Grzanie indukcyjne to fascynująca technika, w której wykorzystujemy prądy wirowe do nagrzewania metalowych obiektów. W odróżnieniu od tradycyjnej grzałki oporowej czy płomienia, tu nie ma bezpośredniego kontaktu między źródłem ciepła a nagrzewanym przedmiotem. Zamiast tego przez miedzianą cewkę płynie szybkozmienny prąd o wysokiej częstotliwości, generując silne pole magnetyczne. Gdy w to pole wprowadzimy materiał przewodzący (np. stalowy bolec, monetę, śrubę), indukują się w nim prądy wirowe, które – płynąc przez oporność metalu – wydzielają ciepło. Metal zaczyna się nagrzewać, i to bardzo szybko, osiągając wysokie temperatury (nawet kilkaset stopni) w krótkim czasie. To właśnie zasada działania grzałki indukcyjnej.

W przemyśle duże nagrzewnice indukcyjne służą do hartowania stali, topienia metali, łączenia elementów (lutowanie twarde) itp. Dla hobbystów dostępne są miniaturowe wersje takich nagrzewnic – i tym właśnie są moduły w tej kategorii. Każdy moduł składa się z obwodu oscylatora mocy (najczęściej w konfiguracji ZVS – Zero Voltage Switching – zapewniającej wysoką sprawność i mniejsze straty na tranzystorach) oraz cewki indukcyjnej wykonanej z grubego drutu lub rurki miedzianej. Do poprawnego działania wymagają one zasilania prądem stałym o stosunkowo wysokim prądzie. Typowe moduły działają w zakresie 12 V do 30 V (dla mniejszych ok. 120–600 W mocy) lub aż do 48 V (dla większych, 1000 W i więcej). Prąd pobierany przez taką nagrzewnicę może sięgać 20–30 A, dlatego konieczny jest wydajny zasilacz lub akumulator oraz odpowiednie okablowanie.

Przykładowo: ZVS grzałka indukcyjna 12–30 V 20 A 600 W to moduł, który zasilisz np. z akumulatora samochodowego 12 V (ale najlepiej ~24 V dla pełnej mocy). Pozwala on rozgrzać mniejsze przedmioty metalowe – śruby, nakrętki, końcówki grotów – do czerwoności w kilkadziesiąt sekund. Bardziej rozbudowany zestaw ZVS grzałka indukcyjna 12–48 V 1000 W umożliwia już naprawdę intensywne grzanie – np. można spróbować podgrzać niewielki wsad metalowy do topnienia (kilka gramów metalu), albo bardzo szybko rozgrzać masywniejszy element (grubszą śrubę, klucz). Dla mniej wymagających zadań dostępna jest także grzałka indukcyjna 5–12 V 120 W – działa już od 5 V, więc można ją zasilić np. z zasilacza 12 V 10 A. Oczywiście im niższe napięcie, tym mniejsza moc (przy 5 V ta 120 W nagrzewnica odda tylko ułamek mocy, pełne ~120 W osiąga przy 12 V/10 A).

Zastosowania grzałek indukcyjnych w warsztacie hobbystycznym i garażu:

• Odkręcanie zapieczonych śrub i nakrętek – jeśli jakaś śruba nie chce się ruszyć z powodu rdzy czy utlenień, można ją miejscowo nagrzać indukcyjnie. Metal rozszerzy się i puści korodujące połączenie. To metoda często stosowana w motoryzacji (nagrzewnice indukcyjne dla mechaników), bez ryzyka stopienia okolicznych elementów plastikowych, bo grzanie jest dość skoncentrowane.

• Lutowanie i spojenie metali – mała grzałka indukcyjna może służyć do lutowania twardego małych elementów, ogrzewając punktowo miejsce łączenia (np. lut mosiężny na małym złączu). Można nią też rozgrzać np. końcówkę noża do cięcia styropianu czy grot lutowniczy w improwizowany sposób.

• Obróbka cieplna – hartowanie drobnych elementów (rozgrzać i zahartować w oleju stalowy śrubokręt, nóż, ostrze), odpuszczanie (nagrzać do określonej temperatury i powoli ostudzić dla złagodzenia), gięcie na gorąco drutu itp. Indukcyjnie można szybko doprowadzić mały stalowy element do temperatur rzędu 800–900°C.

