Самодельный индукционный нагреватель 4 кВт.

Представьте такой фокус. Человек берёт в руки железный гвоздь и засовывает его в медную петлю - индуктор. Гвоздь тут же раскаляется добела. Секрет фокуса - индукционный нагрев. Старинная технология, впервые разработанная русским электротехником Вологдиным в 1880 году, и, к сожалению, до сих пор мало распространённая среди домаших мастеров.

По медной петле - индуктору - пропускается электрический ток большой силы (сотни ампер) и большой частоты (десятки - сотни кГц). В результате в металлической заготовке, стоящей внутри индуктора или рядом с ним, наводятся токи Фуко, тоже большой силы и частоты. Высокочастотный ток в заготовке под действием скин-эффекта вытесняется в тонкие поверхностные слои, в результате чего его плотность резко возрастает. Слой заготовки, по которому протекают большие токи, начинает быстро разогреваться. Температура может достичь нескольких тысяч градусов, что позволяет плавить металл в домашних условиях, придумывать и создавать свои собственные необычные сплавы; сваривать и паять металлические детали; закаливать отвёртки, свёрла, ножи и так далее, применять установку в кузнечных и ремонтных мастерских.

Индукционный нагрев позволяет разогревать электропроводящие материалы (любой металл, графит, электропроводную керамику) бесконтактно. Прямо через воздух, через слой воды, через стеклянную, деревянную или пластиковую стенку, в вакуумной камере или в камере с защитным газом. При этом заготовка остаётся идеально чистой, так как не окисляется в газовой струе, не касается грязной поверхности печки и т п.

_________________________________________________________________________

За основу был взят инвертор Сергея Владимировича Кухтецкого, разработанны й в Институте химии. Схема инвертора, её подробное описание и рекомендации по сборке опубликованы по адресу: www.icct.ru В схеме применены современные электронные компоненты, что позволяет собрать мощный и надёжный инвертор в домашних условиях за небольшую цену порядка нескольких тысяч рублей (цены на промышленные аналоги достигают десятков и сотен тысяч руб).

На форуме induction.listbb.ru совместными усилиями с форумчанами Derba, Феникс, Jab, Фулюган, Ostap, -CE- проведена до работка схемы, установлена дополнительная плата фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ для автоматического удержания резонанса, установлена скоростная защита от превышения тока (как при превышении питания, так и в результате пробоя силовых мосфетов из-за их перегрева или сбоя модуля управления). Добавлены некоторые детали, уменьшающие вероятность перегрева мосфетов и сбоя модуля управления (приводящие к появлению сквозных токов в силовом мосте).

Потребляемая мощность инвертора в зависимости от применяемых индукторов: 1...4 кВт.
Частота тока в индукторе: 300 кГц.
Сила тока в индукторе: ~400А.
Максимальный потребляемый от сети ток при двухвитковом индукторе - 20А, потребляемое напряжение - 220V.

Индукционной нагреватель снабжён защитой, отключающей схему при превышении напряжения питания, при коротком замыкании индуктора, при заливании индуктора водой.

Схемы и обсуждение доработок смотрите на форуме: induction.listbb.ru и

Видео - плавление низкоуглеродистой стали (гайки) на воздухе:

Видео - плавление высокоуглеродистой стали (шарик от подшипника из стали ШХ-15):

Видео - плавление низкоуглеродистой стали в защитном газе (аргоне):

Видео - нагрев стального шарика через слой воды. Возможность нагрева железяк через слой воды интересна, вода электромагнитному полю не помеха

Мощное высокочастотное электромагнитное поле выталкивает железные заготовки из индуктора. С одной стороны это создаёт проблемы - сложно греть мелкие заготовки, их выносит из индуктора прочь и приходится их как-то закреплять (так называемый эффект электромагнитного дутья).
С другой стороны, можно плавить металл в подвешенном состоянии - (левитационная плавка, плавка в электромагнитном тигле):

Доработка инвертора для индукционного нагрева.

Метод бесконтактного нагрева жидкометаллических образцов токами высокой частоты в вакууме или защитном газе является оптимальным для экспериментов с мелкими образцами электропроводящих материалов.

Промышленные инверторы высокой частоты не обладают нужными для проведения эксперимента характеристиками (высокой мощностью при высокой частоте, необходимой для нагрева мелких образцов), в связи с чем был изготовлен самодельный инвертор. За основу был принят инвертор, разработанный Сергеем Кухтецким в Институте химии и химической технологии РАН, работающий следующим образом.
Индуктор для нагрева образцов, представляющий собой катушку колебательного контура совместно с компенсирующий батареей конденсаторов, накачивается от независимо работающего генератора высокой частоты.

Генератор выполнен по схеме полный мост, его частота автоматически подстраивается под собственную частоту колебательного контура вручную и не может изменяться во время работы. Предлагаемый инвертор не имеет схемы защиты силовых транзисторов от сквозных токов и схемы управления мощностью нагрева (Рис.1).

Рис.1. Блок-схема простого инвертора для индукционного нагрева.

Эксплуатация данного простого инвертора выявило следующие проблемы. В результате нагрева образца, а также в результате движения образца в индукторе происходит изменение индуктивности, входящей в состав колебательного контура, и изменению его собственной частоты. Поскольку частота работы инвертора задается генератором с неизменяемой во время работы частотой, рассогласование частот колебательного контура и генератора приводит к резкому падению мощности нагрева, вибрациям заготовки в индукторе, а также выходу силовых транзисторов на неоптимальный режим работы в емкостном режиме, что приводит к выходу их из строя.

Для решения указанных проблем инвертор был дооборудован схемой фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ, схемой скоростной защиты силовых транзисторов от превышения тока и импульсным регулятором мощности с управлением от ПК. Схемы защиты и регулирования мощности выполнены в виде отдельных модулей и могут применяться для иных задач.

Схема ФАПЧ состоит из генератора с изменяемой частотой, датчика тока, датчика напряжения, регулируемой линии задержки, формирователя управляющих импульсов для силового моста. Датчики тока и напряжения измеряют соответствующие величины на колебательном контуре, после чего производится сравнение их фаз. Нулевой сдвиг фаз означает синхронную работу колебательного контура на собственной частоте и задающего генератора. В случае сдвига фаз задающий генератор автоматически корректирует частоту, подстраивая ее под собственную частоту колебательного контура (Рис.2). Электрическая схема доработанного инвертора приведена на Рис.5.

Настройка диапазона слежения ФАПЧ, порядок действий:

Необходимо определить собственную частоту колебательного контура, например, следующим образом.

1) Снять с шин колебательного контура согласующий трансформатор.

2) Подсоединить к шинам, соединяющим индуктор с батареей конденсаторов, осциллограф.

3) Настроить осциллограф в режим ожидания (в режим одиночного измерения Trigger).

4) Кратковременно коснуться шин колебательного контура батареей типа «крона». На экране появится "дребезг" – собственные колебания контура. При необходимости провести данную процедуру несколько раз о получения устойчивой картины на экране осциллографа.

Период собственных колебаний измеряется по сетке осциллографа, далее по формуле f = 1 / период , вычисляется собственная частота колебательного контура.

Настройка диапазона работы ФАПЧ проводится следующим образом.

1) К выходу микросхемы фапч-генератора CD4046 подсоединяется осциллограф.

2) Задать минимальную частоту работы генератора CD4046. Для этого плюс источника питания напряжением 1 вольт подсоединить к выводу 9 микросхемы CD4046, минус источника питания подсоединить к общей шине.

