Nagrzewnica indukcyjna DIY z mikrofalówki – transformator MOT, ZVS, cewka miedziana, bezpieczeństwo

Pytanie

nagrzewnica indukcyjna z mikrofalówki jak zrobić

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Nie „przerabia się” mikrofalówki na nagrzewnicę indukcyjną; z mikrofalówki wykorzystujesz tylko niektóre części (głównie transformator MOT, wentylator, obudowę, przewody). Magnetron i kondensator HV są bezużyteczne do indukcji i stwarzają poważne zagrożenie.
• Najprościej: zasilacz 12–48 V DC o dużym prądzie + gotowy moduł ZVS (Mazzilli) 1–2 kW + cewka robocza + bateria kondensatorów foliowych MKP. Alternatywnie: własny półmostek/mostek MOSFET/IGBT z obwodem rezonansowym LC.
• Krytyczne: chłodzenie (radiatory, przepływ powietrza/wody), prawidłowy dobór C i L (częstotliwość 50–200 kHz), krótkie i szerokie połączenia prądowe, zabezpieczenia (bezpieczniki, NTC/soft‑start, OCP, OTP).

Szczegółowa analiza problemu

• Różnice fizyczne:

  • Mikrofalówka: magnetron 2,45 GHz, grzanie dielektryczne w materiałach z zawartością wody; wymaga ok. 3–4 kV. Magnetronu nie używamy (zawiera tlenek berylu – BeO).
  • Indukcja: 20 kHz–kilkaset kHz, prądy wirowe w metalach przewodzących; potrzebny generator HF dużego prądu + cewka + kondensatory rezonansowe.

• Co realnie odzyskasz z mikrofalówki:

  • MOT (Microwave Oven Transformer) – po modyfikacji (przewinięcie wtórnego) jako niskonapięciowy, wysokoprądowy transformator do zasilacza DC.
  • Wentylator, obudowa z blachy (ekran), okablowanie, filtr EMI (jeśli sprawny).
  • Czego NIE używać: magnetronu, diody HV i kondensatora HV – nie mają zastosowania w nagrzewnicy indukcyjnej.

• Dwie sprawdzone architektury:

  1. Moduł ZVS (Mazzilli) – minimum elementów, samosynchronizacja do rezonansu:
     • Zasilanie: 12–48 V DC, 20–60 A (typowo 24–36 V jest „złotym środkiem”).
     • Dławiki wejściowe: 2× 40–100 µH o małych stratach (proszek żelazny/ferryt dużej szczeliny).
     • Zbiornik rezonansowy: cewka robocza L + bateria kondensatorów foliowych MKP (niski ESR, wysoki dI/dt, łączone równolegle dla prądu).
     • Zalety: prostota, niska bariera wejścia. Wady: ograniczona kontrola, brak precyzyjnych zabezpieczeń.
  2. Półmostek/pełny mostek MOSFET/IGBT z driverem:
     • Sterownik bramek (np. izolowany driver półmostka), dead‑time, soft‑start, OCP (shunt/Hall), OTP (NTC/DS18B20), UVLO.
     • Topologia: rezonans szeregowy (Series‑R) lub LLC; praca blisko f0, czasem z „frequency tracking”.
     • Zalety: większa niezawodność, lepsza regulacja mocy, bezpieczniejsze uruchamianie. Wady: większa złożoność.

• Dobór i obliczenia (startowe, praktyczne):

