Thyristor für CD-Welder (Capacitive Discharge Welder)

[Multi-kv]

Hallo Leute,

möchte mir einen kleinen Spotwelder für Liion-Accus bauen - da mein großer doch etwas zu mächtig für diesen Job ist und sich aufgrund der speziellen Einschaltstrombegrenzung nur schlecht für diesen Leistungsbereich steuern lässt.
Habe mir also ein paar gebrauchte 1 Farad 16 V Hifi-Kondensatoren besorgt - die liegen von der Energiemenge genau richtig (50 .. 200 J).
Als Schalter hatte ich zuerst einen kräftigen Magnetschalter (Kfz-Anlasser) probiert, die schalten bis zu 800 oder 1000 A. Leider geht dabei wohl die
meiste Energie im mechanischen Schaltvorgang verloren und hin und wieder brennt sich der Schalter sogar fest und steht dann auf Dauer-On
Glücklicherweise habe ich die Experimente nicht direkt am Liion-Akku sondern einem Stück Blech gemacht - sonst wäre mir der Keller wohl ziemlich verqualmt worden...

Also muß wohl ein leistungsfähiger Halbleiterschalter her (Mostfet oder eben SCR).
Habe aus einem alten Leistungsbauteil (http://forum.mosfetkiller.de/viewtopic. ... 30#p283500) noch zwei große Thyristoren,
Typ Siemens BSt P45 90. Leider habe ich dazu kein kompl. Datenblatt mehr finden können, nur dies hier:
https://www.mikrocontroller.net/attachm ... asheet.pdf

Demnach sind sie für V(DRM) = 1350 V und I(TAV) = 800 A konzipiert und halten einen Spitzenstrom von 10950 A für 10 ms aus!
Was ich nicht so richtig einschätzen kann ist die Stromsteilheit also die max. Stromanstiegszeit bis zum Spitzenwert - das ist wohl das einzige, was hier kritisch sein könnte. So ein 1Farad-Cap entlädt sich bei entsprechenden Leitungen natürlich sehr schnell (evtl. im Sub-ms-Bereich) mit Strömen von bis zu einigen kA nehme ich an. Ich glaube aber kaum, das 10 kA erreicht werden, da ja schon die typischen Innenwiderstände bei 1-2 mR liegen + Leitungswiderstände und -Induktivitäten kämen wohl bei 15 V am Cap max. 3-5 kA heraus, würde ich meinen?

Meint ihr ich sollte das wagen? Möchte sie ungern zerstören
Welche Steuerspannung sollte ich am Gate zur Zündung anlegen und welchen Strom? Davon steht leider nichts im "Datenblatt".
Ich würde sonst mal 6 - 12 V ans Gate legen und den Strom auf ca. 1 A begrenzen - ich denke, das tut diesen Leistungsteilen nicht weh.
Vermutlich lachen sie nur über dieses Vorhaben

[kilovolt]

Hallo Multi-kv

ehrlich gesagt denke ich nicht, dass sich der Kondensator schneller entlädt als innerhalb von einigen ms. Wenn wir nur mal einen Innenwiderstand von sagen wir mal 1mOhm annehmen und dies noch ganz ohne weitere Leitungen und Übergangswiderstände, so wären wir nach der Lade/Entlade-Formel Tau = 5*R*C schon bei 5* 0.001Ohm*1F = 5ms. Wenn wir nun davon ausgehen, dass da sicherlich noch das eine oder andere Milli-Ohm und auch noch ein paar µH Induktivität hinzukommen durch die Verschaltung, dann liegen wir schnell mal über 10ms. Vermutlich dürfte jedoch der Strom auch keine sooo extremen Spitzen annehmen bei einer solch hohen Kapazität und einer dementsprechend eher langsamen Entladung. Ich bezweifle daher auch ein Stück weit, ob ein solcher Cap überhaupt geeignet ist zum Punktschweissen.

Noch ein EDIT: Du hast doch ein Fluke-123 Scope. Damit könntest Du über einen sehr niederohmigen Shunt den Kurzschlusstrom messen, indem Du das Scope auf Singleshot stellst und schaust, welche Spitzenspannung über dem Shunt abfällt.

Beste Grüsse
kilovolt

[Multi-kv]

vielen Dank, kilovolt!

Habe es inzwischen einfach mal probiert, erst mit wenig Spannung dann bis 15,5 V.
Der Thyristor steckt das ganz locker weg!
Es reichen schon 2-3 V am Gate zum Zünden bei ca. 250 - 300 mA.
Einer der Thyristoren hat allerdings hin und wieder Zündschwierigkeiten und zündet dann erst sicher bei über 1 A.
Allerdings sind die Schweißergebnisse noch nicht zufriedenstellend.
Selbst bei 15,5 V und gemessenen 0,85 F (einfach über Ladung mit Konstantstrom von 500 mA bis 15 V ermittelt) ergibt sich rechnerisch eine
Energie von 102 Joule - das sollte eigentlich reichen - wird das Blech nicht ordentlich verschweißt.
Habe dann festgestellt, das das Ergebnis sehr vom Anpressdruck der Elektroden und damit der Kontaktqualität abhängt.
Wenn ich gut presse, gibt es kaum eine Haftung/Schweißung - man merkt aber den kurzen Impuls im Kabel.
Wenn ich dagegen nur leicht andrücke, gibt es einen heftigen Knall und Funkenflug und ein Teil des dünnen Bleches ist regelrecht verdampft

Was natürlich sein kann, das der Kondensator schon etwas geschädigt ist und einen höheren Innenwiderstand hat und die Energie einfach zu "langsam" abgibt. Werde evtl. mal 2 parallel probieren.
Könnte aber auch sein, das der Thyristor zu langsam schaltet. Durch den kleinen Gatestrom wird der Thyristor ja erst "langsam" leitend bis er ganz mit Ladungsträgern geflutet wird. Deshalb ist ein zu steiler Stromanstieg ja auch kritisch, da dann nur ein kleiner lockaler Bereich den Strom leiten muß. Habe hier im Experiment nur einen 7,5 Ohm Widerstand zur Strombegrenzung ans Gate gelegt, da fließen also bei 15 V gerne 2 A - das sollte doch locker für ein schnelles Durchschalten reichen?

Danke für den Tipp mit dem Fluke-Scope mal den Strom zu ermitteln - daran hatte ich auch schon gedacht. Als Shunt könnte ich einfach ein Stück Kupferkabel bekannten Querschnitts und Länge nehmen und den Widerstand errechnen. Selbst wenn da ein Fehler von 10% drin liegt hätte man ja mal einen Anhaltspunkt - auch für den zeitlichen Verlauf.

Die Idee mit diesen Hifi-Caps ist übrigens nicht von mir, da gibt es etliche Videos, wo das Prinzip genutzt wird:
https://www.youtube.com/watch?v=TNclCrfsgJQ&t=626s

etwas professioneller:
https://www.youtube.com/watch?v=yabesdeGKJo

oder hier ein professionelles Gerät:
https://www.youtube.com/watch?v=vd0-bez3bVs

[stoppi]

Vermutlich dürfte jedoch der Strom auch keine sooo extremen Spitzen annehmen bei einer solch hohen Kapazität und einer dementsprechend eher langsamen Entladung.

Das stimmt so nicht. Für die stromstärke I(t) ergibt sich die Formel:
I(t) = U_0 / R * Exp^-(t/R*C)
Die spitzenstromstärke hängt also nur von der Ausgangsspannung U_0 und dem Widerstand R ab.
Die Kapazität C hat auf diesen Wert keinen Einfluss. Nur je höher C, desto länger kann der Kondensator diese hohe stromstärke liefern, d.h. Die Kurve wird flacher und die stromstärke nimmt langsamer ab.

@Multi-kv: warum machst du eigentlich zu jedem noch so winzigen unterthema bzgl. Punktschweißen einen neuen Beitrag auf?

[kilovolt]

Das stimmt so nicht. Für die stromstärke I(t) ergibt sich die Formel:
I(t) = U_0 / R * Exp^-(t/R*C)
Die spitzenstromstärke hängt also nur von der Ausgangsspannung U_0 und dem Widerstand R ab.
Die Kapazität C hat auf diesen Wert keinen Einfluss. Nur je höher C, desto länger kann der Kondensator diese hohe stromstärke liefern, d.h. Die Kurve wird flacher und die stromstärke nimmt langsamer ab.

@stoppi: Ja und nein In der Praxis stimmt meine Aussage auf jeden Fall, denn je höher die Kapazität bei gleichem Volumen und gleicher Spannung, desto höher auch der Innenwiderstand, somit desto langsamer die Entladung und desto niedriger die Stromstärke.

EDIT: Multi-kv's Messung bestätigt übrigens recht schön meine Annahme.

Beste Grüsse
kilovolt

[Multi-kv]

So, habe mal eine Messung vorgenommen bei 14 V Ladespannung am Kondensator.



Man sieht sehr gut, das der wesentliche Teil der Energie in ca. 2-3 ms durch ist.
Wenn wir den mittleren Spannungsabfall in der ersten ms mit ca. 4 V nehmen, dann fließen nach der Formel

I = U * A [mm2] / (0.0175 * L[m]) = 1219 A

wobei A der Kabelquerschnitt in mm2 und L die Länge in m ist.
Nach 3 ms ist der Strom schon auf 1/3 abgesunken.
(Bin mir beim Querschnitt nicht ganz sicher, könnten auch 25 mm2 sein, habe hier mal mit 16 gerechnet. Ist schon an beiden Seiten mit Kabelschuhen versehen, aussen ca. 9 mm DM mit Gummiummantelung).
Offenbar ist das aber zu wenig zum sicheren Verschweißen.
Problem bei meiner Energiebetrachtung ist, das diese 100 J eigentlich im Schweißpunkt versenkt werden sollten und nicht in den Kabeln

@Multi-kv: warum machst du eigentlich zu jedem noch so winzigen unterthema bzgl. Punktschweißen einen neuen Beitrag auf?

Ist doch hier wieder ein ganz anderes Verfahren und es ging eher darum, ob der Thyristor das aushält.
Wenn ich alles in denselben Beitrag schreibe, wird es ziemlich unübersichtlich, finde ich

Hier der Thyristor:

[kilovolt]

Hallo Multi-kv

Coll, dass Du's messtechnisch nachgeprüft hast. Deine Ergebnisse sind aus meiner Sicht absolut plausibel und decken sich ziemlich gut mit dem, was ich mir dazu vorgestellt hatte. Macht Sinn.

Vermutlich wäre es wirksamer, eine höhere Spannung zu verwenden, damit man die "Kabel"-Verluste besser im Griff hat.

Beste Grüsse
kilovolt

[stoppi]

@kilovolt: Das der Innenwiderstand des Kondensators mit zunehmender Kapazität bei gleichem Volumen zunimmt, kann durchaus sein. Nur wo hat Multi-kv das mit seiner Messung dargelegt? Multi-kv hat einfach den stromverlauf aufgezeichnet.
Und was ist, wenn man zwei Kondensatoren parallel verschaltet? Soll dann etwa die spitzenstromstärke I_0 auch noch abnehmen?

Und wenn du den Kondensator auf eine höhere Spannung auflädst, dann fließt einfach eine höhere stromstärke, die dann auch höhere Verluste (absolut betrachtet) an den Leitungen bewirkt. Relativ betrachtet bleiben die leitungsverluste gleich. Von daher hilft es nur den Widerstand der Zuleitungen zu verringern.
@Multi-kv: solche thyristoren wie du ihn hast muss man normalerweise unter hohen Druck zusammen pressen.

[Bastl_r]

@Multi-kv: solche thyristoren wie du ihn hast muss man normalerweise unter hohen Druck zusammen pressen.

Hi
Nur damit es nicht untergeht. Das Vorspannen ist bei Scheibenthyristoren ein wichtiger Punkt. Daher ein Kupferstreifen hüben und drüben dran und isoliert in eine parallel pressende Vorrichtung einspannen.
Und wie schon von Kilovolt ausgeführt. Der 1F Kondie schafft das nie und nimmer den Thyristor zu zerstören, wenn er korrekt vorgespannt ist.

bastl_r

[Multi-kv]

Danke Euch!

Die Thyristoren waren so in einem alten Siemens-Leistungsteil verbaut, kompl. mit großem Alu-Kühlkörper und mit 2 dicken Flacheisen und M6-Schraubverbindern fest aufgepresst. Da ist ein spez. Presselement dazwischen (vermutlich spez. Kunststoff der den Druck auf der Auflagefläche verteilt, inkl. Zentrierstift auf beiden Seiten).
Hatte die nur kurz ausgebaut (waren antiparallel verschraubt - was ich hier nicht gebrauchen konnte) und habe das dann wieder - hoffentlich mit gleichem Anzugsmoment wieder zusammengesetzt.

Ist schon etwas ernüchternd, wenn man feststellt, das vielleicht 80% der im Kondensator gespeicherten Energie in Leitungen, Thyristor etc. verbraten werden und nur ein kleiner Rest am Schweisspunkt ankommt. In etlichen Videos wird es genauso gemacht und da reicht die Energie eines solchen Caps meist aus. Tlw. wird da mit viel dünneren Kabeln gearbeitet. Ich könnte meine aber noch etwas kürzen.
Ich denke schon, das eine höhere Spannung einiges bringt, immerhin geht die Spannung ja quadratisch in die Energie des Kondensators ein. Bei 16 V ist allerdings Schluss bei den 1F-Caps, höher darf ich nicht gehen und ich war schon bei 15 V. Die sind ja eigentlich für die Kfz-Bordspannung gedacht und die liegt eher bei 14...14,5 V.

Bin eigentlich nur auf diese Idee umgestiegen, weil man die Energiemenge hier gut berechnen und - wie ich meinte - auch steuern kann. Nur die Verluste sind halt schwer voraus zu sehen und das Ergebnis hängt letztendlich sehr davon ab wie gut der Elektrodenkontakt ist.
Mir gefällt diese Idee hier sehr gut - ist allerdings schon mehr Fummelkram wegen der Mikroprozessorsteuerung:
https://www.youtube.com/watch?v=Ceos88VO6p4&t=242s

Hier wird wohl wirklich die Energie gemessen, die am Schweißpunkt ankommt - nicht die, die an der Quelle abgeht.
Hier lag mein Denkfehler...

[stoppi]

Bzgl. Höherer Spannung wollte ich nur sagen, dass was die Verluste angeht das ganze nicht effektiver wird. Du verbratest dann z.b. Noch immer 40% der Energie in den Zuleitungen. Absolut betrachtet kommt bei höherer Spannung natürlich mehr Energie am schweißpunkt an.....aber eben auch an den Zuleitungen.

[kilovolt]

Hallo stoppi, Multi-kv und Bastlr

stoppi: Natürlich hast Du vollkommen Recht mit der Aussage, dass eine höhere Spannung die Verluste nicht senkt. Mir ging es nur um eine möglichst einfach Lösung des Problems, und für mich liegt bei solch komplexen Aufbauten der Wirkungsgrad nicht unbedingt im Vordergrund, sondern die tatsächliche Wirkung. Ich halte eine Parallelschaltung vieler kleinerer Kondensatoren mit höherer Spannung für besser geeignet, was Impulsfähigkeit angeht und das ist ja das, was hier gewünscht wird.

Das der Innenwiderstand des Kondensators mit zunehmender Kapazität bei gleichem Volumen zunimmt, kann durchaus sein. Nur wo hat Multi-kv das mit seiner Messung dargelegt?

Hat er nicht, hab ich auch nie behauptet Tatsache ist aber, dass sich das Verhalten der Schaltung mit dem deckt, was ich anfangs schon vermutet und auch im ersten Post erwähnt habe, nämlich, dass aus meiner Sicht ein solcher Kondensator aufgrund seiner hohen Kapazität nicht ideal ist für die gewünschte Anwendung. Naja, hilft ja jetzt auch nicht weiter

Und was ist, wenn man zwei Kondensatoren parallel verschaltet? Soll dann etwa die spitzenstromstärke I_0 auch noch abnehmen?

Nein, warum denn, hab ich das etwa behauptet? Natürlich nimmt die Stromstärke zu bei Parallelschaltung zweier Kondensatoren, sofern der Widerstand und die Induktivität der äusseren Beschaltung dies überhaupt zulassen. Meine Aussage ist lediglich, dass der ESR bei einem einzelnen Kondensator tendenziell zunimmt wenn eine höhere Kapazität gefordert ist und Spannung und Volumen gleich behalten werden sollen.

Beste Grüsse
kilovolt

[Multi-kv]

Danke Euch allen!

stoppi, ist schon klar das mehr Kapazität oder Spannung die Effizienz nicht erhöhen, aber es kommt doch mehr Energie am Schweißpunkt an.
Man sollte natürlich auch versuchen, das Ganze so effizient wie möglich zu halten, möglichst kurze und dicke Leitungen zu nutzen und ordentliche Schraubkontakte.
Habe tlw. schon 35mm2 Kupferkabel verwendet und in vielen YT-Videos wird mit deutlich weniger Materialaufwand gearbeitet und irgendwie scheint es zu klappen mit diesen 1F-Kondensatoren,
z.B. auch hier im Pedec-Forum wo zig-Zellen damit verbunden werden: https://www.youtube.com/watch?v=5TOzSjqydCY

Mehr als 16V können die auch nicht nutzen und es scheint gut zu funktionieren.
Entweder ist in meinen Caps der Innenwiderstand schon zu hoch (waren gebrauchte Caps, die ich günstig bekommen konnte) oder ich mache einen anderen Fehler.
Werde es mal mit Parallelschaltung probieren.

Mit höheren Spannungen wäre sicher der erste Energiestoß größer, aber es steigt auch die Gefahr bei Fehlern (unbeabsichtigten Kontakte oder schlechte Kontakte mit zu wenig Anpressdruck etc.).
Schon die Auswirkungen bei 15V und 1F sind recht unangenehm, wenn die Schweißpunkte nicht mit genug Konzentration gesetzt werden.
Deswegen war meine Idee weniger Spannung aber viel Strom - das Problem dabei ist, dass die Schweißzeit zu lang wird und zuviel Hitze in den Akku gelangt.
Bei 12-15V sollte eigentlich ein guter Kompromiss liegen, meinte ich.

Muß nochmal messen, welche Spannung überhaupt an den Elektroden ankommt und wieviel über dem Thyristor abfällt etc. um das Problem etwas ein zu grenzen.
Mit 2-3 Caps parallel sollte es dann doch klappen

[kilovolt]

Multi-kv, momentan fällt vorallem auch ein happiger Teil an Deinem Shunt ab, würde ich mal meinen. Gemäss Scope sind es in der Spitze ja mehr als 5V.

Beste Grüsse
kilovolt

[Norbi]

Kann man diese Hifi-Superkondensatoren eigtl. wirklich mit solchen Pulsbelastungen quälen ohne dass sie langsam kaputt gehen?

In den Datenblättern zu den Superkondensatoren der Elektronikindustrie stehen ja meistens recht niedrige Werte für die maximal zulässige Stromstärke.