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Como projetar um circuito de aquecedor de indução

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O artigo explica um tutorial passo a passo sobre como projetar seu próprio circuito de aquecedor de indução básico caseiro, que também pode ser usado como um fogão de indução.

Conceito básico de aquecedor por indução

Você pode ter encontrado muitos circuitos de aquecedor por indução DIY on-line, mas ninguém parece ter abordado o segredo crucial por trás da implementação de um projeto de aquecedor de indução perfeito e bem-sucedido. Antes de conhecer este segredo, seria importante conhecer o conceito básico de funcionamento de um aquecedor por indução.

Um aquecedor de indução é na verdade uma forma extremamente “ineficiente” de transformador elétrico, e essa ineficiência se torna sua principal característica vantajosa.

Sabemos que em um transformador elétrico o núcleo precisa ser compatível com a frequência induzida, e quando há uma incompatibilidade entre a frequência e o material do núcleo em um transformador, resulta na geração de calor.

Fundamentalmente, um transformador com núcleo de ferro exigirá uma faixa de frequência mais baixa em torno de 50 a 100Hz e, à medida que essa frequência aumenta, o núcleo pode apresentar uma tendência de ficar mais quente proporcionalmente. Isso implica que, se a frequência for aumentada para um nível muito mais alto, pode ser superior a 100 kHz, resultaria na geração de calor extremo dentro do núcleo.

Sim, é exatamente isso que acontece com um sistema de aquecimento por indução, onde o cooktop funciona como o núcleo e, portanto, é feito de material de ferro. E a bobina de indução é submetida a uma alta frequência, juntos isso resulta na geração de uma quantidade proporcionalmente intensa de calor no vaso. Uma vez que a frequência é otimizada em um nível significativamente alto, garante um calor máximo possível no metal.

Agora vamos prosseguir e aprender os aspectos importantes que podem ser necessários para projetar um circuito de aquecedor por indução bem-sucedido e tecnicamente correto. Os detalhes a seguir explicarão isso:

O que você vai precisar

As duas coisas básicas necessárias para construir qualquer panela de indução são:

1) Uma bobina bifilar.

2) Um circuito gerador de frequência ajustável

Eu já discuti alguns circuitos de aquecedores de indução neste site, você pode lê-los abaixo:

Circuito de Aquecedor Solar por Indução

Circuito de aquecedor de indução usando IGBT

Circuito de Aquecedor de Indução Simples – Circuito de Fogão de Placa Quente

Circuito de Aquecedor por Indução Pequeno para Projeto Escolar

Todos os links acima têm as duas coisas acima em comum, ou seja, eles têm uma bobina de trabalho e um estágio de oscilador de driver.

Projetando a bobina de trabalho

Para projetar uma panela de indução, a bobina de trabalho deve ser de natureza plana, portanto, deve ser do tipo bifilar com sua configuração, conforme mostrado abaixo:

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COMO PROJETAR UM CIRCUITO DE AQUECEDOR DE INDUÇÃO 9

O design do tipo de bobina bifilar mostrado acima pode ser efetivamente implementado para fazer suas panelas de indução caseiras.

Para uma resposta ideal e baixa geração de calor dentro da bobina, certifique-se de que o fio da bobina bifilar seja feito usando muitos fios finos de cobre em vez de um único fio sólido.

Assim, esta se torna a bobina de trabalho da panela, agora as extremidades desta bobina simplesmente precisam ser integradas com um capacitor correspondente e uma rede de driver de frequência compatível, conforme mostrado na figura a seguir:

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Projetando o circuito de driver ressonante da série H-Bridge

Até agora, as informações devem tê-lo esclarecido sobre como configurar uma panela de indução simples ou um design de fogão de indução, no entanto, a parte mais crítica do design é como ressoar a rede de capacitores da bobina (o circuito do tanque) na faixa mais ideal para que o circuito funciona no nível mais eficiente.

Habilitar o circuito do tanque bobina/capacitor (circuito LC) para operar em seu nível de ressonância requer que a indutância da bobina e a capacitância do capacitor sejam combinadas perfeitamente.

Isso só pode acontecer quando a reatância de ambas as contrapartes são idênticas, ou seja, a reatância da bobina (indutor) e do capacitor são aproximadamente as mesmas.

Uma vez que isso seja corrigido, você pode esperar que o circuito do tanque opere em sua frequência natural e a rede LC atinja o ponto de ressonância. Isso é chamado de circuito LC perfeitamente sintonizado.

Isso conclui os procedimentos básicos de projeto do circuito do aquecedor por indução

Você pode estar se perguntando sobre o que é ressonância de um circuito LC. E como isso pode ser calculado rapidamente para concluir um projeto específico de aquecedor por indução? Discutiremos isso de forma abrangente nas seções a seguir.

Os parágrafos acima explicaram os segredos fundamentais por trás do desenvolvimento de um fogão de indução de baixo custo e eficaz em casa, nas descrições a seguir veremos como isso pode ser implementado calculando especificamente seus parâmetros cruciais, como a ressonância de seu circuito LC sintonizado e a dimensão correta de o fio da bobina para garantir uma capacidade de manuseio de corrente ideal.

