Схема контроллер точечной сварки. Контактная сварка из микроволновки и самодельный таймер на PIC

Под термином "споттер" в данной статье понимается установка точечной контактной сварки, используемая в первую очередь автомобилистами и кузовщиками, для быстрой точечной приварки к кузову различных вспомогательных элементов, таких как шайбы, крючки, проволока и прочее, для последующей вытяжки и выравнивания поверхности.

Точечная сварка основана на принципе выделения тепла на переходном сопротивлении соприкасающихся свариваемых элементов. Поэтому задачей споттера является подача в место свариваемого контакта мощного импульса тока (I=800..1200А, U=5В) при нажатии соответствующей кнопки на "пистолете". При точечной сварке необходимо контролировать длительность импульса (обычно она не превышает 0,5 с). Далее в статье будут рассмотрен принцип работы силовой схемы, схема и принцип работы таймера.

Довольно распространенной схемой силовой части самодельного трансформаторного споттера является схема, приведенная на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема силовой части.

Как видно по схеме, коммутация производится тиристором на стороне первичной обмотки силового трансформатора. Можно использовать и симистор, тогда отпадет необходимость в диодном мосте. Для задания длительности импульса тока на выходе необходимо поддерживать напряжение на управляющем электроде тиристора в течение соответствующего времени (длительности выходного импульса). Но следует иметь ввиду, что даже если управляющее напряжение уже снято, обычный незапираемый тиристор не закроется пока ток, проходящий через него, не упадет ниже тока удержания (в данной схеме ток достигает нуля 100 раз в секунду). Самый простой способ управления тиристором - RC-цепочка с регулировочным резистором (для изменения постоянной времени) и подзарядкой конденсатора от дополнительного источника низкого напряжения. Но этот способ далее не рассматривается.

Для более точного задания длительности разработан простой таймер на базе контроллера ATtiny2313. Длительность импульса регулируется двумя кнопками и может принималь значения от 0,01с до 0,5с с дискретостью 0,01с. На 7-сегментном индикаторе отображаются цифры, соответствующие заданной длительности в сотых долях секунды. Но, благодаря описанному выше свойству незапираемых тиристоров, реальная длительность выходного импульса может отличаться от заданой на время до 10мс (один полупериод). Схема споттера с микроконтроллерным управлением представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Полная схема споттера.

Элементы, помеченные * на ноге Reset не обязательны, но их желательно ставить для снижения вероятности ложных сбросов из-за возможных наводок на этой ноге. Так как разводка плат выполнена для однослойного текстолита, некоторые аноды одноименных сегментов двух цифр LED-индикатора соединены перемычками со стороны дорожек.
Схема работает следующим образом. При подаче питания на схему управления выполнение программы контроллером начинается с момента, когда конденсатор на ноге Reset зарядится до напряжения логической единицы. После запуска контроллер выполняет функции динамической индикации и опроса кнопок. Опрос кнопок происходит по таймеру примерно 4 раза в секунду. При нажатии на кнопку подачи импульса на "пистолете" (обозначена пунктиром), на ноге PD2 появляется логическая единица (5В), единица снимается через заданное время, которое отображается на светодиодном индикаторе в виде сотых долей секунды. Сигнал с вывода микроконтроллера усиливается по току повторителем на КТ972, так как для управления используемым оптотиристором ТО142-80 необходимо подавать ток не менее 120 мА на его внутренний светодиод. Оптронный тип тиристора выбран из простоты организации гальванической развязки цепей управления от силовых. В прошивке контроллера реализованы два режима работы: импульсный (по умолчанию) и непрерывный. Выбор режима, установка длительности (больше/меньше) осуществляется тремя кнопками. В непрерывном режиме длительность подачи сигнала управления тиристором зависит от длительности нажатия кнопки на пистолете.

Для пояснения работы силовой части на рисунке 3 приведена упрощенная схема. На рисунке 4 изображена временная диаграмма работы силовой схемы с активной нагрузкой и идеальным тиристором (время включения =0, падение напряжения в открытом состоянии =0).

Рисунок 3 - Схема силовой части.

