Проект 11 класс Альтернативный способ плавки металлов

Федосеев Никита Андреевич

Альтернативный способ плавки металлов

Каверин С. В, учитель физики в МБОУ лицее №4

Россия, Данков, МБОУ лицей №4, 11 «а»

?Секция работы?

Оглавление

Аннотация……………………………………………………………………………………………………………………….1

Введение…………………………………………………………………………………………………………………………3

Принцип работы……………………………………………………………………………………………………………..3

Блок питания…………………………………………………………………………………………………………………..4

Модуль управления……………………………………………………………………………………………………....4

Силовой модуль…………………………………………………………………………………………………………..…5

Индукционный нагрев…………………………………………………………………………………………………..5

Библиография………………………………………………………………………………………………………………..6

Цель - создать модель действующего устройства ,с помощью которого можно демонстрировать плавку металлов.

В своем проекте я использовал следующие практические методы:

1)программу Sprint Layout

2)создание плат методом ЛУТа (Лазерно-Утюжной Технологией)

3)Монтаж и сборка радиодеталей на печатной плате

4) Проверка силовых узлов с помощью осциллографа и вольтметра

Выводы и данные: собрали лабораторный вариант устройства демонстрирующего плавку металлов

Данное устройство может найти применение в качестве действующей модели современных индукционных печей в технических учебных заведениях и на уроках физики при изучении тем «Электромагнитная индукция» и «Вихревое электрическое поле».

Проблема: существует ли альтернативный метод плавки металлов.

Гипотеза: с помощью прибора собранного мной можно осуществить плавку металлов

Подробное описание методов:

1. Программа Sprint layout была использована мной для проектировки и разводки печатной платы. Для этого располагаем элементы в программе и рисуем между ними проводники соответственно схеме.(рис 1)

2. Д

   1ля создания печатных плат я использовал технологию «ЛУТ» (Лазерно-Утюжная Технология). Сначала создаем макет печатной платы в программе Sprint Layout, затем печатаем картинку платы использую лазерный принтер (рис 2). Бумага для печати должна быть обязательно глянцевая (подойдет любая страница из глянцевого журнала). Печатать нужно на максимальном разрешении и предварительно отключив все тонеро-сберегающие функции, т.е. печатать как можно жирнее. Далее нужно перенести рисунок на обмедненный текстолит. Для переноса можно использовать утюг или ламинатор. Я пользовался старым советским утюгом. Оптимальная температура утюга примерно 140-155 градусов. Важно отметить, что бумажку с тонером нужно прикладывать к уже нагретому утюгом текстолиту (рис 3,4). Это связано с расширением металлов при нагреве. После переноса следует убрать оставшуюся бумагу. Мы видим, что тонер прилип к текстолиту, т.е рисунок перенесся на текстолит (рис 5). Далее следует протравить плату, т.е растворить незащищенные области меди (именно тонер защищает медь от растворения). Травлю я при помощи хлорного железа (рис 6). Раствор получается темно-коричневого цвета. Перед травлением я нагреваю раствор примерно до 50 градусов Цельсия. Эта температура делает раствор максимально активным. После травления остатки тонера можно смыть ватным тампоном, смоченным ацетоном.

3. После травления следует подготовить пату к пайке, для этого сверлим отверстия, зачищаем и лудим медные дорожки. Для зачистки дорожек я использовал мелкозернистую наждачную бумагу. После всего этого можно приступать к пайке. После пайки обязательно нужно отмыть флюс или канифоль спиртом. Плата готова. (рис 7)

4. Для проверки работоспособности нужно убедиться в том что транзисторы открываются, для этого с помощью осциллографа смотрим сигнал на затворе транзистора, там должен быть сигнал прямоугольной формы (рис 8). С помощью вольтметра измеряем входное и выходное напряжения. Важно отметить, что проверку необходимо проводить на пониженном напряжении.

2

Введение

Что такое инвертор? Инвертором называется прибор, схема, или система, которая создает переменное напряжение при подключении источника постоянного напряжения. Существует другой способ определения: инверсия - функция обратная выпрямлению. Выпрямители преобразуют переменное напряжение в постоянное, а инверторы наоборот, превращают постоянное напряжение в переменное. Обычно термин «инвертор» используется более узко: генератор переменного напряжения, используемый в качестве источника питания. Выходное напряжение инвертора может быть как промышленной частоты (50 Гц), так и повышенной (десятки, сотни кГц и выше). Одно из важнейших преимуществ источников питания повышенной частоты это резкое уменьшение массогабаритных параметров трансформаторов. Инверторы совсем не редкие устройства, они уже заняли свое место в быту. Обычно инвертор применяется в качестве источника питания. Это блоки питания современных персональных компьютеров, сварочные инверторы и бытовые индукционные электроплитки. В основном при изготовлении инверторов используют несколько топологий силовой части: 1) Push-Pull - это автогенераторный двухтактный преобразователь, где происходит поочередное включение полуобмоток (рис 9). 2) Полумост - преобразователь на двух мощных полевых транзисторах с внешним генератором прямоугольных импульсов (рис 10). 3) Полный мост - это тоже самое что и полумост, но количество ключей уже равно четырем (рис 11).

