一種儲能式熱電偶點焊機的研制

車裕中，潘錦萍，曾少芳

（順德出入境檢驗檢疫局，廣東佛山 528300）

0 引言

熱電偶是一種主要測溫元件，是由不同的兩種金屬組成。其測量端通常是采用焊接形成的，焊接質量的好壞直接影響熱電偶測量溫度的可靠性[1]。熱電偶在使用過程中，頻繁的接線、拉動很容易對熱電偶造成損傷，而且長期處于高溫下，也容易導致熱電偶絲劣化。因此，在熱電偶斷裂或新制熱電偶時，就需要對熱電偶進行重新結球或焊接。而許多單位在進行熱電偶焊接時，焊接現場往往沒有市電電源，或者不便接入電源，一般的熱電偶點焊機不能使用。同時，一般的點焊機的焊接能量不可調，在焊接多種規格的熱電偶時往往力不從心。

為此設計儲能式熱電偶點焊機，通過內置自動充電電池，可在沒有市電的場所使用，并且一次充滿電能夠完成200次焊接。通過控制旋鈕，可調節每次焊接能量，調整范圍為5～81W·S，能夠焊接成對24#（?0.511 mm）～14#（?2.032 mm）的金屬絲。同時自動放電電路，實現安全自動的放電控制功能。

1 儲能式熱電偶點焊機的基本原理

傳統的電容儲能熱電偶點焊機是利用儲存在電容器里面的電荷直接向待焊工件放電進行的。其基本原理如圖1所示。該機主要由電源、整流裝置、儲能電容C、開關S組成。

通過內置自動充電電池，可實現脫離市電網絡使用。因電容儲能的能量與其電壓的平方成正比，通過調節儲能電容C上的電壓，故能調節焊接的能量。

2 儲能式熱電偶點焊機的電路及其原理

本項目中，使用容量為3 500 mAh，額定輸出電壓為13.2 V的鎳氫充電電池作為焊機的內部電源。通過電壓調控旋鈕，可使電容充電電壓在15～90 V，依據電容能量公式：

圖1 熱電偶點焊機基本原理圖

其中：C——電容器容量，F；

U——電容器充電電壓，V。

可得，電容器儲存能量最大為81 J。考慮電路損耗等因素，該機內置鎳氫電池充滿電后可完成大約200次焊接。

儲能式熱電偶點焊機的電路拓撲圖及電路圖分別如圖2和圖3所示，主要由鎳氫電池恒流充電電路、Boost升壓控制電路和可控硅觸發控制電路3部分組成。

圖2 儲能式熱電偶點焊機電路拓撲圖

2.1 鎳氫電池恒流充電電路

本項目選用鎳氫充電電池正常工作電壓是13.2 V。充電時，當撥動開關撥向“充市電”時，恒流充電電路與其他電路斷開，對鎳氫電池組充電。變壓器T和二極管（D1、D2、D3）組成直流轉換器，將220 V市電轉換成直流，輸入正電穩壓器LM317T。LM317T的調整點和輸出點間接一個3Ω的電阻R1，使其穩定輸出400 mA的電流，通過二極管D4對鎳氫電池充電。電流值可由下式決定：

其中，1.25為LM317輸出端接腳間的電位差。電池充滿后，二極管D4可防止電池組反向放電。LM317T是一種常用的可調電壓穩壓器，具有簡單易用，適用范圍廣的特點，被廣泛應用于包括局部穩壓、卡上穩壓、精密恒流器等應用場合。

2.2 Boost升壓電路

Boost升壓電路是一種常用的開關直流升壓電路，它可以使輸出電壓比輸入電壓高。主要由電感、開關管、整流二極管及電容組成。

在Boost功率拓撲中，開關管承受的電流較大，必須要考慮開關管的耐熱和耐壓。所以本項目中開關管采用具有較高反壓的大功率三極管TIP41C，其極限工作電壓為100 V，最大允許電流為6 A，最大耗散功率可達65 W。電感采用感抗為80μH的功率電感。

Boost升壓電路驅動控制器采用SG3525。SG3525是一種單片集成通用PWM控制芯片，其死區時間可調整，而且具有可編程式軟啟動、脈沖控制封鎖保護等功能。通過調節SG3525第5腳上CT的電容和第6腳RT上的電阻就可以改變輸出控制信號PWM的頻率，調節第9腳COMP的電壓可以改變輸出脈寬，這些功能可以改善Boost升壓電路的動態性能和簡化控制電路的設計[3]。

本項目中，SG3525的開關頻率為2.04 kHz。如電路圖1～3所示，由SG3525的輸出OUTB直接驅動開關管Q1。OUTA驅動LED燈CN4，作為充電狀態指示燈。二極管D5主要起隔離作用，使電感的儲能過程不影響輸出端電容對負載的正常供電。在Boost電路輸出端，接入電壓反饋回路，將Boost輸出電壓反饋輸入到SG3525的關斷端（10腳），當Boost電路輸出端電壓達到設定值時，通過電壓反饋回路輸入高于0.7 V的電壓信號至SG3525關斷端（10腳），使SG3525輸出關斷，Boost升壓電路停止工作，電壓不再上升。當Boost電路輸出端電壓小于設定值時，通過電壓反饋回路輸入到SG3525關斷端（10腳）的電壓信號小于0.7 V，SG3525輸出使能，Boost升壓電路將電壓恢復至設定值。

圖3 儲能式熱電偶點焊接電路原理圖

2.3 可控硅觸發控制電路

本項目采用可控硅直流開關構成的關斷電路，當可控硅導通時，儲能電容向工件放電，當可控硅截止時，電容停止放電。可控硅又叫晶閘管，是一種非常重要的功率器件，具有反應快、效率高的特點，被廣泛應用于高電壓和高電流的控制。

可控硅觸發控制電路由開關三極管Q3及電壓比較器B3組成，開關三極管選用NPN型三極管BU406，通過二極管D9連接到可控硅Q2的控制極。電壓比較器選用LM339。LM339是一種常用的集成電路，其內部集成有四個獨立的電壓比較器。

當未進行焊接時，可控硅陰極懸空，電壓比較器LM339反相輸入端（4）高于門限電壓，致使電壓比較器LM339輸出為低電平，開關三極管Q3未導通，可控硅截止，放電電容不能放電。當焊接時，可控硅陰極通過熱電偶絲連接到地，LM339反相輸入端（4）電壓被拉低，低于門限電壓。此時放電指示燈CN6發光，LM339輸出端翻轉，為高電平。此時，SG3525輸出關斷，開關三極管Q3導通，觸發可控硅導通，放電電容瞬時放電，瞬時大電流通過電偶絲，完成焊接。

3 結論

設計了基于鎳氫可充電電池儲能的熱電偶點焊機，并通過可調節電壓的Boost升壓電路實現點焊機焊接能量可調節功能。經過一段時間的使用證明，儲能式熱電偶點焊機較之普通點焊機在使用范圍、控制、焊接質量等諸多方面的性能有明顯的提升。

［1］孫玉芬，張弓.熱電偶巧焊接［J］.企業標準化，2004（3）：54-55.

［2］林貽強，芮冬梅.熱電偶測量端的焊接方法［J］.儀器儀表標準化與計量，2001（6）：38-39.

［3］王曉鋒，王京梅，孫俊，等.基于SG3525的開關電源設計［J］.電子科技，2011（6）：118-121.