Домашний практикум: ремонт и модернизация стиральных машин...("Сделай сам" №4∙2001)

Электродуговой сварочный аппарат

А.М.Низовцев

Разработка бытового сварочного трансформатора — проблема сложная. В настоящее время выпускается много бытовых сварочных аппаратов, но далеко не все из них обладают хорошими параметрами, особенно при работе от бытовой сети. Проверка сварочников, выпускавшихся в 1971 году в ФРГ, показала, что из 20 видов примерно 25 % не удовлетворяют требованиям стандартов ДИН.

По конверсии мне приходилось заниматься разработкой бытового сварочного трансформатора, результатом этой работы является предлагаемая конструкция. При повторении любителями-умельцами большинства конструкций сварочников основной проблемой является вторичная обмотка, про которую обычно скромно пишут «медная шина сечением не менее 3x5 мм». А «накрутить» (так говорят профессионалы) обмотку из шины с изоляцией, я вам прямо скажу, не так просто. Кстати, наше опытное производство без оснастки, «на колене», эту работу делать не стало. А я эту проблему решил. Более того, благодаря принятому конструктивному решению, сварочник можно приспособить для сварки постоянным током без применения дефицитных силовых диодов.

Кроме того, можно с уверенностью сказать, что повторение большинства из опубликованных конструкций не будет качественным. Как говорят в Одессе, не спешите торопиться! Дело в том, что для хорошего зажигания дуги сварочный трансформатор должен обладать напряжением холостого хода порядка 60 В, вообще говоря, оно может быть и больше, так как все ограничения здесь связаны только с обеспечением безопасности работы сварщика, в то время как напряжение, необходимое для устойчивого горения дуги, в зависимости От диаметра электрода, должно составлять 21–27 В.

Избыточное напряжение чаще всего гасится при помощи индуктивного сопротивления, включаемого в цепь сварочной дуги. В качестве такого сопротивления обычно используется трансдуктор или дроссель с подмагничиванием, обеспечивающий плавную регулировку индуктивности. Иногда ставится активное сопротивление — балластник, применение которого приводит к значительным потерям активной составляющей тока.

Таким образом, с большой уверенностью можно утверждать, что применение сварочных трансформаторов, не обладающих большим рассеянием, например, на базе ЛАТРов, или тороидальных сердечников от электромоторов, при отсутствии в цепи дуги дросселя заведомо даст неудовлетворительные результаты. По крайней мере нагреваться такой трансформатор будет сильно. Мне известно, что сварочник на базе ЛATPa один любитель был вынужден помещать для охлаждения в ведро с водой.

В предлагаемой конструкции сварочного трансформатора такие недостатки в значительной степени устранены. Трансформатор (рис. 1) обеспечивает проведение сварочных работ качественными электродами диаметром 1,6–2,5 мм при его питании от бытовой электросети.

Рис. 1

Магнитопровод сварочного трансформатора стержневой, замкнутый, набирается из полос электротехнической стали толщиной 0,35-0,5 мм и шириной 60 мм, поперечное сечение магнитопровода трансформатора в зоне первичной обмотки составляет 30 см².

Сетевая (первичная) обмотка наматывается на сборном каркасе, изготовленном из листового текстолита толщиной 3 мм и содержит 280 витков провода ПЭВ-2 диаметром 2–2,3 мм. Щечки каркаса имеют размер 120х125 мм, окно под магнитопровод должно иметь размер 50х61 мм, расстояние между щечками составляет 70 мм. Острые кромки ребер каркаса закруглены. Межслойная изоляция выполняется из двух слоев конденсаторной бумаги или кальки.

