Da ich die Kiste nicht nur für mich entwickelt habe, sondern auch, weil im Internet einiges Interesse an sowas zu bestehen scheint, habe ich noch einmal versucht, eine minimale Hochfrequenz-Zündung aufzubauen bequem nachbaubar mit wenigen Teilen. Das Ergebnis sieht so aus: (Nachtrag: funktioniert so doch noch nicht, IGBT brennt zu leicht durch.)






gebaut habe ich es selber nicht genau so, aber ich glaube es müsste funktionieren. Gebaut habe ich folgende Variante: Die funktioniert jedenfalls.: (nein, beim Härtetest ist sie am Ende doch durchgefallen!)

Sie unterscheidet sich dadurch, dass ich das Emitterpotential des IGBT um etwa ein Volt angehoben habe, so dass er mit einer negativen Gate-Spannung etwas schneller und dichter abgeschaltet wird. Möglicherweise wird die maximale Spannung dadurch etwas angehoben und die Erwärmung etwas reduziert. Wahrscheinlich ist das ganze aber überflüssig.






So oder so, die gesamte Schaltung kann mit neuen Features aufwarten:

Man kann am Pluspol oder am Minuspol schweissen, oder sogar niederfrequenten Wechselstrom verwenden,die Hochfrequenzzündung also an einen einfachen Schweiss-Trafo anschließen.

Wenn man ein ausgedientes Computer-Schaltnetzteil ab etwa 150W hat, sowie ein Bündel Kupferlackdraht, vielleicht die Degauss-Spule aus einem alten Röhrenmonitor, oder einen abgewickelten alten 100W-Netztrafo vom Typ Eisenblechklotz, sowie etwas hitzebeständige Folie zum Wickeln von Isolierungen, wenn man die drei Sachen hat, braucht man nur noch wenige nicht besonders teure Teile aus dem Elektronik-Laden. --Eine Grundausstattung mit Lötgerät und etwas Elektronik-Ahnung vorausgesetzt.--

Erläuterung der Schaltung, (bezüglich oberes Bildes): Das IC IR2153 ist ein Mosfet-Gate Treiber und kann mit seinem Ausgang die Gate-Kapazität eines Mosfet oder IGBT in Nanosekunden aufladen oder entladen. Dazu sind Mos-Treiber da. Zusätzliche Funktion ist dass das IC 2153 einen zweiten Mos-Treiber beinhaltet, der an einer höheren Spannung komplementär arbeiten kann. ES ist also ein Brückentreiber. Die High-Side (Pin 6-8) wird aber in dieser Schaltung schlicht nicht benutzt und offen gelassen.Das IR2153 beinhaltet auch Schutzeinrichtungen für den Mosfet, besonders wichtig hier zu erwähnen ist Undervoltage-lockout. Zusätzliche Funktion des IR2153 ist, dass dieser Chip auch einen Oszillator beinhaltet, der nach dem gleichen Prinzip, wie der bekannte Timer 555 (z.B.Ts555) funktioniert. Pin 3(CT) entspricht dabei dem verbundenen Pin 2und6 des 555 und Pin 2(RT) dem Pin 3 (out) des 555.

Wird Pin3 des IR2153 nach Masse gezogen, dann geht das IC in den shut down. Natürlich mit Ausgang =low=off.

Das IC dient mir dazu, kurze Impulse auf das Gate des IGBT zu bringen. Deshalb habe ich als RT zwei Potis eingesetzt, deren eines Hochohmig ist und die Frequenz bestimmt, während das niederohmige über eine Schottky-Diode angeschlossen ist und deshalb nur die Zeit bis zum Abschalten bestimmt, eine sehr kurze Zeit eben. Frequenz und Impulslänge sind einstellbar. Die Impuslänge bestimmt den Energiegehalt des Zündfunkens beim Abschalten, hat also Einfluss auf dessen Spannung und Intensität. ca50Hz-5khz ca1-50uSek.

Der Transistor T4 bewirkt den shut-down des IC, immer, wenn die Taste nicht gedrückt ist. Da so ein Klein-Mos-Fet sehr empfindlich ist, sind zwei Entstörungen in der Gate-Zuleitung vorgesehen.

Den betreffenden Taster hätte man dann am Handgriff des Schweissgerätes, (Elektrodenhalter).

Der LO – Ausgang des 2153, Pin5, gibt das Impulssignal auf das Gate des IGBT.

