Подбираем диоды для сварочного аппарата

Описание схемы сварочного инвертора для самостоятельного изготовления аппарата

Инверторная сварка широко распространена благодаря тому, что аппарат имеет небольшой вес и габариты. Работа инверторного механизма основана на использовании силовых переключателей и полевых транзисторов. Столь полезный аппарат продается в специализированных магазинах.

Но деньги можно и не тратить, а взять схему инверторного сварочного аппарата и изготовить его самостоятельно. Здесь как раз и поговорим о том, как сделать сварку своими руками в домашних условиях и что понадобится для этого.

Сведения пригодятся и в случае с покупным устройством, ведь благодаря информации, которую дает статья, для ремонта его не понадобится приглашать специалиста.

Сварочный инверторный аппарат — это блок питания, который применяется сейчас в компьютерах. Электрическая энергия преобразовывается в инверторе следующим образом:

• Напряжение переменное преобразуется в постоянное.
• Ток постоянной синусоиды преобразовывается в переменный с высокой частотой.
• Снижается значения напряжения.
• Ток выпрямляется с сохранением требуемой частоты.

Данная схема сварочного инвертора позволяет снизить его массу и уменьшить габариты. Известно, что старые сварочные аппараты работают по принципу снижения величины напряжения и увеличения силы тока на вторичной обмотке трансформатора.

Благодаря большой силе тока есть возможность сваривать металлы дуговым способом. Для увеличения силы тока и снижения напряжения на вторичной обмотке уменьшают число витков и при этом увеличивают сечение проводника.

В итоге сварочный аппарат трансформаторного типа весит немало и имеет значительные размеры.

Для решения данной проблемы предложили схему сварочного инвертора. Принцип основывается на повышении частоты тока до 60 или всех 80 кГц. За счет этого снижается вес и уменьшаются габариты устройства.

Для реализации задуманного потребовалось увеличение частоты в тысячи раз, что стало возможным благодаря полевым транзисторам. Между собой транзисторы обеспечивают сообщение с частотой примерно 60−80 кГц.

На схему их питания идет постоянный ток, что обеспечивается выпрямителем, в качестве которого используют диодный мост. Выравнивание значения напряжения обеспечивается конденсаторами.

Переменный ток передается на понижающий трансформатор после прохождения через транзисторы. В качестве трансформатора при этом используется катушка, уменьшенная в сотни раз. Катушка используется, потому что частота тока, подающегося на трансформатор, уже увеличена в тысячу раз полевыми транзисторами. В итоге получаются аналогичные данные, как при работе трансформаторной сварки, но с большой разницей в габаритах и массе.

Поэтапное описание сборки

Выполняется следующее:

Сборка блока питания. В качестве основы трансформатора рекомендуется брать феррит 7×7 или 8×8. Устройство первичной обмотки осуществляется намоткой проволоки по ширине сердечника. Это улучшает работу устройства при перепадах напряжения. Используются медные провода (проволока)

Корпус. Этим важным элементом может служить старый системный блок компьютера, в котором есть достаточно необходимых отверстий для вентиляции. Использоваться может старая 10-литровая канистра, в которой можно проделать отверстия и разместить кулеры. Для повышения прочности конструкции из корпуса размещают металлические уголки, закрепляющиеся болтовыми соединениями.

Силовая часть. Роль силового блока играет понижающий трансформатор. Его сердечники могут быть двух видов: Ш 20×208 2000 нм. Между обоими элементами должен быть зазор, что обеспечивается с помощью газетной бумаги.

При устройстве вторичной обмотки витки наматываются в несколько слоев. На вторичную обмотку укладывается три слоя проводов, и между ними помещается прокладка из фторопласта. Между обмотками располагают усиленный слой изоляции, позволяющий избежать пробоя напряжения на вторичную обмотку.

Конденсатор должен быть напряжением не менее 1000 В.

https://www.youtube.com/watch?v=G84TO5pbHiA

Для обеспечения циркуляции воздуха между обмотками оставляется воздушный зазор. На ферритовом сердечнике собирают трансформатор тока, включающийся в цепь к плюсовой линии. Сердечник обматывается термобумагой, в качестве которой лучше использовать кассовую ленту.

