Давайте расплавим металлы, используя технологию ZVS (переключение при нулевом напряжении), применительно к RLC резонансному контуру мощностью 1000 Вт. Вы когда-нибудь задумывались, насколько сильными могут быть окружающие нас электромагнитные поля?
Это актуальный вопрос, учитывая, что нас окружают бесчисленные электромагнитные волны, исходящие от кабелей линий электропередачи, радио- и телевизионных передатчиков, сетей мобильной связи и пультов дистанционного управления. Попробуйте положить мобильный телефон рядом с трубкой или динамиком стационарного телефона – и вы услышите потрескивание.
Или пройдите в темноте под высоковольтной линией электропередачи с люминесцентной лампой и заметьте, как она загорается. Эти волны, невидимые человеческому глазу, самым непосредственным образом присутствуют в нашей повседневной жизни.
Впрочем, их воздействие становится существенным лишь в определенных случаях и зависит от мощности излучения и нашей близости к источнику. Но насколько мощным может быть электромагнитное поле? Микроволновая печь в наших кухнях доказывает, что оно способно нагревать пищу и даже вызывать образование электрических дуг между концами алюминиевой фольги или металлических предметов.
Может ли такое поле быть достаточно сильным, чтобы за несколько секунд раскалить металлический проводник? Ответ – да, и сегодняшний проект наглядно демонстрирует это. Это система, работающая на основе трех физических принципов, известных любителям электроники еще со школьных лет: магнитная индукция, вихревые токи и эффект Джоуля.
Наш проект демонстрирует, как нагревать и даже плавить электропроводящие и, в особенности, ферромагнитные материалы с помощью схемы с технологией ZVS номинальной мощностью 1000 Вт, которая при определенных условиях может достигать 1500 Вт. ZVS расшифровывается как (Zero Voltage Switching, переключение при нулевом напряжении) – метод используемый в силовой электронике преобразователей.
Это позволяет полупроводниковым переключателям менять свое состояние при практически нулевом напряжении на их выводах, сводя к минимуму потери мощности (V×I), как мы объясним в разделе, описывающем принципы работы. Концепция ZVS лежит в основе индукционных варочных панелей, широко используемых за рубежом в странах с низкой стоимостью электроэнергии.
Индукционная варочная панель состоит из катушки, по которой протекает сильный переменный ток, создающий магнитное поле, пропорциональное силе тока.
Согласно закону Фарадея, изменяющийся во времени магнитный поток индуцирует электродвижущую силу (ЭДС) в любом электропроводящем теле, пересекаемом линиями результирующего поля.
Эта ЭДС генерирует вихревые токи внутри материала кастрюль или емкостей, поставленных на плиту. Эти токи также называются «вихревыми токами» из-за вихревого характера их движения внутри проводника.
Эти паразитные токи вызывают эффект Джоуля – выделение тепла из-за потери энергии. В индукционных варочных панелях тепло нагревает кастрюлю, подобно тому, как трение рассеивает кинетическую энергию в виде тепла в механических системах. Индукционное приготовление пищи – частный случай: эффект электромагнитных полей различается в зависимости от магнитной проницаемости, магнитного сопротивления и электропроводности используемых материалов.
Это объясняет, почему металлическую кастрюлю (особенно стальную) нельзя использовать в микроволновой печи, но мясо в ней можно готовить. И наоборот, на индукционной варочной панели мясо не нагреется, если оно не находится в стальной посуде. В микроволновой печи тепло генерируется внутри продукта, тогда как в индукционных варочных панелях оно образуется в дне кастрюли. Некоторые материалы эффективно нагреваются на низких частотах; для других требуются частоты диапазона СВЧ.
Обычно вихревые токи нежелательны (например, потери в сердечнике трансформатора), но в нашем случае мы усиливаем их, чтобы генерировать тепло в материале, находящемся под воздействием магнитного поля. В частности, ферромагнитные материалы значительно нагреваются даже на рабочей частоте схемы.
Помимо нагрева и плавления металлов, схема имеет и другие интересные применения, такие как беспроводная передача энергии с использованием связанных катушек, настроенных на резонансную частоту, и схемы зажигания на основе катушек Тесла.