Spot saldatore: elevato vantaggio di corrente rispetto all'alta tensione

Ho guardato molti di questi video "DIY spot welder" su Youtube, come questo:

https://www.youtube.com/watch?v=hTaGa93lOGU .

Abbiamo un numero molto maggiore di turni sul primario rispetto al secondario. Quindi colleghiamo il primario a una tensione CA, diciamo 240 V e un piccolo carico di resistenza sul secondario (o lo cortocircuiamo).

Ho trovato diverse spiegazioni per ciò che accade e tutti dicono che quando la tensione viene ridotta sul secondario, la corrente viene aumentata di conseguenza. La tensione sul secondario è ora solo di pochi volt, ma la corrente può arrivare fino a chiloamp. Questa alta corrente genera un calore elevato che scioglie il metallo (il carico secondario).

Ma il potere non dovrebbe essere lo stesso? La potenza è il prodotto di corrente e tensione. A causa della conservazione dell'energia, quando la corrente viene aumentata, la tensione viene ridotta poiché il prodotto rimane lo stesso.

Nel caso opposto in cui aumentiamo la tensione, posso capire cosa sta succedendo guardando il modello del trasformatore:

Se il numero della bobina secondaria aumenta, la corrente al ramo R_s aumenta. Quindi, anche se la corrente viene ridotta, la potenza utilizzata aumenta quando stiamo "estraendo" più corrente dall'alimentazione.

Ma cosa succede quando la corrente viene intensificata? Se il primario ha più turni, sembrerebbe che il rapporto N_p / N_s sia più alto e la corrente al ramo R_s sia più bassa.

Qualcuno potrebbe spiegarmi che cosa ho capito male? Perché è meglio aumentare l'amperaggio, piuttosto che usare solo la tensione CA in ingresso o aumentare la tensione invece della corrente?

EDIT: molte delle risposte affermano la relazione tra corrente, resistenza e potenza:

Ma sappiamo anche che la tensione attraverso un carico è anche una funzione della corrente, secondo la legge di Ohm:

Quindi se abbiamo un'alta corrente, dovremmo avere anche un'alta tensione. Ora la legge e il trasformatore di Ohm sembrano non essere d'accordo!

La ragione per cui lo facciamo è perché ci sono due componenti resistivi nel sistema: l'arco in cui stiamo saldando e il trasformatore stesso. Non stiamo solo cercando di massimizzare la potenza nella saldatura, ma di ridurre al minimo gli sprechi. Se la resistenza del trasformatore è superiore a quella del saldatore, la maggior parte dell'energia viene effettivamente dissipata nel trasformatore e il trasformatore si riscalda come un matto. Se diminuiamo il numero di avvolgimenti per diminuire quella resistenza, allora miglioriamo il nostro trasferimento di potenza, ma diminuiamo la tensione del trasformatore.

C'è un punto debole per ogni sistema. Ecco dove stanno cercando di mirare. Nel caso di un saldatore, quel punto debole comporta un passaggio alla bassa tensione e all'alto amperaggio.

Inoltre, se si dispone di circuiti di controllo, controllare l'amperaggio è meglio che controllare la tensione qui. La caduta di tensione del sistema proviene da tutti i tipi di fili e connessioni. La resistenza del sistema, ad esempio, può diminuire se si collegano più superfici metalliche insieme a buone saldature solide. Ciò significa che, se controlli la tensione, devi prestare attenzione a tutti questi dettagli, quando tutto ciò che ti interessava davvero era "potenza nella saldatura". Se invece controlli l'amperaggio, la tua dissipazione di potenza nella saldatura è sempre$P=i^2R_{weld}$e ignora tutti gli altri dettagli. Pertanto, è utile pensare in termini attuali.

Quando si tratta di saldare l'impedenza del gas è alta fino a quando non inizia un arco HV a bassa corrente, la fonte di alimentazione ad alta corrente a bassa tensione fornisce la corrente successiva nella Z bassa.

Z è inversa alla densità di corrente necessaria per aumentare il calore nell'articolazione $Pd=I^2R$.

Quindi non è possibile saldare con alta tensione a bassa corrente, poiché la resistenza dell'arco diventa molto bassa. L'HV è solo il grilletto come un SCR. Entrambi hanno una resistenza incrementale negativa.

A giudicare dalla nostra conversazione nei commenti, ciò che manca è che abbassare la tensione svolge due funzioni:

1. Rende l'attuale "gestibile". Se possiamo ottenere, diciamo, 100 A a pochi volt allora avremmo corrente ingestibile a tensioni più elevate.
2. Aumenta la corrente a un livello superiore a quello che l'alimentazione potrebbe fornire senza un trasformatore.

Figura 1. Il circuito base di saldatura ad arco. Fonte: Lincoln Electric .

