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        電容放電式電焊機(jī)自動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)

        2018-10-11 05:29:22孫明
        魅力中國(guó) 2018年28期
        關(guān)鍵詞:電容器原理

        孫明

        摘要:當(dāng)前,我國(guó)科技和國(guó)防等領(lǐng)域?qū)﹄娔艿拇笠?guī)模儲(chǔ)存和釋放技術(shù)已經(jīng)走到世界的前列。如激光武器系統(tǒng),航母的艦載機(jī)電磁彈射,動(dòng)能武器,火箭發(fā)射等都需要對(duì)電能的一次性儲(chǔ)存量進(jìn)行控制。本次設(shè)計(jì),旨在電容器的儲(chǔ)能方面展開(kāi)探索,提出自己的見(jiàn)解。

        關(guān)鍵詞:電容器;原理;焊接能量

        電容器就是一個(gè)能夠被充電的儲(chǔ)能元件。以這個(gè)儲(chǔ)能電容為主,通過(guò)充電電阻構(gòu)成了RC為充電時(shí)間常數(shù)的時(shí)間延遲電路;控制電路是另外一個(gè)以RC電路為核心的時(shí)間延遲電路,且控制電路的RC時(shí)間常數(shù)可調(diào)。于是,當(dāng)主電路與控制電路同時(shí)啟動(dòng)時(shí),可以通過(guò)對(duì)控制電路時(shí)間常數(shù)的調(diào)節(jié),來(lái)調(diào)整主電路中儲(chǔ)能電容的充電量。當(dāng)控制電路時(shí)間到達(dá)時(shí),觸發(fā)繼電器翻轉(zhuǎn),把主電路中儲(chǔ)能電容的充電回路切斷而接通其放電回路,從而自動(dòng)化地完成儲(chǔ)能電容的充電到放電的全過(guò)程。

        一、主電路的設(shè)計(jì)

        1.元件選?。褐麟娐房刹捎谜彰麟娫矗ń涣?20V,50Hz)供電,用橋式整流將220V交流變成311V的脈動(dòng)直流電,儲(chǔ)能電容取20uF、450V無(wú)極性電容,充電電阻取20kΩ大功率電阻,放電回路采用可控硅為開(kāi)關(guān)元件。

        2.主電路參數(shù)的確定:(1)充電電阻的電功率:采用311V脈沖直流供電,其峰值電壓作用于主電路的充電回路中產(chǎn)生的最大瞬時(shí)電流Im為15.5mA,在充電電阻上產(chǎn)生的瞬時(shí)最大功率Pm為4.8W,充電電阻的額定功率應(yīng)在5W以上。(2)主電路的時(shí)間常數(shù)τ:通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真模擬,其時(shí)間常數(shù)τ為0.85秒,此時(shí)電容的電壓為190V。(3)可控硅的型號(hào):設(shè)計(jì)放電回路的電阻為1.5Ω。放電回路最高電壓300V,計(jì)算最大瞬時(shí)放電電流為200A。選擇正向工作電流20A,浪涌電流大于200A的可控硅S2012NH,作為放電回路的開(kāi)關(guān)器件。

        二、控制電路的設(shè)計(jì)

        1.核心電路:控制電路的核心也是一個(gè)RC延時(shí)電路,其電阻VR1是可調(diào)電阻,而電容C1為固定電容,電容標(biāo)稱值為220μF 25V。調(diào)整電阻VR1可改變控制電路的延續(xù)時(shí)間,控時(shí)要求使主電路的儲(chǔ)能電容的電壓變化范圍在120V~290V之間。轉(zhuǎn)化成控制電路的時(shí)間應(yīng)為0.37秒~2.55秒,換成可調(diào)電阻的變化范圍在1.7kΩ~12kΩ之間。(取2K與12K并聯(lián)為1.7kΩ)。當(dāng)控制電路的時(shí)間延遲為主電路充電時(shí)間常數(shù)的三倍時(shí),其主電壓可以達(dá)到其供電電壓311V的95%倍,可以認(rèn)為充電過(guò)程結(jié)束。因?yàn)橹麟娐返某潆姇r(shí)間常數(shù)為0.85秒,其三倍時(shí)間為2.55秒,控制電路的充電電容C=220μF,換算出其最大充電電阻為R8=12KΩ。

