|
Met dit spotgoedkope printje kunt u spelen met de grote kracht van inductieve verwarming. In minder dan tien seconden verwarmt u een stevige M8 bout tot 100 °C. U kunt er bovendien mee experimenteren met draadloze vermogen overdracht (WPT).
|
Kennismaking met de LDTR-WG0222
Wat is inductieve verwarming?
Alvorens kennis te maken met dit apparaatje is het misschien wel nuttig even in te gaan op het verschijnsel 'inductieve verwarming'. Inductieve verwarming is een methode om een elektrisch geleidend voorwerp, dus in ieder geval een metaal, te verhitten door middel van een in het voorwerp geïnduceerde elektrische stroom. Deze techniek is een snelle, contactloze en vlamloze manier van verwarmen. De verhitting van het metaal ontstaat doordat een wisselend magnetisch veld wervelstromen in het voorwerp doet ontstaan. Deze wervelstromen worden ook 'eddy-stromen' of 'foucault-stromen' genoemd.
Het vloeien van deze stroom is een gevolg van de 'elektromagnetische inductie', een verschijnsel dat door Michael Faraday in 1831 werd ontdekt. Het belangrijkste feit van de ontdekking van Faraday is dat een veranderend magnetisch veld een veranderende spanning in een geleider kan induceren. Deze spanning heeft uiteraard een stroom tot gevolg als de elektrische kring is gesloten. Dit is de wervelstroom. Hierdoor ontstaat zeer plaatselijk gegenereerde warmte. Hoe diep de warmte het voorwerp binnendringt hangt af van de frequentie van het magnetisch veld en van het metaal. Lage frequenties (5 kHz tot 30 kHz) dringen diep in het metaal binnen. Hoge frequenties zorgen voor minder diepe penetratie, maar voor sterkere verhitting.
Zoals in de onderstaande figuur is geschetst ontstaat het sterk magnetisch veld door een spoel te maken van dik koperdraad die slechts uit een paar windingen bestaat. Deze spoel heeft geen kern, zodat de spoel hol is.
 |
| Het principe van het genereren van een eddy-stroom. (© 2020 Jos Verstraten) |
De spoel wordt gevoed door een vermogensoscillator die een hoogfrequente sinusvormige spanning genereert. Het gevolg is dat er een flinke HF-stroom door de spoel vloeit en er in en rond de spoel een wisselend en krachtig magnetisch veld ontstaat. Als u de spoel leeg laat gebeurt er weinig. Het enige is dat de spoel opwarmt vanwege de HF-stroom die er doorheen vloeit. Als u echter een metaal, bijvoorbeeld een spijker, in het midden van de spoel aanbrengt zal het HF magnetisch veld in deze spijker een HF inductiespanning genereren. Omdat de spijker een gesloten stroomkring vormt zal er een grote eddy-stroom in de spijker gaan vloeien. Deze stroom vloeit heen en weer in de spijker als gevolg van het wisselend magnetisch veld. Met als resultaat dat er flink wat thermisch vermogen in het metaal van de spijker wordt gegenereerd. Al na een seconden is de spijker roodgloeiend.
Gelooft u niet dat dit zo snel gaat? Koop dan dit spotgoedkope printje en ontdek het zelf!
De LDTR-WG0222 inductie verwarmer
Zoals vaak bij dergelijke goedkope Chinese printjes is het onduidelijk door wie het apparaatje is ontwikkeld. U treft deze schakeling aan onder de naam 'LDTR-WG0222', maar ook onder de naam 'Geekreit 12V ZVS induction heater'. Het is een populair product dat door tientallen webshops wordt aangeboden voor nogal uiteenlopende prijzen. Als u lang genoeg zoekt treft u op AliExpress aanbieders aan die er minder dan vijf euro voor vragen.
