Softstartér pro svářečky
Občas se setkávám s požadavkem na doplnění softstartéru do starší svářečky.
Doposud jsem obvody softstarérů stavěl se standardními časovými relé jako například zde. S takto zapojeným softstartérem jsem nikdy neměl problém, nicméně vždy jsem v softstartéru s jedním časovým relé postrádal kvalitní ochranný obvod, který bude schopen svářečku odpojit od sítě v případě selhání časového relé nebo stykače softstartéru a zabránit tak případným dalším škodám.
Časové relé navíc obsahuje pro své napájení spínaný zdroj, což je obecně potenciální zdroj problémů navíc.
A tak se zrodila myšlenka na vývoj vlastní jednoúčelové, jednoduché a bezpečné elektroniky pro řízení softstartérů do svářeček.
Požadavky na softstartér
- Softstartér bude umět ovládat nezávisle 2 stykače: softstartový a bezpečnostní – to je hlavní myšlenka celé elektroniky, aby v případě selhání softstartového stykače došlo automaticky k odpojení svářečky od sítě nebo aby v případě poruchy samotné řídicí elektroniky softstartéru ani nemohlo dojít ke spuštění svářečky.
- Softstartér musí být co nejspolehlivější – nebude obsahovat spínaný zdroj ani procesor. Dále v něm bude použito maximum THT součástek, které mají lepší mechanické vlastnosti a vyšší odolnost, minimum elektrolytických kondenzátorů a na DPS bude minimum prokovů, které by se mohli poškodit při vyšším teplotním namáhání.
Návrh softstartéru
Na tento projekt jsem se těšil, poněvadž elektroniku bez procesoru jsem nenavrhoval již velmi dlouho.
Zpoždění pro softstartérový stykač je vytvářeno nabíjením paralelní kombinace kondenzátorů C4, C6 a C8 přes rezistor R1 ze stabilizovaného napětí +5 V na rozhodovací úroveň schmittova klopného obvodu IO1, cca 1,6 V plus napětí BE tranzistoru T1. Tento obvod zároveň slouží jako tvarovač signálu. Emitorový sledovač s T1 slouží k oddělení obvodu kondenzátoru od klopného obvodu. Tranzistory T5 a T6 spínají relé K1 na napětí +12 V pro softstartový stykač. Zapojení pro bezpečnostní stykač funguje shodně, jen s obrácenou logikou. U softstartové sekce je po dobu nabíjení kondenzátorů C4, C6 a C8 relé K1 rozepnuto, po nabití se sepne a je sepnuté až do vypnutí svářečky. Naproti tomu u bezpečností sekce je ihned po zapnutí elektroniky relé K2 sepnuto a po nabití kondenzátorů C1, C2, C3, C5, C7 na rozhodovací úroveň IO1 dojde k jeho vypnutí. V zapojení níže odpovídá kapacitě 1 uF zpoždění přibližně 33 ms.
Myšlenka zapojení je znázorněna ve schématu níže (obrázek: Schéma zapojení stykačů ve svářečce při použití softstartéru s bezpečnostní funkcí.). Po zapnutí hlavního vypínače svářečky dojde i k sepnutí bezpečnostního stykače k1 a k průchodu proudu do svářečky přes rezistory softstartu. Po době, nastavené kondenzátory C4, C6 a C8 dojde k sepnutí softstartového stykače k2 a tím k překlenutí rezistorů a přivedení fáze na ovládací cívku bezpečnostního stykače k1 přes pomocný spínací kontakt k2. Cívka k1 je nyní napájena přes pomocný kontakt k2 a přes elektroniku softstartéru. Po době, nastavené kondenzátory C1, C2, C3, C5, C7 dojde k rozpojení kontaktů relé K2 v softstartéru. V tuto chvíli je cívka bezpečnostního stykače k1 napájena pouze přes pomocný kontakt softstartového stykače k2. V případě, že by byl k2 poškozen a nesepnul by, tak by po této době došlo k odpojení bezpečnostního stykače k1, jelikož by nebyl napájen. V případě poruchy samotného softstartéru, např. při poruše napájecího transformátoru TR1 by po zapnutí hlavního vypínače svářečky nedošlo ani k sepnutí bezpečnostního stykače k1.
K dalšímu zvýšení spolehlivosti elektroniky jsem pro stabilizaci napájecího napětí +12 V pro relé nepoužil integrovaný stabilizátor, ale usměrněné napětí pouze srážím přes rezistory R20 a R21. Malá nevýhoda tohoto řešení spočívá v kolísání napájecího napětí pro relé v závislosti na velikosti napětí v síti. Avšak v rozsahu napětí 200 VAC až 260 VAC pracují relé v povolené oblasti a elektronika funguje spolehlivě.
