This great little project demonstrates the principles of high frequency magnetic induction. The circuit is very simple to build and only uses a few common  components. With the induction coil shown here the circuit draws about 5A from a 15V supply when a screwdriver tip is heated. It takes approximately 30 second for the tip of the screwdriver to become red hot!

The control circuit uses a method known as ZVS (zero voltage switching) to activate the transistors which allows for an efficient transfer of power. In the circuit you see here, the transistors barely get warm due to the ZVS method. Another great thing about this device is that it is a self resonant system and will automatically run at the resonant frequency of the attached coil and capacitor. If you want to save some time, we have an induction heater circuit available in our shop. You might still want to read this article though for some good tips on getting your system working well.

When a magnetic field changes near a metal or other conductive object, a flow of current (known as an eddy current) will be induced in the material and will generate heat. The heat generated is proportional to the current squared multiplied by the resistance of the material. The effects of induction are used in transformers for converting voltages in all sorts of appliances. Most transformers have a metallic core and will therefore have eddy currents induced into them when in use. Transformer designers use different techniques to prevent this as the heating is just wasted energy. In this project we will directly make use of this heating effect and try to maximise the heating effect produced by the eddy currents.

If we apply a continuously changing current to a coil of wire, we will have a continuously changing magnetic field within it. At higher frequencies the induction effect is quite strong and will tend to concentrate on the surface of the material being heated due to the skin effect. Typical induction heaters use frequencies from 10kHz to 1MHz.

The circuit used is a type of collector resonance Royer oscillator which has the advantages of simplicity and self resonant operation. A very similar circuit is used in common inverter circuits used for powering fluorescent lighting such as LCD backlights. They drive a center tapped transformer which steps up the voltage to around 800V for powering the lights. In this DIY induction heater circuit the transformer consists of the work coil and the object to be heated.

The main disadvantage of this circuit is that a center tapped coil is needed which can be a little more tricky to wind than a common solenoid. The center tapped coil is needed so that we can create an AC field from a single DC supply and just two N-type transistors. The center of the coil is connected to the positive supply and then each end of the coil is alternately connected to ground by the transistors so that the current will flow back and forth in both directions.

The amount of current drawn from the supply will vary with the temperature and size of the object being heated.

From this schematic of the induction heater you can see how simple it really is. Just a few basic components are all that is needed for creating a working induction heater device.

R1 and R2 are standard 240 ohm, 0.6W resistors. The value of these resistors will determine how quickly the MOSFETs can turn on, and should be a reasonably low value. They should not be too small though, as the resistor will be pulled to ground via the diode when the opposite transistor switches on.

The diodes D1 and D2 are used to discharge the MOSFET gates. They should be diodes with a low forward voltage drop so that the gate will be well discharged and the MOSFET fully off when the other is on. Schottky diodes such as the 1N5819are recommended as they have low voltage drop and high speed. The voltage rating of the diodes must be sufficient to withstand the the voltage rise in the resonant circuit. In this project the voltage rose to as much as 70V.

The transistors T1 and T2 are 100V 35A MOSFETs (STP30NF10). They were mounted on heatsinks for this project, but they barely got warm when running at the power levels shown here. These MOSFETs were chosen due to having a low drain-sorce resistance and fast response times.

The inductor L2 is used as a choke for keeping the high frequency oscillations out of the power supply, and to limit current to acceptable levels. The value of inductance should be quite large (ours was about 2mH), but also must be made with thick enough wire for carrying all the supply current. If there is no choke used, or it has too little inductance, the circuit might fail to oscillate. The exact inductance value needed will vary with the PSU used and your coil setup. You may need to experiment before you get a good result. The one shown here was made by winding about 8 turns of 2mm thick magnet wire on a toroidal ferrite core. As an alternative you can simply wind wire onto a large bolt but you will need many more turns of wire to get the same inductance as from a toroidal ferrite core. You can see an example of this in the photo on the left. In the bottom left corner you can see a bolt wrapped with many turns of equipment wire. This setup on the breadboard was used at low power for testing. For more power it was necessary to use thicker wiring and to solder everything together.