• Topienie małych ilości metalu – przy najwyższych mocach (kilkaset watów wzwyż) możliwe jest stopienie np. kawałka cyny, miedzi, a nawet stali (acz stal wymaga już sporo energii i czasu w małym układzie). Hobbystycznie ludzie używają takich nagrzewnic np. do wytopu miedzi ze złomu elektronicznego (topiąc kawałeczki drutu miedzianego).

• Demonstracja i eksperymenty – grzałka indukcyjna jest świetnym pokazem zjawisk fizycznych. Widać, jak metal w cewce się rozgrzewa, czasem nawet wywołuje zjawiska akustyczne (próbka może brzęczeć pod wpływem sił magnetycznych), można badać które materiały się grzeją (stal, miedź – tak, chociaż np. miedź będzie generować prądy wirowe i jednocześnie być chłodzona przez indukowane prądy w samej cewce, więc efekt bywa ciekawy; materiały niemagnetyczne też się grzeją, jeśli są przewodnikami). Dla pasjonatów Tesla coil: podobny układ ZVS można wykorzystać do generowania łuków elektrycznych (Jacob’s Ladder) zmieniając konfigurację wyjścia – te moduły są dość uniwersalne w eksperymentach WN.

Bezpieczeństwo i uwagi praktyczne: Grzałki indukcyjne, choć nie mają otwartego płomienia, wytwarzają bardzo wysokie temperatury. Nagrzewany przedmiot staje się ekstremalnie gorący – trzeba używać szczypiec, rękawic odpornych na ciepło i ochrony oczu (rozgrzany metal potrafi pryskać np. iskierkami tlenków). Sama cewka również mocno się nagrzewa (od prądu płynącego oraz ciepła emitowanego z próbki) – często zaleca się chłodzenie wodne cewki przy dłuższej pracy (w większych modułach cewka bywa rurką, do której można podłączyć pompkę z wodą). Elektronika zasilająca (tranzystory MOSFET, diody) też się nagrzewa, dlatego moduły mają duże radiatory, czasem wymagają dodatkowego wentylatora. Należy dbać, by nie przekraczać napięcia zasilania i zapewnić odpowiedni prąd – w przeciwnym razie tranzystory mogą ulec uszkodzeniu. Moduły ZVS są dość odporne, ale np. nie wolno ich uruchamiać bez obciążenia – gdy w cewce nie ma metalowego przedmiotu, oscylator może pracować na innej częstotliwości i nie mieć gdzie oddać energii, co skutkuje przegrzaniem. Zawsze więc testuj z jakimś ferromagnetykiem w cewce (choćby kawałkiem żelaza).

Sposób użycia modułu jest prosty: montujemy cewkę (jeśli nie jest fabrycznie połączona, zazwyczaj łączymy ją do zacisków modułu), podłączamy zasilanie DC o odpowiednim napięciu i wydajności, umieszczamy nagrzewany obiekt wewnątrz cewki (najlepiej w centrum, nie dotykając cewki) i włączamy zasilanie. Po włączeniu od razu płynie duży prąd i generuje się pole – obiekt zaczyna się grzać. Kontrolujemy czas grzania w zależności od potrzeby – mniejsze rzeczy nagrzeją się w kilka–kilkanaście sekund, większe mogą potrzebować dłużej. Należy obserwować temperaturę elementów modułu; jeśli radiator mocno się nagrzewa, trzeba przerwać i ostudzić (lub zastosować lepsze chłodzenie) – niektóre moduły są oznaczone jako praca przerywana (np. kilka minut pracy, kilka minut przerwy).

W naszej ofercie znajdują się najpopularniejsze konfiguracje grzałek indukcyjnych typu ZVS: od 120 W po 1000 W. Każdy zestaw zawiera solidną cewkę i moduł elektroniki. Montaż oraz uruchomienie jest opisane w dołączonej instrukcji (lub karcie produktu). Dzięki tym urządzeniom wprowadzisz do swojego warsztatu nową jakość – bezpieczne, szybkie i efektowne nagrzewanie metalu. To prawdziwa gratka dla fanów majsterkowania, którzy lubią eksperymenty z wysoką temperaturą i wysokim prądem.