3) Выставить минимальную частоту вращением потенциометра на ножке 12 микросхемы сd4046 на 30 кГц ниже собственной частоты колебательного контура (подбирается опытным путём для надёжного подхватывания ФАПЧ).

4) Задать максимальную частоту работы генератора CD4046. Для этого плюс источника питания напряжением 4.5 вольта подсоединить к выводу 9 микросхемы CD4046, минус источника питания подсоединить к общей шине.

5) Вращением потенциометра на ножке 11 микросхемы CD4046 задать частоту на 30 кГц выше собственной.

В результате проделанных операций инвертор автоматически стартует с подхватыванием резонанса и удерживает его в процессе работы.

Рис.2. Блок-схема инвертора для индукционного нагрева с ФАПЧ.

Модуль защиты состоит из выполненного на шунте датчика тока, схемы фиксации превышения тока с настройкой порога срабатывания и схемы отключения питания. Питание подводится к инвертору через шунт. В момент превышения тока на шунте фиксируется превышение падения напряжения, что приводит к перебрасыванию триггера и подаче сигнала запирания на силовой транзистор (Рис.3). Электрическая схема модуля защиты приведена на Рис.6.

Рис.3. Блок-схема модуля скоростной защиты.

Видео - срабатывание модуля скоростной защиты:

Импульсный регулятор мощности выполнен по схеме понижающего ШИМ-преобразователя типа step-down. Регулирование мощности осуществляется посредством изменения скважности управляющего ШИМ-сигнала. Управляющий сигнал генерируется микроконтроллером STM32F767 (готовая отладочная плата со встроенным USB-программатором). Параметры регулирования мощности задаются с компьютера через интерфейс USB, входящий в состав любого ПК, данное решение позволяет синхронизировать сбор данных и управление экспериментальной установкой (блок-схема изображена на Рис.4).

Рис.4. Блок-схема импульсного регулятора мощности.

Программа микроконтроллера предусматривает как ручное (педаль, ручка энкодера), так и дистанционное управление регулятором мощности (с помощью ПК), осуществление плавного старта и стопа, стабилизации выходной мощности по току или по напряжению, индикации работы прибора. Электрическая схема импульсного регулятора мощности приведена на Рис.7.

Рис.5. Схема инвертора для индукционного нагрева образцов с фазовой автоподстройкой частоты.

Рис.6. Электрическая схема универсального скоростного прерывателя тока для защиты установки индукционного нагрева.

Рис.7. Электрическая схема универсального импульсного регулятора мощности.

Жало обычного резистивного паяльника нагревается за счет электрического тока, который протекает через нихромовую спираль, намотанную на капсулу стержня. Недостатки этого процесса: низкий КПД, локальный прогрев, и как результат, большое потребление электроэнергии.

Керамические паяльники более совершенные, но они боятся резких перепадов температур. Совсем по другому принципу работает индукционная паяльная станция. Разогрев жала происходит быстро, а регулировка нагрева максимально простая.

Основным отличием индукционного паяльника от обычного является нагревательный элемент, а точнее, его полное отсутствие. Нагрев инструмента происходит благодаря возникновению вихревых индукционных токов под действием переменного магнитного поля.

В конструкции индукционного паяльника предусмотрена катушка, в которую вставлен стержень жала прибора.

При подаче тока на катушку в ней генерируется магнитное поле. Оно воздействует на , где и образуются индукционные токи, нагревающие сам стержень.

При этом жало паяльника прогревается равномерно, потому что индукционный ток воздействует на него по всей длине. Срок эксплуатации такого инструмента увеличивается, а его КПД возрастает.

Первоначально выпускались индукционные паяльные станции с частотой 470 кГц, но сегодня встречаются модели, в которых подается напряжение 13 МГц и выше. Разогрев происходит буквально за секунду.

Регулировка нагрева

Сердечник индукционного паяльника делают из меди (не магнитный материал), а заднюю его часть покрывают ферромагнитным материалом (сплав железа и никеля). Передняя часть служит жалом, сам сердечник называют картриджем.

Регулировка нагрева медного жала происходит следующим образом:

• при подаче переменного напряжения, а значит и поля, в покрытии генерируются токи Фуко, которые разогревают материал;
• тепло передается меди;
• как только температура покрытия достигает точки Кюри, магнитные свойства исчезают и разогрев прекращается;
• в процессе работы индукционным паяльником медное жало отдает тепло детали и остывает, остывает также ферромагнитное покрытие;
• как только покрытие остывает, возвращаются магнитные свойства, и мгновенно возобновляется нагрев.

Можно сказать, что происходит автоматическое регулирование температуры, причем с высокой точностью.

Максимальный нагрев индукционного паяльника зависит от свойств магнитного сплава и сердечника. Такое управление называется умным теплом (smart heat).

Менять температуру для конкретных условий пайки можно, установив температурный датчик, который подключается к блоку управления станцией, либо же меняя картриджи (сердечник с наконечником) которые вставляют в ручку индукционного паяльника.

Первый вариант дешевле второго, поэтому им сегодня пользуются не только профессионалы. Зато второй способ точнее и надежнее.

Сборка своими руками

Вопрос, можно ли сделать индукционный паяльник своими руками, в основном носит теоретическую подоплеку. С практической стороны это неоправданно даже с чисто ценовой позиции.

Просто любая китайская паяльная станция будет стоить столько же, сколько сделанная своими руками. И разговор о самодельной конструкции в основном будет касаться именно блока управления. Для чего придется приобретать индукционный паяльник.

Что касается непосредственно изготовления самого инструмента, то его можно сделать из подручных материалов. Правда, такой индукционный паяльник будет маломощным.

Потребуется резистор на 5-10 Ом, медная проволока и ферритовая бусинка для изготовления катушки, а также провода для подачи электрического тока.

В первую очередь мультиметром проверяют сопротивление резистора. После чего с одной его стороны снимают крышку. Теперь потребуется стальная проволока.

К примеру, для этого можно использовать скрепку. Ее разворачивают, и один конец залуживают. Вторым концом оборачивают резистор в месте удаленной крышки.

Далее необходим кусочек текстолита, который с двух сторон также облуживается. Его размер подбирается так, чтобы он входил свободно в будущий корпус катушки. Теперь текстолитовую пластину припаивают к проволоке из скрепки и проводу от резистора.

Далее собирают катушку – на бусинку накручивают медную проволоку, к концам которой присоединяют проводки с вилкой. Луженая текстолитовая пластинка вставляется в подготовленную катушку. Во всех соединениях проводится пайка.

Остается только обмотать вокруг катушки изоленту, вставить в открытый резистор толстую медную проволоку, а саму катушку в подготовленный корпус. К примеру, это может быть алюминиевая трубка.

Обратите внимание, что медная проволока должна войти в резистор с натягом, чтобы жало индукционного паяльника не шевелилось в своем корпусе.

И последнее – обмотка всего корпуса прибора изоляционной лентой. Вот такая простая схема сборки самодельного индукционного паяльника. Им, конечно, большие заготовки паять нельзя, а вот для небольшой микросхемы он подойдет в самый раз.

Особенности приборов

Среди особенностей индукционных паяльников надо отметить тонкий сменный картридж, от которого во многом зависит температура нагрева жала.

Он представляет собой тонкую трубку, которая в сочетании с легким корпусом прибора дает возможность долгое время просиживать за процессом пайки.

