انواع برد الکترونیکی در دستگاه‌ های جوش اینورتر

مقدمه

دستگاه‌ های جوش اینورتری، با بهره ‌گیری از فناوری‌ های پیشرفته الکترونیک قدرت، تحولی شگرف در صنعت جوشکاری ایجاد کرده ‌اند. این دگرگونی، به طور عمده، مرهون طراحی و به‌کارگیری بردهای الکترونیکی پیچیده ‌ای است که امکان کنترل دقیق، سریع و بهینه پارامتر های جوشکاری را فراهم می‌ آورند. قابلیتی که در دستگاه‌ های جوش سنتی مبتنی بر ترانسفورماتور های حجیم، به سادگی امکان‌پذیر نبود. برخلاف نسلهای پیشین دستگاه‌ های جوش که با وزن زیاد، ابعاد بزرگ و راندمان پایین شناخته می ‌شدند ، اینورترها به لطف بردهای الکترونیکی پیشرفته، به دستگاه‌ هایی سبکتر، با مصرف انرژی کمتر و قابلیت حمل آسان‌تر تبدیل شده ‌اند.

بردهای الکترونیکی در دستگاه ‌های جوش اینورتر، وظایف حیاتی متعددی از جمله تبدیل فرکانس و ولتاژ برق شهر، یکسوسازی جریان، کنترل بسیار دقیق جریان و ولتاژ خروجی، و همچنین حفاظت از دستگاه در برابر شرایط نامطلوب عملکردی را بر عهده دارند. این قابلیت کنترل دقیق پارامترها، منجر به بهبود چشمگیر کیفیت جوش، کاهش میزان پاشش (spatter)، و فراهم آوردن امکان جوشکاری طیف وسیع‌ تری از مواد و ضخامت‌ ها می‌ شود.

 پیشرفت در این حوزه، ترکیبی از فناوری نیمه‌ هادی ‌های قدرت (مانند MOSFET و IGBT)، تکنیک‌ های کنترل دیجیتال و طراحی مدارهای چاپی پیشرفته است که دستگاه‌ های جوش را به ابزارهایی کوچکتر، سبکتر، با راندمان بالاتر و قابلیت کنترل بسیار بیشتر تبدیل کرده است. این گزارش به بررسی جامع انواع بردهای الکترونیکی، قطعات کلیدی، عملکردها و تأثیر آنها بر فرآیند جوشکاری در دستگاه‌های جوش اینورتر می‌ پردازد.

آشنایی با انواع بردهای الکترونیکی در دستگاه جوش

در ساختار یک دستگاه جوش اینورتر، مجموعه ‌ای از بردهای الکترونیکی تخصصی به کار گرفته می‌ شوند که هر یک وظایف مشخصی را در راستای عملکرد کلی و بهینه دستگاه ایفا می ‌کنند.

برد کنترل 

برد کنترل، مغز دستگاه جوش اینورتر است و وظیفه پردازش، مدیریت و هماهنگی عملیات دستگاه را بر عهده دارد. این برد سیگنال ‌های ورودی از پنل کاربری و سنسورها را دریافت کرده و پارامترهای کلیدی جوشکاری مانند جریان، ولتاژ و فرکانس پالس را تنظیم و کنترل می‌ کند. همچنین، عملکرد سایر بردها را مدیریت و سیستم‌های حفاظتی را فعال می‌نماید. این برد معمولاً شامل میکروکنترلرها، آی ‌سی ‌های درایور و قطعات دقیق دیگر است.

برد تغذیه

برد تغذیه، ولتاژهای DC پایدار و رگوله‌ شده را برای تمامی بخش ‌های الکترونیکی دستگاه تأمین می ‌کند. این برد، برق ورودی AC شهر را به ولتاژ DC بالا (حدود ۳۰۰-۳۱۰ ولت) برای طبقه اینورتر و ولتاژهای DC پایین ‌تر (مانند ۲۴ ولت) برای برد کنترل، فن، رله‌ ها و نمایشگر تبدیل می‌ کند. این برد شامل بخش ورودی/اولیه (یکسوسازی و صاف‌سازی) و بخش تغذیه سوئیچینگ کمکی (برای ولتاژهای پایین ‌تر) است.