FAQ – Grzałki indukcyjne

Jak działa grzałka indukcyjna?

Grzałka indukcyjna wytwarza wysokiej częstotliwości pole magnetyczne za pomocą cewki zasilanej prądem zmiennym (kilkadziesiąt do kilkuset kHz). Gdy w polu tym umieścimy metalowy przedmiot, indukują się w nim prądy wirowe. Metal, mając pewną oporność, nagrzewa się od przepływu tych prądów – tak jak drut nagrzewa się, gdy płynie przez niego prąd. Dodatkowo, jeśli metal jest ferromagnetykiem (np. stal, żelazo), do nagrzewania przyczyniają się straty magnetyczne (tzw. histereza magnetyczna). Efekt jest taki, że przedmiot wewnątrz cewki bardzo szybko się rozgrzewa, mimo że cewka go nie dotyka. Źródłem ciepła staje się sam metalowy obiekt pod wpływem energii pola elektromagnetycznego.

Jak zasilić moduł grzałki indukcyjnej?

Większość modułów wymaga zasilania prądem stałym o dość wysokim prądzie. Popularne moduły ZVS działają typowo w zakresach: 5–12 V (małe), 12–30 V (średnie, np. 500–600 W) i do 40–48 V (największe, 1000 W+). Źródłem zasilania może być wydajny zasilacz impulsowy lub transformatorowy o odpowiedniej mocy, albo akumulator (np. samochodowy 12 V, lub pakiet Li-Po 6S ~ 22 V dla średnich mocy). Ważne, by źródło mogło dostarczyć wymagany prąd – np. dla modułu 1000 W przy 40 V spodziewaj się do 25 A poboru. Często stosuje się zasilacze laboratoryjne lub zasilacze od elektroniki serwerowej przerobione na 12–24 V wysokoprądowe. Alternatywą są akumulatory (samochodowy 12 V da radę, ale tylko ~150–200 W; dwie baterie 12 V szeregowo = 24 V zwiększą moc dwukrotnie). Pamiętaj o grubych przewodach do zasilania i solidnych połączeniach, bo prądy są rzędu kilkunastu-kilkudziesięciu amperów.

Czy grzałka indukcyjna jest bezpieczna w użyciu?

Przy zachowaniu pewnych środków ostrożności – tak, jest stosunkowo bezpieczna. Nie ma otwartego ognia, więc zmniejsza się ryzyko podpalenia czegoś. Jednak wysoka temperatura nagrzewanego obiektu wymaga uwagi: koniecznie używaj narzędzi (np. szczypiec) do manipulowania rozgrzanym metalem i chroń oczy (rozgrzany metal może iskrzyć, zwłaszcza utleniająca się stal). Ponadto moduły działają na dość wysokich częstotliwościach prądu – co może wpływać np. na urządzenia elektroniczne w pobliżu, generować zakłócenia EMI. Unikaj trzymania dłoni bardzo blisko cewki podczas pracy – może to spowodować nagrzewanie metalowych przedmiotów (np. pierścionków, zegarka!) na Twoim ciele. Osoby z rozrusznikiem serca powinny zachować dystans, bo silne pole magnetyczne i prądy mogą teoretycznie wpłynąć na urządzenie. Z punktu widzenia elektrycznego – zasilasz układ niskim napięciem DC, więc porażenie nie jest głównym ryzykiem (choć uwaga na ewentualne kondensatory w układzie, mogą być na kilkadziesiąt V). Podsumowując: uważaj na gorące elementy i silne pole magnetyczne, ale przy normalnym użytkowaniu hobbystycznym grzałki indukcyjne są bezpieczne.

Czy można regulować moc lub temperaturę grzania?

