Схема косого моста сварочника

Сварочник оказался очень популярным среди посетителей сайта. Поэтому я принял решение выделить его конструкцию в отдельную статью. Здесь я буду публиковать не только свои варианты, но и варианты, присланные другими радиолюбителями.

Сборка, как иллюстрация, может быть использована в любом сварочнике, включая все версии сварочников, опубликованных на этом и на других сайтах. Вот основные картинки с модели.

В дальнейшем эл. конденсаторы я развернул вверх. И получилась модель "Косой+", можно посмотреть в ссылках внизу. А для безкомпасников даю фотку. Ширину конструкции явно удалось уменьшить до 150мм.

Статья больше дневник, чем описание готового изделия. Все недочёты прошу в соответствующий форум, будем совместно редактировать. По мере того, как конструкция будет оживать, буду помечать, типо, "проверено электроникой".

Вся конструкция разработана на базе покупного радиатора SSNT-3440. Радиатор разрезан на 3 части, пополам, а одна половина ещё пополам. Для изготовления "косого" без "переменки" достаточно одного радиатора, для полной версии, с каскадом AC-DC потребуется полтора радиатора. Оставшуюся половинку можно предложить кому-нибудь на здешнем соответствующем форуме.

Трансформатор намотан на сердечнике E-70 фирмы EPCOS.
Первичная обмоотка содержит 14 витков. Вторичная 5 витков. Схема намотки трансформатора поясняется рисунком.

На рисунке представлены 2 варианта намотки. в зависимости от наличия провода и навыков. Возможны и другие варианты, но сечение провода и количество витков желательно оставить без изменений.
Вот как это выглядит в реальных размерах. Витки вполне комфортно укладываются в окно сердечника.

При изготовлении "косого" для токов до 150 ампер, вполне можно обойтись двумя транзисторами IRG4PC50W. В этом случае количество витков необходимо увеличить до 17/6. Сечение провода вторичной обмотки можно уменьшить до 18-
20 мм 2 .

Дроссель.

Вообще-то в данной конструкции 2 дросселя. Один я буду называть "выходной", этот тот, что высоко, а второй дроссель осциллятора.

Выходной дроссель возможен разных конструкций, но только если сварочник не преднозначен для сварки переменкой, т.е. алюминия. Примерная индуктивность дросселя должна быть 30-50 мкГ.
В случае полной версии сварочника вых. дроссель должен быть намотан на алсиферовом кольце 64х40х14мм. Это древнее изделие, трудно доставаемое, но возможно и что-то более современное. Но у меня нет информации по другим возможным сердечникам. Вот, что я намотал для пробы монтажным проводом 16 кв.мм.

Распилил радиаторы и установил их на подложку

Вот понарисовал по корпусу. Прошу покритиковать дизайн.

Блок питания.
Привожу схему слегка "отшлифованного" БП. Дело в том, что у меня была плата БУ известной российской фирмы. Я просто феном повыпаивал то, что там стояло и впаял в этот блок. Поэтому там даже на входе, где +310 у меня стоит мостик (глазастые рассмотрят на фотке), хотя можно поставить просто диод. А пусть стоит, зато налаживать проще.

Реистор R3 по даташиту для ограничения тока выходного транзистора. Для более удобного укладывания обмоток, а так же для выравнивания тока между сдвоенными диодами обмотка 14 Вольт мотается в 2 провода.
Для данной конструкции ток вторички 2 ампера. А пусть будет.
А точнее, без радиатора на вторичке такие напряжения:

Холосой ход — 15,5 вольт,
2 Ампера — 15,4 вольта, микросхема горячая, но защита не срабатывает,
2,5 Ампера — 15,3 Вольта
3 Ампера — 15,2 Вольт и через несколько секунд БП уходит в защиту. После охлаждения "поднимается" без проблемм.

17.12.2011 0 комментариев

Силоваячасть сблоком питания и драйверами.