As there were so few components involved, we soldered all the connections directly and did not use a PCB. This was also useful for making the connections for the high current parts as thick wire could be directly soldered to the transistor terminals. In hindsight it might have been better to connect the induction coil by screwing it directly to the heatsinks on the MOSFETs. This is because the metal body of the transistors is also the collector terminal, and the heatsinks could help keep the coil cooler.

The capacitor C1 and inductor L1 form the resonant tank circuit of the induction heater. These must be able to withstand large currents and temperatures. We used some 330nF polypropylene capacitors. More detail on these components is shown below.

The coil must be made of thick wire or pipe as there will be large currents flowing in it. Copper pipe works well as the high frequency currents will mostly flow on the outer parts anyway. You can also pump cold water through the pipe to keep it cool.

A capacitor must be connected parallel to the work coil to create a resonant tank circuit. The combination of inductance and capacitance will have a specific resonant frequency at which the control circuit will automatically operate. The coil-capacitor combination used here resonated at around 200kHz. 

It is important to use good quality capacitors that can withstand large currents and the heat dissipated within them otherwise they would soon fail and destroy your drive circuit. They must also be placed reasonably close to the work coil and using thick wire or pipe. Most of the current will be flowing between the coil and capacitor so this wire must be thickest. The wires linking to the circuit and power supply can be slightly thinner if desired.

This coil here was made from 2mm diameter brass pipe. It was simple to wind and easy to solder to, but it would soon start to deform due to excess heating. The turns would then touch, shorting out and making it less effective. Since the control circuit stayed relatively cool during use, it seemed that this could be made to work at higher power levels but it would be necessary to use thicker pipe or to water cool it. Next the setup was improved to tolerate a higher power level.

Antes de que se inventaran las válvulas de vacío y los transistores, los primitivos receptores de radio fueron los de galena. Se trataba de aparatos sencillísimos, con muy pocos componentes, y que ni siquiera precisaban energía eléctrica para su funcionamiento. Básicamente, una radio de galena consistía en una bobina, un condensador variable, un cristal detector (la galena) y unos auriculares.

Hoy en día cualquier persona podría construir una radio de galena, aunque este mineral de plomo (sulfuro de plomo) difícil de conseguir en la actualidad, puede ser simulado sustituyéndolo por otro componente que se puede adquirir en cualquier comercio de electrónica. El siguiente esquema ilustra un diseño de radio de galena muy simple para su construcción.

 

Consta de los siguientes componentes:

- Una antena. En la práctica es un simple hilo de cobre de varios metros de longitud

- Una toma de tierra. No es más que un cable conectado a una cañería o un somier metálico. Sería ideal si se pudiera disponer de una auténtica toma de tierra, mediante una pica de cobre enterrada en una zona bien húmeda.

- Una bobina de sintonía. Es un componente necesario para hacer un circuito resonante que sintonice las emisoras. Para recibir la onda media (OM) modulada en amplitud (AM), se puede construir arrollando 400 vueltas de hilo de cobre esmaltado de 0,2 mm de sección, sobre un soporte cilíndrico de 3 cm. de diámetro y 10 cm. de longitud, dejando una toma al aire cada 50 vueltas, y un pequeño borde de medio centímetro sin arrollar en cada extremo. Para que el hilo no se mueva se puede cubrir con parafina que podemos obtener de una simple vela. El soporte puede ser un tubo de PVC de los utilizados para la conducción de agua. El hilo de cobre esmaltado puede comprarse en cualquier comercio de componentes electrónicos.

- Un condensador variable. Se trata simplemente de dos placas metálicas que giran sobre un eje paralelas entre sí, pero sin tocarse físicamente, y que al cerrarse más o menos ofrecen mayor o menor superficie, y por tanto una mayor o menor capacidad electrostática. Es un componente necesario para hacer variable la frecuencia de resonancia de la bobina, y así poder movernos entre un punto y otro del dial, dejando pasar sólo una de las señales de entre todas las que entran por la antena. El condensador puede ser el de una radio vieja, de transistores o a válvulas, pero también se puede comprar fácilmente; su valor capacitivo debería ser al menos de 450 ó 500 picofaradios.

