【参赛】DIY移动电容点焊机 / 开普饭

我的简易点焊机控制板制作成功后受到一些DIY爱好者的喜爱，不少爱好者用它制作了点焊机，自己也为此沾沾自喜了一阵子，但后来上网发现部分网友晒出了使用电容制作的点焊机，其焊点十分漂亮，是微波炉变压器点焊机所不能比的，于是就留心这方面的文章，汲取经验，积累知识，设计电路，构思结构，适逢淘宝上PCB样板厂双十一搞活动，就仓促打了样板，并购置所需元件及外壳，在业余时间内动手制作，经反复测试，性能已初步达到设计要求。因近阶段单位和家中事务太多，虽样第一台电容点焊机已做好，但一直没有时间书写文字，眼见大赛收稿截止日期临近，随仓促上阵，文中定有文字及语句差错之处，敬请包涵为盼。
　　一、大致原理与基本构成
　　1.点焊原理。直流电源经限流后给电容阵列充电，充到合适电压，经场效应管阵列控制，通过焊针向被点焊部件瞬间放电，因点焊处接触电阻很小，瞬间巨大的放电电流烧融点焊处的金属形成融核，从而使金属焊接在一起。
　　2.基本构成。锂电池组、充电电压调整电路、限流电路、储能电容阵列、场效应开关管阵列、放电时间控制电路、指示电路、焊极引线、点焊控制开关、焊针及焊针夹具、外壳等。
　　二、电路原理图
　　见下图。
　　三、电路构成简介：
　　为便于携带使用，直流电源我使用2并4串18650锂电池组，电池组也装入点焊机壳子内，这样方便携带，移动性更强。因业余条件下点焊量不大，使用2并4串18650电池组充满电后足够短时间的使用了。4串锂电池组电压范围12.8-16.8V，因降压电路采用了DC-DC电路，实际供电范围可以高到20V，如果不要求移动的话，也可以采用其他电压合适的直流电源。
　　P型场效应管Q4构成电子开关电路，机械开关K4通过的电流很小，可以延长开关的寿命及降低开关电阻。
　　U3（MP2307）构成DC-DC降压电路，配合U4A（LM393）进行限流充电，充电电流取样来自于限流电阻R25（0.1欧姆）上的电压，充电电流设定在2A，充电电压范围在5-11V可调。采用此电路的目的是为了提高充电效率，延长电池组点焊时间。
　　U4B（LM393）及外围电路构成充电指示短路，电压取样也来自于限流电阻R25，当充电电流大于限定电流的1/4时，红色充电指示灯亮。点焊时需等到充电红色灯不亮才能进行点焊。
　　D7是充电隔离电路，当初设计采用MP2307的目的是看中了它是同步整流，效率较高，但PCB板焊好后测试才发现MP2307在供电断开后，后级大电容所存电会通过MP2307自身放电，且会使输入端电压很高，所以才在充电输出线中加上D7进行隔离，但这样一来MP2307同步整流的优点就失去了。
　　电容阵是多只电解电容并联，总电容亮大于0.5法拉，耐压16V即可。
　　MOS阵是多只大电流场效应三级管并联。
　　U1(NE556)与外围电路构成时间控制电路，U1后的Q1、Q2、Q3构成模拟图腾柱输出电路，以适应MOS管驱动的要求。
　　外壳是从淘宝买的塑料防水盒，尺寸 200*120*114mm，内部空间刚好。
　　四、制作过程
　　1.焊接电容阵列。因使用的电容个数多，焊接电容是个费力气的活，我买的电容是直径10mm，在一块10cmx10cm的板子上恰好可以排列100只，考虑到四角需留有固定孔，我实际设计了96只。电容采用在PCB上安装的目的是好焊接、好固定，安装电容的PCB见下图。焊接电容时先把电容脚插进对应孔内，电容用橡皮筋捆紧，截取20厘米长4平方的铜线将电容脚焊在铜线上。在电容脚向铜线上焊之前，应先将铜线在PCB板上焊两三个焊点固定，然后将电容脚压弯到铜线上，剪去过长的引脚，再将引脚直接焊在铜线上，最好不要将引脚、铜线满焊在PCB板上，满焊的话虽然可以降低部分回路电阻，但PCB板受热变形明显，不仅不美观也不好安装固定，再者以后更换电容也困难。PCB板边长10cm，截取20cm长铜线的原因是要留出足够的长度，将来铜线要用螺丝固定在铜排上。
　　2.截取铜排及钻孔安装MOS管。我将主电路和MOS阵列设计在一块10cmx10cm的PCB板上，固定孔与电容PCB板相同，目的是方便进行搭积木式组合安装。因为点焊回路电流巨大，PCB板铜箔就焊锡不能承受那么大的电流，MOS阵列出的D、S极需加附大面积铜排才行。D极我用的是2x20mm的铜排，长13厘米左右，这样一端可长出3厘米，用于连接焊极引线。S极我用了两根2x10mm铜排，每根12厘米左右，长出PCB板的部分再固定在一段2x20mm的铜排上，这段铜排将来要固定电容负极铜线。
　　对于D极铜排，需根据PCB板上MOS固定管子孔在铜排上钻3mm的孔，用以将MOS管连同铜排固定在PCB板上。D极铜排长出PCB板的部分也要钻2个或者4个，将来固定焊极引线。
　　3.电路板的安装。电容阵列板有两块，主电路板有一块，三块板子在四角用六角铜柱积木式连接固定。三块电路板固定后，电容板电容正极4平方铜引线要分别用螺丝固定在一段长10cm的2x20mm的铜排上，再从铜排上引出焊极正极引线。电容板电容负极4平方铜引线要分别用螺丝固定在MOS管S极汇总铜排上（2x20mm铜排）。从MOS管D极铜排上引出焊极负极引线。　　