Рисунок 4 - Временная диаграмма работы прерывателя.

Рисунок 5 - Изображение твердотельного реле.

Рисунок 6 - Применение твердотельного реле в споттере.

Файлы к статье:

spotter_002.zip (210 кб) - печатки, прошивка, модель в Proteus, схема + перечень элементов.

Добавлено:
002_for_ca.hex (948 б) - прошивка контроллера при использовании индикатора с общим анодом.

Описанный выше таймер был доработан . Основные принципы работы остались теми же, добавилась развязка управляющего сигнала, устранено замирание динамической индикации во время выдачи управляющего импульса.

Комментарии

Здравствуйте, уважаемые посетители. Речь в этой статье пойдет о цифровом таймере, предназначенном для аппарата точечной сварки. Схема устройства показана на рисунке 1.

Основой данного таймера является микроконтроллер PIC16F628A. Вообще программа, записанная в контроллер, это программа вычитающего счетчика. Для работы микроконтроллера используется его внутренний генератор. Обратный отсчет производится с периодом в 100мс. Максимальное время выдержки, чтобы не усложнять программу, я сделал, двадцать пять с половиной секунд. Установка времени выдержки устанавливается при помощи кнопок SB1 и SB2. Кнопкой SB1 увеличиваем значение выдержки времени, а с помощью кнопки SB3 — уменьшаем. Причем при установке времени, период смены показаний не постоянный. Сначала показания будут меняться с периодом в половину секунды. Потом этот период уменьшится до 25мс. Это сделано для увеличения оперативности установки необходимой выдержки.
При первом включении таймера на индикатор будет выведена из EEPROM контроллера выдержка в 10,0 секунд. В последующем в энергонезависимую память будут записываться уже ваши значения.
Запускается таймер кнопкой «Старт», после ее нажатия на выводе 15 DD1 появляется фронт управляющего сигнала и сразу же начинается обратный отсчет установленного времени выдержки. По истечении этого времени, напряжение на выводе 15 DD1 падает почти до нуля — спад импульса управления. Повторное нажатие на кнопку возможно только через 3 секунды, если выставленная выдержка менее этого времени, или после окончания импульса управления, если длительность импульса более 3 секунд.

В схему таймера введена перемычка J1, дающая возможность применять индикаторы, как с общим анодом, так и с общим катодом. Если перемычка отсутствует, то программа индикации будет обслуживать индикатор с общим анодом, а если перемычка установлена, то программа будет работать на индикатор с общим катодом.
Номиналы подтягивающих резисторов R1… R4 — могут быть любыми от 4,7к до 10к. Номиналы гасящих резисторов R5… R12 выбираются в соответствии с необходимой яркостью свечения сегментов индикаторов. Я всегда ставлю резисторы по 510 Ом. Это уменьшает нагрузку на выходы микроконтроллера и увеличивает срок службы самого индикатора. Микросхемный стабилизатор напряжения DA1 можно поставить любой на соответствующий ток нагрузки и выходное напряжение пять вольт. Например, КР142ЕН5А. Максимальное входное напряжение зависит от выбранной вами микросхемы стабилизатора. Максимальное входное напряжение для микросхемы КР142ЕН5А равно 15 вольт. Так как при контактной сварке возникают очень большие электромагнитные поля все устройство, во избежание сбоя программы, должно быть тщательно экранировано, а напряжение питания, возможно, придется подавать через LC фильтр. Конденсатор С2 при монтаже схемы припаивают непосредственно в соответствующим выводам микроконтроллера. Программа и схема разрабатывались по просьбе одного из посетителей сайта, поэтому в железе проверить данную схему пока не представляется возможным. Таймер был промоделирован в протеусе.

Зачистил концы и примерил наконечники - они на проводе свободно болтались.