Инверторный блок. Основным предназначением инверторной системы является преобразование постоянного тока в переменный с большой частотой. Для ее увеличения используются полевые транзисторы, работающие на закрытие и открытие с высокой частотой.

Система охлаждения. На стенке корпуса устанавливаются вентиляторы охлаждения, для чего могут быть использованы компьютерные кулеры. Они необходимы для охлаждения рабочих элементов. Чем больше их используется, тем лучше. Обязательно устанавливается два вентилятора для обдувки вторичного трансформатора. Один кулер обдувает радиатор, благодаря чему предотвращается перегрев рабочих элементов — выпрямительных диодов.

Стоит воспользоваться вспомогательным элементом — термодатчиком, который рекомендуется устанавливать на нагревающемся элементе. Датчик срабатывает при достижении критической температуры нагрева какого-либо элемента. После его срабатывания питание устройства отключается.

В процессе работы инверторная сварка быстро нагревается, поэтому обязательно должно быть два мощных кулера. Эти кулеры или вентиляторы помещаются на корпус устройства, чтобы работали на вытяжку воздуха. Свежий воздух поступает в систему через отверстия в корпусе. В системном блоке данные отверстия уже имеются, а при использовании любого другого материала не забудьте об обеспечении притока свежего воздуха.

Пайка платы. Ключевой фактор, ведь схема основана на плате. Транзисторы и диоды на ней важно смонтировать встречно друг к другу. Монтируется плата между радиаторами охлаждения, при помощи чего и соединяется цепь электроприборов. Рассчитывается питающая цепь на 300 В напряжения.

Выпрямитель для сварочного аппарата

Выпрямитель для сварочного аппарата может быть создан на основе мощных диодов типа В200 (максимальный ток 200А). Сразу отметим, что из-за немаленькой цены силовых диодов, искать их лучше на ради- или блошином рынке.

Диод В200

Диодный мост

Эти диоды имеют внушительные размеры, а их корпус сажается на алюминиевый радиатор. Причем корпус диода, а значит, и крупный радиатор находятся под напряжением, поэтому диоды с их радиаторами должны крепиться так, чтобы не имели контакта друг с другом, не касаясь токопроводящих частей корпуса сварочного аппарата.

Силовые диоды с радиаторами, для сварочного выпрямителя.

Такое неудобство с креплением приводит к тому, что размеры собранного сварочного диодного моста слишком вырастают, увеличивая и усложняя конструкцию сварочного аппарата в целом. Использование такого же диода, но с другой полярностью (ВЛ200) позволяет объединить радиаторы в две пары.

Диоды разной полярности с радиаторами, для диодного моста сварочного аппарата.

У радиаторов, возможно, потребуется просверлить отверстие и нарезать резьбу, для крепления диодов.

В продаже есть уже готовые — интегрированные в одном корпусе диодные мосты. Размер одного такого диодного мостика сопоставим с размерами спичечного коробка или одного диода В200 без радиатора, при максимальном токе 30-50А, а цена гораздо ниже.

Диодный мост на 50А

Если интегрированные диодные мосты соединить параллельно, то вместе они смогут выдерживать более значительные токи. Однако надежность такого сварочного выпрямителя будет существенно меньше чем выпрямителя из диодов типа В200.

Схема параллельного включения диодных мостов, для больших токов сварочного аппарата.

Строго говоря, суммарный допустимый ток такого объединенного выпрямителя не равняется сумме максимальных токов входящих в него диодных мостов, они не могут обладать абсолютно одинаковыми параметрами, а значит, каждый пропускает через себя несколько различные по величине токи.

Однако если собрать эту схему с некоторым запасом по мощности, учитывая ток короткого замыкания, то можно добиться более компактных размеров, чем в случае с В200. Дело в том, что корпуса диодных мостиков не находятся под напряжением и их все можно садить на один общий радиатор, и можно свободно крепить такой выпрямитель где удобно внутри корпуса, или снаружи, сварочного аппарата.