Принцип работы

Д

3ля своей работы я выбрал топологию Push-Pull. Работает он следующим образом: когда транзистор T1 открыт, ток течёт через верхнюю половину обмотки - L1.1, затем транзистор T1 закрывается и открывается транзистор T2, ток начинает протекать через нижнюю половину обмотки - L1.2, так как верхняя половина обмотки L1 включена своим концом к +ПИТ а нижняя началом, то магнитное поле в сердечнике трансформатора при открытии T1 течёт в одну сторону, а при открытии T2 в другую, соответственно на вторичной обмотке L2 создаётся переменное напряжение.
L1.1 и L1.1 выполняются как можно более идентичными друг другу.
Преимущества:
Высокая эффективность при работе от низкого напряжения питания (через каждую половину обмотки и транзистор протекает только половина необходимого тока).
Недостатки:
Выбросы напряжения на стоках транзисторов равные удвоенному напряжению питания (например когда T1 открыт, а T2 закрыт, то ток течёт в L1.1 в свою очередь в L1.2 магнитное поле создаёт напряжение равное напряжению на L1.1 которое суммируясь с напряжением источника питания воздействует на закрытый T2).
То есть необходимо выбирать транзисторы на большее допустимое максимальное напряжение.
Применение:
Преобразователи, питающиеся от низкого напряжения.

Блок питания

Для питания схемы был выбран трансформатор на выходе которого 30В 1А, далее следует выпрямитель: диодный мост плюс электролитический конденсатор 50в 6800мкФ (рис 12). Диодный мост лучше взять на 20-30А и установить на радиатор. Конденсатор следует брать на напряжение выше выходного напряжения трансформатора, т.к после выпрямления ток достигает своего амплитудного значения. Считается так: выходное напряжение конденсатора умноженное на 1.4. 30*1.4=42в. Следовательно 42В минимально допустимое напряжение конденсатора, лучше взять с запасом.

Модуль управления

В данном инверторе в качестве ключей используются мощные полевые транзисторы с изолированным затвором, известные под аббревиатурой MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) или по-русски - полевые МОП-транзисторы (Метал-Оксид-Полупроводник). Однако, для данного раздела достаточно просто представлять MOSFET как некий электронный выключатель, который управляется напряжением на затворе (относительно истока). В открытом состоянии сопротивление между истоком и стоком мало (в зависимости от типа транзистора - от нескольких Ом до сотых долей Ома), а в закрытом - велико (десятки МОм и выше). Для большинства транзисторов напряжение на затворе может изменяться в пределах от -20 до + 20 Вольт. Если напряжение на затворе выше порогового (порог обычно от +2 до +4 В) транзистор открывается, если ниже - закрывается.

Таким образом, для управления ключами мы должны подавать на затворы транзистора положительные импульсы с напряжением 12-18 В. Т.к схема автогенераторная, то не требуется специальных микросхем для управления транзисторами.

4

Силовой модуль

Как уже отмечалось выше, в данном инверторе силовой модуль представляет собой Push-Pull. В качестве ключей использованы полевые транзисторы IRFP240. Эти транзисторы рассчитаны на ток до 20А и напряжение 200в. Сопротивление сток-исток 0.18Ом. В цепях затворов мы используем резисторы 470 Ом токи зарядки емкостей затворов, а так же стабилитроны на 12 В, которые стабилизируют напряжение на затворе до 12 В. Стабилитроны можно использовать на 12-18 В, в зависимости от транзисторов. Диоды D1 и D2 нужны для организации обратной связи. Обратная связь поддерживает колебания, без нее генерация невозможна. Транзисторы имеют высокое сопротивление открытого канала. Даже в полностью открытом состоянии на них будет выделяться достаточное количество тепла. Поэтому ключи обязательно необходимо размещать на радиаторах. Транзисторы размещены на изолирующих теплопроводящих прокладках непосредственно на радиаторе.

Первое включение стоит проводить на пониженном напряжении. Испытание проводим следующим образом:

1. Еще раз проверяем правильность сборки

2. Подключаем щупы осциллографа к затвору

3. Подаем напряжение порядка 12 В, контролируем это с помощью вольтметра

4. На экране осциллографа должны быть импульсы напоминающие прямоугольник

5. Контролируем нагрев транзисторов

6. Вносим в катушку любой металлический предмет, и чувствуем что он слегка нагрелся

7. Прибор работает, можно включать на полную мощность

Индукционный нагрев

И

5ндукционный нагрев - это нагревание материалов электрическими токами, которые индуцируются переменным магнитным полем. Следовательно - это нагрев изделий из проводящих материалов (проводников) магнитным полем индукторов (источников переменного магнитного поля).Индукционный нагрев проводится следующим образом. Электропроводящая (металлическая, графитовая) заготовка помещается в так называемый индуктор. В индукторе с помощью специального генератора наводятся мощные токи различной частоты (от десятка Гц до нескольких МГц), в результате чего вокруг индуктора возникает электромагнитное поле. Электромагнитное поле наводит в заготовке вихревые токи. Вихревые токи разогревают заготовку. Система «индуктор-заготовка» представляет собой бессердечниковый трансформатор, в котором индуктор является первичной обмоткой. Заготовка является как бы вторичной обмоткой, замкнутой накоротко. Магнитный поток между обмотками замыкается по воздуху.

В моей работе индуктор состоит из 8 витков (4+4) (рис 13). В нашем колебательном контуре проходят весьма большие токи. Поэтому медный провод, образующий индуктор нагревается. конденсатор колебательного контура должен быть рассчитан на довольно большую реактивную мощность. Необходимо использовать либо специальные конденсаторы для индукционного нагрева, либо набирать батарею из достаточно большого количества пленочных конденсаторов меньшей емкости, включенных параллельно.

Установка для индукционного нагрева готова к работе. (рис 14)

Продемонстрируем сам нагрев. (рис 15)

Библиография : использованы материалы с сайта (ИХХТ СО РАН), а так же книг,

Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника.

Семенов Б.Ю. Силовая электроника: от простого к сложному.

6

Рис.1

Рис.2

Рис.3

Рис.4

Рис.5

Рис.6

(рис.7)

Рис.8

(рис.8)

рис.9

рис. 10

рис.11

Рис.12

Рис.13

Рис.14

Рис.15