Techniek - Zelfbouw puntlas-experimenten (en ervaringen met de kWeld)
Woord vooraf
Zoals de titel al zegt zijn m'n zelfbouw-experimenten op niets uitgelopen en ben ik overgestapt op een bouwpakket dat ik aanschafte via internet, de ervaringen daarmee beschrijf ik onderaan. Mijn zelfbouw-schakeling uitbreiden was een mogelijkheid, maar werd steeds kostbaarder, zonder uitzicht op betrouwbare resultaten.
Dat betekent niet dat de schakeling ongevaarlijk is! Je hebt met enorme stromen te maken en een 'foutje' kan je duur komen te staan! Ervaring met sterkstroom-installaties is aan te raden! Als wat je ziet, vragen oproept kun je er beter niet aan beginnen.
Het waarom
Als je wel eens professionele apparatuur met accu's erin geopend hebt, weet je vast ook dat die accu's vaak gepuntlast zijn. Dat is beter (en vooral: sneller) dan solderen en vormt een extreem sterke verbinding die goed bestand is tegen mechanische krachten en daarmee een samengestelde accu meer stevigheid geeft.
In het verleden heb ik wel vaker aan puntlassen gedacht, maar ik vond alsnog een andere oplossing of liet het werkje voor wat het was.
Naarmate ik meer ervaring op deed met lithium-cellen, groeide ook de wens die goed met elkaar te kunnen verbinden.
Omdat solderen niet aan te raden is (ook al doen velen het wel) kwam toch het puntlassen weer om de hoek kijken.
Video-accu's die niet meer willen
De beslissing zelf te gaan puntlassen werd veel makkelijker door de accu's van m'n videocamera die er stuk voor stuk de brui aan gaven. Deze accu's, types van het formaat 'baksteen', zijn V-lock accu's voor professionele video-apparatuur.
Het grote nadeel is dat ik die accu's als hobbyist soms een flinke tijd niet gebruik.
Als je ze praktisch leeg weglegt en vergeet op te laden is het op een gegeven moment te laat. De cellen zijn dan te leeg en interne electronica voorkomt dat je ze ooit nog kunt op- of ontladen.
Als ik die nu eens van nieuwe cellen kon voorzien...
Dat betekende wel dat ik moest kunnen puntlassen, omdat een groot deel van de mechanische sterkte behaald werd uit de puntlas-verbindingen bestaande uit stevige, 0,3 mm dikke strips.
Puntlassen op internet
Gelukkig hoef je voor het zelfbouwen van puntlas-apparatuur nog maar weinig zelf te weten: velen zijn mij al voorgegaan en ik ging dan ook zeker het wiel niet opnieuw uitvinden. Van een Duitse website kopiëerde ik grotendeels het elektrische ontwerp, met als grootste verschil dat ik geen microcontroller als hart nam, maar gewoon een 555 als one-shot.
Ook nam ik 200.000 uF in plaats van 300.000 als capaciteit. Dat kon ik later altijd nog uitbreiden.
Het principe: energie-dumpen in een fractie van een seconde
Het principe is vrij simpel: door een flinke capaciteit op te laden en die met een elektronische schakelaar te ontladen over het werkstuk door middel van twee elektrodes, kun je twee stukken metaal aan elkaar smelten. In simpele taal: er wordt gewoon een brute kortsluiting gemaakt. Die wordt alleen begrensd wordt door de interne weerstand van de capaciteit, de kabels ertussen, de overgangsweerstand tussen electrodes en het metaal en de overgangsweerstand tussen metaal en accu.
Gelukkig zijn de onderdelen niet gek duur meer. Vooral in de MOSFET-techniek gaat de ontwikkeling hard en kun je exemplaren die met gemak meer dan 150 Ampère aankunnen (in het ideale geval uiteraard), voor hooguit anderhalve euro per stuk aanschaffen.
Ook elco's met een enorme capaciteit en de juiste specificaties kosten geen fortuin meer.
De nadelen zijn vooral de elektrodes: mijn experimenten met wolfram, koper uit elektradraad en messing van onbekende samenstelling, zijn allemaal op niets uitgelopen. De punt moet een toch wel wat specifieke vorm hebben en ook de legering vormt een belangrijke schakel in het wel of niet slagen van het puntlasproces.
