Almost MELTING Metal with Induction Heater

Summary

Dans cette vidéo passionnante, l'animateur construit un circuit de pilote de bobine à haute puissance appelé ZBS (Zero Voltage Switching), qui sert de base pour de nombreux circuits excitants tels que l'aimantation ou le générateur de haute tension. Il explique le fonctionnement du circuit à base de transistors et de condensateurs, et montre comment il peut allumer des ampoules et des lampes. Malgré quelques échecs initiaux, il parvient à créer un chauffe-eau à induction avec une puissance impressionnante, tout en soulignant l'importance de la simulation SPICE pour apprendre l'électronique. Le résultat est un appareil fonctionnel mais non commercialisé, qui démontre les pouvoirs de la résonance et de l'électronique de puissance.

Takeaways

• 🔧 Aujourd'hui, nous allons assembler un circuit appelé ZVS (Zero Voltage Switching) Driver.
• ⚡ Ce circuit est utilisé pour des applications à haute puissance comme les chauffages par induction et les générateurs à haute tension.
• 🔄 Le circuit fonctionne avec deux transistors qui changent d'état lorsque la tension passe par zéro.
• 🔍 Une version simplifiée du circuit est un oscillateur astable qui peut allumer et éteindre des LED et des relais.
• 🔋 Un oscillateur astable est un circuit instable où les transistors commutent périodiquement.
• 🛠️ Le circuit peut également contrôler des appareils en courant alternatif, comme des lampes, avec des relais.
• ⚠️ Une diode de roue libre (flyback diode) est nécessaire pour protéger les transistors contre les surtensions.
• 📊 Un simulateur SPICE peut être utilisé pour étudier et comprendre les circuits sans matériel physique.
• 🔄 La résonance dans le circuit ZVS permet de générer des courants et des tensions élevés avec un faible courant d'alimentation.
• 🔈 Le sponsor de la vidéo est Raycon, qui propose des écouteurs sans fil avec une politique de retour de 45 jours.

Q & A

Qu'est-ce que le ZBS ou le pilote de commutation de zéro voltage?

Le ZBS, ou Zero Voltage Switching, est un type de pilote de bobine à haute puissance qui peut être la base de nombreux circuits passionnants tels qu'un chauffage par induction ou un générateur de haute tension.

Pourquoi le circuit ZBS est-il appelé ainsi?

Le nom ZBS peut provenir du fait que le circuit change d'état lorsqu'une tension passe par zéro, bien que cela ne soit pas explicitement mentionné dans le script.

Quel est le but de l'oscillateur à double稳态 (bi-stable) dans le circuit ZBS?

L'oscillateur à double稳态 permet aux transistors de basculer périodiquement, permettant ainsi de contrôler l'activation et la désactivation d'autres composants tels que des relais ou des ampoules.

Comment les LED sont-elles utilisées dans le circuit pour montrer le fonctionnement?

Les LED sont ajoutées au circuit pour montrer la commutation des transistors en clignotant lorsque le circuit est alimenté.

Quels sont les problèmes rencontrés lors de la tentative de faire fonctionner un relais avec le circuit?

Le relais doit être en série avec la lampe et non en parallèle pour éviter de court-circuiter les fils vivants.

Quel est le rôle du diode de décharge (freewheeling diode) dans le circuit?

Le diode de décharge permet de protéger les transistors contre les surtensions générées lorsque le relais est coupé et que l'inductance continue de pousser le courant à travers.

Comment le circuit ZBS est-il connecté aux relais et aux lampes?

Le circuit ZBS est connecté aux relais en utilisant un MOSFET qui permet de contrôler l'activation et la désactivation des lampes.

Quel est le but des composants L1 et C1 dans le circuit ZBS?

L1 et C1 ont une fréquence de résonance spécifique qui permet au circuit d'osciller à cette fréquence, créant ainsi une haute tension et un courant réactifs.

Quels sont les effets des bobines L2 et L3 sur la fréquence de résonance et la filtration?

L2 et L3 ont une inductance beaucoup plus grande que L1, ce qui leur fait avoir peu d'effet sur la fréquence de résonance mais permet de filtrer d'énormes tensions et courants alternatifs du secteur.

Quelle est la différence entre la consommation de courant du secteur et celle des composants de résonance?

La consommation de courant du secteur est très faible (environ 80 mA DC plus ou moins 200 mA AC), tandis que les composants de résonance gèrent jusqu'à 30 A avec une tension de 37 volts.