Większość prostych modułów ZVS nie ma aktywnej regulacji mocy – pracują z pełną mocą wynikającą z napięcia zasilania i obciążenia. Można jednak regulować moc w pewnym zakresie zmieniając napięcie zasilające. Na przykład zasilając moduł 1000 W nie 48 V a 24 V, uzyskamy dużo mniejszą moc (ok. 250 W, choć nie zawsze liniowo). Innym sposobem jest włączanie i wyłączanie na czas – po prostu pracując impulsowo, np. włączasz na kilka sekund, wyłączasz na kilka, by utrzymać pewną temperaturę średnio. Bardziej zaawansowane sterowniki indukcyjne mają regulatory częstotliwości lub wypełnienia przebiegu, ale typowe moduły hobbystyczne tego nie oferują (zostały zaprojektowane jako proste generatory na stałej częstotliwości rezonansowej). Jeśli potrzebujesz precyzyjnej kontroli temperatury, możesz zastosować np. regulator mocy DC przed modułem (choć to trudne ze względu na duże prądy i specyfikę ZVS). Najprostsza i skuteczna metoda: zmiana napięcia wejściowego – np. wykorzystać zasilacz laboratoryjny i regulować jego napięcie wyjściowe, co płynnie zmienia moc indukcyjną.

Jak długo można używać takiej nagrzewnicy ciągle?

Czas ciągłej pracy zależy od chłodzenia i mocy. Małe moduły 120 W przy dobrej wentylacji mogą pracować dość długo, bo generowane ciepło nie jest ekstremalne. Większe moduły (500 W, 1000 W) często są przeznaczone do pracy przerywanej – np. kilka minut grzania, potem przerwa na ostygnięcie. Jeśli zadbasz o chłodzenie (radiatory z wentylatorem na tranzystorach, a nawet chłodzenie cewki – np. wodne), możesz znacząco wydłużyć czas działania. Jednak pamiętaj, że także nagrzewany przedmiot oddaje ciepło do otoczenia i cewki – przy długotrwałym grzaniu cewka może się przegrzać lub stopić izolację. W praktyce hobbystycznej zwykle grzejemy krótko (kilkanaście-kilkadziesiąt sekund do osiągnięcia efektu). Jeżeli planujesz zbudować np. mini piec indukcyjny do ciągłego topienia metalu, konieczne będzie zaawansowane chłodzenie i być może moduły IGBT zamiast MOSFETów dla wyższej wytrzymałości. Dla typowych modułów z naszej oferty można przyjąć: praca ciągła rzędu 1–2 minut przy pełnej mocy jest OK, potem warto dać modułowi ostygnąć przez następne parę minut. Obserwuj temperaturę radiatorów – jeśli są parzące, zrób przerwę.

Dlaczego moduł ZVS pobiera prąd nawet gdy w cewce nic nie ma?

To normalne zjawisko dla oscylatora ZVS. Nawet bez obciążenia (przedmiotu metalowego) w cewce płynie prąd zmienny, który krąży między cewką a kondensatorami rezonansowymi w układzie. Jest to tzw. prąd biegu jałowego – w cewce i kondensatorach następuje wymiana energii (pole magnetyczne <-> pole elektryczne) i trochę energii jest tracone w postaci ciepła na rezystancjach elementów oraz w tranzystorach, które ją podtrzymują. Dlatego moduł może pobierać np. kilka amperów nawet „na pusto”. Gdy włożysz metal, obwód pobierze jeszcze więcej prądu, bo energia zacznie być absorbowana przez nagrzewany obiekt (wtedy wzrasta też pobór mocy z zasilania – staje się użyteczna). Wskazówka: nie należy uruchamiać modułu całkowicie bez obciążenia na długo – choć działa, to wtedy prąd krąży w nim bezużytecznie, obciążając tranzystory. Lepiej zawsze mieć jakiś mały metal w cewce, nawet gdy nie grzejesz nic konkretnego podczas testów.

Czy cewka nagrzewnicy indukcyjnej wymaga chłodzenia?

Przy krótkich cyklach niekoniecznie, ale przy dłuższym użyciu zdecydowanie tak. Cewka nagrzewa się z dwóch powodów: przepływa przez nią duży prąd zmienny (co powoduje straty I²R w drucie) oraz pochłania część ciepła promieniowanego przez nagrzany przedmiot (zwłaszcza gdy obiekt jest bardzo gorący, promieniuje cieplnie na cewkę). W małych modułach cewka jest często dość masywna i wytrzymuje kilkadziesiąt sekund bez problemu, ale w większych (600 W, 1000 W) bywa wykonana z miedzianej rurki – i to nie bez powodu: taką rurką można przepuścić wodę dla chłodzenia. W warunkach amatorskich, jeśli nie chcemy budować chłodzenia wodnego, warto przynajmniej wdmuchiwać powietrze na cewkę i elektronikę. Nie dotykamy cewki gołymi rękami po pracy – może być bardzo gorąca. Jeżeli planujesz intensywniejsze użycie, rozważ wykonanie prostego układu chłodzenia: pompka akwariowa, zbiorniczek z wodą i przetoczenie wody przez cewkę (o ile jest rurkowa). To pozwoli grzać znacznie dłużej, bo utrzyma cewkę w rozsądnej temperaturze.