………. Представленный на схеме сварочный инверторпостроен по схеме однотактного прямохода. На первичную обмоткусварочного трансформатора с помощью двух ключей подаются однополярныеимпульсы выпрямленного сетевого напряжения с заполнением не более 42%. Магнитопровод трансформатора испытывает одностороннееподмагничивание. В паузах между импульсами магнитопроводразмагничивается по так называемой частной петле. Размагничивающий токблагодаря обратно включенным диодам возвращает магнитную энергию,запасённую в сердечнике трансформатора обратно в источник, подзаряжаяконденсаторы (2 x 1000 мкф x 400 В) накопителя.

………. На прямом ходу энергия передаётся внагрузку через сварочный трансформатор и прямо включенные диодывыпрямителя (2x150EBU04). В паузе между импульсами ток в нагрузкеподдерживается благодаря энергии, накопленной в дросселе. Электрическаяцепь в этом случае замыкается через обратные диоды (2x150EBU04). Хорошоизвестно, что на эти диоды приходится бОльшая нагрузка, чем на прямые.Причина – ток в паузе течёт дольше чем в импульсе.

………. Конденсатор 1200 мкф x 250 В включенный всварочные провода через резистор 4,3 Ом обеспечивает чёткое зажиганиедуги. Пожалуй, это одно из удачных схемных решений для поджига в косоммосте.

………. Ключи косого моста работают в режимежёсткого переключения. Причём режим включения заведомо облегчен всегдаприсутствующей индуктивностью рассеивания сварочного трансформатора. И,поскольку к моменту включения ключей считается, что магнитопровод трансформатора полностью размагничен, то по причине отсутствия тока впервичной обмотке, потерями на включение можно пренебречь. Потерина выключение – очень существенные. Для их снижения параллельнокаждому ключу установлены RCD-снабберы.

………. Для обеспечения чёткой работы ключей, вмоменты между включениями на их затворы подаётся отрицательноенапряжение благодаря специальной схеме включения драйверов. Каждыйдрайвер питается от гальванически изолированного источника (около 25 В)блока питания. Напряжение питания «верхнего” драйвераиспользуется для включения реле К1, контакты которого шунтируютпусковой резистор.

………. Блок питания (классический маломощныйфлайбэк) имеет 3 гальванически изолированных выхода. При исправныхдеталях начинает работать сразу. Напряжение для драйверов –23-25В. Напряжение 12 В используется для питания блока управления.

………. Существенные радиаторы нужно предусмотретьдля входного выпрямителя, ключей и выходного выпрямителя. От размеровэтих радиаторов и интенсивности их обдува будет зависетьпостоянная времени работы аппарата. Поскольку аппарат обеспечиваетсущественный сварочный ток (до 180 А), ключи нужно обязательно припаятьк медным пластинам толщиной 4 мм, затем эти «бутерброды”прикрутить к радиаторам через теплопроводную пасту. О том как этосделать написано здесь Вместе крепления ключей посадочное место радиатора должно быть идеальноплоским без сколов и раковин. Желательно чтобы в месте крепления ключейрадиатор имел сплошное тело толщиной не менее 10 мм. Как показалапрактика для лучшего отвода тепла не нужно изолировать ключи отрадиатора. Лучше изолировать радиатор от корпуса аппарата. Вобдув нужно поставить также трансформатор, дроссель и обязательно всерезисторы мощностью 25 и 30 Вт. Остальные элементы схемы в радиаторах иобдуве не нуждаются.

Блок управления

………. Блок управления построен на основераспространённого ШИМ-контроллера TL494 с задействованием одного каналарегулирования. Этот канал стабилизирует ток в дуге. Задание токаформирует микроконтроллер с помощью модуля CCP1 в режиме ШИМ на частотепримерно 75 кГц. Заполнение ШИМ будет определять напряжение наконденсаторе C1. Величина этого напряжения определяет величинусварочного тока.

