Чтоб нагреть до красна или даже расплавить небольшой металлический предмет в домашних условиях, совсем не обязательно раскочегаривать печку и переводить топливо - современные технологии позволяют для этого задействовать токи высокой частоты (ТВЧ). И простейшей (и самый распространённой) схемой индукционного нагревателя металлов будет мультивибратор на полевых транзисторах. По крайней мере эти модули с китайских сайтов собирают как раз . Далее смотрите 2 модели, отличающиеся мощностью и, конечно, ценой.

ZVS50 - модуль индукционного нагрева начального уровня, питание модуля допустимо даже от батарей с напряжением до 12 вольт, то есть как от автономного питания, так и от сетевого БП. Цена на www.banggood.com примерно $8.

• Входное напряжение: 5-12 В
• Размеры платы: 5,5 х 4 х 2 см
• Размер катушки: длина 2.8, диаметр 2 см

ZVS1000 - модуль индукционного нагрева металлов токами высокой частоты, с мощностью до 1000w. Средняя цена $35.

Данный блок индукционного нагрева использует источник питания постоянного тока 12-48 В, максимальный ток 20 А, максимальная мощность 1000 Ватт. Может быть использован для обработки мелких деталей: закалка, отжиг и другая термической обработка. Также может быть использован с тиглем, чтоб плавить золото, серебро, медь, алюминий и другие металлы. Быстрый и равномерный нагрев, что очень удобно для ювелиров.

• Внутренний диаметр катушки: 40 мм
• Высота катушки: 50 мм
• При 48 В без нагрузки ток 5 А

Чем выше напряжение, тем больше ток нагрева, а значит и мощность передаваемая в металл. Катушка может принять внутрь 40 мм тигель. Использовать устройство надо с блоками питания соответствующей мощности и поставить на радиатор кулер охлаждения.

Размер объекта, что нагревается внутри индукционной катушки не может превышать 1/4 объема, иначе может произойти перегрузка и сгорание схемы. Хотя эта схема может временно выдержать 30 А - для долгосрочной работы ток не должен превышать 20 А для безопасной работы.

Индукционный нагрев (Induction Heating) - метод бесконтактного нагрева токами высокой частоты (англ. RFH - radio-frequency heating, нагрев волнами радиочастотного диапазона) электропроводящих материалов.

Описание метода.

Индукционный нагрев - это нагревание материалов электрическими токами, которые индуцируются переменным магнитным полем. Следовательно - это нагрев изделий из проводящих материалов (проводников) магнитным полем индукторов (источников переменного магнитного поля). Индукционный нагрев проводится следующим образом. Электропроводящая (металлическая, графитовая) заготовка помещается в так называемый индуктор, представляющий собой один или несколько витков провода (чаще всего медного). В индукторе с помощью специального генератора наводятся мощные токи различной частоты (от десятка Гц до нескольких МГц), в результате чего вокруг индуктора возникает электромагнитное поле. Электромагнитное поле наводит в заготовке вихревые токи. Вихревые токи разогревают заготовку под действием джоулева тепла (см. закон Джоуля-Ленца).

Система «индуктор-заготовка» представляет собой бессердечниковый трансформатор, в котором индуктор является первичной обмоткой. Заготовка является вторичной обмоткой, замкнутой накоротко. Магнитный поток между обмотками замыкается по воздуху.

На высокой частоте вихревые токи вытесняются образованным ими же магнитным полем в тонкие поверхностные слои заготовки Δ (Поверхностный-эффект), в результате чего их плотность резко возрастает, и заготовка разогревается. Нижерасположенные слои металла прогреваются за счёт теплопроводности. Важен не ток, а большая плотность тока. В скин-слое Δ плотность тока уменьшается в e раз относительно плотности тока на поверхности заготовки, при этом в скин-слое выделяется 86,4 % тепла (от общего тепловыделения. Глубина скин-слоя зависит от частоты излучения: чем выше частота, тем тоньше скин-слой. Также она зависит от относительной магнитной проницаемости μ материала заготовки.