Naast de elektrodes zijn de kabels en bevestiging daarvan ook een punt van aandacht: dunne kabels en kleine schroefjes zijn echt uit den boze vanwege hun te grote weerstand bij (op z'n minst) een paar honderd Ampère en het bijbehorende verlies.
Schakeling en onderdelenlijst
Door een 555 als one-shot te schakelen en wat te spelen met de vereiste weerstanden en condensator, kun je een korte puls genereren, ongeacht hoe lang je een schakelaar indrukt. Wel zo prettig met een toepassing als deze. Het symbool voor een FET wat ik normaal gebruik kan ik gek genoeg nergens vinden sinds ik Tinycad op m'n nieuwe computer geïnstalleerd heb, vandaar het wat afwijkende type.
Om de FETs zo goed mogelijk open en dicht te sturen is er een klein stuurtrapje met 2 transistors aan de uitgang van de 555 verbonden.
Bij dit soort stromen is dat echt noodzaak, want anders sloop je de FETs of 555 voortijdig.
De dikke lijnen dienen dikke kabels of koper-strips te zijn.
In het schema zit geen vrijloopdiode tegen de inductieve bijverschijnselen. Dat lijkt misschien onnodig omdat er nu eenmaal geen spoel aangestuurd wordt, maar bij dergelijke vermogens worden ook draden gewoon een spoel. De energie die dat oplevert kan de FETs beschadigen. Omdat ik niet verder gekomen ben dan het test-stadium, heb ik die ook niet toegevoegd. Ook is er geen ontlaad-weerstand voor de elco's aanwezig. Opletten dus na uitschakelen van de voeding!
De voeding bestond bij mij uit twee exemplaren: 1 voor de 555 en 1 voor de elco's, die ik zo van een variabele spanning kon voorzien.
Onderdelenlijst:
R1, R2, R11-R16 = 10 k
R3 = 18 k
R4 = 4k7
R5-R10 = 22 Ohm
Rx = zo'n 60 mm 2,5 mm2 installatiedraad (stroomvereffenings-weerstand)
C1 = 1 uF
C2 = 10 nF
C3 = 100 uF 25 Volt
C4-C5 = Kemet PEH200KO6100MU2 100000 uF 40 Volt
T1 = BC547
T2 = BC557
T3-T8 = IRF 1405
S1 = Voetpedaal (maakcontact-schakelaar)
IC1 = 555 timer
Mechanische en elektrische kant van het verhaal
Ander punt was het aandrukken van de elektrodes. Het liefst had ik beide individueel afgeveerd in een houder, zodat ik redelijk constante druk uit kon oefenen.
Van een restplaatje trespa, een stuk aluminiumbuis, messing blokjes, stalen pennen uit oude CD-ROM drives en twee veren uit de rommeldoos van m'n zus maakte ik een gereedschap dat in m'n Proxxon boorhouder geplaatst kon worden, zodat ik m'n handen vrij zou hebben.
Twee stukken 16 mm2 kabel vond ik in de afvalbak op m'n werk, evenals een voor de werkplaats (te) kort stuk railkoper om de elco's mee te verbinden. Beiden werden (met toestemming) meegenomen.
En dan nu de praktijk...
In de praktijk bleek het stukken moeilijker dan ik had verwacht en viel het echt tegen.
Vrijwel iedereen gebruikt koper voor de elektrodes, maar ik las veel verhalen over plakkende en snel slijtende electrodes, dus ging ik voor het zeer temperatuurbestendige wolfram.
De nadelen zijn de elektrische geleiding en het feit dat het keihard is, wat bewerken moeilijk maakt. Mijn grote nadeel was dat ik het niet in diameters groter dan 1,6 mm kon krijgen.
Dat was de oorzaak van snelle hitte-slijtage. Daarnaast versprongen de taaie wolfram-pennen onder invloed van elektromagnetische krachten bij een ontlading, een effect dat ik niet zo hevig verwachtte.
Daardoor ging ik uiteindelijk voor veel dikker messing staf. Dat hielp alleen niets. De resultaten bleven onbetrouwbaar en ook nu kwamen de elektrodes nogal eens vast te zitten.
Veel belangrijker: het was gewoon griezelig. Negen van de tien keer was een ontlading een vriendelijk 'plung' uit de inrichting, onder invloed van de elektromechanische krachten, waarbij er verder amper wat gebeurde.
De tiende keer kwam het tot een geweldige vonk (met dito klap) waarbij de gloeiende delen alle kanten op vlogen. Ik heb geen accu doorboort met deze exercities, maar het scheelde soms weinig.
Toch bleef ik volhouden, maar na een stuk of 200 pogingen heb ik eens contact gezocht met de Duitser van wie ik de schakeling grotendeels gekopiëerd had, om te vragen of ik iets fout deed.
Op de tips de accu's goed schoon te maken en dat m'n capaciteit waarschijnlijk te klein was na kon hij niet bedenken waarom het niet wou.
Daarop heb ik nog de nodige pogingen gewaagd en slechts een paar maal een goede puntlas gelegd. De resultaten zie je hieronder.
Hoe meer de 0,15 millimeter strip gebogen is, hoe beter de las vast zat.
Na pakweg 300 pogingen heb ik m'n experiment gestaakt. Als ik met 0,15 millimeter strip al zoveel moeite had, ging 0,3 millimeter helemaal niet lukken. De capaciteit uitbreiden had gekund, maar daarbij komt een ander probleem om de hoek kijken: de voeding.
De 200.000 uF op spanning brengen kost m'n Philips PE1540 labvoeding al een aardige tijd, laat staan dat ik die zou verdubbelen. Dat telde allemaal op in het beslissen wel of niet verder te gaan met deze opzet.
Ik ben daarom op zoek gegaan naar bewezen alternatieven.
Halve zelfbouw: De kWeld
Dat alternatief vond ik in de kWeld, gemaakt door een Duitser met ervaring met vermogens-elektronica.
De kWeld is vooral het elektronische hart van het puntlas-systeem met alleen de kabels en elektrodes. Een voedingsbron moet je er zelf bij kopen en ook een behuizing ontbreekt.
Voor de mensen die het gereedschap niet hebben om zoiets zelf in elkaar te zetten kun je alles ook (tegen een wat hogere prijs) als compleet gebouwd pakket kopen.
Omdat ik over de benodigde gereedschappen voor de bevestiging van de kabels aan de ongeïsoleerde kabelschoenen en de elektrodes kon beschikken en een aantal schroefjes aandraaien voor mij geen punt is, kocht ik het semi-bouwpakket.
Een oude behuizing met wat gaten op de verkeerde plek had ik nog wel liggen en ook nu weer ging ik voor de Proxxon boorstandaard als houder voor het apparaat.
Als voeding koos ik voor een zogenaamde LiPo-accu: een accu die in de modelbouw-wereld voor voer- en vaartuigen die extreem snel kunnen, gebruikt worden.
Dit soort accu's heeft er geen moeite mee om met 30 tot 50 keer hun nominale stroom ontladen te worden en is (vaak) in staat enkele seconden lang nóg meer stroom te leveren.
Ik ging voor het Turnigy Graphene Panther 5000mAh 3S 75C Battery Pack. Een hele mond vol voor een accu die pakweg 11,1 Volt levert (3S = 3 cellen in serie) en met 5A (5000 mAh) ontladen kan worden, maar, als dat nodig is, ook gewoon 75 keer zo snel kan ontladen (75C = 75 keer capaciteit) en 3 seconden lang een piekstroom van 150 keer de nominale waarde kan leveren: dat is dus 750 Ampère!
Let wel: waarschijnlijk alleen onder ideale omstandigheden en rechtstreeks op de connector gemeten. Daarnaast sluit de kWeld 'm kort, waarbij de stroom alleen nog begrensd wordt door de inwendige weerstand van de accu zelf en totale weerstand van alle verbindingen tussen plus en min.
Om het toch maar te benoemen: vergeet niet ook een lader, speciaal bedoeld voor dit soort accu's, te kopen als je die nog niet hebt. Ik had zelf al een Imax B6 liggen, dus die investering hoefde ik niet meer te doen.
Is dat niet gevaarlijk?
Eerlijk: de accu en de connectors zijn er natuurlijk niet op gebouwd. Maar omdat de kortsluiting zo kort duurt, gaat het goed. In de gemiddelde topsport RC-auto komen vermoedelijk dezelfde piekstromen voor bij vanuit stilstand accelereren naar topsnelheid, de motoren in dergelijke wagens hebben praktisch 0 weerstand. Daarnaast zit er op de print van de kWeld een 300 Ampère zekering.
Als je dit niet vertrouwt kun je de kCap module kopen, een condensatorbatterij speciaal ontworpen voor de kWeld. Die kost pakweg 200 euro én introduceert opnieuw het voedingsprobleem: de 206 Farad (geen typfout) volkrijgen is gewoon echt een probleem opzich en vereist de aankoop van een voeding, daar m'n Philips met 3 Ampère wel heel lang gaat doen over het vullen van deze capaciteit.
Omdat ik het apparaat waarschijnlijk niet heel vaak ga gebruiken, kan dat altijd nog en ben ik dus voor de goedkopere accu gegaan.
Veiligheid: oogbescherming!
Ik zet bij gebruik van dit apparaat altijd een veiligheidsbril op. Een puntlas die mislukt, heeft nogal de neiging spectaculair te vonken en gloeiende delen weg te laten springen. Draag ook géén ringen, armbanden of lange halskettingen! Accu's dauwen door bij sluiting!
Vergeet ook het veilig opladen niet! Júist omdat de accu mishandeld wordt, is opladen onder toezicht een gebod. Zorg dat je een vluchtweg hebt én eventueel de accu tijdig (en veilig!) naar buiten kan werpen als het mis mocht gaan.
Een LiPo-zak, bedoeld om een ontbrandende accu zo veilig mogelijk tot z'n einde te laten komen, is aan te raden.
Juist... dít werkt wél
Na aansluiten van de kabels en aansluiten van de accu kon ik het apparaat calibreren. De calibratie is bedoeld zodat de kWeld precies kan berekenen hoeveel vermogen er in een las gestopt is. Elke keer als je iets wijzigt aan je opstelling zul je opnieuw moeten calibreren.
Bij de calibratie werd een griezelige 1779 Ampère geleverd! Geen geintje, dit apparaat. Ik besloot natuurlijk meteen te kijken hoe goed het puntlassen op accu's gaat.
Dat ik op echte accu's kon gaan puntlassen kwam mooi uit om het gebruik van BE2works en m'n BQ20Z65-chips te doorgronden, waar ik een test-accu voor nodig had.
Ik knipte een stukje 0,3 mm nikkelstrip en plaatste twee cellen bij elkaar. Ik stelde de kWeld in op 50 Joule, plaatste de elektrodes op het nikkel en drukte het voetpedaal in. Na een piepje was het gebeurd. Zonder problemen legde ik een prima las die ik écht niet meer zonder geweld los kreeg.
Na wat meer oefenen kon er ook wel met iets minder energie gewerkt worden. Bij 40 tot 45 Joule ging het ook prima.
Voor ik het wist, was ik met 1 kant al klaar. Nou ja... niet helemaal.
Het bleek al snel dat de kWeld een prima apparaat is, maar de elektroden en connectors toch echt niet op de enorme stromen berekend zijn.
Naarmate ik de laatste lassen legde, werden de elektrodes zodanig warm dat ik zweethanden kreeg, waardoor ik ze moeilijk op hun plek kon houden. Bij de laatste las waren de electroden echt vervelend warm geworden.
De XT90-connector die aan de accu zit spande de kroon en was met een temperatuur over de 100 graden echt pittig heet.
Ik onderbrak het puntlassen om alles af te laten koelen, maar zeker is dat ik daar toch wat beters voor moet verzinnen.
Andere accu's
Met de accu's van mijn oude schroefmachine in uiterst slechte conditie (NiCd-cellen) en de naderende aankoop van nieuwe cellen voor m'n videocamera-accu's, was de keuze, ook nieuwe NiMh-cellen aan te schaffen zo gemaakt. Met de kWeld kon ik immers ook die accu's samenstellen.
Kort gezegd: ook dat ging vlekkeloos.