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)
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 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.
- objem a hmotnost vody: V = 1 l, m = 1 kg
- tepelná kapacita 1 kg vody: C = 4186 J/K
- počáteční, koncová a rozdílová teplota vody: t1 = 25°C, t2 = 100°C, dt = 75°C
- teoretická energie potřebná k ohřátí vody: E = 313950 J (0,0872 kWh)
| 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. |
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.
 |
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] ...
 |
 |
 |
 |
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.
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
28.4.2020 Po čase se zjistilo, že indukčák nějak pomalu vaří. Napřed se mi tomu nechtělo věřit, ale provedl jsem kontrolní měření (za stejných podmínek jako kdysi) a zjistil, že na plný výkon odebírá ze sítě pouze 860 W místo původních 1680 W a litr vody ohřeje za 8,5 minuty místo za 4,5 minuty. Mám podezření na rezonanční kondík, kterému se asi časem přepětím vypálily díry do metalizace elektrod a poklesla tak jeho kapacita. Ostatně už dříve u nalezeného nefunkčního vařiče jsem naměřil rezonančnímu kondu jen 0,3 µF místo jmenovitých 0,4 µF, takže jeho poddimenzování si časem vybírá svou daň.
2.5.2020 O víkendu jsem se pustil do opravy vařiče. Počítal jsem jen s rutinní výměnou rezonančního kondu, ale netušil jsem, že se to poněkud zkomplikuje. Naměřená kapacita byla skutečně nižší - 0,3 µF místo jmenovitých 0,4 µF. Původní fóliák jsem nahradil 2 kvalitními kondy na impulsní provoz WIMA FKP-1 0,22 µF / 1000 VDC / 400 VAC. Rezonanční kond je zrovna na kraji desky, takže 2 se tam vedle sebe nevejdou, druhý kond jsem musel svrchu napájet krátkými přívodními lanky na šroubové svorky pro cívku. Původní kondík sem rozebral a rozvinul svitek, ale žádné díry v metalizaci jako zde jsem neviděl. Po zapnutí jsem změřil, že pracovní frekvence klesla z 31 kHz na původních 25 kHz, ale max. příkon zůstal stále cca 860 W a z triviální opravy se tak stalo bádání na celou noc a stejně bez výsledku.
Nejprve jsem proměřil všechny elyty a některé vyměnil, zkontroloval další velké svitky 5 µF a 6,8 µF ve filtru, přeměřil indukčnost pracovní cívky (stále stejných 89 µH) a přeměřil větší výkonové odpory, ale žádná změna. Vyměnil jsem i komparátor LM339N a taky nic. Servisní schéma jsem nikde nenašel. Hlavní deska BT-2008A(V08) kromě výkonové části obsahuje pomocný spínaný zdroj ST VIPer12A, stabilizátor L7805, komparátor LM339N, napěťový dělič a proudové trafo 1:3000 pro snímání provozních veličin. Jsou zde 2 teplotní čidla, jedno na kablíku pod plotýnkou a druhé připláclé k pouzdru IGBT. Pokud se přehřeje, tak se vařič vypne s chybou "E01". Řídicí deska BT-180G3_DIS(V04) napájená z hlavní desky napětím 5 V obsahuje 8-bitový MCU Samsung S3F9454BZZ-DK94 s krystalem 8 MHz, SN74HC164N pro buzení 3-místného LED displeje, 7 LED a 6 tlačítek.
 |
 |
 |
 |
Mít vařič v provozu zatížený hrncem a zároveň na něm něco měřit je poněkud komplikované a tak se mi povadlo, že jsem si neopatrně vyšlusoval chladič, který je spojený s živým kolektorem, ozvalo se lupnutí a spadnul jistič. Naštěstí jsem měl v šuplíku ještě jeden stejný IGBT FGA25N120ANTD z jiného vařiče. Po výměně trandu a pojistky nastalo překvápko, neboť se max. příkon najednou zvýšil na 1150 W, což je skoro o 300 W více, ale pořád daleko do původní hodnoty. Očekával bych, že rozumně navržené zapojení nebude závislé na rozptylu parametrů tranzistorů. Jenže jsem se z toho neradoval moc dlouho, protože jsem si začal hrát s trimrem proudové zpětné vazby, což sice výkon moc nezvýšilo, ale záhy se ozvala další rána...
