Аппарат точечной сварки с питанием от ионисторов

В последнее время довольно часто появляются обзоры, где авторы либо делают аппараты контактной сварки, либо используют их в своих работах при сборке аккумуляторных батарей. Вот и я обзавелся подобным устройством, хотя и заметно отличающимся от тех, которые я встречал ранее.



Сразу хочу сказать спасибо моему постоянному читателю, который в данном случае выступил спонсором данного обзора, заказав для меня все необходимое для того чтобы собрать небольшой сварочный аппарат, ну а от меня, как это обычно водится, обзор.
Рассказ буду вести в хронологическом порядке, так как все оказалось не так просто, как предполагалось изначально.

Чаще всего аппараты для точечной сварки делают на базе трансформаторов от микроволновки, это дешево и относительно просто, а с контроллером от автора Yurok еще и относительно просто, я сам помогал делать товарищу пару таких аппаратов.
Но есть при сборке таких аппаратов пара сложностей, необходимость перемотки трансформатора и большой вес конструкции, потому я не спешил собирать его себе, кроме того пользоваться мне пришлось бы не очень часто, соответственно и хранить его где-то надо было бы. Есть конечно варианты на базе мощного инвертора, т.е. блока питания с малым напряжением и большим током, но но они сложны в сборке.

И вот некоторое время мне стали попадаться на глаза компактные сварочники на базе высокотоковых аккумуляторов, а еще через какое-то время вместо аккумуляторов стали применять мощные ионисторы и здесь мне стало совсем любопытно.

В общем был заказан относительно недорогой и простой комплект для сборки подобного устройства. Покупался он на Таобао и стоил около 20 долларов (11 плата и 2х4.5 за пару ионисторов) без учета доставки.


На самом деле это конечно не сварочный аппарат, а лишь необходимые компоненты для его сборки, плата, гаечки, винтики, провода, пищалка, сварочные контакты, пара термоусадочных трубок для них и кусочек никелевой ленты.


В комплекте идет четыре провода длиной по 27см, при этом одна пара уже оконцована с обоих сторон, а вторую предлагается оконцевать самому, для чего дали клеммы.
Провода сечением 10AWG (5.26мм.кв) в силиконовой изоляции, многопроволочные, потому очень мягкие. Количество проволок считать не буду, но их реально очень много.
А вот контакты для сварки совсем не понравились, по сути просто медная трубка в которую с одной стороны запрессован провод, а с другой контакт. При этом один контакт влез полностью в трубку, соответственно в таком виде пользоваться им невозможно.


Ну и конечно контроллер в виде небольшой платки с жменькой компонентов.


На плате видно чип контроллера, стабилизатора питания, кнопки выбора режима и конечно ключевых транзисторов, которых здесь четыре штуки.

За выбор режима отвечает одна кнопка, за индикацию светодиод и пищалка. Однократное нажатие переключает четыре режима — 1-2-3 импульса и выключено.
Зарядное устройство на плате отсутствует, также как и балансир, на странице товара так и написано, что это уже проблема пользователя.


А транзисторы на плате стоят весьма интересные, судя по даташиту они имеют сопротивление в открытом состоянии 0.77мОм (типовое 0.53мОм при 100А) и максимальный длительный ток в 300А, т.е. четыре штуки будут иметь сопротивление около 0.2мОм и ток до 1200А.


Но не менее интересны ионисторы, которых для данного аппарата надо минимум две штуки, либо другое количество кратное двум.


Габарит внушает уважение, размер каждого составляет 155х55х55мм без учета клемм, емкость 3000 Фарады, напряжение 2.8 вольта, вес пары 1.36кг вместе с перемычкой, т.е. каждый весит около 650 грамм.
Судя по описанию и по внешнему виду ионисторы БУ, сняты с какого-то электротранспорта, но внешне выглядят на 5 баллов.


Перемычка также приличных размеров, прикручена болтами и местами залита герметиком.


1, 2. При получении был небольшой разбаланс по напряжению. Кстати настоятельно рекомендую применять платы балансиров так как даже если их зарядить одинаково, то через время все равно напряжение будет разным.
3, 4. ESR на частоте 1кГц составляет 0.22мОм для одного или около 0.47мОм для пары.


