amat_spawarka_c2.pdf

P R O J E K T Y

Amatorska spawarka,

część 2

AVT−837

W†drugiej czÍúci artyku³u

zostanie zaprezentowany

sposÛb wykonania

transformatora impulsowego

oraz pozosta³ych elementÛw

strony wtÛrnej, a†wiÍc

prostownika i†d³awika. Od

pocz¹tku urz¹dzenie by³o

projektowane tak, aby

sk³ada³o siÍ z†dwÛch czÍúci:

uniwersalnego sterownika

impulsowego, wspÛlnego dla

wszystkich konstrukcji, oraz

charakterystycznych dla

kaødego wykonania elementÛw

indukcyjnych. Dlatego

w†niniejszym artykule, oprÛcz

opisu rozwi¹zania wykonanego

przez autora, zostanie podana

pe³na metodologia

przystosowania konstrukcji do

w³asnych warunkÛw

(w szczegÛlnoúci innych

magnetykÛw), co najczÍúciej

sprawia k³opot konstruktorom.

Pofalowane i†szybkozmienne

napiÍcie wyprostowane sieci, ja-

kie dostarcza uk³ad sterownika

impulsowego, musi byÊ prze-

transformowane (dla obniøenia

napiÍcia do wartoúci wymaganej

w†procesie spawania) i wypros-

towane (w†za³oøeniu chcemy bo-

wiem spawaÊ pr¹dem sta³ym).

Pierwszym elementem, pod³¹cza-

nym do strony wtÛrnej sterow-

nika, jest transformator impulso-

wy. Jego zadanie jest proste -

musi on obniøyÊ pierwotne 300V

do oko³o 45..50V, taka wartoúÊ

napiÍcia jest wymagana do pew-

nego zapalenia ³uku elektryczne-

go. Podczas spawania napiÍcie

wyjúciowe spawarki jest mniej-

sze, ale w†opisywanym rozwi¹-

zaniu redukcji dokonuje uk³ad

ograniczenia pr¹du. Bez proble-

mu moøna wiÍc wyliczyÊ war-

toúÊ przek³adni N=Up/Uw = 6.

Oczywiúcie, danym z†katalogÛw

nie naleøy wierzyÊ bezkrytycznie

- pamiÍtajmy, øe podobnie jak

w†innych dziedzinach (np. mocy

zestawÛw g³oúnikowych do samo-

chodu lub komputera) podawane

tam wartoúci parametrÛw s¹ wy-

liczonymi i†maksymalnie wyøy³o-

wanymi wartoúciami, moøliwymi

do osi¹gniÍcia w†idealnych warun-

kach i†przy nawijaniu rdzenia nad-

przewodnikiem. Do danych kata-

logowych stosujemy zatem wspÛ³-

czynnik wyczucia inøynierskiego

ìkî o†wartoúci 0,5..0,75 (w zaleø-

noúci od katalogu), przez ktÛry

mnoøymy odczytane graniczne

wartoúci mocy. Wydaje siÍ to

nieco zagmatwane i†dlatego dla

osÛb, ktÛre nie opanowa³y jeszcze

sztuki interpretacji podajÍ w†tabeli

dane pozwalaj¹ce na zasadzie po-

rÛwnania dobraÊ coú nietypowego.

Do obliczeÒ przyk³adowych uøy-

jemy rdzenia typu E65/28 (pozwa-

laj¹cego na przeniesienie maksy-

malnie 1,5kW) o†katalogowych pa-

rametrach: Le (d³ugoúÊ skuteczna)

147mm, Ve=80300mm 3 , me=1700

i†Al=7400nH/zw 2 . Ta kszta³tka po-

winna byÊ oczywiúcie wykonana

z†materia³u przeznaczonego do pra-

cy z†duøymi mocami. W†przypadku

kszta³tek produkcji jeszcze do nie-

dawna istniej¹cego Polferu s¹ to

materia³y F807 i†F814, dla Philipsa

oznacza to materia³y 3C8, 3C85 lub

nowy 3F3, z†kolei od Siemensa

moøna zastosowaÊ materia³y N67,

N87 itp.