………. С помощью микроконтроллера выполняется также блокировка инвертора. Если на вход DT(4) TL494 будет подан высокийлогический уровень, то импульсы на выходе Out исчезнут и инверторостановится. Появление логического нуля на выходе RA4 микроконтроллераприведёт к плавному старту инвертора, то есть к постепенному увеличениюзаполнения импульсов на выходе Out до максимального. Блокировкаинвертора используется в момент включения и при превышении температурырадиаторов.

Вот что получилосьв железе. Блокпитания, драйвера и блок управления на одной плате.

. В моём аппарате индикатор и клавиатураподключены к блоку управления через компьютерный шлейф. Шлейф проходитв непосредственной близости от радиаторов ключей и трансформатора. Вчистом виде такой конструктив приводил к ложному нажатию на клавиши.Пришлось применить следующие спец. меры. На шлейфодето ферритовое кольцо К28x16x9. Шлейф скручен (насколько позволялаего длина). Для клавиатуры и термостатов использованыдополнительные подтягивающие резисторы 1,8К, зашунтированныекерамическими конденсаторами 100 пкф. Такое схемное решениеобеспечило помехоустойчивость клавиатуры, полностью исключеныложные нажатия клавиш.

………. Хотя, моё мнение – нужно недопускать помехи в блок управления. Для этого блок управления долженбыть отделён от силовой части сплошным металлическим листом.

Настройка инвертора

………. Силовая часть пока обесточена.Предварительно проверенный блок питания подключаем к блоку управления ивключаем его в сеть. На индикаторе загорятся все восьмёрки, затемвключится реле и, если контакты термостатов замкнуты, то индикаторпокажет задание тока 20 А. Осциллографом проверяем напряжение назатворах ключей. Там должны быть прямоугольные импульсы с фронтами неболее 200 нс, частотой 40-50 кГц напряжением 13-15В в положительнойобласти и 10 В – в отрицательной. Причём в отрицательной областиимпульс должен быть заметно длиннее.

………. Если всё так, собираем полностью схемуинвертора и включаем его в сеть. На индикацию сначала будут выведенывосьмёрки, затем должно включиться реле и индикатор покажет 20 А.Кликая кнопками, пробуем изменять задание тока. Изменение задания токадолжно пропорционально изменять напряжение на конденсаторе C1. Если изменив задание тока не нажимать на кнопки более 1 минуты, топроизойдёт запись задания в энергонезависимую память. На индикаторекратковременно появится сообщение «ЗАПС”. При последующемвключении инвертора величина задания тока будет равна значению, котороезаписалось.

………. Если всё так, устанавливаем задание 20 А ивключаем в сварочные провода нагрузочный реостат сопротивлением 0,5 Ом.Реостат должен выдерживать протекание тока не менее 60 А. К выводамшунта подключаем вольтметр магнитоэлектрической системы со шкалой на 75мВ, например прибор Ц 4380. На нагруженном инверторе пытаемся изменятьзадание тока, и по показаниям вольтметра контролируем ток. В этомрежиме реостат может издавать звук, напоминающий звон. Его не стоитбоятся – это работает токоограничение. Ток должен менятьсяпропорционально заданию. Выставляем задание тока 50 А. Если показаниявольтметра не соответствуют 50 А, то на выключенном инверторе впаиваемсопротивление R1 другого номинала. Подбирая сопротивление R1 добиваемсясоответствие задания тока измеренному.

………. Проверяем работу термозащиты. Для этогообрываем цепь термостатов. На индикаторе высветиться надпись»EroC”. Импульсы на затворах ключей должны исчезнутьВосстанавливаем цепь термостатов. Индикатор должен показатьустановленный ток. На затворах ключей должны появиться импульсы. Ихдлительность должна плавно увеличится до максимальной.

………. Если всё так, можно попытаться варить.После 2-3-х минут сварки током 120-150 А выключаем инвертор из сети иищем 2 самых горячих радиатора. На них нужно установить защитныетермостаты. По возможности термостаты устанавливаются вне зоны обдува.

