Schalterdimensionierung: MOSFETs und 10000 A:

Überschlägig wird angenommen dass die Widerstände die den Strom begrenzen ca. 5 mOhm sind. Also für Innenwiderstand des Kondensator +Leitungen +Schalter +Kontakte. Bei 50 V Spannung am Kondensator ergibt sich dann ein Entladestrom von ca. 10 kA. Der Schalter muss das nicht als Dauerlast können. Bei Schweissungen im Sekundentakt ist das Einschaltverhältnis ~1:100000, Also genügend Zeit zur Abkühlung der Siliziums, man kann von 25 °C ausgehen. Für Spannungen zwischen 55 V und 75 V eignen sich IRF-MOSFET-Typen mit einer Belastbarkeit von 75 A bis 270 A. Der IRFB3077 ist das wirtschaftliche Optimum zur Erreichung eines niedrigen Innenwiderstandes. Er kann dauerhaft 210 A. bei 3 mOhm Ri. 12 Stück kosten knapp 20 EUR und können nominell 2,5 kA Dauerlast.

Die 12 MOS-Fets haben zusammen eine beachtliche Eingangskapazität. Nahe 0 V habe ich zusammen ca. 220 nF gemessen. Der Innenwiderstand der Treiberschaltung muss also entsprechend niedrig sein, damit der Schaltvorgang schnell ist. Das ist notwendig, da nur im Schaltbetrieb diese Fets einfach parallel geschaltet werden dürfen. Der Treiber ist hier einfach ein mechanischer Schalter mit dem die 48 V des Ladekondensators auf das Gate gelegt wird. Dazu begrenzt ein Vorwiderstand in Kombination mit einer Zehnerdiode die Gatespannung auf 18 V. Dies alleine schaltet aber nicht schnell genug, weshab dem Widerstand noch ein Kondensator parallel geschaltet wird.

Auswahl der Kondensatoren

Bei 12 V Spannung wäre der wirtschaftlichste Kondensator ein 2 F für Auto-HiFi. Leider gibt es dafür keine brauchbaren Datenblätter. Es kann also nicht abgeschätzt werden wie geeignet die wirkich sind. Generell ist es wohl besser mehrere Kondensatoren parallel zu schalten als einen einzelnen grossen zu verwenden. Für höhere Spannungen bieten sich LowESR Elkos an. Jamicon hat hier 6800 uF Typen die sehr günstig zu haben sind. Mit 15 Stück hat man 0,1 mF, die kosten dann ca. 20 EUR.

Die Elektroden

Das Elektrodenmaterial der Wahl ist laut Literatur Kupfer. Danmit kann man Stahl, Nickel etc. schweissen. Da diese Elektroden verschleissen müssen sie also wechselbar sein. Deshalb sind diese aus Standard 4 mm² Kabel gemacht, leicht zu beschaffen und günstig. Die Klemmhalterung für diese Drähte muss kräftig sein, um nicht nur guten Kontakt zu gewährleisten sondern auch die erforderliche Kraft auf die Werkstücke zu übertragen. Die Drähte müssen etwas angespitzt werden so dass eine rundliche oder flache Spitze mit ca 1 mm Durchmesser entsteht. Für grössere Flächen ist die Energie nicht ausreichend, kleinere Flächen führen sofort zum Abbrand. Eine Klemmhalterung hat einen Schalter zum Starten.

Die Stromversorgung

48 V wird aus einem ganz konventionellen 60 W Trafo+Brückengleichrichter bereit gestellt.

Der Schweissvorgang

Die Spannung am Kondensator sinkt mit dem Beginn des Schweissvorgangs mit 70 kV/s, was einem gemessenen Strom von 7140 A entspricht und einer Leistung von 340 kW. Nach nur einer Millisekunde ist die Energie komplett umgesetzt.

Wichtig ist eine kräftige Kraft auf die Elektroden und Werkstücke. Zu geringe Kraft oder auch Verschmutzungen, Oxydschichten etc führen sehr lautstark zu Brandlöchern und Spritzern. Der Schweissvorgang funktioniert nur, weil die Metalle einen positiven Temperaturkoeffizienten haben. Bei Eisen und Nickel sind das 6E-3/K, also bei ~500 °C ist der Wert also schon verdreifacht. Der Schweisstrom erwärmt die Schweissstelle anfangs stark weil der Entladestrom in wenigen µs ein Maximum erreicht. In dieser Anfangsphase ist der Wirkungsgrad sehr schlecht, ein Grossteil der Energie geht in innere Verluste der Kondensatoren und Kabel. Mit steigender Temperatur wird aber der Widerstand der Schweisstelle grösser, damit wir mehr Leistung jetzt hier umgesetzt und der Temperaturanstieg wird beschleunigt.

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