Uc3845 в сварочном инверторе схема
Обновлено: 04.10.2024
СВАРОЧНЫЙ АППАРАТ СВОИМИ РУКАМИ
СБОРКА МОЩНОГО БЛОКА ПИТАНИЯ ПО СХЕМОТЕХНИКЕ СВАРОЧНОГО АППАРАТА
Откровенно говоря сразу убивать не дешевые силовые транзисторы не захотелось, поэтому было принято решение собрать некий примежуточный вариант, в котором используется тот же принцип работы, но более дешевая элементная база. Ну а чтобы сохранить вероятность дальнейшего использования данного вариант было решено собрать блок питания, но ввести в него некоторые функции, которые позволят его использовать как пуско-зарядное устройство для автомоблиля.
Принципиальная схема данного пуско-зарядного устройства приведена ниже:
В качестве донора моточных деталей и блока питания будет использоваться блок питания от тюнера Триколор. Основных видов данного блока питания два - с вертикальным и горизонтальным расположением трансформатора. В обоих случаях используется микросхема FSDM0365RN, маркируется как DM0365.
У меня с горизонатльным трансформатором больше, поэтому буду использовать их. Прежде всего блок питания будет выступать в роли блока питания для схемы управления, поскольку данный БП оснащен всем необходимым для надежной долгосрочной работы. Единственно, что нужно сделать это проверить исправность электролитов, а еще лучше поменять их на новые. Ну и разумеется перемотать трансформатор. Я решил намотать две обмотки - одна для питания UC3845, вторая - для питания вентилятора принудительного охлаждения.
Более подробно об этом блок питания можно посмотреть здесь:
Архив с печатной платой и схемой можно взять ЗДЕСЬ.
Кроме самого БП использую еще два таких же трансформатора. Первый пойдет на изготовление трансформатора управления, второй - трансформатор тока. Кстати сказать, по ходу подготовки сердечников к намотке решил проверить один вопрос, который частенько видел в интернете и которым сам задавался не единожды - ЧТО ПРОИСХОДИТ С ФЕРРИТОМ ВО ВРЕМЯ НАГРЕВА.
Ответ на этот вопрос в видео ниже:
По поводу управляющего трансформатора тоже есть некоторые не состыковки с оригинальной схемой - он значительно больше. Я намеренно взял такой "огромный" трансформатор. Ну во первых у меня их много, во вторых найти их не составит труда даже Вам, в третьих - запас по габаритной мощности должен позволить избавится от драйверных транзисторов - на затворы и MOSFET и IGBT можно подавать отрицательное напряжение для ускорения закрытия. Вот этой особенностью я и хочу воспользоваться.
В оригинальном блоке питания на DM0365 для стабилизации 15 вольт выходного напряжения требуется 18 витков, трансформатор работает на частоте 67 кГц, выходное напряжение сохранятеся вплоть до 150 вольт входного, следовательно трансформатор намотан с ОГОРОМНЫМ запасом. Можно конечно воспользоваться программой Динисенко, но решил намотать "на галазок" 4 обмотки по 30 вольт.
Намотка первичной осуществлялась сразу двойным проводом 0,35 мм виток к витку, затем было вызвонены начало-конец обмоток и они соединялись последовательно. Затем слой изоляции и намотка вторичных обмоток, так же с межслойной изоляцией. Размеется, что все обмотки мотались в одну сторону. Единственно, что не было сделано - момечено где начало на вторичках, но это проблемой не будет. Дело в том, что на плате управления выхода с управляющего трансформатора одинаковы и нагружены только на резистор. Выяснить какой вывод должен идти на затвор силового транзистора можно при помощи осциллографа.
СБОРКА БЛОКА ПИТАНИЯ ДЛЯ БЛОКА ПИТАНИЯ.
Монтаж элементов на плату лучше осуществлять в 2 этапа. На первом этапе устанавливаются все элементы, относящиеся к блоку питания контроллера. Блок питания проверяется до того, как у него появится "потребитель".
Сразу следует отметить, что однотактыне преобразователи напряжения ОЧЕНЬ не любят оставаться без нагрузки и выходное напряжение может быть не очень то стабильным. И колебания эти могут достигать 0,2..0,4 вольта.
Это вызвано тем, что выходное напряжение успевает поднятся до такой величины, что влияние ОС буквально останавливает микросхему и на трансформатор перестает подаваться напряжение. На фото ниже показаны осциллограммы на выходе трансформатора блока питания с очень маленькой нагрузкой:
Тут следует поделится опытом - при намотке трансформатора я попутал начало-конец вспомогательной обмотки вторичного питания. На схеме эта обмотка не обозначена, но на плате она есть и предназначена она для питания вентилятора принудительного охлаждения. Я ее на всякий случай решил внести в схему, если вдруг внутри корпуса будет жарковато. Как следствие такой не внимательности пока я соображал почему блок питания стартует и тутже уходит в защиту от перегрузки у меня стрельнул конденсатор на 25 вольт. Именно тогда меня и посетила мысль о том, что я что то перемудрил с обмотками. "Крокодил" ослиллографа установил на минусовой вывод, а шупом стал на вывод трансформатора до диода. Действительно обмотка с неправильной фазировкой и на конденсатор подавалось порядка 50-ти вольт. Было бы глупо ему не стрельнуть. Для наглядности ниже приведены фото осциллограмм при правильной фазировке и не правильной. Измерения относительно минусового вывода:
Но в любом случае стабилизация выходного напряжения будет осуществляться не линейно, а пакетами импульсов. Именно поэтому на выходе блоков питания с использованием этой микросхемы обязательно должен стоять дроссель и довольно большой емкости электролит.