Прошивка для микроконтроллера PIC16F628:

В HEX формате : kosoy.rar
В SFR формате : kosoy.sfr

Автор конструкции: Руслан Липин

Связаться с автором можно по email (указан на схеме)

Влияние рабочей частоты на габариты трансформатора

Трансформатор является необходимым элементом любого сварочного источника. Он понижает напряжение сети до уровня напряжения дуги, а также осуществляет гальваническую развязку сети и сварочной цепи. Известно, что размеры трансформатора определяются его рабочей частотой, а также качеством магнитного материала сердечника.

Примечание.

При понижении частоты габариты трансформатора возрастают, а при повышении – уменьшаются.

Трансформаторы классических источников работают на относительно низкой частоте сети. Поэтому вес и габариты этих источников в основном определялись массой и объемом сварочного трансформатора.

В последнее время были разработаны различные высококачественные магнитные материалы, позволяющие несколько улучшить массогабаритные параметры трансформаторов и сварочных источников. Однако существенного улучшение этих параметров можно добиться только за счет увеличения рабочей частоты трансформаторов. Так как частота сетевого напряжения является стандартом и не может быть изменена, то повысить рабочую частоту трансформатора можно, используя специальный электронный преобразователь.

Блок-схема инверторного сварочного источника

Упрощенная блок-схема инверторного сварочного источника (ИСИ) изображена на рис. 1. Рассмотрим схему. Сетевое напряжение выпрямляется и сглаживается, а затем подается на электронный преобразователь. Он преобразует постоянное напряжение в переменное высокой частоты. Переменное напряжение высокой частоты трансформируется при помощи малогабаритного высокочастотного трансформатора, затем выпрямляется и подается в сварочную цепь.

Типы трансформаторов

Работа электронного преобразователя тесно связана с циклами перемагничивания трансформатора. Так как ферромагнитный материал сердечника трансформатора обладает нелинейностью и насыщается, то индукция в сердечнике трансформатора может расти лишь до какого-то максимального значения Вm.

После достижения этого значения сердечник необходимо размагнитить до нуля или перемагнитить в обратном направлении до значения – Вm. Энергия может передаваться через трансформатор:

• в цикле намагничивания;
• в цикле перемагничивания;
• в обоих циклах.

Определение.

Преобразователи, обеспечивающие передачу энергии в одном цикле перемагничивания трансформатора, называются однотактными.

Соответственно, преобразователи, обеспечивающие передачу энергии в обоих циклах перемагничивания трансформатора, называются двухтактными.

Однотактный прямоходовый преобразователь

Преимущества однотактных преобразователей. Однотактные преобразователи получили наибольшее распространение в дешевых и маломощных инверторных сварочных источниках, рассчитанных на работу от однофазной сети. В условиях резко переменной нагрузки, каковой является сварочная дуга, однотактные преобразователи выгодно отличаются от различных двухтактных преобразователей:

• они не требуют симметрирования;
• они не подвержены такой болезни, как сквозные токи.

Следовательно, для управления этим преобразователем, требуется более простая схема управления, по сравнению с той, которая потребуется для двухтактного преобразователя.

Классификация однотактных преобразователей. По способу передачи энергии в нагрузку, однотактные преобразователи делятся на две группы: прямоходовые и обратноходовые (рис. 2). В прямоходовых преобразователях энергия в нагрузку передается в момент замкнутого состояния, а в обратноходовых преобразователях — в момент разомкнутого состояния ключевого транзистора VT. При этом в обратноходовом преобразователе, энергия запасается в индуктивности трансформатора Т во время замкнутого состояния ключа и ток ключа имеет форму треугольника с нарастающим фронтом и крутым срезом.

Примечание.

При выборе типа преобразователя ИСИ между прямоходовым и обратноходовым, предпочтение отдается прямоходовому однотактному преобразователю.

