Neukonstruktion:
So kommen dann allmählich mehr und mehr Bauteile zusammen:
Da die 130Volt das Hauptproblem waren, mußte also eine zusätzliche Schaltregelung her, die die 130 Volt auf einen einstellbaren Wert zwischen 12Volt und 60Volt herabsetzt. Wenn man schon eine Schaltregelung macht, kann man auch gleich eine einstellbare Strombegrenzung auf 5bis 30Ampere (es geht ja nur um Kleinschweissungen) damit kombinieren, das ist ein Abwasch und bedeutet einen gewissen Überlastschutz für den Schaltregler. (aber leider nicht während der Entwicklungsphase) Einen Leistungsschaltregler würde ein vernünftiger Mensch meines Wissens unbedingt mit Mos-Fets aufbauen. Da aber 130 Volt vorhanden sind und noch Transienten zu befürchten sowie Datenverschlechterung durch Erwärmung, lieber gleich 200Volt Typen. Da ist meine Bastelkiste knapp bestückt, aber ich hatte 4 Stück IRF640 die ich parallel schalten konnte. P-Mos Transistoren in dieser Leistungsklasse sind schwer erhältlich, ich habe nicht mal nachgeguckt, ob Reichelt welche hat.Möglich aber unwahrscheinlich. Ausserdem erwiesen sich die IRF640 als zu schwach. Das heißt, sie heizten das diesmal durchaus ansehnliche Kühlblech zu sehr auf, und zerstörten sich danach (2 Minuten schweissen) selbst.
N-Kanal -Mosfets zu verwenden, bedeutet aber, dass man zwingend eine zusätzliche potentialfrei floatende Betriebsspannung für die Gate-Ansteuerung braucht. Und bei den zu bewältigenden Schaltfrequenzen und den 130 Volt wäre das mit P-Mos auch nicht besser gewesen. Nun hatte ich ein paar integrierte DC-DC Wandler in der Kiste mit Isolationsspannungen von mehreren 1000Volt, also ideal um diesen Zweck ohne große Mühe zu realisieren. Aber was für ein Schreck, als ich feststellte, dass die Dinger zwar leidlich Wirkungsgrad, aber eine Stand-by Stromaufnahme von über 20mA hatten! Mein armer Linearregler konnte das nicht auch noch hergeben. Für die Strommessung mit 1-mOhm Shunt und Operationsverstärker brauchte ich nämlich noch eine zweite floatende Betriebsspannung. Also 40 mA mal 130V-16V = schon wieder ungefähr 5 Watt wegzukühlen. Also habe ich den Wandler für die erdfreien Betriebsspannungen auch noch diskret aufgebaut mit Ansteuerung durch ein PWM-IC MC34063 geschaltet als Flyback-Regler. Dabei wird eine bestimmte Spannung mit einer Windung des Wandlertrafos wie üblich bei dem Chip erzeugt. Diese Spannung wird aber überhaupt nicht benutzt. Wenn ich aber aus den anderen Windungen des Wandlertrafos Spannung entnehme, so senke ich dadurch die Höhe des Flyback-Impulses, was auf die unbenutzte primärseitige Ausgangsspannung durchgreift, da es ja dieselbe Spule ist und dadurch zur Nachregelung der Spannung führt. Ich war erstaunt, wie gut das funktioniert. Trotzdem war noch ein Mikropower Linear-Regler zur Nachregelung erforderlich, wenn ich nicht mit einer Grundlast Strom verschwenden wollte. In SMD nimmt das kaum Platz weg und ist auch eine bewährte Sache, die immer auf Anhieb funktioniert und deshalb nicht viel Mühe macht. Zwei Optokoppler übermitteln die erforderlichen Signale auf und von den potentialfrei floatenden Schaltungsteilen. Ich hätte die floatenden Betriebsspannungen aber mit den Micropower-Reglern weiter herunterdrosseln sollen bis auf 6 Volt. Dann hätte ich garantiert keine Einbrüche in diesen Spannungen mehr gehabt und hätte mit Rail to Rail-output Operationsverstärkern arbeiten können, statt mit dem TLC 271 der das unter Last nicht kann. So ist die Regelung mit diversen störenden Einflüssen behaftet, die es erforderlich machten, lange daran herumzutrimmen, statt einfach zu rechnen.
Und wenn man schon den Strom schaltet, kann man gleich auch noch eine Anti-Stick Schaltung integrieren.
Als Verpolungsschutz dient eine „25Ampere“ KFZ Sicherung sowie ein vibrierender Alarm und dass die grüne Kontrollleuchte nicht leuchtet. Im Verpolungsfalle liegen ungefähr 2 Volt an dem Gerät an. Der Strom wird durch die Inversdioden in den PowerFets und die Wandler-Schottky-Diode sowie den Wandlertrafo kurzgeschlossen. Die Schottky-Diode könnte unter Umständen eher durchbrennen, als die KFZ-Sicherung. Verpolung mit sehr starken Schweissströmen aus dem Inverter lieber gar nicht erst ausprobieren. Erst den Inverter auf unter 30A herunterdrehen.