Тут определённо что-то не так и принципиально захотелось разобраться.
Измерил советским микрометром поточнее несколько медных жил - вышло в среднем 0,365мм
И уселся поудобнее их считать…


Насчитал 433 штук
Путём нехитрых математических вычислений, реальное сечение кабеля было определено как 45кв мм.
Маловато будет, маловато!
Как-же так, ведь бирку на кабеле видел своими глазами? А вот так и обманывают доверчивых покупателей. Во многих специализированных магазинах при покупке кабеля и провода продавцы даже спрашивают честное сечение нужно (по ГОСТ) или заниженное (по ТУ). Причём сечение даже провода по ГОСТу тоже занижено - проверено неоднократно. Многопроволочные провода занижают больше, чем моножильные, т.к. проверить их реальное сечение затруднительно. В данном случае провод ПуГВ 1х50 с уже заниженным сечением подписали как ПуГВ 1х70.

Итак, реальное сечение провода 45кв.мм, чего всё-таки маловато для такого трансформатора. Найти метр провода с реальным сечением 70кв.мм быстро так и не удалось, поэтому буду тестировать на том, что есть (потом возможно переделаю). Наконечники также решил не менять, т.к. их буду не прессовать, а паять.

Процесс пайки таких толстых проводов в домашних условиях задача нетривиальная, поэтому чуть подробнее опишу как это делается.
Берёте самый мощный имеющийся паяльник и убираете его в сторону - он не понадобится:)
Впрочем, таким паяльничком можно попробовать.

Очень желателен помощник для увеличения числа рук. Мне к сожалению никто не помогал, поэтому процесс проходил не так удобно, как могло быть и естественно фото в процессе не делал - руки были очень заняты, придётся описывать словами:)
Пайку проводил китайской газовой горелкой средней мощности (заявлено 1кВт)


Место пайки выбирал в соответствии с требованиями пожарной безопасности вдали от горючих материалов.
Концы проводов зачистил с запасом, чтобы изоляция около наконечников не сильно обгорала.


Предварительно надел термоусадочные трубки, чтобы потом изолировать места пайки.


Трансформатор приподнял и закрепил повыше, согнул провода вниз вертикально - в таком положении их и надо паять. Смачиваю провод флюсом, надеваю наконечник, торчащие в контрольном отверстии жилы подгибаю, чтобы наконечник держался на проводе. Провод с честным сечением и так не слетит, так как вставляется в наконечник со значительным усилием.
Прогреваю наконечник вместе с проводом до температуры примерно 220-230гр (примерно за 1 минуту) и сую в зазор проволоку припоя ПОС61, которая плавится и заполняет всё свободное пространство. Занимает это ещё пару минут, при этом наконечник продолжаю слегка подогревать. Как только припой появляется в контрольном отверстии, пайку прекращаю и всё медленно остужаю. Второй провод паял так-же

Далее натянул трубки до наконечников и обжал феном в два слоя.

Для передачи максимальной мощности, силовые провода не должны быть слишком длинные, но очень короткие провода затрудняют проведение процесса сварки. У меня длина получилась 35см, можно было сделать немного короче.


Для удобного запуска, кнопку закрепил на силовом проводе рядом с наконечником (видно на фото)

Для сварки аккумуляторов выпилил медные электроды из пластин 2мм


И закрепил болтами на место

Дисплей очень хрупкий, при установке желательно защитить его получше, я этого не делал, возможно потом переделаю.

Первым делом проверил никелевую ленту.


Ширина 6мм, толщина 0,14мм и длина 500мм
Сечение 0,84кв мм, измеренное сопротивление 0,051 Ом, удельная проводимость получилась 0,086 Ом*мм2/м, что соответствует никелю.
Проводимость никеля в 5 раз меньше меди, что совместно с небольшим сечением этой ленты не позволяет использовать её для сборок аккумуляторов мощного электроинструмента. Для таких сборок необходимо использовать ленту 10х0,2мм сечением 2кв мм либо вообще спаивать аккумуляторы медным проводником от 1кв.мм и более (что я обычно и делаю).

