Сварочный инвертор в корпусе ATX

Всем доброго времени. Вобщем на старость лет я обнаружил у себя новое хобби - изготовление различных сварочных инверторов. Мне кажется это безумно интересным и увлекательным занятием. Кроме того, это позволяет несколько отвлечься от текущей работы, и опробовать какие то новые идеи и замыслы. Постараюсь излагать поменьше теории и постить побольше фоток процесса. Поехали!

↑ Начало

Я давно хотел собрать сварочник в корпусе компьютерного блока питания, просто потому что это определенный вызов, как в такой прямо скажем, не большой корпус можно запихуть преобразователь мощностью несколько киловатт. 

Вот так аппарат выглядит снаружи и внутри:

Проектирование пришлось на переходный период, когда я еще не достаточно полно освоил программу DIP TRACE, для того чтоб в ней спроектировать полноценное устройство, поэтому плата была частично нарисована в Sprint Layout, и частично в Dip Trace. 

А вообще, пока я вынашивал идею сварочного аппарата в корпусе ATX, во первых я пересмотрел практически все имеющиеся фотки подобных аппаратов в интернете (кроме иностранного сегмента, так как либо я не правильно задаю поисковой запрос, либо не могу корректно настроить поисковик на работу за пределами РФ), и определил для себя несколько принципов, которым я буду следовать при разработке:

1) Выходной ток аппарата должен быть не менее 100 Ампер

2) В аппарате должно быть минимум два фильтрующих конденсатора после входного диодного моста, емкостью не менее 470 мкФ

3) Обязательно должно быть реле софт старт (для зарядки входных электролитов)

4) Вспомогательное питание схемы должно обеспечиваться отдельным полноценным блоком питания (никакого самопитания)

5) Должна быть реализована защита от перегрева.

6) Не городить ничего лишнего, все должно быть сделано максимально просто и надежно.

Таким образом мы приходим к тому что: схема аппарата это косой мост, блок питания это стандартный обратноходовый преобразователь, раскачка силовых ключей - трансформатор гальванической развязки.

Итак первое что я сделал, это как водится нашел подходящий корпус, по нему определился с размером печатной платы. Ну и на плате соответственно начал как то пытаться располагать самые габаритные узлы сварочника, а именно радиаторы силовых компонентов, силовой трансформатор, реле софтстарта, и входной диодный мост KBPC3510. Забегая вперед скажу, что пришлось отказаться от идеи использовать мост KBPC3510, или аналогичного, из-за его габаритов, и необходимости монтировать его на радиаторе. Гораздо более правильнее и легче использовать мост типа GBJ3510. Судя по названию ток он тянет такой же как и KBPC3510. Однако прямого теста я не проводил, да и тот факт что мы все таки делаем не слишком мощный сварочник полностью убедил меня в том, что надо ставить именно GBJ3510, и все будет нормально. Собственно так и получилось. 

Схема содержит всего 5 намоточных узлов:

1) Силовой трансформатор

2) Трансформатор вспомогательного питания

3) Трансформатор гальванической развязки

4) Трансформатор тока

5) Выходной дроссель.

Мы знаем, что самое главное в таких схемах - это силовой трансформатор. Я долго пытался подобрать наиболее подходящий по характеристикам, и что самое главное - подходящий по габаритам трансформатор, в итоге остановился на трех комплектах Е42_21_15. 

↑ Намотка силового трансформатора

По расчетам все получается вполне красиво:

Если просто сложить три комплекта феррита Е42_21_15 то трансформатор получается ниже чем высота блока питания ATX. Поэтому я ввел небольшое расстояние между ферритами, это значительно улучшает охлаждение, но при этом не сильно увеличивает габариты: Трансформатор выгладит вот так

Намотка силового трансформатора: Я на ЧПУ изготовил каркас из текстолита 1,5мм. 

В общем после некоторых манипуляций с молотком и напильником каркас наконец собрался

Прикинул феррит - он подошел идеально:

Дальше встал вопрос намотки. Первичка 18 витков, вторичка 6 витков. Как мы знаем индуктивность рассеяния - это зло, поэтому для ее уменьшения мы будем мотать трансформатор секциями, а именно: половина первички-вся вторичка-половина первички. Итак начинаем мотать первичку, предварительно обмотав керн каркаса скотчем. Если этого не сделать - повредим изоляцию нашего эмаль провода. Подходящего по ширине скотча у меня не оказалось, поэтому я использовал то что есть:

Подготовил провода. Скрутил жгут из 6ти проводов 0,8мм для первички. Жгут взял длинной около 4 метров. И 20 проводков того же диаметра для вторички. Длинной примерно 1,5 метра. Выглядит это вот так:

Далее мотаем 9 витков первички.  Обмотки в местах входа и выхода в трансформатор защищаем чем то. В моем случае это силиконовая трубка. Надо сказать не самое лучшее решение, но для данной цели пойдет. Должно поместиться в один слой:

Далее не менее трех слоев изоляции (для электрической прочности, чтоб трансформатор не пробило), и мотаем вторичку - 6 витков. Так же должно поместиться в один слой:

Далее опять не менее трех слоев изоляции, и мотаем завершающие 9 витков первички. У меня получилось вот так:

Далее обматываем трансформатор двумя или тремя слоями скотча и собираем. Собираем с зазором. Кроме того придется несколько придавить обмотки, чтоб они поместились в окно каркаса. В качестве зазора я использовал малярный скотч:

Далее стандартная процедура: окончательная сборка, вакуумная пропитка и измерение параметров. Параметры получились следующие (Прибор MASTECH MS5308)

Вполне нормальные параметры. Индуктивность рассеяния довольно низкая, а это значит, что все будет работать как надо.

↑ Намотка трансформатора вспомогательного питания

Тут как обычно: вспотыкаемся об какую то плату, видим на ней небольшие трансформаторы, и решаем, что они подойдут для вспомогательного питания. Требования к источнику питания следующие: 

1) Выходное напряжение 24 вольта

2) Выходной ток 0.5 Ампер

Мягко говоря не слишком заоблачные требования, правда?

Вобщем, как оказалось, об эту плату я уже вспотыкался, это балласт от газоразрядных ламп, и трансформатор на ней имеет размер очень близкий к стандарту Е20_10_6. Расчитываем по известной программе. У меня получилось вот так:

Мотаем так же секциями для уменьшения индуктивности рассеяния. Я мотаю так: половина первички - вся вторичка - половина первички - обмотка самозапита. Прикинул на бумаге куда как и что мотать, куда какие выводы подсоединять, в соответствии с платой чтоб все получилось.:

Каркас изолируем скотчем и начинаем мотать первую половину первички. У меня получилось вот так:

Вторичку я намотал проводом в торойной изоляции, 0,355мм в диаметре по меди. Получилось вот так:

Далее мотаем вторую половину первички, потом обмотку самопитания. На выходе получаем вот такой компактный трансформатор:

Предлагаю не останавливаться подробно на остальных намоточных узлах, скажу лишь, что трансформатор гальванической развязки (ТГР)  намотан на кольце 25_15_10 без зазора, содержит три обмотки по 25 витком провода в торойной изоляции. Особо стоит подчеркнуть, что не допускается намотка ТГР обычным эмальпроводом.

Трансформатор тока у меня содержит 50 витков на кольце 20_10_7.

Ну а выходной дроссель мы будем лепить когда все уже будет готово!

↑ Несколько слов про схему

Итак мы определили, что наш сварочник это очередной двухключесвой прямоходовый инвертор, проще именуемый "косой мост". Блок управления, точнее генератор импульсов на  UC3845 я как раз и сделал в программе DIP TRACE. Набросал схему. Это классический бармалейник, но я несколько изменил номиналы резисторов в цепи усилителя ошибки, для того чтоб немного повысить помехозащищенность,  да и добавил подмешивание пилы с частото-задающего конденсатора на вход датчика тока ключей. Можно этого не делать потому что в контексте сврочника все работает нормально:

 Далее по этой схеме открываем трассировщик плат, расставляем компоненты, и нажимаем волшебную кнопку.

Вот такой результат мне выдала программа:

Мдааа). Трассировочка то мягко говоря "так себе". Но. я решил ничего не менять, так как хотел убедиться, что косой мост настолько надежная схема, что способна работать даже с такой кривой (косой) трассировкой. Как говориться какой мост - такая и трассировка. Но зато как красиво выглядит 3Д модель платы:

Далее эту красоту нам  остается перенести в SPRINT LAYOUT, и вручную дорисовать все что необходимо. DIP TRACE разумеется не позволяет прямо экспортировать файлы в *.lay, но мы можем пойти другим путем. Из DIP TRACE мы экспортируем GERBER файл, а затем открываем его в SPRINT LAYOUT:

Но тут есть один нюанс:. Как известно, если данные из одной САПР переносить и открывать в другой САПР, то может получиться лютая дичь в итоге. Смотрим внимательно на наличие паяльной маски после переноса  GERBER в SPRINT LAYOUT:

Видим, что на некоторых компонентах маски нету. Придется назначить ее вручную:

Вот так то лучше:

Ну и соответственно берем этот участок платы и вставляем его в нашу уже почти нарисованную плату. На плате уже прорисована силовая часть, блок вспомогательного питания и тд. Нету реле софт старта. Его я решил расположить прямо надо входными электролитическими конденсаторами. И внизу слева на плате там место под вентилятор охлаждения. А наш блок управления сварочником располагаем справа сверху. Соединяем дорожками этот участок платы с питанием и тд: 

↑ Печатная плата во плоти

Ну а дальше дико бежим заказывать платы. Немного ожидания. Вот такая красота приехала:

Кстати тут тоже есть некоторый нюанс связанный с размеров входных электролитов: Нам нужны электролиты диаметром 30мм. Они бывают 35мм. Надо именно 30. Под них и сделана плата. Я установил электролиты и прикинул плату с ними в корпус. Подошла идеально:

В целом на мой взгляд очень не плохо. Чтож надо запаивать плату, пилить/сверлить радиаторы и как то все это заставлять работать: Выходные транзисторы я использовал 60T65, а размагничивающие диоды как обычно HFA15TB60

Потихоньку запаиваем плату:

На выводы силовых компонентов настоятельно рекомендую одевать какие то защитные материалы. Мы не знаем что там вентилятор будет задувать прямо на выводы силовых трнанзисторов. Я в данном случае использовал силиконку:

Кроме того я совершенно не сторонник крепить транзисторы напрямую на радиатор. Радиатор на мой взгляд должен быть под нулевым потенциалом

Далее устанавливаем второй радиатор с выходными диодами. Я использовал один прямой и два замыкающих диода STTH6003:

Далее я установил на плату выходной трансформатор. Он сел довольно так плотненько.

Изначально я хотел использовать стойки для плат 10 или 12 мм длинной, однако при такой длине стоек по высоте трансформатор не поместился:

Тогда было принято решение хорошо заизолировать дно корпуса от платы тектолитом, и использовать стойки 5мм длинной:

В такой конфигурации все подходит идеально. За исключением трансформатора тока, который изначально предполагался снизу платы, но так как пришлось сильно уменьшать длину стоек, я расположил его сверху. Не очень красиво и не очень хорошо, так как провода от него приходится тянуть до платы через радиатор силовухи, кроме того провода от силового трансформатора надо тянуть вначале вверх платы, чтоб пропустить в кольцо трансформатора тока. Это их удлиннило в три раза по сравнению с изначальным замыслом.. Чтож, мы ведь хотим убедиться в том, что как говориться каков мост, так он и должен быть сделан! Вот так получилось разместить трансформатор тока:

Вот так плата выглядит снизу:

Пару слов касательно снабберов: Снабберы выходных диодов - SMD резистор размером 2512 номинал 10 ом, конденсатор - керамический диск 4700pF, снабберы транзисторов - SMD резистор размером 2512 номинал 22ом, конденсатор 1000pF. Без диодов.

А вот так установлено реле софтарта. Так же на плате наблюдаем ТГР:

Когда все плата собрана самое время выполнить налаживание и регулировку максимального выходного тока.

↑ Налаживание

Налаживание начинаем с подачи вспомогательного питания на схему. Питание узла раскачки ТГР пока можно отключить выпаяв резистор R13 2R2. Убеждаемся в наличии пилы на выводе 4, и прямоугольника на выводе 6 микросхемы UC3845, частотой 57...63 кГц. Коэффициент заполнения при этом должен быть не более 48%. Если это не так - подбираем частотозадающие цепи. Если пила на 4 ноге есть а прямоугольника на 6 ноге нет - надо повернуть задатчик тока, возможно он находится в крайнем положении.

Если не помогло - смотрим номиналы в цепи усилителя ошибки. Если нет пилы на 4  ноге, смотрим 5 Вольт на 8 ноге. Если 5 Вольт есть, а пилы нет - смотрим номиналы и правильность монтажа частотозадающих элементов, если нету 5 Вольт, смотрим напряжение питания на 7 ноге микросхемы. Если питание есть, а 5 Вольт нету - меняем микросхему. Если нету питания - ищем куда потерялось наше питание.

После того как мы добились того чтоб на 6 ноге у нас появился ровный прямоугольник частотой около 60 кГц, можно впаять обратно резистор R13 2R2, и запустить таким образом узел раскачки ТГР. Естественно все перепайки делать после отключения напряжения питания.  С рабочим узлом ТГР смотрим импульс на затворах силовых ключей. Напоминаю, у нас сейчас сварочник в сеть НЕ ВКЛЮЧЕН, а питается от лабораторного блока питания. На затворах обоих силовых транзисторов должна быть вот такая осциллограмма. Видим, что у нас частота 58 кГц, коэфф заполнения 46%. Супер.

