Malý indukční ohřívač na 12V

      26.7.2007 Od známého jsem dostal nějaké vadné motherboardy na součástky - vesměs pro intel P4 socket 478 a AMD socket A. Na takových deskách je kupa zajímavých součástek, např. výkonové MOSFETy pro CPU VRM a můstkové budiče pro ně. Novější Pentia 4 s jádrem Prescott mají tepelnou ztrátu přes 100 W a tak je logické, že musí mít odpovídající krmení. To zajišťuje VRM (Voltage Regulator Module) - obvykle programovatelný 3-fázový pulsní step-down měnič (z 12 V na nějakých 1,2 - 1,4 V), který se skládá ze 3 párů výkonových N-MOSů, 3 gatedriverů, 1 řídicího obvodu, 3 tlumivek a banku filtračních kondenzátorů. Někdy řídicí obvod integruje gatedrivery do 1 pouzdra. Pracovní frekvence těchto měničů je kolem 250 kHz a stále se zvyšuje. Vzhledem k nízkému výstupnímu napětí a velkým požadovaným proudům jsou na MOSFETy kladeny extrémní nároky na proudovou zatížitelnost, malý odpor sepnutého kanálu a také rychlost spínání. Naopak závěrné napětí zde postačí velmi malé.
      Jako příklad uvedu charakteristiky MOSFETu IPP15N03L od infineonu, který jsem z jedné desky kuchnul: Uds = 30 V, Id = 42 / 168 A, Ptot = 83 W, Rdson = 12,6 mOhm, Ciss = 850 pF, tdon/tr/tdoff/tf = 6,5/20/24/14,5 ns. Není zrovna jeden z nejvýkonnějších, už jsem sehnal i 140A, ale je rychlý, s malou vstupní kapacitou. Na desce byly i budiče HIP6601 - malí broučci v pouzdru SO8. Tento obvod v sobě obsahuje budiče gate dolního a horního (potřebuje bootstrap kondenzátor) N-FETu a řídicí logiku, která se stará o vložení deadtime při přepínání výstupů, aby se nemohlo stát, že budou oba MOSFETy sepnuté naráz vlivem rozdílných zapínacích a vypínacích časů. Maximální napájecí napětí má 15 V a měl by být schopen ubudit zátěž 3 nF až do 2 MHz při spínacích/rozpínacích časech 20 - 50 ns.
      Přemýšlel jsem, na co bych to tak využil, přece jen malé napětí se moc nehodí pro Tesla Coil, ale napadlo mě vyzkoušet indukční ohřívač, který by se dal jako přenosný napájet z olověného akumulátoru. Zapojení budiče je velice jednoduché, viz schéma níže. Jen zmíním nutnost pořádně blokovat napájení co nejblíž u budiče a FETů. Použil jsem low-ESR tantaly od AVX a keramiky. Celé jsem to ubastlil v SMT na malý plošňák. Větší prázdné plochy mědi u MOSFETů jsou tam kvůli chlazení.

Induction heater schematics

      Vstup budiče krmím z TTL generátoru 1 Hz - 10 MHz, který jsem si postavil z VCO obvodu 74HCT4046. Na výstup je proti zemi zapojen sériový rezonanční L-C obvod tvořený fóliovým pulsním kondenzátorem 820 nF / 400 V a pracovní cívkou ~ 0,6 µH z 1,3mm Cu drátu. Ten má v rezonanci velmi malou impedanci a na cívce a kondenzátoru se nakmitá vyšší napětí než napájecí. Pokud je do pracovní cívky, která kolem sebe vytváří střídavé mag. pole, vložen (nebo v jejím blízkém okolí) vodivý předmět, indukuje se na něm napětí uind = -k*dFi/dt, které je úměrné mag. toku procházejícího jeho plochou a rychlosti změny napětí v čase, tedy frekvenci u sinusového průběhu. Toto indukované napětí pak v předmětu vyvolává tzv. vířivé proudy a vlivem nenulové rezistivity se energie mění v teplo. Tyto proudy také generují vlastní magnetické pole, které působí v opačném směru než pole budící cívky - Lenzovo pravidlo. To způsobí výrazný pokles činitele jakosti rezonančního obvodu, jeho charakteristika se více rozplácne a minimální impedance vzroste. Kvůli přetížení MOSFETů by se proto zařízení nemělo provozovat v rezonanci bez zátěže (pokud nemá zdroj proudové omezení). Jako indikátor vyladění jsem přívod pracovní cívky provléknul malým toroidem s pár závity jakožto sekundárem a indikační LEDkou.

