Soldador a ponto: Vantagem atual alta sobre alta tensão

Eu já vi vários desses vídeos "soldador a ponto DIY" no Youtube, como este:

https://www.youtube.com/watch?v=hTaGa93lOGU .

Temos um número muito maior de voltas no primário do que no secundário. Em seguida, conectamos o primário a uma tensão CA, digamos 240V e uma pequena carga de resistência no secundário (ou diminuímos).

Encontrei várias explicações para o que acontece e todos dizem que, à medida que a tensão é reduzida no secundário, a corrente é aumentada de acordo. A voltagem no secundário agora é de apenas alguns volts, mas a corrente pode chegar a quilos. Essa corrente alta gera calor elevado, que derrete o metal (a carga secundária).

Mas o poder não deveria ser o mesmo? O poder é o produto de corrente e tensão. Devido à conservação de energia, à medida que a corrente aumenta, a tensão diminui à medida que o produto permanece o mesmo.

No caso oposto, em que aumentamos a tensão, posso entender o que está acontecendo observando o modelo do transformador:

Se o número da bobina secundária aumentar, a corrente na ramificação R_s aumentará. Portanto, mesmo que a corrente seja reduzida, a energia usada se torna mais alta à medida que estamos "puxando" mais corrente do suprimento.

Mas o que acontece quando a corrente é aumentada? Se o primário tiver mais turnos, parece que a proporção N_p / N_s é maior e a corrente para o ramo R_s é menor.

Alguém poderia me explicar o que estou entendendo mal? Por que é melhor aumentar a amperagem, em vez de apenas usar a tensão CA de entrada ou aumentar a tensão em vez da corrente?

EDIT: Muitas das respostas indicam a relação entre corrente, resistência e potência:

Mas também sabemos que a tensão através de uma carga também é uma função da corrente, pela lei de Ohm:

Portanto, se temos uma corrente alta, também devemos ter uma alta tensão. Agora, a lei e o transformador de Ohm parecem discordar!

A razão pela qual fazemos isso é porque existem dois componentes resistivos no sistema: o arco em que estamos soldando e o próprio transformador. Estamos procurando não apenas maximizar a potência na solda, mas também minimizar o desperdício. Se a resistência do transformador for maior que a do soldador, a maior parte da energia será dissipada no transformador, e o transformador esquenta como um louco. Se diminuirmos o número de enrolamentos para diminuir essa resistência, melhoramos nossa transferência de energia, mas diminuímos a tensão do transformador.

Há um ponto ideal para cada sistema. É para onde eles estão tentando mirar. No caso de um soldador, esse ponto ideal envolve uma redução para baixa tensão e alta amperagem.

Além disso, se você tiver algum circuito de controle, controlar a amperagem é melhor do que controlar a tensão aqui. A queda de tensão do sistema vem de todos os tipos de fios e conexões. A resistência do sistema, por exemplo, pode diminuir se você conectar mais superfícies metálicas com boas soldas sólidas. Isso significa que, se você controla a tensão, deve prestar atenção a todos esses detalhes, quando tudo o que realmente importava era "energia na solda". Se você controlar a amperagem, sua dissipação de energia na solda será sempre$P=i^2R_{weld}$e ignora todos os outros detalhes. Portanto, é útil pensar em termos atuais.

Quando se trata de soldar, a impedância do gás é alta até que um arco HV de baixa corrente comece, a fonte de energia de alta tensão e baixa tensão fornece o seguimento da corrente no Z baixo.

Z é inverso à densidade de corrente necessária para elevar o calor na junta de $Pd=I^2R$.

Portanto, você não pode soldar com baixa tensão e alta corrente, pois a resistência do arco se torna muito baixa. O HV é apenas o gatilho como um SCR. Ambos têm resistência incremental negativa.

A julgar pela nossa conversa nos comentários, o que falta é que diminuir a tensão executa duas funções:

1. Torna o atual "gerenciável". Se conseguirmos, digamos, 100 A em apenas alguns volts, teríamos uma corrente incontrolável em tensões mais altas.
2. Aumenta a corrente para um nível superior ao que a fonte de alimentação poderia fornecer sem um transformador.

Figura 1. O circuito básico de soldagem a arco. Fonte: Lincoln Electric .

Lembre-se de que a resistência do circuito é extremamente baixa. Se R = 0,05 Ω e você conecta uma fonte de 5 V, obtém 100 A. Se você conecta uma fonte de 120 V, obtém 2400 A e um arco elétrico de 288 kW, o que provavelmente mataria o soldador. Normalmente, você não tem tanta energia disponível e não poderia controlá-la se tivesse.

Pode ajudar a abordar o problema ao contrário. Começando com zero volts, você aumenta a tensão até que a corrente atinja um valor suficiente para criar a solda. Para fazer isso, você precisa de um transformador. O transformador faz a conversão de alta para baixa tensão e baixa para alta corrente. Para nosso exemplo de 120 V a 5 V, 100 A, a corrente primária seria apenas$100 \frac {5}{120} = 4.2 \ \mathrm A$. Isso está prontamente disponível em uma tomada de parede.

Um soldador por ponto cria calor através da resistência da peça de trabalho. A energia dissipada através de uma resistência é

Isso é o oposto das linhas de transmissão de energia, nas quais você deseja a menor perda possível na linha e, portanto, aumenta a tensão e a baixa corrente.

Os soldadores trabalham derretendo metais. O calor produzido é uma função dos tempos de resistência ao quadrado da corrente (I ^ 2 * R). O "R" é fixo (o material alvo / eletrodos de solda), portanto, o aumento da corrente aumentará o calor gerado.

Você está perdendo um ponto-chave com sua teoria aqui. Para atingir as temperaturas exigidas, você precisa injetar energia suficiente para isso.

Como você corretamente aponta, $P = IV$.

Contudo, $I = V/R$

O ponto de solda tem uma resistência muito pequena. $<10m\Omega$

Como o ponto de solda tem uma resistência tão baixa, não é necessário aplicar muita tensão nele para que ele conduza MUITA corrente. Se você usasse uma tensão mais alta, a junção conduziria proporcionalmente mais corrente. O dobro da tensão, a corrente também dobra, e a energia que você está colocando aumenta quatro vezes.

(Bem, na verdade, a energia extra que você adicionar mudaria a resistência, para que não seja exatamente o dobro da corrente.)

O ponto é que você precisa fornecer a corrente que a junção consumirá, independentemente da voltagem usada. Aumentar a tensão aumenta a demanda atual, não menor.

O truque é usar uma tensão baixa o suficiente para que a quantidade de corrente conduzida através da junção produza apenas o suficiente $P = IV$para aquecer e derreter o metal em um tempo razoável. O transformador precisa então ser projetado para equilibrar tanta tensão com tanta corrente.

Se você precisar $500W$ de poder e a junção é $5m\Omega$

Você precisa $V = \surd(500 * 0.005) \approx 1.6V$

Com $1.6 / 0.005 \approx 320A$

Ou, de outra forma. A quantidade de tensão e corrente que você precisa é ditada pela resistência da junção. Isso acontece por causa da física que funciona, você precisa de um pequeno$V$ e grande $I$.

Aqui está um artigo interessante sobre soldagem a ponto.

Já que estamos falando de soldagem a ponto e não a arco, é tudo sobre I ^ 2R (a potência) entregue à carga. Se você conectar seu soldador local (por exemplo) a uma tomada comum dos EUA com um disjuntor 20A e não diminuir a tensão com um transformador, a corrente máxima que você pode obter antes de disparar o disjuntor é 20A. (Não faça isso, é inseguro.)

Ao diminuir a tensão em, por exemplo, 100, você pode obter 2kA. Isso é 10.000 vezes a energia fornecida à solda.

É claro que existem perdas de enrolamento e núcleo, etc., mas essa é a principal idéia por trás da soldagem a ponto de alta tensão e alta corrente.

A idéia básica de um soldador a arco é que você não está apenas derretendo (pelo menos a superfície) as peças de trabalho, mas também derretendo o final da haste de solda e depositando o metal fundido da haste de solda nas peças de trabalho, para você tem uma articulação forte. Para que isso aconteça, a haste de solda obviamente deve estar muito próxima da (s) peça (s) de trabalho.

Se a tensão for muito alta, você receberá um arco quando a haste de solda ainda estiver bem distante das peças de trabalho. A extremidade da haste (provavelmente) derreterá e a peça de trabalho poderá derreter onde o arco o contata - mas eles não estarão próximos o suficiente para que a haste de solda derretida seja depositada na peça de trabalho, então você acaba com uma solda fraca na melhor das hipóteses (e possivelmente nenhuma).

Outro problema com um arco longo é que não é muito previsível - se você já viu um filme de uma tempestade, perceberá que os raios tendem a atingir a coisa mais alta da vizinhança - mas nem sempre . Às vezes, atinge um lugar e, em seguida, no meio da batida, atinge outro lugar.

Mesmo com um arco muito curto, isso ainda acontece até certo ponto, mas a distância que o arco se move tende a ser muito pequena, então você ainda concentra o calor em torno de uma área, para obter uma boa solda.

Conclusão: não tenho certeza se isso realmente tem muito a ver com a eletrônica; é mais sobre como a soldagem a arco funciona.

Pelo que vale a pena, quando eu era muito mais novo, eu estava por perto quando um amigo decidiu ligar a saída de um soldador CA a uma bobina de um carro. Produziu faíscas com cerca de 3 ou 4 pés de comprimento - mas tenho certeza de que ninguém poderia soldar nada com isso.

A questão aqui é que, na prática, há um limite para a corrente que o suprimento pode fornecer. Também é importante distinguir entre o que são causas e o que são efeitos, ou, em outras palavras, identificar as variáveis ​​dependentes e independentes - por um lado, isso deve esclarecer a questão levantada em seu adendo.

Assumindo uma resistência fixa da peça, uma fonte de alimentação ideal de tensão fixa (até sua corrente máxima) e um transformador perfeitamente eficiente etc., as dependências são: A tensão de alimentação $Vp$ e relação de espiras do transformador $N1/N2$ determinar a tensão secundária $Vs=Vp.N2/N1$, que, juntamente com a resistência da peça $Rs$, determina a corrente secundária $Is=Vs/Rs$, que por sua vez, juntamente com a relação do transformador, determina a corrente primária $Ip=Is.N2/N1$. A corrente máxima que pode ser extraída da fonte (ou a corrente máxima que o primário do transformador pode receber, o que for menor) é outra variável independente.

Considere a sua afirmação: “Se o número da bobina secundária aumentar, a corrente no ramo R_s aumentará. Portanto, mesmo que a corrente seja reduzida, a energia utilizada se torna mais alta à medida que estamos 'puxando' mais corrente do suprimento. ”

Excluindo a cláusula 'mesmo que a corrente seja reduzida', o que provavelmente não é o caso, o restante desta declaração está correta, na medida do possível: aumentando $N2$aumenta a tensão através da carga e, portanto, também a corrente através dela e a energia dissipada nela. Por exemplo, se$N2$ é dobrado, $Vs$ é dobrado, levando a $Is$também está sendo duplicado, então a dissipação de energia é quadruplicada. A conseqüência é que o consumo de corrente primária é quadruplicado, como pode ser observado pela conservação de energia aplicada aos circuitos primário e secundário ou pela relação do transformador$Ip=Is.N2/N1$, onde ambos $Is$ e $N2$dobraram. Ao adicionar mais voltas secundárias, no entanto, não demora muito para que a corrente primária atinja seu limite.

Portanto, você está certo ao dizer que aumentar as voltas secundárias aumentará a potência fornecida à peça de trabalho, mas apenas até o ponto em que você começará a sobrecarregar a fonte. Na prática, se você aplicar a tensão de fonte de 240V diretamente à peça de trabalho, você quase certamente sobrecarregará a fonte; nesse caso, você precisará de um transformador abaixador simplesmente para permanecer dentro desse limite. Para fornecer a maior potência de soldagem, você precisa de um transformador que reduza a tensão ao mesmo tempo em que mantém a corrente primária dentro de seu limite.

Observe que, para entender bem esse problema, você não precisa considerar as impedâncias parasitárias mostradas no diagrama, que são comparativamente pequenas e apenas complicam o assunto sem acrescentar qualquer insight. Por outro lado, como outros já mencionaram, também haverá dissipação nos enrolamentos secundários; portanto, você precisa usar fios de diâmetro suficiente para lidar com a corrente secundária - pelo menos o suficiente para evitar superaquecimento e, além disso, menor a resistência do secundário, menos energia será dissipada lá e não na peça de trabalho. Se a corrente máxima para o circuito primário for$Iplimit$, a corrente secundária correspondente é $Iplmit.N1/N2$. Se, como no vídeo, você estiver modificando um transformador existente, a potência máxima do seu soldador poderá ser definida pelo limite físico do número de voltas do fio grande o suficiente para caber na armadura do transformador.

Outra questão é a segurança - você pode soldar com uma tensão mais alta, mas aumenta significativamente o risco de ferir o soldador.