Přídavný usměrňovač k trafosvářečce - I.

Znáte to. V práci se povaluje spousta bazických elektrod a vy máte doma jenom svářecí transformátor... Ne, tak tohle snad už neplatí. Doby, kdy bylo okrádání zaměstnavatele (kterým byl socialistický stát) takřka povinností, už jsou snad pryč. Důvody proč si usměrnit trafosvářečku mohou být i mnohem ušlechtilejší...

...třeba možnost svařovat a navařovat speciální materiály jako hliník, nerez, bronz, litinu, tvrdokovy, apod. Ne všechny tyto materiály lze svařovat střídavým proudem. Také svařování v polohách je lepší za použití bazických elektrod a stejnosměrného proudu. Přitom postavit si usměrňovač zvládne každý, kdo se trochu vyzná v elektronice. Jen vědět jak na to a jak si obstarat potřebné součástky. To se dozvíte z následujícího textu.

Reklama:

Usměrňovač - má to vůbec smysl stavět?

Než se pustíte do stavby, je nutné si rozmyslet, zda to má opravdu smysl. Výkonové součástky potřebné na stavbu jsou totiž poměrně drahé. Ani sebelépe usměrněná běžná trafosvářečka nikdy nedosáhne vlastností kvalitního invertoru. Může se tedy stát, že za poměrně dost peněz dostanete poměrně málo muziky. Přesto však po usměrnění výrazně stoupne užitná hodnota trafosfářečky a pokud jste schopni se dostat k použitým součástkám v přijatelné ceně, zkuste to.

Ovšem je tu ještě jeden zákeřný problém. Jmenuje se: Napětí naprázdno. Pro bezproblémové zapálení a stabilní hoření bazických elektrod by stejnosměrné napětí naprázdno nemělo být nižší než asi 65V. To je naprosto minimální hodnota. Současné svářecí invertory disponují napětím naprázdno od cca 70V do 90V. Abychom dosáhli požadovaných 65V po usměrnění a vyhlazení, musí být střídavé napětí naprázdno minimálně cca 48V (počítáme s úbytkem napětí na usměrňovacích diodách). A to může být problém. V souladu s bezpečnostními předpisy totiž může být napětí naprázdno svářecího transformátoru max. 50V AC. Výrobci ve snaze nepřekročit toto bezpečné napětí často snižují napětí naprázdno u svých svářeček zbytečně nízko. Nejsou vyjímečné svářečky s napětím naprázdno v rozmezí 40-46V a to je opravdu málo. (Ono je to málo i na rutilku, proto vám to tak prská...) Malé napětí naprázdno se projeví špatným zapalováním elektrody a nestabilním obloukem s tendencí ke zhasínání. Prostě to bude prskat... Řešit se to dá jedině zvýšením napětí naprázdno tak, že se přidají závity na sekundárním vinutí transformátoru. Zároveň ale poklesne maximální svářecí proud. Je to pracné a drahé. To si raději kupte pořádnou svářečku. Problém s napětím naprázdno většinou nebývá u starých továrně vyráběných trafosvářeček (RTB3, TMB125, JS90, apod) a také u podomácku vyráběných svářeček. Nízké napětí naprázdno mají většinou ty nejlevnější supermarketovky.

Usměrňovač - jak na to.

Pokud jste rozhodnuti si usměrňovač postavit, pojďme na to. Řada lidí, kteří se třeba nějak výhodně dostali k výkonovým diodám, vyzkoušela následující zapojení klasického můstkového usměňovače:

Nevhodné zapojení přídavného usměrňovače.

Výsledkem však byli zklamáni. Prostě to nefungovalo. Oblouk se špatně zapaluje, zhasíná a prská. V obvodu totiž chybí indukčnost - tlumivka. Tlumivka slouží k vyhlazení napětí, aby napětí neklesalo k 0 v každé půlperiodě. Zjednodušeně řečeno: bez tlumivky oblouk zhasíná a zapaluje se 100x za sekundu, s tlumivkou hoří stabilně. Díky její indukčnosti se na ní také po odtržení elektrody při zapalování indukuje napětí a zapalování oblouku se výrazně usnadní. Správně by tedy zapojení usměrňovače ke svářečce mělo vypadat takto:

Usměrňovač s velkou tlumivkou.

Tlumivka nemůže být jen tak ledajaká. Plechy na tlumivku by měly být minimálně poloviční vůči svářecímu transformátoru, indukčnost bývá kolem 5mH a je nutná vzduchová mezera v magnetickem obvodu (alespoň tak 2mm). Vinutí tlumivky musí být dimenzováno na svářecí proud. Tlumivka tedy bude velká, težká a drahá. Správný návrh takovéto tlumivky není jednoduchý a je u toho spousta počítání.

