Рассмотрим малогабаритный сварочный аппарат для ручной сварки, предназначенный для подключения в бытовую сеть переменного тока и ориентированный для эксплуатации дома, в гараже или на даче. Аппарат содержит минимальное число компонентов в связи с отсутствием необязательных сервисных функций.
Рис.1.
Принципиальная схема сварочного аппарата изображена на рис. 1. Элементная база представлена, в основном, импортными компонентами.Технические характеристики аппарата:
- напряжение питающей сети переменного тока — 220 В±20%;
- число фаз питающей сети переменного тока — 1;
- частота питающего напряжения — 50 Гц;
- частота преобразования — 50 кГц;
- вид сварочного тока — постоянный;
- выходное напряжение без нагрузки — не более 80 В;
- выходное напряжение при максимальном токе через дугу — 27 В;
- пределы регулирования тока дуги — 30.. 140 А;
- максимальная мощность нагрузки — не более 3,8 кВА;
- максимальная активная входная мощность — не более 4,6 кВА;
- максимальная полная входная мощность — не более 5,5 кВА;
- максимальный коэффициент полезного действия — 80%;
- масса аппарата без сварочных кабелей — не более 6 кг;
- продолжительность включения (цикл сварки 10 минут) — 100%;
- рекомендованная температура окружающего воздуха—40..+40°С;
- рекомендованный диаметр сварочных электродов — 1,6..3,0 мм.
Рассмотрим назначение, марки и замены компонентов.
FU1 — автомат защиты, который обесточит аппарат в случае аварийной ситуации;
SA1 — выключатель питания, состоящий из двух секций, соединенных параллельно, и рассчитанных на протекание тока силой до 15 А при напряжении 250 В.
На компонентах CI, TV1, VD1-VD4 собран вспомогательный линейный источник питания, обеспечивающий работу задающего генератора. Дискретные диоды VD1-VD4 можно применить марки 1N5401 или использовать диодную сборку КВРС302, KBL402 или их аналог.
Окукленные керамические конденсаторы С2-С4, С6, С7, С9, С16 и С20, обладающие небольшими паразитными сопротивлениями и индуктивностями, можно использовать марки ОСМК10-506 или К10-506. Электролитические конденсаторы С1, С10-С15 могут быть любой марки при условии максимально допустимой рабочей температуры 105°С. Например, пригодны конденсаторы фирм CapXon, Elzet, Jamicon, Samwha и других. Конденсаторы С5, С8, С17-С19 — марки MER.
Низкочастотный линейный трансформатор напряжения TV1 должен быть способен отдать в нагрузку мощность до 7 Вт. Номинальное переменное напряжение на его вторичной обмотке должно составлять 22 В при приложенном к первичной обмотке напряжении 220 В.
Постоянные резисторы R1-R9, R13, R15, R20-R25 допустимо использовать марок С2-14, С2-23, С2-29, С2-ЗЗН, С2-34, МЛТ, ОМЛТ или MF. Резистор R10 можно применить марки ГТЭВ-20 или С5-35В. Этот резистор ограничивает импульс тока заряда конденсаторов емкостного делителя напряжения, предотвращая разрушение диодной сборки VD7 марки КВРС3510. Подстроечные резисторы Rl 1 и R19 могут быть марок СПЗ-19а или 3329Н-1 фирмы Bourns. Постоянные резисторы R12, R14 и R16 должны обладать минимальной паразитной индуктивностью. Они составлены из включенных параллельно безындукционных углеродных резисторов с мощностью каждого по 1 Вт. Переменный резистор R17, которым осуществляют регулирование тока дуги, можно применить марки 3370, PTV09, PTD или подобный.
Вентилятор Ml марки А2123-НВТ фирмы Sunon можно поменять на A2I23-HBL, A2123-HST, A2123-HSL, A2175-HBL, А2175-НВТ, А2179-НВТ или А2179-HBL.
Резисторы Rl, R2 и R5, R6 задерживают процесс перехода соответствующих ключевых транзисторов из состояния отсечки в состояние насыщения и наоборот. Резисторы R3, R4 и R8, R9 снимают заряды с емкостей затвор-исток и затвор-эмиттер соответствующих транзисторов VT1, VT2 и VT3, VT4.
Диоды Шоттки VD5, VD6 марки 31DQ10 можно поменять на приборы SB2100, SB3100 или SB5100. Эти диоды выполняют рекуперацию энергии, запасенной в магнитном поле трансформаторов TV2 и TV3, обратно в источник питания.
