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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Saldatura elettrica a quarto d'onda. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / attrezzatura per saldatura I radioamatori a onde corte e chiunque sia mai stato seriamente interessato alle comunicazioni radio sanno che le onde stazionarie ad alti livelli di potenza sono chiaramente malvagie. Una volta stabilite nel percorso di trasmissione della potenza RF, le onde stazionarie possono causare molti problemi. Ad esempio, danneggiare l'amplificatore di potenza, bruciare il cavo dell'antenna, bruciare il relè dell'antenna, ecc. Ti racconterò questa storia. Un giorno mi serviva un pezzo di cavo coassiale da 75 ohm lungo esattamente 2 metri, ho conservato una bobina di cavo in un unico pezzo lungo 30 metri, ho tagliato il pezzo necessario, ho separato le estremità e ho controllato la rottura del nucleo centrale con un ohmmetro. Ho deciso che, poiché il pezzo proveniva dall'estremità della baia, poteva essere rotto. Ancora una volta ho tagliato il pezzo richiesto, l'ho tagliato, l'ho controllato: ancora una volta c'era una rottura nel nucleo centrale. Pensavo che si trattasse di un cavo usato che giaceva da qualche parte nella sala di controllo e che avrebbe potuto essere calpestato. L'altra estremità del cavo dovrebbe essere all'antenna, non c'è nessuno da calpestare lì. Ho tagliato un pezzo dall'altra estremità della baia. La stessa cosa: una rottura nel nucleo centrale. La mia pazienza è finita, ho portato l'intera baia nel cortile e ho iniziato a tagliarla. Avendo tagliato la bobina in 17 pezzi e non avendone ottenuto uno adatto, ho deciso di andare al negozio e acquistare un nuovo cavo. Lungo la strada ho pensato a come bruciare il cavo in molti posti contemporaneamente. Con corrente continua, il circuito di solito si brucia in uno, il punto più debole, gli altri punti dopo non bruciano più. Tornando a casa con un cavo nuovo, ho deciso di togliere l'intera treccia in pezzetti del vecchio cavo. Successivamente, attraverso l'isolamento traslucido, erano visibili punti oscurati e rotture del filo di 24 mm. Il diametro del nucleo centrale del cavo RK-75-4-11 è 0,72 mm, per bruciare un filo del genere è necessaria una corrente di 21 A. I punti di ustione sono stati localizzati con una certa frequenza, leggermente inferiore superiore a 1 m. Successivamente ho potuto scoprire che il cavo danneggiato veniva utilizzato come parte di una stazione radio a 54 MHz. La lunghezza d'onda nel cavo era di 3,66 m (tenendo conto del fattore di accorciamento di 1,52). E poi mi sono accorto che il cavo era “tagliato” in sezioni di quarto d'onda di 0,915 m ciascuna e non sono riuscito a trovare in letteratura una spiegazione chiara di questo effetto. E poi mi è venuto in mente un modello adatto, che vi propongo di seguito.
Prerequisiti iniziali (i simboli sono mostrati in Fig. 1): 1) una linea coassiale ideale con una distribuzione uniforme dei parametri lungo la lunghezza nella modalità di rottura del carico; 2) l'isolamento tra il nucleo centrale e la treccia è idealmente elettricamente resistente e non può essere interrotto da alcuna tensione; 3) il nucleo centrale ha una piccola resistenza ohmica e ha la capacità di aumentare la resistenza nel luogo di riscaldamento, un nucleo riscaldato uniformemente ha una resistenza distribuita uniformemente su tutta la lunghezza; 4) il nucleo centrale può essere bruciato da una corrente elevata in un luogo preriscaldato, in questo luogo si forma una capsula piena di vapore dal metallo del nucleo; 5) la capsula nel punto di esaurimento si rompe e viene ionizzata dall'aumento della tensione, la ionizzazione persiste a lungo nella capsula e la conduttività al suo interno aumenta all'aumentare della corrente nel gas ionizzato (arco) e al rilascio di calore. Guasti ripetuti si verificano a tensioni molto inferiori rispetto a quelle primarie. Le Figure 1 a, b mostrano i grafici della distribuzione di tensioni e correnti lungo la lunghezza della linea nella modalità di disadattamento estremo (interruzione del carico o cortocircuito - i grafici sono spostati di λ / 4). In questo caso, i massimi sono chiamati antinodi e i valori zero sono chiamati nodi. La Figura 1c mostra una lunga linea coassiale idealizzata nella modalità onda stazionaria (alla rottura del carico), dove gli antinodi di corrente e tensione sono mostrati come simboli. Si alternano con un periodo λ/4 a partire dall'estremità di uscita, poiché si ha una riflessione completa dell'onda. La linea è alimentata da un generatore accoppiato alla linea di trasmissione elettrica. Agli attuali antinodi si verifica un riscaldamento uniforme delle sezioni della linea. In questo caso, la resistenza aumenta in questa zona e il nucleo può fondersi e può formarsi una capsula piena di vapori metallici. In realtà, a causa della distribuzione non uniforme dei parametri del cavo, la fusione del nucleo centrale non può avvenire contemporaneamente in tutti gli antinodi attuali.