Transformator

RdzeÒ, jaki zdolny bÍdzie prze-

nieúÊ ø¹dan¹ moc, moøna wyse-

lekcjonowaÊ z dobrego katalogu

magnetykÛw (np. Philipsa) lub

korzystaj¹c z coraz popularniej-

szego oprogramowania, ³¹cz¹cego

w†sobie cechy katalogu i†kalkula-

tora (np. Siemensa). Przy porÛw-

nywaniu rÛønych kszta³tek zwra-

camy uwagÍ na parametr zastÍp-

czej objÍtoúci magnetycznej (Ve) -

im rdzeÒ ma wiÍksze Ve, tym

w†przybliøeniu wiÍksz¹ moc moøe

przenieúÊ i†odwrotnie.

Elektronika Praktyczna 12/99

Amatorska spawarka

Amatorska spawarka

Zakupiony rdzeÒ trzeba nieste-

ty nawin¹Ê. Logiczne jest, øe

z†uwagi na wyj¹tkow¹ uci¹øliwoúÊ

tej czynnoúci oraz na wielkoúÊ

strat mocy, liczba zwojÛw w†kaø-

dym z†uzwojeÒ powinna byÊ jak

najmniejsza. No to ile?

Odpowiedü jest prosta - tyle,

aby rdzeÒ siÍ nie nasyci³ od pr¹du

magnesuj¹cego. Zapomnijmy przez

chwilÍ, øe jest to transformator

i†za³Ûømy, iø jest to zwyk³y d³awik

jednouzwojeniowy. Gdy taki d³a-

wik do³¹czymy do ürÛd³a napiÍcia,

zacznie p³yn¹Ê liniowo narastaj¹cy

pr¹d. W†opisanym uk³adzie, przy

czÍstotliwoúci pracy falownika

40kHz bÍdzie on p³yn¹Ê przez

maksymalnie t=12,5ms (w praktyce

nawet nieco mniej). Przy induk-

cyjnoúci uzwojenia pierwotnego

L†maksymalna wartoúÊ pr¹du wy-

niesie wiÍc Im=U*t/L.

Jaka powinna byÊ wartoúÊ tego

pr¹du? Taka, aby wywo³ywana

przez niego indukcja nie by³a

wiÍksza niø ok. 40% maksymal-

nej. Ferryt typu F807 ma indukcjÍ

nasycenia rzÍdu 330mT, pr¹d

magnesuj¹cy nie powinien jednak

wywo³ywaÊ w†rdzeniu indukcji

wiÍkszej niø 100..150mT. Wiel-

koúÊ indukcji moøna wyliczyÊ ze

wzoru B=me*I*z/Le, gdzie me to

skuteczna przenikalnoúÊ (dana

z†katalogu), I†- pr¹d p³yn¹cy przez

uzwojenie - tu pr¹d magnesuj¹cy,

z†- liczba zwojÛw, a†Le - to

kolejny parametr rdzenia z†kata-

logu. Dysponuj¹c tymi wzorami

oraz pamiÍtaj¹c, øe indukcyjnoúÊ

ìzî zwojÛw wynosi L=Al*z 2 , moø-

na obliczyÊ liczbÍ zwojÛw uzwo-

jenia pierwotnego.

Rys. 7. Schemat obwodu wyjściowego spawarki.

W†rozwi¹zaniu autora uzwoje-

nie pierwotne liczy 45 zwojÛw.

Wtedy jego indukcyjnoúÊ wynosi

L=15mH, maksymalna wartoúÊ pr¹-

du wynosi wiÍc Im=300V* 12,5ms/

15mH=0,25A, a†wielkoúÊ indukcji

B=1700*0,25A*45/147mm=130mT.

RdzeÒ siÍ wiÍc nie nasyci. Gdy

indukcja ìwyjdzieî istotnie wiÍk-

sz¹, trzeba zweryfikowaÊ za³oøenia

- na przyk³ad zmieniÊ typ rdzenia.