Центральная часть каркаса для намотки вторичных обмоток склеена на цилиндрической оправке 080 мм из нескольких слоев прессшпана клеем БФ-2. Наружный диаметр щечек, изготовленных из текстолита толщиной 3 мм, составляет 145 мм. Щечки надеваются на цилиндрическую часть каркаса и приклеиваются к ней на расстоянии 70 мм друг от друга. После высыхания клея выступающие части цилиндра отрезаются. Вторичная обмотка (точнее основная ее часть) состоит из 4 обмоток, наматываемых проводом ПЭВ-2 02,3–2,5 мм так, что каждая обмотка состоит из двух слоев провода и содержит 56 витков. Межслойная изоляция такая же, как и у первичной катушки. Выводы обмоток пропускаются через отверстия 03 мм, просверленные в щечках.

Набивка магнитопровода производится прямоугольными пластинами размером 135х60 мм, образующими квадратный контур магнитопровода. Набор магнитопровода производится «вперекрышку». Стяжка набора осуществляется угольниками 35х35х4 мм и болтами М8 длиной 75 мм, ввинчиваемыми в резьбовые отверстия в угольниках. Для достижения максимальной плотности магнитопровода необходимо производить промежуточную обтяжку набора стяжными угольниками.

После предварительной сборки набора верхний пояс стяжных угольников снимается и верхняя замыкающая секция магнитопровода временно удаляется. Свободные сегменты цилиндрической части каркаса вторичной катушки заполняются пластинами, вырезаемыми по месту. Замечу, что эта дополнительная часть магнитопровода обеспечивает рассеяние магнитного поля и катушка вторичной обмотки вследствие этого будет обладать свойствами дросселя.

После заполнения сегментов вновь устанавливаются пластины, замыкающие магнитопровод, и стяжные угольники. К угольникам, образующим верхний стяжной пояс, крепится коммутационная панель — пластина из текстолита толщиной 8-10 мм, в которой просверлены отверстия для установки клеммных болтов диаметром 6 мм для первичной обмотки и диаметром 8 мм для вторичной. Крепеж желательно использовать латунный. Выводы обмоток зачищаются, облуживаются и на них делаются петли, заводимые под головки клеммных болтов. Напряжение холостого хода при сварке в режиме переменного тока при данном числе витков основной вторичной обмотки недостаточно для надежного зажигания дуги, поэтому поверх первичной катушки накатывается дополнительная вторичная обмотка гибким изолированным проводом сечением не менее 18 мм², содержащая 15–20 витков. Эту катушку целесообразно намотать после сборки магнитопровода. Дополнительная обмотка последовательно соединяется с основной, получаемой путем параллельного соединения четырех обмоток (рис. 2).

Рис. 2

На коммутационной панели устанавливается предохранитель, рассчитанный на силу тока 15 А и последовательно подсоединяемый в сетевую цепь первичной обмотки. Для электрических испытаний трансформатора в режиме холостого хода желательно иметь аппарат переменного тока, включенный последовательно в сетевую цепь первичной обмотки, и вольтметр, подключенный параллельно в сетевую цепь первичной обмотки.

Перед проведением электрических испытаний необходимо проверить все цепи на предмет отсутствия случайного короткого замыкания и лишь после этого включать трансформатор в сеть. У исправного трансформатора ток холостого хода не должен превышать 1 А, а напряжение на выводах вторичной обмотки должно составлять порядка 55 В. Если предохранитель срабатывает или обмотки сильно нагреваются, то это свидетельствует о наличии короткозамкнутого витка в какой-то из катушек. Если все в порядке, трансформатор не греется и гудит не сильно, то можно приступать к изготовлению держателя электродов и соединительных проводов.

Ввиду малой жесткости тонких электродов электродержатель типа «вилка» здесь малопригоден. Лучшим вариантом будет изготовление держателя из латунного прутка диаметром 16 мм и длиной 160–180 мм. На одном конце прутка сверлятся отверстия: сквозное — диаметром 3,5 мм по радиусу, служащее для установки электрода, и осевое — глухое резьбовое отверстие М5 под болт зажима электрода. На другом конце прутка по оси сверлится отверстие под соединительный провод, сечение которого должно составлять не менее 20 мм². В это отверстие запаивается конец соединительного провода. На пруток натягивается кусок резинового шланга подходящего диаметра.