برد میانی دیودی / برد یکسوساز خروجی / برد قدرت (بخش خروجی)

این برد، پس از ترانسفورماتور کاهنده فرکانس بالا قرار گرفته و جریان متناوب (AC) فرکانس بالا را به جریان مستقیم (DC) با ولتاژ پایین و شدت جریان بالا برای جوشکاری تبدیل می‌ کند. این برد همچنین شامل اجزای فیلترینگ مانند سلف و خازن ‌های خروجی برای صاف کردن جریان DC نهایی است. تعداد دیودهای قدرت در این برد (مانند بردهای ۸، ۱۲ یا ۱۶ دیودی) به جریان خروجی دستگاه بستگی دارد.

برد رکتیفایر ( ورودی)

برد رکتیفایر ورودی، بخشی از برد تغذیه اولیه است که برق AC ورودی از شبکه (مثلاً ۲۲۰ ولت، ۵۰/۶۰ هرتز) را به ولتاژ DC بالا (حدود ۳۰۰-۳۱۰ ولت) تبدیل می ‌کند. این عمل توسط یک پل دیود قدرتمند و خازن‌ های صافی انجام می ‌شود. این برد با برد یکسوساز خروجی که با فرکانس بالا کار می‌کند، متفاوت است.

برد کامل دستگاه جوش

در برخی دستگاه‌ های جوش اینورتر، به ویژه مدلهای‌ کم ‌توان ‌تر یا پرتابل، تمامی اجزا و مدارهای اصلی بر روی یک برد واحد و یکپارچه مجتمع می ‌شوند. این برد شامل بخش تغذیه، سوئیچینگ قدرت، مدار کنترل و یکسو سازی خروجی است. مزیت آن فشردگی و کاهش هزینه مونتاژ است، اما عیب اصلی، هزینه بالای تعمیرات در صورت خرابی یک بخش است، زیرا کل برد باید تعویض شود.

برد ترانس پالس و برد درایو 

این بردها سیگنال‌های PWM را از برد کنترل به گیت ترانزیستورهای قدرت (ماسفت یا IGBT) منتقل کرده و ایزولاسیون الکتریکی بین مدار کنترل ولتاژ پایین و مدار قدرت ولتاژ بالا را فراهم می‌کنند. برد ترانس پالس از ترانسفورماتورهای پالس کوچک برای این ایزولاسیون استفاده می‌کند. برد درایو ممکن است شامل آی‌سی‌های درایور گیت برای تقویت و شکل‌دهی سیگنال PWM باشد.

ماژول تولید پالس

این ماژول، معمولاً بخشی از برد کنترل است و سیگنال‌ های دقیق مدولاسیون عرض پالس (PWM) را تولید می ‌کند. این سیگنال‌ ها مستقیماً برای کنترل زمان روشن و خاموش شدن ترانزیستورهای قدرت بکار می‌ روند و از این طریق جریان و ولتاژ خروجی دستگاه جوش با دقت کنترل می‌ شود. در جوشکاری پالسی، این ماژول نقش کلیدی در تغییر متناوب جریان بین مقدار پیک و پس‌ زمینه دارد.

برای کسب اطلاعات بیشتر در باره انواع بردهای الکترونیکی در دستگاه جوش روی لینک کلیک نمایید:

https://malektj.com/product-category/electronic-parts/electronic-board/

قطعات حیاتی در بردهای الکترونیکی دستگاه جوش

عملکرد صحیح بردهای الکترونیکی به کیفیت قطعات، به ویژه نیمه ‌هادی ‌های قدرت، بستگی دارد.

ترانزیستورهای قدرت

این ترانزیستورها قلب بخش اینورتر هستند و جریان الکتریکی را با فرکانس بالا سوئیچ می ‌کنند. انتخاب بین ماسفت و IGBT به توان، فرکانس، راندمان و هزینه بستگی دارد.

ماسفت (MOSFET)

ماسفت (ترانزیستور اثر میدان فلز-اکسید-نیمه ‌هادی) با ولتاژ کنترل می‌ شود و دارای سه پایه گیت، درین و سورس است.

• مزایا: سرعت سوئیچینگ بسیار بالا (مناسب برای فرکانس‌های >۲۰۰ کیلوهرتز)، تلفات سوئیچینگ پایین، راه‌اندازی آسان ‌تر گیت، سبکی و ساختار ساده‌ تر در توان‌ های پایین.
• معایب: مقاومت حالت روشن (RDS(on)​) بالاتر، حساسیت به ESD، محدودیت توان و ولتاژ (بهینه برای <۵۰۰ وات و <۵۰۰ ولت).
• کاربرد: اینورترهای جوشکاری با توان پایین تا متوسط (تا حدود ۲۵۰ آمپر).

