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.

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
c h ł o d z e n i a .
W celu mak-
s y m a l n e g o
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

21

Elektronika dla Wszystkich

Maj 2010

Maj 2010

Projekty AVT

#

#

#

#

#

#

#

#

#

2940

2940

Nagrzewnica indukcyjna 1kW

Nagrzewnica indukcyjna 1kW

Rys. 1

Rys. 2

VCC

1

RT

2

CT

3

COM

4

LO

5

VS

6

HI

7

VB

8

U2

IR2153

D1
UF4001

+12

PR1
100k

R1
18k

C4

470p

C2
100uF

R2

15R

R3

15R

G1

S1

G2

S2

+12

R4
1,5k

D2
zas

+
-

Z6

fan

C7

1000uF

+
-

Z2

12VDC

Z1

0

-2

3

0

V

A

C

~

~

M1

50A

C1

10uF/400V

T2

T1

T

1

,T

2

-

IF

R

P

S

4

0

N

6

0

R5
10R/5W

R6
10R/5W

C3

2,2nF/2kV

C4

2,2nF/2kV

C5

4uF/400V

C6
4uF/400V

L1

*

D3

Rezonans

D4

1N4148

R7

47k

C

*

C

*

C

*

L

*

* - patrz tekst

martwych (

dead time), które eliminują ryzy-

ko jednoczesnego przewodzenia obu tranzy-
storów jednocześnie. W tym przypadku czas
martwy wynosi typowo 1,2

μs.

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 0,1

Ω.

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

z kondensa-
torów ozna-
czonych na
s c h e m a c i e
z rysunku 1
jako C oraz
cewki L. Ze
względu na
duże prądy
płynące w
rezonansie,
c a ł k o w i t a
p o j e m n o ś ć
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

μF. 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-

22

Projekty AVT

Elektronika dla Wszystkich

Maj 2010

Maj 2010

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

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-

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

[e-mail]

23

23

Projekty AVT

Elektronika dla Wszystkich

Maj 2010

Maj 2010

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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18kΩ
R2,R3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15Ω
R4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,5kΩ
R5,R6 . . . . . . . . . . . . . . . . . 10Ω/5W
R7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47kΩ
PR1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100kΩ
Kondensatory
C1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10μF/400V
C2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100μF
C3,C4 . . . . . . . . . . . . . . . . 2,2nF/2kV
C5,C6 . . . . . . . . . . . . . . . . 4μF/400V

C7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1000μFV
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

Wykaz elementów

Płytka drukowana jest do stęp na

w sie ci han dlo wej AVT ja ko kit szkol ny AVT-2940.

Ciąg dalszy ze strony 20

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-

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-

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

[e-mail]

Moduł DDS

R1-R4 . . . . . . .33kΩ 1206

R5 . . . . . . . . . 4,7kΩ 0805

R6 . . . . . . . . . . .1kΩ 0805

R7 . . . . . . . . . 220Ω 0805

R8-R11 . . . . . . 51Ω 1206

R12-R15 . . . . . . . . .2,2kΩ

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

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

C11-C14 . . . . 100nF 1206

C15,C16,C36. . . . .47μF/16V

C17 . . . . . . . . 4,7μF 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 . . . . . . . . . . . . . 100μH

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 . . . 10kΩ

R3,R7,R13. . . . . . . 100kΩ

R4,R5 . . . . . . . . . . .6,8kΩ

R8,R9 . . . . . . . . . . .2,2kΩ

R10 . . . . . . . . . . . . .6,8kΩ

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

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

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

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

C6,C8,C9. . . . . . . . . 10μF

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

C11 . . . . . . . . . . . . . 47μF

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

L1 . . . . . . . . dławik 100μH

JP1,JP2,ZAS . . . . . goldpin
Moduł procesora

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

. . . . . . . . . . . .1,5kΩ 0603

R2-R5,R14-R16. . 47kΩ 0603

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

. . . . . . . . . . . 4,7kΩ 0603

R9,R20-R23. . .10kΩ 0603

R10 . . . . . . . . .22kΩ 0603

R26 . . . . . . . . 470Ω 0603

C1,C2,C6,C12 100nF 1206

C15,C20-C24 . .100nF 1206

C3,C5 . . . . . . . . 1μF 1210

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

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

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

C13 . . . . . . . . . . 220μF/16

C14 . . . . . . . . . . . 47μF/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 . . . . . . . . . 470Ω 0603

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

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

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

C4 . . . . . . . . . . . . . 220μF

L1 . . . . . . . . . . . . . 250μH

L2,L3. . . . . . . . . . . 100μH

LED . . . . . dioda LED niebieska

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

. . . . . . . . . . . złącze ARK2
TSH330

R1 . . . . . . . . . 220Ω 0603

R2 . . . . . . . . . 100Ω 0603

R3,R7 . . . . . . . 51Ω 1206

R4,R5 . . . . . . 470Ω 0603

C1 . . . . . . . . . . . 1μF 1210

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

C3-C5,C8 . . . 100nF 1206

C6,C11 . . . . nie montować

C7 . . . . . . . . . . . . . . 47μF

X1,X3. . . . . .opis w tekście

X2 . . . . . . . . złącze ARK2
Zasilacz

C1 . . . . . . . . .2200μF/25V

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

C4 . . . . . . . . . . . . . 220μF

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

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

X1-X3 . . . . . . złącza ARK2

Wykaz elementów

Płytka drukowana jest do stęp na

w sie ci han dlo wej AVT ja ko kit szkol ny AVT-2941.