Соединительные провода должны быть с двойной изоляцией и иметь надежные кабельные наконечники, присоединенные к проводам пайкой или опрессовкой, для соединения с клеммами болтами сварочного трансформатора. Подсоединять провод к свариваемой детали лучше с помощью струбцины, которую можно сварить из трех угольников, нарезав в ней резьбу М8 для зажимного винта.

Защитный щиток или маска должны быть снабжены светофильтром по ГОСТу 12 4.080-79 типа Э1. С наружной стороны светофильтр должен быть защищен простым стеклом.

В экипировку сварщика входит плотная одежда, рукавицы из брезента, кожаная обувь. Еще нужен молоток, служащий для уплотнения шва и отбивания корки флюса непосредственно после сварки. При выполнении сварочных работ необходимо соблюдать все меры предосторожности, рекомендуемые при работе с электроприборами. Следует отметить, что хотя вторичная обмотка и рассчитана на относительную продолжительность работы 20 %, то есть время работы составляет 20 %, а продолжительность паузы 80 % от цикла нагрузки, опыт показал, что и при более интенсивной работе ощутимого нагрева трансформатора зафиксировано не было.

Для сварки переменным током пригодны только сварочные электроды, предназначенные для переменного тока (без меток). При их отсутствии электроды можно сделать, обмазав куски стальной малоуглеродистой проволоки меловой обмазкой, представляющей смесь толченого мела (зубного порошка) и жидкого стекла (силикатного канцелярского клея). Неплохие сварочные качества показали электроды, состоящие из сожженных бенгальских огней (правда, сварочный шов быстро окисляется).

Зона сварочного шва очищается от краски, ржавчины, масел, песка и прочих налетов, так как загрязнения препятствуют разжиганию дуги и ведут к образованию излишней накипи (шлака), мешающей визуальному контролю образующегося шва и ухудшающей его качество.

Если при разжигании дуги электрод прилипает к металлу, дуга горит неустойчиво, часто гаснет, а шлак не «отдувается», значит не хватает силы тока. Поскольку данный сварочник не имеет устройств для регулировки силы тока, то следует использовать электроды меньшего диаметра.

Достоинством этого аппарата является возможность его модернизации. Так для обеспечения возможности сварки электродами 03 мм можно ввести трансформатор в режим, близкий к режиму резонанса токов, подключением параллельно первичной обмотке батареи из конденсаторов постоянной емкости с суммарной емкостью порядка 150 мкф на напряжение не менее 400 В.

Данный трансформатор несложно превратить и в сварочный агрегат постоянного тока, если на выходе каждой из обмоток основной вторичной катушки установить выпрямительный мост, а однополярные выводы мостов запараллелить (рис. 3).

Рис. 3

В схеме выпрямителя целесообразно использовать выпрямительные мосты ВБГ-1, имеющие радиаторы и применяемые в автомобильных генераторах переменного тока, можно использовать и широко распространенные диоды типа Д-242 и т. п., рассчитанные на ток 10 А. Благодаря некоторому запасу по допустимому току у этих диодов и относительной дешевизне их можно использовать для этой цели в сочетании с достаточной надежностью выпрямителя. Диоды VD1-VD8 размещаются на общей радиаторной панели, а диоды VD9-VD16 устанавливаются на радиаторах, изолированных друг от друга. Для уменьшения вероятности пробоя диодов в режиме короткого замыкания можно установить балластные резисторы R1-R8, изготовленные из кусков нихромовой проволоки диаметром 1,5 мм и длиной 100–150 мм, включаемые в цепь катодов диодов VD9-VD16. В таком варианте сварочника дополнительная обмотка не используется. При сварке постоянным током можно применять любые электроды, в том числе типа УОНИ, имеющие на оголенном конце метку белого или желтого цвета и электроды из нержавеющей стали (они не притягиваются магнитом).