Удержаться от опыта имея уже запаянную плату конечно же довольно трудно. Поэтому к выводу 1 был подпаян переменный резистор на 1 кОм и в результате на выходе микросхемы получились вот такие осциллограммы:
В принципе, если использовать вариант стабилизации, предложенный на схеме выше, то конечно же он работать будет, причем выходное напряжение будет гораздо стабильней, чем при стабилизации пакетами импульсов, но лично меня все равно смущает то, что на выход услителя в наглую подается "земля". Я оставлял это добро во включенном состоянии на 30 минут - ни чего не нагрелось, не слетело, т.е. как бы это можно использовать. Но осадок не понимания остался.
ПРОВЕРКА УПРАВЛЯЮЩЕГО ТРАНСФОРМАТОРА
При работающем контроллере на затвор управляющего транзистора приходит напряжение следующей формы:
На управляющем трансформаторе, на первичной обмотке амплитуда напряжения достигает 30 вольт, поскольку после закрытия транзистора накопленная в сердечнике энергия меняет полярность напряжение и приложенные пятнадцать вольт во время открытия транзистора теперь добавляются к имеющимся пятнадцати вольтам напряжения питания, поскольку полярность напряжения самоиндукции обратно приложенному напряжению. Здесь стоит обратить внимание на то, что в конце этого вольтодобавочного скачка имеется ниспадающий участок, который как раз и говорит о том, что энергии в сердечнике больше нет - он полностью размагнитился. Если трансформатор нагрузить, то высота этой ниспадающей кривой уменьшится, а по времени она начнется раньше, ведь нагруженный трансформатор гораздо раньше избавится от накопленной энергии:
Тоже самое можно наблюдать и на вторичной обмотке, только напряжение теперь будет иметь переменное значение. В этом месте необходимо отметить, что на затвор силового транзистора как раз должно приходить напряжение прямоугольной формы, находящеяся в положительном полупериоде, т.е. тот вывод трансформатора к которому подключен щуп осциллографа. Вывод трансформатора к которому подключен "крокодил" должен идти на исток силового транзистора. В этом случае фазировка управляющего трансформатора правильная.
Тому, что дочитал до этих слов, но все равно мало что понял предлагаю видеовариант данной статьи:
Итак, подводим итоги проделанной работы:
UC3845 - контроллер, предназначенный для стабилизации тока широтно-импулсьной модуляцией, стабилизацию напряжения он может осуществлять только в преривисто-импульсном режиме, либо имитацией ШИМ. Данную имитацию можно организовать подавая "землю" на первый вывод микросхемы.
При перемотке трансформатора однотактного блока питания следует особое внимание уделять фазировке - даже приличный опыт в электронике не является гарантией ошибки.
Управляющий трансформатор на основе сердечника от Триколоровского БП работает замечательно и держит довольно приличную нагрузку. В паузах полностью успевает размагнитится, что говорит о возможности его использования как для можных блоков питания, так и для сварочных аппаратов.
Приступаем к подготовке моточных деталей к монтажу и проверяем на работоспососбность уже весь блок питания, но это уже в следующей серии, описание которой будет в
Uc3845 в сварочном инверторе схема
UC3845
ПРИНЦИП РАБОТЫ
Исходя из приведенной таблицы понятно, что UC3845 далеко не лучший вариант этой микросхемы, поскольку нижний предел по температуре у нее ограничен нулем градусов. Причина довольна проста - не каждый хранит сварочный аппарат в отапливаемом помещении и возможна ситуация, когда нужно что то подварить в межсезонье, а сварочник или не включается или банально взрывается. нет, не в клочья, даже куски силовых транзисторов врядли вылетят, но в любом сварки не будет, да еще и ремонт сварочнику нужен. Проскочив по Али я пришел к выводу, что проблема вполне решаема. Конечно же UC3845 популярней и их в продаже больше, но и UC2845 тоже есть в продаже:
У остальных производителей дела чуточки по другому:
Зависимость частоты от номиналов RC у микросхемы от Fairchild
Зависимость частоты от номиналов RC у микросхемы от STMicroelectronics
Зависимость частоты от номиналов RC у микросхемы от UNISONIC TECHNOLOGIES CO
С тактового генератора получаются довольно короткие импульсы в виде логической единицы. Эти импульсы разбигаются на три блока:
1. Все тот же финальный сумматор DD4
2. D-триггер DD2
3. RS-триггер на DD5
Триггер DD2 имеется только в микросхемах подсерии 44 и 45. Именно он не дает длительности управляющего импульса стать длинее 50% от периода, поскольку он с каждым приходящим фронтом логической единицы с тактового генератора меняет свое состояние на противоположное. Этим он делит частоту на два, формируя одинаковые по длительности нули и единицы.
Происходит это довольно примитивным образом - с каждым приходящим фронтом на тактовый вход С триггер записывает в себя информацию, находящуюся на информационном входе D, а вход D соединен с инверсным выходом микросхемы. За счет внутренней задержки и происходит запись проинвертированной информации. Например на инвертируюющем выходе находится уровень логического нуля. С приходом фронта импульса на вход С триггер успевает записать этот ноль, до того как ноль появится на его прямом выходе. Ну а если ня прямом выходе у нас ноль, то на инверсном будет логическая единица. С приходом следующего фронта тактового импульса триггер уже записывает в себя логическую единицу, которая появится на выходе через какие то наносекунды. Запись логической единицы приводит к появлению логического нуля на инверсном выходе триггера и процесс начнет повторяться со следующего фронта тактового импульса.
Именно по этой причине у микросхем UC3844 и UC3845 выходная частота в 2 раза меньше, чем у UC3842 и UC3843 - ее делит триггер.
Попадая на вход установки единицы RS триггера DD5 первый же импуль переводит триггер в состояние, когда на его прямом выходе логическая единица, а на инверсном - ноль. И пока на входе R не появится единица триггер DD5 будет находится в этом состоянии.
Допустим у нас нет ни каких управляющих сигналов извне, тогда на выходе усилителя ошибки OP1 появится напряжение близкое к опорному напряжению - обратной связи нет, инвертирующий вход в воздухе, а на не инвертирующий подано опорное напряжение, равное 2,5 вольта.