Рука не устает, а значит, не меняется точность подвода жала и припоя, нет подтеков излишков материала, увеличивается скорость проводимых операций. Отсутствует сложная электронная схема, степень нагрева регулируется автоматически.

По всем показателям индукционный паяльник более совершенен, чем традиционные паяльные приборы. Хотя он еще не достаточно широко распространен, такую конструкцию можно отнести к технике нового поколения.

Электрическая энергия обходится сегодня достаточно дорого, однако работающее на этом ресурсе отопительное оборудование не теряет популярности.

Это объясняется тем, что электроотопление является наиболее удобным способом обогреть жилище.

Особый интерес пользователей вызывают приборы, работающие на принципе электромагнитной индукции.

Главным образом потому, что такое устройство легко можно собрать самостоятельно. В этой статье мы поговорим об особенностях этих агрегатов, изучим их сильные и слабые стороны, а также научимся делать индукционный нагреватель своими руками.

Работа всех электронагревателей, как обычных, так и индукционных, основана на одном и том же принципе: при пропускании электрического тока через некий проводник последний начнет нагреваться.

Количество выделяемого за единицу времени тепла зависит от силы тока и величины сопротивления данного проводника – чем больше эти показатели, тем сильнее будет греться материал.

Весь вопрос в том, каким образом вызвать протекание электротока? Можно подсоединить проводник непосредственно к источнику электрической энергии, что мы и делаем, втыкая в розетку шнур от электрочайника, масляного обогревателя или, к примеру, бойлера. Но можно применить и другой способ: как оказалось, протекание электротока можно спровоцировать воздействием на проводник переменного (именно переменного!) магнитного поля. Это явление, открытое в 1831-м году М. Фарадеем, получило название электромагнитной индукции.

Тут есть одна хитрость: магнитное поле может быть и постоянным, но тогда положение находящегося в нем проводника нужно постоянно менять. При этом будет меняться количество проходящих через проводник силовых линий и их направление относительно него. Проще всего проводник в поле вращать, что и делается в современных электрогенераторах.

Принцип электромагнитной индукции

Но можно менять и параметры самого поля. С постоянным магнитом такой фокус, конечно, не пройдет, а вот с электромагнитом – вполне. Работа электромагнита, кто забыл, основана на обратном эффекте: протекающий через проводник переменный ток генерирует вокруг него магнитное поле, параметры которого (полярность и напряженность) зависят от направления тока и его величины. Для более ощутимого эффекта провод можно уложить в виде катушки.

Таким образом, меняя параметры электротока в электромагните, мы будем менять все параметры наводимого им магнитного поля, вплоть до изменения местоположения полюсов на противоположное.

И тогда это магнитное поле, действительно являющееся переменным, будет наводить электроток в любом токопроводящем материале, расположенном в его пределах. И материал при этом, понятно, будет нагреваться. На этом и основан принцип работы современных индукционных нагревателей.

Хотите подобрать самый экономичный электрический бойлер? Тогда присмотритесь . О преимуществах и недостатках прибора читайте в статье.

Решили установить электрический котел в качестве резервного теплогенератора? О том, какую модель лучше выбрать, читайте .

Индукционная печь – многофункциональное устройство. Ее можно приобрести в магазине, но интереснее и дешевле изготовить ее своими руками. По этой ссылке вы найдете схему сборки прибора и узнаете об особенностях эксплуатации печи.

Индукционный генератор тепла в системе отопления

У применяемых в отопительных контурах индукционных водонагревателей имеются как общие для всех электронагревателей достоинства, так и присущие только им. Начнем с первой группы:

1. По удобству использования электронагреватели опережают даже газовое оборудование, так как обходятся без розжига. К тому же они являются намного более безопасными: владельцу можно не опасаться утечки топлива или продуктов его сгорания.
2. Электрооборудованию не нужны дымоход и обслуживание в виде удаления нагара и копоти.
3. КПД электронагревателя не зависит от его мощности. Его можно установить на самый минимум, и при этом КПД агрегата останется на уровне 99%, в то время как КПД газового или твердотопливного котла в таких условиях окажется значительно ниже паспортного.
4. При наличии электрического теплогенератора система отопления может работать в самом низкотемпературном режиме, что весьма актуально в периоды межсезонья. В случае применения газового или твердотопливного котла падение температуры «обратки» ниже 50 градусов не допускается, так как при этом на теплообменнике образуется конденсат (при использовании твердого топлива он содержит кислоту).
5. Ну и последнее: при использовании электрообогрева можно обойтись без жидкостного теплоносителя, правда, к индукционным нагревателям это не относится.

Простой индукционный нагреватель

Перейдем к достоинствам непосредственно «индукционников»:

1. Площадь контакта теплоносителя с горячей поверхностью в индукционных нагревателях в тысячи раз больше, чем в приборах с трубчатыми электронагревателями. Поэтому среда прогревается гораздо быстрее.
2. Все элементы «индукционника» монтируются только снаружи, без каких-либо врезок. Соответственно, и протечки полностью исключаются.
3. Поскольку нагрев осуществляется бесконтактным способом, нагреватель индукционного типа может работать с абсолютно любым теплоносителем, включая все виды антифризов (для ТЭНового электрокотла понадобился бы специальный). При этом вода может содержать сравнительно большое количество солей жесткости – переменное магнитное поле препятствует образованию накипи на стенках теплообменника.

На всякую бочку меда, как известно, найдется своя ложка дегтя. Здесь без этого тоже не обошлось: мало того, что сама по себе электроэнергия стоит достаточно дорого, так еще и индукционные нагреватели относятся к наиболее дорогому типу электроотопительного оборудования.

Индукционный нагреватель своими руками – схема конструкции

Простота конструкции – одно из достоинств индукционного нагревателя. Внутри круглого экранированного корпуса расположена катушка, на языке физиков именуема индуктором. Она подключается к источнику переменного тока. Внутри катушки расположен отрезок стальной трубы, заканчивающийся двумя патрубками. Последние позволяют присоединить нагреватель к системе отопления.

Таким образом, после подсоединения через трубу будет следовать теплоноситель, при этом она будет нагреваться под воздействием генерируемого катушкой переменного поля. От контакта с трубой, соответственно, будет греться и теплоноситель.

Схема индукционного нагревателя

В некоторых моделях индукционных нагревателей катушка подсоединяется непосредственно к электросети, вследствие чего создаваемое ею магнитное поле меняет полярность с частотой 50 Гц. Но существует и более производительная схема подключения. Она отличается от только что описанной наличием преобразователя, увеличивающего частоту колебания подаваемого на катушку тока с 50 Гц до нескольких десятков килогерц. Такой преобразователь называют инвертором. Он состоит из трех модулей:

1. Выпрямитель, представляющий собой обычный диодный мост.
2. Собственно, инвертор. Главные герои – пара т.н. ключевых транзисторов, которые могут очень быстро переключаться.
3. Схема управления, которая «дирижирует» ключевыми транзисторами.

Несложно заметить, что происходящие внутри нагревателя процессы весьма сходны с работой понижающего трансформатора, только в данном случае вторичная обмотка является короткозамкнутой и располагается внутри первичной.

Другое отличие состоит в том, что в случае с трансформатором нагрев является побочным эффектом, который стараются предотвратить (например, набирают магнитопровод из отдельных изолированных пластин).

Как сделать индукционный нагреватель самому?