LiczbÍ zwojÛw uzwojenia wtÛr-

nego wyliczamy z†przek³adni za-

okr¹glaj¹c w†gÛrÍ Nw=Np/N=45/

6=8. Oczywiúcie wszystkie te ob-

liczenia s¹ mocno uproszczone,

nie uwzglÍdniaj¹ na przyk³ad

spadkÛw napiÍÊ na diodach pros-

townika i†rezystancji uzwojeÒ, ale

praktyka wskazuje, øe wszystko

jest w†porz¹dku. O†ile do zapale-

nia ³uku potrzebne jest napiÍcie

oko³o 50V, to juø podczas spa-

wania wynosi ono nawet 20V.

Do ograniczenia strat mocy

w†prostowniku zastosowany zo-

sta³ uk³ad z†podwÛjnym uzwoje-

niem wtÛrnym (dwa razy 8†zwo-

jÛw) i†dwiema diodami. årednice

drutÛw nawojowych wyliczamy

korzystaj¹c z†dopuszczalnej gÍsto-

úci pr¹du dla miedzi w†pracy

przerywanej (mamy jeszcze wy-

muszone ch³odzenie), a†wiÍc ok.

8..10A/mm 2 . Przy mocy 1,5kW

pr¹d p³yn¹cy przez uzwojenie

pierwotne wyniesie oko³o 1500W/

300V=5A, a pr¹d po stronie wtÛr-

nej bÍdzie szeúciokrotnie wiÍkszy.

Nietrudno wyliczyÊ, øe uzwojenie

pierwotne powinno byÊ nawiniÍte

drutem o†úrednicy oko³o 0,9mm,

a†przy uwzglÍdnieniu efektu na-

skÛrkowego ok. 1mm. Z†kolei

uzwojenie wtÛrne wymaga drutu

o†przekroju min. 3mm 2 , czyli

o†úrednicy 2mm.

Jak widaÊ, zgrubne szacunki

uzwojeÒ transformatora wcale nie

s¹ skomplikowane. Zanim jednak

zabierzemy siÍ do pracy, warto

jeszcze chwilÍ spÍdziÊ przy kal-

kulatorze i†obliczyÊ, czy wspo-

mniane uzwojenia uda siÍ nawi-

n¹Ê, tzn. czy w†oknie rdzenia jest

dostatecznie duøo miejsca. Dla

rdzenia E65/28 typowy karkas

oferuje ok. 400mm 2 miejsca przy

szerokoúci nawijania 40mm. Uzwo-

jenie pierwotne da siÍ nawin¹Ê

w†dwÛch warstwach - zabierze

ono wiÍc 2†razy 1mm+0,5mm na

izolacjÍ - 120mm 2 , a uzwojenie

wtÛrne teø bÍdzie nawijane

w†dwÛch warstwach o†wysokoúci

2mm+0,5mm na izolacjÍ, a†wiÍc

w†sumie 200mm 2 . Transformator

da siÍ zatem nawin¹Ê.

Prostownik

Kolejnym etapem budowy jest

prostownik.

Do wyprostowania napiÍcia po-

trzebne s¹ dwie szybkie diody

prostownicze. Musz¹ one mieÊ

dopuszczalne napiÍcie zwrotne

min. 200V, dopuszczalny pr¹d

ci¹g³y 25A i†czas rekombinacji

noúnikÛw poniøej 200ns. Dla spa-

warki wiÍkszej mocy oczywiúcie

wymagania rosn¹.

Celowo poda³em opis diody

w†postaci parametrycznej, a†nie

konkretnego, jednego typu, gdyø

nie s¹ to elementy tanie i†czÍsto

udaje siÍ coú ìdopasowaÊî. W†kon-

strukcji modelowej uøyte zosta³y

na przyk³ad cztery (po dwie rÛw-

nolegle), juø nieco ìmuzealneî

diody typu 1N3891 (16A/600V/

250ns), ktÛre uda³o mi siÍ kupiÊ

z†demontaøu za 1z³/sztuka.