Естественно я не удержался чтобы не протестировать их, а точнее, попытаться измерить эквивалентную емкость, для чего подключил к тестеру батарей EBC-A40L с максимальными током заряда/разряда в 40А.
Подключаться крокодилами очень неудобно, пришлось один измерительных проводов цеплять прямо на силовой.


При разряде с 2.7 вольта до 0.8 (ограничение нагрузки) ионисторы отдали примерно одинаковую емкость, 1355 и 1365мАч или 2294 и 2304 мВтч.


При разряде с 2.8 вольта емкость была немного выше. Заметно что нагрузка свои 40А обеспечивает только до напряжения в 1.4 вольта, а дальше ток падает.


Зарядная кривая также линейная с резким спадом в конце заряда, ниже график для 2.7 вольта.


А вот если заряжать до 2.8 вольта, то картина становится совсем другой, ток в конце заряда не всегда снижался ниже установленных 100мА и заряд не прекращался, потому я рекомендую при заряде ограничивать напряжение на уровне 2.7 вольта, большой разницы в емкости вы не получите, а вот служить ионисторы будут дольше и надежнее.


Чтобы что-то делать дальше, требовалось сначала отремонтировать контактную группу. Я взял тонкий пинцет, бокорезы и аккуратно вытащил вдавленных контакт. Сначала шло очень туго, но потом он вылез очень легко, второй контакт вылез еще легче.
Здесь я понял, что надежно усадить на место его будет сложно, да и вообще пользоваться такими держателями очень неудобно, так как для них надо иметь две руки, а еще как-то надо держать сам аккумулятор.


Пообщавшись с человеком, который прислал набор, пришли к решению заказать нормальную держалку, подпружиненную, более прочную и удобную.
Выбор был очень большой, но свелось все к трем вариантам:
Первая за 12.5 доллара — ссылка
Вторая за 7.6 доллара без коробки и проводов — ссылка
Третья за 12.76 — ссылка



В итоге остановились на третьем варианте, как более удобном, при этом заказали простой набор, есть вариант с проводами, стоит он 18.15, но провода уже были, хотя и более тонкие.


В комплект положили запасной переключатель, гнездо для разъема и моток никелевой ленты.


Ручка ощутимо тяжелая, 272 грамма, моток ленты я взвесил скорее на всякий случай, весит он 20.6 грамма.


Ручка оказалась действительно удобной, причем на выбор есть несколько цветов. На фото плохо видно, но пластмассовая часть напечатана на 3D принтере, хотя на мой взгляд основную ценность представляет контактная группа.


Для подключения проводов предусмотрели пару болтов М8, с обратной стороны соответственно сварочные контакты.
Внутри цельные медные шины, 15х3мм, также наружу выведен провод с разъемом, при прижатии контактов срабатывает конечный выключатель, разъем при этом подключается к сварочному аппарату для активации после нажатия. В данном случае выключатель можно убрать, так как плата не поддерживает такую функцию, а жаль.


1, 2. Около сварочных контактов видны две пружины и конечный выключатель. Ход до срабатывания выключателя 3мм, полный около 5мм.
3. Держатель контактов не так прост как кажется, имеется прорезь с прижимным винтом, потому можно заменять контакты по мере их износа.
4. А вот контакты хоть и обточены, но торцы сделаны как попало, я в итоге потом их немного обточил, придав форму трапеции. Сильно обтачивать и пытаться сделать иглу не надо, достаточно просто сделать их более ровными.


На странице товара предлагается вариант комплектации с проводами, но такой вариант заметно дороже и тяжелее, следовательно доставка также выйдет дороже.


Попутно в другом магазине заказал клеммы, так как после замены ручки родных не хватило бы по количеству, стоят по 3 цента за штучку.


Диаметр отверстия под винт 6.5мм, для провода — 3мм и здесь я просчитался, оказалось что для моих проводов этого отверстия мало, хотя сами по себе клеммы понравились, паяются отлично просто с флюсом из припоя.