Простейший индукционный нагреватель своими руками делается так:

1. На один конец отрезка толстостенной полипропиленовой трубы необходимо наварить муфту, предварительно закрепив на торце трубы капроновую мелкоячеистую сетку.
2. Перевернув трубу сеткой вниз, необходимо заполнить ее рубленой нержавеющей проволокой диаметром 5 – 7 мм (длина обрезков – около 5 см).
3. Свободный конец трубы также нужно закрыть с помощью муфты и сетки. Благодаря этому стальная засыпка, играющая роль сердечника, будет удерживаться внутри.
4. С наружной стороны в каждую муфту вваривается переходник на нужный диаметр (соответствует диаметру отопительного контура.).
5. На трубу следует намотать 90 витков медного провода.
6. Получившуюся катушку нужно подключить к инвертору от самого дешевого сварочного аппарата, рассчитанный на ток сварки до 20А и оснащенный функцией его плавной настройки.
7. Остается подсоединить нагреватель к системе отопления, заполнить ее теплоносителем и подать ток на катушку.

Для удобства обслуживания на входе и выходе из нагревателя можно установить шаровые краны – это даст возможность демонтировать устройство без дренирования отопительного контура.

Чтобы избежать разрыва системы из-за перегрева теплоносителя, с одной стороны к нагревателю через тройник следует подсоединить предохранительный клапан.

При наличии 3-фазной сети нагреватель можно усовершенствовать, установив вместо одной катушки три.

1. Индукционные нагреватели допускается применять только в системах с принудительной циркуляцией. Тепло вырабатывается довольно интенсивно, поэтому при естественной циркуляции, тем более с учетом значительного гидравлического сопротивления сердечника из рубленой проволоки, возможен перегрев теплоносителя.
2. Не следует пренебрегать предохранительным клапаном. Он должен быть смонтирован либо на нагревателе, как было рассказано выше, либо в другом месте системы. Очевидно, что при выходе циркуляционного насоса из строя перегрева теплоносителя избежать не удастся, а при отсутствии предохранительного клапана такое явление приведет к разрыву системы.
3. Подключать нагреватель следует через УЗО. Желательно, также, дооборудовать систему отопления термостатом.

Часто умельцы помещают самодельный индукционный нагреватель в утепленный металлический корпус. В таком случае он должен быть заземлен.

Из-за отсутствия у самодельного «индукционника» полноценного экранирования его следует размещать не ближе 80-ти см от потолка или пола. Расстояние между прибором и стеной должно составлять не менее 30 см.

Помните, что переменное электромагнитное поле существует не только внутри катушки, но и снаружи, поэтому оно может нагревать любые находящиеся рядом металлические предметы. Например, застежки или пуговицы на одежде пользователя.

Технология индукционного нагрева нашла широкое применение в промышленности и стала проникать в бытовую сферу. привлекают своей экономичностью и простотой конструкции. Читайте об устройстве прибора и смотрите примеры самодельных конструкций.

О видах чугунных отопительных печей и вариантах их установки вы узнаете в материале.

Видео на тему

Собрать паяльник своими руками домашних (и не только) мастеров побуждают прежде всего экономические соображения. Простой паяльник на 220 В для обычных мелких спаечных работ лучше, конечно, купить. Однако и его возможно доработать, не разбирая, чтобы продлить жизнь жала. Но вот «топор» на 150-200 Вт, которым можно паять металлические водопроводные трубы, стоит уже не 4,25, а вдесятеро больше. И не советских рублей, а вечнозеленых условных единиц. Та же проблема возникает, если паять нужно вне доступности электросети от автомобильных 12 В или карманного литий-ионного аккумулятора. Как самостоятельно сделать паяльник на такие случаи, и не только на такие, рассматривается в сегодняшней публикации.

Что такое smd

Sub Micro Devises, сверхминиатюрные устройства. Наглядно можно увидеть smd, открыв мобильный телефон, смартфон, планшет или компьютер. По технологии smd малюсенькие (возможно, меньше среза спички) компоненты без проволочных выводов монтируются пайкой на контактные площадки, по терминологии smd называемые полигонами. Полигон может быть с тепловым барьером, предотвращающим растекание тепла по дорожкам печатной платы. Тут опасность не только и не столько в возможности отслоения дорожек – от нагрева может порваться пистон, соединяющий слои монтажа, что приведет устройство в полную негодность.

Паяльник для smd должен быть не только микромощным, до 10 Вт. Запас тепла в его жале не должен превышать того, который может выдержать паяемая деталь. Но долгая пайка слишком холодным паяльником еще более опасна: припой все не плавится, но деталюшка-то греется. А на режим пайки существенно влияет наружная температура, и тем больше, чем меньше мощность паяльника. Поэтому паяльники для smd выполняются либо с ограничением времени и/или величины теплоотдачи при пайке, либо в оперативной, на протяжении текущей технологической операции, регулировкой температуры жала. Причем держать ее нужно на 30-40 градусов выше температуры плавления припоя с точностью буквально до 5-10 градусов; это т. наз. допустимый температурный гистерезис жала. Этому очень мешает тепловая инерция самого паяльника, и основная задача при конструировании такового – добиться его возможно меньшей постоянной времени по теплу, см. далее.

Сделать паяльник в домашних условиях возможно для любой из указанных целей. В т.ч. и мощный для пайки стального либо медного водопровода, и достаточно точный мини для smd.

Примечание: вообще-то в паяльнике жало это рабочая (залуживаемая) часть его стержня. Но, поскольку стержни бывают и другие разные, будем для ясности считать весь стержень жалом. Если рабочая часть паяльника насаживается на стержень, она называется наконечником. Примем, что наконечник со стержнем это тоже жало.

Самый простой

Пока не будем вдаваться в сложности. Допустим, нам нужен обычный паяльник на 220В без затей. Идем выбирать и видим, разница в ценах достигает 10 и более раз. Разбираемся – почему. Первое: нагреватель, нихромовый или керамический. Последний (не «альтернативный»!) практически вечен, но, если паяльник уронить на твердый пол, может расколоться. Жало паяльников на керамике обязательно несменное – значит, надо покупать новый. А нихромовый нагреватель, если паяльник не забывать включенным на ночь, служит более 10 лет; при эпизодическом пользовании – свыше 20. И в крайнем случае его можно перемотать.

Разница в цене сократилась теперь до 3-4 раз, в чем еще дело? В жале. Никелированное из меди со специальными присадками мало растворяется припоем и очень медленно пригорает в обойме паяльника, но стоит дорого. Латунное или бронзовое хуже греется, и паять им smd нельзя – температурный гистерезис никак не удается вогнать в норму вследствие много худшей, чем у меди, теплопроводности материала. Красномедное жало и съедается припоем, и довольно быстро распухает от окиси меди, но зато дешевле.

Примечание: жало из электротехнической меди (отрезок обмоточного провода) для обычного паяльника непригодно – быстро растворяется и обгорает. Однако для smd такое жало самое то, его теплопроводность максимально возможная, а тепловая инерция и гистерезис минимальны. Правда, менять его придется часто, но жало-то со спичку или меньше.

С обгоранием и распуханием красномедного жала можно бороться просто аккуратностью: окончив работу и дав паяльнику остыть, жало вынимают, обколачивают от окисла, постукивая о край стола, а канал обоймы паяльника продувают. С растворением припоем хуже: часто подтачивать жало неудобно и оно быстро срабатывается.