O que é ressonância no circuito LC do aquecedor de indução

Quando o capacitor dentro de um circuito LC sintonizado é momentaneamente carregado, o capacitor tenta descarregar e despejar a carga acumulada sobre a bobina, a bobina aceita a carga e armazena a carga na forma de campo magnético. Mas assim que o capacitor descarrega no processo, a bobina desenvolve uma quantidade quase equivalente de carga na forma de campo magnético e agora tenta forçar isso de volta para dentro do capacitor, embora com uma polaridade oposta.

Cortesia da imagem:

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COMO PROJETAR UM CIRCUITO DE AQUECEDOR DE INDUÇÃO 10

Wikipédia

O capacitor é novamente forçado a carregar, mas desta vez na direção oposta, e assim que está totalmente carregado, ele novamente tenta se esvaziar pela bobina, e isso resulta em um compartilhamento de carga para frente e para trás na forma de um corrente oscilante através da rede LC.

A frequência desta corrente oscilante torna-se a frequência de ressonância do circuito LC sintonizado.

No entanto, devido a perdas inerentes, as oscilações acima eventualmente desaparecem com o passar do tempo, e a frequência, a carga, todas terminam depois de algum tempo.

Mas se a frequência for mantida através de uma entrada de frequência externa, sintonizada no mesmo nível de ressonância, isso pode garantir um efeito de ressonância permanente sendo induzido no circuito LC.

Na frequência de ressonância, podemos esperar que a amplitude da tensão oscilando no circuito LC esteja no nível máximo, resultando na indução mais eficiente.

Portanto, podemos sugerir que, para implementar uma ressonância perfeita dentro de uma rede LC para um projeto de aquecedor por indução, precisamos garantir os seguintes parâmetros cruciais:

1) Um circuito LC sintonizado

2) E uma frequência correspondente para sustentar a ressonância do circuito LC.

Isso pode ser calculado usando a seguinte fórmula simples:

F = 1÷ x √LC

onde L está em Henry e C está em Farad

Se você não quiser passar pelo aborrecimento de calcular a ressonância do tanque LC da bobina através da fórmula, uma opção muito mais simples pode ser usar o seguinte software:

Calculadora de Frequência Ressonante LC

Ou você também pode construir este medidor de mergulho de grade para identificar e definir a frequência de ressonância.

Uma vez que a frequência de ressonância é identificada, é hora de definir o IC de ponte completa com essa frequência de ressonância selecionando adequadamente os componentes de tempo Rt e Ct. Isso pode ser feito por tentativa e erro através de medições práticas, ou através da seguinte fórmula:

A seguinte fórmula pode ser usada para calcular os valores de Rt/Ct:

f = 1/1.453 x Rt x Ct onde Rt está em Ohms e Ct em Farads.

Usando Ressonância em Série

O conceito de aquecedor por indução discutido neste post usa um circuito ressonante em série.

Quando um circuito LC ressonante em série é empregado, temos um indutor (L) e um capacitor (C) conectados em série, conforme mostrado no diagrama a seguir.

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COMO PROJETAR UM CIRCUITO DE AQUECEDOR DE INDUÇÃO 11

A tensão total V aplicada na série LC será a soma da tensão no indutor L e a tensão no capacitor C. A corrente que flui pelo sistema será igual à corrente que flui pelos componentes L e C.

V = VL + VC

I = IL = IC

A frequência da tensão aplicada afeta as reatâncias do indutor e do capacitor. À medida que a frequência é aumentada de um valor mínimo para um valor mais alto, a reatância indutiva XL do indutor aumentará proporcionalmente, mas XC, que é a reatância capacitiva, diminuirá.

No entanto, enquanto a frequência está sendo aumentada, haverá uma instância ou limite específico em que as magnitudes da reatância indutiva e da reatância capacitiva serão exatamente iguais. Esta instância será o ponto ressonante da série LC, e a frequência pode ser definida como a frequência ressonante.

Portanto, em um circuito ressonante em série, a ressonância ocorrerá quando

XL = XC

ou, ωL = 1 / ωC

onde ω = frequência angular.

Avaliando o valor de ω nos dá:

ω = ωo = 1 / √ LC, que é definida como a frequência angular de ressonância.

Substituindo isso na equação anterior e também convertendo a frequência angular (em radianos por segundo) em frequência (Hz), temos finalmente:

fo = ωo / 2π = 1 / 2π√ LC

fo = 1 / 2π√ LC

Calculando o tamanho do fio para a bobina de trabalho do aquecedor de indução

Depois de calcular os valores otimizados de L e C para o circuito do tanque do aquecedor de indução e avaliar a frequência compatível exata para o circuito de acionamento, é hora de calcular e corrigir a capacidade de manuseio de corrente da bobina de trabalho e do capacitor.

Como a corrente envolvida em um projeto de aquecedor de indução pode ser substancialmente grande, esse parâmetro não pode ser ignorado e deve ser atribuído corretamente ao circuito LC.

Usar fórmulas para calcular os tamanhos dos fios para um tamanho de fio de indução pode ser um pouco difícil, especialmente para os recém-chegados, e é exatamente por isso que um software especial para o mesmo foi habilitado neste site, que qualquer hobista interessado pode usar para dimensionar o fio do tamanho certo para o seu circuito de placa de indução.

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FONTE


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