18 апреля 2020 г.

Простой индукционный нагреватель своими руками

Индукционный нагреватель — это электронное устройство, используемое для нагрева и плавления металлов. Он использует высокочастотное электромагнитное поле, которое нагревает содержащийся в нем металл с помощью вихревых токов. Нагреватели используются в закалке и плавке металлов, на металлургических заводах, а также на небольших металлообрабатывающих заводах. В промышленности существует два типа индукционных нагревателей: основной (непрямой) и без сердечника (прямой). Последний тип индукционного нагревателя будет рассмотрен в статье.

Простой индукционный нагреватель своими руками
Индукционный нагреватель
Основным преимуществом индукционного нагрева является его высокая энергоэффективность, достигающая до 90%. Во время обычного нагрева ископаемым топливом происходит большая потеря тепловой энергии, которая выделяется в окружающую среду, и только часть этой энергии используется для нагрева металла. В методе индукционного нагрева почти вся энергия, за исключением потерь в генераторе, катушке и системе электропитания, нагревает металл, потому что металл нагревается изнутри с помощью вихревых токов. Если в области нагревателя нет металла, потребляется только ток, необходимый для питания нагревателя. Важно отметить, что в отличие от нагрева топливом, с помощью индукционного нагревателя можно нагревать только электропроводящие материалы. Раньше  индукционного нагрева применялся только в промышленности, потом вошел в домашнее хозяйство в виде индукционных плит. Такая плита обеспечивает комфорт использования, высокую эффективность и безопасность, а главное — не требует использования с легковоспламеняющимся газом. КПД индукционных плит намного выше, чем классических газовых, или электрических со спиралями накала. К сожалению, при использовании индукционной плиты необходимо использовать посуду, предназначенную для нее.
Принцип действия
Конструкция индукционного нагревателя, представленная в статье, состоит из генератора и катушки. Катушка не имеет сердечника, и нагретый металл помещается внутри катушки, например, в тигле. Принцип работы печи можно сравнить с принципом работы трансформатора с укороченной вторичной обмоткой. Примером такого устройства является трансформаторный паяльник. Катушка печи является первичной обмоткой, а заряд — компактной вторичной обмоткой. Переменный ток высокой интенсивности с частотой в несколько десятков кГц, протекающий через катушку, создает быстро меняющееся электромагнитное поле. Когда проводник (металл) находится внутри этого поля, он становится «вторичной обмоткой», в которой индуцируются вихревые токи, нагревающие заряд.
Представленный обогреватель был сконструирован таким образом, что после сборки и включения питания он готов к работе, и его не нужно настраивать. На рис.1 приведена принципиальная схема модели индукционного нагревателя.
Схема индукционного нагревателя
Рис. 1
Как видно, схема индукционного нагревателя построена на небольшом количестве элементов. Наиболее важными из которых являются два транзистора, два дросселя, набор конденсаторов и катушка. При проектировании нагревателя рассматривались различные конструкции, в том числе решения с генератором частоты. Однако нагреватели с генератором, частоту которого необходимо установить вручную, работают не очень хорошо из-за изменения параметров индуктивности и мощности, которые нагреваются во время работы, что приводит к изменению генерируемой частоты и отстройке от резонанса. Схема характеризуется стабильностью работы и хорошими параметрами, широко используется в устройствах DIY. После включения источника питания генератор автоматически настраивается на резонанс и поддерживает соответствующую рабочую частоту, автоматически реагируя на изменения температуры используемых компонентов. По сравнению с типичным решением для улучшения и повышения надежности, в нагреватель добавлено несколько элементов. В схемах затворов MOSFET транзисторов T1 и T2 были включены стабилитроны D1 и D2 для ограничения напряжения на их затворах, предотвращая повреждение транзисторов, и использовались диоды D3 и D4, которые улучшают попеременное открытие транзисторов T1 и T2. Частота, генерируемая нагревателем, составляет около 90 кГц и зависит от общей емкости С1 … С6 и индуктивности катушки.
Катушка нагревателя выполнена из медной трубки диаметром около 6 мм. С Медная трубка позволяет легко охлаждать змеевик во время длительной работы, например, с водой или другим охлаждающим средством, которое может проходить через ее внутреннюю часть.
Установка и запуск
Индукционный нагреватель автора был выполнен на двухсторонней печатной плате с металлизацией отверстий, которая показана на рисунке 2. Транзисторы Т1 и Т2 должны быть припаяны таким образом, чтобы их можно было прикрутить к радиатору. L1 и L2 лучше всего паять в самом конце, чтобы не затруднить привинчивание транзисторов к радиатору


