電容放電式電焊機自動控制電路設計

孫明

摘要：當前，我國科技和國防等領域對電能的大規模儲存和釋放技術已經走到世界的前列。如激光武器系統，航母的艦載機電磁彈射，動能武器，火箭發射等都需要對電能的一次性儲存量進行控制。本次設計，旨在電容器的儲能方面展開探索，提出自己的見解。

關鍵詞：電容器；原理；焊接能量

電容器就是一個能夠被充電的儲能元件。以這個儲能電容為主，通過充電電阻構成了RC為充電時間常數的時間延遲電路；控制電路是另外一個以RC電路為核心的時間延遲電路，且控制電路的RC時間常數可調。于是，當主電路與控制電路同時啟動時，可以通過對控制電路時間常數的調節，來調整主電路中儲能電容的充電量。當控制電路時間到達時，觸發繼電器翻轉，把主電路中儲能電容的充電回路切斷而接通其放電回路，從而自動化地完成儲能電容的充電到放電的全過程。

一、主電路的設計

1.元件選取：主電路可采用照明電源（交流220V，50Hz）供電，用橋式整流將220V交流變成311V的脈動直流電，儲能電容取20uF、450V無極性電容，充電電阻取20kΩ大功率電阻，放電回路采用可控硅為開關元件。

2.主電路參數的確定：（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生的最大瞬時電流Im為15.5mA，在充電電阻上產生的瞬時最大功率Pm為4.8W，充電電阻的額定功率應在5W以上。（2）主電路的時間常數τ：通過計算機仿真模擬，其時間常數τ為0.85秒，此時電容的電壓為190V。（3）可控硅的型號：設計放電回路的電阻為1.5Ω。放電回路最高電壓300V，計算最大瞬時放電電流為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器件。

二、控制電路的設計

1.核心電路：控制電路的核心也是一個RC延時電路，其電阻VR1是可調電阻，而電容C1為固定電容，電容標稱值為220μF 25V。調整電阻VR1可改變控制電路的延續時間，控時要求使主電路的儲能電容的電壓變化范圍在120V～290V之間。轉化成控制電路的時間應為0.37秒～2.55秒，換成可調電阻的變化范圍在1.7kΩ～12kΩ之間。（取2K與12K并聯為1.7kΩ）。當控制電路的時間延遲為主電路充電時間常數的三倍時，其主電壓可以達到其供電電壓311V的95%倍，可以認為充電過程結束。因為主電路的充電時間常數為0.85秒，其三倍時間為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.驅動電路：主電路的充電與放電翻轉由繼電器實現。由于CD4069輸出電流有限，直接驅動繼電器動作有一定的難度，故而在CD4069的8腳到繼電器線圈之間，安裝中功率三極管S8050組成驅動電路。

3.啟動電路及初始狀態：數字電路一般以低電平觸發，本控制電路也采用低電平觸發啟動方式。為此在CD4069的1接入腳外接2M電阻到DC12V電源，使CD4069的1腳初始狀態處于高電平。同時，R3將控制電路的延時電容正極通過RL1的閉合觸點短接到地，為低電平狀態。啟動時，RL1的觸點翻轉接地線通過觸點將1腳接地，低電平啟動CD4069。停止時，RL1觸點擲回，切斷啟動電路，同時將R3接地，使延時控制電容存儲的電荷迅速釋放。

4.指示電路設計：設立電源指示和放電狀態指示電路，由發光二極管為指示器件，位于控制電路當中。電源指示：表示電路已經供電，CD4069初始化已經完成；放電指示：主電路的充電工作已經結束，主電路翻轉進入到放電過程中。

5.保護電路的設計：保護電路首先應能對操作人員的人身安全進行保護，其次對電路中的各元件進行保護。

（1）主電路的供電是交流220V，觸電會對人體產生很大的傷害。在主電路的設計中，無論儲能電路的充電，還是翻轉到放電控制的兩個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電壓原定由控制電路提供。這樣做時，主電路與控制電路必須連接共同的地線，控制電路會受到主電路電位的影響。改用主電路中的儲能電容提供觸發電壓，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，其線圈會產生斷電自感，危害電路元件的安全。在繼電器線圈兩端并聯阻尼二極管，以消除其危害。（4）整個電路的隔離開關是漏電保護器，對整個電路實施漏電和過電流保護。

三、工作原理

集成電路CD4069的各個非門位置：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QF，12V控制電路有電，導致集成電路CD4069處于初始化狀態。

12V電流經R7、D4到地，電源指示燈（發光二極管D4）亮。同時12V電流經R5至1引腳，1引腳為高電平“1”，則2引腳為“0”，由于電流經R1與電磁繼電器RL2常閉觸點到地，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”，此時三極管S8050截止。

（二）腳踏開關SW1閉合，電磁繼電器RL2得電，觸點翻轉。

1、主電路（動力電路）接通，220V交流電至橋堆BR1轉換為311V直流電后經R2給C2充電。

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

（1）5引腳接引腳4，其低電平導致6引腳翻轉為高電平，高電平12V經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R3到三極管S8050基極，三極管飽和導通，驅動電磁繼電器RL1有電，觸點翻轉，C2充電結束，進入放電階段。

繼電器RL1切斷充電回路的同時，又通過其常開觸點，經過R6電阻接通了可控硅觸發電路，儲能電容C2放電進行焊接。焊接結束后，D1恢復斷路狀態。

（三）SW1斷開，RL1和RL2斷電復位到初始狀態。

四、電路特點

1.這是一個自動化控制電路，一鍵控制，完成全部工作過程。

2.這是一個焊接能量可以調整的電路，其電容器中儲能的多少是用控制電路的時間常數來調整的。是一個用時間來調控電容器儲能多少的電路。

3.電路中使用的元件少，原理簡單，工作可靠。

4.具備連續操作（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

我們采取對鎳鋼片實施電阻焊加工的方式來檢驗。按照電阻焊的操作規程，我們從儲能量最小的狀態、即控制時間最短的狀態開始檢驗。鎳鋼片的尺寸是0.1×6mm。電阻焊的方式是點焊方式。開始檢驗時多次焊接也無焊接電流輸出，測量儲能電容兩端保持200V左右的直流電壓，顯然可控硅沒有導通，判斷是觸發電路的電阻200k太大，改用120k電阻觸發，每次放電過程可控硅均能導通，鎳鋼片也能焊在一起。延長控制電路的時間常數，增加儲能電容的電能儲存，焊接的牢固程度得以提高。從控制電路的制作看，實現了弱電控制強電，時間控制儲能，自動完成充電到放電過程轉化的設計任務。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。盡管儲能電容的設計容量不太大，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。可以通過儲能電容的容量的增加，進一步提高焊接強度。已經經歷近百次的焊接操作，且大多為連續焊接方式，該電路均能正常焊接，沒有發現元件發熱，線路短路和元件損壞現象發生，證明電路設計合理，元件參數選擇得當，電路的焊接工藝夠用，電路工作的穩定性好。

參考文獻：

[1]童詩白 華成英.數字電子技術基礎.北京：高等教育出版社，2013.12.

[2]汪紅.電子技術.北京：電子工業出版社，2007.12.

[3]石小法.電子技能與實訓.北京：高等教育出版社，2011.7.

[4]羅杰 謝自美.電子線路設計實驗測試[M]北京：電子工業出版社，2008.