آی ‌جی ‌بی ‌تی (IGBT)

IGBT (ترانزیستور دوقطبی با گیت عایق ‌شده) ترکیبی از ویژگی‌های ماسفت و BJT است و دارای سه پایه گیت، کلکتور و امیتر می ‌باشد.

• مزایا: افت ولتاژ حالت روشن پایین ((VCE(sat)​) حتی در جریان ‌های بالا، قابلیت کار در ولتاژها و جریان‌های بالا، مقاومت بیشتر در برابر اضافه بار.
• معایب: سرعت سوئیچینگ کندتر از ماسفت، جریان دنباله‌ دار (tail current) که تلفات سوئیچینگ را افزایش می ‌دهد.
• کاربرد: اینورترهای جوشکاری با توان متوسط تا بسیار بالا (معمولاً >۲۰۰ آمپر)، دستگاه‌های صنعتی.

انتخاب بین MOSFET و IGBT بر فرکانس کاری، سیستم خنک‌ کننده، اندازه اجزای مغناطیسی و هزینه تأثیر می ‌گذارد. ماسفت‌ ها امکان ساخت دستگاه ‌های کوچکتر و سبکتر را فراهم می‌ کنند ، در حالی که IGBT‌ها برای توان‌ های بالاتر مناسب ‌ترند.

کارت کنترل

کارت کنترل معمولاً به برد کنترل اصلی یا بخشی از آن اطلاق می‌شود که وظایف پردازش سیگنال، تولید PWM و اجرای منطق کنترل را بر عهده دارد. در طراحی‌های ماژولار، می‌تواند یک برد قابل تعویض باشد.

تغذیه ۲۴ ولت

ولتاژ ۲۴ ولت DC برای تغذیه برد کنترل، فن‌های خنک ‌کننده، رله‌ها و نمایشگرها استفاده می ‌شود. پایداری این ولتاژ برای عملکرد صحیح دستگاه ضروری است و معمولاً توسط یک برد تغذیه سوئیچینگ کمکی تأمین می ‌شود.

سایر المان ‌ها

• دیود ها: شامل دیودهای قدرت در یکسوسازهای ورودی و خروجی، دیودهای سیگنال، زنر و شاتکی.
• خازن ‌ها: خازن ‌های الکترولیتی برای فیلترینگ ولتاژ DC و خازن‌های سرامیکی/پلی‌استر برای فیلترینگ نویز و کوپلاژ.
• مقاومت ‌ها: برای محدود کردن جریان، تقسیم ولتاژ و سنسور جریان.
• سلف‌ ها: سلف خروجی برای صاف کردن جریان DC جوشکاری و سلف‌های کوچکتر برای فیلترینگ EMI.
• آی ‌سی ‌های درایور و کنترلی: شامل آی‌ سی‌ های درایور گیت، کنترلر PWM، میکرو کنترلرها (MCU)، پردازنده‌ های سیگنال دیجیتال (DSP) و تقویت ‌کننده ‌های عملیاتی (Op-Amps).
• رله‌ ها: برای سوئیچ کردن مسیرهای با جریان یا ولتاژ بالا مانند مدار راه‌اندازی نرم.

عملکردهای کلیدی بردهای الکترونیکی در دستگاه جوش

بردهای الکترونیکی با همکاری یکدیگر، عملکرد های اساسی دستگاه جوش را انجام می ‌دهند.

کنترل دقیق عناصر سوئیچینگ (ماسفت‌ها و IGBT‌ها)

برد کنترل با تولید سیگنال ‌های PWM دقیق، لحظه روشن و خاموش شدن ماسفت‌ ها یا IGBT‌ها را کنترل می ‌کند. این کنترل، اساس تنظیم توان خروجی و پارامترهای جوشکاری است.

تأمین و توزیع ولتاژهای پایدار

برد تغذیه، ولتاژهای DC پایدار را برای برد کنترل، نمایشگر، فن خنک‌ کننده و رله‌ ها تأمین می ‌کند. پایداری این ولتاژها برای عملکرد صحیح کل دستگاه حیاتی است.

مدیریت و هماهنگی جامع عملکرد دستگاه

برد کنترل بر وضعیت کلی دستگاه نظارت کرده، بازخورد سنسورها را پردازش و عملکرد بردهای مختلف را هماهنگ می ‌کند. این شامل راه‌اندازی، کنترل فن، پاسخ به دستورات کاربر و اجرای پروتکل‌ های حفاظتی است.