Рис. 2
Катушка была изготовлена ​​из медной трубки диаметром около 6 мм, намотанной на сердечник диаметром около 50 мм.
Обмотайте на 6 или 7 оборотов, оставляя прямые выводы для монтажа в зажимах генератора и для возможного соединения трубок охлаждающей жидкости. Пример реализации катушки нагревателя показан на рисунке 3.
Рис. 3
Чтобы сделать катушку с семью витками, намотанными на сердечник диаметром 50 мм, используйте трубку длиной около 150 см.
На рис. 4. показано, как подключить катушку к плате генератора. При установке транзисторов тщательно измерьте высоту, на которой они должны быть припаяны к плате, чтобы монтажные отверстия совпадали с отверстиями в радиаторе. На рис.5 показаны размеры модели радиатора с расположением крепежных отверстий для транзисторов.
Рис. 4
Индукционный нагреватель питается от напряжения 12 … 48 В.
Рис. 5
Испытания автором, также проводились при напряжении 55 В, но выше 40 В метод, используемый для охлаждения транзисторов в виде кусочка алюминиевого профиля, недостаточен, и его поверхность должна быть увеличена, а поток воздуха принудительным. Из-за высокого тока, потребляемого нагревателем при работе с током, достигающего в импульсе 30 … 40 А, для запуска нагревателя следует использовать трансформатор мощностью около 1 кВт и вторичным напряжением переменного тока 9 … 40 В переменного тока.  Переменное вторичное напряжение трансформатора должно быть выпрямлено выпрямительным мостом, рассчитанным на ток около 50 А и сглажено с помощью конденсатора емкостью около 10 мФ.
Рис. 6
Схема несложного выпрямителя показана на рисунке 6, а его внешний вид на рисунке 7.
Рис. 7
На рис. 8 показан пример работы нагревателя. В зависимости от типа нагреваемого металла могут быть достигнуты температуры даже выше 1000°C.
Рис. 8

Устройство управления мощностью переменного тока


Универсальный модуль управления мощностью переменного тока
Универсальный модуль управления мощностью переменного тока
Принципиальная схема модуля управления мощностью переменного тока показана на рисунке 1.
Схема управления мощностью переменного тока
Рис. 1
Напряжение питания 220 В переменного тока для контролируемой нагрузки подключено к клеммам разъема J1. На входе имеется плавкий предохранитель и фильтр CLC, задача которого состоит в ограничении излучения кондуктивных импульсных помех, которые могут возникнуть при включении нагрузки. Модуль включает в себя: детектор перехода напряжения сети через ноль и исполнительную схему с управляемым триаком через оптотриак.
Задача схемы управления состоит в том, чтобы включить оптотриаки с соответствующей задержкой относительно импульсов, поступающих от детектора пересечения нуля. Если фазовое регулирование не требуется, но нужна групповая, его задача еще проще: просто включив оптотриак на период времени, определяемый количеством импульсов от детектора. Резистор R1 ограничивает ток противоположных диодов в оптопарах OK1 и OK2 до пикового значения приблизительно 3,2 мА. В течение одной половины периода напряжения питания один из них светится, а во второй половине — другой. Обратное напряжение диода, которое в настоящее время выключено, равно прямому напряжению на диоде, то есть около 1,5 В.
Принимающие транзисторы были подключены параллельно, благодаря чему они контролируют транзистор Т1 в той же степени, «добавляя» потенциал на  его базу. Это, в свою очередь, транзистор T1 насыщает, и выходное напряжение от детектора принимает низкий логический уровень. Моменты, в которых ни один из диодов не горит, потому что напряжение сети близко к нулю, равносильно закрытию обоих транзисторов. Потенциал базы T1 достигает 0 В (благодаря резистору R2), что означает его закрытие. Ток перестает течь через коллектор, поэтому выходной потенциал детектора равен его напряжению питания, что можно интерпретировать как логическая «1». Оптотриаковый диод OK3 включается простым ключом с транзистором T2. Таким образом, можно избежать проблемы согласования логических уровней выхода управления и его эффективности: это может быть 1,8 В, а также 3,3 В или 5 В логики.
На стороне высокого напряжения находится триак TR1, который защищен компонентами C3 и R4. Их значения могут быть выбраны в зависимости от нагрузки. Симисторный затвор запускается оптотриаком типа MOC3023, который не имеет схемы детектора пересечения нуля, что желательно для управления фазой. Если пользователь планирует использовать только групповое управление, можно использовать другой элемент, например MOC3063, который включает в себя детектор перехода через ноль. Последняя цифра обозначения, в данном случае 3, обозначает номинальный ток передающего диода, равный 5 мА. При использовании компонента из другой группы следует обращать внимание на более высокое энергопотребление.
Схема запуска симистора была разработана таким образом, чтобы можно было использовать одну и ту же плату для управления резистивными нагрузками (только R5 … R7), а также индуктивными (C4 все еще идет, вводя сдвиг во времени). Авторский прототип был настроен для первого варианта, поэтому R5 + R6 ограничивают ток оптотриака, а R7 выгружает затвор симистора, предотвращая самопроизвольное отключение. Если использовался C4, то вместе с R5 он вводит задержку, R6 ограничивает ток. Значения этих элементов следует выбирать для конкретного применения в соответствии с примечаниями каталога используемого симистора и оптопары.
Печатная плата для сборки устройства показана на рисунке 2.
Схема управления мощностью переменного тока
Рис. 2
У автора размеры печатной платы составляют 76 мм × 68 мм. На расстоянии 3 мм от края были добавлены монтажные отверстия. Силовые резисторы, особенно R1 и R4, должны быть припаяны, чтобы между ними и поверхностью платы было свободное пространство, чтобы обеспечить лучшее охлаждение этих элементов. При необходимости, триак должен иметь дополнительный радиатор. Со стороны высокого напряжения схема рассчитана на питание от сети переменного тока 220 В, но нет никаких противопоказаний для ее работы при более низком напряжении. TR1 и F1 может быть выбран для конкретного применения, помня также о максимальном токе дросселя D1. При подаче сигнала от детектора пересечения нуля на управляющий вход помните, что в высоком состоянии его значение равно напряжению питания модуля. Коэффициент полезного действия тока мал, потому что он ограничен резистором R3, но следует учитывать возможное добавление подходящего защитного диода.
Рис. 3
Рис. 4
Из графиков (рис. 3, рис. 4) видно, что простота этого детектора дает  небольшую ошибку в ​​обнаружении нуля. Осциллограммы показывают измеренные значения времени начала импульса до прохождения через ноль и его окончания, после прохождения проверенного напряжения через ноль. Различия в длине импульса являются результатом различий между оптопарами. Они показывают, что при синхронизации с нарастающим фронтом импульса от детектора необходимо добавить временную границу минимального значения 0,35 мс. Тогда можно будет избежать отключения симистора в течение предыдущего полупериода напряжения.
Автор: Михал Курцела.

4-х канальный усилитель звука на микросхеме TDA7581x, 4×48Вт/4Ом


Схема небольшого четырехканального усилителя средней мощности, используемая в аудиосистеме автомобиля, активных колонках или в аудиосистеме ПК.
4-х канальный усилитель звука на микросхеме TDA7581x, 4×48Вт/4Ом
4-х канальный усилитель звука на микросхеме TDA7581x, 4×48Вт/4Ом
Прибор основан на интегральной микросхеме TDA7581x, содержащей четыре канала мостового усилителя мощности с общими схемами коммутации. Принципиальная схема 4-х канального усилителя показана на рисунке 1.
4-х канальный усилитель звука на микросхеме TDA7581x, 4×48Вт/4Ом
Рис. 1
Микросхема U1 TDA7581x работает в мостовой конфигурации, что позволяет достигать значительной выходной мощности без необходимости в преобразователях мощности. Мощность, заявленная производителем с источником питания 14,4 В, составляет 4 × 48 Вт / 4 Ом. Фактическая мощность зависит от эффективности отвода тепла от микросхемы, что является непростой задачей.
Схема имеет усиление, установленное на уровне 26 дБ, и встроенные инверторы сигналов для всех четырех каналов. Это исключает несколько элементов из приложения, упрощая использование схемы. Входной сигнал требует только разделения постоянной составляющей сигнала конденсаторами C3 … C6. Входные поляризационные резисторы встроены в микросхему. Их сопротивление составляет 100 кОм, что устанавливает нижнюю передаваемую частоту примерно на 16 Гц. Микросхема U1 имеет цепи в режиме глушения и ожидания. В приложении усилитель включается постоянно, с небольшой задержкой, устанавливаемой R1/C7, и отключением звука, устанавливаемой R2/C8, исключая нежелательные стуки при включении и выключении. Цепь отключения звука выводится из платы, обеспечивая одновременное отключение звука усилителей путем взвешивания контактов разъема MUTE. Другие элементы фильтруют источник питания. Усилитель питается напряжением 14,4 В. Выходные цепи имеют защиту от короткого замыкания и тепловую защиту.
Авторский прототип смонтирован на двухсторонней печатной плате, расположение компонентов на которой показано на рисунке 2.
4-х канальный усилитель звука на микросхеме TDA7581x, 4×48Вт/4Ом
Рис. 2
Из-за достаточной мощности U1 требует установки на радиатор с подходящей поверхностью теплоотвода. В случае работы в сложных тепловых условиях или при необходимости достижения полной мощности схемы следует использовать принудительное охлаждение — вентилятор выдувающий воздух через радиатор. В схеме можно использовать взаимозаменяемо почти целую серию микросхем — четырехканальных усилителей TDA7xxx, например, TDA7850 и более старый TDA73xx, которые не имеют управления I2C.

Усилитель звука на микросхеме LA4700N


Основные технические характеристики интегральной микросхемы УМЗЧ LA4700N представлены в таблице.
Микросхема
Корпус
Uccmin
Uccmax
Poutmax
RI
Icc0
Ioutmax
Bw
Rin
Gv
 LA4700N SIP2-18 10V 16V 2x12W 4Ω 140mA 4A 30Hz-20KHz — 50dB

Усилитель звука на микросхеме LA4663


Основные технические характеристики интегральной микросхемы УМЗЧ LA4663 представлены в таблице.
Микросхема
Корпус
Uccmin
Uccmax
Poutmax
RI
Icc0
Ioutmax
Bw
Rin
Gv
 LA4663 SIP2-14Z 5,5V 22V 2x16W 4Ω 100mA — 20Hz-20KHz 20kΩ 40dB