Ideální by pak ještě bylo doplnit zapojení o kondenzátor, který pomůže s vyhlazením a svářecí vlastnosti se dále zlepší. Jak zapojit kondenzátor do obvodu je v tomto schematu:

Přidání kondenzátoru do přídavného usměrňovače.

Rezistor R slouží k vybití nabitého kondenzátoru po vypnutí svářečky. Jinak dostaneme ránu ještě dlouho po vypnutí :-) O kondenzátoru platí to samé co o tlumivce: bude velký, težký a nehorázně drahý...

Naštěstí však existují i jiná řešení a to nejrozšířenější je na následujícím schematu:

Ideální zapojení usměrňovače pro amatérskou stavbu.

Toto zapojení rozděluje lidi na dva tábory. Jedni jej zatracují, druzí milují. Je to takové to: aby se vlk nažral a koza zůstala celá. Faktem ale je, že to funguje. A dokonce se to vyrábělo i sériově. Ve spoustě zámečnických dílen bychom ještě dnes nalezli trafo s tímto usměňovačem.

V podstatě se jedná o usměrňovače dva. Jeden výkonový - silný - tvořený diodami D1 až D4. Druhý je pomocný - slabý - tvořený diodami D5, D6, kondenzátorem C s vybíjecím rezistorem R a tlumivkou Tl. Oba usměrňovače jsou spojeny paralelně. Přes ten výkonový protéká svářecí proud a pomocný zajistí snadné zapálení a stabilní hoření bez zhasínání. Pomocný usměrňovač nám "podrží" oblouk v okamžiku, kdy napětí výkonového usměrňovače klesá k nule. Stačí jen malá tlumivka a malý kondenzátor. Malý znamená také levný. Není to sice stoprocentně srovnatelné s řešením s klasickou velkou tlumivkou, ale v praxi to funguje. A velice dobře. Právě toto zapojení je vhodné pro stavbu.

Jaké použít součástky?

Pokud jste se rozhodli do toho jít, je nutné zjistit jaké součástky použít a kde je sehnat. Klíčové jsou výkonové diody D1 až D4. Tyto diody musí být dimenzovány na polovinu maximálního svářecího proudu. Pokud tedy stavíme usměrňovač k 160A svářečce, potřebujeme diody na min. 80A. Lze použít diskrétní výkonové diody - viz pozice č.1 na následujícím obrázku. Například diody Semikron SKR (SKN) 71/04. Jejich cena je ale cca 350,- kč. Potřebujeme 4 ks a je nutné přičíst cenu chladiče. Další možností je do každé větve můstku použít paralelní kombinaci několika menších diod. Ideální je použití 4 až 5 kusů tzv Alternátorových diod TESLA KYZ 74, KYZ 79. Dají se sehnat za cca 50,- kč. Ze zahraničních vyhoví např. Semikron SKR (SKN) 26/04. Při tomto řešení je vhodné změřit úbytky na všech diodách při cca 15 A a rozdělit je na čtyři skupiny s podobným napětím. Podstatné je ale i mechanické uspořádání na chladiči. Je nutné dodržovat mechanickou symetrii. Dráha proudu musí být ve všech paralelních větvích stejná. Drátové přívody k jednotlivým diodám je vhodné udělat delší (cca 10-20cm) a namotat z nich "indukčnost" - vyrovnání nestejnosti diod.

Jinou možností je použití výkonových diodových modulů (ČKD Polovodiče, Semikron, apod) - viz pozice č.2 na následujícím obrázku. Tyto moduly obsahují 2 až 4 výkonové diody a pro konstrukci můstku tak potřebujeme 1 až 2 moduly. Jsou ale velmi drahé (řádově tisíce kč). Stejně jako diskrétní diody i moduly se musí montovat na chladič.

Zajímavou možností je použití hotového můstku i s chladičem - viz pozice č.3 na následujícím obrázku. Může se jednat třeba o usměrňovač montovaný do levných MIG/MAG svářeček - céóček. Například můstkový usměrňovač do 160A pořídíte za cenu okolo 1200,- kč a seženete jej v opravnách svářecí techniky. Jedinou nevýhodou je to, že tento typ usměrňovače většinou počítá s aktivním chlazením ventilátorem. Ale i to je řešitelné, viz dále. Při výběru si jen dejte pozor, aby se jednalo opravdu o můstek. Některá nejlevnější céóčka totiž mají trafo se středovou odbočkou a používají dvojitý jednocestný usměrňovač a nikoliv můstek!

Diody, diodové moduly a můstky.

Diody je také možné vytěžit ze starých rozbitých svářeček. Občas se podaří namísto diod vytěžit výkonový tyristor. Jak z takového tyristoru udělat diodu je na následujícím obrázku. Rezistor R vyhoví v rozmezí cca 10-22 Ohmů, dioda D postačí libovolná univerzální do 1A, např 1N4007.