Тут сразу оговорюсь - лично меня несколько смутил этот усилитель ошибки, но более внимательно изучив даташит и благодаря тыканьем носом подписчиков выяснилось, что выход у этого усилителя не совсем традиционный. В выходном каскаде OP1 всего один транзистор, соединяющий выход с общим проводом. Положительное напряжение формируется генератором тока, когда этот транзистор приоткрыт или закрыт полностью.
С выхода OP1 напряжение проходит своеобразный ограничитель и делитель напряжения 2R-R. Кроме этого эта же шина имеет ограничение по напряжению в 1 вольт, так что при любых условиях на инвертирующий вход OP2 больше одного вольта не попадает ни при каких условиях.
OP2 - по сути компаратор, сравнивающий напряжения на своих входах, но компаратор тоже хитроделанный - обычный операционный усилитель не может сравнивать столь низкие напряжения - от фактического нуля до одного вольта. Обычному ОУ нужно либо большее напряжение на входе, либо отрицательное плечо напряжения питания, т.е. двуполярное напряжение. Этот же компаратор довольно легко справляется с анализом этих напряжений, не исключено, что внутри какие то смещающие элементы, но до принципиальной схемы нам как бы особого дела нет.
В общем OP2 сравнивает напряжение приходящее с выхода усилителя ошибки, точнее те остатки напряжения, которые получаются после прохождения делителя с напряжением на третьем выводе микросхемы (корпус DIP-8 имеется ввиду).
Но в данный момент времени на третьем выводе у нас вообще ни чего нет, а на инвертирующий вход подано положительное напряжение. Естественно компаратор его проинвертирует и на своем выходе образует четкий логический ноль, что на состоянии RS-триггера DD5 ни как не отразится.
По итогам происходящего мы имеет на первом сверху вход DD4 логический ноль, поскольку питание у нас в норме, на втором входе у нас короткие импульсы с тактового генератора, на третьем входе у нас импульсы с D-триггера DD2, у которых одинаковая длительность нуля и единицы. На и на четвертом входе у нас логический ноль с RS-триггера DD5. В результате на выхоже логического элемента будут полностью повторяться импульсы, которые формирует D-триггер DD2. Следовательно как только на на прямом выходе DD4 будет появляться логическая единица будет открываться транзистор VT2. На инверсном выходе в это же время будет находится логический ноль и транзистор VT1 будет закрыт. Как только на выходе DD4 появится логический ноль VT2 закрывается, а инверсный выход DD4 откроет VT1, что и послужит поводом для открытия силового транзистора.
Ток, который выдерживают VT1 и VT2 равен одному амперу, следовательно данная микросхема с успехом может управлять сравнительно мощными MOSFET транзисторами без дополнительных драйверов.
Для того, чтобы понять как именно происходит регулировка происходящих в блоке питания процессов был собран самый простой бустер, поскольку он требует наименьшего количества моточных деталей. Было взято первое попавшееся под руки ЗЕЛЕНОЕ кольцо и на нем намотано 30 витков. Количество не вычислялось вообще, просто был намотан один слой обмотки и не более того. За потребление я не переживал - микросхема работает в широком диапазоне частот и если начинать с частот под 100 кГц, то этого уже будет вполне достаточно, чтобы не дать сердечнику войти в насыщение.
Все внешние элементы имеют приписку out, означающую, что это СНАРУЖИ микросхемы деталюшки.
Сразу распишу что на этой схеме и для чего.
VT1 - база по сути в воздухе, на плате запаяны торчки для одевания джамперов, т.е. база соединяется либо с землей, либо с пилой, вырабатываемой самой микросхемой. На плате нет резистора Rout 9 - я чет пропустил его необходимость.
Оптрон Uout 1 задействует усилитель ошибки OP1 для регулировки выходного напряжения, степень влияние регулируется резистором Rout 2. Оптрон Uout 2 контролирует выходное напряжения минуя усилитель ошибки, степень влияния регулируется резистором Rout 4. Rout 14 - токоизмерительный резистор, специально взят на 2 Ома, чтобы не ушатать силовой транзистор. Rout 13 - регулировка порога сработки ограничения по току. Ну и Rout 8 - регулировка тактовой частоты самого контроллера.
Силовой транзистор это что то выпаянное из ремонтируемого когда то автомобильного преобразователя - полыхнуло одно плечо, менял все транзисторы (почему ВСЕ ответ ТУТ), а это так сказать сдача. Так что я не знаю что это - надпись сильно потертая, в общем это что то ампер на 40-50.
Rout 15 типа нагрузка - 2 Вт на 150 Ом, но 2 Вт маловато оказалось. Нужно или сопротивление увеличить, либо мощность резистора - вонять начинает, если поработает минут 5-10.
VDout 1 - для исключения влияния основного питания на работу контроллера (HER104 кажется по руки попался), VDout 2 - HER308, ну это чтоб не сразу бахнуло, если что пойдет не так.
Необходимость резистора R9я понял, когда плата уже была запаяна. В принципе этот резистор нужно будет еще подобрать, но это уже чисто по желанию, кому ОЧЕНЬ хочется избавится от релейного способа стабилизации на холостом ходу. Об этому чуть позже, а пока влепил этот резистор со стороны дорожек:
Первое включение - движки ВСЕХ подстрочников соединены должны быть с землей, т.е не оказывают влияния на схему. Движок Rout 8 установлен так, чтобы сопротивление этого резистора составляло 2-3 кОм, поскольку конденсатор на 2,2 нФ, то частота должна получится порядка 300 с хвостиком кГц, следовательно на выходе UC3845 мы получим где то около 150 кГц.