Der IGBT schließt über die Diode D9 und die 2-Windungen -Wicklung auf dem Trafo, den Kondensator C4 kurz. Bei der geringen Induktivität steigt der Strom schnell auf einen Wert von vielen Ampere und dann wird er auch schon wieder blitzartig abgeschaltet. Dabei entsteht eine Freilaufspannung von ca 1200V. Sollte es wesentlich mehr sein, wird sie in den VDR's verheizt. Und anschliessend noch in den Suppressor-Dioden. So kriegt der IGBT auch nicht mehr als die 1200V, die er darf. Und da die Spule mit der anderen Wicklung nunmal einen Transformator bildet, ist am Schweiss-Anschluss diese Spannung noch entsprechend höher. Bei einem Übertragungsverhältnis von 1zu 3,25 rechnerisch 3900 Volt. Zu beobachten sind 1-3mm lange Funken. Freilich: Dass ich diese Spannung auf die Sekundär-Wicklung gebe, heisst nicht , dass sie am richtigen Ende raus kommt. Dazu muß ich das andere Ende noch auf Masse legen. Hochfrequenz und Hochspannungsmässig jedenfalls. Dazu dienen die zwei besonders impulsfesten X-Kondensatoren C1 und C2 sowie VDR1-3. Das ist ja auch wichtig, denn sonst könnte schädliche Hochspannung auf den Ausgang des Schweiss-Inverters gelangen, der die ganze Vorrichtung speist. Die Kondensatoren müßen klein und Extraklasse sein, da sie beim Wechselstromschweissen parallel zur Schweiss-spannung liegen, und ihre Ladung auch nicht so groß sein darf, dass es beim ersten Lichtbogenstart gleich einen Entladungsknall gibt. Die Diode D9 ist dafür gedacht, wenn es Schwingungen des Zündfunkens auch in den negativen Bereich gibt, dass es dann schade wäre, diese im IGBT oder in dessen SchutzdiodeD8 kurzzuschliessen. Tatsächlich habe ich aber auf dem scope nur ein vergleichsweise geringes negatives Ausschwingen beobachtet. D9 ist vielleicht überflüssig, bzw eben nicht schnell genug, und dabei wäre es noch besser, es wäre ein 2000V Typ, der aber in dieser Leistungsklasse nicht so leicht erhältlich war. Der Brückengleichrichter D1-4 mit Speicherkondensator C3 dient für die Spannungsversorgung der ganzen Schaltung. Bei meinem Inverter im Leerlauf können dort bis ca 120Volt auflaufen, Beim Schweissen 20-40Volt. Über einen 5W-Widerstand R1 wird die Spannung auf den Kondensator C4 gegeben. So kann der Strom durch den IGBT nicht so hoch werden, dass dieser auf die Schnelle durchbrennt, und auch die Gefährlichkeit der Zündfunken wird dadurch etwas limitiert. Man darf ja auch nicht vergessen, dass ein so gebauter Spannungswandler nur einen Wirkungsgrad von etwa 10 Prozent hat. Ich habe an den Ausgang mal einen VDR angeschlossen, und der ist von den Hochspannungsimpulsen grade mal so warm geworden, wie sonst, wenn man 1-2Watt auf ein Bauteil dieser Größe gibt, und das, während eingangsseitig der IGBT ca 15 Watt verschlang.

Für die Steuerungselektronik wird mit T1 und T2 die Betriebsspannung von 14 Volt aus der C3-Spannung abgeleitet. T1 und T2 müßen natürlich hochspannugsfest sein, zumindest T1 muß gekühlt montiert sein, da uU. Leistungen von mehreren Watt anfallen können. Ich habe dafür zwei MJE340 diskret als Darlington geschaltet. Das Problem wurde oben schon beschrieben.

Die Z-Diode D5 muss so gewählt werden, dass die Spannung am Emitter von T1 unter 14,5 Volt beträgt. IC1 beinhaltet nämlich zwischen Pin 1 (VCC) und Pin4 (COM) eine 15,6-Volt Z-Diode, die aufgrund Exemplarstreuung minimal 14,5 Volt haben kann. Wenn die Spannung höher ist muss das arme Ding möglicherweise zuviel Strom verheizen und das IC geht kaputt.