Сделать жало для паяльника из обычной красной меди в разы более стойким к действию расплавленного припоя можно, не заточив его рабочий конец, а проковав до нужной формы. Холодная медь отлично куется обычным слесарным молотком на наковальне настольных тисков. У автора этой статьи в древнем советском ЭПЦН-25 кованое жало сидит уже более 20 лет, хотя в работе этот паяльник бывает если не каждый день, то уж точно каждую неделю.

Простой из резистора

Расчет

Самый простой паяльник можно сделать из проволочного резистора, это готовый нихромовый нагреватель. Рассчитать его также несложно: при рассеивании номинальной мощности в свободном пространстве проволочные резисторы греются до 210-250 градусов. С теплоотводом в виде жала «проволочник» держит долговременную перегрузку по мощности в 1,5-2 раза; температура жала при этом будет не ниже 300 градусов. Ее можно повысить до 400, дав перегрузку по мощности в 2,5-3 раза, но тогда после 1-1,5 час работы паяльнику нужно будет давать остыть.

Рассчитывают необходимое сопротивление резистора по формуле: R = (U^2)/(kP), где:

R – искомое сопротивление;

U – рабочее напряжение;

P – требуемая мощность;

k – указанный выше коэффициент перегрузки по мощности.

Напр., нужен паяльник на 220 В 100 Вт для пайки медных труб. Теплоотдача большая, поэтому берем k = 3. 220^2 = 48400. kP = 3*100 = 300. R = 48400/300 = 161,3… Ом. Берем резистор на 100 Вт 150 или 180 Ом, т.к. «проволочников» на 160 Ом не бывает, этот номинал из ряда на 5% допуск, а «проволочники» не точнее 10%.

Обратный случай: есть резистор на мощность p, какой мощности из него можно сделать паяльник? От какого напряжения его запитывать? Вспоминаем: P = U^2/R. Берем P = 2 p. U^2 = PR. Берем из этой величины квадратный корень, получаем рабочее напряжение. Напр., есть резистор 15 Вт 10 Ом. Мощность паяльника выходит до 30 Вт. Берем квадратный корень из 300 (30 Вт*10 Ом), получаем 17 В. От 12 В такой паяльник разовьет 14,4 Вт, можно паять мелочь легкоплавким припоем. От 24 В. От 24 В – 57,6 Вт. Перегрузка по мощности почти в 6 раз, но изредка и недолго спаять этим паяльником что-то большое возможно.

Изготовление

Как сделать паяльник из резистора, показано на рис. выше:

• Подбираем подходящий резистор (поз. 1, см. также далее).
• Готовим детали жала и крепеж к нему. Под кольцевую пружину надфилем выбирается канавка на стержне. Под болт (винт) и наконечник делаются резьбовые глухие отверстия, поз. 2.
• Собираем стержень с наконечником в жало, поз.3.
• Закрепляем жало в резисторе-нагревателе болтом (винтом) с широкой шайбой, поз. 4.
• Крепим нагреватель с жалом к подходящей рукоятке любым удобным способом, поз. 5-7. Одно условие: термостойкость рукоятки не ниже 140 градусов, до такой температуры могут нагреваться выводы резистора.

Тонкости и нюансы

Описанный выше паяльник из резисторов на 5-20 Вт делали многие (в т.ч. и автор во дни пионерской молодости) и, попробовав, убеждались – работать им всерьез нельзя. Греется невыносимо долго, и паяет только мелочь тычком – слой керамики мешает теплопередаче от нихромовой спирали в жало. Именно поэтому нагреватели фабричных паяльников мотаются на слюдяные оправки – теплопроводность слюды на порядки выше. К сожалению, свернуть слюду в трубочку дома невозможно, да и мотать нихром 0,02-0,2 мм дело тоже не для каждого.

Но вот с паяльниками от 100 Вт (резисторы от 35-50 Вт) дело другое. Тепловой барьер из керамики в них относительно тоньше, слева на рис., а запас тепла в массивном жале на порядок больше, т.к. его объем растет по кубу размеров. Качественно пропаять стык медных труб 1/2″ 200 Вт паяльником из резистора вполне возможно. Особенно, если жало не сборное, а цельное кованое.

Примечание: проволочные резисторы выпускаются на мощность рассеяния до 160 Вт.

Только для паяльника надо искать резисторы старых типов ПЭ или ПЭВ (в центре на рис., в производстве до сих пор). Их изоляция остеклованная, выдерживает многократный нагрев до светло-красного без потери свойств, только темнеет, остывая. Керамика внутри чистая. А вот резисторы С5-35В (справа на рис.) крашеные, внутри тоже. Снять краску в канале полностью невозможно – керамика пористая. При нагреве краска обугливается и жало прикипает намертво.

Регулятор для паяльника

Пример с низковольтным паяльником из резистора приведен выше не зря. Резистор ПЭ (ПЭВ) из хлама или с железного базара чаще всего оказывается неподходящего номинала под наличное напряжение. В таком случае нужно делать регулятор мощности для паяльника. В наши дни это гораздо проще даже людям, имеющим об электронике самое смутное представление. Идеальный вариант – купить у китайцев (ну, Али Экспресс, а то как же) готовый универсальный регулятор напряжения и тока TC43200, см. рис. справа; стоит он недорого. Допустимое входное напряжение 5-36 В; выходное – 3-27 В при токе до 5 А. Напряжение и ток выставляются отдельно. Поэтому можно не только выставить нужное напряжение, но и регулировать мощность паяльника. Есть, напр., инструмент на 12 В 60 Вт, а сейчас нужно 25 Вт. Выставляем ток в 2,1 А, на паяльник пойдет 25,2 Вт и ни милливаттом больше.

Примечание: для использования с паяльником штатные многооборотные регуляторы TC43200 лучше заменить обычными потенциометрами с градуированными шкалами.

Импульсные

Многие предпочитают импульсные паяльники: они лучше подходят для микросхем и др. мелкой электроники (кроме smd, но см. и далее). В ждущем режиме жало импульсного паяльника или холодное, или немного подогревается. Паяют, нажав на кнопку пуска. Жало при этом быстро, за доли-единицы с, греется до рабочей температуры. Контролировать пайку очень удобно: растекся припой, выдавил из капли флюс – отпустил кнопку, жало так же быстро остыло. Нужно только успеть его убрать, чтобы не припаялось туда же. Опасность сжечь компонент, имея некоторый опыт, минимальна.

Типы и схемы

Импульсный разогрев жала паяльника возможен несколькими способами в зависимости от рода работы и требований к эргономике рабочего места. В любительских условиях, или мелкому ИП-одиночке импульсный паяльник удобнее и доступнее будет сделать по одной из след. схем:

1. С токоведущим жалом под током промышленной частоты;
2. С изолированным жалом и форсированным его разогревом;
3. С токоведущим жалом под током высокой частоты.

Электрические принципиальные схемы импульсных паяльников указанных типов приведены на рис: поз. 1 – с токоведущим жалом промышленной частоты; поз. 2 – с форсированным подогревом изолированного жала; поз. 3 и 4 – с токоведущим жалом высокой частоты. Далее мы разберем их особенности, достоинства, недостатки и способы реализации в домашних условиях.

50/60 Гц

Схема импульсного паяльника с жалом под током промышленной частоты наиболее проста, но это не единственное ее достоинство, и не главное. Потенциал на жале такого паяльника не превышает долей вольта, поэтому он безопасен для самых нежных микросхем. Пока не появились индукционные паяльники системы METCAL (см. далее), именно импульсниками промышленной частоты работала значительная часть монтажников на производстве электроники. Недостатки – громозкость, значительный вес и, как следствие, плохая эргономика: на смене длинее 4 час. работники уставали и начинали ошибаться. Но в любительском обиходе импульсных паяльников промышленной частоты до сих пор много: Зубр, Сигма (Sigma), Светозар и др.