Если осциллограмма вот такая - значит перепутана фазировка затворной обмотки ТГР:

Далее нам необходимо подключить осциллограф на выход силового трансформатора. Крокодил на вывод соединённый с замыкающим диодом, а щуп на "прямой" вывод. Потом подключаем ЛАТР на входной диодный мост. ЛАТР должен быть выкручен в "0". Потихоньку, очень медленно начинаем поднимать питание, и внимательно слушаем ЛАТР.

Если он начинает ненормально гудеть - уводим в "0" и ищем ляпы. Если подозрительных звуков нет - смотрим на осциллограмму, должна быть растущая осциллограмма вот такого типа. На осциллограмме видим момент полного размагничивания сердечника силового трансформатора (загиб - это начало колебательного процесса паразитных индуктивностей и емкостей), потом проходит какое то время, потом включаются наши IGBT. Это важно. Чтоб к моменту включения IGBT сердечник был размагничен полностью, иначе авария. Отрегулировать этот момент можно коэффициентом заполнения импульса (его уменьшением)

Продолжаем поднимать напряжение питания ЛАТРом. На определённом этапе должен заработать вспомогательный блок питания. Этот момент можно определить контролируя осциллограмму на вторичке мелкого трансформатора, должно быть как то так:

Потом нам необходимо определить начало и конец обмотки трансформатора тока. Я для этого подключил резистор 10 ом параллельно обмотке трансформатора тока, и подключил осциллограф. Кстати с разомкнутым трансформатором тока питание на силовуху не подавать. Увидел вот такую осциллограмму:

Судя по этой осциллограме щуп у нас подключен на минус, а крокодил на плюс. Меняем щуп и крокодил местами и расшифровываем что мы тут видим:

После этого можно впаять трансформатор тока там где он должен быть, подключить на выход аппарата лампу накаливания на 220 Вольт и дать постоять на ХХ некоторое время, минут 10. Если все хорошо, то можно потихоньку грузить. Устанавливать минимальный/максимальный ток. Делается это резисторами R5 R6 а так же R8, который является шунтом трансформатора тока. Я установил минимальный ток 10 Ампер максимальный ток 100 Ампер. После того как мы все проверили, отрегулировали и наладили можно ставить плату в корпус. В качестве сетевого разъема я использовал штатный разъем блока питания. Для нашего не слишком мощного аппарата это наилучшее решение.  Разводку выходных цепей сделал моножилой площадью сечения 6мм. Примерно так:

 Из нее же изготовил "воздушный" дроссель. Толку правда от него мало, судя по осциллограмме на выходных клеммах, но тем не менее аппарат работает. Ну и естественно надо все, как можно обильнее, залить защитный лаком, чтоб было надежнее

Да, кстати пришлось сделать вырез сзади платы чтоб поместился вентилятор охлаждения. Вентилятор я кстати тоже использовал штатный

Остается только поставить верхнюю крышку, ну и использовать аппарат по назначению.

↑ Выводы

Поигравшись несколько дней с аппаратом я заметил следующее:

1) Ток 100 Ампер для бытовых целей, для электрода 3мм вполне достаточно.

2) Если электрод менее 3мм то 100 Ампер через него как бы "не пролазит" ток начинает дергаться в районе 85...95 Ампер, хотя ручка выкручена на максимум. Тот же эффект и с более толстыми электродами.

3) Если установлен ток заведомо меньше для электрода, например для 3мм установлен 50 Ампер, то дуга норовит погаснуть. То есть можно бы в схему ввести форсаж и антизалип. Но если установлен номинальный ток для электрода, например для 3мм это 90..100 Ампер то дуга горит гораздо лучше, залепить электрод или потушить дугу гораздо сложнее.

4) В целом вполне нормальный аппарат.

Итого, можно вполне запихнуть в такой объем и честных 120 Ампер сварочного тока. Да даже этот аппарат позиционировать как 120 Ампер (а до такого тока он вполне нормально разгоняется), но ПВ например 40%. Можно более компактно расположить радиоэлементы на плате. Можно например сделать вертикальную плату управления с платой блока питания, это даст больше места для силовухи.  Можно конденсаторы расположить как то по другому, например горизонтально друг над другом. Вариантов масса.

Самый главный вывод, что схема работает даже если сделана мягко говоря "неаккуратно",  А значит точно подойдет для новичков.

↑ Файлы

🎁Каркасс 3х42_21_15.zip  17.05 Kb ⇣ 1

🎁Плата.zip  52.72 Kb ⇣ 2

Спасибо за внимание!