Ich habe das Gehäuse, den kalten Anschluss der Schweiss-Spannung und den Masse-minuspol der Steuerschaltung miteinander durch Kombinationen aus VDR und X-Kondensatoren verbunden, um mögliche Störungen oder Hochspannungsbildung dazwischen zu vermeiden. VDR2/C8 und VDR3/C9. Ich kann aber nicht beschwören, dass diese Teile nicht überflüssig sind.

Ich kann auch nicht beschwören, dass die doppelte Spannungsbegrenzung am IGBT mit VDR4u5 sowie D10 bis 12 wirklich nötig ist. Vielleicht reicht eine. Oder der IGBT verträgt den Spannungsdurchbruch einfach kalt lächelnd und braucht keines von beidem. Ich hab das eingebaut, als der IGBT aus anderen Gründen (die ich nur raten konnte) immer kaputt ging und seither sind diese Pfennigartikel Bestandteil der Schaltung.

Folgende Bauteile kann man aus fast jedem Computer-Netzteil ausbauen: Zwei Hochspannungselkos für C3 und C4 -es macht nicht wirklich etwas, wenn es nur 220uF sind, oä. Ein Brückengleichrichter, bzw. einzelne Dioden, aus denen einer aufgebaut ist, für D1-4, mindestens ein, meistens zwei X-Kondensatoren, allerdings meist nur ca 220nF, was für C1 Und C2 eher zu wenig ist, oft Hochspannungstransistoren, die sich,wenn auch überdimensioniert, für T1unT2 verwenden lassen, ein passender Folienkondensator für C5, ein passender Elko für C6 (mindestens 16 Volt, einige 100uF,oder mehr) wahrscheinlich auch passende Bauteile für C10,C12,C13 und auf die genauen Widerstandswerte für R3-R6 kommt es auch nur sehr ungefähr an. Sicher gibt es auch eine kleine Schottky-Diode für 1A, die zur Not die BAT85 ersetzen kann.

Das wichtigst Teil ist aber der Ferrit-Trafo. Kauft man den einzeln, kriegt man ihn nicht bei Reichelt, bestenfalls vielleicht einen super Fetten Ringkern, aber der kostet einzeln gekauft weit mehr, als ein 400W-Schaltnetzteil bei ebay. Natürlich hat ein größeres Schaltnetzteil (neist) einen dickeren Kern, erlaubt für die Sekundär-Windung mehr,oder dickere Drähte, und damit höheren Schweissstrom oder Einschaltdauer. Eventuell geht auch der Ferrit-Kern aus Zeilentrafo eines alten Fernsehers oder Röhrenmonitors. Das habe ich aber nicht ausprobiert.

Die Anfertigung des Trafos ist das Hauptproblem: Den Trafo aus dem Netzteil auslöten, in der Mikrowelle auf einem alten Porzellanteller (unter einem Weckglas oder Gurkenglas damit das Essen hinterher noch schmeckt)vorsichtig erhitzen ca10-50 Sekunden-vorsichtig herantasten, damit das Plastik des Wicklungsträgers nicht schmilzt, und dann mit Messerchen und Handschuhen vorsichtig die Hälften des Ferrit-Kerns auseinandertrennen. Gebrochene Teile hinterher mit dünnflüssigem Sekundenkleber wieder zusammenfügen, falls nicht vermeidbar.

Zu bedenken ist, dass nicht nur die Primär von der Sekundär-Wicklung gut isoliert werden müßen (3900V) sondern auch jede Windung gegen die nächste Windung bereits für >600 Volt isoliert werden muss. Und gegen die ggf. nächste Lage noch besser. Zu bedenken ist auch, dass diese Isolierung möglichst hitzebeständig sein muß. Geeignetes Klebeband gibt es leider nicht bei Reichelt. Aber bei RS. Also muß man improvisieren. Koch und Backfolien oder Dichtungsband aus Teflon, abgewickelte Zeilentrafos oder was auch immer. Gut durchtränkt mit Plastikspray sind solche Dinge zu beachtlichen Isolationsleistungen fähig. Ideal wäre wohl 4 Primärwindungen zu haben und 20 Sekundärwindungen. Aber dann kann man nur dünne Drahtbündel nehmen und Schweissströme über 30A vermutlich vergessen. Auf so einen Ferrit-Kern geht ja so verdammt wenig drauf. Vielleicht ist da ja der Zeilentrafo doch besser.