Устройство импульсного паяльника на 50/60 Гц показано на поз. 1 и 2 рис. Видимо, ради экономии на издержках производства изготовители чаще всего применяют в них трансформаторы на сердечниках (магнитопроводах) типа П (поз 2), но это далеко не оптимальный вариант: чтобы паяльник паял как ЭПЦН-25, мощность трансформатора нужна 60-65 Вт. Вследствие большого поля рассеяния трансформатор на П-сердечнике в режиме КЗ сильно греется, а время разогрева жала доходит до 2-4 с.

Если П-сердечник заменить на ШЛ от 40 Вт с вторичной обмоткой из медной шины (поз. 3 и 4), то паяльник выдерживает часовую работу с интенсивностью 7-8 паек в минуту без недопустимого перегрева. Для работы в режиме периодических кратковременных КЗ число витков первичной обмотки увеличивают на 10-15% против расчетного. Данное исполнение выгодно и тем, что жало (медная проволока диаметром 1,2-2 мм) можно крепить непосредственно к выводам вторичной обмотки (поз. 5). Поскольку ее напряжение доли вольта, это еще увеличивает экономичность паяльника и удлиняет время его работы до перегрева.

С форсированным подогревом

Схема паяльника с форсированным подогревом особых пояснений не требует. В дежурном режиме нагреватель работает на четверти номинальной мощности, а при нажатии на пуск в него выбрасывается накопленная в батарее конденсаторов энергия. Отключая/подключая к батарее емкости, можно довольно грубо, но в допустимых пределах дозировать количество выделяемого жалом тепла. Достоинство – полное отсутствие наведенного потенциала на жале, если оно заземлено. Недостаток – на имеющихся в широкой продаже конденсаторах схема реализуема лишь для резисторных мини-паяльников, см. далее. Применяется в основном для эпизодических работ на не насыщенных компонентами платах гибридной сборки, smd + обычный печатный монтаж в сквозные пистоны.

На высокой частоте

Импульсные паяльники на повышенной или высокой частоте (десятки или сотни кГц) весьма экономичны: тепловая мощность на жале почти равна паспортной электрической инвертора (см. ниже). Также они компактны и легки, а их инверторы пригодны для питания резисторных мини-паяльников постоянного нагрева с изолированным жалом, см. далее. Нагрев жала до рабочей температуры – за доли с. В качестве регулятора мощности без доработок применим любой тиристорный регулятор напряжения 220 В. Могут быть запитаны постоянным напряжением 220 В.

Примечание: на мощность свыше ок. 50 Вт ВЧ импульсный паяльник делать не стоит. Хотя, напр. компьютерные ИПБ бывают мощностью до 350 Вт и более, но жало на такую мощность сделать практически невозможно – или не прогреется до рабочей температуры, или само расплавится.

Серьезный недостаток – на рабочих частотах сказывается влияние собственной индуктивности жала и вторичной обмотки. Из-за этого на жале на время более 1 мс может возникать наведенный потенциал свыше 50 В, что опасно для компонент КМОП (КМДП, CMOS). Также существенный недостаток – оператор облучается потоком мощности электромагнитного поля (ЭМП). Работать импульсным ВЧ паяльником мощностью 25-50 Вт можно не более часа в день, а до 25 Вт – не более 4-х час, но не более 1,5 час кряду.

Самый простой способ схемной реализации инвертора импульсного ВЧ паяльника на 25-30 Вт для обычных спаечных работ – на основе сетевого адаптера галогеновой лампы на 12 вольт, см. поз. 3 рис. со схемами. Трансформатор можно намотать на сердечнике из 2-х сложенных вместе колец К24х12х6 из феррита с магнитной проницаемостью μ не ниже 2000, или на Ш-образном магнитопроводе из такого же феррита сечением не менее 0,7 кв. см. Обмотка 1 – 250-260 витков эмалированного провода диаметром 0,35-0,5 мм, обмотки 2 и 3 – по 5-6 витков такого же провода. Обмотка 4 – 2 витка в параллель провода диаметром от 2 мм (на кольце) или оплетки от телевизионного коаксиального кабеля (поз. 3а), также запараллеленных.

Примечание: если паяльник более чем на 15 Вт, то транзисторы MJE13003 лучше заменить на MJE130nn, где nn>03, и поставить из на радиаторы площадью от 20 кв. см.

Вариант инвертора для паяльника до 16 Вт может быть выполнен на базе импульсного пускового устройства (ИПУ) для ЛДС или начинки перегоревшей лампочки-экономки соотв. мощности (не бейте колбу, там пары ртути!) Доработку иллюстрирует поз. 4 на рис. со схемами. То, что выделено зеленым, может быть различно в ИПУ разных моделей, но нам оно все равно. Нам нужно удалить пусковые элементы лампы (выделено красным на поз. 4а) и замкнуть накоротко точки А-А. Получим схему поз. 4б. В ней параллельно фазосдвигающему дросселю L5 подключается трансформатор на одном таком же кольце, как в пред. случае или на Ш-образном феррите от 0,5 кв. см (поз. 4в). Первичная обмотка – 120 витков провода диаметром 0,4-0,7; вторичная – 2 витка провода D>2 мм. Жало (поз. 4г) из такого же провода. Готовое устройство компактно (поз. 4д) и может быть помещено в удобный корпус.

Мини и микро на резисторах

Паяльник с нагревательным элементом на основе металлопленочного резистора МЛТ конструктивно аналогичен паяльнику из проволочного резистора, но выполняется на мощность до 10-12 Вт. Резистор работает с перегрузкой по мощности в 6-12 раз, т.к., во-первых, теплоотвод через относительно толстое (но абсолютно более тонкое) жало больше. Во-вторых, резисторы МЛТ физически в разы меньше ПЭ и ПЭВ. Отношение их поверхности к объему соотв. увеличивается и теплоотдача в окружающую среду относительно растет. Поэтому паяльники на резисторах МЛТ делаются только в вариантах мини и микро: при попытке увеличить мощность маленький резистор сгорает. Хотя МЛТ для спецприменения выпускаются на мощность до 10 Вт, своими силами реально сделать только паяльник на МЛТ-2 для мелких дискретных компонент (россыпи) и небольших микросхем, см. напр. видео ниже:

Видео: микро-паяльник на резисторах

Примечание: цепочка резисторов МЛТ может быть также использована в качестве нагревателя автономного аккумуляторного паяльника для обычных спаечных работ, см. след. ролик:

Видео: аккумуляторный мини-паяльник

Гораздо интереснее сделать мини паяльник из резистора МЛТ-0,5 для smd. Керамическая трубочка – корпус МЛТ-0,5 – очень тонкая и почти не препятствует теплопередаче на жало, но не пропустит тепловой импульс в момент касания полигона, отчего частенько сгорают компоненты smd. Подобрав жало (что требует довольно значительного опыта), smd таким паяльником можно не спеша паять, непрерывно контролируя в микроскоп процесс.

Процесс изготовления такого паяльника показан на рис. Мощность – 6 Вт. Нагрев либо непрерывный от инвертора из описанных выше, либо (лучше) с форсироваанным подогревом постоянным током от ИП на 12 В.