Трансформатор несложно приспособить и для точечной сварки. Для этого поверх первичной обмотки следует намотать обмотку 1–1,5 витка провода сечением 30 мм², концы которого снабжены наконечниками из меди, с контактными площадками на концах диаметром 3 мм. В цепь первичной обмотки ставится ножной выключатель. Замыкание цепи первичной обмотки производится после сжатия сварочных листов электродами, установленными друг против друга. После образования сварочной точки ток отключается, а затем убираются электроды.

При наличии мощных диодов типа ВК100 можно собрать выпрямительный мост, подключаемый к выводам дополнительной вторичной обмотки, и получить выпрямитель, предназначенный для облегчения пуска автомобильного двигателя зимой.

Универсальный электронный термометр

В.Н.Сарафанников

Необходимость контроля температуры возникает весьма часто, и это не только измерение температуры воздуха на улице, в теплице, в овощехранилище, но и температура воды или растворов, температура почвы на определенной глубине.

Условия измерения и требования к термоизмерительным приборам приведены в таблице 1. Очевидно, что только в отдельных случаях можно эффективно использовать обычные термометры (спиртовые, ртутные, биметаллические) или электронные, промышленного изготовления.

Поэтому чаще всего для этих целей используются специализированные устройства, различные схемы которых широко известны. Как правило, все подобные схемы относительно сложны. Реализация их требует наличия соответствующих специальных знаний и навыков, а также использования весьма дефицитной и дорогостоящей элементной базы. После долгих поисков и апробирования схем электронных термометров различной сложности я остановился на ниже описываемом.

Предлагаемый универсальный электронный термометр обеспечивает необходимую точность измерений во всех ситуациях, приведенных в таблице 1. Он прост в изготовлении и наладке. Его схема (рис. 1) не содержит дорогостоящих или дефицитных элементов (микросхемы или дисплейные светодиодные сборки). Она предельно проста, но отнюдь не примитивна.

Рис. 1. Схема электронного термометра

Высокие параметры устройства достигаются использованием мостовой схемы. В одно из плечей моста включен термочувствительный элемент. В диагонали моста находится измерительный прибор, миллиамперметр, измеряющий величину протекающего при разбалансе моста тока. Шкала прибора проградуирована в градусах Цельсия. В качестве термочувствительного элемента используется транзистор. Переменным резистором R3 осуществляется балансировка моста, то есть достигается нулевое значение тока в диагонали моста при данной температуре и номиналах остальных схемных элементов. Таким образом, устанавливается начальное значение измеряемой температуры на шкале прибора. Резистор R7 является шунтом измерительного прибора. Изменением его значения устанавливается максимальный ток через миллиамперметр, то есть максимальное значение измеряемой температуры.

Схема проста, однако специфика условий, в которых находит свое применение электронный термометр, заставляет разложить ее на отдельные функциональные модули. На схеме (рис. 1) модули выделены пунктиром. Разумеется, можно избежать модульности и сделать прибор универсальным, используя дополнительные коммутирующие элементы (тумблера, переключатели, штекеры, разъемы и т. п.), но это повлечет за собой значительное схемное и конструктивное усложнение прибора, снижение надежности и удобства его эксплуатации.

Начнем с самого простого модуля — термодатчика (рис. 1). Он состоит из одного элемента, транзистора. Транзистор германиевый, низкочастотный. Он нынче не в дефиците. У транзисторов такого типа ток коллектора возрастает почти в два раза при увеличении температуры на каждые + 10 °C. Причем это изменение идет практически по линейному закону. Конструкция термодатчика определяется областью использования электронного термометра. Поэтому целесообразно рассмотреть конструкции основных видов термодатчиков.

А. Термодатчик для измерения температуры воздуха (воды)

Для исключения неточных показаний, как следствия кратковременного воздействия на датчик сквозняков или тепловых неоднородностей водного раствора, датчик должен обладать относительно высокой тепловой инерцией. Для этого транзистор с подпаянными к его выводам разноцветными проводами помещают в стеклянную пробирку, наполненную машинным маслом. Провода желательно использовать разного цвета, например: красного цвета, идущего к выводу эмиттера, белого — к выводу базы, черного — к выводу коллектора. Пробирку с маслом плотно закрывают пробкой с пропущенными через нее соединительными проводами. Разумеется, можно использовать и любую другую подходящую для этих целей пластмассовую баночку.