Je mehr Primärwindungen man hat, desto besser ist der Wirkungsgrad, aber die Funkenspannung berechnet sich aus dem Verhältnis sekundär zu primär mal 1200Volt. So gesehen wäre dann eine Primärwindung doch besser, als zwei. Die Primärwindung würde ich auf jeden Fall aus HF-Litze machen, d.h. aus einem dicken Bündel ziemlich dünner Kupferlackdrähte. Man kann sowas fertig kaufen, aber ganz so gut muß es auch nicht sein. Die Sekundär-Wicklung aus mehreren mitteldicken Drähten zu machen ergibt sich schon daraus, dass man so dicke Drähte, wie man bräuchte sowieso nicht wickeln kann. Natürlich kann man auch dafür HF-Litze nehmen, wenn man das Geld hat und die dickste Sorte 10fach nimmt, oder so.

Irgendwie muss man die Wicklung also auf den Ferrit-Trafo kriegen und jede einzelne Windung gut gegen alles andere isolieren.

Der Rest heisst: Zusammenlöten auf einer Lochrasterplatte. Also Epoxy, weil Hartpapier unter dem Gewicht des Trafos bricht, wenn das Ganze mal zu Boden fällt. Ich verwende Lochrasterplatten aus Epoxy, bei denen ich vorher das Kupfer abschleife. Wer es drauflässt bedenke, pro 1000V ungefähr 2mm Abstand zu lassen.

Na, ja, und das Ganze in irgendein Gehäuse, mit einer Alu-Blechfläche von >ca 10x15 cm für die Kühlung auf der Aussenseite. Und irgendwelche geeigneten Anschlussklemmen dran. Die von mir verwendeten 4mm „Bananen“-Buchsen sind hinsichtlich der Isolierung für 4000Vetwas kritisch, selbst, wenn man sie gut verklebt. Ich habe deshalb die Frontplatte mit Epoxy Platinenmaterial (ohne Kupfer natürlich) hinterlegt, und um die Buchsen herum einige mm Aussparung im Aluminium vorgesehen. Die 4mmBuchsen werden auch bei 100A ziemlich schnell warm.Nicht ideal.

Keine Wechselspannungen über 80V oder Gleichspannungen über 130V an den Eingang. Vorsicht mit sehr hohen Schweiss-Strömen.

Abkühlpause machen, bevor der Trafo raucht.

Diese Schaltung habe ich zwar noch nicht auf alle Härten getestet, aber ich glaube jetzt schon sagen zu können, dass ich sie, ev. mit noch kleinen Veränderungen zum Nachbau empfehlen kann.

Sie bietet eine wirksame Hochfrequenz-Zündung für Gleich und Wechselstrom-Schweissen an Plus oder Minuspol als Zusatzgerät zu Trafo oder Inverter. Mehr allerdings nicht.

Die Stückliste:






Fortsetzung der Entwicklung:Noch teste ich das ganze nur mit einem 30V-Netzteil. Ich habe festgestellt, dass wenn ich die Emitterspannungs-anhebe-Dioden in meiner Schaltung kurzschliesse, so dass die andere Schaltung entsteht, bei gleicher Einstellung des Pulsverhältnisses der Strom steigt, z.B. von 50mA auf 100mA.Tendenziell habe ich den Eindruck, dass ich mit den Dioden trotz weniger Strom die besseren Funken kriege. Sie werden also wahrscheinlich wieder in das Design zurückkehren. Es lassen sich Pulsverhältnisse einstellen, bei denen ca. 2A durch diese Dioden fliessen. Die Dinger wurden dabei so warm, dass das Lötzinn weich wurde.Also vielleicht kühlen, oder stärkere, ev. auch einen Widerstand verwenden. Auch kriegt der 5W Widerstand dabei natürlich 20 W ab. Die besten Funken gibt es aber sowieso bei niedrigeren Strömen. Ferner habe ich festgestellt, dass ein richtiger Lichtbogen bei kleinen Strömen nur zustande kommt, wenn die Funken die gleiche Spannungsrichtung haben, wie die 30-20Volt, die den Lichtbogen füttern sollen. Es geht also scheinbar nicht nur darum, dass die Ionen im Lichtbogenkanal vorhanden sind, sie müßen wohl auch schon in der richtigen Richtung unterwegs sein. Man könnte natürlich die Polarität umschalten, indem man die Primärwicklung umpolt.Oder eine zweite andersherumgepolte Primärwicklung mit einem zweiten IGBT verwenden, wenn man Aufwand nicht scheut und unbedingt in beiden Richtungen gleichgut zünden will. Oder man legt an jedes Ende der Primär-Wicklung einen IGBT, wobei abwechselnd jeweils der eine die Masse herstellt und der andere den Freilauf-Impuls liefert. Aber vorher will ich natürlich wenigstens ausprobieren, ob man sowas überhaupt braucht.

