LDTR-WG0222 - jednoduchý modul indukčného ohrevu

LDTR-WG0222 - jednoduchý modul indukčného ohrevu
Elektrolab Pridal  Elektrolab
  870 zobrazení
4
 0
Elektronické moduly a stavebnice

S týmto lacným modulom LDTR-WG0222 sa môžete pohrať s veľkou silou indukčného ohrevu. Bežnú skrutku M8 zahrejete za menej ako desať sekúnd na 100 °C a na záver môžete tiež experimentovať s bezdrôtovým prenosom energie.

Modul indukčného ohrevu  LDTR-WG0222 si môžte kúpiť prostredníctvom tohoto odkazu - klikni (Banggood)

Čo je to indukčný ohrev?

Pred zoznámením sa s týmto zariadením by mohlo byť užitočné stručne si vysvetliť čo to o pojme "indukčného ohrevu". Indukčný ohrev je metóda ohrievania elektricky vodivého predmetu, v každom prípade kovu, pomocou elektrického prúdu indukovaného v objekte. Táto technika predstavuje rýchly, bezkontaktný a bezplameňový spôsob ohrevu. Ohrev kovu je spôsobený striedavým magnetickým poľom vytvárajúcim vírivé prúdy v objekte. Tieto vírivé prúdy sa tiež nazývajú "Foucaultove prúdy".

Tok tohto prúdu je výsledkom "elektromagnetickej indukcie", javu, ktorý objavil Michael Faraday v roku 1831. Hlavným faktorom Faradayovho objavu je, že meniace sa magnetické pole môže vyvolať meniace sa napätie vo vodiči. Výsledkom tohto napätia je prirodzene prúd - vírivý prúd, keď je elektrický obvod uzavretý. Toto vytvára lokálne generované teplo. To, ako hlboko preniká teplo do objektu, závisí hlavne od frekvencie magnetického poľa a kovu. Nízke frekvencie okolo 5 kHz prenikajú hlboko do kovu. Vysoké frekvencie okolo 30 kHz a viac poskytujú menej hĺbkového prenikania, ale o to silnejšie zahrievanie kovu. Ako je znázornené na obrázku nižšie, silné magnetické pole sa vytvára vytvorením cievky z hrubého medeného drôtu, ktorá sa skladá iba z niekoľkých závitov. Táto cievka nemá jadro, takže je dutá.

Princíp generovania vírivích prúdov.

Cievka je napájaná výkonovým oscilátorom, ktorý generuje vysokofrekvenčné sínusové napätie. Výsledkom je, že cievkou preteká značný vysokofrekvenčný prúd a v nej a okolo nej sa vytvára silné striedavé magnetické pole. Ak necháte cievku prázdnu, nedeje sa prakticky nič. Jediná vec je, že sa špirála zahrieva kvôli vysokofrekvenčnému prúdu, ktorý ňou preteká. Ak však vložíte do stredu cievky kov, napríklad klinec, vysokofrekvenčné magnetické pole v tomto klinci vygeneruje vysokofrekvenčné indukčné napätie. Pretože klinec tvorí uzavretý okruh, do klinca bude prúdiť veľký vírivý prúd. Tento prúd v klinci prúdi tam a späť v dôsledku striedavého magnetického poľa. Vďaka tomu sa v klinci vytvára veľa tepelnej energie.

Modul LDTR-WG0222

Ako to už pri lacných čínskych PCB býva, nie je nikdy jasné, kto dané zariadenie vyvinul. Tento modul nájdete pod názvom "LDTR-WG0222", alebo "ZVS driver". Je to populárny produkt, ktorý ponúkajú desiatky webových obchodov za celkom odlišné ceny. Modul indukčného ohrevu je zostavený na malej PCB s rozmermi 55 mm x 37 mm a samostatnej špirály s priemerom 20 mm a dĺžkou 28 mm. Táto cievka sa skladá z desiatich závitov pevného medeného drôtu. Na ľavej strane DPS je svorkovnica pre pripojenie napájacieho zdroja, vpravo svorkovnica pre pripojenie výstupnej cievky L3. Pretože sa cievka do tejto svorkovnice nezmestí, môžete jej dva vývody prispájkovať priamo na veľké pocínované povrchy vedľa svorkovnice na doske plošných spojov.

