בואו נמיס מתכות באמצעות טכניקת ZVS (מיתוג מתח אפס) המיושמת על מעגל תהודה RLC של 1,000W האם תהיתם פעם כמה עוצמתיים יכולים להיות השדות האלקטרומגנטיים המקיפים אותנו?
זוהי שאלה רלוונטית, בהתחשב בכך שאנו מוקפים באינספור גלים אלקטרומגנטיים, הנגרמים מכבלי חלוקת חשמל, משדרי רדיו וטלוויזיה, רשתות טלפונים ניידים ושלטים רחוקים. נסה למקם טלפון נייד ליד מכשיר קווי או רמקול, ותשמע פצפוץ.
או ללכת מתחת לקו מתח גבוה בחושך עם צינור פלורסנט ולשים לב שהוא נדלק. הגלים הללו, בלתי נראים לעין האנושית, נוכחים מאוד בחיי היום-יום שלנו.
למרות שהשפעותיהם הופכות למשמעותיות רק במקרים מסוימים ובהתאם לכוח המוקרן והקרבה שלנו למקור. אבל כמה חזק יכול להיות שדה אלקטרומגנטי? תנור המיקרוגל במטבחים שלנו מוכיח שהוא יכול לחמם מזון ואף לייצר קשתות חשמליות בין הקצוות של נייר אלומיניום או חפצים מתכתיים.
האם שדה כזה יכול להיות חזק מספיק כדי להביא מוליך מתכתי לליבון תוך כמה שניות? התשובה היא כן, והפרויקט של היום מדגים זאת בבירור. זוהי מערכת הפועלת באמצעות שלושה עקרונות פיזיקליים שחובבי האלקטרוניקה יכירו מבית הספר: אינדוקציה מגנטית, זרמי מערבולת ואפקט ג'ול.
הפרויקט שלנו מדגים כיצד לחמם ואף להמיס חומרים מוליכים חשמליים ובעיקר פרומגנטיים באמצעות מעגל מסוג ZVS עם הספק נומינלי של 1,000W, שיכול לעלות ל-1,500W בתנאים מסוימים. ZVS ראשי תיבות של Zero Voltage Switching, טכניקה המשמשת בממירי אלקטרוניקה כוח לשיפור היעילות.
זה מאפשר למתגים מוליכים למחצה לשנות מצב עם מתח כמעט אפס על פני המסופים שלהם, תוך מזעור אובדן הכוח (V x I), כפי שנסביר בסעיף עקרונות הפעולה. רעיון זה הוא הבסיס לכיריים אינדוקציה, בשימוש נרחב בחו"ל במדינות עם חשמל בעלות נמוכה.
כיריים אינדוקציה מורכבות מסליל שדרכו זורם זרם חילופין גבוה, היוצר שדה מגנטי פרופורציונלי לזרם.
על פי חוק פאראדיי, שטף מגנטי המשתנה בזמן גורם לכוח אלקטרו-מוטיבי בכל גוף מוליך חשמלי הנחתך על ידי קווי השדה המתקבלים.
EMF זה יוצר זרמי מערבולת בתוך החומר של הסירים או המיכלים המונחים על הכיריים. זרמים אלו נקראים גם "זרמי מערבולת" (ערבול שפירושו "מערבולת" באנגלית), בשל התבנית המתערבלת בתוך המוליך.
זרמים טפיליים אלה גורמים לאפקט הג'ול – חום שנוצר עקב איבוד אנרגיה. בכיריים אינדוקציה, החום מחמם את הסיר, בדומה לאופן שבו החיכוך מפזר אנרגיה קינטית כחום במערכות מכניות. בישול אינדוקציה הוא מקרה מסוים: ההשפעה של שדות אלקטרומגנטיים שונה על סמך חדירות מגנטית, חוסר רצון ומוליכות של החומרים המעורבים.
זה מסביר מדוע סיר מתכת (במיוחד פלדה) לא יכול לשמש בתנור מיקרוגל, אבל אפשר לבשל בשר. לעומת זאת, בכיריים אינדוקציה, בשר לא יתחמם אלא אם כן הוא בתוך סיר על בסיס פלדה. במיקרוגל נוצר חום בתוך המזון, בעוד שבכיריים אינדוקציה הוא מתרחש בבסיס הסיר. חומרים מסוימים מתחממים ביעילות בתדרים נמוכים; אחרים דורשים תדרי מיקרוגל.