Ведь не смотря на его большую сложность, прямоходовой преобразователь, в отличие от обратноходового, имеет большую удельную мощность. Это объясняется тем, что в обратноходовом преобразователе через ключевой транзистор протекает ток треугольной формы, а в прямоходовом — прямоугольной. Следовательно, при одном и том же максимальном токе ключа, среднее значение тока у прямоходового преобразователя получается в два раза выше.

Основными достоинствами обратноходового преобразователя является:

• отсутствие дросселя в выпрямителе;
• возможность групповой стабилизации нескольких напряжений.

Эти достоинства обеспечивают преимущество обратноходовым преобразователям в различных маломощных применениях, каковыми являются источники питания различной бытовой теле- и радиоаппаратуры; а также служебные источники питания цепей управления самих сварочных источников.

Трансформатор однотранзисторного прямоходового преобразователя (ОПП), изображенного на рис. 2, б, имеет специальную размагничивающую обмотку III. Эта обмотка служит для размагничивания сердечника трансформатора Т, который намагничивается во время замкнутого состояния транзистора VT.

В это время напряжение на обмотке III прикладывается к диоду VD3 в запирающей полярности. Благодаря этому размагничивающая обмотка не оказывает никакого влияния на процесс намагничивания.

После закрытия транзистора VT:

• напряжение на обмотке III меняет свою полярность;
• диод VD3 отпирается;
• энергия, накопленная в трансформаторе Т, возвращается в первичный источник питания Uп.

Примечание.

Однако на практике, из-за недостаточной связи между обмотками трансформатора, часть энергии намагничивания не возвращается в первичный источник. Эта энергия обычно рассеивается в транзисторе VT и демпфирующих цепочках (на рис. 2 не показаны), ухудшая общую эффективность и надежность преобразователя.

Косой мост. Указанный недостаток отсутствует в двухтранзисторном прямоходовом преобразователе (ДПП), который зачастую называют «косой мост» (рис. 3, а). В этом преобразователе (благодаря введению дополнительного транзистора и диода) в качестве размагничивающей обмотки используется первичная обмотка трансформатора. Так как эта обмотка сама с собою полностью связана, то проблемы не полного возврата энергии намагничивания полностью исключаются.

Рассмотрим подробнее процессы, происходящие в момент перемагничивания сердечника трансформатора.

Общей особенностью всех однотактных преобразователей является то, что их трансформаторы работают в условиях с односторонним намагничивантем.

Магнитная индукция В (в трансформаторе с односторонним намагничиванием) может изменяется только в пределах от максимальной Вm до остаточной Вr, описывая частную петлю гистерезиса.

Когда транзисторы VT1, VT2 преобразователя открыты, энергия источника питания Uп через трансформатор Т передается в нагрузку. При этом сердечник трансформатора намагничивается в прямом направлении (участок а-b на рис. 3, б).

Когда транзисторы VT1, VT2 заперты, ток в нагрузке поддерживается за счет энергии запасенной в дросселе L. При этом ток замыкается через диод VD0. В этот момент под действием ЭДС обмотки І, открываются диоды VD1, VD2, и через них протекает ток размагничивания сердечника трансформатора в обратном направлении (участок b-а на рис. 3, б).

Изменение индукции ∆В в сердечнике происходит практически от Вm до Вr и значительно меньше значения ∆В= 2·Вm, возможного для двухтактного преобразователя. Некоторый прирост ∆В можно получить с помощью введения немагнитного зазора в сердечник. Если сердечник имеет немагнитный зазор δ, то остаточная индукция становится меньше, чем Вr. В случае наличия немагнитного зазора в сердечнике, новое значение остаточной индукции можно найти в точке пересечения прямой, проведенной из начала координат под углом Ѳ, к кривой перемагничивания (точка В1 на рис. 3, б):

где µ – магнитная проницаемость;

l_c – длина средней силовой магнитной линии магнитного сердечника, м;

δ – длина немагнитного зазора, м.

Определение.

Магнитная проницаемость – это отношение индукции В к напряженности Н для вакуума (также справедливо и для немагнитного воздушного зазора) и является физической постоянной, численно равной µ=4π·10 -7 Гн/м.