Обижмать такое провода мне нечем, потому я взял мощный паяльник и припаял их, обжав клеммы после этого плоскогубцами. Попутно выяснил что изоляция проводов качественная, она не то что не плавилась от паяльника, а и даже не пыталась слезть, в общем проводам 5 баллов.
Дальше подключаем провода сначала к плате, затем к ручке, как показано на фото, входные провода — красный (плюс) и черный (минус).
Оказалось что винты для крепления к клеммам ионисторов очень длинные, другие искать было лень, но под руку попались соответствующие гайки, которые я в итоге и накрутил чтобы укоротить резьбовую часть.


При подключении проводов необходимо соблюдать некоторые правила.
1. Нежелательно вести провод так, чтобы он шел над элементами контроллера, электромагнитные наводки при таких токах очень существенные и могут сбить работу контроллера.
2. Кроме того, нельзя использовать клеммы расположенные друг напротив друга, при таком подключении основная нагрузка будет приходится на тот транзистор, который ближе к подключенным клеммам и он может выйти из строя.
3, 4. Для того чтобы ток был распределен равномерно между транзисторами, надо либо выводить провода попарно сводя в один, либо по диагонали, например к левому верхнему и правому нижнему или наоборот.

Если коротко, то вверху как не надо делать, внизу как должно быть правильно.


Перед тем как подключить всё, я запаял пищалку, причем создалось ощущение, что производитель немного ошибся с расстоянием между контактами и она не села полностью.
Подключаем, соблюдая меры предосторожности, а лучше вообще это делать при разряженных ионисторах так как КЗ в таком варианте просто испарит дорожки с платы, не говоря о КЗ при подключении к самим ионисторам.

После подачи питания должен засветиться светодиод, нажатием на кнопку выбираем количество импульсов от 1 до 3, четвертое нажатие переводит плату в спящий режим, также плата «засыпает» сама через несколько минут независимо от того, пользуетесь вы сваркой или нет.


Сначала решил потренироваться «на кошках», а точнее, на проводе сечением 0.22мм.кв и выяснил, что плата умеет контролировать замыкание. Т.е. импульсы подаются не случайным образом, а подаются примерно через 0.7 сек после замыкания контактов, что оказалось довольно удобным. Работы выглядит так: прижали клеммы к ленте, через небольшое время пошел ток, чтобы получить повторный импульс надо разомкнуть и заново прижать контакты.

Ну что сказать, провод 0.22мм сварка пережигает даже почти не замечая.


С аппаратом можно сказать разобрались, можно перейти к практическим экспериментам, но сначала думаю имеет смысл разобраться что за ленту прислали.
А получил я четыре мотка ленты, небольшой слева шел в комплекте с первым набором, правый дали в комплект к мощной ручке, посередине два тестовых образца куплены в другом магазине.


1. Тот что дали с первым набором, ширина 6мм, толщина 0.1мм
2. Этот дали в довесок к ручке, ширина 7мм, толщина 0.12мм


А эти куплены здесь, по ссылке предлагается много вариантов шириной от 6 до 50мм и толщиной 0.1-0.5мм.
1. Лента 7мм, толщина 0.125мм
2. Лента 8мм, толщина 0.15мм, соответствует заявленному.


1. Тот что дали с первым набором имеет длину 63см, явно экономили.
2. Вместе с ручкой дали приличный моток ленты с длиной 3м, да и лента с оптимальным сечением, зачет.
3, 4. Тестовые куски купленные отдельно имеют длину ровно один метр.


Проверку материала из которого изготовлены ленты буду проводить путем измерения их сопротивления, перед тестов проверил точность измерения миллиомметра.



Подобный способ измерения я описывал в этом обзоре, чистый никель должен иметь сопротивление 87мОм при сечении 1мм и длине 1м, второй распространенный материал, из которого делают ленты, сталь, у неё сопротивление заметно выше.