בדרך כלל, זרמי מערבולת אינם רצויים (כמו בהפסדי ליבות שנאי), אך במקרה שלנו, אנו משפרים אותם כדי ליצור חום בחומר המושפע מהשדה המגנטי. בפרט, חומרים פרומגנטיים מתחממים באופן משמעותי אפילו בתדר ההפעלה של המעגל.
מלבד חימום והמסת מתכות, למעגל יש יישומים מעניינים נוספים, כמו העברת חשמל אלחוטית באמצעות סלילים מצמודים המכוונים לתדר התהודה ומעגלי ההצתה של סליל טסלה.
תרשים מעגל מחמם אינדוקציה
על ידי התבוננות בתרשים המעגל, נוכל לראות מבנה דו-ענפי סימטרי במעגל הבקרה, המכונה מתנד Royer, המאפשר תנודה עצמית של בלוק RLC בתדר התהודה הטבעי שלו.
בלוק RLC מורכב ממשרן (המכונה בדרך כלל "סליל העבודה"), בנק קבלים (המכונה "קבל הטנק"), וההתנגדות הסדרתית המוכנסת על ידי הרכיבים והחיווט.
לאחר הפעלתו, המתנד נכנס לתהודה. זרם התהודה הגבוה הזורם בסליל העבודה יוצר שדה מגנטי חזק.
כאשר מתנד Royer מופעל, גם אם הוא סימטרי, אחד משני ה-MOSFETs (M1 או M2) יתחיל להוביל תחילה עקב הבדלי ייצור. נניח ש-M1 מתחיל ראשון – הניקוז שלו נמשך לפוטנציאל הארקה, וכופה את M2 באמצעות דיודת המשוב D1, אשר פורקת במהירות את השער של M2.
מעגל התהודה המורכב ממשרן L3 והקבלים C1 עד C6 מציג חצי גל סינוסואידאלי בניקוז של M2, עובר מאפס לשיא וחוזר לאפס. כאשר הוא חוזר לאפס, D2 מוליך, מכבה את M1 ומפעיל את M2, ומייצר את חצי הגל הסינוסואידי ההפוך.
מחזור זה חוזר בתדר התהודה הטבעית של בלוק RLC. סליל העבודה L3 נושא זרם סינוסאידי גבוה בסביבות 100 קילו-הרץ. בעוד שתדר זה מייצר חימום מתון במזון, הוא כבר מייצר חימום משמעותי בבורג פלדה, הגובר עם הכוח הזמין והשדה האלקטרומגנטי המושרה.
ה-MOSFETs פועלים ב-push-pull: כאשר M1 פועל, M2 כבוי ולהיפך. זה מובטח על ידי מעגל התהודה ודיודות המשוב D1 ו-D2. הולכה בו-זמנית תקצר את האספקה, והורס את ה-MOSFETs.
מיתוג MOSFET מתרחש עם כמעט אפס Vds (מתח מקור ניקוז), כלומר, מיתוג מתח אפס (ZVS), תוך מזעור הפסדי מיתוג:
Pd = Vds x Id
שבו Id הוא זרם הניקוז.
ZVS גם מפחית משמעותית את הרעש בתדר הגבוה הנפלט באופן טבעי על ידי מיתוג מעגלים.
MOSFETs M1 ו-M2 הם Infineon IRFP260N, הכוללים Rdson נמוך מאוד (רק 40 mΩ) וזרם ניקוז גבוה (ID = 50A). הם סוגים של מיתוג מהיר, עוברים במהירות מהולכה מלאה (מופעל) לניתוק, כולל דיודות ההגנה האנטי-מקבילות שלהם עם TRR (זמן שחזור הפוך) בסביבות 400 ns.
מתח השיא במעגל מיתוג ZVS מחושב כך:
VPEAK = SUPPLY VOLTAGE x π
מכיוון שמתח האספקה מוגבל ל-48 VDC, מתח מקור הניקוז המרבי (Vdss) נבחר כ-200V.
דיודות המשוב D1 ו-D2 הן MUR420, גם מיתוג מהיר, המסוגלות לשאת לפחות 4A ולכבות במהירות את ה-MOSFET המשויך על ידי פריקת השער.
ה-GATEs של שני MOSFETs מונעים על ידי נגדי הספק R2 ו-R5, כל אחד מהם מוערך ב-470 אוהם.