In ieder geval ziet het product er bij alle aanbieders volledig identiek uit. De inductie verwarmer bestaat uit een klein printje van 55 mm bij 37 mm en een losse spoel met een diameter van 20 mm en een lengte van 28 mm. Deze spoel bestaat uit tien windingen stevig koperdraad. Links op het printje zit een kroonsteentje voor het aansluiten van de voedingsspanning, rechts een kroonsteentje voor het aansluiten van de spoel. Omdat de spoel met geen mogelijkheid in dat kroonsteentje past kunt u de twee aansluitingen van de spoel ook rechtstreeks op de grote vertinde vlakken, naast het kroonsteentje, op het printje solderen.
 |
| Het printje en de inductie spoel. (© eBay) |
De technische gegevens van de LDTR-WG0222
Alle leveranciers zijn het, in grote lijnen, eens met de onderstaande minimale technische gegevens:
- Voedingsspanning: 5 Vdc ~ 12 Vdc
- Vermogen: 120 W max.
- Werkfrequentie: 200 kHz
Het printje van de LDTR-WG0222
De bovenzijde van het printje wordt vrijwel volledig in beslag genomen door twee spoeltjes. Als u deze spoelen uit het printje soldeert blijkt dat de schakeling verrassend weinig componenten bevat. Twee MOSFET transistoren, vijf weerstandjes, vier dioden en een LED'je.
 |
| De bovenzijde van de print met en zonder de spoelen. (© 2020 Jos Verstraten) |
De onderzijde van de print wordt volledig in beslag genomen door twee vreemde onderdelen die bij nader onderzoek flinke condensatoren van 330 nF en 630 V blijken te zijn. Na verwijderen van deze onderdelen blijkt er niets anders aanwezig te zijn op deze zijde van de print.
 |
| De twee 330 nF / 630 V condensatoren. (© 2020 Jos Verstraten) |
Het schema van de LDTR-WG0222
Na het op deze manier gedeeltelijk slopen van de print is het niet moeilijk om het schema van dit apparaatje te reconstrueren. In de onderstaande figuur hebben wij het volledig schema getekend. De spoelen L1 en L2 zijn de twee spoelen die op het printje zitten. Gegevens ontbreken! De spoel L3 is de losse spoel die verantwoordelijk is voor de inductieve warmte. De twee MOSFET's zijn van het merk ON Semiconductor, maar het typenummer is onleesbaar.
 |
| Het schema van de LDTR-WG0222. (© 2020 Jos Verstraten) |
De werking van de schakeling
Wij hebben de letters 'ZVS' al eerder in dit artikel gebruikt. Dat is het letterwoord van 'Zero Voltage Switching' en dat is exact wat in deze schakeling gebeurt bij het in geleiding sturen van de MOSFET's. Deze schakeling staat bekend als 'Royer Oscillator' of 'Mazzilli driver' en garandeert minimaal vermogensverlies in de schakeling zélf en maximaal vermogen naar de externe spoel.
De schakeling is in feite een oscillator die gaat oscilleren op een frequentie die bepaald wordt door de tussen de beide drains aangesloten belasting. In dit geval bestaat deze belasting uit de condensatoren C1 en C2 en de spoel L3. Dat noemt men een tank-kring. Een parallel geschakelde LC-kring heeft een resonantie frequentie. Het zal u niet verbazen dat de schakeling op die frequentie gaat oscilleren.
Als u de voedingsspanning opeens aan de schakeling aanlegt zullen de zelfinducties L1 en L2 er voor zorgen dat deze spanning iets vertraagd op de drains van de MOSFET's terecht komen. Een spoel verzet zich immers tegen het vloeien van stroom.
Op hetzelfde moment zullen de MOSFET's onvertraagd naar geleiding willen schakelen omdat er via de weerstanden R1 en R2 positieve spanningen op de gates worden aangeboden. Echter, er bestaan geen twee MOSFET's met identieke eigenschappen. Een van beide zal dus iets eerder in geleiding komen dan de andere.
Stel dat T1 iets eerder in geleiding komt. De spanning op de drain valt terug naar 0 V en de schottky diode D3 zorgt ervoor dat de spanning op de gate van T2 weg valt. Deze transistor blijft dus in sper.