Для выпрямителя может использоваться 3-5 интегрированных диодных мостов, обязательно одной и той же марки. Как показывает практика, они не сильно греются и без проблем могут выдерживать кратковременные перегрузки, притом, что сварочный аппарат большей частью вообще работает в кратковременном режиме.

На выпрямителе сварочного аппарата происходит неизбежное падение напряжения, поэтому на выходе выпрямителя напряжение будет где-то на 4-5В меньше чем напряжение холостого хода трансформатора (без конденсатора). При этом напряжение на выходе не будет строго постоянным — его форма будет пульсирующей.

Форма выпрямленного диодным мостом напряжения

Если проводить измерения в режиме холостого хода вольтметром постоянного тока, то его показания будут соответствовать чему-то вроде эффективного значения постоянного пульсирующего напряжения (показания примерно в 1,4-1,5 раза меньше напряжения пиков максимумов).

В принципе, обычные вольтметры не предназначены для точного измерения подобного рода сигнала. Форму напряжения можно сгладить, установив на выходе конденсатор емкостью 5000-10000 мкФ. В этом случае показания вольтметра возрастут примерно в 1,4 раза, так как конденсатор на холостом ходу зарядится до уровня максимального по амплитуде напряжения.

Конденсатор рекомендуется ставить особенно в том случае, если источник питания имеет низкое выходное напряжение (меньше 40В) и возникают трудности в момент зажигания сварочной дуги. При этом конденсатор лучше включить через сопротивление порядка 0,5-1 Ом.

Схема выпрямителя сварочного аппарата, с конденсатором.

Необходимость резистора обусловлено тем, что в момент зажигания дуги происходит касание конца электрода об металл изделия — то есть короткое замыкание. Если сопротивления в цепи конденсатора нет, то происходит мгновенный разряд конденсатора большой емкости, импульс высокого тока сопровождается громким щелчком, а часто разрушением кончика электрода или его мгновенным привариванием к металлу изделия.

При использовании содержания данного сайта, нужно ставить активные ссылки на этот сайт, видимые пользователями и поисковыми роботами.Литература

Какие типы устройства используются в сварочном оборудовании?

Сегмент элементов для технологического оборудования – сварочные силовые диоды представлены разнообразными вариантами, которые имеют уникальные характеристики и принципиальные значения для выполнения действия. Ниже приведём подробную спецификацию диодов для сварочного оборудования.

Главным критерием для всех типов диодных конструкций является значение силы тока. Согласно вышеописанной системе, предусмотрено разделение на такие виды диодов, вне зависимости от названия:

Мощности потерь и особенности технологии производства igbt от st

Основный причиной ограничения мощности инвертора является перегрев IGBT. Он является следствием потерь мощности, рассеиваемой в виде тепла.

Как известно, суммарные потери мощности в IGBT (Pd) складываются из двух составляющих: потери проводимости (Pконд, кондуктивные потери) и потери на переключения (Pперекл) (таблица 1).

Таблица 1. Потери мощности в IGBT

Кондуктивные потери определяются значением напряжения насыщения Uкэ нас. По этой причине его стараются максимально снизить.

Потери на переключения объединяют энергию, затрачиваемую на включение (Eвкл) и на выключение (Eвыкл).

Энергия на включение Евкл в большей степени определяется встроенным антипараллельным диодом. Для оптимизации этого параметра можно использовать внешний диод с лучшими характеристиками (меньшее время восстановления) или оптимизировать режим переключения (переключения при нулевых токах или напряжениях).

Энергия на выключение Евыкл определяется эффективностью рекомбинации неосновных носителей в структуре IGBT. Затягивание процесса рекомбинации приводит к появлению токового хвоста (рисунок 3), [2].

Рис. 3. Потери на выключение для планарного IGBT

Во время включенного состояния через IGBT протекает ток, и в его слое n- происходит накопление неосновных носителей (дырок из слоя p ). После выключения транзистора число этих накопленных носителей сокращается достаточно медленно, главным образом – за счет неэффективной рекомбинации в низколегированном слое n-. В результате образуется токовый «хвост», приводящий к дополнительным потерям мощности.