Quels sont les défis rencontrés lors de la construction de l'héateur par induction?

Les défis rencontrés incluent la gestion de la chaleur générée par les bobines, l'utilisation de conducteurs suffisamment résistants et la nécessité d'ajouter des protections pour éviter des dysfonctionnements ou des accidents.

Outlines

00:00

🔌 Conception d'un circuit de pilotage de bobine ZBS

Le script introduit le concept de base d'un circuit appelé ZBS (Zero Voltage Switching) pour piloter une bobine à haute puissance. Le narrateur explique que ce circuit est simple et peut être la base de circuits plus complexes tels qu'un chauffage par induction ou un générateur de haute tension. Il décrit le fonctionnement du circuit à base de deux transistors, qui sont arrangés de manière à simuler un oscillateur stable A, permettant de basculer périodiquement entre deux états. Des LEDs sont ajoutées pour montrer le basculement et un relais est utilisé pour démontrer la capacité à commutateur un courant alternatif, bien que des erreurs initiales soient faites dans la connexion. Après correction, le circuit fonctionne comme prévu. Le narrateur mentionne également les Raycon everyday e25 earbuds, soulignant leur qualité sonore et leur rapport qualité-prix avant de revenir à la théorie du circuit bi-stable et de son amélioration avec des condensateurs et des résisteurs pour une transition d'état plus fluide.

05:02

🤖 Amélioration et test du circuit ZVS

Dans ce paragraphe, le concept de ZVS (Zero Voltage Switching) est approfondi avec l'ajout de relais et d'un bobinage supplémentaire au circuit pour créer un oscillateur à fréquence de résonance. Le narrateur explique que les composants L1 et C1 ont une fréquence de résonance spécifique, tandis que L2 et L3 sont dimensionnés pour filtrer des courants et des tensions AC importants sans affecter cette fréquence. Il mentionne également l'importance d'un diode de décharge (ou diode de retour) pour protéger les transistors des surtensions dues à l'inductance du relais. Le narrateur montre comment le circuit peut être testé et ajusté, et comment l'ajout d'un diode résout le problème de surtension. Il insiste sur l'efficacité du circuit, montrant que peu de courant est nécessaire du secteur pour maintenir une oscillation à haute tension et forte intensité de courant, ce qui démontre la puissance de la résonance.

10:07

🛠️ Résultats et applications du circuit d'induction

Le script se termine par la présentation finale du circuit d'induction assemblé et testé par le narrateur. Il décrit les améliorations apportées au circuit, notamment l'utilisation d'un câble plus épais pour gérer les courants élevés. Les mesures de tension et de courant sont présentées, montrant que le circuit génère une onde sinusoïdale à 37 volts de pic et une fréquence d'environ 26 kHz. Le narrateur aborde également les défis liés à la dissipation de la chaleur, en particulier pour l'inducteur qui chauffe considérablement à cause des pertes par courants de Foucault et de frottement magnétique. Il mentionne également les avantages d'utiliser des matériaux à faible résistance et non ferromagnétiques pour réduire ces pertes. Enfin, il conclut en recommandant les écouteurs Raycon everyday e25 pour leur qualité sonore et leur fonctionnalité, offrant un lien de commande avec une réduction spéciale pour les téléspectateurs.

Keywords

💡Zéro Voltage Switching (ZVS)

Le Zéro Voltage Switching (ZVS) est une technique utilisée dans l'électronique pour activer un composant électronique au moment où la tension passe par zéro. Dans la vidéo, cela est utilisé pour concevoir un pilote de bobine à haute puissance, ce qui est essentiel pour minimiser les pertes d'énergie et améliorer l'efficacité du circuit. L'auteur mentionne que le circuit change d'état lorsque la tension passe par zéro, ce qui est un exemple concret de l'application du ZVS.

💡Bobine

Dans le contexte de la vidéo, une bobine est un élément conducteur enroulé en spirale qui peut stocker de l'énergie électrique. Les bobines sont utilisées dans de nombreux circuits électroniques, y compris le pilote de bobine ZVS décrit dans le script. L'auteur construit un circuit qui peut être la base de divers appareils, tels qu'un chauffage par induction ou un générateur de haute tension, en utilisant des bobines.

💡Transistor

Un transistor est un composant électronique semi-conducteur utilisé pour amplifier et commutateur les signaux. Dans le script, il y a une référence à deux transistors qui sont utilisés dans le circuit ZVS. Ils sont essentiels au fonctionnement du multivibrateur stable A, qui est un élément clé du circuit ZVS.

