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1. Einleitung

Das Schalten von induktiven Lasten ist grundsätzlich nie ganz unproblematisch. Dies erklärt sich dadurch, dass der Strom durch die Induktivität nicht 'springen' kann, was besonders bei Ein- und Ausschaltvorgängen auffällt.

Im Falle des Abschaltens fällt der Strom durch einen induktiven Verbraucher nur mit einem begrenzten di/dt (Zeitkonstante) ab. Durch das 'Aufreissen' des Schalters kann der Strom jedoch nur weiterfließen, wenn der nun entstandene hohe Widerstand des offenen Schalters überwunden wird. Das führt dazu, dass die Klemmenspannung massiv ansteigt und so zu einem Abrissfunken führt oder über eine Freilaufdiode abgeleitet werden muss.

Damit liegt die Lösung im Prinzip auch schon auf der Hand. Man schaltet den Trafo dann ein, wenn kein Stromfluss durch die Spule zu erwarten ist. Sogenannte 'Nullspannungsschalter' kommen nicht in Frage, da an Spulen der Strom phasenverschoben ist (bis 45 Grad nacheilend). Wer jetzt erwartet, dass man dann einfach im Spannungsmaximum der Netzspannung einschaltet, hat leider die Rechnung ohne die Restremanenz des Eisenkerns gemacht.

Durch die Restremanenz (Restfluss im Eisenkern) kann es passieren, dass der Eisenkern in Sättigung geht, was zu einer sehr starken Stromspitze führt, die leider mein Sicherungsautomat verkraftet und regelmäßig auslöst. Der Restfluss im Kern ist wiederum vom letzten Ausschaltzeitpunkt abhängig, hier insbesondere die Phasenlage. Wurde der Trafo zuvor nahe des maximalen Flusses abgeschaltet und erneut mit gleicher Phasenlage eingeschaltet, so geht der Kern unweigerlich in Sättigung und es entsteht eine massive Stromspitze im Netz.

Aus diesen Gründen wird der Schweißtrafo stets in der Mitte der positiven Halbwelle der Netzspannung (Spannungsmaximum oder 90 Grad) eingeschaltet und bei der Mitte der negativen Halbwelle (270 Grad) ausgeschaltet.

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2. Planung

Auswahl eines TRIAC

Die Auswahl eines geeigneten TRIAC traf ich bevor ich mich mit der Phasenlage auseinandergesetzt habe. Die Idee war: viel hilft viel, also ein leistungsstarker TRIAC sollte ohne weitere Ansteuerung den Trafo zuschalten und hoffentlich 'halten'. Somit fiel die Wahl auf einen BTA26-600, der 25A dauerhaft und 250A kurzzeitig schalten kann und bis 600VAC spannungsfest ist. Beim Testen hat er das auch tatsächlich geschafft, aber da war ja noch die Sache mit dem Sicherungsautomaten.

Snubber

Ein 'Snubber' ist ein RC-Glied parallel zum TRIAC, der die Aufgabe hat, die Oberwellen (Harmonischen) die bei transienten Schaltvorgängen entstehen, zu dämpfen und so die Rückwirkungen aufs Netz zu reduzieren.

Varistor

Der Varistor wird benötigt, um Spannungsspitzen zu verhindern, damit es zu keinen Überkopfzündungen des TRIAC kommt (Zerstörung des Bauteils).

Erkennung Spannungsmaximum / Nulldurchgang

Zur Bestimmung des Einschaltzeitpunkts benutze ich den ohnehin im Schweißgerät verbauten 24V Trafo, der bisher über ein Relais den Trafo, den Drahtvorschub und das Gasventil schaltet. Damit habe ich eine Kleinspannung (1-Puls gleichgerichtet, da uns nur eine Halbwelle interessiert), die mit dem Comparator eines PIC12F629 ausgewertet wird. Durch das Überschreiten einer eingestellten Referenzspannung (0,2V), wird der Nulldurchgang durch den Controller erkannt. Nun gibt es in Abhängigkeit vom gewünschten Schaltzustand nur noch 2 Zeitverzögerungen, die den richtigen Schaltpunkt definieren (5ms für Einschalten bzw. 15ms für das Ausschalten).

3. Umsetzung

Aufbau

Der Aufbau erfolgte der Einfachheit wegen auf Lochrasterplatine und ist Unterteilt in Leistungsteil mit TRIAC und galvanisch getrennter Ansteuerung mit einem Opto-TRIAC MOC3022 oder MOC3052.

Der Controller sitzt auf einer eigenen Platine und wird vom 24V Steuer-Trafo des Schweißgeräts versorgt. Das Einschaltsignal kommt von der Schweißpistole und der Controller sendet mit der entsprechenden Zeitverögerung das Signal zum Opto-Triac, welcher wiederum den Leistungs-TRIAC zündet.

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