Jakie metale można nagrzewać indukcyjnie?

Najlepiej sprawdzają się metale ferromagnetyczne (stal, żelazo, żeliwo) – ponieważ nagrzewają się zarówno od prądów wirowych, jak i od strat magnetycznych, a do tego koncentrują pole (magnesują się), co poprawia sprzężenie z cewką. Stalowa śruba nagrzeje się więc bardzo szybko. Metale nieżelazne (miedź, mosiądz, aluminium) też można grzać, ale mają różną podatność. Miedź i aluminium są bardzo dobrymi przewodnikami, co trochę paradoksalnie utrudnia ich nagrzewanie: prądy wirowe co prawda powstają, ale metal tak dobrze przewodzi, że prąd rozkłada się głównie przy powierzchni (efekt naskórkowości) i jednocześnie metal skutecznie odprowadza ciepło. Mimo to, dostatecznie mocna nagrzewnica potrafi roztopić nawet kawałek miedzi czy aluminium – potrzeba po prostu więcej mocy i czasu w porównaniu do stali. Mosiądz, brąz – te nagrzewają się dość dobrze (są gorszymi przewodnikami niż miedź, więc prądy wirowe grzeją je skuteczniej). Stal nierdzewna – także można, choć nierdzewka ma inne właściwości magnetyczne (często jest słabo magnetyczna lub niemagnetyczna, ale prądy wirowe dalej działają). Generalnie każdy metal przewodzący prąd będzie się indukcyjnie nagrzewał, tylko z różną efektywnością. Nie nagrzejesz natomiast dielektryków (ceramiki, szkła, tworzyw) – one nie przewodzą prądu, więc nie powstaną w nich prądy wirowe. Choć uwaga: jeśli masz np. garnuszek ceramiczny z metalowym denkiem, denko się nagrzeje i pośrednio ogrzeje ceramikę.

Czy mogę zbudować piecyk do topienia metalu za pomocą takiej grzałki?

Tak, w ograniczonym stopniu. Hobbystycznie ludzie budowali mini piece indukcyjne używając właśnie modułów 1000 W. Trzeba wtedy wykonać mały tygiel (np. z grafitu lub ceramiki) i umieścić go w cewce, a w tygielku metal do wytopienia. Tygiel powinien być niemagnetyczny, by sam się nie nagrzewał indukcyjnie (grafit nie przewodzi prądu elektrycznego tak jak metal, więc jest dobry). Metal wewnątrz tygla będzie się grzał – najłatwiej topić cynę, ołów (niska temperatura topnienia), miedź i aluminium wymagają już ~660 °C, co jest osiągalne, stal ~1500 °C – raczej poza zasięgiem 1 kW modułu (chyba że bardzo mały kawałek i świetna izolacja cieplna, ale to trudne). Dla bezpieczeństwa piecyk powinien mieć izolację termiczną wokół cewki (np. włókna ceramiczne), by ciepło nie uciekało i nie przegrzewało samej cewki. Tak więc możliwe jest zrobienie małej odlewni np. aluminium przy użyciu grzałki indukcyjnej 1000 W, ale wymaga to dobrego zaplanowania chłodzenia i izolacji. Większość hobbystów używa jednak grzałek indukcyjnych głównie do nagrzewania, a do topienia większych ilości metalu często łatwiejszy bywa tradycyjny piecyk oporowy lub palnik (ze względu na ciągłą moc potrzebną do utrzymania tygla w wysokiej temp.). Niemniej – drobne topienie, jak najbardziej wykonalne indukcyjnie, co czyni takie moduły jeszcze ciekawszymi.