Umrüstung einer DDR-Punktschweißzange „TZ5“

Eine defekte Punktschweißzange war Stein des Anstoßes: Die Thyristorsteuerung arbeitete auf Dauerzündung, aber es war kein defektes Bauteil zu finden. Die recht robusten sowjetischen Thyristoren T112-16-12-2 sind dennoch häufig in Ordnung.

Den Schaltplan habe ich wie folgt ausgelesen:

 

Hier ist ein Reed-Relais eingesetzt. Problem könnte hierbei sein, dass das Relais empfindlich auf das Streufeld des daneben liegenden Schweißtransformators reagieren könnte (bspw. kleben bleibt). Deutlich erkennbar ist der auf einen der beiden Kühlkörper aufgeschraubte tschechische Hilfsthyristor.

Zur vermuteten Funktion der Folgezündung siehe unten.

Gesichtet wurde auch eine äußerlich gleiche Punktschweißzange mit einer gänzlich anderen Steuerplatine. Da diese Platine ohne den angefrickelten äußeren Hilfsthyristor und mit modernere Kondensatoren auskommt, kann man davon ausgehen, dass dies später produzierte Exemplare sind. Allerdings sind diese genauso oft defekt.

Die beiden verschiedenen Platinen sind nicht untereinander austauschbar!

Bei der Punktschweißzange gibt es keine Stromvorgabe. Nur eine Zeitvorgabe.

Inzwischen (Pfingsten 2014) tauchten gleichartige Punktschweißzangen mit defekten Thyristoren auf. Diese waren wiederum mit 16-A-Steckern ausgestattet. Von einer dieser stehen Fotos der Originalplatinen zur Verfügung:

• Bestückungsseite (250 kByte)
• Leiterseite (300 kByte)

Weiter unten ist erklärt, warum die TZ5.0 die Sicherungen herausballert und leicht kaputt geht: Heutige Stromversorgungsnetze sind einerseits straffer (niederohmiger und mit etwas höherer Spannung) als auch flinker abgesichert. Man sollte die TZ5.0 an 32-A-Steckdosen betreiben und die Thyristoren durch stärkere (60 A) ersetzen. Der Aderquerschnitt müsste dazu auf 6 mm² angehoben werden ... Oder man betreibt das Gerät mit 230 V Lichtstrom und begnügt sich mit der geringeren Ausgangsleistung, etwa für Dünnblech.

Der linke Teil des Schaltplans bis zum Optokoppler ist das entsprechende Monoflop.

Der Transformator hat folgende Impedanzen:

• 800 mH bei offenem Sekundärkreis (= Primärinduktivität), das entspricht X_L = 250 Ω und einem Betriebsstrom von 1,6 A bei 400 V.
• 11 mH bei kurzgeschlossenem Sekundärkreis (= Streuinduktivität) das entspricht X_L = 7 Ω und einem Betriebsstrom von 60 A bei 400 V oder 32 A an 230 V.

Rein rechnerisch müsste die Zange sowohl 16-A- als auch 32-A-Sicherungen rausschießen, was bei 16 A auch tatsächlich der Fall ist!! (Der magnetische Auslöser von Sicherungsautomaten mit B-Charakteristik ist für dreifachen Strom dimensioniert. Leitungsschutzschalter mit C-Charakteristik (träge) sollten geradeso noch nicht auslösen.) Denn Originalbestückung ist ein 16-A-CEE-Stecker. Vermutlich halten ältere D-Schmelzsicherungen durch. Erstaunlicherweise halten das die für nur 16 A spezifizierten Thyristoren durch. Eine Weile zumindest. Triacs sollten für 60 A Effektivwert ausgelegt werden. Ein (oben eingesetzter) BTA41-600 hält das laut Datenblatt nur 20 Sekunden aus. Da die so umgestrickte Zange nie wieder zurückkam scheint es zu funktionieren.

Der Trafo hat also einen zu kleinen Luftspalt und zu geringes Streufeld. Daher wurde im folgenden versuchsweise 230 V (Lichtstrom) benutzt, also im Drehstromstecker eine L3 auf N umgeklemmt.

Das Bild beweist die deutlich zu hohe Stromaufnahme! Zum Glück löste die 16-A-Sicherung nicht aus. Die Dachschrägen im rechten Teil des Oszillogramms haben ihre Ursache in der Übersteuerung der Stromzange und der Ausgangsspannungsbegrenzung durch die endliche Speisespannung des 9-V-Blocks.

Hinweis: Viele ältere Häuser und Haushalte sind zum Energieversorger nur mit (trägen und plombierten) 35-A-Sicherungen abgesichert. Mehr als ein solches Schweißgerät darf also nicht betrieben werden, und sicherheitshalber sollte man Durchlauferhitzer abstellen. Eventuell wäre ein „Upgrade“ auf 63 A beim Energieversorger anzufragen.

Wer Glück und/oder Geld (400 € Listenpreis!!) hat, hat einen Anschlusskasten mit vom Laien schaltbarer Hausanschluss-Sicherung, dem sogenannten SLS-Schalter. Diese haben IMHO immer 63 A.

Bei defektem R15 genügt dessen Ersatz, am besten durch 2 oder mehr in Reihe geschalteten Widerständen. 200 .. 800 Ω Gesamtwiderstand, ist relativ unkritisch.

Bei defektem Thyristor (es ist immer nur einer kaputt) kann man diesen ersetzen, wenn Ersatzteil zur Hand. (Ich habe nunmehr davon einige herumliegen.) Wie lange das hält — wann die Zange das nächste Mal kaputt ist, kann ich dabei nicht aussagen.

Defekte Zuleitungen ersetzt man nicht durch eine 5-polige Drehstromleitung, sondern besser durch eine 3-polige: Ist leichter und genügt! Besser reichlich Querschnitt geben: 1,5 mm² sind das Minimum, besser 2,5 mm² oder (für 32 A) 4 mm². Veraltete „flache“ Drehstromstecker ersetzt man durch runde rote CEE-Stecker. Welche der 3 Phasen man anschließt ist Geschmackssache. Kann man ungenutzte Stifte des CEE-Steckers ausbauen, bietet sich L2 + L3 an, weil sich so der Stecker leichter stecken und ziehen lässt und dabei am geringsten zum Verkanten neigt. Zudem sieht man dem Stecker „sofort“ die Einphasigkeit an, und welche Phasen genutzt werden. Für das leichtere Hantieren in der Werkstatt bietet es sich an, für die Punktschweißzange eine spezielle, passende 3-polige CEE-Verlängerung zu haben.

Herausfliegenden Sicherungsautomaten begegnet man entweder durch Ersatz derselben durch solche mit C-Charakteristik oder durch Austausch des 16-A-CEE-Steckers durch einen 32-A-CEE-Stecker. Das erfordert eine entsprechende 32-A-Steckdose in der Werkstatt und eine gesonderte Zuleitung 5 × 6 mm² vom Sicherungskasten.

Die Zange ist in jedem Fall für Kurzzeitbetrieb ausgelegt sowie für gelegentliche Nutzung. Ich sage mal, 30 Sekunden Gesamtschweißzeit hintereinander. Dann muss die Zange (Trafo, Kupferarme, Thyristoren) wieder Zeit zum Abkühlen bekommen. Ggf. ein Schild anfertigen, das den Anwender darauf hinweist.

Die Zange hat mit den beiden Kondensator­netzteilen eine Leistungsaufnahme in Bereitschaft von 0,5 W.

Am einfachsten wird's wenn man das Relais oder den Optokoppler und die komplizierte Folge­zündung durch einen Optotriac MOC3083 ersetzt. Dahinter 2 antiparallele Thyristoren, der übliche Serienwiderstand, fertig!

Dies ist im Datenblatt des MOC3083 gut beschrieben: Die Gateableitwiderstände sind bereits in den Thyristoren, und als Angst-Dioden genügen langsame 1N4001. Dann verbleiben die Thyristoren an Ort und Stelle oder werden durch stärkere ersetzt, und die unübersichtliche Zündschaltung und deren Stromversorgung entfällt. Die Verlustleistung wird so auf zwei Halbleiterbauelemente und Kühlkörper aufgeteilt. Wenn die Originalbestückung doch noch ausfällt, 50-A-Thyristoren sollten ausreichen: BTW69-800. Leider nur bis 800 V, daher unbedingt mit 420-V-Varistor schützen. Vielleicht mit jenem.

Dies wurde bei 2 Exemplaren so vollzogen, nachdem der BTA41-800 umgehend starb. Da dies ziemlich unwahrscheinlich erscheint, vermute ich als eigentliche Ursache einen leichten Trafoschaden.

Gefunden und eingesetzt wurde je ein Paar sowjetische Т132-50-8-2 (mit M8-Gewinde, 50 A, 800 V) und mit 420-V~-Varistor geschützt. Sie passen geradeso ins Gehäuse, wenn man bei den Kühlkörpern die M6-Löcher auf M8 „aufweitet“ und die Anodenfahne abknickt. Günstig für die Wärmeleistungsabfuhr erweist sich doch die direkte Montage auf 2 potenzialgetrennte Kühlkörper, wie ich beim Projekt Induktionsheizung feststellen musste.

Moderner, wie neulich gesehen, mit isoliertem Doppelthyristor, beispielsweise diesem für etwa 20 €, auf einem nach außen gelegten Kühlkörper auf Schutzerde.

Um den Optotriac und den neuen Triac / die neuen Thyristoren vor Überspannung zu schützen sollte ein Varistor 420 V über die gesamte Schaltstrecke angeordnet werden, wie bei Punktschweißzangen Typ II serienmäßig vorhanden. Denn bei dieser Aktion reduziert sich die maximale Scheitelspannung von 1200 V auf 800 V, auch für kurze Impulse, wie sie bspw. durch Blitzeinschläge in der Nähe entstehen können. Wärend solche Transienten Thyristoren und Triacs via Überkopfzündung sicher zerstören können, leitet der Varistor diese Spitze an den Trafo weiter, dessen Induktivität die Spannungsspitze mühelos verdaut. Die reguläre maximale Scheitelspannung bei Drehstrom ist 400 V × √2 + 10 % = 622 V, da ist bis 800 V gerade so noch genügend „Luft“.

• Thyristor-Ersatz durch Triac BTA41-800B (40 A 800 V 50 mA).
• Statt Relais oder Optokoppler: Optotriac MOC3083 (5 mA 800 V 100 mA). Dabei entfallen viele Bauelemente, nur das RC-Monoflop und dessen Stromversorgung bleibt übrig.

Aufbau: Etwas Mühe macht die Anpassung zwischen Leistungs-Triac und Kühlkörper. Ein Loch für's M4-Gewinde bohren (⌀3,2, zur Not ⌀3,5) und mit reichlich Spiritus als Schmiermittel Gewinde schneiden. Die Kühlfahne des Triacs ist bei allen drei angegebenen Typen isoliert. Einer der beiden Kühlkörper sollte genügen, so bleibt etwas mehr Platz im Kasten. Bei der Verdrahtung muss man aufpassen, dass man die Triacanschlüsse nicht vertauscht. Hingegen die ausgangsseitigen Anschlüsse des Optotriacs (4 und 6) dürfen vertauscht werden. Die LED D1 ist optional und erleichtert die Inbetriebnahme. Der Typ ist beliebig, die Polarität muss stimmen (sonst geht sie kaputt). Die Reihenschaltung aus D1, IC1 und R16 ist beliebig; die Fotos stimmen hier nicht mit dem Schaltplan überein. Leider ist auch die Platine ziemlich fummelig: Die Leiterzüge lösen sich extrem leicht ab, und die Lötaugen sind elend klein. 400 V∿ Differenzspannung führende Leiterzüge sind obendrein dicht benachbart.

Inbetriebnahme: Zunächst speist man das Gerät mit 400 V∿ oder 230 V∿ und zieht den Stecker wieder ab, um gefahrlos messen zu können. Über dem Elko C4 muss die Ladespannung von rund 30 V auch 1 Minute später messbar sein. Wenn nicht, ist möglicherweise R15 defekt. Dieser sollte für gute Haltbarkeit aus mehreren Widerständen in Reihe zusammengesetzt sein, mindestens 2 Stück. Sein (Gesamt-)Wert ist weitestgehend unkritisch, da C9 und C10 eine viel hochohmigere Stromquelle bilden.

Bei reaktivierter Speisung und ausgeschaltetem S2 kann man die Funktion des Monoflops ohne Schweißstrom überprüfen: Die LED D1 muss für die an R5 einstellbare Schweißdauer leuchten. Beim vorzeitigen Loslassen von S1 muss die LED sofort verlöschen. Leuchtet die LED überhaupt nicht, oder geht nicht vorzeitig aus, liegt sicherlich ein Fehler am Mikrotaster S1 vor.

Bei eingeschaltetem S2 zündet der Triac jeweils im Nulldurchgang. Eine „herausfliegende“ 16-A-Sicherung sollte durch eine mit C- oder D-Charakteristik ersetzt werden. Hingegen eine „herausfliegende“ 32-A-Sicherung deutet auf Gleichstrom hin: Der Triac zündet nicht richtig oder ist zum Thyristor geworden. Sauberer ist die Zündung mittels Mikrocontroller.

Einsatzbericht: Habe ich bei einigen Zangen so gemacht. Kamen nicht zurück, scheint also zu funktionieren.

Problem: Die trickreiche, vorhandene Folge­zündung benutzt die Streu­induktivität des Trafos als Energie­speicher und erweist sich als unsicher. So funktioniert sie nicht mit ohmscher Last zum Über­prüfen der Funktion am Trenn­trafo kleiner Leistung, aber auch nicht so recht bei geöffneter Zange. Zur Erprobung an 400 V~ wurden dem Trafo zwei Glüh­lampen 60 W in Reihe geschaltet, als Strom­begrenzung für den Fall, dass nur eine Halb­welle gezündet der Trafo in Sättigung gerät und der Leitungs­schutz­schalter auslöst.

Umrüstung: Die Änderung benutzt einen Kondensator als Energie­speicher für die Folge­zündung des zweiten Thyristors. Dazu habe ich die Schaltung wie folgt geändert:

• D4, R6 entfernt und gebrückt, Diac V6 entfernt (siehe Schaltplan Typ I oder Typ II)
• Elko C1 1µ 50V mit Minuspol an X1C1
• Widerstand R1 100 kΩ von X1A9 nach o.g. Elko Pluspol
• Diode D3 (bspw. 1N4148) als Verpolschutz über den Elko (Katode an Plus)
• Transistor V1 (bspw. BC547) mit Kollektor via Diode D1 mit mindestens 600 V Sperrspannung (bspw. 1N4007) an Pluspol von C1 und Emitter an X1A1
• Transistor-Basis an Widerstand R6 1 MΩ und weiter Katode der Diode D4(bspw. 1N4007)
• Anode der Diode D4 an X1C9
• Nur Typ I: Sicherheits­halber wurde die Basis von V5 mit der zusätzlichen Diode D2 (bspw. 1N4148) vor negativer Basis­spannung geschützt, also genauso wie im Bild 2 oben.

Funktion: Der Elko C1 speichert eine Ladung dann und nur dann, wenn in der positiven Halbwelle eine Spannung über dem Verbraucher T1 oder ein probe­weiser ohmscher Verbraucher anlag. Voraus­setzung dafür ist eine Null­durchgangs­zündung für V7 und V17, die mit V5 bereits vorhanden ist, damit C1 mit genügend Zeit ausreichend über R1 geladen wird. Mit der negativen Halbwelle beginnt Transistor V1 zu leiten, und wenn C1 geladen ist, zündet dessen Ladung über den geöffneten V1 die Thyristoren V8 und V18, den Elko entladend. War C1 nicht geladen, genügt der Basisstrom über den 1-MΩ-Basiswiderstand R6 allein nicht, um V8 zu zünden — keine Stromverstärkung. Über R1 wird der Elko nicht nur geladen, sondern auch entladen, daher ist in diesem Zweig keine Diode. Die Dimensio­nierung der Bau­elemente ist für 230 V~ und 400 V~ erprobt.

Dioden: Die Diode D1 ist erforderlich, weil R6 den Konden­sator C1 bei ausgeschaltetem S2 aufladen würde, und beim Ein­schalten von S2 käme es zum ungewollten Zünden von V8 und V18. D4 schützt die Basis von V1 vor negativer Basis­spannung bei der positiven Halb­welle. D3 schützt den Elko vor negativer Ladung während der negativen Halb­welle. Außer den beiden Dioden D1 und D4 sind keine Hoch­spannungs-Bau­elemente erforder­lich.

Einsatz­bericht: Habe ich bei zwei Zangen so gemacht. Erst mal auf der Platine vom Typ I mit dem Relais. Kam nicht zurück, scheint also zu funktionieren. Die Lösung mit dem Optotriac ist aber wesentlich einfacher. Ließe sich auch kombinieren. Diese Lösung ist und bleibt attraktiv für Scheitel­spannungen jenseits von 800 V, da es für solche keine Opto­triacs gibt.
Als zweites auf der Platine vom Typ II mit dem Opto­koppler MB104. Als Ergebnis wurde vermeldet, dass sich die notwendige Schweiß­zeit radikal verkürzt und der Strom­stoß milder ist. Da war wohl vorher Gleich­strom im Spiel!

Sieger: Damit muss konstatiert werden, dass die last­unabhängige Folge­zündung der Lösung mit dem Opto­triac technisch über­legen ist, da sie erstens Gleichstrom­freiheit garantiert und zweitens den Trafo immer entgegen seiner Vor­magnetisierung zündet, also den Einschalt­stromstoß minimal hält. Zudem ist sie für beliebig hohe Spannungen einsetzbar, während bei der schaltungs­technisch so einfachen Lösung mit dem Opto­triac MOC3083 bei 800 V Scheitel­spannung Schluss ist.

Der Einsatz eines Mikrocontrollers vereinfacht die Hardware für die Zündung am Nulldurchgang enorm, weil fast alles in Software läuft. Und wenn man schon einen Mikrocontroller verwendet, warum nicht gleich per Phasenanschnitt eine Möglichkeit der Stromvorgabe nachrüsten?

So wurde ein zweites Potenziometer zur Stromvorgabe dazu gesetzt, sowie eine Leuchtdiode zur Anzeige, ob Netzspannung anliegt. Leider muss so ziemlich alles geändert werden, und ein Mikrocontroller muss programmiert werden.

Der Schaltplan mit Mikrocontroller ist geradezu lächerlich; der meiste Aufwand steckt in der Bereitstellung seiner Versorgungsspannung. Wie für Triacschaltungen üblich wird der Steuerschaltkreis mit einer negativen Betriebsspannung versorgt, um den Triac mit herausfließendem Strom zünden zu können („günstige“ Steuerquadranten).

Die Stromversorgung erfolgt mittels kapazitivem Blindwiderstand C₁ und C₂, unverändert aus der alten Schaltung, sowie Einweggleichrichtung mittels D₂ und D₃. Der Rest ist Siebung und Stabilisierung. Die Versorgung ist für den Betrieb an 230 V oder 400 V Wechselspannung dimensioniert.

Alle Bedienelemente sowie der Triac sind weitestgehend direkt an den Mikrocontroller angeschlossen. Es genügt ein 8-beiniger ATtiny13, der mit seinen drei A/D-Wandlern die Lage der beiden Potenziometer sowie die Spannung über dem Triac misst.

Neu ist die Piezokapsel, mit der eine akustisches Signal im Fehlerfall abgegeben wird. Genügend laut sind solche aus Rauchmeldern (da muss noch eine Schaltung dazu.)

Der Aufbau erfolgte kurzerhand auf der alten Platine, durch Entfernung aller nicht mehr benötigten Bauelemente (also fast alles) und geschicktes Platzieren der neuen Bauteile. Die Potenziometerwerte sind unkritisch, sollten nur ≥ 10 kΩ haben.

 

Das Bedienteil wurde neu verdrahtet. Änderungen ergeben sich insbesondere durch die ratiometrische Arbeitsweise der Potenziometer, die nun als Spannungsteiler arbeiten. Im wesentlichen wurde die Anschlussbelegung am 14-poligen Steckverbinder beibehalten.