2018-10-11
Научно-исследовательский сайт Вячеслава Горчилина
Все заметки
Реальная конструкция нагревателя с экономией до 30%
Неклассическое распределение магнитного поля (МП) в катушке с медленными магнитными волнами вызывает такое же неравномерное распределение тока по её длине. А это означает, что если катушка имеет активное сопротивление, то нагрев по её длине также неравномерен. Это ведёт за собой избыточное выделение тепла за счёт перераспределения энергии. Этот факт подтверждён исследованиями. Но экономия электрической энергии при этом составляет всего порядка 20%, что не является достаточно эффективным.
Усилить этот эффект позволяет описываемая ниже конструкция, в которой в качестве нагревательного элемента применяется алюминиевый радиатор, а намотка катушки ведётся медным проводом. Такой сэндвич порождает ещё один эффект — магнитрострикционный, когда алюминий вибрирует с частотой катушки. Это позволяет использовать параметрические свойства электических цепей, которые в данном случае усиливают первоначальный эффект и позволяют выйти уже на 30% экономии электроэнергии. Кроме положительного воздействия магнитострикция, к сожалению, является и недостатком данного устройства — радиатор пищит на звуковой частоте. Впрочем, его можно компенсировать путём помещения радиатора в короб с маленькими по диаметру отверстиями. Во всём остальном схема показала себя с хорошей стороны: простая и не требует дорогих деталей, работает устойчиво и надёжно, а её настройка несложная.
Схема устройства представлена на следующем рисунке. Генератор DA1 вырабатывает прямоугольные импульсы, которые подаются на вход драйвера DA2. Последний приводит их в соответствие с уровнем сигнала, необходимым для правильной работы ключа на mosfet-транзисторе VT1. Цепочка VD1, R4, ZD1 защищает драйвер от возможных перегрузок, а — R5, R6, ZD2 служит для питания микросхем DA1 и DA2 и ограничивает общее напряжение схемы до уровня 12В. Ключ VT1, совместно с резонансным конденсатором C6, формирует необходимые мощные импульсы на катушке L1. C7 нивелирует возможное паразитное возбуждение схемы.
Принципиальная схема нагревателя с экономией до 30%
Детали
Два наиболее затратных элемента в этой конструкции — это медный провод для намотки катушки L1 и алюминиевый радиатор. Провод нужно взять диаметром 0.63мм в лаковой изоляции, а радиатор выбирать такой, чтобы у него были две плоскости для намотки с одной и другой стороны. Эти плоскости должны располагаться напротив друг друга так, чтобы на них можно было намотать провод, а вся намотка должна занимать 60 или более процентов общей длины радиатора (см. фото).
Алюминиевый радиатор с намотанным медным проводом (1). Нагреватель с 30% экономией Алюминиевый радиатор с намотанным медным проводом (2). Нагреватель с 30% экономией Алюминиевый радиатор с намотанным медным проводом (3). Нагреватель с 30% экономией Алюминиевый радиатор с намотанным медным проводом (4). Нагреватель с 30% экономией
Витки наматываются максимально заполняя возможное пространство. Общая индуктивность L1 должна получится порядка 2-2.5мГн, а активное сопротивление — 5-6 Ом. Между проводом и радиатором лучше проложить тонкий слой строительной бумаги.
Все конденсаторы в схеме — не электролитические; это важно, т.к. они не должны высыхать со временем от нагрева. Стоит обратить внимание на C3 — этот конденсатор должен иметь малый температурный коэффициент, т.к. задаёт частоту работы схемы. C6 и C7 — должны быть рассчитаны на напряжение не ниже 1000В, а также иметь хорошие частотные характеристики. Хорошо себя зарекомендовали конденсаторы серии MKP10 или подобные — от индукционных плит.
Резисторы R5 и R6 — двухваттные, все остальные — могут быть любые по мощности. Отклонение всех резисторов от номинала не должно превышать 15%.
Питание схемы может осуществляться, как от блоков питания собственной разработки, так и стандартных. Так, например, для питания нескольких радиаторов можно применить S-350-70, а для большего их числа — ещё более мощный S-720-72.
Другие элементы схемы такие:
  • DA1 — таймер NE555
  • DA2 — драйвер TC4420 или TC4452
  • VT1 — mosfet-транзистор 47N60
  • VD1 — диод UF4007
  • ZD1, ZD2 — супрессор 1.5KE12A.
Особенности монтажа
Согласно спецификации для драйвера ключа DA2, к его выводам 1-4 и 8-5 небходимо подключить два конденсатора (C4 и C5 по схеме соответственно) в непосредственной близости от корпуса микросхемы. Это необходимо учесть при разработке печатной платы. Всю схему и блок питания целесообразно расположить в нижней части конструкции, там, где будет наименьшая температура. Хотя транзистор VT1 почти не греется, его всё равно нужно установить на небольшой радиатор.
Настройка
Регулируя подстроечное сопротивление R1 и подбирая конденсатор C6, на стоке VT1, осциллографом, нужно получить чёткие импульсы одного полупериода синусоиды амплитудой порядка 550В. На фото они изображены жёлтым цветом. Если при этом видны дополнительные полосы с резким фронтом, значит схема возбуждается и нужно увеличить значение ёмкости C7; обычно она составляет 330-1200пФ и, по возможности, должна быть минимальной. Зеленым графиком на этом рисунке изображено электрическое поле вокруг нижней (по схеме) части катушки, которое можно фиксировать расположив рядом щуп осциллографа. Это может быть ещё одним признаком правильной работы устройства. Общий ток, потребляемый схемой, должен находится в пределах 1.4-1.6 ампера.
Нужно сказать, что возможности этой схемы реализованы пока не на все 100%. Путём увеличения питающего напряжения и подбора частоты, скважности и резонансной ёмкости C6, можно добиться лучших показателей. Для этого также придётся подобрать и более высоковольтный ключ VT1.

© Горчилин Вячеслав, 2018 г.
* Перепечатка статьи возможна с условием установки ссылки на этот сайт и соблюдением авторских прав

2009-2018 © Vyacheslav Gorchilin