　　4.加装数字电压表头。为方便观察电容上充电情况，我在电容阵上并接了两线3-30V范围的数字电压表头，用于指示电容上电压高低。实践表明这个电压表头很有必要接，它可以方便的观察电容上充电电压的高低，摸索合适的点焊电压。另外还可以观察合适的点焊焊时间，因为合适的点焊时间应该是放电结束后电容电压还残余1/3左右的电压，不建议时间长到电容放电到零，因为电压接近于零时的电流其本上起不到焊接作用，但却延长了充电时间。
　　5.老化测试。安装完毕测试无误后最好进行恶劣条件下的老化测试，主要测试电容和MOS管的大电流放电能力，方法是将充电电压调到最高11V，在电容阵放完电后充电，记下充满电的时间，再将焊极所接的焊针短接在一起，反复踏下点焊脚踏开关使电容放电，看MOS管有否有击穿短路的现象，然后再测试电容阵充电时间看是否明显缩短。如果焊针接在一起就放电，那就是有MOS直通了，一般是其中一个管子击穿，如果电充充电时间明显缩短表明其中有部分电容坏了（电容大电流放电损坏一般是内部电极烧断表现为失容），如果损坏的电容较多，说明选择的电容不适合做点焊机用，继续测试剩余的会逐步全部坏掉的。
　　五、几点经验：
　　1.储能电容的选择很重要。电容点焊机的能量来自于电容器储存的能量，其能量大小取决于电容容量大小和所充电压高低，因充电电压太高点焊时火花会很大，所以实际使用时充电电压一般不超10V，那么点焊的能量实际上是取决于电容容量的大小，经验数值电容量应达到0.5F以上。因点焊时电流巨大，这就要求电容的放电电阻要小，即等效电阻要小，如果电阻大的话，一是会影响放电电流，二是明显缩短电容寿命。业余条件下建议采用多只高频电解电容并联组成电容阵列以降低内阻，我采用了192只3300uF/16V高频电解电容，使用效果不错。不建议采用普通的法拉电容，因为普通法拉电容难承受大电流放电；也不建议采用专用点焊机电容，因为专用点焊机电容性能虽好，但价格较高，不符合DIY俭省节约的精神，当然土豪例外。
　　2.场效应管个数不能太少。因电容点焊机点焊电压高于变压器式的，且内阻较低，点焊时瞬间电流很大，估计要达到几千A，要求场效应管的电流通过能力要足够强。因单只场效应管电流不够，需要多只并联，个数不能太少。我参照其他朋友的成功案例，采用了20只IRF3713并联，仅在刚开始点焊测试时击穿过一只（买的是拆机件，损坏的那只也许本来就是性能不良的），更换后一直使用正常，没有再损坏过管子。有些朋友仅用5只、10只，管子承受的压力大就易损坏。
　　3.场效应管并联要考虑到维修是否方便。一般朋友在并联场效应管时，为图省事常把G、D、S引脚分别直接并在一起，这样的话管子击穿了就没法在线检测，需逐一焊下才能检测，十分麻烦。管子一般是过流击穿，击穿后几乎都是G、D、S三个引脚之间短路，根据这个现象，我在每个管子的G接一个10欧姆隔离电阻（电阻上再并一个1N4148，实际是防振电阻），然后再并在一起，这样就可以在线检测损坏的管子了。用万用表1欧姆档逐一测试管子GS间的电阻（栅极对地电阻），如果测到哪个管子对地的电阻小于10欧姆，那就表明被测的管子击穿了。
　　4.尽量选用低导通电阻的场效应管。因点焊时电流很大，点焊回路中的电阻对点焊影响很大，要求回路中的电阻尽可能小。在选择场效应管应选低耐压大电流的，低耐压大电流的场效应管其导通电阻较低。有些朋友在选择时只考虑电流，没有认真考虑导通电阻，误认为耐压高的比耐压低的耐用，而错误优先选择耐要高的。点电容点焊机上，因点焊电压较低（一般不超10V），点焊时也没有反峰压，采用耐压30V的管子就够了。另外要选用型号性能一致的管子并联使用。
　　5.点焊时间对点焊的影响变小。对于变压器点焊机，点焊时间对焊点的影响明显，时间短点不住，长了焊点氧化变色，太长的话就会烧蚀焊针和焊材。对于电容点焊机，影响点焊效果的因素主要是电容容量和所充电压高低，在一个放电时间周期内，前段电流大，后段电流较小，点焊时间长短对点焊的效果影响就很小了。
　　六、制作后的体会：
　　1.电容点焊机与变压器点焊机相比有以下优点：一是重量轻、便携；二是对电源冲击小，对220V电源要求低；三是焊针、夹具等发热量少，业余条件下可以连续点焊而手柄不烫手；四是焊点不变色氧化，焊点漂亮。缺点：一是制作难度高，费时费工；二是成本高，所需材料大多需购买；三是场效应管易损坏，点焊机没有变压器的皮实。
　　2.电容阵列和MOS阵列是成功与否的关键。
　　3.点焊大电流回路中要尽量降低线材电阻，不要心疼使用铜材。
　　4.电容点焊机远比变压器点焊机好用，现在我的变压器点焊机已经闲置了。
　　5.我用192只3300uF/16V高频电解电容，充电电压调到11V时也不能点住0.2mm的纯镍片，但可以点0.15mm镀镍片，下一步计划用个270只3300uF电容试试，期望目标是能点0.2mm的纯镍片。
　　6.因时间仓促，我感觉电路原理介绍的太粗糙，电容的焊接及电容阵列组装过程没有说清楚。