Pertanto, introduciamo l'eterogeneità nella linea. Tale eterogeneità può essere un difetto di fabbricazione (una diminuzione della sezione trasversale del nucleo in un determinato punto, un'ammaccatura, un'inclusione). Quindi, ad esempio, nell'antinodo 3λ/4 dall'estremità aperta della linea, si è verificata un'ustione (Fig. 2a) e si è formata una capsula piena di vapore metallico. Una tale interruzione della linea viene percepita come un'interruzione del carico, l'antinodo della tensione viene spostato di λ/4, cioè al punto della prima rottura e fa una rottura primaria (Fig. 2, b). La ionizzazione nella capsula aumenta e la resistenza diminuisce a causa della combustione dell'arco. L'antinodo di tensione viene nuovamente spostato di λ/4, e l'antinodo di corrente viene spostato al suo posto, ripristinando la conduttività nell'interstizio, cioè in questo luogo l'arco plasma ripristina la conduttività del nucleo. Ma poiché l'estremità di carico della linea è aperta, l'onda stazionaria viene ripristinata nella sua forma precedente (Fig. 2, c). La temperatura nel sito della sezione così ripristinata aumenta e, a causa dello scambio termico, aumenta la resistenza del nucleo nelle sezioni vicine. Negli antinodi di corrente vicini, viene rilasciato un aumento di calore, che porta alla combustione del nucleo a destra e a sinistra di λ / 4 dal punto del primo danno, e l'antinodo di tensione viene spostato in questi luoghi Fig. 2, c. Nelle capsule formate si verifica una rottura primaria degli spazi vuoti, il loro riscaldamento e una forte ionizzazione. A questo punto, l'arco precedentemente acceso viene mantenuto tramite corrente o tensione (alternativamente quando si verificano i successivi danni alla linea), e si verifica un aumento del riscaldamento nelle sezioni vicine fino alla fusione, e quindi il processo si sviluppa, come mostrato in Fig. 2, g-g lungo tutta la lunghezza del cavo. Vediamo che l'onda stazionaria trasferisce energia (ma non nel carico) e la rilascia sui “carichi” da essa organizzati, disposti con passo λ/4, sotto forma di fusione del nucleo centrale. Inoltre, con una potenza del generatore relativamente bassa, negli antinodi si verificano valori molto grandi di corrente e tensione. L'aggiunta di questi valori suddivisi avviene a causa dell'inerzia delle lacune ionizzate (la ionizzazione nelle capsule viene mantenuta per un tempo piuttosto lungo). Nel caso sopra considerato con il cavo RK-75-11 con 18 danni con uno spazio medio di 3 mm, tale spazio totale era di circa 50 mm.
Puoi usare l'energia di un'onda stazionaria se sposti i luoghi in cui si formano gli antinodi dalla linea di trasmissione dell'energia alle sue estremità. Pertanto, considereremo separatamente la linea del quarto d'onda. La Figura 3a mostra una linea di questo tipo abbinata alla fonte di alimentazione e al carico. Si tratta di un cosiddetto trasformatore a quarto d'onda sulla linea, che trasforma la resistenza di carico nella resistenza di ingresso della linea. Considereremo ora le modalità di disadattamento estremo nell'ambito del modello precedentemente proposto e sostituiremo il carico con un circuito di saldatura costituito da un portaelettrodo e un elettrodo sotto forma di parte saldata come chiave con ionizzazione dello spazio tra i contatti. La figura 3b mostra il caso di rottura del carico quando gli elettrodi sono separati da una distanza alla quale si rompe l'arco, quindi la tensione all'estremità dell'elettrodo forma un antinodo con conseguente rottura del gap, scarica dell'antinodo e formazione di una nuvola ionizzata. La figura 3c mostra il caso di chiusura del carico, in cui l'arco è spento e l'elettrodo "si incolla" sul pezzo da saldare. In questo caso, la tensione scende a zero (in teoria), ma la corrente dell'elettrodo raggiunge valori molto elevati e brucia il ponte di chiusura, quindi scioglie intensamente l'elettrodo fino al raggiungimento della modalità normale. La Figura 3d mostra il caso della modalità normale, questo è il classico caso di trasmissione di potenza in modalità onda progressiva su un carico adattato, e anche le condizioni di adattamento ci sono note. È noto che l'arco brucia ad una tensione di circa 20 V e la corrente al suo interno è determinata dalla sezione trasversale dell'elettrodo utilizzato. Dividendo la tensione per la corrente secondo la legge di Ohm, otteniamo la resistenza di carico, che dovrebbe essere uguale all'impedenza caratteristica della linea. Va notato che per i cavi coassiali standard questa resistenza è bassa e devono essere progettati cavi speciali. Sarà necessario aumentare la sezione del nucleo centrale del cavo, poiché a correnti inferiori a 40 A l'arco brucia in modo instabile e non crea una temperatura sufficiente per fondere l'acciaio. È opportuno tenere presente i seguenti punti per facilitare la progettazione. Un trasformatore a quarto d'onda crea condizioni