Het lijkt alsof de schakeling in deze situatie volhardt en dat zou als gevolg hebben dat de MOSFET T1 de geest geeft. Nu komt echter de parallel geschakelde L3-C1-C2 kring in actie. Bij het in geleiding sturen van T1 gaat door deze halfgeleider opeens een heel grote stroom vloeien. Dit verschijnsel veroorzaakt veel hogere harmonischen in de schakeling. De LC-kring haalt uit deze veelheid aan frequenties het signaal met de eigen resonantie frequentie en gaat dit versterken. Over de kring ontstaat een vrij hoge wisselspanning. De negatieve periode van deze spanning komt via de diode D4 op de gate van T1 terecht en stuurt deze halfgeleider in sper. De spanning op de drain stijgt, met als gevolg dat de diode D3 gaat sperren en de gate-spanning van T2 weer kan stijgen.
De rollen draaien nu dus om, T2 gaat geleiden en T1 gaat sperren. Ook nu zorgt het in resonantie komen van de LC-kring ervoor dan na een halve periode de rollen weer gaan omdraaien. T1 gaat geleiden, T2 gaat sperren.
Uit deze verklaring van de werking kunt u afleiden dat de MOSFET's al in geleiding komen op het moment dat er een minimale spanning op de drains staat. Vandaar de benaming 'Zero Voltage Switching'.
Een reactie van Karl Baum op 15 oktober 2020
Bij elke schakeling moet de 'juiste' ontwikkelaar worden genoemd! En dat zijn niet de personen die in uw blog worden genoemd! Dit circuit is in 1985 door mij gepatenteerd. Dit werd mij toegewezen in november 1989. Sinds 2009 is dit circuit vrij te gebruiken. Met dit principe zijn vele tienduizenden apparaten (Fa. Hüttinger Elektronik) geproduceerd met vermogens van 40 W tot 50 kW voor medische toepassingen tot aan toepassingen in de automobiel industrie.
Een grote sinusvormige spanning als resultaat
Dank zij de frequentie-selectieve werking van de parallel geschakelde onderdelen C1-C2-L3 genereert deze schakeling een sinusvormige spanning over deze onderdelen. De frequentie van dit signaal is gelijk aan de resonantie frequentie van de LC-kring. Door de energie-opslag en signaal-opslingering die in LC-kringen ontstaan is dit sinussignaal zelfs vele malen groter dan de voedingsspanning van de schakeling.
Het testen van de LDTR-WG0222
Belangrijke opmerkingen
Het is absoluut verboden de schakeling te voeden uit een langzaam opkomende voedingsspanning. De schakeling gaat dan niet oscilleren en beide MOSFET's gaan dan onmiddellijk stuk. Zorg ervoor dat de voedingsspanning stabiel is en sluit eerst dan het printje via een AAN/UIT-schakelaar aan op de voeding. Hou er bovendien rekening mee dat de schakeling tot wel 7,5 A stroom uit een 12 V voeding kan trekken en dat uw voeding in staat moet zijn dergelijke stromen te leveren zonder af te slaan of de uitgangsspanning te reduceren. Dat laatste kan tot afslaan van de oscillator leiden en tot destructie van de MOSFET's.
Het opeens verschijnen van de volledige voedingsspanning zorgt voor het ontstaan van de noodzakelijke oscillaties in de schakeling.
De schakeling in rust
Wij hebben ons testexemplaar gevoed uit een 12 V voeding die 30 A kan leveren, lees Hobby-lab: bouw een 12 V - 30 A voeding. Bij het verbinden van de print met deze voeding wordt een voedingsstroom gemeten van 1,35 A bij een voedingsspanning van 11,55 V. De schakeling verbruikt dus in rust een vermogen van 15,6 W.