Wie dem auch sei, die Entwicklung ist noch nicht abgeschlossen.

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Bericht über den ersten Härtetest am Schweissgerät, (Inverter) also mit 150V auf den Kondensatoren:

Je höher die Spannung, desto schneller steigt der Strom durch die Primär-Wicklung an. Deshalb kann bei 150V und langen Induktivitäts-Lade-Impulsen der maximale Strom durch den IGBT offensichtlich zu sehr ansteigen, obwohl er 27 A auf keinen Fall überschreiten darf. Zumal, wenn das Bauteil ziemlich warm ist. Zunächst hatte ich ja gedacht: Höhere Spannung? Na prima: Stärkere Funken. Überhaupt hatte ich eigentlich gedacht, die Impulsverhältnisse so einzustellen, dass der 5W-Widerstand R1 nicht überlastet wird. Andererseits will ich auch bei 20Volt noch anständig starke Funken haben. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, das Problem zu lösen, da heisst es wieder, sein Glück zu probieren: Ich könnte versuchen die Impulslänge, d.h. das Tempo der Aufladung des Timing-Kondensators CT (C11) an Pin 3 von der Höhe der Spannung an C4 abhängig zu machen. Vermutlich wird es aber schwer werden, die U—tI Kennlinie so hinzukriegen, dass ich bei allen Spannungen und Frequenzen zufriedenstellende Ergebnisse habe. Ev.I-R1 limitierend in die Regelung einbeziehen. Ausserdem muß ich dann die Hochspannung von 150Volt in das 14V-Niederspannungszeug einbeziehen, was schnell dazu führt, dass bei einem kleinen Fehler, z.B. mit dem Messgerät, viel kaputt geht.

Die andere Möglichkeit ist, dass ich die Spannung an C4 auf ca 25 Volt begrenze. Auch wenn es jetzt nur noch um 1-2 A geht heisst das aber schon 100W Verlust, das heisst dicke teure Bauteile und Kühler. 5-Bein Schaltregler, die mit Eingangsspannungen von 200V oder wenigstens 150V arbeiten, habe ich bei Reichelt nicht gefunden. Allerdings ist die Suche nach Bauteil-Parametern in diesem Portal auch unterbelichtet. Das wär natürlich eine sinnvolle Arbeit für einen Allround-Elektroniker, mit der man sich mindestens ein Jahr beschäftigen könnte. Ich fürchte nur, niemand wird mir den Job anbieten. Und wenn schon: Eigentlich ist es in meinem Leben zu spät, dass richtiges Geld-verdienen noch Sinn macht. Aber unter Freunden? Vorstellbar.

Schaltregler-Konstruktionen mit vielen oder teuren Bauteilen möchte ich in dieser Schaltung möglichst vermeiden.

Also bleibt erstmal das Glücksspiel mit der Impuslängenregelung nach der Betriebsspannung zu versuchen. Das würde in einem Abwasch auch das I-RT-Problem mit dem IR2153 von der Notwendigkeit der Klärung befreien. I-RT soll eigentlich nur 5mA betragen dürfen. Allerdings haben sich die Datenblatt-Schreiber an anderer Stelle selber nicht daran gehalten.

Der erste Härtetest des neuen Gerätes hat mich leider nach 5 Minuten einen IGBT für 1,80 und einen 5-W Widerstand gekostet. Positiv festzustellen ist, dass ich aber an dem Trafo nicht die geringste Erwärmung festgestellt habe. In dem Punkt ist der Test besser ausgegangen, als erwartet. Allerdings habe ich auch erst mit eher geringen Strömen geschweisst. Man kann mit den Zündfunken eine Rutil-Elektrode auch von der Seite in der Mitte anbrennen, durch das Umhüllungs-Material durch. Der Zündeffekt funktioniert also jedenfalls auf jeden Fall.

Auch bei besserer Regelung scheint es mir nicht ganz sinnlos, einen zusätzlichen Überlastungsschutz vorzusehen. Vielleicht auch noch was temperaturabhängiges.

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