Tabela 1. Popularne kształtki ferrytowe Polferu i Philipsa i ich podstawowe parametry.

Kształtka

Le me

Al/szczelina indukcja nas. materiał

E65/28

80300 147 1700

7400

330mT F807/F814

E55/20

40200 125 1750

5900 − 0mm

330mT F807/F814

450 1600 − 0,25mm

280 1000 − 0,43mm

176

630− 0,75mm

112

400 − 1,3mm

300 − 1,75mm

M42/29

18300 69 250 1250 − 0,15mm

360mT F1001

− kubkowy

160 800 − 0,32mm

400 − 0,8mm

250 − 1,5mm

ETD49

24000 114 1950

4200

330mT 3C85

ETD54

35500 127 1950

5000

330mT 3C85

ETD59

51500 139 1950

6000

330mT 3C85

U46x40x28 70000 180 2200

5300

330mT F807/F814

U80x53x32 164000 280 2200

4500

330mT F807/F814

TN33/20/11 5200 80

1400mT 2P80 − ciemnozielony

− proszkowy

1600mT 2P90 − ciemnobrazowy

Elektronika Praktyczna 12/99

Amatorska spawarka

Tranzystory kluczuj¹ce i†diody

prostownicze s¹ najdroøszymi ele-

mentami potrzebnymi do wykona-

nia spawarki. Przy ich kupnie

naleøy uwaøaÊ, gdyø z†nie zna-

nych mi powodÛw ceny u†krajo-

wych sprzedawcÛw zachowuj¹ siÍ

przypadkowo - ta sama dioda

MUR1660 (moøna j¹ wykorzystaÊ

³¹cz¹c dwie diody rÛwnolegle)

w†cenie Motoroli 1,05USD, w†jed-

nej znanej firmie kosztuje 3,5z³

netto, w†innej blisko 20z³ (wcale

nie myúlÍ tutaj o†Elfie!).

Diody prostownika trzeba przy-

krÍciÊ do solidnego kawa³ka ra-

diatora, gdyø wydziela siÍ w†nich

nawet 30W. Przy montaøu warto

zadbaÊ, aby strumieÒ powietrza

z†wentylatora op³ywa³ wspomnia-

ny radiator w†moøliwie najwiÍk-

szym stopniu.

Najbardziej zagadkowym ele-

mentem konstrukcji jest d³awik

wyjúciowy. Mimo øe na pozÛr

wydaje siÍ byÊ elementem niepo-

trzebnym, jego rola jest istotna -

jest on elementem uk³adu ogra-

niczenia pr¹du. Aby zrozumieÊ

jego rolÍ w†uk³adzie, najproúciej

bÍdzie wyjaúniÊ jak dzia³a uk³ad

ograniczenia pr¹du wyjúciowego.

Jak juø wspomnia³em w†pierw-

szej czÍúci artyku³u, uk³ad sterow-

nika impulsowego ogranicza wspÛ³-

czynnik wype³nienia impulsÛw ste-

ruj¹cych kluczami, gdy pr¹d p³y-

n¹cy przez klucze osi¹gnie okreú-

lon¹ progow¹ wartoúÊ, np. 5A.

Gdyby w†uk³adzie nie by³o d³awi-

ka, ewentualne zwarcie po stronie

wtÛrnej (np. dla zapalenia ³uku)

przenios³oby siÍ przez transforma-

tor (rÛwnieø jako zwarcie) na

stronÍ pierwotn¹. Nawet gdyby

uk³ad sterownika natychmiast (co

oczywiúcie nie jest moøliwe) za-

reagowa³ na to zdarzenie i†zacz¹³

ograniczaÊ wspÛ³czynnik wype³-

nienia, to i†tak pr¹d p³yn¹cy przez

klucze nie zosta³by ograniczony.

Ograniczenie wspÛ³czynnika wy-

pe³nienia impulsu nic tutaj nie

pomaga - nadal amplituda napiÍ-

cia przyk³adanego do transforma-

tora wynosi ok. 300V, tyle øe trwa

ono przez krÛtszy czas.