1. Первая лента, 122мОм на длине 60см при сечении 0.6мм.кв, для сечения 1мм.кв и длины 1м сопротивление будет все те же 122мОм. Это не никель, а сталь с покрытием.
2. Вторая лента, 135.9мОм при длине 99см и сечении 0.84мм, для 1мм.кв и 1м сопротивление будет 115мОм, явно сталь
3. Первая лента из магазина, 92.2мОм при длине 99см и сечении 0.875мм, для 1мм.кв и 1м сопротивление будет 81,5мОм, это больше похоже на никель, хотя сопротивление ниже чем у чистого никеля.
4. Вторая лента из магазина, 70мОм при длине 99см и сечении 1,2мм, для 1мм.кв и 1м длины будет соответственно 84мОм, здесь все соответствует чистому никелю.

Первые две ленты явно стальные, купленные в магазине скорее всего чистый никель, хотя сопротивление показало чуть меньше, возможно имеется ошибка измерения, но в любом случае они явно ближе к 87мОм заявленных для никеля, да и гнутся по другому, сталь более пружинящая.


Первый тест проводился с той лентой, которая шла в комплекте к ручке, 7х0.12мм.


Я пробовал приварить одну ленту к другой с разным количеством импульсов.
1-4, При 1 и 2 импульса лента вообще можно сказать что и не приваривалась, кусочки спокойно разделялись руками без заметного сопротивления.
5, 6. При трех импульсах стало немного походить на сварку, хотя все равно держало ну очень слабо.


Перед тестами я забыл замерить напряжение на ионисторах, вспомнил уже на этом этапе, за 12 часов до экспериментов они были заряжены примерно до 2.5 вольта на ячейку, после предварительных тестов было 4.86 общее.


Так как меня результаты экспериментов совсем не устроили, то решил немного поднять ток путем переключения провода от держателя напрямую к клемме ионистора, а не через клемму на плате. Т.е. фактически я уменьшил общую длину проводов на 1/4.
При таком варианте подключения плюсовой провод идущий к плате можно ставить небольшого сечения.



Дальше все эксперименты были при трех импульсах и могу сказать что после переключения клеммы аппарат начал варить, я без проблем соединил две ленты.


Чтобы разорвать их пришлось приложить приличное усилие и на фото видно, что в одном месте ленту даже прожгло насквозь.


А вот теперь практические тесты с аккумуляторами. Для теста использовались ячейки Sanyo NCR18650GA оставшиеся после других экспериментов, потому их уже не жалко и испортить.


Сначала экспериментировал со стальной лентой и могу сказать что варит отлично, оторвать у меня получалось только при помощи плоскогубцев и после приличного усилия, при этом местами рвалась лента в месте сварки.



В обоих экспериментах результат был идентичен, оторвать реально очень тяжело.



После этого попробовал никелевую ленту 0.15мм и здесь увы, аппарат её почти не проваривает, в одном месте прихватило нормально, но чаще получалась «холодная» сварка.



С последним никелевым кусочком толщиной 0.12мм ситуация была получше, хотя и не сильно, оторвал руками, но с некоторым усилием.
В данном случае могло сказаться то, что контакты аккумуляторов немного пострадали от предыдущих экспериментов.



После показанных выше экспериментов напряжение на ионисторах снизилось с 4.86 до 4.45 вольта.


Так как ионисторы уже прилично разрядились, то решил попробовать еще раз, но зарядив их опять до 5 вольт.
По ощущениям, разницы между 4.45 и 5 вольт я не заметил, либо она очень небольшая. На краю ленты варит, но немного дальше от края и уже не держит.


Так как ток зависит от длины проводов, то я решил еще уменьшить их длину, подключив плату так чтобы минус был соединен с непосредственно клеммой ионистора.

Вообще простой расчет показывает, что при сопротивлении провода сечением 10AWG 3.28мОм на метр каждые 27см уменьшают сопротивление цепи на 0.9мОм без учета падения на клеммах. Т.е. изначально было (очень грубо):
0.47мОм ESR двух ионисторов
0.22мОм транзисторы
3.5мОм провода
Думаю что около 1-2мОм всякие клеммы и соединения

Итого общее сопротивление не менее (а скорее даже более) 5-6мОм, при напряжении 4.5 вольта ТКЗ должен составить около 800А, реально много дает падение на контактах, плате, непосредственно контакте где происходит сварка. Но в любом случае уменьшение паразитного сопротивления в виде кабеля должно увеличить сварочный ток.