Тестирование сварочного контроллера и самого сварочника
Пределы регулировки:
Длительность импульса 10-200мс, по умолчанию 40мс
Число импульсов 1-10, по умолчанию 2
Сдвиг импульса относительно ноля: 0-10мс, по умолчанию 2мс
Пауза между импульсами равна длительности импульса
Режим работы после отключения питания не сохраняется, но можно переписать настройки по умолчанию, удерживая кнопку энкодера 10 секунд.
Пресеты и профили отсутствуют, но из-за малого числа настроек они и не нужны

После нажатия кнопки пуск, индикатор пишет WELDING (сварка), звучит громкий предупреждающий сигнал 3 раза, затем идёт сама сварка и по окончании звучит 2 раза сигнал окончания сварки.
Зелёный светодиод на плате показывает режим готовности. В процессе сварки он гаснет.

Как и в любом деле, для получения нормального результата нужен навык и тренировка. Контактная сварка имеет свою область применения и это необходимо учитывать.
Не пытайтесь сразу варить новые дорогостоящие аккумуляторы, т.к. слишком велика вероятность их испортить. Тренируйтесь на старых или неисправных аккумуляторах, чтобы подобрать форму электродов, силу прижима и режимы сварки.
Немного теории.
Удельная мощность в месте контакта равна (I x U x T) / S
Т (длительность импульса) можно выбирать в параметрах контроллера
U (напряжение в месте контакта) зависит от трансформатора и проходящего тока
I (ток) зависит от трансформатора, электродов, силы прижима в месте контакта
S (площадь контакта) зависит от формы электродов и силы их прижима
Как видим, влияющих параметров довольно много, поэтому приходится их подбирать.
Например, не стоит пытаться делать тупые электроды или сильно давить на них, т.к. несмотря на большой ток, напряжение в месте контакта будет совсем малым и естественно нормального разогрева не будет. Не стоит также слишком далеко разносить сварочные точки, т.к. ток не сможет достичь нужной величины их-за высокого сопротивления между контактами.

За счёт синхронизации импульсов с сетью, повторяемость сварных точек получается достаточно высокой. Все тесты привязаны к конкретному аппарату - на другом результаты естественно могут отличаться.

Сварка аккумулятора в разных режимах (слева направо)
1/10 1/20 1/40 2/40 2/60
первым идёт число импульсов, далее длительность импульса


Оптимальное значение 1/40.

Сварка батарейки AAA, режим 2/20

Сварка скрепок

Ниже показано, как не надо варить аккумуляторы:)


Тупые электроды и большая сила прижима.


При этом мощность выделяется не в месте контакта, а в самом проводе - естественно ничего не приваривается и пластина легко отлетает

Сварка аккумулятора в одну точку тупыми электродами (один электрод на аккумуляторе, второй на пластине)
Тут 2 точки за счёт сварки 2 раза


Аккумулятор при этом слишком легко прожечь, да и сварка не держится


Если реально необходима нормальная сварка в одну точку - делайте один электрод тупым - его и прижимайте посильнее к аккумулятору, чтобы в этом месте не выделялось тепло.

Пережог в режиме 2/60


Пережог может нарушить герметичность аккумулятора, что недопустимо.

Сварка в неподходящем месте на боковой поверхности


Слева - режим 1/40мс, справа 2/60мс (пережог)
На боковой поверхности изнутри отсутствует защитная прокладка и сварка может повредить рулон аккумулятора.

В процессе сварки аккумуляторов, трансформатор и симистор нагреваться не успевают, но если используется более мощный трансформатор и сварка идёт интенсивно, принудительное охлаждение может понадобиться

Пожелания производителю.
1. Добавить режим сварки без подготовительной задержки (для управления педалью)
2. Добавить режим сварки по удержанию кнопки (для сварки массивных элементов с длительной выдержкой)
3. Предусмотреть возможность отключения громкого писка (хотя-бы джампером)
4. На плате поменять чередование контактов к дисплею (чтобы они совпадали)
5. Сделать шкалу уставки длительности импульса двухзонной, например от 10 до 100мс - с шагом 1мс, свыше 100мс - с шагом 10мс

Вывод: контроллер отлично себя показал и может быть рекомендован к применению

Пушок отказался от фотосессии - подозрительная железка с толстыми проводами его пугает.

Товар предоставлен для написания обзора магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.