Снимаем напряжение со светодиода Uout 2 и на всякий случай проверям наличие пилы на верхнем выводе R15 (желтый луч):
Амплитуда чуть больше вольта и этой амплитуды может не хватить, ведь на схеме имеются делители напряжения. На всякий случай выкручиваем движок подстроечного резистора R13 в верхнее положение и контролируем, что у нас происходит на третьем выводе микросхемы. В принципе надежды полностью оправдались - амплитуды не хватает для начала ограничения тока (желтый лучик):
Отличительной чертой UC3845 является то, что протекающий через силовой транзистор он контролирует практически на каждом такте работы, а не среднее значение, как например это делает TL494 и если блок питания спроектирован правильно, то ушатать силовой транзистор не получится ни когда.
Теперь поднимаем частоту до тех пор, пока ограничение тока перестанет вносить свое влияние, впрочем сделаем запас - ставим ровно 100 кГц. Синий лучик у нас по прежнему показывает управляющие импульсы, а вот желтый ставим на светодиод оптрона Uout 1 и начинаем вращать регулятор подстроечного резистора. Некоторое время осциллограмма выглядит так же, как при первом опыте, однако появляется и отличие пройдя порог регулирования длительность импульсов начинает уменьшаться, т.е происходит реальная регулировка посредством широтно-импульсной модуляции. И это как раз один из финтов данной микросхемы - в качестве опорной пилы для сравнения она использует пилу, которая формируется на токоограничивающем резисторе R14 и таким образом создает стабилизированное напряжение на выходе:
Тоже самое происходит и при увеличении напряжения на отпроне Uout 2, правда в мое варианте не получилось получить такие же короткие импульсы, как в первый раз - не хватило яркости светодиода оптрона, а уменьшать резистор Rout 3 я поленился.
В любом случае стабилизация ШИМ происходит и вполне устойчиво, но только при наличии нагрузки, т.е. появление пилы, даже не большого значения, на выводе 3 контроллера. Без этой пилы стабилизация будет осуществляться в релейном режиме.
Теперь переключаем базу транзистора на вывод 4, тем самым принудительно подавая пилу на вывод 3. Тут не большая спотыкачка - для этого финта придется подобрать резистор Rout 9, поскольку амплитуда пыли и уровень постоянной составляющей у меня получился несколько великоват.
Однако сейчас больше интересен сам принцип работы, поэтому проверяем его, опустив движок подстроечника Rout 13 на землю начинаем вращать Rout 1.
Изменения в длительности управляющего импульса имеются, но они не такие значимые, как хотелось бы - сильно сказывается большая постоянная составляющая. При желании использовать такой вариант включения нужно более тщательно продумать как его правильней организовать. Ну а картинка на осциллографе получилась следующая:
При дальнейшем увеличении напряжения на светодиоде оптрона происходит срыв на релейный режим работы.
Теперь можно проверить нагрузочную способность бустера. Для этого вводим ограничение по напряжение на выходе, т.е. подаем не большое напряжение на светодиод Uout 1 и уменьшаем рабочую частоту. На социлограмме отчетливо видно, что желтый лучик не доходит до уровня одного вольта, т.е. ограничения по току нет. Ограничение дает только регулировка выходного напряжения.
Параллельно нагрузочному резистору Rour 15 устанавливаем еще один резистор на 100 Ом и на осциллограмме отчетливо видно увеличение длительности управляющего импульса, что ведет к увеличению времени накопления энергии в дросселе и с последующей отдачей ее в нагрузку:
Так же не трудно заметить, что увеличивая нагрузку увеличивается и амплитуда напряжения на выводе 3, поскольку возрастает протекающий через силовой транзистор ток.
Осталось посмотреть, что происходит на стоке в режиме стабилизации и при ее полном отсутствии. Становимся синим лучем на сток транзистора и убираем напряжение обратной связи со светодиода. Осциллограмма сильно не устойчивая, поскольку осциллограф не может определить по какому фронту ему синхронизироваться - после импульса довольно приличная "болтака" самоиндукции. В итоге получается следующая картинка.
Напряжение на нагрузочном резисторе тоже изменяется, но я не буду делать ГИФку - страница и так получилась довольно "тяжелой" по трафику, поэтому со всей ответственность заявляю - напряжение на нагрузке равно напряжению максимального значения на картинке выше минус 0,5 вольта.
ПОДВОДИМ ИТОГИ
На микросхеме довольно легко организовать стабилизатор тока, причем контроль протекающего тока контролируется на каждом такте, что полностью исключает перегрузку силового каскада при правильном выборе силового транзистора и токоограничивающего, точнее измерительного резистора, устанавливаемого на исток полевого транзистора. Именно этот факт сделал UC3845 наиболее популярной при проектировании бытовых сварочных аппаратов.
UC3845 имеет довольно серьезные "грабли" - изготовитель не рекомендует использовать микросхему при температурах ниже нуля, поэтому при изготовлении сварочных аппаратов будет логичней использование UC2845 или UC1845, но последние находятся в некотором дефиците. UC2845 несколько дороже, чем UC3845, не так катастрофически, как это обозначили отечественные продавцы (цены в рублях на 1-е марта 2017).
Частота у микросхем ХХ44 и ХХ45 в 2 раза меньше тактовой частоты, а коф заполнение не может превышать 50%, то для преобразователей с трансформатором наиболее благоприятно. А вот микросхемы ХХ42 и ХХ43 наилучшим образом подходят для ШИМ стабилизаторов, поскольку длительность управляющего импульса может достигать 100%.
Теперь, поняв принцип работы данного ШИМ контроллера можно вернуться и к проектированию сварочного аппарата на его основе.
Как работает сварочный инвертор?
Продолжаем изучение сварочного инвертора «Telwin». В первой части было рассказано о силовой части схемы аппарата. Пришло время разобраться в управляющей части схемы.
Вот принципиальная схема управляющей части и драйвера (control and driver).
Кликните по картинке. Рисунок схемы откроется в новом окне. Так будет удобнее более детально изучить схему.
Схема управления и драйвер.