        2.驅(qū)動(dòng)電路:主電路的充電與放電翻轉(zhuǎn)由繼電器實(shí)現(xiàn)。由于CD4069輸出電流有限,直接驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作有一定的難度,故而在CD4069的8腳到繼電器線圈之間,安裝中功率三極管S8050組成驅(qū)動(dòng)電路。

        3.啟動(dòng)電路及初始狀態(tài):數(shù)字電路一般以低電平觸發(fā),本控制電路也采用低電平觸發(fā)啟動(dòng)方式。為此在CD4069的1接入腳外接2M電阻到DC12V電源,使CD4069的1腳初始狀態(tài)處于高電平。同時(shí),R3將控制電路的延時(shí)電容正極通過(guò)RL1的閉合觸點(diǎn)短接到地,為低電平狀態(tài)。啟動(dòng)時(shí),RL1的觸點(diǎn)翻轉(zhuǎn)接地線通過(guò)觸點(diǎn)將1腳接地,低電平啟動(dòng)CD4069。停止時(shí),RL1觸點(diǎn)擲回,切斷啟動(dòng)電路,同時(shí)將R3接地,使延時(shí)控制電容存儲(chǔ)的電荷迅速釋放。

        4.指示電路設(shè)計(jì):設(shè)立電源指示和放電狀態(tài)指示電路,由發(fā)光二極管為指示器件,位于控制電路當(dāng)中。電源指示:表示電路已經(jīng)供電,CD4069初始化已經(jīng)完成;放電指示:主電路的充電工作已經(jīng)結(jié)束,主電路翻轉(zhuǎn)進(jìn)入到放電過(guò)程中。

        5.保護(hù)電路的設(shè)計(jì):保護(hù)電路首先應(yīng)能對(duì)操作人員的人身安全進(jìn)行保護(hù),其次對(duì)電路中的各元件進(jìn)行保護(hù)。

        (1)主電路的供電是交流220V,觸電會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生很大的傷害。在主電路的設(shè)計(jì)中,無(wú)論儲(chǔ)能電路的充電,還是翻轉(zhuǎn)到放電控制的兩個(gè)繼電器均采用了雙開(kāi)雙斷的模式,以確保操作工人的安全。(2)放電回路中可控硅的觸發(fā)電壓原定由控制電路提供。這樣做時(shí),主電路與控制電路必須連接共同的地線,控制電路會(huì)受到主電路電位的影響。改用主電路中的儲(chǔ)能電容提供觸發(fā)電壓,可以使控制電路與主電路完全隔開(kāi),控制電路更安全。(3)控制電路中的繼電器在電路斷電時(shí),其線圈會(huì)產(chǎn)生斷電自感,危害電路元件的安全。在繼電器線圈兩端并聯(lián)阻尼二極管,以消除其危害。(4)整個(gè)電路的隔離開(kāi)關(guān)是漏電保護(hù)器,對(duì)整個(gè)電路實(shí)施漏電和過(guò)電流保護(hù)。

        三、工作原理

        集成電路CD4069的各個(gè)非門位置:IC1a在1引腳和引腳2之間,IC1b在3引腳和4引腳之間,IC1c在5引腳和6引腳之間,IC1d在9引腳和8引腳之間。

        (一)閉合空氣開(kāi)關(guān)QF,12V控制電路有電,導(dǎo)致集成電路CD4069處于初始化狀態(tài)。

        12V電流經(jīng)R7、D4到地,電源指示燈(發(fā)光二極管D4)亮。同時(shí)12V電流經(jīng)R5至1引腳,1引腳為高電平“1”,則2引腳為“0”,由于電流經(jīng)R1與電磁繼電器RL2常閉觸點(diǎn)到地,故3引腳電平為“0”,4引腳電平為“1”。

        (1)5引腳接4引腳電平為“1”,6引腳電平為“0”,放電指示燈D2不亮。

        (2)9引腳接引腳4電平為“1”,8引腳為“0”,此時(shí)三極管S8050截止。

        (二)腳踏開(kāi)關(guān)SW1閉合,電磁繼電器RL2得電,觸點(diǎn)翻轉(zhuǎn)。

        1、主電路(動(dòng)力電路)接通,220V交流電至橋堆BR1轉(zhuǎn)換為311V直流電后經(jīng)R2給C2充電。

        2、CD4069引腳1接地,輸入低電平“0”,使引腳2轉(zhuǎn)為“1”,電流過(guò)VR1、R9或R8給C1充電,當(dāng)C1充電到一定程度,3腳的電位升高觸發(fā)IC1b翻轉(zhuǎn),引腳4從高電平“1”轉(zhuǎn)為“0”。