Примечание: как сделать усовершенствованный вариант такого паяльника с более широким диапазоном применения, подробно описано здесь – oldoctober.com/ru/soldering_iron/

Индукционные

Индукционный паяльник на сегодняшний день вершина технических достижений в области пайки металлов эвтектическими припоями. В сущности, паяльник с индукционным нагревом это миниатюрная индукционная печь: ВЧ ЭМП катушки-индуктора поглощается металлом жала, которое при этом греется вихревыми токами Фуко. Изготовить своими руками индукционный паяльник не так уж сложно, если есть в распоряжении источник токов ВЧ, напр. компьютерный импульсный блок питания, см. напр. сюжет

Видео: индукционный паяльник

Однако качественно-экономические показатели индукционных паяльников для обычных спаечных работ невысоки, чего не скажешь об их вредном влиянии на здоровье. Фактически единственное их преимущество – прикипевшее к обойме в корпусе жало можно выдирать, на опасаясь порвать нагреватель.

Гораздо больший интерес представляют индукционные мини-паяльники системы METCAL. Их внедрение на производстве электроники позволило уменьшить процент брака из-за ошибок монтажников в 10000 раз (!) и удлинить рабочую смену до нормальной, причем работники расходились после нее бодрыми и дееспособными во всех прочих отношениях.

Устройство паяльника типа METCAL показано слева вверху на рис. Изюминка – в ферроникелевом покрытии жала. Паяльник питается ВЧ точно выдержанной частоты 470 кГц. Толщина покрытия выбрана такой, что на данной частоте вследствие поверхностного эффекта (скин-эффекта) токи Фуко сосредотачивались только в покрытии, которое сильно греется и передает тепло в жало. Самое жало оказывается заэкранированным от ЭМП и наведенные потенциалы на нем не возникают.

Когда покрытие прогреется до точки Кюри, выше которой по температуре ферромагнитные свойства покрытия исчезают, оно поглощает энергию ЭМП гораздо слабее, но ВЧ в медь все равно не пускает, т.к. электрическую проводимость сохраняет. Остыв ниже точки Кюри само по себе или вследствие оттока тепла на пайку, покрытие вновь начинает интенсивно поглощать ЭМП и подогревает жало. Таким образом, жало держит температуру, равную точке Кюри покрытия с точностью буквально до градуса. Тепловой гистерезис жала при этом ничтожен, т.к. определяется тепловой инерцией тонкого покрытия.

Во избежание вредного влияния на людей паяльники выпускаются с несменными жалами, наглухо закрепленными в картридже коаксиальной конструкции, по которому и подводится к катушке ВЧ. Картридж вставляется в ручку паяльника – держатель с коаксиальным разъемом. Картриджи выпускаются типов 500, 600 и 700, что соответствует точке Кюри покрытия в градусах Фаренгейта (260, 315 и 370 градусов Цельсия). Основной рабочий картридж – 600; 500-м паяют особо мелкие smd, а 700-м крупные smd и россыпь.

Примечание: чтобы перевести градусы Фаренгейта в Цельсия, нужно от фаренгейтов отнять 32, умножить остаток на 5 и поделить на 9. Если надо наоборот, к цельсиям добавляем 32, результат множим на 9 и делим на 5.

Все замечательно в паяльниках METCAL, кроме цены картриджа: за «(название фирмы) новый, хороший» – от $40. «Альтернативные» в полтора раза дешевле, но вырабатываются вдвое быстрее. Сделать самому жало METCAL нереально: покрытие наносится напылением в вакууме; гальваническое при температуре Кюри мгновенно отслаивается. Посаженная на медь тонкостенная трубка не обеспечит абсолютного теплового контакта, без чего METCAL превращается просто в плохой паяльник. Тем не менее, сделать самому почти полный аналог паяльника METCAL, причем со сменным жалом, хоть и трудно, но возможно.

Индукционный для smd

Устройство самодельного индукционного паяльника для микросхем и smd, по рабочим качествам аналогичного METCAL, показано справа на рис. Когда-то похожие паяльники применялись на спецпроизводстве, но METCAL их полностью вытеснили благодаря лучшей технологичности и большей рентабельности. Однако для себя такой паяльник сделать можно.

Его секрет – в соотношении плеч наружной части жала и выступающего из катушки внутрь хвостовика. Если оно такое, как показано на рис. (приблизительно), а хвостовик покрыт теплоизоляцией, то тепловой фокус жала не выйдет за пределы обмотки. Хвостовик будет, конечно, горячее кончика жала, но их температуры будут меняться синхронно (теоретически термогистерезис нулевой). Раз настроив автоматику с помощью дополнительной термопары, измеряющей температуру кончика жала, дальше можно паять спокойно.

Роль точки Кюри играет таймер. Сигналом от терморегулятора на подогрев он обнуляется, напр., открыванием ключа, шунтирующего накопительную емкость. Запускается таймер сигналом, свидетельствующим о фактическом начале работы инвертора: напряжение с дополнительной обмотки трансформатора из 1-2 витков выпрямляется и разблокирует таймер. Если паяльником долго не паяют, таймер спустя 7 с выключит инвертор, пока жало не остынет и терморегулятор не выдаст новый сигнал на подогрев. Суть здесь в том, что термогистерезис жала пропорционален отношению времен выключенного и включенного нагрева жала O/I, а средняя мощность на жале обратному I/O. До градуса такая система температуру жала не держит, но +/–25 Цельсия при рабочей жала 330 обеспечивает.

В заключение

Так какой же паяльник делать? Мощный из проволочного резистора однозначно стоит: расходов на него всего ничего, есть не просит, а выручить может основательно.

Стоит также сделать, чтобы был на хозяйстве, простой паяльник для smd из резистора МЛТ. Кремниевая электроника выдохлась, она в тупике. Квантовая уже на подходе, и вдали явственно замаячила графеновая. Напрямую с нами та и другая не сопрягаются, как компьютер через экран, мышку и клавиатуру или смартик/планшетка через экран и сенсоры. Поэтому кремниевое обрамление в устройствах будущего останется, но исключительно smd, а теперешняя россыпь покажется чем-то вроде радиоламп. И не думайте, что это фантастика: всего 30-40 лет тому назад ни один фантаст до смартфона не додумался. Хотя первые образцы мобильников тогда уже были. А утюг или пылесос «с мозгами» тогдашним мечтателям и в дурном сне в голову не пришли бы.

(1 оценок, среднее: 5,00 из 5)

Индукционные нагреватели работают по принципу “получение тока из магнетизма”. В специальной катушке генерируется переменное магнитное поле высокой мощности, которое порождает вихревые электрические токи в замкнутом проводнике.

Замкнутым проводником в индукционных плитах является металлическая посуда, которая разогревается вихревыми электрическими токами. В общем, принцип работы таких приборов не сложен, и при наличии небольших познаний в физике и электрике, собрать индукционный нагреватель своими руками не составит большого труда.

Самостоятельно могут быть изготовлены следующие приборы:

1. Приборы для нагрева в котле отопления.
2. Мини-печи для плавки металлов.
3. Плиты для приготовления пищи.

Индукционная плита своими руками, должна быть изготовлена с соблюдением всех норм и правил для эксплуатации данных приборов. Если за пределы корпуса в боковых направлениях будет выделяться опасное для человека электромагнитное излучение, то использовать такой прибор категорически запрещается.

Кроме этого большая сложность при конструировании плиты заключается в подборе материала для основания варочной поверхности, которое должно удовлетворять следующим требованиям:

1. Идеально проводить электромагнитное излучение.
2. Не являться токопроводящим материалом.
3. Выдерживать высокую температурную нагрузку.

