W robotyce i elektronice samodzielne budowanie baterii litowo-jonowych z pojedynczych ogniw (tzw. celi) wymaga precyzyjnego łączenia ich ze sobą. Zgrzewarka do ogniw to kluczowe narzędzie, które umożliwia zgrzewanie oporowe niklowych taśm lub blaszek bez przegrzewania ogniw, co jest bezpieczniejsze niż lutowanie. W tym poradniku pokazujemy, jak zbudować zgrzewarkę kondensatorową lub transformatorową oraz jak bezpiecznie i skutecznie łączyć ogniwa 18650/21700 do dronów, robotów mobilnych czy powerbanków.
Zasady działania zgrzewarki do ogniw
Zgrzewanie ogniw polega na krótkotrwałym przepływie wysokiego prądu (100–2000 A) przez niklową taśmę przyłożoną do biegunów ogniwa, co powoduje lokalne nagrzanie i połączenie na zasadzie zgrzewu oporowego. Proces trwa ułamek sekundy (1–10 ms), dzięki czemu minimalizuje ryzyko uszkodzenia chemii ogniwa litowo-jonowego.
Poniżej znajdziesz kluczowe etapy cyklu zgrzewania:
- nacisk elektrod – stabilne dociśnięcie taśmy do bieguna ogniwa zapewnia powtarzalny kontakt;
- impuls prądowy – krótki przepływ dużego prądu generuje ciepło w punkcie styku i tworzy zgrzew;
- chłodzenie i rozwarcie – po ustaniu impulsu materiał stygnie, a elektrody się rozłączają.
Zasilanie zgrzewarki musi zapewniać niskie napięcie (1–30 V) przy bardzo wysokim prądzie – dlatego najczęściej wykorzystuje się zasobnik energii w kondensatorach lub transformator o dużym przekroju uzwojenia wtórnego.
Rodzaje zgrzewarek – porównanie
Dla majsterkowiczów w robotyce wyróżniamy dwa główne typy zgrzewarek do ogniw. Poniższa tabela podsumowuje ich cechy:
| Typ zgrzewarki | Zalety | Wady | Zastosowanie w robotyce |
|---|---|---|---|
| Kondensatorowa | precyzyjny impuls, regulacja czasu/prądu, szybkie strzały (do 1,5 s między zgrzewami) | wymaga kondensatorów low-ESR (np. 100–120 µF/30 V), złożony sterownik | budowa precyzyjnych baterii do robotów |
| Transformatorowa | prosta budowa z transformatora mikrofalówki, wysoki prąd ciągły (do 1000 A) | mniej precyzyjna, cięższa, trudniejsza regulacja impulsu | szybkie prototypy pakietów do robotów DIY |
Modele kondensatorowe są preferowane w zaawansowanych projektach robotycznych ze względu na dokładne sterowanie impulsami i powtarzalność zgrzewów.
Szczegółowa budowa zgrzewarki kondensatorowej oporowej
Na podstawie klasycznego projektu z „Elektroniki Praktycznej” (2010), zgrzewarka składa się z obwodu wysokoprądowego i sterownika. To rozwiązanie idealnie nadaje się do zgrzewania ogniw 18650/21700 w pakietach baterii do robotów.
Główne komponenty
Poniżej zestaw elementów i ich funkcje:
- kondensator C – 120 µF/16–30 V low-ESR; magazynuje energię impulsu i ogranicza spadki napięcia;
- tyrystor Ty – przełącznik wysokoprądowy (zalecany z radiatorem i mosiężnymi złączami);
- elektrody E1/E2 – grube przewody (min. 500 mm, niskie opory <100 µΩ) z końcówkami o dużej powierzchni styku;
- zasilacz stabilizowany – transformator Tr1 (230 V/50 Hz → 8–25 V/5 A) z regulacją napięcia i ograniczeniem prądowym;
- płytki sterujące P1/P2 – mostek prostowniczy (D1–D4: 5 A/50 V), dioda Zenera (D6: 5,6 V), kondensatory (C9: 120 µF, C10: 10 nF).
Rozmieszczenie elementów: kondensator i tyrystor umieść możliwie blisko przedniej ścianki obudowy, aby zminimalizować indukcyjność pętli prądowej. Przewody do elektrod prowadź przez gumowe przepusty bezpośrednio z katody tyrystora i ujemnego bieguna kondensatora.
Schemat ideowy – opis działania
Sterowanie może działać automatycznie (AU) lub przez przycisk nożny (PN). Przebieg pracy wygląda następująco:
- Przełącznik AU/PN wybiera tryb pracy.
- Po zwarciu elektrod w trybie AU układ czasowy załącza tyrystor.
- Zasilacz ładuje kondensator C do napięcia biegu jałowego 8–20 V.
- Impuls zgrzewający: tyrystor rozładowuje C przez elektrody (prąd kształtowany przez elementy sterujące i oporność toru).
- Po zgrzewie C jest rozładowany; zasilacz zostaje zablokowany do następnego cyklu.