  • Częstotliwość pracy: 60–150 kHz dla większości zastosowań warsztatowych (hartowanie, odpuszczanie, luzowanie śrub).
  • Indukcyjność cewki L:
    • Cewka powietrzna z rurki Cu Ø6–8 mm, 5–10 zwojów, średnica 30–60 mm; L rzędu 1–5 µH.
    • Przybliżenie (Wheeler dla solenoidu): L[µH] ≈ (d²·n²)/(18d+40l), d i l w cm.
  • Kondensatory rezonansowe C:
    • f0 ≈ 1/(2π√(LC)). Przykład: L=3 µH, C=0,47 µF ⇒ f0≈134 kHz.
    • Stosuj wiele równoległych MKP (np. 10×0,047–0,068 µF/630–1000 V DC), dla dużej obciążalności prądowej i małego ESR.
  • Głębokość naskórkowa (orientacyjnie, 100 kHz):
    • Miedź: δ ≈ 0,2 mm; aluminium ≈ 0,26 mm; stal (μr~100): δ ≈ 0,02 mm.
    • Wniosek: dla stali niższa częstotliwość daje głębsze grzanie, ale rosną prądy cewki – kompromis f i geometrii.
  • Zasilanie:
    • Bezpieczniej: zasilacze serwerowe 12 V/80–120 A lub 24 V/60–80 A (często łączone szeregowo do 24/36 V – upewnij się, że wyjścia są izolowane od PE).
    • Alternatywa: MOT po przeróbce (2–5 zwojów grubego przewodu, 6–10 V/zwój zależnie od rdzenia), mostek prostowniczy 50–100 A, kondensatory DC‑link (kilka–kilkanaście mF/63–100 V). Konieczny soft‑start/NTC i rezystor rozładowujący.
  • Połączenia mocy:
    • Płaskie szyny miedziane (busbary), minimalna indukcyjność rozproszenia, bardzo krótkie przewody do zbiornika LC.
    • Śruby M6/M8, podkładki sprężyste, dokręcanie momentem – przegrzane styki to częsta przyczyna awarii.
  • Chłodzenie:
    • MOSFET/IGBT na dużych radiatorach + wymuszony nawiew.
    • Cewka: rurka Cu z obiegiem wody (mała pompka + chłodnica/zbiornik). Bez chłodzenia woda – krótkie cykle pracy!

• Przykładowa konfiguracja 1–1,5 kW (realne ciągłe, nie „marketingowe 2 kW”):

  • Zasilanie: 36 V DC, 40 A (zapas 60 A).
  • ZVS: 2× MOSFET 200 V o niskim RDS(on) i dużym Id (np. 2× HY4008/IRFP260N klasyczne; lepiej nowoczesne 150–200 V, niskie Qg).
  • Dławiki: 2× ~60 µH, rdzeń proszkowy T130‑26/52 lub ferryt z przerwą.
  • Cewka: Ø50 mm, 6–7 zwojów rurki Cu Ø6 mm.
  • Kondensatory: 0,5–0,8 µF MKP/≥630 V DC łączone równolegle (np. wiele 0,047–0,068 µF).
  • Zabezpieczenia: bezpiecznik DC 50–60 A, termik 80–90°C na radiatorze, czujnik przepływu wody, soft‑start.

Aktualne informacje i trendy

• Popularne gotowe moduły ZVS „2000 W” są szeroko dostępne i tanie, ale ich moc ciągła zwykle nie przekracza 600–1000 W bez modyfikacji chłodzenia i kondensatorów.
• Rosnące wykorzystanie nowoczesnych tranzystorów o małych stratach przełączania:
  • GaN FET (150–200 V) dla 12–48 V – wysoka sprawność i mniejsze Qg, ale wymagają dobrych driverów i layoutu.
  • SiC MOSFET/IGBT dla wyższych napięć – głównie w rozwiązaniach przemysłowych.
• Topologie LLC i półmostki z „frequency tracking” wypierają proste ZVS w aplikacjach półprofesjonalnych (lepsza kontrola mocy i sprawność).
• Dostępne gotowe banki kondensatorów rezonansowych i wodne cewki – skracają czas uruchomienia i zwiększają niezawodność.

Wspierające wyjaśnienia i detale

• Dlaczego magnetron się nie nadaje: generuje fale 2,45 GHz do grzania dielektrycznego; w metalu powstają prądy powierzchniowe i odbicia – to inna fizyka niż prądy wirowe w polu quasi‑magnetycznym 50–200 kHz.
• Straty i Q obwodu: straty w cewce (Rac > Rdc przez efekt naskórkowy), w kondensatorach (ESR), w tranzystorach (przewodzenie + przełączanie). Wysokie Q ułatwia rozruch ZVS, ale zwiększa prądy krążące – ważny kompromis.
• EMC: duże di/dt i pętle prądowe to gwarantowane zakłócenia; niezbędne: filtr EMI, dławik wspólno‑modowy na wejściu, ekranowanie (obudowa mikrofalówki jest dobrym startem), prowadzenie przewodów blisko siebie.