D³awik umieszczony na wyj-

úciu rozwi¹zuje ten problem. Na-

wet gdy wyjúcie zostanie zwarte,

jego indukcyjnoúÊ spowolni naras-

tanie pr¹du tak, øe uk³ad kontroli

bÍdzie mia³ szansÍ prawid³owo

zareagowaÊ. Dodatkowym zyskiem

Tab. 2. Zmiany niektórych elementów kontrolera w zależności od wersji mocowej.

Ozn.

1kW

1,5kW

2kW

T1...T4

STP10N40

STW18N40

STW20N40

R4,5,6

lacznie 0,3

lacznie 0,2

lacznie 0,15

C2,3

220m

470m

220p

330p

R8,R10, R12,R14

Dlw1

min. 30mH/25A

min. 20mH/35A

min. 18mH/45A

Dw1

25A/200V

35A/200V

45A/200V

Trw1

E55

U46/E65

E65

jest to, iø wyg³adza on istotnie

tÍtnienia wyprostowanego napiÍ-

cia wyjúciowego, daj¹c w†efekcie

bardziej sta³e napiÍcie wyjúciowe.

Umieszczony na wyjúciu kon-

densator elektrolityczny jest ele-

mentem opcjonalnym, gdyø uk³ad

dzia³a prawid³owo i†bez tego ele-

mentu. Jego obecnoúÊ w†uk³adzie

przydaje siÍ jednak w†momencie

zapalania ³uku, a†wiÍc wtedy, gdy

pocieramy elektrod¹ o†spawany

element. Zgromadzona w†pojem-

noúci energia pomaga w†zapalaniu

³uku, zwiÍkszaj¹c chwilow¹ wy-

dajnoúÊ pr¹dow¹ spawarki.

Do wykonania d³awika najle-

piej jest uøyÊ rdzenia ze sprosz-

kowanego øelaza. Takie rdzenie

wykonuje siÍ w†formie pierúcieni

powleczonych poliamidem i†po-

wszechnie uøywa jako wysokopr¹-

dowych d³awikÛw w†zasilaczach

impulsowych (np. od PC-ta). Za-

let¹ takiego materia³u magnetycz-

nego jest bardzo wysoka indukcja

nasycenia rzÍdu 1400mT (ferryt

ma tÍ wartoúÊ na poziomie

300...400), przez co nawet potÍø-

ny d³awik jest niewielki. Na rdze-

niu TN33/20/11 Philipsa (liczby

okreúlaj¹ úrednicÍ zewnÍtrzn¹, we-

wnÍtrzn¹ i†gruboúÊ w†milimetrach)

z†materia³u 2P80 (Al=82, me=80,

Le=80mm, Bmax=1400mT, kolor

ciemnozielony) wystarczy nawi-

n¹Ê 16 zwojÛw drutu DNE1,8mm

i†d³awik gotowy. Wymaga on jed-

nak ch³odzenia wymuszonego -

drut nawojowy jest doúÊ cienki,

ale grubszym nie uda siÍ nawin¹Ê

rdzenia pierúcieniowego.

Gdy nie mamy dostÍpu do

nowoczesnych magnetykÛw, trzeba

zaakceptowaÊ krajowy ferryt.

RdzeÒ E55/20 z†materia³u F807

lub F814 ze szczelin¹ powietrzn¹

1,75mm (Al=300) bÍdzie mia³ na

tyle duøy zapas, øe moøna zwiÍk-

szyÊ nieco indukcyjnoúÊ d³awika

(z oko³o 20mH do 30mH) i†úred-

nicÍ przewodu nawojowego. Nawi-

jamy w†tym przypadku 10 zwojÛw

bifilarnie dwoma drutami

1,8..2mm. Gdy nie dysponujemy

rdzeniem ze szczelin¹, w†tym przy-

padku moøna j¹ wykonaÊ poprzez

w³oøenie przek³adek pod kolumny

boczne. Aby jednak zrobiÊ to

prawid³owo, trzeba kontrolowaÊ

indukcyjnoúÊ d³awika miernikiem

RLC - praktycznie stwierdzono, øe

okreúlenie gruboúci podk³adek jest

ma³o dok³adne.