В бытовых варочных индукционных поверхностях используется дорогая керамика, при изготовлении в домашних условиях индукционной плиты, найти достойную альтернативу такому материалу – довольно сложно. Поэтому, для начала следует сконструировать что-нибудь попроще, например, индукционную печь для закалки металлов.

Инструкция по изготовлению

Чертежи

Рисунок 1. Электрическая схема индукционного нагревателя
Рисунок 2. Устройство. Рисунок 3. Схема простого индукционного нагревателя

Для изготовления печи понадобятся следующие материалы и инструменты:

• припой;
• текстолитовая плата.
• мини-дрель.
• радиоэлементы.
• термопаста.
• химические реагенты для травления платы.

Дополнительные материалы и их особенности:

1. Для изготовления катушки , которая будет излучать необходимое для нагрева переменное магнитное поле, необходимо приготовить отрезок медной трубки диаметром 8 мм, и длиной 800 мм.
2. Мощные силовые транзисторы являются самой дорогой частью самодельной индукционной установки. Для монтажа схемы частотного генератора необходимо приготовить 2 таких элемента. Для этих целей подойдут транзисторы марок: IRFP-150; IRFP-260; IRFP-460. При изготовлении схемы используются 2 одинаковых из перечисленных полевых транзисторов.
3. Для изготовления колебательно контура понадобятся керамические конденсаторы ёмкостью 0,1 mF и рабочим напряжением 1600 В. Для того, чтобы в катушке образовался переменный ток высокой мощности, потребуется 7 таких конденсаторов.
4. При работе такого индукционного прибора , полевые транзисторы будут сильно разогреваться и если к ним не будут присоединены радиаторы из алюминиевого сплава, то уже через несколько секунд работы на максимальной мощности, данные элементы выйдут из строя. Ставить транзисторы на теплоотводы следует через тонкий слой термопасты, иначе эффективность такого охлаждения будет минимальна.
5. Диоды , которые используются в индукционном нагревателе, обязательно должны быть ультрабыстрого действия. Наиболее подходящими для данной схемы, диоды: MUR-460; UF-4007; HER – 307.
6. Резисторы, которые используются в схеме 3: 10 кОм мощностью 0,25 Вт – 2 шт. и 440 Ом мощностью – 2 Вт. Стабилитроны: 2 шт. с рабочим напряжением 15 В. Мощность стабилитронов должна составлять не менее 2 Вт. Дроссель для подсоединения к силовым выводам катушки используется с индукцией.
7. Для питания всего устройства понадобится блок питания мощностью до 500. Вт. и напряжением 12 – 40 В. Запитать данное устройство можно от автомобильного аккумулятора, но получить наивысшие показания мощности при таком напряжении не получится.

Сам процесс изготовления электронного генератора и катушки занимает немного времени и осуществляется в такой последовательности:

1. Из медной трубы делается спираль диаметром 4 см. Для изготовления спирали следует медную трубку накрутить на стержень с ровной поверхностью диаметром 4 см. Спираль должна иметь 7 витков, которые не должны соприкасаться. На 2 конца трубки припаиваются крепёжные кольца для подключения к радиаторам транзистора.
2. Печатная плата изготавливается по схеме. Если есть возможность поставить полипропиленовые конденсаторы, то благодаря тому, что такие элементы обладают минимальными потерями и устойчивой работой при больших амплитудах колебания напряжений, устройство будет работать намного стабильнее. Конденсаторы в схеме устанавливаются параллельно образуя с медной катушкой колебательный контур.
3. Нагрев металла происходит внутри катушки, после того как схема будет подключена к блоку питания или аккумулятору. При нагреве металла необходимо следить за тем, чтобы не было короткого замыкания обмоток пружины. Если коснуться нагреваемым металлом 2 витка катушки одновременно, то транзисторы выходят из строя моментально.

Нюансы

1. При проведении опытов по нагреву и закалке металлов , внутри индукционной спирали температура может быть значительна и составляет 100 градусов Цельсия. Этот теплонагревательный эффект можно использовать для нагрева воды для бытовых нужд или для отопления дома.
2. Схема нагревателя рассмотренного выше (рисунок 3) , при максимальной нагрузке способна обеспечить излучение магнитной энергии внутри катушки равное 500 Вт. Такой мощности недостаточно для нагрева большого объёма воды, а сооружение индукционной катушки высокой мощности потребует изготовление схемы, в которой необходимо будет использовать очень дорогие радиоэлементы.
3. Бюджетным решением организации индукционного нагрева жидкости , является использование нескольких устройств описанных выше, расположенных последовательно. При этом, спирали должны находиться на одной линии и не иметь общего металлического проводника.
4. В качестве используется труба из нержавеющей стали диаметром 20 мм. На трубу «нанизываются» несколько индукционных спиралей, таким образом, чтобы теплообменник оказался в середине спирали и не соприкасался с её витками. При одновременном включении 4 таких устройств, мощность нагрева будет составлять порядка 2 Квт, что уже достаточно для проточного нагрева жидкости при небольшой циркуляции воды, до значений позволяющих использовать данную конструкцию в снабжении тёплой водой небольшого дома.
5. Если соединить такой нагревательный элемент с хорошо изолированным баком , который будет расположен выше нагревателя, то в результате получится бойлерная система, в которой нагрев жидкости будет осуществляться внутри нержавеющей трубы, нагретая вода будет подниматься вверх, а её место будет занимать более холодная жидкость.
6. Если площадь дома значительна , то количество индукционных спиралей может быть увеличено до 10 штук.
7. Мощность такого котла можно легко регулировать путём отключения или включения спиралей. Чем больше одновременно включённых секций, тем больше будет мощность работающего таким образом отопительного устройства.
8. Для питания такого модуля понадобится мощный блок питания. Если есть в наличии инверторный сварочный аппарат постоянного тока, то из него можно изготовить преобразователь напряжения необходимой мощности.
9. Благодаря тому, что система работает на постоянном электрическом токе , который не превышает 40 В, эксплуатация такого устройства относительно безопасна, главное обеспечить в схеме питания генератора блок предохранителей, которые в случае короткого замыкания обесточат систему, там самым исключив возможность возникновения пожара.
10. Можно таким образом организовать “бесплатное” отопление дома , при условии установки для питания индукционных устройств аккумуляторных батарей, зарядка которых будет осуществляться за счёт энергии солнца и ветра.
11. Аккумуляторы следует объединить в секции по 2 шт., подключённые последовательно. В результате, напряжение питания при таком подключении будет не менее 24 В., что обеспечит работу котла на высокой мощности. Кроме этого, последовательное подключение позволит снизить силу тока в цепи и увеличить срок эксплуатации аккумуляторов.

1. Эксплуатация самодельных устройств индукционного нагрева , не всегда позволяет исключить распространение вредного для человека электромагнитного излучения, поэтому индукционный котёл следует устанавливать в нежилом помещении и экранировать оцинкованной сталью.
2. Обязательно при работе с электричеством следует соблюдать правила техники безопасност и, особенно это касается сетей переменного тока напряжением 220 В.
3. В качестве эксперимента можно изготовить варочную поверхность для приготовления пищи по схеме указанной в статье, но эксплуатировать данный прибор постоянно не рекомендуется по причине несовершенства самостоятельного изготовления экранирования данного устройства, из-за этого возможно воздействие на организм человека вредного электромагнитного излучения, способного негативно сказаться на здоровье.