Aspekty etyczne i prawne

• Bezpieczeństwo:
  • Kondensator HV mikrofalówki może trzymać ładunek kilkudziesięciu dżuli – rozładowuj przez rezystor dużej mocy, nie „na krótko”.
  • Magnetron – nie rozbierać (BeO). Oddać do utylizacji jako elektroodpad.
  • Silne pola EM – ryzyko dla osób z wszczepami (rozruszniki, ICD). Zachować dystans i ekranowanie.
  • Gorące elementy i rozżarzone detale – okulary, rękawice, brak biżuterii (pętle prądowe!).
• Zgodność/EMI:
  • Urządzenie DIY nie spełnia automatycznie wymogów EMC (np. FCC/CE). Używać wyłącznie w środowisku warsztatowym, z ekranowaniem i filtracją.

Praktyczne wskazówki

• Zasilanie:
  • Najprościej i najbezpieczniej zacząć od zasilacza serwerowego 12/24 V wysokoprądowego; dla 36–48 V można łączyć w szereg egzemplarze z odizolowanym wyjściem.
  • Jeśli MOT: przewiń wtórne (2–5 zwojów grubym przewodem), mostek 50–100 A, DC‑link kilka–kilkanaście mF, NTC 5–10 Ω/30–50 A lub soft‑start przekaźnikowy.
• Kondensatory:
  • Tylko folie MKP o wysokiej obciążalności prądowej; łącz wiele mniejszych równolegle (lepsze chłodzenie i mniejszy ESR).
• Cewka:
  • Rurka Cu Ø6–8 mm, 5–8 zwojów, rozstaw 1× średnica rurki; końcówki możliwie krótkie do szyn miedzianych.
  • Chłodzenie wodą: mała pompka 12 V + chłodnica/zbiornik; czujnik przepływu jako interlock.
• Uruchamianie:
  • Pierwsze włączenie przez ogranicznik prądu (żarówka dużej mocy przy AC lub rezystor drutowy/NTC przy DC).
  • Krótkie czasy pracy bez chłodzenia wodnego. Monitoruj temperatury radiatorów/cewki.
  • Używaj cęgowego amperomierza DC i pirometru; oscyloskop z sondą prądową to duży plus (obserwacja prądu rezonansowego).
• Layout:
  • Minimalizuj pętle prądowe zbiornika LC; kondensatory montuj tuż przy cewce; masywne, szerokie połączenia; skręcone pary przewodów.
• Zabezpieczenia:
  • OCP (czujnik Halla w szynie DC), OTP (termik na radiatorze i cewce), detekcja przepływu wody, E‑STOP, bezpieczniki DC o odpowiednim I²t.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• „Moduły 2000–3000 W” z rynku hobbystycznego często nie wytrzymują mocy deklarowanej ciągle – realnie 500–1000 W ciągłej bez modyfikacji chłodzenia i kondensatorów.
• MOT bywa głośny i ciężki; praca z siecią 120 V/60 Hz (USA) wymaga szczególnej ostrożności i GFCI. Zasilacz SMPS jest zwykle bardziej przewidywalny.
• Części z niepewnego źródła (fałszywe MOSFET/IGBT, kondensatory) to częsta przyczyna awarii – kupuj od pewnych dostawców.

Sugestie dalszych badań

• Hasła: „Mazzilli ZVS induction heater”, „series resonant induction heating”, „LLC half‑bridge induction heating”.
• Zgłębienie: projekt banków kondensatorów rezonansowych (dobór prądu RMS), dławiki wejściowe do ZVS (materiał rdzenia vs. prąd), techniki EMC (ekranowanie, filtry CM/DM).
• Sterowanie: izolowane drivery półmostka, pomiar prądu (Hall/shunt + filtracja), regulacja mocy przez przesunięcie częstotliwości/zmianę napięcia.

Krótkie podsumowanie

• Nie przerabiasz mikrofalówki w nagrzewnicę – wykorzystujesz z niej MOT, wentylator i obudowę; magnetron/kondensator HV odłóż do utylizacji.
• Najprostszy, działający tor: zasilacz 12–48 V DC o dużym prądzie + moduł ZVS + cewka (rurka Cu) + bateria MKP + porządne chłodzenie i zabezpieczenia.
• Dla wyższej niezawodności i kontroli zbuduj półmostek/mostek z driverem, soft‑startem, OCP/OTP i filtracją EMI.
• Kluczem są: poprawny dobór L i C (80–150 kHz), niskie ESR/ESL, minimalna indukcyjność połączeń i skuteczne chłodzenie. Bezpieczeństwo i EMC traktuj priorytetowo.