Для железа, кобальта, никеля и магнитных сплавов при температуре ниже точки Кюри μ имеет величину от нескольких сотен до десятков тысяч. Для остальных материалов (расплавы, цветные металлы, жидкие легкоплавкие эвтектики, графит, электролиты, электропроводящая керамика и т. д.) μ примерно равна единице.

Например, при частоте 2 МГц глубина скин-слоя для меди около 0,25 мм, для железа ≈ 0,001 мм.

Индуктор сильно нагревается во время работы, так как сам поглощает собственное излучение. К тому же он поглощает тепловое излучение от раскалённой заготовки. Делают индукторы из медных трубок, охлаждаемых водой. Вода подаётся отсасыванием - этим обеспечивается безопасность в случае прожога или иной разгерметизации индуктора.

Применение:
Сверхчистая бесконтактная плавка, пайка и сварка металла.
Получение опытных образцов сплавов.
Гибка и термообработка деталей машин.
Ювелирное дело.
Обработка мелких деталей, которые могут повредиться при газопламенном или дуговом нагреве.
Поверхностная закалка.
Закалка и термообработка деталей сложной формы.
Обеззараживание медицинского инструмента.

Преимущества.

Высокоскоростной разогрев или плавление любого электропроводящего материала.

Возможен нагрев в атмосфере защитного газа, в окислительной (или восстановительной) среде, в непроводящей жидкости, в вакууме.

Нагрев через стенки защитной камеры, изготовленной из стекла, цемента, пластмасс, дерева - эти материалы очень слабо поглощают электромагнитное излучение и остаются холодными при работе установки. Нагревается только электропроводящий материал - металл (в том числе расплавленный), углерод, проводящая керамика, электролиты, жидкие металлы и т. п.

За счёт возникающих МГД усилий происходит интенсивное перемешивание жидкого металла, вплоть до удержания его в подвешенном состоянии в воздухе или защитном газе - так получают сверхчистые сплавы в небольших количествах (левитационная плавка, плавка в электромагнитном тигле).

Поскольку разогрев ведётся посредством электромагнитного излучения, отсутствует загрязнение заготовки продуктами горения факела в случае газопламенного нагрева, или материалом электрода в случае дугового нагрева. Помещение образцов в атмосферу инертного газа и высокая скорость нагрева позволят ликвидировать окалинообразование.

Удобство эксплуатации за счёт небольшого размера индуктора.

Индуктор можно изготовить особой формы - это позволит равномерно прогревать по всей поверхности детали сложной конфигурации, не приводя к их короблению или локальному непрогреву.

Легко провести местный и избирательный нагрев.

Так как наиболее интенсивно разогрев идет в тонких верхних слоях заготовки, а нижележащие слои прогреваются более мягко за счёт теплопроводности, метод является идеальным для проведения поверхностной закалки деталей (сердцевина при этом остаётся вязкой).

Лёгкая автоматизация оборудования - циклов нагрева и охлаждения, регулировка и удерживание температуры, подача и съём заготовок.

Установки индукционного нагрева:

На установках с рабочей частотой до 300 кГц используют инверторы на IGBT-сборках или MOSFET-транзисторах. Такие установки предназначены для разогрева крупных деталей. Для разогрева мелких деталей используются высокие частоты (до 5 МГц, диапазон средних и коротких волн), установки высокой частоты строятся на электронных лампах.

Также для разогрева мелких деталей строятся установки повышенной частоты на MOSFET-транзисторах на рабочие частоты до 1,7 МГц. Управление транзисторами и их защита на повышенных частотах представляет определённые трудности, поэтому установки повышенной частоты пока ещё достаточно дороги.

Индуктор для нагрева мелких деталей имеет небольшие размеры и небольшую индуктивность, что приводит к уменьшению добротности рабочего колебательного контура на низких частотах и снижению КПД, а также представляет опасность для задающего генератора (добротность колебательного контура пропорциональна L/C, колебательный контур с низкой добротностью слишком хорошо «накачивается» энергией, образует короткое замыкание по индуктору и выводит из строя задающий генератор). Для повышения добротности колебательного контура используют два пути:
- повышение рабочей частоты, что приводит к усложнению и удорожанию установки;
- применение ферромагнитных вставок в индукторе; обклеивание индуктора панельками из ферромагнитного материала.