تنظیم پارامترهای جوشکاری

برد کنترل امکان تنظیم دقیق جریان، ولتاژ، فرکانس پالس و زمان‌بندی ‌ها را بر اساس ورودی کاربر فراهم می ‌کند. این قابلیت، تطبیق فرآیند جوشکاری با نوع ماده، ضخامت، الکترود و موقعیت جوشکاری را ممکن می ‌سازد.

تبدیل جریان متناوب (AC) به جریان مستقیم (DC) و فیلترینگ

این فرآیند شامل یکسوسازی ورودی (AC به DC بالا) ، تبدیل DC به AC فرکانس بالا (اینورژن توسط ماسفت/IGBT)، کاهش ولتاژ و افزایش جریان توسط ترانسفورماتور فرکانس بالا، یکسو سازی خروجی (AC فرکانس بالا به DC جوشکاری)  و فیلترینگ نهایی توسط سلف و خازن‌ های خروجی برای ایجاد قوس پایدار است.

دسته ‌بندی بردها بر  اساس فناوری ساخت (نیمه ‌هادی ‌های قدرت)

فناوری ترانزیستورهای قدرت (MOSFET یا IGBT) عامل کلیدی در طبقه‌ بندی بردهای دستگاه جوش است.

بردهای اینورتر جوشکاری مبتنی بر ماسفت (MOSFET)

در این بردها از ماسفت ‌ها برای سوئیچینگ استفاده می ‌شود. قابلیت کار در فرکانس ‌های بسیار بالا (تا چند صد کیلوهرتز) امکان استفاده از ترانسفورماتورها و فیلترهای کوچکتر را فراهم می‌ کند، در نتیجه دستگاه‌ های مبتنی بر ماسفت معمولاً کوچکتر و سبکتر هستند. این بردها اغلب در کاربردهای با توان پایین تا متوسط (تا حدود ۲۵۰ آمپر) استفاده می ‌شوند. مزایای آن شامل سرعت سوئیچینگ بالا، تلفات سوئیچینگ کم و هزینه نسبتاً کمتر قطعات است.

بردهای اینورتر جوشکاری مبتنی بر آی ‌جی ‌بی ‌تی (IGBT)

در این بردها از IGBT‌ها استفاده می‌شود که قادر به تحمل ولتاژها و جریان‌ های بالاتر هستند. افت ولتاژ حالت روشن پایین )(VCE(sat)​ آن‌ها منجر به کاهش تلفات هدایتی در توان‌ های بالا می ‌شود. این بردها در دستگاه‌ های با توان متوسط تا بسیار بالا (معمولاً ۲۰۰ آمپر به بالا) و کاربردهای صنعتی سنگین ترجیح داده می‌ شوند. مزایای آن شامل قابلیت کار در ولتاژ و جریان بالا، تلفات هدایتی کم در توان بالا و استحکام بیشتر در برابر اضافه بار است.

مقایسه فنی و کاربردی فناوری‌ های ماسفت و IGBT

• فرکانس سوئیچینگ: ماسفت ‌ها در فرکانس ‌های بسیار بالاتر (معمولاً >۱۰۰ کیلوهرتز) و IGBT‌ها در فرکانس‌ های پایین ‌تر (معمولاً ۲۰-۱۰۰ کیلوهرتز) بهینه هستند.
• تلفات قدرت: ماسفت ‌ها تلفات سوئیچینگ کمتر و IGBT‌ها تلفات هدایتی کمتری در جریان بالا دارند.
• قابلیت ولتاژ و جریان: IGBT‌ها برای ولتاژ و جریان‌های بالاتر مناسب‌ترند.
• هزینه و اندازه: دستگاه‌ های ماسفتی معمولاً کوچکتر و سبک ‌ترند و هزینه قطعات ماسفت برای توان پایین کمتر است.
• قابلیت اطمینان: IGBT‌ها معمولاً مقاوم‌ تر در برابر اضافه بار هستند، در حالی که ماسفت ‌ها به ESD حساس ‌ترند.

تأثیر بردهای الکترونیکی بر فرآیند و کیفیت جوشکاری

عملکرد دقیق برد های الکترونیکی، به ویژه برد کنترل، تأثیر مستقیمی بر کیفیت نهایی جوش دارد.

