Indukční vařič Rohnson R-223

      28.11.2009 V rámci úsporných opatření v domácnosti jsme se rozhodli pořídit si indukční vařič jakožto částečnou náhradu klasického velkého elektrického sporáku. V neděli se zrovna naskytla výhodná příležitost koupit v Globusu jednoplotýnkový indukční vařič Rohnson R-223 za akční cenu 999,- Kč a tak jsem nezaváhal. Jedná se o běžný typ se sklokeramickou deskou pro nádoby průměru 12 - 26 cm, max. příkonem 1800 W, s 10-stupňovou regulací výkonu, s regulací teploty 60 - 240°C po 20°C a časovačem 5 - 180 min po 5 min. Ovládání je jednoduché - pomocí 5 tlačítek a 3-místného LED displeje.
      Jak vlastně indukční ohřev funguje a jaké jsou jeho výhody? Při vaření na klasickém el. sporáku vzniká teplo průchodem el. proudu odporovým drátem topné spirály, které se dále přenáší izolační keramickou vložkou na kovovou plotýnku a odtud dále do hrnce až do ohřívaného pokrmu. Samotná plotýnka má poměrně značnou tepelnou kapacitu, takže dobu trvá, než začne vůbec hřát (a naopak dlouho vychládá). Spousta tepla se také rozptyluje do okolí. Pokud je dno hrnce nerovné, má s plotýnkou nedokonalý kontakt, čímž se zvýší tepelný odpor a zhorší přenos tepla do hrnce. Příkon plotýnky se však téměř nemění.
      Základem indukčního vařiče je spínaný frekvenční rezonanční měnič, jenž napájí střídavým proudem o vysoké frekvenci plochou spirálovou cívku pod sklokeramickou deskou, která spolu s paralelně zapojeným kondenzátorem tvoří rezonanční obvod. Tenká sklokeramická deska slouží jen jako elektrická a tepelná izolace. Kolem cívky se vytváří střídavé elektromagnetické pole (podstatná je zde jeho magnetická složka H), které má tendenci se stahovat do magneticky vodivých materiálů, jejichž permeabilita µr >> 1. Pokud na cívku položíme železný hrnec, většina mag. siločar se přes něj uzavře a vyvolá v něm mag. indukci B = µ * H a mag. tok Φ. Ve feromagnetickém železe pak vznikají ztráty dvou druhů: hysterezní (magnetizační) v důsledku natáčení mag. dipólů materiálu v rytmu střídavého pole (dochází k jakémusi "tření" a vzniku tepla), Ph ~ f * B2max (odpovídá ploše uvnitř hysterezní smyčky)

hysterezní smyčka

a ztráty vířivými proudy - hrnec tvoří závit na krátko, do kterého se indukuje napětí ui(t) = -dΦ/dt a proud tímto závitem (o relativně malém el. odporu železa) tekoucí se mění v teplo, Pv ~ f2 * B2max. Zde je obecné blokové schéma indukčního vařiče (detaily zapojení viz např. v appnote řídicího obvodu HT46R12):

indukční vařič-schema

      Indukční vařiče pracují na frekvenci několika málo desítek kHz, kde jsou dominantní hysterezní ztráty. Proto je nutné používat železné nebo litinové nádobí či ze speciální nerezi (běžný nerez je nemagnetický). Pokud poblíž cívky není žádný magnetický a nebo vodivý předmět, tak se pouze přelévá jalová energie v rezonančním obvodu mezi cívkou a kondenzátorem a odebíraná činná energie ze sítě je minimální. Řídicí elektronika navíc v takovém případě měnič úplně vypne, aby nedocházelo k nakmitání příliš vysokého napětí, které by mohlo zničit spínací tranzistor. Pokud je dno hrnce nerovné, tak se pouze zmenší činitel vazby a magnetický tok hrncem a méně energie se změní v teplo. Příkon měniče se také patřičně zmenší, narozdíl od klasické plotýnky. Zásadní výhodou je tedy to, že teplo vzniká přímo v materiálu hrnce a okamžitě tak působí na ohřívaný obsah a méně tepla uniká do okolí. Ze sítě se odebírá jen tolik energie, kolik je právě potřeba k ohřevu dané nádoby (+ nějaké ty zanedbatelné ztráty v samotném měniči). Pro ty, co vaří na plynu, asi indukční vařič žádnou podstatnou výhodu nepřinese, ale aspoň si mohou počíst dole o tom, že indukční vařič umí i něco víc mimo kuchyni ;-)
      Pochopitelně mě zajímalo, o kolik je skutečně indukční vařič rychlejší a úspornější a jak moc jsou pravdivé reklamní kecy. Provedl jsem tedy jednoduchý pokus - ohřátí 1 litru vody do varu ve smaltovaném hrnci na klasickém sporáku, na indukčňáku a v rychlovarné konvici. Při tom jsem měřil průměrný příkon spotřebičů (TrueRMS wattmetrem) a čas.
Zde jsou naměřené výsledky:

  rychlovarná konvice indukční vařič el. sporák
T [s] 205 270 520
Pav [W] 1945 1680 2000
E [J] 398725 453600 1044160
E [kWh] 0,111 0,126 0,290
η [%] 78,7 69,2 30,1

      Jak je vidět, indukční vařič se účinností velice blíží rychlovarné konvici. Ta má asi navrch díky plastové nádobě, která je mnohem méně tepelně vodivá než kovový hrnec a klasický sporák nechává daleko za sebou. Pokud bych sporák vypnul ještě před bodem varu a využil tepelné setrvačnosti nebo započítal využití odpadního tepla pro další vaření, tak by to ale zas tak velký rozdíl nebyl. Kratší varná doba a rychlá odezva indukčňáku je však neoddiskutovatelná.


Vaříme vysoké napětí

      1.12.2009 Indukční vařič může posloužit nejen k vaření, ale také jako výkonový VF generátor pro napájení dalších hraček elektro-pokusníků, např. oblíbeného VN trafa nebo IHVT z televize či CRT monitoru. Abych mohl VF energii odebírat bez zásahu do přístroje, namotal jsem si provizorní plochou spirálovou cívku z anténního TV koaxu o 8 závitech. Jak už jsem zmiňoval výše, řídicí elektronika měnič odpojí, pokud není odebírán dostatečný činný výkon. Proto jsem na vařič postavil malý plecháček s vodou a s ním se to už rozběhlo. Osciloskopem jsem změřil průběh napětí na snímací cívce na prázdno - dosahuje 120 Vpp a frekvence je 25 kHz.

indukované napětí na snímací cívce

Bez hrnku se tam objevovaly pouze krátké impulsy zhruba po vteřině (měnič to pořád zkouší, aby se mohl automaticky rozběhnout). Regulace výkonu je dělaná jednoduše tak, že se měnič na určitou dobu vypíná (kolem 10 s), čímž se sníží dlouhodobá střední hodnota výkonu.

Rohnson R-223

      Dále jsem ke snímací cívce připojil VN trafo 6 PK 600 69 z BTV Tesla Color, kterému jsem namotal 6 závitů primárního vinutí na druhý sloupek. Jeho obvyklá pracovní frekvence v televizi je 15625 Hz (kmitočet řádkového rozkladu PAL), takže 25 kHz z indukčňáku mu nedělá žádné potíže. Oblouky z něj šly tahat pěkně horké, až 5 cm daleko. Když oblouk zhasnul, tak než jsem ho stihl znova zapálit, přeskočila občas po povrchu sekundáru modrá jiskra. Takhle si to párkrát prsklo, až náhle zahořel sekundár jasným plamenem a bylo po parádě, viz video [Xvid, 536 kB] ...

tažení oblouku z VNTr tažení oblouku z VNTr tažení oblouku z VNTr prošlehlé VN trafo