Alles in allem ist etwas herausgekommen, das zwar am Ende hoffentlich funktioniert, das man aber aufgrund des Aufwandes nicht mehr zum Nachbau empfehlen kann. Aus den 5 Tagen, die ich eingeplant hatte wurden schnell 5Monate, während der das meiste andere liegenblieb ausser kleinen Reparaturen für den laufenden Betrieb. Ohnehin kann ich ja nur einen fühlbar begrenzten Teil meiner Zeit der Elektronik widmen.
Hier meine (gegenwärtige) gegenwärtig vorletzte Schaltung, noch ohne Anti-Stick eingezeichnet:
Die Schaltung wies einen Fehler auf, ich habe sie noch mal hochgeladen. Selbstverständlich braucht der „open-Emitter“-Ausgang vom MC34063 einen pull down Widerstand, für den ich 560 Ohm gewählt habe. Peinlicherweise wies meine Schaltung diesen tatsächlich nicht auf. Trotzdem lief sie. Der Eingang vom MOS-Treiber ist eben sehr empfindlich und der Ausgang vom PWM-Regler 34063 hat vielleicht eine kleine Kapazität. Es ist plausibel, dass diese Sache bei höheren Schaltfrequenzen, also unter Last, dazu geführt haben könnte, dass die Mos-Fets nur halb auf waren und deshalb zu hohe Leistungen (Spannungsabfall) aufnehmen mußten. Seit ich den Widerstand drin habe, funktioniert es. So etwas dämliches, da hatte ich gar nicht erst nach gesucht. (Nachtrag:Es war doch einer drin 3k3 in 0805 auf der Rückseite ganz unauffällig verkleistert, aber der war eben nicht niederohmig genug.)Wahrscheinlich wäre es so auch mit den IRF 640 gelaufen. Na, ja, mit den neuen IRFB 4127 ist es natürlich betriebssicherer. Aber die beiden 470u Elkos werden noch warm. Vor allem der in der Mitte. Irgendwie muß ich dessen ESR noch senken, ohne ihn wesentlich zu vergrössern.
Nachtrag: Ich habe den
470uElko mit einem Kühler aus Kupferblech versehen, aber
vermutlich wird er auch so nur kurze Zeit funktionieren.
Die
25Watt 0,1 Ohm Widerstände von Dale zum Anschrauben an
Kühlblech, musste ich auch rausschmeissen. Die ganzen
Drosselwiderstände. Laut Datenblatt vertragen die nur 1000V
zwischen Gehäuse und Innenleiter. Da die mit Silikon isoliert
sind und ich viel Vertrauen in moderne Isolierstoffe habe, bin ich
davon ausgegangen, dass die in Wirklichkeit so viel vertragen, wie
die Überschlagsspannung zwischen Gehäuse und
Anschlussdraht. Stimmt aber leider nicht. Jedenfalls, wenn sie
gleichzeitig warm werden. Eigentlich gehört zur Stabilisierung
des Lichtbogens vielleicht sowieso besser eine Drosselinduktivität.
Es ist aber schwer vorauszusagen, was passiert, wenn ich die dann für
den Zündfunken mit einem Kondensator überbrücke und so
einen Schwingkreis erzeuge. Also hab ich erst mal darauf
verzichtet.
Selbst bei gleicher Funktion würde ich das Gerät
aber nicht noch mal so aufbauen:
Da ich noch eine
Softstart-Steuerung zufügen musste, eine Erkenntnis, die mich
zwei Döner gekostet hat, (-so nenne ich jetzt die
LeistungsMosfets hierdrin, weil jeder davon so viel kostet, wie ein
Döner, was mich ärgert, wenn sie immer wieder kaputt
gehen.Und Undervoltage Lockout-noch ein Döner) da das also so
ist, würde ich gleich ein für Netzteile gedachtes PWM-IC
verwenden, das über diverse Schutzeinrichtungen verfügt.(
Vielleicht das UC284 oder sowas. Als MOS Treiber würde ich den
IR2113 verwenden, oder ev. auch ein IR2112 mit nachgeschaltetem
MCP1407 (stärker) Da die Spanng bei dem Abwärtswandler ja
durchaus regelmässig nach unter 0V runter geht ist
höchstwahrscheinlich auch die Erzeugung der einen floatenden
Betriebsspannung mit Bootstrap Verfahren möglich. Mit dem IR2113
hätte ich dann alle Signalerzeugungen auf Masseniveau was immer
günstiger ist. Ausserdem kann man den Low-side-Treiber dann
gleich für das Gate vom IGBT verwenden. (Im übrigen ist das
ganze IR21xx-Sortiment von Reichelt recht interessant, es gibt da
current sense Anschluss, Deadtime, integrierten 555-artigen
Oszillator, single H-Side, schwächere, stärkere oder
verschieden Kombinationen. RS hat vielleicht noch mehr verschiedene.)