کنترل دقیق حرارت ورودی  و اهمیت آن

حرارت ورودی (HI)، مقدار انرژی حرارتی وارد شده به قطعه کار در واحد طول جوش است و بر خواص مکانیکی اتصال تأثیر می‌گذارد. بردهای الکترونیکی با کنترل دقیق جریان (I)، ولتاژ (V) و تأثیر بر سرعت جوشکاری (S)، امکان مدیریت حرارت ورودی را طبق فرمول HI=(V×I×)/S فراهم می‌ کنند. کنترل دقیق HI برای جلوگیری از مشکلات متالورژیکی ضروری است.

قابلیت تنظیم پارامترها بر اساس شرایط مختلف

دستگاه‌ های اینورتر به لطف بردهای الکترونیکی، قابلیت تنظیم گسترده پارامترها را برای تطابق با شرایط مختلف دارند.

قطر الکترود

الکترود های با قطر بزرگتر به جریان بیشتری نیاز دارند. برد کنترل باید امکان تنظیم دقیق جریان را برای قطرهای مختلف الکترود فراهم کند. برای الکترودهای نازک ‌تر، جریان مستقیم (DC) پایداری بهتری ایجاد می‌ کند.

ضخامت فلز پایه

فلزات ضخیم ‌تر به حرارت و در نتیجه جریان بیشتری نیاز دارند. بردهای الکترونیکی باید امکان تنظیم جریان در محدوده وسیعی، از چند آمپر برای ورق ‌های نازک تا چند صد آمپر برای صفحات ضخیم را فراهم کنند.

موقعیت جوشکاری

در موقعیت ‌های عمودی یا سربالا، معمولاً جریان جوشکاری ۱۰-۱۵٪ کمتر از حالت تخت تنظیم می ‌شود تا از ریزش مذاب جلوگیری شود. برد کنترل باید این تنظیمات دقیق را ممکن سازد.

تحلیل عیوب جوشکاری مرتبط با عملکرد بردها و تنظیمات جریان

تنظیمات نادرست جریان می ‌تواند منجر به عیوب مختلفی در جوش شود.

اثرات جریان پایین

• گنجاندن سرباره: انرژی حرارتی ناکافی برای ذوب کامل فلاکس و سیالیت مذاب.
• تخلخل: انجماد سریع مذاب و عدم خروج گازها.
• نفوذ ناقص: عدم ذوب و همجوشی کامل بین فلز پایه و پر کننده، یا عمق نفوذ کم.

اثرات جریان بالا

• بریدگی کناره جوش: ذوب شدن فلز پایه در کنار گرده جوش و ایجاد شیار.
• پاشش بیش از حد: پاشیده شدن قطرات ریز فلز مذاب.
• سوختگی و سوراخ شدن ذوب شدن کامل ضخامت ورق نازک.
• اعوجاج و تغییر شکل بیش از حد: گرمایش نا متوازن و شدید قطعه کار.

نتیجه ‌گیری

بردهای الکترونیکی نقشی محوری در کارایی، دقت و کیفیت دستگاه‌ های جوش اینورتر ایفا می‌ کنند. این بردها مسئولیت تبدیل بهینه برق، کنترل دقیق پارامترهای جوشکاری و پیاده‌ سازی مکانیزم ‌های حفاظتی را بر عهده دارند. این فناوری منجر به تولید دستگاه‌ های سبکتر، کوچکتر، با راندمان بالاتر و کیفیت جوش بهتر شده است.

چشم ‌انداز آینده شامل ادغام بیشتر هوش مصنوعی برای بهینه‌سازی خودکار پارامترها، استفاده گسترده ‌تر از نیمه ‌هادی‌ های با باند گپ وسیع (مانند SiC و GaN) برای افزایش راندمان و کاهش اندازه، توسعه واسط ‌های کاربری پیشرفته‌ تر و اتصال‌ پذیری بیشتر (IoT) برای نظارت و کنترل از راه دور، و تمرکز بر افزایش قابلیت اطمینان و کاهش هزینه‌ های نگهداری از طریق طراحی ‌های ماژولار و سیستم‌ های عیب ‌یابی داخلی خواهد بود. بردهای الکترونیکی به تکامل خود ادامه داده و نقش کلیدی خود را در پیشبرد صنعت جوشکاری حفظ خواهند کرد.

منبع: ملک تجارت

سلب مسئولیت: سایت جی اس ام در تهیه این متن تبلیغاتی نقشی نداشته و مسئولیتی درباره درستی محتوای آن ندارد.