Ricorda che la resistenza del circuito è estremamente bassa. Se R = 0,05 Ω e si collega un'alimentazione a 5 V, si ottiene 100 A. Se si collega un'alimentazione a 120 V, si ottengono 2400 A e un arco elettrico di 288 kW che potrebbe uccidere il saldatore. In genere non hai molta energia disponibile e non puoi controllarla se lo facessi.

Può aiutare ad affrontare il problema al contrario. A partire da zero volt si aumenta la tensione fino a quando la corrente non raggiunge un valore sufficiente per creare la saldatura. Per fare questo è necessario un trasformatore. Il trasformatore effettua la conversione da alta a bassa tensione e da bassa a alta corrente. Per i nostri esempi da 120 V a 5 V, 100 A la corrente primaria sarebbe solo$100 \frac {5}{120} = 4.2 \ \mathrm A$. Questo è prontamente disponibile da una presa a muro.

Un saldatore a punti crea calore attraverso la resistenza del pezzo. La potenza dissipata attraverso una resistenza è

Questo è opposto alle linee di trasmissione di potenza, dove si desidera la minima perdita possibile nella linea, e quindi passare a un'alta tensione e una bassa corrente.

I saldatori lavorano fondendo il metallo. Il calore prodotto è una funzione del tempo di resistenza al quadrato (I ^ 2 * R). La "R" è fissa (materiale target / elettrodi di saldatura), quindi l'aumento della corrente aumenterà il calore generato.

Ti stai perdendo un punto chiave con la tua teoria qui. Per raggiungere le temperature richieste è necessario iniettare energia sufficiente per farlo.

Come giustamente fai notare, $P = IV$.

Però, $I = V/R$

Il punto di saldatura ha una resistenza molto piccola. $<10m\Omega$

Poiché il punto di saldatura ha una resistenza così bassa, non è necessario applicare molta tensione attraverso di esso per poter condurre MOLTE correnti. Se si utilizza una tensione più elevata, il join condurrebbe proporzionalmente più corrente. Raddoppia la tensione, raddoppia anche la corrente e la potenza che stai aumentando aumenta di quattro.

(Beh, in realtà la potenza extra che aggiungi cambierebbe la resistenza, quindi non è esattamente il doppio della corrente.)

Il punto è che devi essere in grado di fornire la corrente che il join consumerà indipendentemente dalla tensione che usi. L'aumento della tensione rende la richiesta di corrente più grande, non più piccola.

Il trucco è usare una tensione abbastanza bassa che la quantità di corrente condotta attraverso il join produca quanto basta $P = IV$per riscaldare e fondere il metallo in un tempo ragionevole. Il trasformatore deve quindi essere progettato per bilanciare quella tensione con quella corrente.

Se hai bisogno $500W$ di potere e l'unione è $5m\Omega$

Hai bisogno $V = \surd(500 * 0.005) \approx 1.6V$

Con $1.6 / 0.005 \approx 320A$

O per dirla in altro modo. La quantità di tensione e corrente necessaria è dettata dalla resistenza del join. Succede solo a causa della fisica che funziona hai bisogno di un piccolo$V$ e grande $I$.

Ecco un interessante documento sulla saldatura a punti.

Dato che stiamo parlando di saldatura a punti e non di saldatura ad arco, si tratta solo di I ^ 2R (la potenza) erogata al carico. Se si collega la saldatrice a punti in (ad esempio) una normale presa US con un interruttore da 20A e non si abbassa la tensione con un trasformatore, la corrente massima che si può ottenere prima di far scattare l'interruttore è di 20A. (Non farlo, non è sicuro.)

Abbassando la tensione di es. 100 è possibile ottenere 2kA. Sono 10.000 volte la potenza erogata alla saldatura.

Naturalmente ci sono avvolgimenti e perdite del nucleo, ecc., Ma questa è l'idea principale dietro la saldatura a punti ad alta corrente a bassa tensione.

L'idea di base di un saldatore ad arco è che non stai solo fondendo (almeno la superficie dei) pezzi di lavoro, ma anche sciogliendo l'estremità dell'asta di saldatura e depositando quel metallo fuso dall'asta di saldatura sui pezzi in modo da hai una articolazione forte. Affinché ciò avvenga, l'asta di saldatura deve ovviamente essere molto vicina ai pezzi da lavorare.

Se la tensione è molto alta, otterrai un arco quando l'asta di saldatura è ancora abbastanza lontana dai pezzi. L'estremità dell'asta si fonderà (probabilmente) e il pezzo potrebbe fondere dove l'arco lo contatta - ma non saranno abbastanza vicini tra loro da poter depositare l'asta di saldatura fusa sul pezzo da lavorare, così finirai con una saldatura debole nella migliore delle ipotesi (e molto probabilmente nessuna).