Modul indukčného ohrevu LDTR-WG0222.

Technické údaje modulu LDTR-WG0222

  • Napájacie napätie: 5 Vdc ~ 12 Vdc
  • Výkon: max. 120 W
  • Pracovná frekvencia: 200 kHz

DPS LDTR-WG0222

Horná časť DPS ​​je takmer úplne obsadená dvoma veľkými cievkami. Ak vyspájkujete tieto cievky z DPS, tak zistíte, že zapojenie obsahuje prekvapivo málo komponentov. Dva MOSFET tranzistory, päť rezistorov, štyri diódy a LED indukujúca napájanie modulu.

Vľavo osadená PCB a vpravo "odstrojená" PCB.

Spodná strana dosky plošných spojov je úplne obsadená dvoma podivnými komponentmi, ktoré sa pri bližšom skúmaní ukážu ako veľké kondenzátory s kapacitou 330 nF na 630 V. Po odstránení týchto komponentov zistíte, že sa na tejto strane dosky nenachádza už nič iné.

Pohľad na spodnú stranu PCB s osadenými kondenzátormi.

Schéma LDTR-WG0222

Po čiastočnom rozobratí PCB už nie je až tak ťažké zrekonštruovať schému tohto zariadenia. Kompletná schéma je na obrázku nižšie. Cievky L1 a L2 sú dve cievky na PCB. Údaje k nim ovšem chýbajú. Cievka L3 je voľná cievka, ktorá je zodpovedná za indukované teplo. Dva MOSFETy sú od značky ON Semiconductor, ale číslo modelu je tak isto nečitateľné.

Zrekonštruovaná schéma zapojenia.

Popis zapojenia

V začiatku som použil písmená "ZVS". To je skratka "Zero Voltage Switching" a to je presne to, čo sa stane v tomto obvode, keď MOSFETy vedú. Tento obvod je známy ako "Royer Oscillator" alebo "Mazzilli driver" a zaručuje minimálnu stratu výkonu v samotnom obvode a maximálny výkon pre externú cievku. Obvod je v skutočnosti oscilátor, ktorý začína oscilovať na frekvencii určenej záťažou pripojenou medzi dvoma vývodmi drains. V tomto prípade sa táto záťaž skladá z kondenzátorov C1 a C2 a cievky L3. Toto sa nazýva okruh nádrže. Paralelne zapojený LC obvod má rezonančnú frekvenciu. Neprekvapí vás, že obvod bude kmitať na tejto frekvencii. Ak na obvod náhle privediete napájacie napätie, cievky L1 a L2 zabezpečia, aby sa toto napätie s miernym oneskorením dostalo do drainov MOSFETov. Cievka koniec koncov odoláva toku prúdu.

Súčasne budú MOSFETy chcieť prepnúť na vedenie v reálnom čase, pretože na brány sa privádzajú kladné napätia cez rezistory R1 a R2. Neexistujú však dva MOSFETy s identickými vlastnosťami. Jeden z nich sa preto stane vodivým o ​​niečo skôr ako druhý. Predpokladajme, že T1 začne viesť o niečo skôr. Napätie na draine klesne na 0 V a schottkyho dióda D3 spôsobí pokles napätia na bráne T2. Tento tranzistor preto zostáva v bloku. Zdá sa, že obvod v tejto situácii pretrváva a to by spôsobilo smrť pre MOSFET T1. Teraz však prichádza paralelne zapojený obvod L3-C1-C2. Keď je T1 zapnutý, týmto polovodičom zrazu preteká veľmi veľký prúd. Tento jav spôsobuje v obvode oveľa vyššie harmonické. LC obvod extrahuje signál s vlastnou rezonančnou frekvenciou z tohto množstva frekvencií a zosilňuje ho. V obvode sa vytvára pomerne vysoké striedavé napätie. Záporná perióda tohto napätia dosiahne hradlo T1 cez diódu D4 a obráti tento polovodič. Napätie na draine stúpa, čo vedie k tomu, že dióda D3 sa vypne a hradlové napätie T2 môže opäť stúpať. Takže teraz sú role obrátené, T2 bude viesť a T1 bude blokovať. Rezonancia LC obvodu opäť spôsobí, že sa role po pol perióde obrátia. T1 bude viesť, T2 bude blokovať. Z tohto môžete odvodiť, že MOSFETy už vedú, keď je na drainoch minimálne napätie. Odtiaľ pochádza aj názov "Zero Voltage Switching".