      7.3.2010 Dnes jsem našel u popelnic vyhozený indukční vařič s rozbitou sklokeramickou deskou a shodou okolností to byl zrovna ten samý typ Rohnson R-223, takže jsem mohl bez obav o záruku prozkoumat střívka. Zajímalo mě hlavně, jaké součástky jsou použity v rezonančním měniči. Při prvním pohledu na plošňák jsem si přečetl jméno skutečného výrobce: www.better-china.com. Na Čínu to nevypadá zas až tak zle, najdeme zde i síťový filtr a přepěťovou ochranu.
      Pod docela masivním chladičem jsem objevil 25A diodový můstek a jeden IGBT tranzistor od fairchildu: FGA25N120ANTD (Ic = 25 / 90 A, Uce = 1200 V, Ucesat = 2 V, Pd = 125 W). Vedle něj byly na desce pájecí plošky pro druhý neosazený IGBT, možná pro výkonnější verzi vařiče. Trochu zarážející je to, že IGBT byl na chladiči přišroubovaný bez podložky, tedy chladič byl spojený s kolektorem, na kterém se objevuje vysoké střídavé napětí nakmitané rezonančním obvodem. Kontrolovat teplotu chladiče dotykem prstu bych zde nedoporučoval :). Při nejlepším to bude fungovat jako anténa vyzařující rušení. Ale už víme, že značka CE znamená "China Export", takže to nikoho netrápí.
      Další překvapení je, že rezonanční kondenzátor je obyčejný fóliják 0,4 µF / 450 VAC na 50 Hz (naměřeno jen 0,3 µF). Čekal jsem něco lepšího na zatížení impulsními proudy. Indukční cívka plotýnky je navinutá asi 2mm lakovanou licnou do tvaru ploché spirály o vnějším průměru 150 mm čítající 26 závitů. Vespod je paprskovitě umístěno 6 feritových pólových nástavců asi 13 x 39 mm. Naměřil jsem indukčnost 89 µH, což spolu s kapacitou 0,3 µF dává rezonanční frekvenci 30,8 kHz. Tedy o něco více, než jsem naměřil na osciloskopu (jedná se však o dva různé kusy). Uprostřed cívky je dioda na pérku (přítlak k horní desce) pro snímání teploty. Zajímavé je, že celá elektronika není proti poli cívky nikterak stíněná.
      Po prohlídce jsem vařič smontoval a zkusil zapnout. Předpokládal jsem, že byl vyhozen jen kvůli rozbité desce. Po zapnutí se normálně rozsvítil displej a šlo navolit výkon. Bylo slyšet slabé tikání, jak se měnič vypíná. Když jsem hrnec s vodou přiblížil víc k cívce, bylo slyšet, že se měnič rozjel, ale vzápětí asi po 2 vteřinách se ozvala rána doprovázená zábleskem pojistky. Ucítil jsem, jak mi hrnec cuknul v ruce nárazem zkratového proudu. IGBT byl vyšlusovaný skrz naskrz. Zkusil jsem ho provizorně vyměnit za MOSFET 18 A / 800 V (vhodný IGBT nebyl po ruce) a když jsem to znovu zapnul přes proudové omezení, začalo se z desky okamžitě kouřit a za pár vteřin bouchnul nějaký elyt v pomocném napájecím zdroji. Dál už se mi to nechtělo opravovat, takže jsem to rozebral. Kromě onoho IGBT tam ale žádné zajímavé součástky moc nejsou. Nakonec jsem ještě mrtvý IGBT lousknul ve svěráku, abych se přesvědčil, jestli to není nějaký šméčko s miniaturním čipem. Uvnitř jsem našel 2 čipy: jeden větší 5 x 5 mm (vlastní tranzistor) a vedle menší 3 x 3 mm (rychlá dioda zapojená mezi C - E). Zřejmě to tedy byl originál fairchild.

vnitřnosti indukčního ohřívače hlavní deska měniče hlavní deska měniče řídicí deska

IGBT FGA25N120ANTD tak se nám z toho zdýmilo... a tady vybouchlý elyt vnitřek IGBT FGA25N120ANTD



Zpět

Aktualizováno 9.3.2010 v 1:30

Sportovní výživa a posilovací stroje Ronnie.cz