И действительно, варить стало немного получше, по крайней мере ленту к ленте, но к аккумулятору варить стало не сильно крепче.


Уже совсем расстроившись я вспомнил что у меня остались кусочки ленты от обзора и там была никелевая лента толщиной 0.1мм, попутно когда заезжал к товарищу, взял старых аккумуляторов, оставшихся от замены в батареях.


Но мне этого показалось мало и я решил «гулять, так гулять» и зарядил ионисторы почти до полного напряжения.


При попытке сварить одну ленты с другой выяснилось что аппарат её легко прожигает насквозь, с аккумулятором также вышло уже куда лучше, правда вылезла другая проблема, когда лента прожигается, то иногда она налипает на сварочные контакты, потому их надо чистить.


Далее попробовал опять ленту 0.12мм, с которой экспериментировал ранее.
При сварке ленты к ленте также получилось прожечь её насквозь, с аккумуляторов ситуация как в предыдущем эксперименте, ближе к краям может даже прожечь ленту, но есть места, которые не провариваются нормально, хотя прогресс явно есть.


Теперь о разных дополнениях, нюансах и прочем.
Для начала балансиры, продаются в виде отдельных плат, но напряжение только до 2.5 вольта. Как по мне, то ионисторы из-за повышенного тока утечки при напряжении выше 2.7 вольта и сами относительно неплохо балансируются, кроме того так вы получите только 5 вольт вместо 5.4, что может быть существенным.


Контроллеры.
В обзоре самый простой вариант контроллера, опций минимум, зато силовые транзисторы встроенные, но есть куда более продвинутые варианты.


Они уже содержат зарядное и схему балансировки, правда силовую плату надо покупать отдельно.


Силовые платы также бывают разные, под разное количество транзисторов и под разные их типы, обычно их можно купить там же, где и контроллеры.


У тех же продавцов есть и ионисторы, обычно с разборки, причем иногда у одного и того же продавца они могут отличаться по цене, например за 5 долларов и за 6.5.

Там же предлагаются медные шины для соединения ионисторов по схеме 2S2P, это поможет как продлить время автономной работы, так и отдаваемый ток.


Вот теперь самое главное, выводы и разные мысли.
1. Аппарат варит, хотя называть эту плату таким громким словом сложно, так как это всего лишь плата и ионисторы
2. Родные сварочные контакты гадость, лучше сразу искать плату без них и покупать нормальный
3. Со стальными лентами справляется влёт, приваривает так что зубами не отдерешь.
5. С никелевыми лентами проблема, варит только тонкие 0.1-0.12мм и только при удалении лишних проводов и почти полном заряде ионисторов.
5. Ионисторы реально класс, куда как лучше аккумуляторов.
6. Автоматика подачи тока работает странно, судя по всему там простая RC цепочка так как задержка может быть 0.5 секунды, а может быть и 1 секунду, зависит от времени паузы между прикосновениями контактов.
7. Думаю что при желании можно доработать схему так, чтобы задержка была не от замыкания контактов, а от замыкания конечного выключателя.
8. Чтобы реально можно было варить все подряд, надо брать более мощную плату, менять провода к сварочным контактам и возможно ставить четыре ионистора, а не два.
9. В принципе хватает и возможностей платы, три режима, переход в спящий режим, но я бы сейчас наверное уже смотрел в сторону полноценного контроллера.

Теперь коротко.
Сам метод сварки имеет право на жизнь, но требует некоторой доработки. Из преимуществ: при желании можно варить хоть в «чистом поле», правда не очень долго. Заряжать можно как от блока питания, так и от повербанка, но чтобы нормально работать, я бы порекомендовал подключить на постоянную работу блок питания (а точнее зарядное с режимом СС) 5-5.5 вольта и на ток 1-2А, этого более чем достаточно.

Я же пока буду еще экспериментировать, но чувствую что обозреваемая плата уже работает близко к максимуму, по крайней мере менять провода не рискую, так как они частично ограничивают ток КЗ и увеличив их можно легко спалить транзисторы если коротнуть непосредственно сами клеммы.