Výsledkom je veľké sínusové napätie

Vďaka frekvenčne selektívnej prevádzke paralelne zapojených komponentov C1-C2-L3 tento obvod generuje cez tieto komponenty sínusové napätie. Frekvencia tohto signálu sa rovná rezonančnej frekvencii LC obvodu. Vďaka akumulácii energie a zosilneniu signálu, ktoré vznikajú v obvodoch LC, je tento signál sínusovej vlny dokonca mnohonásobne väčší ako napájacie napätie obvodu.

Testovanie obvodu LDTR-WG0222

Dôležité poznámky : Je absolútne neprípustné napájať obvod z pomaly rastúceho napájacieho napätia. Obvod nebude oscilovať a oba MOSFETy sa okamžite zničia. Uistite sa, že je napájacie napätie stabilné, a najskôr pripojte PCB k zdroju napájania pomocou vypínača. Okrem toho nezabúdajte, že obvod môže z 12 V napájacieho zdroja odoberať prúd až 7,5 A a váš napájací zdroj musí byť schopný dodávať také prúdy bez prerušenia alebo zníženia výstupného napätia. Ten druhý môže spôsobiť vypnutie oscilátora a zničenie MOSFETov. Náhly výskyt plného napájacieho napätia vytvára v obvode potrebné kmity.

Zapojenie obvodu

Skúšaný modul som napájal z 12 V napájacieho zdroja, ktorý môže dodávať prúd až 30 A. Pri pripojení modulu k ​​tomuto napájaciemu zdroju som zmeral napájací prúd 1.35 A pri napájacom napätí 11.55 V. Obvod preto spotrebuje v kľude výkon 15.6 W. Potom som sa pozrerel na napätie na cievke L3 cez osciloskop. Výsledkom je skutočne pekná sínusová vlna s frekvenciou 188,.2 kHz, pozri oscilogram nižšie. Efektívna hodnota tohto napätia je 26.158 V.

Napätie a priebeh signálu nameraný na cievke L3.

Teplota cievky L3

V pokoji sa v obvode spotrebuje veľa energie. Komponenty na DPS zostávajú na relatívne nízkej teplote. Cievka L3 sa však rýchlo zahreje natoľko, že sa na nej spálite. Bol som preto zvedavý, ako rýchlo sa táto cievka zahreje na maximálnu teplotu a akú medznú teplotu je možné dosiahnúť. Meral som to upnutím termočlánku s tepelne vodivou pastou medzi dvoma závitmi cievky a zaznamenaním teploty pomocou multimetra. Výsledky sú uvedené v grafe nižšie. Konečná teplota sa v testovanom module dosiahne asi po desiatich minútach a je 182 °C. Skutočne teplota, pri ktorej sa môžete poriadne spáliť!

Závisloť výstupnej teploty na čase.