quasi ideali per l'eccitazione e la combustione dell'arco, equivalenti alla caratteristica di forte caduta nei trasformatori di saldatura convenzionali, che di solito viene realizzata trasferendo il punto operativo del trasformatore al limite di saturazione del nucleo, che è estremamente antieconomico e crea enormi interferenze nella rete di illuminazione (quando il nucleo di un TA convenzionale è saturo, gli impulsi di corrente dell'avvolgimento primario raggiungono centinaia di ampere, la potenza termica generata viene misurata in kilowatt). Nella saldatura elettrica a quarto d'onda, l'arco viene mantenuto alternando e combinando tutte e tre le modalità operative della linea a quarto d'onda, poiché molto probabilmente il circuito di saldatura dovrà essere alimentato da una fonte di alimentazione tramite un trasformatore di adattamento da un generatore funzionante a frequenze più alte. Utilizzando un trasformatore a quarto d'onda, è possibile eliminare la modalità di cortocircuito del carico del generatore, che consentirà l'uso di circuiti convertitori a transistor. Il fatto è che un cortocircuito nel carico collegato tramite un trasformatore a quarto d'onda viene trasmesso all'ingresso della linea sotto forma di alta resistenza. Ma se il circuito di saldatura si rompe, il carico del generatore è simile a un cortocircuito. Ma abbiamo un'enorme riserva di tensione sugli elettrodi. Questa tensione deve essere limitata ad un certo livello per motivi di sicurezza. Limitando la tensione sugli elettrodi di saldatura aperti, riduciamo contemporaneamente il carico di picco sul generatore e possiamo costruire un sistema ottimizzato con una potenza di sole poche centinaia di watt, simile in termini di efficienza a una macchina da più kilowatt in un'implementazione classica. Teoricamente è possibile utilizzare la saldatura elettrica a quarto d'onda ad una frequenza di 50 Hz, ma in pratica è molto costosa. Pertanto, la frequenza dovrebbe essere aumentata ad almeno diversi megahertz. In generale, maggiore è la frequenza, più semplice e compatto può essere il design, ma inizia a comparire l'effetto pelle, che ridurrà la profondità di saldatura, e nel microonde si trasformerà in un “generatore di fuochi d'artificio”. Consiglio la saldatura elettrica a quarto d'onda solo per materiale in lamiera, in questo caso può sostituire i dispositivi tipo KEMP. L'effetto pelle è utile in quanto è in grado di pulire la superficie metallica dalle pellicole di ossido. Questo film è solitamente dielettrico e ha una struttura cristallina, e sotto di esso appare un'area di maggiore resistenza alle correnti superficiali, che causerà un riscaldamento locale sotto il film e ai suoi confini, e la differenza di temperatura distruggerà la struttura del film. pellicola di ossido (la pellicola si scheggia dalla superficie metallica), che può essere un'alternativa ai flussi per elettrodi di saldatura. Parlando di implementazione pratica, va notato che la lunghezza fisica della linea a quarto d'onda nella versione coassiale è notevolmente ridotta (a differenza dei fili intrecciati), e i cavi di saldatura agiscono come un cavo di sintonizzazione, estendendo la linea in modo che il quarto d'onda il segmento d'onda termina esattamente all'estremità dell'elettrodo di saldatura.
Nella consueta inclusione di una linea coassiale (Fig. 4, a), la sua impedenza d'onda ρ è uguale all'impedenza d'onda del cavo Z. È auspicabile ridurre l'impedenza d'onda della linea del cavo (utilizzare, ad esempio, standard cavi da 50 ohm). Se colleghi la treccia del cavo parallelamente al nucleo centrale, come mostrato in Fig. 4, b, puoi ridurre la resistenza della linea di 2 volte. La treccia del cavo ha solitamente una sezione di rame significativa, superiore alla sezione del nucleo centrale, sebbene le correnti che la attraversano siano le stesse. Suggerisco di utilizzare la treccia del cavo come avvolgimento secondario del trasformatore di uscita del generatore. Puoi combinare sulla linea il trasformatore di uscita del generatore e un trasformatore a quarto d'onda (Fig. 4, c), ovvero puoi semplicemente avvolgere l'avvolgimento secondario con un cavo coassiale, che costituisce la linea a quarto d'onda. Poiché il circuito di Fig. 4c è risonante, possiamo aspettarci che l'energia del campo magnetico del trasformatore del generatore venga trasferita al campo elettromagnetico della linea coassiale. La Figura 4d mostra uno schema del consueto collegamento di una linea a quarto d'onda. In questo caso, il carico del trasformatore lungo la treccia del cavo può essere ottenuto utilizzando il resistore di carico R, oltre al design del cavo discusso in precedenza. Ciò che è particolarmente conveniente in questo design è che un'estremità della linea è collegata, ma molto probabilmente dovrà essere raffreddata. Autore: Yu.P.Sarazh
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