Das Kühler-Hirschgeweih auf der Gehäuserückseite ist
nicht mehr erforderlich, seit ich die IRF640 durch IRFB4127 mit 10
mal niedrigerem RDS-ON (unfreiwillig) ersetzt habe. Rückwand und
Montageschine aus Alu ist genug. Des weiteren:Ich habe mir einen
modernen integrierten DC-DC Wandler für 60mA von Reichelt
besorgt, hat 4,30 Euro gekostet, ist nicht mal 2cm gross,und hat nur
kleinen Ruhestrom. Das wäre dann die floatende Spannung für
die Strommessung. Dafür kann ich dann sämtliche Hilfs
Spannungswandler aus dem Design streichen. Alles in allem bleibt
dann, selbst, wenn ich das Prinzip beibehalte, nur ein Drittel der
Bauteile übrig und die Betriebssicherheit steigt.
Den 470u
Kondensator würde ich durch eine Parallelschaltung von mehreren
kleinen L-ESR Kondensatoren ersetzen. Die sind dann zwar immer noch
überlastet, haben aber bessere Chancen, es auszuhalten. Ich
bräuchte ja auch nur die billigeren 63V Typen für sekundär.
Ich würde die Wandler-Spule vor dem Einbau auf ihre Induktivität
im Frequenzbereich ca 20-100kHz prüfen. Bei dem dicken roten
Ringkern bin ich nicht ganz sicher, ob er wirklich für den
betreffenden Frequenzbereich ist. Oder habe ich den etwa mal für
CB-Funk gekauft? So 5-10 uHenry müssen es doch mindestens sein,
sonst brauche ich mich schon deswegen nicht zu wundern, dass der Elko
warm wird
Ich möchte mich ausdrücklich lobend über
das MC34063 äussern: Es läuft schon mit 3 Volt, aber auch
noch mit 40V ist zwar nicht Mikropower, aber auch nicht besonders
versoffen. Es ist vielseitig beschaltbar und erträgt das
geduldig, und kriegt sein PWM-Signal immer irgendwie so hin, dass der
Wirkungsgrad nicht allzuschlecht wird. Mit einem Mikrokontroller ist
das vergleichsweise gar nicht so einfach. Und man kriegt 3 Stück
für einen Euro, oder so. Aber für diese Schaltung ist das
MC340063 nun mal eben nicht das richtige.
Der Linearregler würde
mit einem Darlington-Transistor für >>120V aufgebaut.
Allerdings muß man dabei aufpassen.Den gehäuseisolierten
BU806, den ich dafür gekauft habe, kann ich nicht verwenden,
weil er trotz Darlington nur eine Stromverstärkung (Hfe) von 50
hat. Das liegt an dem Abschalt-Beschleunigungs-Widerstand. Bei
Darlington denke ich natürlich an Hfe ca 500 bis 50000. Den
Optokoppler-Empfänger für die Stromregelung würde ich
mit 6Volt und einem echten Rail-toRail Output-OPVbetreiben. Eventuell
linearisieren oder den Dynamikbereich erhöhen.
-----Aber
wenn ich jemals wieder so was bauen würde, würde ich gleich
auf das Ziel Impulsschweissgerät mit Mikrokontroller-Steuerung
gehen.----
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Nachtrag: Die Kiste funktioniert jetzt und ich habe es ausprobiert, damit zu schweissen. Die Hochfrequenzzündung ist auf jeden Fall ein großer Gewinn. Die Strom und Spannungsregelung kommt beim Schweissen mit Rutil umhüllten 1,5mm Elektroden nicht so zum tragen. Ich habe es auch versucht, mit Wolframelektrode damit unter Sand und verschiedenen Flussmitteln zu schweissen. Es ist durchaus möglich, damit niedrige Energiemengen auf den Stahl einzubringen. Aber das Flussmittel fliesst und entoxydiert nicht so, wie beim Löten. Es ist mir zwar gelungen, in das 0,4mm V2A-Blech auf diese Weise keine Löcher reinzubrennen, aber sich mit seinesgleichen verschweisst hat es nur recht sporadisch und launig. Dafür klebte der Sand an der Wolframspitze. Also, so geht das noch nicht. Ich werde es mit Schutzgas versuchen müssen, habe aber keine rechte Lust, mir eine neue Gasflasche anzuschaffen. Die dünnsten Rutil-Elektroden mit 1,5 mm kann man mit so niedrigen Energiemengen, dank des ständigen Zündfunkens zwar auch zum Schmelzen kriegen, aber dann schmilzt die Elektrodenspitze langsam zu einer glühenden Kugel aus Schlacke und Eisen, denkt aber nicht daran, sich in kleinen Tröpfchen auf das Blech zu begeben. Und die Stromstärke, bei der das geht, frisst in das 0,4mm-V2A sofort ein Loch und das ist auch mit Kupfer unterlegen nicht zu retten.
So sieht die Kiste jetzt aus:
bzw.so:
Und der aktuelle Schaltplan: Bleistiftzeichnungen sind praktisch: man kann einfach etwas wegradieren oder ändern: Bekanntermassen sind oft Fehler im Schaltplan, mit denen das Gerät nicht funktionieren würde, wenn sie dort auch wären, die man aber dann meist leicht findet. Und keinen Schreck kriegen, ich könnte es auf 1 Drittel der Teile reduzieren.Schaltplan:
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