Мозгом устройства можно считать микросхему ШИМ-контроллера. Именно она управляет работой мощных транзисторов и, так сказать, задаёт темп работы преобразователя. В зависимости от модели аппарата могут использоваться микросхемы ШИМ-контроллера типа UC3845AD (Tecnica 144-164) или VIPer20A (Tecnica 141-161, 150, 152, 170, 168GE). Микросхему ШИМ-контроллера легко найти на принципиальной схеме. Ну, а что в железе?
Далее на фото показана часть платы инвертора Telwin Force 165.
Обратимся к схеме.
По схеме микросхема ШИМ-контроллера U1 управляет работой полевого N-канального MOSFET-транзистора IRFD110 (Q4). Корпус у этого полевого транзистора довольно нестандартный (HEXDIP) – внешне похож на оптопару.
С вывода стока (D) транзистора Q4 на первичную обмотку разделителного трансформатора T1 поступают прямоугольные импульсы частотой около 65 кГц. У трансформатора T1 имеется 2 вторичные обмотки (3-4 и 5-6), с которых снимаются сигналы для управления мощными ключевыми транзисторами Q5, Q8 (см. схему силовой части).
Схема на транзисторах Q6, Q7 и "обвязка" этих транзисторов нужна для правильной работы ключевых транзисторов Q5, Q8. Транзисторы Q6, Q7 в основном помогают транзисторам Q5, Q8 закрываться. Как мы уже знаем из первой части, в качестве транзисторов Q5, Q8 используются либо IGBT-транзисторы, либо MOSFET. А это накладывает некоторые требования на процесс управления ими.
Стабилитроны D16, D17, D29, D30 (на 18V) защищают IGBT-транзисторы от превышения допустимого напряжения между затвором (G) и эмиттером (E).
Цепи регулировки и контроля.
На печатной плате сварочного инвертора «TELWIN Force 165» можно обнаружить занятную деталь – трансформатор тока T2.
Эта деталь участвует в работе анализатора-ограничителя тока. По принципиальной схеме видно, что трансформатор тока включен в цепь первичной обмотки трансформатора T3. За счёт индукции электромагнитного поля в трансформаторе тока T2 наводится переменное напряжение. Далее это напряжение выпрямляется и ограничивается схемой на элементах D2, D4, R49, R25,R15, R9, R3, R20, R10. За счёт этой схемы контролируется сила тока в первичной обмотке трансформатора T3, а сигналы, полученные от неё, участвуют в работе «задатчика» сварочного тока и генератора импульсов на микросхеме U1.
Схема контроля напряжения сети и выходного напряжения.
Для контроля напряжения в электросети, а также выходного напряжения (OUT+, OUT-) сварочного аппарата используется схема, состоящая из элементов операционного усилителя (ОУ) на микросхеме LM324: U2A и U2B.
Элементы делителя R1, R5, R14, R19, R24, R29, R36 и R38 подключены к входному сетевому выпрямителю и служат для обнаружения завышенного или заниженного напряжения в электросети.
На элементе U2C операционного усилителя LM324 выполнен суммирующий блок. Он складывает сигналы защиты по напряжению и току. Результирующий сигнал подаётся на задающий генератор импульсов – ШИМ контроллер (UC3845AD). При аварии, схема защиты и контроля подаёт сигнал на суммирующий блок. Он в свою очередь блокирует работу генератора, а, следовательно, и всей схемы.
Выходное напряжение снимается с выходов «OUT+», «OUT-» и через элемент гальванической развязки – оптрон ISO1 (H11817B), поступает в схему контроля (U2A, U2B). Так осуществляется отслеживание параметров выходного напряжения.
В случае если напряжение в электросети завышено или занижено, сработает компаратор на элементе U2A и подаст сигнал на транзистор Q1 (BC807) через делитель на резисторах R12, R11. Транзистор Q1 откроется и закоротит на корпус (общий провод) вход 10 элемента U2C. Это приведёт к блокировке работы микросхемы U1 – генератора задающих импульсов. Схема выключится.
Одновременно с этим, за счёт подачи напряжения с выхода 1 компаратора U2A засветится жёлтый светодиод D12 (Giallo – "жёлтый"), указывающий на то, что в схеме неисправность или есть проблемы с сетевым питанием. Светодиод D12 показан на силовой части схемы и подключен к CN1-1. Таким же образом сработает схема, если на выходе выпрямителя (OUT+, OUT-) параметры выйдут за рамки установленных. Такое может произойти, например, при неисправностях выпрямительных диодов или если выйдут из строя детали узла контроля – оптрон ISO1 или элементы его «обвязки», полупроводниковый диод D25, стабилитрон D15, резисторы R57, R52, R51, R50 и электролитический конденсатор C29.
О других элементах схемы.
Биполярный транзистор Q9 подаёт напряжение питания на микросхему ШИМ-контроллера U1 (UC3845AD). Этот транзистор управляется элементом операционного усилителя U2B. На вывод 6 U2B подаётся напряжение с делителя на резисторах R64, R39 (см. схему силовой части). Если напряжение с делителя поступает, то U2B подаёт сигнал на транзистор Q9, который открывается и подаёт напряжение на микросхему U1.
Можно сказать, что эта схема участвует в запуске мощного инвертора, так как именно она подаёт питание на управляющий инвертором ШИМ-контроллер.
Ручная установка сварочного тока осуществляется переменным резистором R23.
Ручка резистора выводится на панель управления аппарата.
Также в цепи регулировки задействованы резисторы R73, R74, R21, R66, R68, R13 и конденсатор C14. Напряжение с цепи ручной регулировки поступает на 10 вывод элемента U2C суммирующего блока.
Как уже говорилось, сварочный инвертор имеет в своём составе множество регулирующих, контролирующих и защитных цепей. Все они нужны для штатной работы аппарата, а также защищают силовые элементы инвертора в случае аварийного режима.