Problém je, že už nemám žádný další IGBT na 1200 V, jen samé na 600 V a než dojde náhrada z Alíku, tak si pár týdnů počkám a navíc to bude loterie. Nakonec jsem se odhodlal k takové prasárničce nahradit IGBT alespoň dočasně MOSFETem Infineon SPW17N80C3A (Id = 17 A / 51 A, Uds = 800 V, Rdson = 0,29Ω, Pd = 227 W) a kupodivu to nebouchlo. Mohl jsem tak provést další měření, protože mě zajímalo, jak vlastně funguje regulace výkonu a s jakou střídou tranzistor pracuje. Vařič jsem zapojil přes oddělovací trafo a osciloskopem se píchnul na gate a drain (přes odporový dělič 6M6 - 10k). Při nízkém výkonu na stupni 1 a 2 se tranzistor budí s minimální střídou cca 20% a zároveň se provádí on-off modulace s dlouhou periodou cca 5s. Na větší výkonové stupně 3 - 10 je provoz kontinuální (modulovaný pouze celovlnně usměrněným sinusem ze sítě) a postupně se zvyšuje střída až na 38%. Z oscilogramů a tabulky uvedené v tomto článku je vidět, že při max. výkonu by měla střída jít až na 45%, ale v mém případě tomu něco brání a nevím co. Na tomto překresleném schématu podobného indukčního vařiče jsou zobrazeny napěťové průběhy v několika důležitých bodech. S napětím Uds jsem těsně pod hranicí 800 V, tak snad to zas nestřelí, pár hrnců během měření jsem s tím už navařil.
| výkonový stupeň | Pin [W] | Udsmax [V] | duty cycle [%] | f [kHz] |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 300 | 595 | 19,7 | 27,3 |
| 2 | 450 | 595 | 21,2 | 27,2 |
| 3 | 540 | 608 | 22,0 | 29,6 |
| 4 | 580 | 608 | 23,5 | 26,7 |
| 5 | 625 | 647 | 26,8 | 26,3 |
| 6 | 710 | 661 | 28,7 | 25,8 |
| 7 | 790 | 700 | 31,8 | 25,2 |
| 8 | 855 | 714 | 34,3 | 24,9 |
| 9 | 913 | 753 | 35,3 | 24,5 |
| 10 | 990 | 767 | 37,8 | 23,9 |
 |
Zkusil jsem ještě ověřit, jestli není nějaký problém v pracovní cívce. Kolega z práce mi zapůjčil cívku z jiného vařiče s indukčností 75 µH s kterou jsem dosáhl max. příkonu 1050 W. Pak jsem ještě našel v zásobách cívku z vyhořelého vařiče výše o stejné indukčnosti 89 µH a max. příkon s ní byl 1010 W, čili žádná podstatná změna (rozptyl měření), problém je jinde. Zde jsem překreslil schéma hlavní desky BT-2008A, nyní by mělo být nyní z cca 98% kompletní:
 |
6.5.2020 A vida, při překreslování schématu jsem přece jen něco našel - odporový trimr VR1 tvořící s R36 zátěž proudového trafa měl proti jmenovitým 500 Ω podezřele velkou hodnotu. Po vypájení jsem dokonce naměřil, že jeden krajní vývod je přerušen, odpor zbylé části se pohyboval kolem 1,2 - 2,5 kΩ. Tím pádem napětí od proudové zpětné vazby bylo vyšší, než odpovídalo danému výkonu a regulátor předčasně přiškrtil střídu. Trimr byl zřejmě trochu proudově přetěžován, takže se vyhřál a postupně zvyšoval svůj odpor. Při manipulaci s deskou (mechanicky) nebo díky průrazu 1. IGBT se nějakým pulzem jeho odpor dočasně zmenšil, takže jsem dostal o něco větší výkon a jak jsem s ním kroutil, tak se zas odpor zvětšil a výkon poklesl. Podle původního úhlu natočení by jeho hodnota měla být cca 120 Ω. Já jsem trimr nahradil pevným odporem 39 Ω a tím jsem si trošku potunil příkon na 1750 W (doba uvaření litru vody se zkrátila na rovné 4 minuty). Ve schématu jsem také našel chybně polarizovaný elyt EC14, který měl ze všech relativně nejnižší kapacitu, ale to na funkci nemělo vliv.