Так как наиболее эффективно индуктор работает на высоких частотах, промышленное применение индукционный нагрев получил после разработки и начала производства мощных генераторных ламп. До первой мировой войны индукционный нагрев имел ограниченное применение. В качестве генераторов тогда использовали машинные генераторы повышенной частоты (работы В. П. Вологдина) или искровые разрядные установки.

Схема генератора может быть в принципе любой (мультивибратор, RC-генератор, генератор с независимым возбуждением, различные релаксационные генераторы), работающей на нагрузку в виде катушки-индуктора и обладающей достаточной мощностью. Необходимо также, чтобы частота колебаний была достаточно высока.

Например, чтобы «перерезать» за несколько секунд стальную проволоку диаметром 4 мм, необходима колебательная мощность не менее 2 кВт при частоте не менее 300 кГц.

Выбирают схему по следующим критериям: надёжность; стабильность колебаний; стабильность выделяемой в заготовке мощности; простота изготовления; удобство настройки; минимальное количество деталей для уменьшения стоимости; применение деталей, в сумме дающих уменьшение массы и габаритов, и др.

На протяжении многих десятилетий в качестве генератора высокочастотных колебаний применялась индуктивная трёхточка (генератор Хартли, генератор с автотрансформаторной обратной связью, схема на индуктивном делителе контурного напряжения). Это самовозбуждающаяся схема параллельного питания анода и частотно-избирательной цепью, выполненной на колебательном контуре. Она успешно использовалась и продолжает использоваться в лабораториях, ювелирных мастерских, на промышленных предприятиях, а также в любительской практике. К примеру, во время второй мировой войны на таких установках проводили поверхностную закалку катков танка Т-34.

Недостатки трёх точки:

Низкий кпд (менее 40 % при применении лампы).

Сильное отклонение частоты в момент нагрева заготовок из магнитных материалов выше точки Кюри (≈700С) (изменяется μ), что изменяет глубину скин-слоя и непредсказуемо изменяет режим термообработки. При термообработке ответственных деталей это может быть недопустимо. Также мощные твч-установки должны работать в узком диапазоне разрешённых Россвязьохранкультурой частот, поскольку при плохом экранировании являются фактически радиопередатчиками и могут оказывать помехи телерадиовещанию, береговым и спасательным службам.

При смене заготовок (например, более мелкой на более крупную) изменяется индуктивность системы индуктор-заготовка, что также приводит к изменению частоты и глубины скин-слоя.

При смене одновитковых индукторов на многовитковые, на более крупные или более малогабаритные частота также изменяется.

Под руководством Бабата, Лозинского и других учёных были разработаны двух- и трёхконтурные схемы генераторов, имеющих более высокий кпд (до 70 %), а также лучше удерживающие рабочую частоту. Принцип их действия состоит в следующем. За счёт применения связанных контуров и ослабления связи между ними, изменение индуктивности рабочего контура не влечёт сильного изменения частоты частотозадающего контура. По такому же принципу конструируются радиопередатчики.

Современные твч-генераторы - это инверторы на IGBT-сборках или мощных MOSFET-транзисторах, обычно выполненные по схеме мост или полумост. Работают на частотах до 500 кГц. Затворы транзисторов открываются с помощью микроконтроллерной системы управления. Система управления в зависимости от поставленной задачи позволяет автоматически удерживать

А) постоянную частоту
б) постоянную мощность, выделяемую в заготовке
в) максимально высокий КПД.

Например, при нагреве магнитного материала выше точки Кюри толщина скин-слоя резко увеличивается, плотность тока падает, и заготовка начинает греться хуже. Также пропадают магнитные свойства материала и прекращается процесс перемагничивания - заготовка начинает греться хуже, сопротивление нагрузки скачкообразно уменьшается - это может привести к "разносу" генератора и выходу его из строя. Система управления отслеживает переход через точку Кюри и автоматически повышает частоту при скачкообразном уменьшении нагрузки (либо уменьшает мощность).

Замечания.