Vervolgens bekeken wij de spanning over L3 op de oscilloscoop. Over dit onderdeel staat inderdaad een mooie sinus met een frequentie van 188,62 kHz, zie onderstaand oscillogram. De effectieve waarde van deze spanning bedraagt 26,158 V.
 |
| De spanning over de spoel L3. (© 2020 Jos Verstraten) |
De temperatuur van de spoel L3
In rust wordt er een flink vermogen in de schakeling verbruikt. De onderdelen op het printje blijven op een aangename temperatuur. De spoel L3 wordt echter snel zo warm dat u er zich aan verbrandt. Wij waren benieuwd hoe warm deze spoel wordt en hoe snel de opwarming gaat. Wij hebben dit gemeten door tussen twee windingen van de spoel een thermokoppel, voorzien van warmtegeleidende pasta, te klemmen en de temperatuur via onze multimeter te loggen. De resultaten ziet u in de onderstaande grafiek. De eindtemperatuur wordt na ongeveer tien minuten bereikt en bedraagt bij ons testexemplaar 182 °C. Inderdaad een temperatuur waar u zich flink aan kunt verbranden!
 |
| De temperatuur van de spoel L3. (© 2020 Jos Verstraten) |
Experimenteren met opwarming
Het valt op dat koperen en aluminium voorwerpen niet zo goed bruikbaar zijn om te experimenteren met verhitting. Dit is uiteraard een gevolg van de lage soortelijke weerstand van deze metalen. Bij koper en aluminium wordt de warmte immers uitsluitend opgewekt via het Joule-effect P = I2 ● R. U kunt beter ijzeren voorwerpen zoals spijkers en bouten gebruiken om met de schakeling te stoeien. In ferromagnetische materialen zoals ijzer wordt veel extra warmte gegenereerd door magnetische hysteresis verliezen.
Om de onvoorstelbare grote kracht van inductieve verhitting te demonstreren hebben wij een flinke M8 bout met een lengte van 80 mm in het centrum voorzien van een klein gaatje waarin ons thermokoppel past.
 |
| Verhitten van een M8 bout, links het thermokoppel in een in de bout geboord gaatje. (© 2020 Jos Verstraten) |
Deze bout hebben wij in het midden van de spoel geplaatst en het temperatuurverloop gelogd met een interval van één seconde. Zoals uit de onderstaande grafiek blijkt was de temperatuur in het centrum van de bout na 80 seconden reeds gestegen tot 600 °C. De stroom die uit onze voeding wordt opgenomen bedraagt dan 7,3 A, wat bij een voedingsspanning van 11,60 V overeen komt met een opgenomen vermogen van 84,68 W.
Bij 600 °C hebben wij ons experiment moeten afbreken omdat de warmtegeleidende pasta blijkbaar niet tegen dergelijke temperaturen bestand is en een heleboel niet erg gezonde rook gaat produceren.
In ieder geval is met dit experiment wel bewezen hoe snel ijzeren voorwerpen opwarmen met deze techniek.
 |
| Temperatuurverloop in het midden van de M8 bout. (© 2020 Jos Verstraten) |
Experimenteren met 'Wireless Power Transfer'
'WPT' ofwel 'Wireless Power Transfer' is een actueel onderwerp. Het idee is natuurlijk oeroud, want zelfs Nikola Tesla hield er zich al in 1896 mee bezig. Alle elektrische tandenborstels laden zich op via deze techniek en ook smartphones maken steeds vaker gebruik van draadloze oplading.
De LDTR-WG0222 is een ideaal printje om met deze techniek te experimenteren. Het magnetisch veld zit natuurlijk niet uitsluitend in de kern van de spoel, maar ook rond de spoel. U kunt dit veld oppikken door een spoeltje dat u maakt van dikke wikkeldraad in de buurt van L3 te houden. U merkt dat er een spanning van meerdere volts over dit spoeltje ontstaat, uiteraard afhankelijk van het aantal windingen en van de afstand tussen de spoelen. Ook de onderlinge positie van de beide spoelen speelt een belangrijke rol. Deze spanning kunt u gelijkrichten en levert voldoende vermogen om bijvoorbeeld een LED te laten branden.
Geekreit 12V ZVS induction heater