Poslední výzvou návrhu elektroniky bylo řešení správné funkce softstartu při rychlém opětovném zapnutí svářečky krátce po jejím vypnutí. K tomu, aby elektronika mohla spolehlivě fungovat i v tomto režimu je zapotřebí rychle vybít kondenzátory C4, C6 a C8, dále C1, C2, C3, C5, C7 a také hlavní filtrační kondenzátory C12, C13 a C14. O to se stará tranzistor T3, který je po celou dobu provozu elektroniky držen v zavřeném stavu pomocí tranzistoru T4 a který se otevře až po výpadku napájení a vybije všechny zmiňované kondenzátory přes rezistor R7. Obvody s D11, D7, D9, R19, D10 a R18 pomáhají také vybíjení kondenzátorů.
Mechanické provedení
Softstartér se do svářečky připojí pomocí čtyř vodičů do dvou šroubových svorkovnic. První svorkovnice je pro napájení: L a N. Do druhé svorkovnice se připojí cívky stykačů, na které se přes kontakty relé K1 a K2 přivádí fáze L z první svorkovnice.
DPS softstartéru jsem navrhl tak, aby se vešla do standardní hliníkové krabičky o vnějších rozměrech 135 x 85 x 56 mm. Nicméně elektroniku softstartéru je v případě potřeby, například při možnosti vestavby do krytu ke stávající elektronice svářečky možné zabudovat i bez krabičky.
Jelikož se jedná vlastně o retro elektroniku, rozhodl jsem se do zapojení použít i maximum retro součástek. Součástek z produkce bývalého národního podniku Tesla mám doma mnoho a oprav starších zařízení, ve kterých byly tyto součástky od výroby použity velmi rychle ubývá. Z toho důvodu, ale také proto, že pro tyto součástky mám zkrátka slabost, jsem se rozhodl do těchto elektronik používat právě součástky z Tesly. Samozřejmě by ale nebyl problém všechny tyto součástky nahradit dnešními ekvivalenty. Elektrolytické kondenzátory jsem použil pochopitelně nové od Nipponu.
Testování softstartéru
U softstartéru bylo potřeba otestovat následující parametry:
- závislost zpoždění přepínání relé na kapacitě kondenzátorů
- chování elektroniky na obou mezích tolerance napětí v síti
- chování obvodů pro vybíjení kondenzátorů
- oteplení elektroniky v provozu
1. závislost zpoždění přepínání relé na kapacitě kondenzátorů
Dle teorie by měla být závislost mezi velikostí kapacity kondenzátorů C4, C6 a C8, resp. C1, C2, C3, C5, C7 a dobou, za kterou se nabijí na konkrétní napětí přes stejný rezistor lineární. Měření tuto teorii potvrdilo.
Kapacitě 1 uF odpovídá zpoždění přibližně 33 ms. Z toho vyplývá, že tento softstartér lze velice jednoduše i bez měření nastavit téměř libovolně a přizpůsobit ho konkrétní aplikaci. Zpožďovací kondenzátory jsou navíc keramické a tudíž nehrozí změna parametrů elektroniky při jejím stárnutí jako při použití elektrolytických kondenzátorů.
Při testování elektroniky lze využít toho, že napájecí napětí +12 V pro relé není stabilizováno ale pouze sráženo rezistory. Je-li sepnuté jedno relé, napětí na C12 má vyšší úroveň než při sepnutí obobu relé, z toho důvodu není nutné měřit signály přicházející na jednotlivá relé, ale stačí měřit pouze napětí na hlavním filtračním kondenzátoru C12, viz záznamy níže.
2. chování elektroniky na obou mezích tolerance napětí v síti
Vzhledem k tomu, že napětí pro relé není stabilizováno, bylo nutné prověřit, zda-li nedochází k přetěžování cívek relé při nejvyšším povoleném napětí v síti a naopak, jestli bude na cívkách relé dostatečné napětí pro jejich sepnutí při nejnižším povoleném napětí v síti.
Dle datasheetu potřebují 12V relé RT424012 pro spolehlivé sepnutí napětí na cívce alespoň 8,4 V a maximální napětí na cívce může být 16,8 V, chceme-li se pohybovat v Recommended voltage range. Více viz datasheet. Dle měření se napětí na cívkách obou sepnutých relé (horší stav) při napětí v síti 200 VAC pohybuje okolo 9 V, což je dostačující. Při napětí v síti 260 VAC vzroste napětí na cívce jednoho sepnutého relé (horší stav) na úroveň 15 V, což je opět zcela vyhovující.
