Bericht über die Entwicklung eines Hochfrequenz-Zündungs Zusatzes für ein einfaches Inverter Schweißgerät
02-2012 bis 09-2012
Vorhinweis:
Keiner
dieser Entwürfe ist bis jetzt nachbauwürdig,
auch wenn ich voreilig anderes dachte.
Ich
habe mir ein Wig Schlauchpaket gekauft, (bei dem Preis lohnt es
nicht, was selber zu machen.) Leider hat der Schweissstrom-Leiter in
dem Schlauch eine zu hohe Kapazität und Induktivität, so
dass wenn man sowas anschließt die Power des Zündfunkens,
die ohnehin knapp war, einfach zu schwach wird. ES ist eben einfach
nicht möglich, aus einen Schalttransistor/FET/IGBT bei 20Volt
Betriebsspannung und einer so kleinen Induktivität—die aus
Sicht des Schweissstroms eher schon zu groß ist,-- einen so
plötzlichen und starken Stromanstieg oder Abfall herauszuholen,
dass der Funke trotz der Lastkapazität des Kabels noch tausende
Volt erreicht. Die Innenwiderstände der Schaltelemente,die hohen
Spannungen standhalten können müßen, sind zu groß.
Man muß also vorher eine Hohe Betriebsspannung an einer eher
kleinen Kapazität erzeugen.Wenn man die dann plötzlich ein,
ev. auch aus schaltet, sollte eine höhere Zündspannung zu
erzielen sein. Also, auch
bei gegenteiliger Empfehlung irgendwo unten im Text: Noch nicht
nachbauen!!!!
Warnhinweis: In so einem Gerät können gefährliche Spannungen vorkommen. Schweiss-Geräte sind elektrisch ohnehin nie ganz ungefährlich. Mit diesem Zusatz gilt das vermehrt. Vor allem beim Experimentieren und bei Fehlfunktion. Nachtrag: Die Hochfrequenz-Spannung merkt man kaum, die Leerlaufspannung des Schweissgerätes ist da schon eher gefährlich.(117 Volt Rechteck-Gleichstrom mit einem Mittelwert von ca 50Volt.)
Die gesamte Entwicklung als chronologische Wurst
oder in einzelnen Teilen:
Da ich immer Probleme beim Dünnblechschweißen hatte, also vor allem den Gehäusen und mechanischen Teilen von mir entworfener Geräte, habe ich da so verschiedenes herumprobiert. Gegen den Löcherfrass hilft in gewissem Masse, (unverschweißbares) dickes Kupferblech unter die Schweissstelle zu pressen um durch die Kühlung den Lochfrass etwas zu bremsen. Das ist aber relativ umständlich, vor allem, wenn man es an verwinkelten Konstruktionen macht. Da meines Wissens ein Lichtbogen schon ab etwa 15Volt und 5 A brennen kann, waren meiner Ansicht nach vor allem dünnere Elektroden von Nöten. Es ist ja klar, dass das, was eine 1,5mm Elektrode zum Abschmelzen bringt, natürlich im Nu auch ein Loch in ein 0,5 mm Blech brennt. Also habe ich ein Stück Fülldraht in einen geeigneten Halter (zum Nachschieben) geklemmt da ich ja oft nur winzige Sachen zum Schweissen hatte. Wenn es funktioniert hätte wollte ich mir später eine Nachschubvorrichtung bauen. Die Zündung war aber dabei das Problem. Bei Zündung durch Berührung gab es einen kleinen Knall, der Schweissdraht klebte fest und glühte anschließend in voller Länge aus. Auch , wenn ich mein Schweissgerät bis auf etwas unter 20 A herunterdrehte,(weiter geht nicht) war daran nichts zu machen. Und wenn es mal einen Lichtbogen gab, prasselte der Fülldraht viel zu schnell weg, ehe ich reagieren konnte. Die Leerlaufspannung und Initialstromstärke des Inverters war für solche dünnen Elektroden eben einfach zu hoch.
Das brachte mich auf die Idee, mir ein kleines Zusatzgerät mit Hochfrequenz Zündung zu basteln. Eine kleine Zeichnung war in einer halben Stunde erdacht und ich habe für das ganze schön pessimistisch 5 Tage Aufbau und Inbetriebnahme-Arbeit angesetzt. Ach, welche Illusion! Hier in etwa mein erster Entwurf:
erster Teil: Erster Entwurf, auch mit Fotos von Trafozerlegung
es ging so nicht.
Also:
hinterher ist man schlauer: Ich hatte doch eigentlich gar nicht so viel Zeit darauf verwenden wollen:
was ich gemacht hätte, wenn ich auf diesem Wissensstand angefangen hätte, aber so nie gebaut habe:
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 erste Ergebnis sieht so aus:
Aber natürlich hab ich das Ding dann zurechtgetrimmt mit folgendem Ergebnis:
Die "minimale" Version, so funktioniert sie wirklich!!!!!, ist aber fast schon wieder ein Monstrum
Ich fand aber, es waren jetzt schon wieder zu viele Bauteile. Deshalb habe ich im kommenden ausprobiert, ob ich nicht doch sehr vieles weglassen konnte.