Б. Термодатчик для измерения температуры почвы

Этот датчик должен обладать малой тепловой инерцией, но высокой механической прочностью. Он имеет следующую конструкцию. На одном конце латунной трубки диаметром 12–15 мм и длиной 50 см плотно укрепляют острый латунный наконечник. На другом конце устанавливают рукоятку из пластмассы. В трубку на всю ее глубину, то есть вплотную до латунного наконечника, опускают транзистор с подпаянными к его выводам проводами. Выводы транзистора должны быть изолированы от трубки. На трубку термодатчика наносят сантиметровые метки для отсчета глубины его погружения в почву. Открытый (верхний) конец трубки изолируют бумажной пробкой, пропитанной водостойким клеем.

В. Термодатчик для измерения температуры тела

Термодатчик для измерения температуры тела имеет самую простейшую конструкцию. Транзистор с подпаянными к его выводам проводами помещают в пакетик из толстой полиэтиленовой пленки.

В измерительный модуль входят измерительный прибор (миллиамперметр или микроамперметр) и соответствующий шунт (потенциометр R7). В большинстве случаев удобнее всего использовать в качестве измерительного прибора миллиамперметр постоянного тока с пределом измерения 1 мА.

Некоторые необходимые дополнительные пояснения по выбору миллиамперметра. Во-первых, можно использовать прибор и более высокой чувствительности, подобрав к нему шунт с необходимым значением сопротивления. Расчет шунта производится по следующим формулам. Сначала определяется коэффициент шунтирования (К_ш):

К_ш = I_пред./I_{ч. прибор},

где: I_пред. — предельное значение тока через миллиамперметр (максимальная измеряемая температура); I_{ч. прибор} — ток, протекающий через рамку миллиамперметра.

Затем высчитывается значение сопротивления шунта (К_ш):

К_ш = R_рамки ∙1/К_ш — 1,

где: R_рамки — величина сопротивления рамки миллиамперметра, при К_ш > 40∙R_рамки К_ш = К_ш.

Если нет желания заниматься расчетом шунтов, то можно просто подключить параллельно миллиамперметру переменное сопротивление. Затем, используя эталонный миллиамперметр, выставить требуемое значение измеряемого тока (сопротивления шунта). Очень хорошо подходят для этой цели резисторы типов СП5-2 или СП5-1ВА, у которых прецизионная система управления ползунком обеспечивает требуемую точность и стабильность установки величины сопротивления. Номинальная величина сопротивления берется в пределах от 470 Ом до 5,1 кОм.

Во-вторых, немаловажным обстоятельством являются размеры миллиамперметра. Ведь очевидно, что в случае Δ = 5 (таблица 1) на 1° измеряемой температуры будет приходиться участок шкалы миллиамперметра в 12 раз больший, чем при Δ = 60, то есть точность отсчета в первом случае будет более чем на порядок выше. При больших значениях Δ предпочтительно использование миллиамперметров с большой длиной шкалы (например, типа М24, имеющих длину шкалы 80 мм). Правда, при этом и другие характеристики этого прибора довольно внушительные: габариты 127х100х57,5 мм и вес 0,45 кг. Зато при относительно малых значениях Δ (например, в случаях контроля температуры в овощехранилище) удобно использовать миллиамперметр типа М4206. Конструкция электронного термометра на его базе с питанием от электросети умещается в обычной мыльнице.

В-третьих, необходимо учесть, что для измерения температуры тела необходимо использовать микроамперметр с чувствительностью не менее 100 А.