- Un diodo detector de la señal de radiofrecuencia, que hará las veces de galena. Es un componente necesario para rectificar la corriente de radiofrecuencia y dejar pasar sólo el voltaje de la señal de audio, que se convertirá después en sonidos en los auriculares. Como será difícil conseguir el mineral de galena, compraremos y utilizaremos en su lugar un simple diodo de germanio del tipo OA90, OA79, OA81, OA85 ó cualquier otro equivalente.

- Unos auriculares de alta impedancia. Es posible que sea difícil de conseguir en la actualidad este tipo de auriculares, pues no valen los comunes auriculares dinámicos (de 4, 8 ó 16 ohmios), ya que por su baja impedancia la poca energía que captásemos por la antena sería consumida inmediatamente en su propia resistencia interna. Los auriculares aptos para escuchar una radio de galena son los de cristal o con impedancias superiores a los 2.000 ohmios, y salvo para aplicaciones especiales ya no suelen fabricarse. No obstante, podemos solventar este inconveniente complicando ligeramente el circuito, añadiendo un transformador que nos permita disponer una alta impedancia en el primario y una baja impedancia en el secundario. Para ello podemos recurrir a un transformador de los usados habitualmente como alimentador en los pequeños aparatos electrónicos, de 220 voltios de entrada, 3 ó 6 voltios de salida, y 200 ó 300 miliamperios de corriente. Este transformador se instala entre el receptor y los auriculares (éstos pueden ser dinámicos normales de 4, 8 ó 16 ohmios), conectando la salida de 3 ó 6 voltios a los auriculares y la entrada de 220 voltios al circuito del receptor. De esta forma, las impedancias quedan equilibradas y la energía puede llegar a los auriculares con pocas pérdidas, en caso contrario toda ella se disiparía irremediablemente en el bobinado de los auriculares sin ser convertido en ondas sonoras. 

El primer circuito propuesto, aunque muy sencillo, podría simplificarse aún más eliminando el condensador variable y, en su lugar, utilizando una ferrita que pudiera desplazarse por el interior del tubo de la bobina. De esta forma, introduciendo más o menos la ferrita, iría variando la resonancia de la bobina de la misma forma que se conseguía al variar el condensador.

Circuito simplificado, en el que el condensador variable ha sido sustituido por una ferrita que puede ser desplazada por el interior del cuerpo de la bobina

Para escuchar las emisoras, una vez conectadas la antena y toma de tierra, no hay más que unir el extremo libre del circuito a una de las tomas libres de la bobina, e ir moviendo el condensador hasta que captemos alguna emisora. Si no se recibe ninguna, cambiaremos a otra toma de la bobina y repetiremos el proceso de girar el condensador. Si se utiliza el circuito simplificado, entonces sólo hay que desplazar la ferrita por el interior del cilindro de la bobina para ir sintonizando las emisoras.

Hay que tener en cuenta que este aparato no dispone de amplificador, ni etapas separadoras de radiofrecuencia, por eso su fidelidad es alta pero no así su selectividad, siendo fácil que dos o más emisoras se solapen una sobre la otra y se escuchen a la vez. Dado que no posee alimentación de corriente externa, toda la energía que llega a los auriculares es la que trae la propia onda electromagnética que entra por la antena, de ahí que no se puedan utilizar altavoces ni auriculares de baja impedancia.

En vista de la popularidad de este circuito entre los usuarios del blog, y dado que han surgido numerosas dudas y peticiones de ayuda para su construcción, he decidido construir yo mismo un receptor con los materiales que tenía más a mano, y poner los resultados a vuestra disposición.

Contando con los componentes de que disponía, me propuse construir el siguiente diseño:

 

Una de la dudas que he observado en vuestros comentarios es el de la bobina, que por otro lado es el componente más complicado del circuito, pues hay que construirla. Pues bien, aquí tenéis una solución muy simple, pero que os puede servir de ejemplo.