Experimenty s indukčným ohrevom

Je zrejmé, že predmety z medi a hliníka nie sú veľmi užitočné a ani vhodné na experimentovanie s indukčným ohrevom. Je to samozrejme dôsledok nízkej rezistivity týchto kovov. Koniec koncov, s meďou a hliníkom sa teplo vytvára výlučne Jouleovým efektom P = I2 x R. Na laborovanie s  obvodom je preto lepšie použiť železné predmety, ako sú klince a skrutky. Vo feromagnetických materiáloch, ako je železo, sa generuje veľa dodatočného tepla stratami magnetickou hysterézou. Aby som ukázal veľkú silu indukčného ohrevu, použil som veľkú skrutku M8 s dĺžkou 80 mm v strede s malým otvorom, do ktorého som vložil merací termočlánok.

Príprava na zahrievanie skrutky M8, vľavo termočlánok v otvore vyvŕtanom v skrutke.

Túto skrutku som umiestnil do stredu cievky a zaznamenal teplotný trend s intervalom jednej sekundy. Ako ukazuje nasledujúci graf, teplota v strede skrutky už po 80 sekundách vystúpila na 600 °C. Prúd odoberaný z napájacieho zdroja je potom 7.3 A, čo pri napájacom napätí 11.60 V zodpovedá príkonu 84.68 W. Pri 600 °C som musel experiment zastaviť, pretože tepelne vodivá pasta zjavne takéto teploty nevydržala a začala produkovať veľa nie príliš zdravého dymu. Tento experiment každopádne dokázal, ako rýchlo sa pomocou tejto techniky železné predmety zahrejú.

Trend teploty v strede skrutky M8.

Experimentovanie s "bezdrôtovým prenosom energie"

Aktuálnou témou vo svete je "WPT" alebo "Wireless Power Transfer". Myšlienka nie je samozrejme nová, pretože do nej bol už v roku 1896 zapojený aj Nikola Tesla. Vďaka tejto technológii sa nabíjajú všetky elektrické zubné kefky a bezdrôtové nabíjanie čoraz častejšie využívajú aj smartfóny. LDTR-WG0222 je ideálne PCB na experimentovanie s touto technikou - respektíve pre oboznámenie sa s jej možnosťami. Magnetické pole samozrejme nie je len v jadre cievky, ale aj okolo nej. Toto pole môžete zväčšiť podržaním ďalšej cievky, ktorú vyrobíte z hrubého navíjacieho drôtu blízko L3. Všimnete si, že na tejto cievke je indukované napätie niekoľko voltov, samozrejme v závislosti od počtu závitov a vzdialenosti medzi oboma cievkami. Dôležitú úlohu zohráva aj vzájomná poloha dvoch cievok. Toto napätie môžete upraviť a poskytnúť dostatok energie napríklad na rozsvietenie LED.

Modul indukčného ohrevu  LDTR-WG0222 si môžte kúpiť prostredníctvom tohoto odkazu - klikni (Banggood)

Mimochodom, pokiaľ by ste sa mali záujem čo to dozvedieť viac o "ZVS", alebo o vysokom napätí navštívte stránky vn-experimenty.eu kde nájdete dostatok materiálov na túto tému.

Máte aj vy zaujímavú konštrukciu, alebo článok?

Máte aj vy zaujímavú konštrukciu, alebo článok a chceli by ste sa o to podeliť s viac ako 200.000 čitateľmi? Tak neváhajte a dajte nám vedieť, radi ju uverejníme a to vrátane obrazových a video príloh. Rovnako uvítame aj autorov teoretických článkov, či autorov zaujímavých videí z oblasti elektroniky / elektrotechniky.

Kontaktujte nás!


Páčil sa Vám článok? Pridajte k nemu hodnotenie, alebo podporte jeho autora.
 

     

Komentáre k článku

Zatiaľ nebol pridaný žiadny komentár k článku. Pridáte prvý? Berte prosím na vedomie, že za obsah komentára je zodpovedný užívateľ, nie prevádzkovateľ týchto stránok.
Pre komentovanie sa musíte prihlásiť.

Vyhľadajte niečo na našom blogu

PCBWay Promo
PCBWay Promo
PCBWay Promo
Minalox.sk Promo
Minalox.sk Promo
Minalox.sk Promo
Webwiki Button