Модуль источника питания представляет собой источник постоянного тока напряжением 5 В. Электронный термометр предлагаемой конструкции обладает очень низким потреблением тока (порядка 2 мА). То есть он соизмерим с током саморазряда гальванических элементов. Поэтому при использовании в качестве источника питания гальванических элементов можно даже не вводить в схему выключатель питания. Так, обычная плоская батарея типа КБС-Л (ЗК12С) обеспечивает работоспособность электронного термометра в течение года. Но чтобы избежать увеличения погрешности показаний термометра при изменении параметров источника питания, в качестве источника постоянного тока лучше использовать батарею типа «Крона». Такие батареи имеют выходное напряжение порядка 9В, и их подключают к термометру через стабилизирующую цепочку, состоящую из диода — стабилитрона и балластного сопротивления (рис. 2, правая часть схемы). При желании (и при соблюдении требований техники безопасности) можно «запитывать» электронный термометр и от бытовой электросети, через соответствующую схему (рис. 2).

Рис. 2. Схема сетевого блока питания (правая часть схемы — переходная цепочка для подключения батарейки типа «Крона»)

Конденсатор С1 должен быть неполярный и иметь рабочее напряжение не ниже 400 В. Для малогабаритных конструкций хорошо подходят конденсаторы типа МБГО. Допустимо в таких случаях использовать в качестве диодов Д1-Д4 диоды типа Д9Е, но этот режим работы для них близок к предельному.

Остальные элементы схемы электронного термометра относятся к базовому модулю. Резистор (потенциометр) R3 любого типа, но предпочтительно все же типа ВС5-2 или СП5-1ВА. Номинал его сопротивления от 1 до 5 кОм. Остальные резисторы могут быть любого типа (ВС, MJIT, УЛМ и т. д.). При желании можно смонтировать все элементы базового модуля на печатной плате (рис. 3). Монтаж базового модуля, особенно при использовании печатного монтажа, не вызовет затруднений даже у начинающего умельца.

Рис. 3. Печатная плата

Настраивать электронный термометр следует в его рабочей комплектации, зависящей от целевого назначения. То есть это должен быть определенный набор, состоящий из измерительного модуля, базового модуля, модуля термодатчика, модуля питания и соединительных шнуров (проводов) необходимой рабочей длины. Для примера приведем порядок градуировки термометра, предназначенного для использования в овощехранилище или «домашнем погребке», обычно устанавливаемого на балконе или лоджии.

Градуировка прибора производится следующим порядком: опускают термодатчик в сосуд с водой и кусочками льда.

Туда же помещают контрольный ртутный или спиртовой термометр.

При установлении температуры смеси, равной 0°, вращая шлиц резистора R3, устанавливают стрелку миллиамперметра в начало шкалы. Это будет соответствовать температуре электронного термометра, равной 0 °C. Затем доводят температуру воды в сосуде до +5 °C.

Вращая шлиц потенциометра R7, устанавливают стрелку миллиамперметра на показание 1 мА (то есть в конец шкалы). Это будет соответствовать показанию электронного термометра +5 °C. Шкалу миллиамперметра между этими отметками разбивают на равные промежутки. Электронный (аналоговый) термометр готов к работе.

Для градуировки уличного термометра необходимо использовать так называемый сухой лед (твердую углекислоту).

Следует указать, что на базе этой схемы легко можно изготовить прибор для измерения относительной влажности (психрометр). Просто электронный термометр дополняется еще одним термодатчиком и переключателем, с помощью которого датчики «сухой» или «влажный» поочередно подключаются к входу базового модуля.

Кроме этого, схема может быть использована в качестве датчика, управляющего каким-либо исполнительным устройством, например, включающим систему подогрева в теплице (или погребе) или же систему вентиляции. В простейшем варианте в диагональ моста в этом случае нужно включить поляризованное реле типа РП-4 достаточно высокой чувствительности.

В случаях больших значений коммутируемых токов это реле используется как промежуточное, управляющее более мощным (например, типа МКУ-48 С).

Предлагаемое техническое решение при всей своей очевидной простоте и минимуме используемых (и к тому же недефицитных) деталей способно решить основные проблемы, возникающие — при решении задач контроля и (или) регулирования температуры.