3. chování obvodů pro vybíjení kondenzátorů
Rychlé vybití všech kondenzátorů v zapojení je důležité pro správné fungování elektroniky softstartéru při vypnutí svářečky a jejím opětovném zapnutí ve velmi krátkém čase, cca do 2 s.
Při měření jsem sledoval napětí na kondenzátorech C5 a C12 po odpojení napájení. V prvním případě s připojeným vybíjecím rezistorem R7 a podruhé s odpojeným R7. Napětí na kondenzátorech C5 a C12 klesne na úroveň 1 V se zapojeným vybíjecím rezistorem za dobu cca 300 ms. V případě, že by v zapojení vybíjecí obvod nebyl, napětí na kondenzátorech by na úroveň 1 V nekleslo ani za dobu 600 ms.
Z výsledků měření lze soudit, že vliv vybíjecího obvodu na parametry elektroniky softstartéru je značný je že jeho použití v zapojení je užitečné.
4. oteplení elektroniky v provozu
Oteplení při provozu je vhodné znát především u rezistorů, které sráží napětí pro napájení relé a to při maximálním možném napětí v síti 260 VAC. Ostatní součástky pracují v povolených a bezpečných mezích, navíc s velmi malými výkony.
Elektroniku softstartéru jsem nechal na stole zapnutou po dobu 1 hodiny při okolní teplotě 23 °C a vstupním napětí 260 VAC stranou THT součástek vzhůru. Po této době byla teplota rezistorů 59 °C.
Z tohoto testu lze soudit, že elektronika je kvalitně dimenzována a že ani provoz elektroniky při okolní teplotě 55 °C by neměl být problém.
Zhodnocení projektu softstartéru
Cílem tohoto projektu bylo navrhnout a zkonstruovat elektroniku pro řízení softstartérů do starších svářeček s bezpečnostní funkcí vypnutí svářečky v případě poruchy komponent softstartéru. Kromě bezpečnostní funkce, byl požadavek na maximální spolehlivost a jednoduchost elektroniky.
Navržená elektronika obsahuje bezpečnostní funkci, která zajistí vypnutí svářečky v případě poruchy softstartového stykače a zabrání tak dalším škodám. Obdobným způsobem je svářečka chráněna při většině poruch samotné softstartové elektroniky, při které ani nedojde ke spuštění svářečky. Nicméně elektroniku lze zapojit i jako klasický softstartér bez ochranné funkce (bezpečnostní stykač) například v případě nedostatku místa ve svářečce pro druhý stykač.
Co možná nejvyšší spolehlivost elektroniky je podpořena následující kroky v návrhu:
- softstartér není napájen ze spínaného zdroje, který bývá častým zdrojem poruch, ale je napájen klasickým lineárním zdrojem
- v softstartéru není použit procesor, což je citlivá součástka. Další výhodou vynechání procesoru v zapojení je skutečnost, že při poruše libovolné komponenty elektroniky, bude elektronika jednoduše opravitelná (není potřeba nahrávat SW)
- v elektronice je použito maximum THT součástek, které mají lepší mechanické vlastnosti a odolnost než SMD komponenty
- jsou zde použity pouze dva elektrolytické kondenzátory, které bývají častým zdrojem poruch
- DPS softstartéru je sice dvouvrstvá, ale neobsahuje žádný prokov, který by se mohl poškodit při zvýšeném tepelném namáhaní
- Softstartér neobsahuje potenciometr ani jiný mechanický prvek pro nastavení potřebného zpoždění pro softstart, který by se mohl poškodit. Zpoždění lze nastavit při výrobě elektroniky změnou kapacity zpožďovacích keramických kondenzátorů
Elektroniku lze vestavět do standardní krabičky o vnějších rozměrech 135 x 85 x 56 mm.
Elektronika zvládne pracovat spolehlivě v celé toleranci napětí v síti od 200 VAC do 260 VAC a při okolních teplotách do 55 °C.
Podklady pro výrobu softstartéru
Chcete si tuto elektroniku postavit sami? Máte několik možností.
Stavba svépomocí – Pokud si chcete softstartér vyrobit svépomocí, níže najdete ke stažení Gerber data pro výrobu DPS. Stačí je odeslat libovolnému výrobci DPS a můžete začít se stavbou.
Hotová DPS – Nechcete řešit objednávání výroby? Můžete si hotovou DPS objednat u mě, čímž si ušetříte čas i starosti se zadáváním výroby.
- Kompletně osazená elektronika – A pokud dáváte přednost kompletnímu řešení, nabízím také plně osazenou a oživenou elektroniku, kterou před odesláním nastavím podle vašich požadavků – včetně požadovaného časového zpoždění softstartu a bezpečnostní funkce. Stačí mi napsat, jaké zpoždění potřebujete, a vše připravím k okamžitému použití.