💡Multivibrateur stable A

Le multivibrateur stable A est un type de circuit électronique qui présente deux états stables et peut ainsi basculer entre ces deux états. Dans la vidéo, il est utilisé pour créer un oscillateur qui permet de commutateur des composants comme des LED et des relais. L'auteur le mentionne comme un élément familier dans l'arrangement du circuit ZVS.

💡Relay

Un relais est un composant électronique qui permet de contrôler une grande charge électrique avec une petite quantité d'énergie. Dans le script, l'auteur ajoute un relais au circuit pour commutateur l'AC (courant alternatif), illustrant ainsi comment le circuit ZVS peut être utilisé pour contrôler des charges plus importantes.

💡N-Channel MOSFET

Un N-Channel MOSFET est un type de transistor qui utilise un champ électrique pour contrôler le flux de courant entre ses terminaisons drain et source. Dans la vidéo, l'auteur décrit comment un MOSFET fonctionne en devenant presque court-circuité lorsqu'une tension seuil est dépassée, ce qui est crucial pour le fonctionnement du circuit ZVS.

💡Bi-stable Circuit

Un circuit bi-stable a deux états stables entre lesquels il peut basculer. Dans le script, l'auteur utilise un circuit bi-stable pour créer un oscillateur qui permet de contrôler des relais et des lampes. Le fonctionnement de ce circuit est essentiel pour comprendre le basculement des transistors dans le circuit ZVS.

💡Capacitor

Un condensateur est un composant électronique qui peut stocker de l'énergie électrique. Dans le script, les condensateurs sont utilisés pour créer un circuit oscillant en conjonction avec les bobines. L'auteur mentionne les condensateurs comme composants clés pour le fonctionnement du multivibrateur stable A et du circuit ZVS.

💡Resonance

La résonance est un phénomène où l'amplification d'un système oscillant est maximale à une certaine fréquence. Dans la vidéo, l'auteur construit un circuit de résonance avec des bobines et des condensateurs qui oscillent à une fréquence de résonance spécifique. Cette résonance est utilisée pour générer des courants et des tensions élevés dans le circuit ZVS.

💡Inductance

L'inductance est la propriété d'un circuit de générer un champ magnétique en réponse au changement de courant. Dans le script, l'auteur utilise des bobines avec une inductance spécifique pour créer un circuit de résonance. L'inductance est cruciale pour la génération de courants élevés dans le circuit ZVS.

💡Diode de décharge (Flyback Diode)

Une diode de décharge, aussi appelée diode de retour, est utilisée pour protéger les composants électroniques des surtensions générées par l'effet de l'inductance. Dans la vidéo, l'auteur mentionne l'ajout d'une diode de décharge pour protéger les transistors du circuit ZVS des surtensions dues à la désactivation des bobines.

💡Simulation SPICE

La simulation SPICE est un outil informatique utilisé pour simuler le comportement de circuits électroniques. Dans le script, l'auteur utilise un logiciel de simulation SPICE pour tester et comprendre le fonctionnement du circuit ZVS avant de l'assembler physiquement. Cette méthode permet de visualiser les courbes d'onde et de comprendre les performances du circuit ZVS.

Highlights

Introduction of an exciting circuit called ZBS or Zero Voltage Switching driver.

Explanation of the ZBS circuit's functionality and its potential applications like an induction heater or high voltage generator.

Description of the A-stable multivibrator circuit and its unstable nature for switching on and off devices.

Demonstration of the A-stable oscillator with LEDs blinking to show the circuit's operation.

Attempt to integrate a relay with the circuit to switch AC lamps and the initial failure due to incorrect wiring.

Promotion of Raycon E25 earbuds for their premium sound quality and value for money.

Explanation of the N-channel MOSFET operation and its role in the bi-stable circuit.

Successful demonstration of the bi-stable circuit with relays and lamps after correcting the initial mistake.

Introduction of modifications to the circuit with capacitors and resistors for improved switching.

Misstep of killing a MOSFET due to voltage spike when the transistor turns off, and the solution with a freewheeling diode.

Successful operation of the modified circuit with lamps and AC power after adding the diode.

Introduction to the ZVS circuit with inductors and capacitors for resonance frequency and filtering.

Explanation of the ZVS circuit's operation with MOSFETs and diodes for gate control.

Use of SPICE simulation software to learn and analyze electronic circuits without physical components.

Observation of half sine waves on the MOSFET drain and the high voltage peak in the SPICE simulation.