Poniżej najważniejsze bloki sterownika w wersji uproszczonej:
- płytka P2 – stabilizator z ograniczeniem prądowym i regulacją 8–25 V;
- płytka P1 – przekaźnik podtrzymujący, diody D5/D8 (1 A/200 V) oraz układ wyzwalania tyrystora;
- rozszerzenia – pamięć nastaw, pomiar i kontrola prądu/czasu, sygnalizacja błędów.
Montaż tyrystora: złącza mosiężne na bocznych płaszczyznach; przewód przełóż przez otwór 5,5 mm i zalutuj, dbając o niski opór połączeń.
Budowa zgrzewarki transformatorowej z mikrofalówki
Prostsza alternatywa dla początkujących – wykorzystuje transformator z kuchenki mikrofalowej (230 V → 1–4 V po przewinięciu wtórnego) zapewniający bardzo wysoki prąd przy niskim napięciu.
Komponenty potrzebne
Do zbudowania wersji transformatorowej przydadzą się następujące elementy:
- transformator mikrofalówki – rdzeń z blach transformatorowych; usuń oryginalne wtórne HV i nawiń grube wtórne na 1–4 V;
- układ sterujący NY-D01 100 A – sterowanie impulsem i synchronizacja z zerem sieci;
- transformator sieciowy 230/9 V AC – zasilanie modułu sterującego;
- 1 m kabla spawalniczego – przewody do elektrod o bardzo niskim oporze;
- opcjonalnie: pulsator – czasówka na 230 V do regulacji długości impulsu.
Kroki budowy
Wykonaj te czynności w podanej kolejności:
- Wyjmij transformator z mikrofalówki, usuń uzwojenie wtórne wysokiego napięcia i nawiń nowe, grube uzwojenie wtórne na niskie napięcie (1–4 V).
- Podłącz sterownik NY-D01 do transformatora sieciowego i skonfiguruj wyzwalanie w zerze.
- Wykonaj elektrody z taśmy miedzianej lub kabla spawalniczego, zapewniając dużą powierzchnię styku.
- Dodaj przycisk nożny oraz zamknij całość w wentylowanej, izolowanej obudowie.
Schemat uproszczony: transformator mocy → sterownik (triak/tyrystor wyzwalany w zerze) → elektrody; dla obciążeń indukcyjnych dodaj gaśnik RC (tzw. snubber).
Możliwe są warianty z dwoma transformatorami (połączenie równoległe lub szeregowe), aby zwiększyć prąd lub dostosować napięcie.
Sterownik cyfrowy – Arduino do precyzji
Zaawansowane zgrzewarki korzystają z mikrokontrolerów do precyzyjnej regulacji impulsu (czas, prąd, liczba strzałów). Popularne rozwiązanie to płytka z Arduino, równoległe MOSFET-y o łącznej rezystancji <1 mΩ oraz zasilacz 30 V/2 A.
Poniżej przykładowy, prosty pseudokod sterujący impulsem (do dostosowania do konkretnego układu):
pinMode(PIN_ELEKTRODY, INPUT);
if (digitalRead(PIN_ELEKTRODY) == LOW) {
digitalWrite(PIN_TYRYSTOR, HIGH); // Impuls 5-10 ms
delayMicroseconds(5000);
digitalWrite(PIN_TYRYSTOR, LOW);
}
Praktyczne wskazówki i ostrzeżenia
Przed uruchomieniem zgrzewarki zwróć uwagę na poniższe zalecenia:
- bezpieczeństwo – pracuj na niskim napięciu (1–30 V), unikaj zwarć; ogniwa Li‑ion mogą eksplodować; zawsze rozładowuj kondensator przed jakąkolwiek ingerencją;
- testy – rozpocznij od taśmy niklowej 0,1–0,15 mm na ogniwach 18650; dla cienkich taśm wystarcza prąd 100–200 A;
- typowe problemy – zbyt wysoki opór przewodów powoduje słaby zgrzew; stosuj przewody o dużym przekroju i kondensatory low‑ESR;
- alternatywy – lutowanie z agresywnym topnikiem i bardzo krótkim czasem (<0,5 s) jest możliwe, lecz zdecydowanie bardziej ryzykowne dla ogniw.
Koszt budowy – w zależności od użytych części: 100–300 zł.
Podsumowanie projektów DIY
Poniższa tabela zbiera często spotykane warianty i ich charakterystyczne cechy:
| Projekt z YouTube | Kluczowe cechy | Link opisowy |
|---|---|---|
| z transformatora mikrofalówki | NY-D01 100 A, pulsator | prosty, tani |
| z mikrofalówki do akumulatorów | regeneracja baterii laptopa | antyprzegrzewanie |
| sterownik JLCPCB | Arduino, schemat/kod | precyzyjny |
| najprostsza zgrzewarka | minimalistyczna | dla początkujących |
| zgrzewarka Li‑ion | diagram, testy | zaawansowane połączenie |
Budując własną zgrzewarkę, zyskujesz niezależność w projektach robotycznych – od baterii do robotów sumo po drony; zawsze testuj ustawienia na próbkach i zachowuj maksymalne bezpieczeństwo pracy.