Транзисторы с каналом n-типа VT1 и VT2 буферного каскада можно поменять на MOSFET марок IRF530NS, 1RF540N, 1RFI1310N, IRFP140, IRFR3910, IRFU3910, IRL3215, IRL520NS, IRL530N, IRL540L, IRLU120N или аналогичных.
Согласующие импульсные трансформаторы напряжения TV2 и TV3 необходимо изготовить по возможности с идентичными параметрами. Первичные обмотки каждого из этих трансформаторов имеют отвод от середины и содержат 40 + 40 витков провода диаметром 0,35 мм. Провод меньшего диаметра использовать не следует. Вторичные обмотки состоят из 37 витков такого же провода. Магнитопроводы Ш-образной формы фирмы Epcos взяты марки Е34/14/9, в которых на пути магнитного потока предусмотрен немагнитный зазор величиной 0,05 мм.
Реле К1, благодаря инерционности срабатывания, позволяет подключить емкостный делитель напряжения к сетевому выпрямителю с задержкой, достаточной для частичного заряда емкостей конденсаторов. Реле можно применить любого типа с напряжением срабатывания 18..24 В, коммутируемым напряжением 250 В и током одной контактной группы не менее 10 А.
Диодная сборка VD7 выпрямляет переменный ток, а емкостный делитель напряжения С10-С15, С17, С18 фильтрует выпрямленное напряжение. В среднюю точку емкостного делителя напряжения включен один из выводов первичной обмотки импульсного трансформатора TV4. Диодную сборку VD7 марки КВРС3510 можно поменять на МВ4010, МВ5010 или КВРС5010. Резисторы R24, R25 снимают заряд с конденсаторов делителя напряжения после отключения сварочного аппарата от питающей сети.
Диод VD8 купирует импульс ЭДС самоиндукции обмотки реле К1, возникающий при отключении сварочного аппарата, таким образом защищая интегральный стабилизатор напряжения DA1 от электрического пробоя. Этот диод можно поменять на приборы BYD1100, BYV28-100, ES3B, MUR420 или UF301.
Стабилитроны VD9 и VD10 ограничивают напряжение затвор-эмиттер IGBT VT3 и VT4 на безопасном уровне. Данные стабилитроны можно поменять на приборы марок 1N5353B или 1N5355B.
Микросхема DA1 марки 7818 стабилизирует выпрямленное и сглаженное напряжение, снимаемое с конденсатора С1, и обеспечивает питание задающего генератора. Ее можно поменять на приборы КР1180ЕН18А или КР1180ЕН18Б.
Светодиод HL1 совместно с ограничивающим ток резистором R7 образуют цепь индикации работы сварочного аппарата. Светодиод марки КИПД36Е1-Ж можно поменять на один из приборов АЛ307ГМ, AJT307HM, АЛ307ПМ, КИПД02В-1Л, КИПД02Г-1 Л, КИПД14В-Л, КИПД14Г-Л или аналогичный.
Мощные ключевые транзисторы VT3 и VT4, как и микросхему DA2, аналогами лучше не заменять.
Демпфирующие диоды VD11 и VD12 марки HFA08TB60 допустимо поменять на HFA08TB60S, HFA25TB60, RHRG3060, FES 16JT, DSEI12-06A, BYC10-600 или 15ЕТН06.
Трансформатор тока TAI имеет Ш-образный магнитопровод марки Е32/16/11. Первичная обмотка состоит из одного витка монтажного провода сечением 15 мм2, который совершает полный виток вокруг центрального керна магнитопровода. Вторичная обмотка с отводом от середины образована 70 + 70 витками провода диаметром 0,35 мм. Не следует использовать провод меньшего диаметра. Магнитный зазор обеспечен более коротким центральным керном относительно боковых кернов.
Резистор R12 необходим для преобразования импульсов тока в импульсы, пропорциональные напряжению. Конденсатор С4 сглаживает импульсы на вторичной обмотке трансформатора тока TAI, не допуская срабатывания системы защиты по амплитудному значению напряжения сигнала перегрузки. Компоненты С6, С7 и R13 составляют П-образный фильтр, подавляющий напряжение пульсаций.
Диоды VD13 и VD14 образуют двухполупериодный выпрямитель сигнала перегрузки по току. Их можно поменять на диоды 1N4933, ВА604, ES1B, ER1B, MURS 110, SF11, SF12 или UF4002.
RC-цепи С5, R14 и С8, R16 уменьшают скорость нарастания напряжения на соответствующих мощных диодах VD15 и VD16.