Náhrada diody tyristorem.

Diody D5 a D6 stačí na cca 10-20A. Lze tak použít Teslácké KY 712, KY 719, nebo již zmiňované KYZ 74, KYZ 79, případně Semikron SKR (SKN) 26/04 a podobně. Opět je nutná montáž na chladič. Kondenzátor C je běžný elektrolytický o hodnotě min. 1000uF/200V a vybíjecí rezistor je 3k3/2W. Tlumivka je - a teď se podržte - z výbojkových světel pouličního osvětlení. Bývá dimenzována na výkon 400-500W a pokud netušíte kde ji sehnat, poptejte se ve vašich nejbližších Technických službách, které spravují veřejné osvětlení. Jak taková tlumivka vypadá uvidíte v dalším pokračování tohoto článku, kde budou příklady amatérsky zhotovených přídavných usměrňovačů. Můžete pochopitelně použít i jinou odpovídající tlumivku, ale tato se shání asi nejjednodušeji. Při montáži usměrňovače nezapomeňte na to, aby veškeré propoje byly provedeny správně dimenzovanými vodiči!

Chlazení usměrňovače.

Pokud chcete minimalizovat rozměry a hmotnost přídavného usměrňovače, je nejschůdnější možností použít aktivní chlazení ventilátorem. Pak totiž můžete použít menší a lehčí chladiče pro výkonové diody. Ventilátor můžete použít na síťové napájení, ale pak je nutné k usměrňovači tahat ještě síťovou "šňůru". Nebo jej můžete připojit přímo na svářecí napětí, jak bylo popsáno třeba v článku o dodatečném přidání ventilátoru do svářečky. O nevýhodách tohoto řešení se v článku dozvíte také.

Mnohem lepší řešení je na následujících obrázcích. Jedná se o jednoduché zapojení stabilizátoru napětí pro ventilátor. Ventilátor je tak připojen na svářecí napětí, ovšem jeho otáčky tolik nekolísají. Princip je zřejmý z obrázků. Zapojení je jednoduché a účinné. Použít lze všechny rozšířené ventilátory na 12V i 24V DC. Tranzistor T je nutné opatřit chladičem.

Schéma zapojení stabilizátoru pro ventilátor.

Propojení trafosvářečky s usměrňovačem a ventilátorem.

Seznam součástek:
D - Usměrňovací dioda cca 2-6A (např P600)
C - Kondenzátor elyt. cca 47uF/100V
R - 3k3 (pro verzi 12V), 2k2 (pro verzi 24V)
Dz - 12V (pro verzi 12V), 24V (pro verzi 24V)
T - BDW 93 C + Chladič
Ventilátor - 12V nebo 24V DC

Továrně vyráběné usměrňovače.

Na následujícím obrázku jsou příklady oblíbených továrně vyráběných přídavných usměrňovačů pro svářecí transformátory. Vlevo je typ JU-160, který byl nabízen primárně k populárním transformátorům JS-90 (výrobce Elektrokov Znojmo), vpravo je pak známá UDA 160, primármě určená pro trafa TMB-125 a RTB-3 (výrobce MEZ Brumov). Použití usměrňovačů je však univerzální a lze je připojit k libovolnému svářecímu transformátoru do 160A. Oba usměrňovače využívají zapojení s malou tlumivkou paralelně k silovému obvodu, jak je popsáno výše. Schemata zapojení těchto usměrňovačů naleznete v příštím pokračování tohoto článku.

Továrně vyráběné přídavné usměrňovače.

Technické parametry UDA 160:
Max. vstupní napětí: 70V / 50Hz
Svařovací proud při DZ=20%: 160 A
Svařovací proud při DZ=100%: 70 A
Rozměry DxŠxV: 400 x 160 x 220 mm
Hmotnost: 9,5 kg
Osazení diodami: KYZ 74 + KYZ 79

Dalším sériově vyráběným přídavným usměrňovačem s malou tlumivkou je UD-160, který si dokonce můžete objednat i ve formě jednoduché stavebnice. Vyhnete se tak pracnému shánění jednotlivých komponent a vlastníma rukama si postavíte profesionální a prověřený usměrňovač:

Přídavný usměrňovač UD-160 ze stavebnice.

Závěr.

Tak a to je celé. Je zřejmé, že se nejedná o přesný konstrukční návod, ale spíše o inspiraci ke stavbě. Každý má přeci jen trochu jiné možnosti a každý si konstrukci upraví podle svého. V dalším pokračování tohoto článku pak budou popsány některé amatérské konstrukce takovýchto usměrňovačů.

Poznámka:

Do sekce ke stažení byly přidány katalogové listy (datasheety) výše zmiňovaných diod Semikron SKR/N 26 a SKR/N 71.