Analysis of the current through inductors and capacitors in the resonance circuit and power supply.

Assembly and testing of the ZVS circuit with improvements and challenges faced.

Demonstration of the induction heater's capability with different metal objects and the heat generated.

Discussion on the circuit's limitations and the need for thicker wire to handle the high current.

Promotion of Raycon's earbuds again, emphasizing their features and offering a discount for viewers.

Transcripts

hi today i'd like to put an exciting

circuit together

called zbs or zero voltage switching

uh driver i don't know why they call it

that maybe because the circuit changes

the state when a voltage passes zero

it doesn't matter this is one of the

simplest high power

coil drivers that can be the basis of

many exciting circuits like an

induction heater that i'm gonna make

today or a super high voltage generator

or well one video at a time let's see if

i can figure

this one first one search over the web

and you find this circuit

the way it works is there are two

transistors and

i oh why did they dry it like this

here i drew it in a more familiar

arrangement for you does it look

familiar now

no fine here you might be more familiar

with this one

it is called an a stable multivibrator

vibrator what just call it an a

stable oscillator grow up you little

child

basically the circuit is unstable and

these transistors switch on enough

periodically

non-stop so you can switch things on and

off with it here i added two leds to the

circuit to switch and

if i power it up oh and this

is a battery operated variable power

supply

i got to use with my breadboard pretty

convenient

power it up and there leds start

blinking

now i can't even add a relay to the

circuit and switch ac with it like lamps

okay i put the lamp and circuit together

and if i plug it in

initially the lights will be off

or on i guess if i turn on the circuit

it

did i misconnect something

well yeah the relay must be in series

with the lamp

not parallel with the lamp otherwise it

will

short the live wires isn't it obvious

check your connections

well this failed but something that

hasn't failed are my

raycon everyday e25 earbuds premium

sound quality with tons of oomph

that's bass super small profile freedom

from wires with

six hours of play time and starting at

half the price of other premium earbuds

and yet

sounding as amazing if not better

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link in the description and get yours at