Теперь, когда мы разобрались в работе сварочного инвертора пора рассказать о реальном примере ремонта сварочного инвертора «TELWIN Force 165». Об этом читайте здесь.
Устройство сварочного инвертора
В настоящее время стали очень популярны и доступны по цене сварочные аппараты инверторного типа.
Несмотря на свои положительные качества, они, как и любое другое электронное устройство, временами выходит из строя.
Чтобы отремонтировать инвертор сварочного аппарата нужно хотя бы поверхностно знать его устройство и основные функциональные блоки.
В первых двух частях будет рассказано об устройстве сварочного аппарата модели TELWIN Tecnica 144-164. В третьей части будет рассмотрен пример реального ремонта сварочного инвертора модели TELWIN Force 165. Информация будет полезна всем тем начинающим радиолюбителям, которые хотели бы научиться самостоятельно ремонтировать сварочные аппараты инверторного типа.
Дальше будет много букв – наберитесь терпения .
Сам инверторный сварочный аппарат представляет не что иное, как довольно мощный блок питания. По принципу действия он очень схож с импульсными блоками питания, например, компьютерными блоками питания AT и ATX. Вы спросите: «Чем они похожи? Это ведь абсолютно разные устройства…». Схожесть заключается в принципе преобразования энергии.
Основные этапы преобразования энергии в инверторном сварочном аппарате:
1. Выпрямление переменного напряжения электросети 220V;
2. Преобразование постоянного напряжения в переменное высокой частоты;
3. Понижение высокочастотного напряжения;
4. Выпрямление пониженного высокочастотного напряжения.
Это кратко, так сказать, на пальцах . Такие же преобразования происходят в импульсных блоках питания для ПК.
Спрашивается, а зачем нужны эти пляски с бубном (несколько ступеней преобразования напряжения и тока)? А дело тут вот в чём.
Ранее основным элементом сварочного аппарата являлся мощный силовой трансформатор. Он понижал переменное напряжение электросети и позволял получать от вторичной обмотки огромные токи (десятки – сотни ампер), необходимых для сварки. Как известно, если понизить напряжение на вторичной обмотке трансформатора, то можно во столько же раз увеличить ток, который может отдать нагрузке вторичная обмотка. При этом уменьшается число витков вторичной обмотки, но и растёт диаметр обмоточного провода.
Из-за своей высокой мощности, трансформаторы, которые работают на частоте 50 Гц (такова частота переменного тока электросети), имеют весьма большие размеры и вес.
Чтобы устранить этот недостаток были разработаны инверторные сварочные аппараты. За счёт увеличения рабочей частоты до 60-80 кГц и более, удалось уменьшить габариты, а, следовательно, и вес трансформатора. За счёт увеличения рабочей частоты преобразования в 4 раза удаётся снизить габариты трансформатора в 2 раза. А это приводит к уменьшению веса сварочного аппарата, а также к экономии меди и других материалов на изготовление трансформатора.
Но где взять эти самые 60-80 кГц, если частота переменного тока электросети всего 50 Гц? Тут на выручку приходит инверторная схема, которая состоит из мощных ключевых транзисторов, которые переключаются с частотой 60-80 кГц. Но чтобы транзисторы работали, необходимо подать на них постоянное напряжение. Его получают от выпрямителя. Напряжение электросети выпрямляется мощным диодным мостом и сглаживается фильтрующими конденсаторами. В результате на выходе выпрямителя и фильтра получается постоянное напряжение величиной более 220 вольт. Это первая ступень преобразования.
Вот это напряжение и служит источником питания для инверторной схемы. Мощные транзисторы инвертора подключены к понижающему трансформатору. Как уже говорилось, транзисторы переключаются с огромной частотой в 60-80 кГц, а, следовательно, трансформатор работает также на этой частоте. Но, как уже говорилось, для работы на высоких частотах требуются менее громоздкие трансформаторы, ведь частота то уже не 50 Гц, а все 65000 Гц! В результате трансформатор «сжимается» до весьма малых размеров, а мощность его такая же, как и у здоровенного собрата, который работает на частоте 50 Гц. Думаю, идея понятна.
Вся эта петрушка с преобразованием привела к тому, что в схемотехнике сварочного аппарата появляется куча всяких дополнительных элементов, служащих для того, чтобы аппарат стабильно работал. Но, хватить теории, перейдём к "мясу", а точнее к реальному железу и тому, как оно устроено.
Устройство сварочного аппарата инверторного типа. Часть 1. Силовой блок.
Разбираться в устройстве сварочного инвертора желательно по схеме конкретного аппарата. К сожалению, схемы на TELWIN Force 165 я не нашёл, поэтому нагло позаимствуем схему из руководства по ремонту другого аппарата – TELWIN Tecnica 144-164. Фотографии аппарата и его начинки будут от TELWIN Force 165, так как именно он оказался в моём распоряжении. Исходя из анализа схемотехники и элементной базы, особых отличий между этими моделями практически нет, если не учитывать мелочи.
Внешний вид платы сварки TELWIN Force 165 с указанием расположения некоторых элементов схемы.
Принципиальная схема сварочного аппарата инверторного типа TELWIN Tecnica 144-164 состоит из двух основных частей: силовой и управляющей.
Сначала разберёмся в схемотехнике силовой части. Вот схема. Картинка кликабельна (нажмите для увеличения – откроется в новом окне).
Сетевой выпрямитель.
Как уже говорилось, сначала переменный ток электросети 220V выпрямляется мощным диодным мостом и фильтруется электролитическими конденсаторами. Это нужно для того, чтобы переменный ток электросети частотой 50 герц стал постоянным. Конденсаторы С21, С22 нужны для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения, которые всегда присутствуют после диодного выпрямителя. Выпрямитель реализован по классической схеме диодный мост. Он выполнен на диодной сборке PD1.