Диоды VD15 и VD16 марки 150EBU04 выполняют функцию двухполупериодного высокочастотного выпрямителя импульсного напряжения прямоугольной формы. Допустимо произвести их замену на одну диодную сборку марки UFB200FA40 из двух изолированных друг от друга диодов, или на два силовых модуля М1ДЧ-320, М1ДЧ-400-10 или М1ДЧ-400-14, состоящих из одного быстро восстанавливающегося диода.
Импульсный трансформатор TV4 выполнен на тороидальном магнитопроводе R102x65,8×15,0 мм фирмы Epcos. Материал магнитопровода N30 или N82. Первичная обмотка состоит из 40 витков литцендрата сечением 15 мм2, а вторичная обмотка с отводом от середины содержит 15 + 15 витков литцендрата сечением 45 мм2.
Резистор R17 служит для регулирования тока дуги. Компоненты R17, R20 и R23 играют роль делителя напряжения. Конденсатор С9 и резистор R20 образуют RC-фильтр напряжения, поступающего на вывод 3 микросхемы DA2, который использован для стабилизации тока. Цепь С20 и R22 снижает скорость изменения напряжения на выводе 3 микросхемы DA2.
Двуанодные transil VD17 и VD18 ограничивают импульсы напряжения, возникающие вследствие наличия ЭДС самоиндукции дросселя LI при отпускании сварочного электрода.
Компоненты С16, К2, R15, R21 образуют устройство защиты сварочного аппарата от перегрева. Пока температура терморазмыкателя К2 не достигла необходимой для срабатывания, он электрически соединяет резистор R21 с выводом 7 микросхемы DA2. К выводу 8 микросхемы DA2, ответственному за прекращение генерации импульсов, подведено напряжение только от системы защиты по току. Конденсатор Cl6 шунтирует напряжение наводок, которое индуцировано на провода, соединяющие терморазмыкатель с задающим генератором, тем самым повышая помехоустойчивость устройства. Как только компонент К2 разомкнет цепь, вывод 8 микросхемы DA2 будет подключен к делителю напряжения, образованному резисторами R15 и R21, в результате чего микросхема DA2 перестанет генерировать импульсы управления ключевыми транзисторами.
Дроссель LI, обеспечивающий падающую нагрузочную характеристику, выполнен на ферритовом магнитопроводе типоразмером Е65/32/27 производства фирмы Epcos. Материал магнитопровода должен быть N27. Сечение литцендрата, которым выполняют обмотку, должно составлять примерно 80 мм2. Индуктивность дросселя, зависящая от величины немагнитного зазора, должна составлять примерно 150 мкГн. Зазор на пути магнитного потока должен составлять 1,4..2 мм.
Конструкция сварочного аппарата
Диодная сборка VD7, мощные ключевые транзисторы VT3 и VT4, выпрямительные диоды VD15 и VD16 закреплены через прокладки из бериллиевой керамики или, в крайнем случае, из слюды на ребристом двухстороннем радиаторе HS135-250. Данный охладитель, изготовленный фирмой «Kinstein Co., Ltd.», предназначен для систем воздушного охлаждения и обладает заявленной теплопроводностью 1,7 °С/Вт/дюйм. Его длина — 250 мм, ширина — 122 мм, высота — 60 мм. На этом же охладителе установлен компонент К2, представляющий собой терморазмыкатель марки KSD с биметаллической пластинкой, которая размыкает электрический контакт при температуре 100°С. Для уменьшения теплового сопротивления место установки компонентов на охладителе желательно смазать не проводящей электрический ток термопастой КПТ-8.
Каждый из транзисторов VT1 и VT2 буферного каскада необходимо закрепить на миниатюрных охладителях марки HS203 или KG-436. Интегральный стабилизатор напряжения DA1 следует установить на ребристый охладитель марки HS205. Конденсатор С2 следует монтировать как можно ближе к микросхеме DA2, а все соединения компонентов должны быть минимальной длины.
Шунт R18 представляет собой отрезок плоской шины, которым соединяют среднюю точку вторичной обмотки трансформатора TV4 с клеммой отрицательного выходного напряжения сварочного аппарата. Материал шунта — нержавеющая сталь.
Наладка
Настройка сварочного аппаратазаключается в установке частоты преобразования в 50 кГц резистором R11 и регулировке порога срабатывания защиты по току резистором R19. Регулирование диапазона тока дуги выполняют подбором сопротивлений резисторов R17, R20 и шунта R18.