電容放電式電焊機(jī)自動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)

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)能方面展開探索，提出自己的見解。

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，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)電路的隔離開關(guān)是漏電保護(hù)器，對(duì)整個(gè)電路實(shí)施漏電和過電流保護(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)，又通過其常開觸點(diǎn)，經(jīng)過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，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.主電路采用雙開雙斷方式，控制電路與主電路完全分開，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?？梢酝ㄟ^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。

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