Следует знать, что на конденсаторах фильтра напряжение будет больше в 1,41 раза, чем на выходе диодного моста. Таким образом, если после диодного моста мы получим 220V пульсирующего напряжения, то на конденсаторах будет уже 310V постоянного напряжения (220V * 1,41 = 310,2V). Обычно же рабочее напряжение ограничивается отметкой в 250V (напряжение в сети ведь может быть и завышенным). Тогда на выходе фильтра мы получим все 350V. Именно поэтому конденсаторы имеют рабочее напряжение 400V, с запасом.
На печатной плате сварочного аппарата TELWIN Force 165 элементы сетевого выпрямителя занимают довольно большую площадь (см. фото выше). Выпрямительный диодный мост установлен на охлаждающий радиатор. Через диодную сборку протекают большие токи и диоды, естественно, нагреваются. Для защиты диодного моста на радиаторе установлен термопредохранитель, который размыкается при превышении температуры радиатора выше 90С°. Это элемент защиты.
В выпрямителе применяются диодные сборки (диодный мост) типа GBPC3508 или аналогичный. Сборка GBPC3508 рассчитана на прямой ток (I0) - 35А, обратное напряжение (VR) - 800V.
После диодного моста установлены два электролитических конденсатора (здоровенькие бочонки) ёмкостью 680 микрофарад каждый и рабочим напряжением 400V. Ёмкость конденсаторов зависит от модели аппарата. В модели TELWIN Tecnica 144 – 470 мкф., а в TELWIN Tecnica 164 – 680 мкф. Постоянное напряжение с выпрямителя и фильтра подаётся на инвертор.
Помеховый фильтр.
Для того чтобы высокочастотные помехи, которые возникают из-за работы мощного инвертора, не попадали в электросеть, перед выпрямителем устанавливается фильтр ЭМС – электромагнитной совместимости. На английский манер аббревиатура ЭМС обозначается как EMC (ElectroMagnetic Compatibility). Если взглянуть на схему, то фильтр EMC состоит из элементов С1, C8, C15 и дросселя на кольцевом магнитопроводе T4.
Инвертор.
Схема инвертора собрана по схеме так называемого "косого моста". В нём используется два мощных ключевых транзистора. В сварочном инверторе ключевыми транзисторами могут быть как IGBT-транзисторы, так и MOSFET. Например, в моделях Telwin Tecnica 141-161 и 144-164 используются IGBT-транзисторы (HGTG20N60A4, HGTG30N60A4), а в модели Telwin Force 165 применены высоковольтные MOSFET-транзисторы (FCA47N60F). Оба ключевых транзистора устанавливаются на радиатор для отвода тепла. Фото одного из двух транзисторов MOSFET типа FCA47N60F на плате TELWIN Force 165.
Снова взглянем на принципиальную схему и найдём на ней элементы инвертора.
Постоянное напряжение коммутируется транзисторами Q5 и Q8 через обмотку импульсного трансформатора T3 с частотой гораздо большей, чем частота электросети. Частота переключений может составлять несколько десятков килогерц! По сути, создаётся переменный ток, как и в электросети, но только он имеет частоту в несколько десятков килогерц и прямоугольную форму.
Для защиты транзисторов от опасных выбросов напряжения используются демпфирующие RC-цепи R46C25, R63C30.
Для понижения напряжения используется высокочастотный трансформатор T3. С помощью транзисторов Q5, Q8 через первичную обмотку трансформатора T3 (обмотка 1-2) коммутируется напряжение, которое поступает от сетевого выпрямителя (DC+, DC-). Это то самое постоянное напряжение в 310 – 350V, которое было получено на первом этапе преобразования.
За счёт коммутирующих транзисторов постоянное напряжение преобразуется в переменное. Как известно, трансформаторы постоянный ток не преобразуют. Со вторичной обмотки трансформатора T3 (обмотка 5-6) снимается уже намного меньшее напряжение (около 60-70 вольт), но максимальный ток может достигать 120 – 130 ампер! В этом и заключается основная роль трансформатора T3. Через первичную обмотку течёт небольшой ток, но большого напряжения. Со вторичной обмотки уже снимается малое напряжение, но большой ток.
Размеры этого самого трансформатора невелики.
Его вторичная обмотка выполнена несколькими витками ленточного медного провода в изоляции. Сечение провода внушительное, да и не мудрено, ток в обмотке может достигать 130 ампер!
Далее со вторичной обмотки импульсного трансформатора переменный ток высокой частоты выпрямляется мощными диодными выпрямителями. С выхода выпрямителя (OUT+, OUT-) снимается электрический ток с нужными параметрами. Это и необходимо для проведения сварочных работ.
Выходной выпрямитель.
Выходной выпрямитель собран на базе мощных сдвоенных диодов с общим катодом (D32, D33, D34). Эти диоды обладают высоким быстродействием, т. е. они могут быстро открываться и также быстро закрываться. Время восстановления trr < 50 ns (50 наносекунд).
Это свойство очень важно, поскольку они выпрямляют переменный ток высокой частоты (десятки килогерц). Обычные выпрямительные диоды с такой задачей бы не справились – они бы просто не успевали открываться и закрываться, нагревались и выходили бы из строя. Поэтому в случае ремонта заменять диоды в выходном выпрямителе следует именно быстродействующими.
В выпрямителе используются сдвоенные диоды марок STTH6003CW, FFH30US30DN, VS-60CPH03 (с ними мы ещё встретимся ). Все эти диоды являются аналогами, рассчитаны на прямой ток 30 ампер на один диод (60 ампер на оба) и обратное напряжение 300 вольт. Устанавливаются на радиатор.
Для защиты диодов выпрямителя используется демпфирующая RC-цепочка R60C32 (см. схему силовой части).
Схема запуска и реализация «мягкого пуска».
Для питания микросхем и элементов, которые расположены на плате управления, используется интегральный стабилизатор на 15 вольт – LM7815A. Он установлен на радиатор. Напряжение питания на стабилизатор поступает с основного выпрямителя PD1 через два последовательно включенных резистора R18, R35 (6,8 кОм 5W). Эти резисторы понижают напряжение и участвуют при запуске схемы.