Induction heater PCB

      Indukční ohřívač je šikovná věc, narozdíl od plamene lze ohřev provádět bezkontaktně, navíc v ochranné atmosféře nebo ve vakuu. Dá se použít na kalení drobných nástrojů, vrtáků a pod. nebo třeba na znovu-vygetrování starých elektronek. Ohřívač jsem testoval na laboratorním zdroji s omezením proudu max. jen 3 A při 12 V, ale i tak rozpálil menší šroub do ruda za 15 vteřin. Jak jsem už při focení zjistil, měl bych cívku a přívody udělat z tlustšího drátu, protože se mi to do minuty samo odpájelo :)

Induction heater screw heating up

Induction heater screw red-hot

      Dále jsem na digitálním osciloskopu změřil průběhy napětí na výstupu polomostu, na cívce a kondenzátoru a ještě na gatech při frekvenci 1 MHz a 2 MHz, kde je vidět i deadtime. Podivný se zdá býti průběh napětí na cívce, který by měl být sinusový jako na kondenzátoru, ale má ve vrcholech výrazné nespojitosti. I proud obvodem je nespojitý, patrně je to způsobeno vlivem deadtime, kdy je výstup na krátkou dobu odpojen a může tak téct jen skrze body diody v MOSFETech do země nebo do napájení, ale to by nemělo nijak vadit. Zkoušel jsem taky variantu s paralelním rezonančním obvodem, ale to se mi nějak neosvědčilo. I když jsem zapojil tlumivku mezi výstup a rezonanční obvod (tlumivka je nutná proto, aby PRO nezkratoval vyšší harmonické obdélníkového průběhu z výstupu polomostu) byla impedance dost nízká i v rezonanci a zdroj, který jsem měl k dispozici už nějak nestíhal.

Vgate H,L @1MHz Vgate H,L @2MHz Vout - loaded Vcap - loaded Vcoil - loaded
Vgate H,L @1MHz Vgate H,L @2MHz Vout (load) Vcap (load) Vcoil (load)

      29.4.2013 Po delší době jsem opět vytáhl ze šuplíku tento mini indukční ohřívač a trochu si s ním pohrál. Mezitím jsem v zapojení provedl pár změn. Jeden pár MOSFETů mi nešťastnou náhodou vyhořel a tak jsem je nahradil párem IRL3103S od International Rectifier. Základní parametry jsou následující: Uds = 30 V, Id = 64 / 220 A, Ptot = 94 W, Rdson = 12 mOhm, Ciss = 1650 pF, tdon/tr/tdoff/tf = 8,9/120/14/9,1 ns. Bootstrapový kondenzátor u HIP6601 jsem předtím nějakým nedopatřením dal jen 10 nF, takže jsem ho zvětšil na 100 nF a také doplnil několik keramických blokováků 10 µF, kam se ještě na destičku vešly. Podle toho jsem aktualizoval schéma výše. Pracovní cívku o průměru 12 mm a délce 28 mm jsem navinul 14 závity 1,5mm CuL drátu. Indukčnost jsem naměřil kolem 0,6 - 0,7 µH (na spodní rozlišovací hranici mého RLC můstku), výpočet říká 0,83 µH. Kondenzátor jsem použil jediný WIMA MKC 4 1,2 µF / 250V, co byl zrovna po ruce (samozřejmě bych měl použít radši MMC z polypropylenů, aby nedocházelo k proudovému přetěžování). Z toho vychází rezonanční frekvence naprázdno 160 kHz.
      Dále pro lepší představu o poměrech v obvodu jsem provedl různá měření přímo za chodu, kdy byla pracovní cívka zatížena železným šroubkem M4 x 25 mm. Napájecí napětí bylo tvrdých 12 V, max. proudový odběr za studena 6,7 A, tzn. příkon 80 W. Pracovní frekvence při vyladění do rezonance byla 122 kHz. Výstupní proud z polomostu (celkem čistá sinusovka) jsem měřil osciloskopem pomocí bezindukčního bočníku 30 mΩ a naměřil Im = 23,3 A (15,5 A RMS). Takový proud už bočníku pěkně zatopí (ztráta 8,2 W), proto jsem měřil krátce. Napětí na cívce a kondenzátoru jsem naměřil ULm = UCm = 25 V (17,7 V RMS), takže kond dostává naloženo slušných 290 VAR a taky se hřeje, na dotyk ještě v pohodě. Na oba MOSFETy vychází vodivostní ztráty asi 3,3 W. Jak se později ukázalo, bočník docela znatelně limitoval proudový odběr, bez něj si vzal polomost 8 - 10 A (zvýšení odběru při ohřátí šroubku), tzn. při poklesu napájecího napětí na 11 V příkon až 110 W. Šroubek se viditelně rozžhavil do ruda asi za 10 s.



Zpět

Aktualizováno 3.5.2013 v 3:55

Anabolické látky a legální anabolika pro svaly