Un altro problema con un arco lungo è che non è molto prevedibile - se hai mai visto un film di un temporale, noterai che un fulmine tende a colpire la cosa più alta nelle vicinanze - ma non sempre . A volte colpisce un posto, poi a metà, colpisce invece altrove.

Anche con un arco veramente corto, ciò accade ancora in una certa misura, ma la distanza che l'arco si sposta tenderà ad essere molto piccola, quindi continuerai a concentrare il calore proprio attorno ad un'area, in modo da poter ottenere una buona saldatura.

In conclusione: non sono affatto sicuro che questo abbia davvero molto a che fare con l'elettronica; riguarda più come funziona la saldatura ad arco.

Per quello che vale, quando ero molto più giovane, mi è capitato di essere in giro quando un amico ha deciso di collegare l'uscita da un saldatore a corrente alternata a una bobina di un'auto. Produceva scintille lunghe circa 3 o 4 piedi, ma sono abbastanza sicuro che nessuno avrebbe potuto saldare nulla con esso.

Il problema qui è che, in pratica, esiste un limite alla corrente che la fornitura può fornire. È anche importante distinguere tra quali sono le cause e quali sono gli effetti, o, in altre parole, identificare le variabili dipendenti e indipendenti - per prima cosa, ciò dovrebbe chiarire il problema sollevato nel tuo addendum.

Supponendo una resistenza del pezzo fissa, un alimentatore a tensione fissa ideale (fino alla sua corrente massima) e un trasformatore perfettamente efficiente ecc., Le dipendenze sono quindi: La tensione di alimentazione $Vp$ e rapporto di giri del trasformatore $N1/N2$ determinare la tensione secondaria $Vs=Vp.N2/N1$, che, insieme alla resistenza del pezzo $Rs$, determina la corrente secondaria $Is=Vs/Rs$, che a sua volta, insieme al rapporto del trasformatore, determina la corrente primaria $Ip=Is.N2/N1$. La massima corrente che può essere prelevata dall'alimentazione (o la massima corrente che può assumere il primario del trasformatore, qualunque sia la più piccola) è un'altra variabile indipendente.

Considera la tua affermazione "Se il numero della bobina secondaria aumenta, la corrente al ramo R aumenta. Quindi, anche se la corrente viene ridotta, la potenza utilizzata aumenta quando stiamo "prelevando" più corrente dall'alimentazione. "

Escludendo la clausola "anche se la corrente è ridotta", il che probabilmente non è il caso, il resto di questa affermazione è corretto, per quanto va: crescente $N2$aumenta la tensione attraverso il carico e quindi anche sia la corrente attraverso di esso sia la potenza dissipata in esso. Ad esempio, se$N2$ è raddoppiato, $Vs$ è raddoppiato, portando a $Is$anche raddoppiato, quindi la dissipazione di potenza è quadruplicata. La conseguenza è che l'assorbimento di corrente primario è quadruplicato, come si può vedere dalla conservazione dell'energia applicata ai circuiti primario e secondario, o dalla relazione del trasformatore$Ip=Is.N2/N1$, dove entrambi $Is$ e $N2$sono raddoppiati. Quando si aggiungono più turni secondari, tuttavia, non passa molto tempo prima che la corrente primaria raggiunga il suo limite.

Quindi, hai ragione a dire che aumentando i giri secondari aumenterai la potenza erogata al pezzo, ma solo fino al punto in cui inizi a sovraccaricare la sorgente. In pratica, se applichi la tensione di sorgente di 240 V direttamente al pezzo, quasi sicuramente sovraccaricherai l'alimentazione, nel qual caso avrai bisogno di un trasformatore step-down semplicemente per rimanere entro quel limite. Per fornire la massima potenza di saldatura, è necessario un trasformatore che esegua la minima riduzione di tensione mantenendo al contempo il limite della corrente primaria.

Si noti che per comprendere abbastanza bene questo problema, non è necessario considerare le impedenze parassitarie mostrate nel diagramma, che sono relativamente piccole e complicano semplicemente la questione senza aggiungere alcuna comprensione. D'altra parte, come altri hanno già detto, ci sarà anche dissipazione negli avvolgimenti secondari, quindi è necessario utilizzare un filo di diametro sufficiente per gestire la corrente secondaria - almeno sufficiente per evitare il surriscaldamento, e oltre a ciò, minore è la resistenza del secondario, meno energia verrà dissipata lì piuttosto che nel pezzo. Se la corrente massima per il circuito primario è$Iplimit$, la corrente secondaria corrispondente è $Iplmit.N1/N2$. Se, come nel video, stai modificando un trasformatore esistente, la massima potenza del tuo saldatore può essere impostata dal limite fisico sul numero di giri del filo sufficientemente grande che puoi inserire sull'armatura del trasformatore.

Un altro problema è la sicurezza: potresti essere in grado di saldare con una tensione più alta, ma aumenti significativamente il rischio di ferire anche il saldatore.