Индуктор по возможности необходимо располагать как можно ближе к заготовке. Это не только увеличивает плотность электромагнитного поля вблизи заготовки (пропорционально квадрату расстояния), но и увеличивает коэффициент мощности Cos(φ).

Увеличение частоты резко уменьшает коэффициент мощности (пропорционально кубу частоты).

При нагреве магнитных материалов дополнительное тепло также выделяется за счет перемагничивания, их нагрев до точки Кюри идет намного эффективнее.

При расчёте индуктора необходимо учитывать индуктивность подводящих к индуктору шин, которая может быть намного больше индуктивности самого индуктора (если индуктор выполнен в виде одного витка небольшого диаметра или даже части витка - дуги).

Имеются два случая резонанса в колебательных контурах: резонанс напряжений и резонанс токов.
Параллельный колебательный контур – резонанс токов.
В этом случае на катушке и на конденсаторе напряжение такое же, как у генератора. При резонансе, сопротивление контура между точками разветвления становится максимальным, а ток (I общ) через сопротивление нагрузки Rн будет минимальным (ток внутри контура I-1л и I-2с больше чем ток генератора).

В идеальном случае полное сопротивление контура равно бесконечности - схема не потребляет тока от источника. При изменение частоты генератора в любую сторону от резонансной частоты полное сопротивление контура уменьшается и линейный ток (I общ) возрастает.

Последовательный колебательный контур – резонанс напряжений.

Главной чертой последовательного резонансного контура является то, что его полное сопротивление минимально при резонансе. (ZL + ZC – минимум). При настройке частоты на величину, превышающую или лежащую ниже резонансной частоты, полное сопротивление возрастает.
Вывод:
В параллельном контуре при резонансе ток через выводы контура равен 0, а напряжение максимально.
В последовательном контуре наоборот - напряжение стремится к нулю, а ток максимален.

Статья взята с сайта http://dic.academic.ru/ и переработана в более понятный для читателя текст, компанией ООО «Проминдуктор».

Из товаров предоставленных на обзор, выбор пал на этот индукционный нагреватель. Зачем он мне..?

Вихревой индукционный нагреватель. Пару слов теории.
«В работе индукционного нагревателя используется энергия электромагнитного поля, которую нагреваемый объект поглощает и преобразует в тепловую. Для генерирования магнитного поля используется индуктор, т. е. многовитковая цилиндрическая катушка. Проходя через этот индуктор, переменный электрический ток создает вокруг катушки переменное магнитное поле.
Если внутрь индуктора поместить нагреваемый объект, его будет пронизывать поток вектора магнитной индукции, который постоянно меняется во времени. При этом возникает электрическое поле, линии которого располагаются перпендикулярно направлению магнитного потока и движутся по замкнутому кругу. Благодаря этим вихревым потокам электрическая энергия трансформируется в тепловую и объект нагревается.
Таким образом, электрическая энергия индуктора передается объекту без использования контактов, как это происходит в печах сопротивления. В результате тепловая энергия расходуется более эффективно, а скорость нагрева заметно повышается.»
«Система «индуктор-заготовка» представляет собой бессердечниковый трансформатор, в котором индуктор является первичной обмоткой. Заготовка является как бы вторичной обмоткой, замкнутой накоротко. Магнитный поток между обмотками замыкается по воздуху.
На высокой частоте вихревые токи вытесняются образованным ими же магнитным полем в тонкие поверхностные слои заготовки (скин-эффект), в результате чего их плотность резко возрастает, и заготовка разогревается. Нижерасположенные слои металла прогреваются за счёт теплопроводности. Важен не ток, а большая плотность тока. В скин-слое плотность тока увеличивается в несколько раз относительно плотности тока в заготовке, при этом в скин-слое выделяется 86,4 % тепла от общего тепло­выделе­ния. Глубина скин-слоя зависит от частоты излучения: чем выше частота, тем тоньше скин-слой. Также она зависит от относи­тель­ной магнитной проницаемости материала заготовки.
Например, при частоте 2 МГц глубина скин-слоя для меди около 0,25 мм, для железа ≈ 0,001 мм.
Индуктор сильно нагревается во время работы, так как сам поглощает собственное излучение. К тому же он поглощает тепловое излучение от раскалённой заготовки. Делают индукторы из медных трубок, охлаждаемых водой. Вода подаётся отсасыванием - этим обеспечивается безопасность в случае прожога или иной разгерметизации индуктора.»
В нашем случае индуктором является не медная трубка, а кусок медного провода скрученный в спираль.
Для себя, я лично наметил только одно полезное применение такому мисиписечному нагревателю. Разогрев, а потом по возможности закалка переточенных кончиков всяких разных отверточек, шильцев и ковырялок…
Заявленные ТТХ:
- Питание модуля: 5-12V
- Размеры: 5,5 х 4 х 2 см (L * W * H)
- Размер катушки: длина: 7.5cм, диаметр: 2,8 см
- Диаметр провода индуктора:
Комплект:
- модуль: 1 шт.
- катушка: 1шт.
Больше нам о нем пока ничего не известно. Ну что ж, проверим на что он способен и соответствует ли моим ожиданиям…
Приехал модуль в таком виде.