        (1)5引腳接引腳4,其低電平導(dǎo)致6引腳翻轉(zhuǎn)為高電平,高電平12V經(jīng)R4與D2到地,使放電指示燈D2亮。

        (2)9引腳也接引腳4,使 8引腳為高電平,高電平12V 經(jīng)R3到三極管S8050基極,三極管飽和導(dǎo)通,驅(qū)動(dòng)電磁繼電器RL1有電,觸點(diǎn)翻轉(zhuǎn),C2充電結(jié)束,進(jìn)入放電階段。

        繼電器RL1切斷充電回路的同時(shí),又通過(guò)其常開(kāi)觸點(diǎn),經(jīng)過(guò)R6電阻接通了可控硅觸發(fā)電路,儲(chǔ)能電容C2放電進(jìn)行焊接。焊接結(jié)束后,D1恢復(fù)斷路狀態(tài)。

        (三)SW1斷開(kāi),RL1和RL2斷電復(fù)位到初始狀態(tài)。

        四、電路特點(diǎn)

        1.這是一個(gè)自動(dòng)化控制電路,一鍵控制,完成全部工作過(guò)程。

        2.這是一個(gè)焊接能量可以調(diào)整的電路,其電容器中儲(chǔ)能的多少是用控制電路的時(shí)間常數(shù)來(lái)調(diào)整的。是一個(gè)用時(shí)間來(lái)調(diào)控電容器儲(chǔ)能多少的電路。

        3.電路中使用的元件少,原理簡(jiǎn)單,工作可靠。

        4.具備連續(xù)操作(加工)的能力。

        5.主電路采用雙開(kāi)雙斷方式,控制電路與主電路完全分開(kāi),電路的安全性高。

        五、功效

        我們采取對(duì)鎳鋼片實(shí)施電阻焊加工的方式來(lái)檢驗(yàn)。按照電阻焊的操作規(guī)程,我們從儲(chǔ)能量最小的狀態(tài)、即控制時(shí)間最短的狀態(tài)開(kāi)始檢驗(yàn)。鎳鋼片的尺寸是0.1×6mm。電阻焊的方式是點(diǎn)焊方式。開(kāi)始檢驗(yàn)時(shí)多次焊接也無(wú)焊接電流輸出,測(cè)量?jī)?chǔ)能電容兩端保持200V左右的直流電壓,顯然可控硅沒(méi)有導(dǎo)通,判斷是觸發(fā)電路的電阻200k太大,改用120k電阻觸發(fā),每次放電過(guò)程可控硅均能導(dǎo)通,鎳鋼片也能焊在一起。延長(zhǎng)控制電路的時(shí)間常數(shù),增加儲(chǔ)能電容的電能儲(chǔ)存,焊接的牢固程度得以提高。從控制電路的制作看,實(shí)現(xiàn)了弱電控制強(qiáng)電,時(shí)間控制儲(chǔ)能,自動(dòng)完成充電到放電過(guò)程轉(zhuǎn)化的設(shè)計(jì)任務(wù)。從安全角度看,用低壓控制高壓。高壓電路采用雙開(kāi)雙斷形式,高壓電路與低壓電路完全隔離,使電路的安全性最高。盡管儲(chǔ)能電容的設(shè)計(jì)容量不太大,但在焊接操作中,仍可將0.1mm厚的鎳鋼片焊在一起,展示出其焊接效果。可以通過(guò)儲(chǔ)能電容的容量的增加,進(jìn)一步提高焊接強(qiáng)度。已經(jīng)經(jīng)歷近百次的焊接操作,且大多為連續(xù)焊接方式,該電路均能正常焊接,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)元件發(fā)熱,線路短路和元件損壞現(xiàn)象發(fā)生,證明電路設(shè)計(jì)合理,元件參數(shù)選擇得當(dāng),電路的焊接工藝夠用,電路工作的穩(wěn)定性好。

        參考文獻(xiàn):

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        [4]羅杰 謝自美.電子線路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試[M]北京:電子工業(yè)出版社,2008.

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