15 percent off

okay let's go back a bit this is an n

channel mosfet transistor

if the gate source voltage rises above a

threshold

the drain source terminals that were

opened before will almost short circuit

like a switch

now this simple circuit is a bi-stable

circuit meaning that it has two stable

states

imagine we just turned the power supply

on initially both transistors are off

and the resistor voltages

rise with the supply even between

similar components there are minor

differences

so one of these transistors turns on

earlier than the other one

say q1 closes like a switch pulling this

voltage down which is also the gate

voltage of

q2 which keeps q2 off so this voltage

stays high keeping q1 on the circuit is

a stable in this state and won't change

unless an external force like a switch

pulls this voltage down

turning q1 off so now the drain of q1

rises

turning q2 on now even if i let go of

the switch the circuit is

stuck in this new state unless i add

another switch here

to change the state back i put the

bi-stable circuit with my relays and

lamps together let's turn it on

oh geez

my bar for a functioning circuit is

pretty low let's press the switch

no it's working

now let's make some changes to the

circuit the drain voltage of each

transistor goes through a capacitor to

the gate of the other transistor

which is also connected to a resistor

divider

if you're using a bjt transistor instead

you don't need these pull down resistors

because it already acts like a pull down

here

again when we turn on the power supply

one of these transistors turns on

earlier than the other one

say q1 and its drain voltage drops

rapidly

and we know capacitors are like short

circuit against rapid voltage changes so

the voltage on this side

also drops turning q2 off with q2 off

this voltage and that voltage are high

keeping q1 on

but now this capacitor will be

charging through this resistor divider

and so this voltage

starts going up this voltage will

eventually rise above the threshold

voltage of q2 turning it on

and so its drain voltage will rapidly

drop and through the capacitor this

voltage drops turning q1

off and of course now through the

resistor divider the capacitor

charges raising the voltage here which

eventually will turn q1 on

and q2 off and this is an a stable

vibrate

vibrator oscillator whatever here i

simply add the relay coil between my

supply and mosfet and if i turn it on

there we go start switching simple as

the what happened it seems

damn it i killed one of my mosfets

here's the problem

when the transistor turns on there is

current

running through the coil of the relay

and when i turn the transistor off the

inductance still wants to push the

current through

so the voltage across it flips

and at this point the voltage shoots

well above the power supply level

connected to the drain this voltage

doesn't have enough energy to kill my

transistor

but the gate of the transistor is quite

weak so it can

easily die the solution is to add a

diode like this across the coil

called the freewheeling diode or a

flyback diode

here i added diode across the coils and

there you go now we are ready to add

lamps and ac

power okay here's my circuit with the

relays and if i plug it in

okay and the lights are off and if i

turn it on

it's working

it's working now to the zvs circuit

it's basically the same thing just that

there are a bunch of inductors and

capacitors

l1 and c1 has a certain resonance

frequency equal to this equation and the

circuit oscillates at that resonance

l2 and l3 are peaked to be much larger

like over 10 times

larger than l1 so they have little

effect on the resonance frequency

but they filter massive ac voltage and

currents from the supply voltage

and oh boy they are massive the way this

circuit works is

imagine q1 is on because its gate

voltage is high

meaning that the lc circuit voltage is

swinging up and down

on the way down though through this

diode it

pulls the gate voltage of q1 down

turning it off

so now this voltage rises this voltage

going up

raises the gate voltage of q2 and turns

it on

and so now this voltage swings up and

down

and again on the way down through the

diode

it pulls the gate voltage down turning

q2 off and the cycle continues let me

show you

see you don't need a scope and tools and

components to start learning

electronics all you need is what we call

a spice simulation program

you put your components in there and

connect them up and you can probe all

the voltages and currents and learn the

circuit

there are tons of different spice

simulators out there but like many of us

engineers i've been using this free lt

spice software for many years now which

is quite simple and robust

after we run the simulation if we probe

here we see

there is initially these misbehaviors

that are due to

capacitor and these big inductors

resonating that dies away

if i zoom here you can clearly see those

half

sine waves on the drain of the mosfet i

was talking about now if we probe q2

drain

we see the other half of the sine wave i

was talking about and the peak of the

voltage

is 37 volts well above my 12 volt supply

and that's the power of resonance and of

course because these big inductors are

isolating the voltage from the power

supply and this high voltage is why we

have

diodes here to drive the gates this

makes sure that when the voltage here

rises the diode turns off and the gate

voltage is

pulled off by these pull up resistors to

the supply voltage mosfet gates can

handle

16 to 20 volts and because my power

supply is 12 volts

i remove those zener and pull down

resistors from the gates otherwise i

should put them in now let me show you

something even more magnificent

if we look at the current through the

inductor see

it is plus minus 30 amps almost the same

as the capacitor current but the current

through

l2 and l3 is much smaller if we zoom on

those they're just around plus minus 0.8

amps

and this current is mostly not coming

from the power supply as you see

they are mostly pouring it back and

forth into the resonance circuit

if we look at the power supply current

so small it's around 80 milliamp dc

plus minus 200 milliamp ac maintaining

30 amp 37 volts of resonance and

that's the power of resonance this tiny

bit of current from the power supply is

necessary to overcome the resistive and

radiation losses through the components

the massive 30 amp 37 volt peak

oscillation

mostly only creates reactive power which

is not a loss

just oscillation okay i designed the

circuit and ordered the parts

let's put them together

[Music]

do

and done okay turn it on okay

are you afraid me no i'm not ah

are you little

well it's on oh it could blow any time

it won't

what does it sound many days later

well i spent some good time improving

the circuit and now i'm running it off

at 12 volt battery and still there is

like two and a half amps going into the

circuit

because there are more losses into the

actual wires compared to the simulation

my inductor is especially getting hot

because it's handling over 30

amps now if i put a piece of iron inside

the coil

the current goes even higher this is

because of

tons of thermal losses ow

due to huge eddy currents and magnetic

losses through the ferromagnetic metal

but low resistance non-ferromagnetic

metal won't have as much losses

so the current won't rise as much if i

put my stainless steel plier in the coil

the car rises to 17 amps

and it gets quite warm right away here

let's put this

in

wow the power it works

let me show you some waveforms this is

the

gate voltage of the mosfets i don't

really like this low rise time

otherwise it's as expected and here's

the drain voltage of the mosfet

the half sine wave we talked about at

around 26 kilohertz and 37 volt peak

and this is the magnificent sine wave

across the resonance components

at 37 volt peak which means there is

around 37 amp

peak through my inductor here which is

of course at no load when there is load

that current will add to it

no wonder it gets so damn hot oh it's

burning

i need thicker wire and there you have

it i made my own

induction heater with no protection this

is very easy yeah the circuit works but

it's not a product

it can easily die in a fiery doom i

added an article with more details to my

website if you are interested and last

but not the least listen to music using

my sponsor raycon's earbuds

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listen you can't go wrong with raycon

just listen to the sound quality

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