Montaø mechaniczny

i uruchomienie ca³oúci

CzÍúÊ transformatorowo - pros-

townikow¹ naleøy zmontowaÊ na

odpornej na podwyøszon¹ tempe-

raturÍ podstawie. Ca³oúÊ wraz

z†kontrolerem zamykamy w†meta-

lowej obudowie, przez ktÛr¹ po-

winno przep³ywaÊ t³oczone przez

wentylator powietrze.

Do prÛb urz¹dzenia przydaje

siÍ øarÛwka 12V/21W, ktÛr¹ na-

leøy w³¹czyÊ szeregowo pomiÍdzy

kontroler a†pierwotne uzwojenie

WYKAZ ELEMENTÓW

dla układu transformatorowo −

prostownikowego (1,5kW)

Trw1 − transformator impulsowy do

samodzielnego wykonania na

rdzeniu E65/28 Polfer z materiału

F814 (F807) i karkasem typu 1187.

Uzwojenie pierwotne 45 zwojów

drutu DNE 1mm w dwóch

warstwach. Uzwojenie wtórne 6 +

6 zwojów (odczep pośrodku)

drutem DNE2mm w dwóch

warstwach.

Dw1, Dw2 − dioda prostownicza

25A/200V/trr<200ns np. MUR3040

lub dwie MUR1620 połączone

równolegle,

Dłw1 − dławik 20...30mH/35A,

rdzeń E55/20 F807/F814 ze

szczeliną 1,75mm (Al=300)

i karkasem 1186. Uzwojenie − 10

zwojów dwoma drutami

DNE1,8..2mm.

C1w − 1000mF/63V

Elektronika Praktyczna 12/99

Amatorska spawarka

transformatora impulsowego. Pod-

czas pierwszej prÛby pe³ni ona

rolÍ bezpiecznika chroni¹cego

przed uszkodzeniem klucze ste-

rownika. Po w³¹czeniu uk³adu nie

powinniúmy zaobserwowaÊ øad-

nych negatywnych zjawisk i†oczy-

wiúcie wspomniana øarÛwka nie

powinna siÍ úwieciÊ. Sprawdzamy

wartoúÊ napiÍcia wyjúciowego -

powinno przekraczaÊ 45V. Na ko-

niec zwieramy wyjúcie uk³adu

do³¹czaj¹c do zaciskÛw wyjúcio-

wych kawa³ek (20mm) cienkiego

drutu miedzianego (0,5mm, np.

telefoniczny) trzymany w†pense-

cie. Drut powinien oczywiúcie

natychmiast sp³on¹Ê. Potem zosta-

je jedynie usuniÍcie øarÛwki -

bezpiecznika i†ewentualna prÛba

zapalenia ³uku z†drutem stalowym

1mm.

Uwaga! Przy wszelkich prÛbach

z†³ukiem elektrycznym i†pÛüniej-

szym spawaniem naleøy bezwzglÍd-

nie i†skutecznie chroniÊ oczy przez

promieniowaniem ultrafioletowym

i†wysok¹ jasnoúci¹ ³uku. Jako za-

bezpieczenie minimalne wymagane

jest spogl¹danie przez ciemne szk³o

spawalnicze. PamiÍtajmy rÛwnieø,

øe ³uk elektryczny jest ürÛd³em

wysokiej temperatury, a†iskry prys-

kaj¹ce z†elektrody mog¹ zapaliÊ

niektÛre przedmioty, a†nawet znisz-

czyÊ pod³ogÍ. Rozwaga, odpowie-

dzialnoúÊ i†brak poúpiechu s¹ ce-

chami tak samo potrzebnymi do

uruchomienia urz¹dzenia jak i†mier-

nik uniwersalny.

Robert Magdziak,

trebor@mi.com.pl

Elektronika Praktyczna 12/99

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: