Soudage électrique quart d'onde. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique

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Les opérateurs de radio amateur à ondes courtes et quiconque s'est déjà sérieusement intéressé à la communication radio sait que les ondes stationnaires à des niveaux de puissance élevés sont un mal sans ambiguïté. Une fois établies dans le chemin de transmission de puissance RF, les ondes stationnaires peuvent causer beaucoup de problèmes. Par exemple, désactivez l'amplificateur de puissance, brûlez le câble de l'antenne, brûlez le relais d'antenne, etc.

Je vais vous raconter une histoire. Une fois, j'avais besoin d'un morceau de câble coaxial 75 ohms de 2 m de long exactement, j'ai gardé une bobine de câble d'un seul tenant de 30 m de long, j'ai coupé le morceau souhaité, coupé les extrémités, vérifié la casse de l'âme centrale avec un ohmmètre. J'ai décidé que puisque la pièce est du bout de la baie, elle peut être cassée. Encore une fois, il a coupé le morceau nécessaire, l'a massacré, l'a vérifié - encore une fois la rupture du noyau central. J'ai pensé que c'était un câble usagé, qui traînait quelque part dans la salle de contrôle, et qu'il aurait pu être piétiné. L'autre extrémité du câble doit être à l'antenne, il n'y a personne pour y piétiner. Coupez un morceau de l'autre extrémité de la baie. La même chose - une rupture dans la veine centrale. Ma patience s'est brisée, j'ai transporté toute la baie dans la cour et j'ai commencé à la couper. Ayant coupé la baie en 17 morceaux et n'en ayant pas reçu un seul bon, j'ai décidé d'aller au magasin et d'acheter un nouveau câble.

Sur le chemin, j'ai pensé à la façon dont vous pouvez brûler le câble en même temps dans de nombreux endroits. Au courant continu, le circuit brûle généralement dans l'un, l'endroit le plus faible, d'autres endroits après cela ne brûlent plus. De retour à la maison avec un nouveau câble, j'ai décidé de retirer toute la tresse en morceaux de l'ancien câble. Après cela, des endroits sombres et des ruptures de fil de 24 mm étaient visibles à travers l'isolant translucide. Le diamètre de l'âme centrale du câble RK-75-4-11 est de 0,72 mm, pour brûler un tel fil, il faut un courant de 21 A. Les lieux de brûlures étaient localisés avec une certaine fréquence - un peu moins de 1 m.

Plus tard, j'ai réussi à découvrir que le câble endommagé était utilisé dans le cadre d'une station de radio 54 MHz. La longueur d'onde dans le câble était de 3,66 m (en tenant compte du facteur de raccourcissement de 1,52). Et puis je me suis rendu compte que le câble était "coupé" en segments quart d'onde de 0,915 m.Je n'ai pas trouvé d'explication claire à cet effet dans la littérature. Et puis j'ai trouvé un modèle adapté, que je propose ci-dessous.

Prérequis initiaux (les symboles sont représentés sur la Fig. 1) :

1) une ligne coaxiale idéale avec une distribution uniforme des paramètres sur la longueur en mode de rupture de charge ;

2) l'isolation entre l'âme centrale et la tresse est idéalement électriquement résistante et ne peut être percée par aucune tension ;

3) le noyau central a une petite résistance ohmique et a la capacité d'augmenter la résistance à l'endroit du chauffage, un noyau uniformément chauffé a une résistance uniformément répartie sur toute la longueur;

4) le noyau central peut être brûlé avec un courant élevé dans un endroit préchauffé, à cet endroit une capsule est formée, remplie de vapeurs du métal du noyau;

5) la capsule sur le site de l'épuisement perce et est ionisée par une tension accrue, l'ionisation persiste longtemps dans la capsule et sa conductivité augmente avec l'augmentation du courant dans le gaz ionisé (arc) et le dégagement de chaleur. Des pannes répétées se produisent à une tension beaucoup plus faible que les pannes primaires.

La figure 1 a, b montre les graphiques de la répartition des tensions et des courants sur la longueur de la ligne en mode désadaptation extrême (coupure de charge ou court-circuit - les graphiques sont décalés de λ / 4). Dans ce cas, les maxima sont appelés ventres et les valeurs nulles sont appelées nœuds. La figure 1c montre une longue ligne coaxiale idéalisée en mode onde stationnaire (à la rupture de charge), où les ventres de courant et de tension sont représentés sous forme de symboles. Ils alternent avec une période de λ/4 à partir de l'extrémité de sortie, puisqu'il y a une réflexion complète de l'onde. La ligne est alimentée par un générateur adapté à la ligne de transport d'électricité. Aux ventres du courant, un échauffement uniforme des tronçons de ligne se produit. Dans ce cas, la résistance augmente dans cette zone et le noyau peut fondre et une capsule remplie de vapeurs métalliques peut se former. En réalité, en raison de la distribution inégale des paramètres du câble, la fusion du noyau central ne peut pas se produire simultanément dans tous les ventres de courant.

Par conséquent, nous introduisons une inhomogénéité dans la ligne. Une telle hétérogénéité peut être un défaut de fabrication (une diminution de la section de l'âme à un certain endroit, une bosse, une inclusion). Ainsi, par exemple, dans le ventre 3λ/4 de l'extrémité ouverte de la ligne, une brûlure s'est produite (Fig. 2a) et une capsule remplie de vapeur métallique s'est formée. Une telle rupture de ligne est perçue comme une rupture de charge, le ventre de la tension est décalé de λ/4, c'est-à-dire à l'endroit de la première pause et fait une panne primaire (Fig. 2, b). L'ionisation dans la capsule augmente et la résistance diminue en raison de la combustion de l'arc. Le ventre de tension se décale à nouveau de λ/4, et le ventre de courant se déplace à sa place, rétablissant la conductivité dans l'entrefer, c'est-à-dire à cet endroit, l'arc plasma restaure la conductivité du noyau. Mais puisque l'extrémité de chargement de la ligne est ouverte, l'onde stationnaire est restaurée dans sa forme précédente (Fig. 2, c).

La température à l'emplacement de la section ainsi restaurée augmente et, du fait du transfert de chaleur, elle augmente la résistance de l'âme dans les sections voisines. Dans les ventres de courant voisins, une chaleur accrue est libérée, ce qui entraîne la combustion du noyau à droite et à gauche de λ / 4 à partir du lieu du premier dommage, et le ventre de tension est déplacé vers ces endroits Fig. 2, c. Il y a une rupture primaire des lacunes, leur chauffage et une forte ionisation dans les capsules formées.

À ce moment, l'arc précédemment allumé est maintenu soit par le courant, soit par la tension (alternativement lorsque les dommages de ligne suivants se produisent), et il y a un échauffement accru dans les sections voisines jusqu'à la fusion, puis le processus se développe, comme illustré à la Fig. 2, g-g sur toute la longueur du câble.

On voit que l'onde stationnaire transfère de l'énergie (mais pas dans la charge) et la restitue sur les "charges" qu'elle organise, disposées au pas de λ/4, sous forme de fusion du noyau central. De plus, à une puissance de générateur relativement faible, de très grandes valeurs de courant et de tension apparaissent dans les ventres. L'addition de ces valeurs fractionnées se produit en raison de l'inertie des espaces ionisés (l'ionisation dans les capsules est conservée assez longtemps). Dans le cas considéré ci-dessus avec le câble RK-75-11 avec 18 dommages avec un écart moyen de 3 mm, un tel écart total était d'environ 50 mm.

Il est possible d'utiliser l'énergie d'une onde stationnaire si les lieux de formation des ventres sont éloignés de la ligne de transport d'énergie jusqu'à ses extrémités. Par conséquent, nous considérons la ligne quart d'onde séparément. La figure 3a montre une telle ligne, adaptée à la source d'alimentation et à la charge. C'est ce qu'on appelle le transformateur de ligne quart d'onde, qui transforme l'impédance de charge en impédance d'entrée de ligne. Considérons maintenant les modes de désadaptation extrêmes dans le cadre du modèle proposé précédemment et remplaçons la charge par un circuit de soudage constitué d'un porte-électrode et d'une électrode en forme de pièce soudée en clé avec ionisation de l'entrefer entre les contacts.

La figure 3b montre le cas d'une rupture de charge lorsque les électrodes sont séparées d'une distance à laquelle l'arc se rompt, puis la tension à l'extrémité de l'électrode forme un ventre avec claquage ultérieur de l'entrefer, la décharge du ventre et la formation d'un nuage ionisé.

La figure 3c montre le cas d'une fermeture de charge, dans laquelle l'arc est éteint et l'électrode "colle" sur la pièce à souder. Dans ce cas, la tension tombe à zéro (théoriquement), mais le courant d'électrode atteint des valeurs très élevées et brûle le pont de fermeture, puis fait fondre intensément l'électrode jusqu'à ce que le mode normal soit atteint.

La figure 3d montre le cas du mode normal, c'est le cas classique de la transmission de puissance en mode onde progressive à charge adaptée, et les conditions d'adaptation nous sont également connues. On sait que l'arc brûle à une tension d'environ 20 V et que son courant est déterminé par la section transversale de l'électrode utilisée. En divisant la tension par le courant selon la loi d'Ohm, on obtient la résistance de charge, qui doit être égale à la résistance d'onde de la ligne. Il est à noter que pour les câbles coaxiaux standards cette résistance est faible et des câbles spéciaux doivent être développés. Il sera nécessaire d'augmenter la section de l'âme centrale du câble, car à des courants inférieurs à 40 A, l'arc brûle de manière instable et ne crée pas une température suffisante pour faire fondre l'acier.

Parmi les moments facilitant la conception, il convient de noter ce qui suit. Un transformateur quart d'onde crée des conditions presque idéales pour amorcer et brûler un arc, ce qui équivaut à une caractéristique en forte baisse dans les transformateurs de soudage conventionnels, ce qui est généralement réalisé en transférant le point de fonctionnement du transformateur à la limite de saturation du noyau, ce qui est extrêmement peu économique et crée d'énormes interférences dans le réseau d'éclairage (lorsque le noyau d'un TC conventionnel est saturé, les impulsions de courant de l'enroulement primaire atteignent des centaines d'ampères, la puissance thermique générée est mesurée en kilowatts).

Avec le soudage électrique quart d'onde, l'arc est maintenu en alternant et en combinant les trois modes de fonctionnement de la ligne quart d'onde, puisque le circuit de soudage est alimenté à partir d'une source d'alimentation, il faudra très probablement le faire via un transformateur d'adaptation d'un générateur fonctionnant à des fréquences plus élevées. À l'aide d'un tel transformateur quart d'onde, il est possible d'exclure le mode de fermeture de la charge du générateur, ce qui permettra l'utilisation de circuits à transistors de convertisseurs. Le fait est qu'un court-circuit dans la charge connectée via un transformateur quart d'onde est transmis à l'entrée de ligne sous la forme d'une résistance élevée. Mais lorsque le circuit de soudage est interrompu, la charge du générateur est similaire à un court-circuit. Mais nous avons une énorme marge de tension sur les électrodes. Cette tension doit être limitée à un certain niveau pour des raisons de sécurité. En limitant la tension sur les électrodes de soudage ouvertes, nous réduisons simultanément la charge de pointe sur le générateur et pouvons construire un système optimisé avec une puissance de seulement quelques centaines de watts, similaire en efficacité à une machine de plusieurs kilowatts dans une implémentation classique.

Théoriquement, il existe la possibilité d'un soudage électrique quart d'onde à une fréquence de 50 Hz, mais en pratique, cela coûte très cher. Par conséquent, la fréquence doit être portée à au moins quelques mégahertz. En général, plus la fréquence est élevée, plus la conception peut être simple et compacte, mais l'effet de peau commence à apparaître, ce qui réduira la profondeur de soudage et, au micro-ondes, il se transformera en "générateur de feux d'artifice".

Je suggère le soudage électrique quart d'onde uniquement pour les tôles, auquel cas il peut remplacer les appareils de type KEMP.

L'effet de peau est utile en ce qu'il est capable de nettoyer la surface métallique des films d'oxyde. Ce film est généralement diélectrique et a une structure cristalline, et en dessous se trouve une zone de résistance accrue pour les courants de surface, ce qui provoquera un échauffement local sous le film et à ses limites, et la différence de température détruira la structure du film d'oxyde (le film s'écaillera de la surface métallique), ce qui peut être une alternative aux flux pour les électrodes de soudage.

Parlant de mise en œuvre pratique, il convient de noter que la longueur physique d'une ligne quart d'onde dans une version coaxiale a un raccourcissement important (contrairement aux fils torsadés), et les câbles de soudage agissent comme une boucle d'accord qui prolonge la ligne de sorte que le segment quart d'onde se termine juste à la fin de l'électrode de soudage.

Dans l'inclusion habituelle d'une ligne coaxiale (Fig. 4, a), son impédance d'onde ρ est égale à l'impédance d'onde du câble Z. Il est souhaitable de réduire l'impédance d'onde de la ligne de câble (utilisez, par exemple, des câbles standard de 50 ohms). Si vous connectez la tresse de câble parallèlement au noyau central, comme illustré à la Fig. 4, b, vous pouvez réduire la résistance de ligne de 2 fois.

La tresse de câble a généralement une section importante pour le cuivre, dépassant la section du noyau central, bien que les courants qui les traversent soient les mêmes. Je suggère d'utiliser la tresse de câble comme enroulement secondaire du transformateur de sortie du générateur. Vous pouvez combiner le transformateur de sortie du générateur et un transformateur quart d'onde sur la ligne (Fig. 4, c), c'est-à-dire que vous pouvez simplement enrouler l'enroulement secondaire avec un câble coaxial qui constitue une ligne quart d'onde. Puisque le circuit de la Fig. 4c est résonant, on peut s'attendre au transfert de l'énergie du champ magnétique du transformateur générateur au champ électromagnétique de la ligne coaxiale.

La figure 4d montre un schéma de l'inclusion habituelle d'une ligne quart d'onde. Ici, la charge du transformateur sur la tresse de câble peut être obtenue en appliquant la résistance de charge R, ainsi que la conception de câble précédemment considérée. Ce qui est particulièrement pratique dans cette conception, c'est qu'une extrémité de la ligne est bouchée, mais elle devra très probablement être refroidie.

Auteur : Yu.P.Sarazh

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