Eigentlich bin ich ja viel zu pingelig und konservativ gewesen, und nichts schreckt Nachbauer so sehr ab, wie eine große Bauteil-Anzahl.
Minimalforderungen:
Wenn man bedenkt, ist so eine Hochfrequenz-Zündung ja eine ziemlich garstige Schaltung, bei der es auf fast nichts ankommt:
1. Sie muss Hochspannungsimpulse erzeugen. Weder die Höhe der Spannung, noch die Konstanz der Spannungshöhe ist wirklich wichtig. Irgendwo zwischen 1kV und 10 kV.
Die Frequenz oder Frequenzkonstanz der Impulse ist ziemlich egal. Alles zwischen 10Hz und 10 kHz ist irgendwie brauchbar. Periodizität ist nicht erforderlich.
Sie muß den Schweissstrom auf den gleichen Ausgang durchlassen, wie die Impulse, ohne, dass das eine das andere stört.
Sie muß verhindern, dass die Impulse auf den Eingang durchschlagen und ev. einen Schweiss-Inverter zerstören.
5. Sie darf das Verhalten des Lichtbogens nicht wesentlich verschlechtern.
Und wo wir schon bei Ideen sind, habe ich das „minimale“ Monstrum in mehreren Stufen weiter reduziert:
(nochmal Vollstufe(läuft)) und erste Reduktionsstufe(Idee) (ca. 70 Teile)
Idee: zweimal reduzierte Stufe ca 49 Teile
Idee: dreimal reduzierte Stufe ca 38 Teile läuft aber vermutlich nicht unter ca 30V=/ 20V AC
weitere Entwicklung: Wiederhinzufügen von Dingen, die ich dann doch für nützlich halte zur erfolgreich getesteten vierten Reduktions-Version.
Nachtrag 01/3013: Jetzt habe ich längere Zeit nichts daran gemacht, aber das Gerät ein paarmal benutzt:
der Zündknopf ist überempfindlich und neigt dazu, sich durch eingestreute Spannungen selbst weiter am laufen zu halten,
wenn er einmal gedrückt wurde. Ein zusätzlicher Abblockkondensator ist empfohlen.
die Zünd-Spannung ist doch etwas knapp. Mit dem SGP07N120 ist sie im Versuch etwa anderthalb mal so hoch, wie mit einem
dickeren IGBT. 3000V bzw.2000V (aber vor kapazitiver Belastung durch Schweisskabel) Andererseits ist ein dickerer IGBT natürlich robuster gegen das Durchbrennen.
Die Spannung lässt sich auch durch stärkere Ströme nicht mehr erhöhen. Einerseits liegt das an der begrenzten Abschaltgeschwindigkeit der IGBT, andererseits an den
Innenwiderständen der verwendeten IGBT oder gar FET's -ja, ich habe auch einen 1000V-Mosfet ausprobiert, aber wie stark soll der Strom,
den man dann plötzlich abschalten will, schon sein, wenn das Ding 3Ohm Innenwiderstand hat? Deshalb sehe ich die Möglichkeit noch mehr Impuls-Energie
in den Zündtrafo reinzukriegen vor allem darin, erst eine hohe Gleichspannung an einem Kondensator zu erzeugen, die man dann
plötzlich einschaltet. Aber na,ja im gegenwärtigen Zustand geht es auch grade so.