כדי להגן על ה-MOSFETs ממתח יתר וזרם יתר, נעשה שימוש בשני זוגות נגד זנר: R3/DZ1 ו-R4/DZ2. R3 ו-R4 הם 10 קוהם; DZ1 ו-DZ2 הם 12V – 1W.
LED LD1 מציין את נוכחות הכוח ומופעל דרך הנגד הסדרתי R1, 4.7 קוהם, כדי להגביל את הזרם.
המשרנים L1 ו-L2 הם 100 µH ומשמשים לדיכוי קוצים במתח המיתוג ("קוצים") שעלולים להרוס את ה-MOSFETs. הם מלופפים על ליבות טורואידיות עם דירוג זרם מרבי של 13A.
הקבלים C1, C2, C3, C4, C5, C6 הם קבלים מפוליפרופילן MKP, שנבחרו בשל יכולתם לעמוד בזרמים ומתחים גבוהים במהלך תהודה תוך מזעור הפסדים.
בתכנון זה, קיבול התהודה הוא כ-2 µF, המושג על ידי הקבלה של שישה קבלים של 0.33 µF בדירוג של 630V.
סליל העבודה (איור 1), אליו מונח החפץ לחימום/להתוך, עשוי מ-6 סיבובים של צינור נחושת חלול בקוטר 6 מ"מ בעובי דופן של 0.8 מ"מ. הוא מפותל באוויר כדי להתמודד עם זרמים גבוהים, לפזר חום שנוצר ביעילות ולהפחית את אובדן אפקט העור ב-100 קילו-הרץ.
אסור שהסיבובים ייגעו זה בזה (מכיוון שהנחושת חשופה), אחרת ייווצרו קצרים, שיפחיתו את מספר הסיבובים האפקטיביים וישנו את השראות.
ההשראות התיאורטית של סליל העבודה היא בערך 1.26 µH, אם כי זה עשוי להשתנות בהתאם לאורך המוליכים האופקיים המחוברים לקבלים.
כדי לחשב את השראות העצמית התיאורטית, אתה יכול להשתמש בנוסחה (עיין באיור 2):
L = µ₀ * N² * π * R² / w
כאשר µ₀ היא החדירות של שטח פנוי (µ₀ = 4π * 10⁻⁷ H/m),
N הוא מספר הסיבובים (במקרה שלנו, 6),
R = 2.5 x 10⁻² m ו-w = 7 x 10⁻² m, ומכאן L ≈ 1.26 µH.
כדי לחשב את תדר התהודה התיאורטי, השתמש בנוסחה:
fR = 1 / (2π * √(L * C)) = 100.3 קילו-הרץ
כאשר L = 1.26 µH, C = 2 µF.
פריסת הרכבה
רשימת רכיבים
C1: 0.33 µF 630 V~ pitch 30mm C2: 0.33 µF 630 V~ pitch 30mm C3: 0.33 µF 630 V~ pitch 30mm C4: 0.33 µF 630 V~ pitch 30mm C5: 0.33 µF 630 V~ pitch 30mm C6: 0.33 µF 630 V~ pitch 30mm C7: - R1: 4.7 kohm R2: 470 ohm 5W R3: 10 kohm 1% R4: 10 kohm 1% R5: 470 ohm 5W L1: 100 µH inductor L2: 100 µH inductor L3: 1.26 µH coil M1, M2: IRFP260N D1: MUR420 D2: MUR420 DZ1, DZ2: 1N4742 DL1: 5 mm green LED
הרכבה מעשית
להרכבת הסליל, נעשה שימוש בשלושה נקודות משושה מוזהבות בגודל 6 מ"מ, כל אחת באורך 40 מ"מ. שני הצדדים לרוחב מהודקים (באמצעות ברגים 4MA) עם מהדק ברזל המהדק את קצוות סליל העבודה. שחרר את הברגים המחזיקים את שני היציבים (איור 4), הכנס את קצוות סליל העבודה לתוך תומך המתכת כך שהסליל יהיה מכוון לכיוון בלוק המסוף של ספק הכוח המסומן +/-.
מקם את סליל העבודה כך שפחות מ-1 ס"מ של צינורות יימשכו מהתמיכה המונחת, והדק את הברגים (איור 5).
מדידות
לזרם שמסתובב דרך סליל העבודה יש ערך RMS של כ-100 A.
עם זרם כה גבוה, השדה המגנטי משמעותי, וכל העצמים הסמוכים נחשפים ל…
קישור לכתבת המקור – 2025-07-02 11:56:00