Nakonec jsem nemusel čekat na náhradní IGBT z Alíku, ale Jirka z ebastlirny.cz mi nabídl ze svých zásob nevyužité fairchildy FGA20S120M (Ic = 20 / 50 A, Uce = 1200 V, Ucesat = 1,6 V, Pd = 174 W) původem taky z Alíku, takže opět loterie. Podrobil jsem tedy získané 4 vzorky testu, kde jsem měřil Ucesat při různém proudu (IGBT byl připlácnutý na velký Al chladič) a závěrné napětí pomocí regulovaného VN zdroje. Z naměřených výsledků vyšlo Ucesat vyšší, než podle katalogu a změřená kapacita hradla byla menší, ale to může být metodikou měření. Závěrné napětí má dostatečnou rezervu nad 1200 V. Je tedy možné, že se jedná o nějaké přeznačené starší typy IGBT. Pokud jsem z popisu dobře pochopil, tak nová technologie shorted-anode IGBT by měla mít integrovanou body diodu v 1 čipu s tranzistorem, na rozdíl od klasických IGBT, kde je dioda v pouzdru přidaná jako druhý čip nebo tam vůbec není. Takže při rozlousknutí trandu by to mělo být jasně vidět. Ale protože zatím žádný při testu ani v ostrém provozu neodešel, tak mi je líto funkční IGBT ničit.
| vzorek IGBT | 1 | 2 | 3 | 4 | katalogová hodnota |
|---|---|---|---|---|---|
| Cg [pF] | 2140 | 2175 | 2156 | 2176 | 2680 pF @Uce = 30 V |
| Ucesat [V] @7,5 A | 1,65 | 1,66 | 1,68 | 1,68 | 1,55 V @Ic = 20 A, Ug = 15 V, 25°C |
| Ucesat [V] @13,1 A | 1,95 | 1,98 | 1,98 | 2,02 | 1,55 V @Ic = 20 A, Ug = 15 V, 25°C |
| Ucesat [V] @30 A | 2,75 | 2,89 | 2,81 | 2,88 | 1,55 V @Ic = 20 A, Ug = 15 V, 25°C |
| Ucebr [V] @2 mA | 1446 | 1512 | 1464 | 1376 | 1200 V @Ic = 2 mA, Ug = 0 V, 25°C |
30.6.2022 Asi po 2 letech od poslední opravy mi indukční vařič náhle odešel. Překvapivě při nejnižším výkonovém stupni 1 se najednou ozvalo tiché lupnutí, sklapnul jistič a bylo po IGBT. Ten jsem vyměnil za dříve zakoupený FGA25N120ANTD z Alíku. Vařič sice nastartoval, ale po položení hrnce na desku jen tiše cvakal a netopil. Překvapivě když jsem hrnec nadzvednul asi 0,5 - 1 cm nad desku, tak se chytil a začal normálně topit. Při dalším zvedání topení vypnul a pískal, jako když tam žádný hrnec není. Přeměřil jsem parametry rezonančního obvodu, ale kapacita ani indukčnost se nezměnila, tak netuším, čím to je. Že by měl tento IGBT nějaké nevhodné parametry? UPDATE: asi po půl roce, kdy jsem používal jiný indukční vařič, tak jsem se k tomuto vrátil a kupodivu normálně fungoval, tak jsem ho sešrouboval, asi týden ho používám a funguje normálně.