Noch nicht ausprobiert habe ich, ob die Energie
auch an einem dicken Schlauchpaket mit seinen Kapazitäten und Induktivitäten noch zur Zündung ausreichen wird. Der Test ist aber
vorbereitet und wartet nur auf besseres Wetter.--Test verlief leider negativ-- Die Kapazitäten und Induktivitäten sind zu hoch, die Spannung erreicht nur noch 200 oder 300Volt. So dicht kann man eine Wolframelektrode nicht an ein Werkstück halten, ohne ständig zu verwackeln und das Werkstück zu berühren.--
Nachtrag (11-2013): Ich hatte nicht viel Zeit für das Projekt, aber ich habe das Gerät (vierfach reduzierte Version) mehrfach zum Elektrodenschweißen verwendet. Auch hier ist die Hochfrequenz-Zündung eben einfach zu praktisch, um darauf zu verzichten. Was ich am Ende doch mußte. Die Erzeugung eines ausreichenden Funkens erscheint mir zumindest für diesen Fall nicht mehr als Hauptproblem Wenn man durch einen zusätzlichen Aufwärtswandler das Gerät mit ausreichender Vorspannung versorgt, ev. auch den Schwingkreis aus Drossel und Lastkapazitäten mit besserer Abstimmung Leistungsanpassung versieht, wird das schon klappen. Gewöhliche Elektroden zündet es ja so schon. Aber trotz der bequemen Zündung wollten meine Schweissungen mit dem Zusatzgerät nicht mehr richtig funktionieren: es bildeten sich vermehrt Schweissknubbel statt saubere Nähte. Das Problem liegt in der großen Induktivität des Ferrittrafos, der zum Einschleifen der Hochfrequenz benutzt wird: Da jeder Lichtbogen einen negativen differentiellen Innenwiderstand besitzt, wird dadurch jedes schwingungsfähige System entdämpft. Das heißt, wenn der Schweiss-Lichtbogen brennt, beginnt das System zu schwingen und dank der hohen Stromstärke erreicht es dann viel astronomischere Spannungen als der Zündfunken selbst. Der Lichtbogen kann also bis fast 2 Zentimeter lang werden, und aufgrund irgendwelcher hochfrequenten Selbstverdrängungseffekte nimmt er nicht mehr den kürzesten Weg, lässt sich nicht mehr so gut steuern, und zielt immer auf den nächstgelegenen Knubbel ab, wo sich das Material dann ansammelt.
Zweitens:Nachtrag (11-2013) Ich habe die Arbeit von „Powerfreak“ ( http://www.mikrocontroller.net/topic/80332 )zur Kenntnis genommen. Dieser hat eine Hochfrequenzzündung entwickelt, die angeblich-ich glaube das- perfekt funktioniert und nur eine sicherheitstechnisches Update gebrauchen könnte. Diese Hochfrequenzzündung verwendet zur Erzeugung der Hochfrequenz als entdämpfendes Element eine Funkenstrecke-letztenendes auch ein Lichtbogen eben mit negativem Innenwiderstand. Ich kann nicht umhin zuzugeben, dass das wahrscheinlich die -verblüffend-einfachere Lösung ist, zumal er mit einer geringeren Induktivität (ohne Ferrit) in der Leitung auskommt und die Schweisseigenschaften nicht so stark beeinträchtigt. Andererseits kann ich mir nicht vorstellen, dass eine Funkenstrecke heute noch „state of the art“ ist. Die muß doch sicher öfter nachjustiert werden und die Pole erneuert, usw., was sicher kein Gerätehersteller seinen Kunden zumuten würde. Aber da ich sowieso Bastler bin: Wenn nicht mittlerweile mein Ehrgeiz geweckt wäre, würde ich mir wahrscheinlich einfach so etwas ähnliches bauen und das Problem wäre erledigt.
Ich habe auch ein Schaltbild mit Thyristor gefunden und selber etwas ähnliches gebaut. (plötzliche Entladung eines mit 600-1000V geladenen Kondensators durch den Thyristor über den Einschleiftrafo.) Auch sowas geht im Prinzip.
Ich habe jetzt auch einen Hochfrequenzgenerator gebaut, der- wenn die Transistoren nicht durchbrennen- 5KVss Hochfrequenz bei 600khz liefert. Dauerstrich. Das wäre was für meinen Mittelwellensender gewesen, damals vor 25Jahren.... Ein Traum. Wenn man den Draht anfasst, fühlt es sich warm an, nur, wenn ein kleiner Funke überspringt, vor dem Anfassen gibt es einen kleinen heissen Pieks in der Fingerspitze.
Was die Spannung betrifft, bin ich also zuversichtlich.
Was
die Verschlechterungen der Eigenschaften durch unerwünschte
Schwingungen des Schweiss-Lichtbogens betrifft, so habe ich mir
gedacht, dass man die Induktivität nach dem Zünden
irgendwie abschalten müsste. Was ich ausprobieren will ist
erstens: eine einzelne besonders dicke Windung auf dem Trafokern, die
also höchstens 200 Volt erzeugt oder so, nach der Zündung
mit einem sehr niederohmigen Mosfet kurzzuschliessen, die es für
niedrige Spannungen ja gibt.- (also mit zwei antiseriellen Mosfets
wegen der Body-Diode.)
zweite Idee: Den Ausgang mit einem
zusätzlichen Widerstand/R-CGlied bedämpfen, der über
Serienschaltung aus mehreren HochspannungsTransistoren, wohl
1000V-Mosfets zugeschaltet wird. Irgendwo habe ich mal so eine
Hühner-Leiterschaltung gesehen, bei der sich die Sperrspannungen
addieren. Dürfte nicht allzu kompliziert sein, schlimmstenfalls
Optokoppler. -ist natürlich auch Arbeit, 5 oder 6 Mosfets mit
Ansteuerkram zusammenzulöten. Meine Begeisterung bei dieser
Aussicht hält sich in Grenzen.