Один из способов повышения быстродействия заключается в уменьшении степени легирования области p . Это приводит к уменьшению числа носителей, а значит – и к ускоренному процессу рекомбинации. Однако уменьшение числа носителей, очевидно, приведет и к возрастанию напряжения насыщения.

Рис. 4. Развитие технологий IGBT производства STMicroelectronics

Таким образом, увеличение быстродействия при сохранении напряжения насыщения возможно только благодаря качественным улучшениям и применению новых технологий. Например, для ускорения процесса рекомбинации между слоями p и n- создается слой n (рисунок 4а). Быстродействие возрастает, но остается достаточно низким.

Одним из революционных решений, позволившим качественно улучшить характеристики IGBT, стало применение технологии TGFS (Trench Gate Field Stop), (рисунок 4б). Суть TGFS состоит в изменении структуры затвора, который выполняется в изолированной канавке.

Наиболее современное поколение IGBT производства STMicroelectronics серии V включает все лучшие технологические решения [2]: TGFS, снижение толщины исходной пластины p-, уменьшение толщин диффузных и эпитаксиальных слоев, увеличение глубины внедрения затвора (рисунок 4в). Это позволяет уменьшить энергию, затрачиваемую на выключение, при сохранении значения напряжения насыщения.

STMicroelectronics выпускает несколько серий IGBT с различными характеристиками. Богатый выбор позволяет найти оптимальные транзисторы с учетом требований к конкретному сварочному аппарату и используемой топологии.

Устройство сварочного выпрямителя – начнем с теории

Бытовые сварочные аппараты – это выпрямители и инверторы малой мощности, со сравнительно низким номинальным сварочным током. Имея большую длительность паузы для охлаждения между периодами работы, они малоэффективны при выполнении больших объемов работ в промышленности и производстве. Единственная занимаемая такими агрегатами ниша – бытовое назначение, а также мелко-подрядный бизнес.

Классическая компоновка сварочного аппарата включает в себя:

• понижающий трансформатор;
• выпрямитель (мост из полупроводниковых элементов);
• конденсаторный блок (для сглаживания пульсаций на выходе преобразователя).

Перед изготовлением или приобретением любого инструмента, будь это строительный уровень или перфоратор, а у нас сварочный аппарат, необходимо определить, какие виды работ он будет выполнять. От этого напрямую зависят массогабаритные показатели устройства, типоразмер используемого электрода и, соответственно, толщина листов свариваемого металла.

Наилучшие показатели по качеству выходящего тока имеют трехфазные аппараты, подключаемые к сети 380 Вольт. Ими можно дольше работать без перерывов для охлаждения, а также производить работы с более массивными стальными конструкциями в пределах 200-400 Ампер. Идеально подойдут для сварки контейнеров, ларьков, гаражных ворот. Это то, что нужно, для малого бизнеса.

Существенным недостатком является ограниченный доступ к питающей сети. Не все дачные поселки и гаражные общества могут похвастаться доступом к таким силовым коммуникациям. К тому же, сварочный аппарат, обладающий трехфазным трансформатором, будет в 1,5-2 раза тяжелее однофазного собрата.

Суммарный вес устройства с легкостью перевалит за сотню килограмм. Одному человеку такой вес не под силу, возникает необходимость монтировать колеса для передвижения или же использовать тороидальный трансформатор, который снизит общий вес на 20-40 процентов. Но стоит учесть, что его придется наматывать самому.

https://www.youtube.com/watch?v=lCyn7GlSMI0

Однофазный сварочный выпрямитель для сварки, смонтированный на однофазном трансформаторе, рассчитанном на сеть 220 Вольт, значительно легче. Его масса на 90 % зависит от веса понижающего трансформатора и будет в пределах 30-80 килограмм. Данная техника может работать на токах 125-180 Ампер, обеспечивая качественный сварной шов при сварке несложных конструкций – ворот, навесов или ручной бетономешалки.