Comencemos pues por la bobina, que va a ser variable mediante un sistema de desplazamiento, también muy simple y rudimentario:

Tomé una botella de cristal de 3/4 de litro, y a lo largo de todo el cuerpo bobiné hilo de cobre esmaltado. Para empezar, diré que no tenía hilo suficiente de la misma sección para cubrir toda la botella, así que fuí bobinando hilo de 0,6 mm, hasta que se terminó (cubrió una tercera parte de la botella), el resto es hilo de otra sección (unos 0,8 mm) que uní al anterior (lo ideal es que sea todo de la misma sección). Fui contando las vueltas y en total salieron 158; cada vuelta al cuerpo de la botella tiene una longitud de 24 ó 25 cm., así que si multiplicáis os dará un buen numero de metros de hilo utilizado.

Diseñé este tipo de bobina variable para evitar hacer conexiones en la misma a intervalos regulares, o tener que utilizar condensador variable 0 ferritas. Precisamente, otro problema que ha surgido en vuestros montajes es el del condensador variable: muchos no localizan condensadores de la capacidad marcada, o se complican la vida en el momento de conectarlos, pues algunos condensadores vienen montados en tanden (dos o más en uno) y no saben qué conexiones tienen que utilizar. Con esta bobina el problema del condensador queda eliminado, por que no lo usaremos.

El hilo de la bobina tiene que ir bien ajustado al cuerpo de la botella y con las vueltas bien apretadas (sólo lleva una capa de hilo). El hilo lo fijé con cinta de carrocero para que no se moviera mientras bobinaba.

Una vez construida la bobina conecté el resto de componentes; para esta prueba ni siquiera hizo falta soldarlos. En la foto apenas se aprecia el diodo de germanio, pues es de cristal y muy diminuto, pero debajo hice un croquis del circuito para situarlo. El resto de componentes son fáciles de identificar.

Como no tengo auriculares de cristal, y además son difíciles de conseguir, utilicé el sistema del transformador para adaptar impedancias. Encontré por los cajones tres transformadores ya desmontados, de los que se utilizan para alimentadores: todos eran con entrada de 220 voltios; las salidas de cada uno eran 9, 12 y 24+24 voltios. Fuí probando para ver cuál daba mejores resultados, pero como ya intuía, el de 9 voltios aprovechó al máximo la señal. Si hubiera tenido un trasformador con salida de 6 voltios hubiera mejorado aún más la ganancia del circuito. Como auriculares utilicé los de una radio Walkman.

Como antena y toma de tierra usé lo que tenía a mano: un largo cable bifiliar de teléfono. La antena la conecté al mismo hilo del cursor, y la toma de tierra al otro extremo de la bobina (uno de los lados de la bobina queda al aire, como se puede ver en la foto, porque no se utiliza).

Todas las labores de montaje las hice sobre una tabla de planchar, y buscando una buena tierra pensé en el trípode metálico de la propia tabla, pero fue insuficiente, como veréis más adelante.

Como véis en el esquema, el cursor tiene que moverse a través del cuerpo de la bobina, pero el hilo es aislante, así que tuve que raspar una franja de arriba abajo con mucho cuidado (para que las limaduras no hiciesen corto después entre las vueltas) de unos 3 cm. de ancho, hasta que el cobre quedó desnudo en esa zona (se ve en la foto que hay una franja vertical más brillante). Después con mucho cuidado limpié todas las limaduras con un cepillo.

Para esta prueba no me paré a diseñar y construir un cursor (como la que aparece en la foto de la bobina antigua italiana que encabeza la primera parte de este artículo), simplemente uní una pequeña malla de cobre al extemo del hilo que va al diodo, y con mis manos aisladas (para no derivar a tierra a través de mi cuerpo las débiles señales que entran por la antena) fuí moviendo la malla de cobre por todo el cuerpo de la bobina, procurando que las puntas metálicas de la malla hiciesen un buen contacto con las vueltas de hilo mientras la desplazaba.