Напряжение +15 со стабилизатора U3 (LM7815A) поступает на управляющую схему. Далее, когда схема управления и драйвер «раскачали» мощную схему инвертора, то на дополнительной вторичной обмотке трансформатора T3 (обмотка 3-4) появляется напряжение, которое выпрямляется диодом D11.
Через диод D9 напряжение питания поступает на интегральный стабилизатор LM7815A и теперь схема «запитывает» как бы сама себя. Вот такой вот хитрый «приём».
Выпрямленное напряжение после диода D11 также служит для питания реле RL1, охлаждающего вентилятора V1 и индикаторного светодиода D10 (Verde – "Зелёный"). Резисторы R40, R41, R65, R37 гасят излишки напряжения. Для стабилизации напряжения питания вентилятора V1 (12V) применяется 5-ти ваттный стабилитрон D36 на 12V.
Реле RL1 обеспечивает плавный запуск инвертора («мягкий пуск»). Разберёмся с этим подробнее.
В момент включения сварочного аппарата начинается заряд электролитических конденсаторов. В самом начале зарядный ток очень велик и может вызвать перегрев и выход из строя диодов выпрямителя. Чтобы уберечь диодную сборку от повреждения зарядным током применяется схема ограничения заряда (или «мягкого пуска»). Взглянем на схему.
Основным элементом схемы «мягкого пуска» служит резистор R4, мощность которого 8W (8 ватт). Сопротивление резистора – 47 ом. Именно на него возложена роль ограничения зарядного тока в первые моменты после включения.
После того, как заряд конденсаторов закончился, а инвертор начал работу в штатном режиме, электромагнитного реле RL1 замыкает контакты. Контакты реле шунтируют резистор R4, и в дальнейшем он не участвует в работе схемы, так как весь ток проходит через контакты реле. Таким образом реализован плавный запуск.
На плате инвертора TELWIN Force 165 также можно найти элементы схемы «мягкого пуска». В качестве реле RL1 выступает электромагнитное реле модели Finder на рабочее напряжение 24V (параметры контактов реле – 16A 250V~).
Итак, мы узнали о том, что сварочный инвертор состоит из сетевого выпрямителя 220V, мощного инвертора на транзисторах, понижающего трансформатора и выходного выпрямителя. Это силовые части схемы. Через них протекают огромные токи. Но где же «мозги» этого устройства? Кто управляет работой инвертора?
Ремонт сварочного инвертора Ресанта
Восстанавливаем работу сварочного инвертора Ресанта САИ-250ПН
Как-то раз в мои руки попал сварочный инвертор Ресанта САИ 250ПН. Аппарат, без сомнения, внушает уважение.
Те, кто знаком с устройством сварочных инверторов, оценят всю мощь по внешнему виду электронной начинки.
Как уже говорилось, начинка сварочного инвертора рассчитана на большую мощность. Это видно по силовой части устройства.
Во входном выпрямителе два мощных диодных моста на радиаторе, четыре электролитических конденсатора в фильтре. Выходной выпрямитель также укомплектован по полной: 6 сдвоенных диодов, массивный дроссель на выходе выпрямителя.
три ( ! ) реле мягкого пуска. Их контакты соединены параллельно, чтобы выдержать большой скачок тока при запуске сварки.
Если сравнить эту Ресанту (Ресанта САИ-250ПН) и TELWIN Force 165, то Ресанта даст ему лихую фору.
Но, даже у этого монстра есть ахиллесова пята.
Аппарат не включается;
Охлаждающий кулер не работает;
Нет индикации на панели управления.
После беглого осмотра выяснилось, что входной выпрямитель (диодные мосты) оказались исправны, на выходе было около 310 вольт. Стало быть, проблема не в силовой части, а в цепях управления.
Внешний осмотр выявил три перегоревших SMD-резистора. Один в цепи затвора полевого транзистора 4N90C на 47 Ом (маркировка – 470), и два на 2,4 Ом (2R4) – включенных параллельно – в цепи истока того же транзистора.
Транзистор 4N90C (FQP4N90C) управляется микросхемой UC3842BN. Эта микросхема – сердце импульсного блока питания, который запитывает реле плавного пуска и интегральный стабилизатор на +15V. Он в свою очередь питает всю схему, которая и управляет ключевыми транзисторами в инверторе. Вот кусочек схемы Ресанта САИ-250ПН.
Также обнаружилось, что в обрыве ещё и резистор в цепи питания ШИ-контроллера UC3842BN (U1). На схеме он обозначен, как R010 (22 Ом, 2Вт). На печатной плате имеет позиционное обозначение R041. Предупрежу сразу, что обнаружить обрыв данного резистора при внешнем осмотре довольно трудно.
Трещина и характерные подгары могут быть на той стороне резистора, что обращена к плате. Так было в моём случае.
Судя по всему, причиной неисправности послужил выход из строя ШИ-контроллера UC3842BN (U1). Это в свою очередь привело к увеличению потребляемого тока, и резистор R010 сгорел от резкой перегрузки. SMD-резисторы в цепях MOSFET-транзистора FQP4N90C сыграли роль плавкого предохранителя и, скорее всего, благодаря им транзистор остался цел.
Как видим, вышел из строя целый импульсный блок питания на UC3842BN (U1). А он питает все основные блоки сварочного инвертора. В том числе и реле плавного пуска. Поэтому сварка и не подавала никаких "признаков жизни".
В итоге имеем кучу "мелочёвки", которую нужно заменить, дабы оживить агрегат.
После замены указанных элементов, сварочный инвертор включился, на дисплее показалось значение установленного тока, защумел охлаждающий кулер.
Тем, кто захочет самостоятельно изучить устройство сварочного инвертора – полная принципиальная схема "Ресанта САИ-250ПН".
Читайте также: