电容点焊机

最近经常能看到一些评测，作者要么自己制作点焊机，要么在组装电池组时使用点焊机。我也入手了这样一台设备，不过它和我之前见过的那些有明显不同。


首先要感谢我的一位老读者，这次他赞助了本篇评测，替我订购了组装一台小型点焊机所需的全部东西。至于我嘛，照例负责写评测。
我会按时间顺序来讲，因为实际情况并不像一开始设想的那么简单。

点焊机最常见的做法是用微波炉变压器改装，成本低，做起来也相对简单；再加上Yurok作者设计的控制器，就更容易了。我自己就帮朋友做过两台这样的点焊机。
不过，这种点焊机有两个难点：变压器需要重新绕线，而且整机很重。所以我一直没急着给自己做一台，况且我也用不了几次，还得找地方存放。当然也有用大功率逆变器制作的方案，也就是低电压、大电流的电源，但组装起来很复杂。

后来有一阵子，我开始留意到一些用大电流电池制作的紧凑型点焊机。再过了一段时间，电池又被大功率超级电容取代，这下我可来了兴趣。

总之，我订购了一套价格不贵、组装起来也比较简单的套件。它是在淘宝上买的，价格约20美元（电路板11美元，两个超级电容每个4.5美元），不含运费。


严格来说，这当然不是一台点焊机，而只是组装它所需的零件：电路板、螺母、螺钉、电线、蜂鸣器、焊接电极、两段套在电极上的热缩管，以及一小段镍带。


套件里有四根27 cm长的电线，其中一对两端都已经压好了端子，另一对则需要自己压接，套件里附带了端子。
电线采用10AWG（5.26 mm²）线径，外面是硅胶绝缘层，内部由多股细线组成，所以非常柔软。具体有多少股我就不数了，反正确实很多。
不过焊接电极实在不怎么样，本质上就是一根铜管，一端压入电线，另一端装着电极。其中一根电极整个都塞进了铜管里，这种状态下根本没法用。


当然还有控制器，就是一块小电路板，上面零零散散装着一些元件。


电路板上可以看到控制芯片、电源稳压器、模式选择按钮，以及功率开关管，这里一共有四只。

模式由一个按钮选择，状态通过LED和蜂鸣器提示。每按一次，便会在四种模式间切换：1、2、3个脉冲，以及关闭。
电路板上没有充电器，也没有均衡器。商品页面上也写得很清楚：这些问题由用户自行解决。


电路板上的晶体管也很有意思。根据数据手册，它们的导通电阻为0.77 mΩ（100 A时典型值为0.53 mΩ），最大连续电流为300 A。也就是说，四只并联后的电阻约为0.2 mΩ，电流可达1200 A。


不过，超级电容也同样值得关注。这台点焊机至少需要两个，也可以用其他数量，但必须是2的倍数。


尺寸相当惊人：每个长155×55×55 mm（不含接线端子），容量3000 F，电压2.8 V。一对连同连接片重1.36 kg，也就是说每个约重650 g。
从描述和外观来看，这些超级电容是二手的，应该是从某种电动交通工具上拆下来的，不过外观状态看起来能打5分。


连接片的尺寸也不小，用螺栓固定，部分位置还涂了密封胶。


1、2. 收到时，两只电容的电压有轻微不平衡。顺便强烈建议使用均衡板，因为即使把它们充到相同电压，过一段时间电压还是会出现差异。
3、4. 1 kHz时，单个的ESR为0.22 mΩ，一对约为0.47 mΩ。


我自然忍不住想测测它们，更准确地说，是试着测量等效容量。为此，我把它们接到了EBC-A40L电池测试仪上，该设备的充放电电流最大为40 A。
用鳄鱼夹连接实在很不方便，只好把其中一根测量线直接夹在大电流线上。


从2.7 V放电到0.8 V（负载的限制值）时，这些超级电容放出的容量基本相同，分别为1355和1365 mAh，或2294和2304 mWh。


从2.8 V开始放电时，容量略高一些。可以看出，负载只有在电压高于1.4 V时才能提供40 A，之后电流就会下降。


充电曲线同样是线性的，只是在充电末尾会急剧下降。下面是充至2.7 V时的曲线。


但如果充到2.8 V，情况就完全不同了：充电末尾的电流并不总是降到设定的100 mA以下，充电也不会停止。因此我建议充电时将电压限制在2.7 V。容量不会有太大差别，但超级电容的寿命会更长，也更可靠。


要继续做后面的测试，首先得修好触点组件。我拿了把细镊子和斜口钳，小心地把压进去的触点取了出来。一开始非常紧，后来却很容易就拔出来了，第二个触点拔得更轻松。
这时我意识到，要把它牢靠地装回原位并不容易，而且这种夹具用起来也很不方便，因为需要两只手操作，还得想办法固定电池本身。


和寄来这套东西的人沟通后，我们决定订一个像样的夹具：带弹簧，结实些，也更方便。
可选的款式很多，最后缩小到三个：
第一个，12.5美元——链接
第二个，不带盒子和导线，7.6美元——链接
第三个，12.76美元——链接



最后我们选了第三款，因为它用起来更方便。不过订的是基础套装；还有带导线的版本，售价18.15美元，但我们已经有导线了，只是线径更细一些。


套装里还附送了一个备用开关、一个连接器插座和一卷镍带。


手柄拿在手里明显有分量，重272克。我称了一下镍带卷，算是以防万一，重20.6克。


这个手柄确实很好用，而且有好几种颜色可选。照片上不太看得清，塑料部分是3D打印的，不过在我看来，真正有价值的是触点组件。


导线通过一对M8螺栓连接，另一侧则是焊接触点。
内部是整块铜排，尺寸为15×3 mm；外面还引出了一根带连接器的导线。触点压紧时，限位开关会动作，随后连接器接入点焊机，按下后即可启动。本例中可以拆掉这个开关，因为电路板不支持这一功能，可惜了。


1、2.焊接触点旁边可以看到两根弹簧和一个限位开关。开关动作前的行程为3 mm，总行程约为5 mm。
3.触点夹持器并不像看起来那么简单，它有一个带压紧螺钉的槽口，因此触点磨损后可以更换。
4.触点虽然经过了打磨，但端面做得很随意。后来我又稍微打磨了一下，把它们修成了梯形。 不需要大幅打磨，也不用把针尖磨得很尖，只要稍微修整得平整一些就行。


商品页面提供了带导线的套装选项，但这种配置明显更贵也更重，因此运费也会更高。


我还顺便在另一家店买了接线端子，因为换了手柄之后，原装端子数量不够用。每个只要3美分。


螺丝孔直径为6.5 mm，导线孔直径为3 mm，这里我算错了：我的导线太粗，孔不够大。不过端子本身我很满意，只用焊锡里的助焊剂就能轻松焊接。


我没有工具压接这种导线，所以拿了把大功率烙铁把它们焊上，然后用钳子夹紧端子。顺便发现导线的绝缘层质量很好，不但没被烙铁烫化，甚至连脱落的迹象都没有。总之，这些导线可以打5分。
接下来先把导线接到电路板上，再接到手柄上，如图所示。输入线是红色（正极）和黑色（负极）。
我发现用于固定离子电容端子的螺丝太长了，懒得另找螺丝，正好手边有合适的螺母，最后就拧上去缩短了螺纹部分。


连接导线时需要遵守一些规则。
1. 尽量不要让导线从控制器元件上方经过。在这么大的电流下，电磁干扰相当明显，可能会影响控制器的工作。
2. 此外，不能使用彼此正对的端子。这样连接时，主要负载会落在离接线端子较近的那只晶体管上，它可能会损坏。
3、4. 为了让电流在各晶体管之间均匀分配，要么将导线成对引出并汇接到一起，要么采用对角线连接，例如接左上和右下的端子，或者反过来。

简单来说，上面是错误接法，下面才是正确接法。


全部接好之前，我先把蜂鸣器焊上了，不过感觉厂家可能把引脚间距做错了一点，蜂鸣器没能完全插到底。
连接时要注意安全，最好在离子电容放电后再操作，因为这种情况下短路会直接把电路板上的铜箔烧没，更不用说直接在离子电容上短路了。

接通电源后，LED应该会亮起。按按钮可以选择1到3个脉冲，按第四次则让电路板进入休眠模式。无论你是否在使用点焊机，电路板也会在几分钟后自动“休眠”。


我先决定“拿猫练练手”——准确地说，是拿截面积0.22 mm²的导线练手，结果发现电路板能检测触点闭合。也就是说，脉冲不是随机输出的，而是在触点闭合约0.7秒后输出，这一点相当方便。操作过程是这样的：把端子压在镍带上，稍等片刻就会有电流通过；要再次输出脉冲，必须先松开触点，再重新压紧。

怎么说呢，点焊机几乎毫不费力就把0.22 mm²的导线烧断了。


设备基本上已经弄明白了，可以开始实际测试。不过我觉得，还是先看看寄来的镍带是什么情况。
我一共收到了四卷镍带。左边那卷小的随第一套套装附送，右边那卷是配大功率手柄的，中间两卷测试样品是在另一家店买的。


1. 第一套套装附送的，宽6 mm，厚0.1 mm。
2. 这卷是手柄附送的，宽7 mm，厚0.12 mm。


这两卷是在这里买的，链接里有很多规格可选，宽度从6到50 mm，厚度从0.1到0.5 mm。
1. 镍带宽7 mm，厚0.125 mm。
2. 镍带宽8 mm，厚0.15 mm，符合标称规格。


1. 第一套套装附送的那卷长63 cm，显然是省着给的。
2. 手柄附送了一卷相当不错的镍带，长3 m，而且截面积也合适，值得点赞。
3、4. 单独购买的测试片长度正好为1米。


我会通过测量电阻来检查这些带材的材质。测试前，我先检查了毫欧表的测量精度。



我在这篇评测中介绍过类似的测量方法。截面积为1 mm²、长度为1 m的纯镍带，电阻应为87 mΩ；另一种常见的带材是钢，电阻明显更高。


1. 第一条带材，截面积为0.6 mm²，长度60 cm时电阻为122 mΩ。换算到截面积1 mm²、长度1 m，电阻仍是122 mΩ。这不是镍，而是镀层钢带。
2. 第二条带材，截面积0.84 mm²，长度99 cm时电阻为135.9 mΩ。换算到1 mm²、1 m，电阻为115 mΩ，显然是钢带。
3. 商店买的第一条带材，截面积0.875 mm²，长度99 cm时电阻为92.2 mΩ。换算到1 mm²、1 m，电阻为81.5 mΩ，看起来更像镍带，尽管电阻比纯镍还低。
4. 商店买的第二条带材，截面积1.2 mm²，长度99 cm时电阻为70 mΩ。换算到1 mm²、1 m，电阻相应为84 mΩ，这就符合纯镍的特性了。

前两条显然是钢带，商店买的很可能是纯镍带。虽然测出的电阻稍低，可能是测量误差，但无论如何，它们的电阻显然更接近镍带标称的87 mΩ，而且弯折起来也不一样：钢带的弹性更强。


第一次测试用的是焊笔套装附带的带材，规格为7×0.12 mm。


我试着用不同数量的脉冲把两条带材焊在一起。
1-4：1次和2次脉冲时，带材几乎可以说完全没焊上，轻轻用手就能把两片分开，几乎感觉不到阻力。
5、6：3次脉冲后，开始有点像焊上了，不过连接仍然非常不牢。


测试前我忘了测超级电容上的电压，直到这一步才想起来。实验开始前12小时，它们每节大约充到了2.5 V；做完初步测试后，总电压为4.86 V。


实验结果让我很不满意，于是决定通过把电极夹的导线直接接到超级电容端子上，而不是接到电路板上的端子，来稍微提高电流。也就是说，实际上我把导线总长度缩短了1/4。
采用这种接法时，通往电路板的正极导线可以选用较细的线。



之后的实验都使用3次脉冲。可以说，改接端子后，设备终于开始能焊了，我轻松地把两条带材焊到了一起。


要把它们撕开得费不小的劲，而且从照片上能看到，有一处甚至把带材烧穿了。


现在来做实际的电池测试。测试使用的是Sanyo NCR18650GA电芯，是其他实验剩下的，所以就算弄坏了也不心疼。


我先用钢带做了实验，可以说焊得非常好。我只能用钳子、费了很大劲才能把它撕下来，而且有些地方的带材是在焊点处撕裂的。



两次实验的结果完全一样，确实很难撕下来。



之后我试了0.15 mm厚的镍带，可惜设备几乎焊不透它。有一处焊得还算牢，但大多数时候得到的都是“冷焊”。



最后试的那片0.12 mm厚镍带情况好一些，不过也好不了多少。我用手把它撕开了，但还是费了些劲。
这里可能是因为电池触点在之前的实验中受到了一些损伤。



经过上面的实验，超级电容上的电压从4.86 V降到了4.45 V。


既然超级电容已经放掉了不少电，我决定再试一次，不过先把它们重新充到5 V。
凭感觉来说，我没发现4.45 V和5 V之间有什么区别，或者说区别很小。焊带边缘时能焊住，但稍微离边缘远一点就不行了。


由于电流取决于导线长度，我决定再缩短导线，把电路板接成负极直接连到超级电容端子的方式。

简单计算一下就能看出，截面积为10AWG的导线电阻是每米3.28 mΩ，每缩短27 cm，回路电阻就能减少0.9 mΩ，还没算端子上的压降。也就是说，最初的情况大致是这样（非常粗略）：
两个超级电容的ESR：0.47 mΩ
晶体管：0.22 mΩ
导线：3.5 mΩ
我估计各种端子和连接处还有约1–2 mΩ

总电阻至少（很可能还不止）有5–6 mΩ。在4.5 V电压下，短路电流应当约为800 A。实际上，触点、电路板以及焊接处本身都会造成很大的压降。但无论如何，减少电缆带来的寄生电阻，应该能提高焊接电流。


结果确实好了一点，至少焊带和焊带之间焊得更好了；但焊到电池上时，改善并不明显。


我已经彻底泄气了，这时想起手头还留着评测时剩下的几段焊带，其中有0.1 mm厚的镍带。后来顺路去朋友那里时，我又拿了几节更换电池组时剩下的旧电池。


不过我觉得这还不够，于是决定“既然要玩，就玩个痛快”，把超级电容充到了接近满电压。


尝试把两条焊带焊在一起时发现，设备很容易就把焊带烧穿了；焊到电池上也好得多。不过又出现了另一个问题：焊带被烧穿时，有时会粘在焊接触点上，所以需要清理触点。


接下来又试了之前实验过的0.12 mm焊带。
焊带和焊带之间也能烧穿；焊到电池上的情况和上一次实验差不多，靠近边缘的地方甚至可能把焊带烧穿，但有些位置还是焊不牢，不过进步显而易见。


下面说说各种补充内容、注意事项之类的。
首先是均衡器，它们以独立电路板的形式出售，但电压只能到2.5 V。在我看来，超级电容在电压高于2.7 V时漏电流会增大，因此本身就能比较好地均衡；而且这样只能得到5 V，而不是5.4 V，这可能会有明显影响。


控制器。
评测中用的是最简单的控制器，选项很少，但功率晶体管是内置的。不过也有更高级的型号。


这些控制器已经集成了充电器和均衡电路，不过功率板需要单独购买。


功率板也有不同型号，适配不同数量和类型的晶体管，通常可以在卖控制器的同一家店买到。


同一批卖家也出售超级电容，通常是拆机件，而且有时同一个卖家的价格也不一样，比如5美元和6.5美元。

他们还提供用于按2S2P方式连接超级电容的铜排，这既能延长续航时间，也能提高输出电流。中国卖家声称这类系统可达到1500–2000 A。


现在说最重要的部分：结论和一些想法。
1. 这台设备能焊，虽然把这块电路板称作“设备”有点夸张，毕竟它不过是一块电路板加上超级电容。
2. 原配焊接触点很差，最好一开始就找不带触点的电路板，再买一套像样的。
3. 焊钢带完全不在话下，焊得非常牢，牙都快咬不下来。
5. 镍带比较难焊，只能焊0.1–0.12 mm的薄镍带，而且必须去掉多余的导线，并且离子电容几乎充满电。
5.离子电容确实很棒，比电池好得多。
6.电流自动控制工作得很奇怪，看起来里面只是简单的RC电路，因为延迟有时是0.5秒，有时又是1秒，取决于两次触碰触点之间的间隔。
7.我觉得如果愿意，可以改进电路，让延迟不再由触点闭合触发，而是由限位开关闭合触发。
8.要想什么都能焊，就得换更大功率的电路板，换掉焊接触点的导线，还可能要装4个离子电容，而不是2个。
9.原则上，这块电路板的功能也够用：有3种模式，还能进入睡眠模式。不过现在我大概会考虑换成一套完整的控制器。

简单总结一下。
这种焊接方式还是有实用价值的，不过需要做一些改进。优点是：想的话，甚至可以在“荒郊野外”焊接，不过持续不了太久。既可以用电源充电，也可以用充电宝充电；但要想正常工作，我建议一直连接电源（更准确地说，是带CC模式的充电器），电压5–5.5 V，电流1–2 A，这就完全够用了。

我还会继续做些实验，不过感觉这块评测的电路板已经接近极限了，至少我不敢换导线，因为它们在一定程度上限制了短路电流；换上更粗的导线后，如果直接把端子短接，很容易烧毁晶体管。