Размеры, чуть больше спичечного коробка, не считая дросселей.
Ширина платки - 37 мм.
Длина платки 55 мм.
Высота от низа кондеров до верха дросселей - 45 мм.


Размеры и диаметр катушки.
Длина катушки - 35 мм.
Диаметр - 22 мм.
Диаметр провода - 2 мм.
Длина катушки с выводами -70 мм.
Вес конструкции в сборе 114 грамм.


На платке есть надписи с рекомендуемым напряжением питания, его полярностью на разъеме.


С обратной стороны платки имеется разъем для подключения катушки.


Снизу кондеры.


Распаиваем модуль.
Сама платка сделана очень неплохо. Снизу шелкография, изображение скорпионов. Наверное какой-то фирменный знак производителя печатных плат. Надписи на транзисторах сточены напильником. :0)


Рисуем схему.
Схема оказалась самой распространенной в интернете. Хотя на данной плате стерта маркировка транзисторов и не удалось расшифровать маркировку стабилитронов, погуглив подобную схему легко найти в интернете. Хотя вполне возможно, что детали стоят несколько другие, но не суть важно. Легко найти аналог на замену при неисправности.


Используемые конденсаторы.


Теперь все собираем, прикручиваем катушку и подаем питание. Загорается синий светодиодик.


Токи на холостом ходу.


Токи под нагрузкой. В качестве «нагрузки» использовал трехгранный надфиль.


Частота генератора на холостом ходу 214 кГц, под нагрузкой падает до 210 кГц.


Маленькое видео нагрева кончика трехгранного надфиля.

Индукционный нагреватель работает, но очень много кушает на холостом ходу.
Транзисторы распаянные на плате довольно прилично греются, плата плоховато рассеивает тепло. Если платку доработать, поставить транзисторы по мощнее да вынести их на радиаторы, может получиться вполне себе нагреватель. Чем я и займусь в ближайшем будущем.
Посоветовал бы я купить? Наверное да, но не как рабочее законченное изделие, а скорее как ознакомительную версию с возможностью небольшого допила. Ну и если деньги лишние. :0)

Товар предоставлен для написания обзора магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.

Планирую купить +37 Добавить в избранное Обзор понравился +55 +103

Вот проект индукционного нагревателя металлов простейшей конструкции, он собран по схеме мультивибратора и часто выступает как первый нагреватель, который делают радиолюбители.

Принцип действия ТВЧ установки

Катушка создает высокочастотное магнитное поле, и в металлическом предмете в середине катушки возникают вихревые токи, которые будут его разогревать. Даже маленькие катушки раскачивают ток около 100 A, поэтому параллельно с катушкой, подключена резонансная емкость, которая компенсирует ее индукционный характер. Схема катушка-конденсатор должна работать на их резонансной частоте.

ТВЧ катушка самодельная

Схема принципиальная электрическая

Схема индукционного нагревателя от 12В

Вот оригинальная схема генератора индукционного нагревателя, а ниже неё чуть изменённый вариант, по которому и была собрана конструкция мини ТВЧ установки. Ничего дефицитного тут нет — купить придётся только полевые транзисторы, использовать можно BUZ11, IRFP240, IRFP250 или IRFP460. Конденсаторы специальные высоковольтные, а питание будет от автомобильного аккумулятора 70 А/ч — он будет очень хорошо держать ток.

Проект на удивление оказался успешным — всё заработало, хоть и собрано было «на коленке» за час. Особенно порадовало что не требует сеть 220 В — авто аккумуляторы позволяют питать её хоть в полевых условиях (кстати, может из неё походную микроволновку сделать?). Можно поэкспериментировать в направлении чтобы снизить напряжение питания до 4-8 В как от литиевых АКБ (для миниатюризации) с сохранением хорошей эффективности нагрева. Массивные металлические предметы конечно плавить не получится, но для мелких работ пойдёт.

Ток потребления от источника питания 11 А, но после прогрева падает до примерно 7 A, потому что сопротивление металла при нагреве заметно увеличивается. И не забудьте сюда использовать толстые провода, способные выдержать более 10 А тока, иначе провода при работе станут горячие.

Нагрев отвертки до синего цвета ТВЧ
Нагрев ножа ТВЧ

Второй вариант схемы — с питанием от сети

Чтоб удобнее настраивать резонанс можно собрать более совершенную схему с драйвером IR2153. Рабочая частота настраивается регулятором 100к в резонанс. Частотами можно управлять в диапазоне примерно 20 — 200 кГц. Схема управления нуждается в вспомогательном напряжении 12-15 В от сетевого адаптера, а силовая часть через диодный мост может быть подключена напрямую к сети 220 В. Дроссель имеет около 20 витков 1,5 мм на ферритовом сердечнике 8×10 мм.

Схема индукционного нагревателя от сети 220В

Рабочая катушка ТВЧ должна быть из толстой проволоки или лучше медной трубки, и имеет около 10-30 витков на оправке 3-10 см. Конденсаторы 6 х 330n 250V. И то, и другое через некоторое время сильно нагревается. Резонансная частота около 30 кГц. Эта самодельная установка индукционного нагрева собрана в пластиковом корпусе и работает уже более года.

Приветствую пользователей сайта Радиосхемы . Недавно у меня появилась идея сделать . На просторах интернета были найдены несколько схем для построения устройства. Из них выбрал самую, на мой взгляд, простую по сборке и настройке, и главное - реально рабочую.

Схема устройства

Список деталей

1. Полевой транзистор IRFZ44V 2 шт.
2. Диоды ультра быстрые UF4007 или UF4001 2 шт.
3. Резистор на 470 Ом на 1 или 0.5 Вт 2 шт.
4. Конденсаторы плёночные
1) 1 мкФ на 250в 3 шт.
2) 220 нФ на 250в 4 штуки.
3) 470 нФ на 250в
4) 330 нФ на 250в
5. Провод медный диаметром 1.2 мм.
6. Провод медный диаметром 2 мм.
7. Кольца от дросселей компьютерном блоке питания 2 шт.

Сборка устройства

Задающая часть нагревателя выполнена на полевых транзисторах IRFZ44V. Распиновка транзистора IRFZ44V.

Транзисторы нужно поставить на большой радиатор. Если устанавливать транзисторы на один радиатор то транзисторы нужно установить на резиновые прокладки и пластмассовые шайбочки чтобы не было замыкания между транзисторов.

Дросселя намотаны на кольцах от компьютерных БП. Сделанные из порошкового железа. Проводом 1,2 мм 7-15 витков.

Батарея конденсаторов должна быть на 4.7 мкФ. Желательно использовать не один конденсатор, а несколько конденсаторов. Конденсаторы должны быть подключены параллельно.

Катушка нагревателя сделана на проводе диаметром 2 мм 7-8 витков.

После сборки устройство работает сразу. Питается устройство от аккумулятора 12 вольт 7.2 А/ч. Напряжение питания устройства 4.8-28 вольт. При продолжительной работе перегреваются: батарея конденсаторов, полевые транзисторы и дросселя. Потребление тока при холостом ходу 6-8 Ампер.

При внесении в контур металлического предмета потребление тока сразу увеличивается до 10-12 А.