Величину tgѲ можно рассматривать как проводимость немагнитного зазора, приведенную к длине сердечника. Таким образом, введение немагнитного зазора эквивалентно введению отрицательной напряженности магнитного поля:

Двухтактный мостовой преобразователь

Достоинства двухтактных преобразователей. Двухтактные преобразователи содержат большее количество элементов и требуют более сложных алгоритмов управления. Однако эти преобразователи обеспечивают меньшую пульсацию входного тока, а также позволяют получить большую выходную мощность и эффективность, при одинаковой мощности дискретных ключевых компонентов.

Схема двухтактного мостового преобразователя. На рис. 4, а изображена схема двухтактного мостового преобразователя. Если сравнивать этот преобразователь с однотактными, то он ближе всего к двухтранзисторному прямоходовому преобразователю (рис. 3) . Двухтактный преобразователь легко в него преобразуется, если убрать пару транзисторов и пару диодов, расположенных по диагонали (VT1, VT4, VD2,VD3 или VT2, VT3, VD1, VD4).

Таким образом, двухтактный мостовой преобразователь является комбинацией двух однотактных преобразователей, работающих поочерёдно. При этом энергия в нагрузку передается в течение всего периода работы преобразователя, а индукция в сердечнике трансформатора может меняться от -Вm до +Вm.

Как и в ДПП, диоды VD1—VD4 служат для возврата энергии, накопленной в индуктивности рассеяния Ls трансформатора Т, в первичный источник питания Uп. В качестве этих диодов могут быть использованы внутренние диоды MOSFET.

Принцип действия. Рассмотрим подробнее процессы, происходящие в момент перемагничивания сердечника трансформатора.

Примечание.

Общей особенностью двухтактных преобразователей является то, что их трансформаторы работают в условиях с симметричным перемагничиванием.

Магнитная индукция В, в сердечнике трансформатора с симметричным перемагничиванием, может изменяется в пределах от отрицательно -Вm до положительной +Вm максимальной индукции.

В каждом полупериоде работы ДМП открыты два ключа, расположенные по диагонали. В паузе все транзисторы преобразователя обычно закрыты, хотя существуют режимы управления, когда некоторые транзисторы преобразователя остаются открытыми и в паузе.

Сосредоточимся на режиме управления, согласно которого в паузе все транзисторы ДМП закрыты.

Когда транзисторы VT1, VT4 преобразователя открыты, энергия источника питания Uп через трансформатор Т передается в нагрузку. При этом сердечник трансформатора намагничивается в условном обратном направлении (участок b-а на рис. 4, б).

В паузе, когда транзисторы VT1, VT4 закрыты, ток в нагрузке поддерживается за счет энергии, запасенной в дросселе L. При этом ток замыкается через диод VD7. В этот момент одна из вторичных обмоток (IIа или IIb) трансформатора Т замкнута накоротко через открытый диод VD7 и один из выпрямительных диодов (VD5 или VD6). В результате этого индукция в сердечнике трансформатора практически не меняется.

После завершения паузы открываются транзисторы VT2, VT3 преобразователя, и энергия источника питания Uп через трансформатор Т передается в нагрузку.

При этом сердечник трансформатора намагничивается в условном прямом направлении (участок а-b на рис. 4). В паузе, когда транзисторы VT2, VT3 закрыты, ток в нагрузке поддерживается за счет энергии запасенной в дросселе L. При этом ток замыкается через диод VD7. В этот момент индукция в сердечнике трансформатора практически не меняется и фиксируется на достигнутом положительном уровне.

Примечание.

Из-за фиксации индукций в паузах, сердечник трансформатора Т способен перемагничиваться только в моменты открытого состояния диагонально расположенных транзисторов.

Чтобы в этих условиях избежать одностороннего насыщения необходимо обеспечить равное время открытого состояния транзисторов, а также симметричность силовой схемы преобразователя.