest oczywiście zrozumi-
R10 . . . . . . . . .22k© 0603 X1 . . . . . . . . . zÅ‚Ä…cze ARK2 C7 . . . . . . . . . . . . . . 47µF
C11-C14 . . . . 100nF 1206 R3,R7,R13 . . . . . . . 100k©
ale ze względu na zakres
R26 . . . . . . . . 470© 0603 Rozdzielacz X1,X3. . . . . .opis w tekÅ›cie
C15,C16,C36. . . . .47µF/16V R4,R5 . . . . . . . . . . .6,8k©
częstotliwości, w jakich
C1,C2,C6,C12 100nF 1206 R1 . . . . . . . . . 470© 0603 X2 . . . . . . . . zÅ‚Ä…cze ARK2
C17 . . . . . . . . 4,7µF 1206 R8,R9 . . . . . . . . . . .2,2k©
pracuje ten ukÅ‚ad. Blok bu- C18 . . . 220nF+100nF 1206 R10 . . . . . . . . . . . . .6,8k©
C15,C20-C24 . .100nF 1206 C1,C6 . . . . . . 100nF 1206 Zasilacz
C3,C5 . . . . . . . . 1µF 1210 C2,C5 . . . . . . . 10nF 0805 C1 . . . . . . . . . 2200µF/25V
C19-C26 . . . . . 22pF 0805 C1,C10,C12. . . . . . .100nF
fora został połączony z płytką
C4,C7,C8,C25 . . 10nF 0805 C3 . . . . . . . . . 470pF 0603 C2,C3 . . . . . . . . . . .100nF
C27,C30 . . . . .4,7pF 0805 C2,C3 . . . . . . . . . . . 2,2nF
syntezy przewodem kon-
C9,C10 . . . . . . . . . . .10pF C4 . . . . . . . . . . . . . 220µF C4 . . . . . . . . . . . . . 220µF
C28,C31 . . . . .6,8pF 0805 C4 . . . . . . . . . . . . . .470pF
centrycznym 50© RG58U.
C11,C19 . . . . . . 1nF 0603 L1 . . . . . . . . . . . . . 250µH D1,D2 . . . . . . . . . 1N4007
C29,C32 . . . . . 10pF 0805 C5 . . . . . . . . . . . . . .100pF
Połączenie z gniazdem BNC
C13 . . . . . . . . . . 220µF/16 L2,L3. . . . . . . . . . . 100µH IC1 . . . . . . . . . . . . . .7805
C33,C35 . . . . . . . . .100nF C6,C8,C9. . . . . . . . . 10µF
X3 także wykonano tym
C14 . . . . . . . . . . . 47µF/16 LED . . . . . dioda LED niebieska X1-X3 . . . . . . zÅ‚Ä…cza ARK2
C34 . . . . . . . . . 220µF/16V C7 . . . . . . . . . . . . . . . .1nF
C17,C18 . . . . . . . . . 4,7nF TSH,X1,ARM,ARB,DDS . . .
samym przewodem. KażdÄ… IC1 . . . . . . . TC1264 3.3V C11 . . . . . . . . . . . . . 47µF
linię transmisyjną pomiędzy jkolwiek składowej zmiennej, która mogłaby
Płytka drukowana jest dostępna
buforem a obciążeniem (rezystor 50© kanaÅ‚u pogorszyć parametry ukÅ‚adu. Poszczególne
w sieci handlowej AVT jako kit szkolny AVT-2941.
wejściowego oscyloskopu lub analizatora bloki podpięte są w następujący sposób:
widma) powinno się wykonywać stosownym Gniazdo DDS  blok syntezy DDS. eratora, poprzez modulacje cyfrowe, z wyko-
przewodem o impedancji 50©. UkÅ‚ad zasilany Gniazdo ARM  blok sterownika mikroproce- rzystaniem przebiegu prostokÄ…tnego TTL po-
jest napięciem 5V, podawanym na złącze X2, sorowego. dawanego na wejścia FSK, S-K, kończąc na
pobór prądu wynosi ok. 20mA. Płytka została Gniazdo TSH  blok wzmacniacza modulacjach analogowych (przebieg sinusoi-
przykręcona trzema śrubami M3 do większej wyjściowego dla syntezy DDS. dalny, muzyka itp.)  złącze MODIN.
płytki laminatu miedziowego. Gniazdo ARB  blok filtru i wzmacniacza Test zmontowanego urządzenia przeprowadza
Układy zasilania. Oba układy zostały za- generatora arbitralnego. się poprzez sprawdzenie obecności zadanych
montowane na płytkach pokazanych na Na początku montażu warto zmontować tylko sygnałów na wyjściach urządzenia. Do syn-
rysunkach 16 i 17. Jedynie dioda LED została układ sterowania oraz blok syntezy DDS. chronizacji oscyloskopu z urządzeniem można
wyprowadzona na przedni panel za pomocą Umożliwi to od razu sprawdzenie poprawności wykorzystać złącze oznaczone jako D_OUT,
dwużyłowego przewodu. Ścieżki zasilające są działania obu płytek. Następnie można pozwoli ono zaobserwować skomplikowane
odpowiednio grube, aby zapewnić możliwie zmontować zasilacz, stopień wyjściowy z sygnały np. 16-QAM. Oscyloskop powin-
niski spadek napięcia na ich rezystancji układem TSH330 oraz filtr generatora arbi- ien wtedy pracować w trybie single-trigger z
oraz zminimalizować przenikanie tętnień z tralnego. Do uruchomienia układu niezbędny wyzwalaniem ze złącza D_OUT.
sąsiednich modułów. Duża liczba konden- będzie oscyloskop oraz generator funk-
satorów stałych oraz elektrolitycznych ma cyjny. Testowanie należy przeprowadzić od Rafał Stępień
zapewnić napięcie zasilania pozbawione jakie- sprawdzenia poprawności pracy samego gen- [e-mail]
M
a
j
2
0
1
0
El ekt roni ka dl a Wszyst ki ch Maj 2010
23
23