Al principio no conseguí escuchar ninguna emisora, a pesar de que oía chasquidos al mover el cursor, lo cual significaba que en principio el circuito estaba bien montado. Como primera medida estiré todo el cable que servía de antena (el de color amarillo que se ve saliendo hacia arriba por el cuello de la botella), y lo desplegué por todo lo alto de un armario, a unos 2,5 m. de altura.

Repetí la operación de desplazar el cursor, pero seguía escuchando chasquidos, así que rápidamente eché la culpa a la toma de tierra. Obviamente, el chasis metálico de la tabla de planchar no sirve. Busqué algo, un somier metálico o similar, pero no localicé nada de ese estilo. Pero, de pronto lo vi, tenía una hermosa, maravillosa toma de tierra: toda la instalación de calefacción era de cobre, y además estaba instalada a la vista, por el zócalo de toda la casa.

Limé un poco una zona del tubo, enrollé a su alrededor el cable bifiliar de teléfono y, ¡¡Eureka!!, nada más ponerme los auriculares y mover un poco el cursor comenzaron a escucharse emisoras con una fuerza como no había oido antes en este tipo de aparatos. Las mejores señales se recibían con el cursor situado a 2/3 partes de la bobina (justo como aparece en la foto), eso si, varias de ellas se entremezclaban y sólo la más potente se escuchaba con claridad. Sin embargo, pude seguir sin problemas la emisión de fútbol de Radio Nacional de España; también entraba con fuerza la Cope, la cual identifiqué rápidamente por el tipo de contenidos que estaban dando (religiosos, obviamente).

Se denomina batería, batería eléctrica, acumulador eléctrico o simplemente acumulador, al dispositivo que consiste en una o más celdas electroquímicas que pueden convertir la energía química almacenada en electricidad. 

Las baterías vienen en muchas formas y tamaños, desde las celdas en miniatura que se utilizan en audífonos y relojes de pulsera, a los bancos de baterías del tamaño de las habitaciones que proporcionan energía de reserva a las centrales telefónicas y ordenadores de centros de datos.

La tensión o potencial (en voltios) es el primer parámetro a considerar, pues es el que suele determinar si el acumulador conviene al uso al cual se le destina. Viene fijado por el potencial de reducción del par redox utilizado; suele estar entre 1 V y 4 V por elemento.

Se obtiene de calcular el trabajo, W, requerido para transferir una cantidad de carga que a través de una sección transversal de un elemento (el conductor o cable) contra la fuerza eléctrica que producen las otras cargas del conductor. La unidad de voltaje es el voltio. Matemáticamente:

Donde:

Simplificando mucho, el voltaje es como la altura de una cascada de agua, mientras más alta sea la cascada, mayor será su fuerza para mover una noria. Una cascada de agua de altura pequeña moverá poco la rueda, hará poco trabajo. Una cascada de gran altura moverá mucho la rueda, hará gran trabajo. Por ello si se quiere obtener más trabajo se necesita una pila de voltaje superior. Por ejemplo en autos radio controlados cuanto más voltaje tenga la batería será mayor la potencia que mueve el automóvil.

Es la tasa de cambio neta de la carga Q (medido en culombios) transferida a través de una sección transversal de un conductor.

Donde:

Siguiendo la analogía anterior la corriente es como el agua de una cascada que se desplaza y que mueve la noria. En motores de corriente continua mientras mayor es la corriente más torque se puede realizar con el motor. Siendo simplista más fuerza podrá hacer dicho motor.

La capacidad de carga que puede almacenar el elemento o capacidad del acumulador, se mide en amperios-hora (Ah) y es el segundo parámetro a considerar. Especial importancia tiene en algunos casos la intensidad de corriente máxima obtenible, medida en amperios (A); p. ej., los motores de arranque de los automóviles exigen esfuerzos muy grandes de la batería cuando se ponen en funcionamiento (centenas de A), pero actúan durante poco tiempo.

Un miliamperio-hora es la corriente en miliamperios que puede entregar la pila durante 1 hora. Entre una batería o pila de 1200 mAh y otra de 2200 mAh la segunda durará más tiempo porque tiene mayor cantidad de carga eléctrica almacenada. En cualquier equipo eléctrico podemos colocar cualquier pila con cualquier mAh ya que influye en la duración.

La carga eléctrica se mide en la práctica por referencia a los tiempos de carga y de descarga en amperios (A). La unidad SI es el culombio (C).

Donde:

Por tanto, la carga eléctrica en las distintas unidades es:

La energía que puede suministrar una batería depende de su capacidad y de su voltaje, se mide habitualmente en Wh (vatios-hora); la unidad SI es el julio.

Donde:

Por tanto las equivalencias entre unidades son:

Como

Donde:³

La equivalencia de unidades se puede desarrollar en:

Téngase en cuenta, sin embargo, que, cuando le den indicaciones en el cuerpo de las baterías o en sus envases, como «Cárguese a 120 mA durante 12 horas», el producto resultante excederá la capacidad del acumulador, el exceso de carga se disipa dentro de la batería en forma de calor a causa de su resistencia interna. Si la capacidad del acumulador fuesen 1200 mAh y se le aplicara una corriente de carga de 120 mA durante 12 horas, , por lo que 240 mAh será la carga convertida en calor dentro de la batería y 1200 mAh la efectivamente almacenada en ella. Para calcular la energía perdida bastaría multiplicar los 240 mAh de exceso de carga por la tensión de carga.

La resistencia de las baterías es muy inferior a la de las pilas, lo que les permite suministrar cargas mucho más intensas que las de éstas, sobre todo de forma transitoria. Por ejemplo, la resistencia interna de una batería de plomo-ácido es de 0,006 ohm, y la de otra de Ni-Cd, de 0,009 ohm.

Otra de las características importantes de una batería es su masa, y la relación entre ella y la capacidad eléctrica (Ah/kg) o la energía (Wh/kg) que puede restituir. En algunos casos puede ser también importante el volumen que ocupe (Ah/m3) o (Ah/litro).

El rendimiento es la relación porcentual entre la energía eléctrica recibida en el proceso de carga y la que el acumulador entrega durante la descarga. La batería de plomo-ácido tiene un rendimiento de más del 90 %. las baterías Ni-Cd un 83 %.

C es una constante creada por los fabricantes que depende de los miliamperios hora especificados en la batería y que se usa para poder señalar más fácilmente la intensidad a la que debe cargarse o descargarse una batería sin que ésta sufra daños. Se calcula como sigue:

Donde:

En el mercado, por ejemplo, las pilas LiPo vienen rotuladas con 20C o similares, este número indica la máxima capacidad de descarga y se destaca en los rotulos porque según el uso que se les dé, por ejemplo para radioaficionados que compiten en carreras de auto o aviones les indicará el tiempo de vuelo, la duración variará.

Por ejemplo, una LiPo de 1200 mAh:

Luego el fabricante colocaría «No carge la batería a más de 1C», entonces 1·1,2= 1,2, por lo no se cargaría a más de 1,2 A.

También señala «No descargue la batería a más de 7C», entonces 7·C = 7·1,2 = 8,4, por lo que no deberíamos descargar la LiPo del ejemplo con una intensidad mayor de 8,4 A.

El efecto memoria es un efecto no deseado que afecta a las baterías y por el cual en cada recarga se limita el voltaje o la capacidad (a causa de un tiempo largo, una alta temperatura, o una corriente elevada). La consecuencia es la reducción de la capacidad de almacenar energía debido a el interior de la batería.

Reparacion

Cuando usas la laptop enchufada mucho tiempo a la toma de corriente de 220V o 110V, cualquiera sea el caso, vas a notar que a los meses la bateria ya no dura mucho, esto sucede debido a que la bateria se carga y intenta mantener su carga constantemente y se "ESTRESA", por lo que el material de litio ya no funcionara de manera correcta.

Para solucionar este problema, necesitaremos los siguientes materiales: