к.т.н., Крушневич С.П.admin@sergeyk.kiev.ua
Статья опубликованна в журнале Радио №10 2013, с.28-32.
В статье рассматривается конструкция паяльной станции, которая состоит из низковольтного паяльника и паяльного фена промышленного исполнения, которые управляемые микроконтроллером PIC16F887. В упрощенном виде устройство может также использоваться как двухканальный измеритель и одноканальный регулятор температуры с термопарой в качестве датчика температуры.
В радиолюбительской практике очень часто возникает необходимость в удобном миниатюрном паяльнике с низким напряжением питания и регулировкой температуры жала для работы с мелкими радиодеталями на отлаживаемой плате. Низкое напряжение питания и заземление жала позволяет значительно снизить риск повреждения электронных компонентов статическим разрядом электричества.
В литературе опубликовано много всевозможных конструкций паяльников и паяльных фенов (далее фенов), но большинство конструкций требуют наличия специального оборудования, подходящих материалов и существенных затрат времени. Благодаря широкому распространению заводских паяльных станций появилась возможность приобрести уже готовые паяльник и фен, которые имеют удобную конструкцию, невысокую цену и наличие готовых сменных насадок.
Рассматривая большое разнообразие паяльников к паяльным станциям можно выделить два популярные типы конструкций, которые различаются способом нагрева и контроля температуры жала. Первые имеют нагреватель, который размещен снаружи жала (как и в классических обычных паяльниках, известных еще с советских времен), рис 1а. Контроль температуры жала в такой конструкции выполняется с помощью термопары, которая прижимается к хвостовику жала. Такая конструкция нагревателя имеет высокую надежность, сама нихромовая спираль надежно защищена от механических нагрузок. Но датчик температуры, который установлен на противоположной стороне жала имеет достаточно большую инерционность, т.к. требуется некоторое время, пока отбор теплоты с кончика жала приведет к снижению температуры его хвостовика. На практике такая схема вполне успешно эксплуатируется за счет большой теплоемкости жала, которой достаточно для быстрого прогрева места пайки и некоторого запаса по температуре. При продолжительной пайке система регулирования фиксирует снижение температуры и повышает мощность, которая отдается в нагреватель.
Рис 1. Схема нагрева жала. а - нагрев жала снаружи; б - нагрев жала изнутри; 1 – жало; 2,4 – датчик температуры; 3 – нагреватель; 5 – металический корпус нагревателя; 6 – керамическая основа нагревателя.
Вторая реализация (рис. 1б) считается более быстродействующей за счет того, что нагреватель размещается внутри жала и датчик температуры расположен на кончике нагревателя. В собранном виде термопара прижимается гораздо ближе к кончику жала (по сравнению с предыдущей конструкцией) и более оперативно реагирует на изменение температуры. В таких пальниках обычно используется хрупкий керамический нагреватель, который легко может повредиться в случае падения паяльника на твердую поверхность, сильных механических нагрузок на жало или вследствие неравномерного отбора теплоты (например, с жалами нестандартных размеров).
Еще одним инструментом современной паяльной станции является фен. Он предназначен для создания воздушного потока заданной силы и температуры, что позволяет бесконтактно нагревать небольшие площади на печатной плате до температуры плавления припоя. Также фен удобен при групповой запайке пассивных электронных компонентов, которые предварительно раскладываются на печатной плате поверх паяльной пасты, благодаря силам поверхностного натяжения расплавленного припоя электронные компоненты самоцентрируются на печатных площадках. Большую популярность фен получил у ремонтников, т.к. с его помощью можно оперативно, «одним махом», выпаивать и запаивать многоногие микросхемы с большим числом и мелким шагом выводов. Также фен очень удобен для усаживания термоусадочных кембриков, а также продувки отдельных участков конструкций теплым или холодным воздухом.
Ранее фены имели отдельный компрессор, который устанавливался в отдельном корпусе и подавал поток воздуха через шланг в ручку, в которой установлен нагреватель и датчик температуры. Наличие компрессора и его высокая цена сдерживала появление фена на рабочем месте радиолюбителя. Но с появлением ручек фенов со встроенным вентилятором оказалось возможным отказаться от громоздкого компрессора в корпусе паяльной станции и заметно упростить конструкцию паяльной станции в целом. На рис. 2. Представлено фото конструкции фена со встроенным вентилятором марки Lukey 852D+ FAN.
Рис.2. Конструкция паяльного фена Lukey 852D+ FAN и паяльника Solomon SL-10/30
В металлическом кожухе передней части ручки фена установлен нихромовый нагреватель и датчик температуры. По конструкции нагреватель аналогичен тому, который применяется в фенах для волос. Напряжение питания нагревателя 220 или 110 В, мощность около 700 Вт. С противоположной части ручки в расширенной части установлен вентилятор центробежного типа с низким напряжением питания, в данном случае 24 В 120 мА постоянного тока. Автор также хочет обратить внимание на тот факт, что у этого типа фена диаметр металлической части сопла составляет 25 мм, в отличи от популярных «компрессорных» версий, которые имеют наружный диаметр сопла 22 мм. В результате этот тип фена требует специальных насадок, а для установки распространенных требуется специальный переходник. Насадки с круглым отверстием небольшого диаметра автор изготовил из старых оксидных конденсаторов марки К50-3 20 мкФ 350 В, рис. 3.
Рис. 3. Насадка для фена.
Для построения своей паяльной станции автор приобрел паяльник к паяльной станции Solomon SL-10/30 с нагревателем установленным согласно рис.1а и фен из паяльной станции Lukey 852D+ FAN со встроенным вентилятором (турбиной), оба представлены на фото выше.
Учитывая, что обычно паяльник и фен не используются одновременно, автор решил упростить конструкцию паяльной станции, совместив управление паяльником и феном на одной панели управления, рис. 4.
Рис. 4. Общий вид паяльной станции.
Основные технические характеристики паяльной станции:
Схема паяльной станции представлена на рис. 5.
Рис. 5. Схема паяльной станции
Паяльная станция построена на базе микроконтроллера DD1 PIC16F887, который сконфигурирован на работу от встроенного тактового генератора на 8 МГц и имеет в своем составе 10-ти битный АЦП. Для внутрисхемного программирования на плате установлен разъем ХP3. Конденсаторы С10 и С15 керамические и устанавливаются максимально близко к выводам питания микроконтроллера. Для подачи звуковых сигналов на плате установлен излучатель со встроенным генератором BA1, который управляется с вывода 40 (RB7) DD1 через транзистор VT5.
Измерение температуры реализовано с помощью термопар BK1 и BK2, которые установлены внутри фена и паяльника соответственно. Сигналы с термопар усиливаются с помощью ОУ DA1.1 и DA1.2. Компенсация температуры холодного спая не выполняется. Следует заметить, что холодные спаи термопар находятся в ручках паяльника и фена и не имеют дополнительных средств их контроля. На практике отсутствие компенсации температур холодного спая не вызывают заметных неудобств в использовании паяльной станции. В качестве опорного напряжения АЦП микроконтроллера используется напряжение питания микроконтроллера. В комнатных условиях это не вызвало появления заметной погрешности. Выводы входа внешнего опорного напряжения АЦП в этой схеме не задействованы и при необходимости могут быть использованы для подключения внешнего источника опорного напряжения, например MCP1541 (4,096 В), MCP1525 (2,5 В) и др., с соответствующей коррекцией коэффициента усиления ОУ.
Резисторы R5 и R6 подтягивают выводы термопар к шине +12 В в случае обрыва линии связи. R8C2 и R9С3 представляют собой ФВЧ для подавления ВЧ наводок. R17 и R18 совместно с защитными диодами, которые установлены внутри микроконтроллера предназначены для защиты входа АЦП от перегрузки. Коэффициент усиления ОУ DA1.1 и DA1.2 задается с помощью резисторов R7, R13, R12, R14. Их следует подбирать таким образом, чтобы при максимальной температуре напряжение на выходе ОУ не превышало значение опорного напряжения АЦП. В данной схеме опорное напряжение составляет 5 В.
Регулировка мощности нагревателя паяльника и фена, а также оборотов вентилятора фена организовано с помощью ШИМ. Управление мощностью нагревателя паяльника организованно с помощью аппаратного ШИМ-модуля микроконтроллера с вывода 17 (RC2) DD1 через мощный полевой транзистор VT2. Мощность потока воздуха вентилятора и нагревателя фена регулируется с помощью программного ШИМа: с вывода 16 (RC1) DD1 через VT2 для вентилятора и с вывода 9 (RE1) DD1 через оптопару U1 и симистор VD7. Регулировка мощности нагревателя фена реализовано пропуском периодов напряжения сети. Светодиод VD5 служит для визуального контроля работы нагревателя фена. Диод VD2 следует устанавливать при использовании нагревателя фена рассчитанного на напряжение 110 В и служит для подачи на нагреватель только одной полуволны сетевого напряжения.
Индикация режимов работы выполняется с помощью 4х разрядного 7-ми сегментного индикатора с общим катодом HG1. Аноды индикатора подключены напрямую к порту D микроконтроллера DD1 через токоограничительные резисторы R26…R33. Эти резисторы следует подбирать так, чтобы суммарный ток через все выводы порта микроконтроллера не превышал 90 мА, а через отдельный вывод 25 мА. Катоды индикатора подключены через транзисторы VT6-VT9.
Для индикации текущей мощности нагревателя и режимов работы используется линейка светодиодов VD8-VD15. При этом VD14 и VD15 используются для индикации режимов работы, тогда как остальные – для индикации мощности. Для экономии выводов и сокращения соединительных проводов между платой микроконтроллера и индикации эти светодиоды управляются с помощью динамической индикации совместно с семисегментным индикатором.
В качестве источника питания используется готовый импульсный блок питания PS-65-24 [1] мощностью 65 Вт с единственным выходом 24 В. Для получения напряжения 12 В использован импульсный понижающий стабилизатор напряжения А4 на базе микросхемы MC33063. Делитель напряжения R19R20 подобран для выходного напряжения 12 В [2].
Реле К1 предназначено для управления питанием паяльной станции, резистор R3 предназначен для снижения тока через обмотку реле в режиме работы, а C1 для кратковременной подачи полного напряжения питания в момент включения. Светодиод VD3 индицирует включение реле.
Паяльная станция работает следующим образом. При нажатии на кнопку SB2 сетевое напряжение 220 В подается на блок питания U2. Напряжение 24 В с выхода блока питание подается на понижающий импульсный стабилизатор A4 и снижается до 12 В. Напряжение 12 В подается через линейный стабилизатор напряжения DA3 на микроконтроллер DD1. После выполнения инициализации, он устанавливает на выводе 10 (RE2) логический уровень «1», который открывает транзистор VT2, и через него на обмотку реле К1 поступает напряжение 12 В. Реле срабатывает и своими контактами К1.1 шунтирует кнопку SB1. После этого кнопку можно отпустить, а микроконтроллер будет поддерживать реле во включенном состоянии.
На дисплее кратковременно возникает надпись с версией прошивки и звучит звуковой сигнал. Включается режим работы с паяльником. Паяльник плавно разогревается до номинальной температуры, текущее значение температуры отображается на светодиодном индикаторе HG1, а подводимая мощность с помощью линейки светодиодов VD8 – VD13. Дабы исключить тепловой удар, до достижения температуры в 100 °C максимальная мощность ограничивается на уровне 40 % от максимальной, а в диапазоне 100…300 на уровне 80 % от максимальной. Это увеличивает время выхода температуры на рабочий уровень, но продлевает срок службы паяльника. По достижению номинальной температуры она стабилизируется на этом уровне. Вращением энкодера SB6 можно задать новое значение температуры.
При нажатии на кнопку SB4 «ФЕН» зажигается светодиод VD14, паяльник переводится в щадящий режим, при котором его температура устанавливается на уровне 150 °С, включается вентилятор фена и затем его нагреватель. Аналогично алгоритму разогрева паяльника температура потока воздуха из фена выводится на заданный уровень. Нужная температура устанавливается вращением ручки энкодера. После однократного нажатия на ручку энкодера можно задать силу воздушного потока вращением ручки энкодера.
После повторного нажатия на копку SB4 выключается нагреватель фена, паяльник переходит в рабочий режим, а вентилятор продолжает работать, пока температура воздуха на выходе из фена не снизится до 60 градусов, после этого он автоматически отключается.
При последовательном нажатии на кнопку энкодера поочередно выводятся пункты меню, таб. 1. При вращении ручки энкодера значение параметра изменяется и вместо названия параметра на дисплее отображается мерцающее текущее значение параметра. Если в течение нескольких секунд энкодер не вращается, то на дисплей выводится текущая температура паяльника или фена.
Таблица 1. Структура меню.
| Индикация | Описание | Примечание |
| AIR | Сила потока воздуха вентилятора фена 0…255 | Только при включенном фене |
| S.tP.0 | Коэффициент А0 паяльника | Значение отсчетов АЦП преобразовывается в температуру согласно полинома: t=A0+A1·АЦП |
| S.tP.1 | Коэффициент А1 паяльника | |
| F.tP.0 | Коэффициент А0 фена | |
| F.tP.1 | Коэффициент А1 фена |
По нажатию на кнопку SB5 микроконтроллер сохраняет текущие параметры в энергонезависимой памяти, выключает нагреватели паяльника и фена. Если в это время фен был активный, то микроконтроллер продолжает продувку нагревателя холодным воздухом, пока его температура не снизится до 60 °С, после чего выставляет логический уровень «0» на выводе 7 DD1, реле размыкает свои контакты и блок питания паяльной станции обесточивается.
Налаживание. Если паяльная станция собрана правильно и микроконтроллер запрограммирован она начинает работать сразу, требуется только подстройка коэффициентов А0 и А1 для паяльника и фена. Для этого сразу после подачи питания с помощью энкодера устанавливается температура ниже комнатной. Далее последовательным нажатием на кнопку энкодера следует выбрать в меню установку коэффициента A0 и выставить текущую комнатную температуру. А затем, выбрав коэффициент A1 вращением ручки энкодера выставить «1.0». После этого следует закрепить на жале паяльника внешнюю термопару или другой измерительный датчик для измерения температуры дополнительным прибором. Область вокруг жала с датчиком желательно прикрыть термостойким теплоизоляционным материалом, дабы обеспечить малую теплоотдачу от жала и минимальную разницу между температурой жала и вспомогательным датчиком температуры. После этого следует с помощью энкодера выставить не высокую температуру, например 100 °С. После стабилизации показаний температуры, если внешний измеритель показывает более высокую температуру, чем паяльная станция – следует увеличить значение коэффициента А1 а в противном случае – уменьшить. Подбирая коэффициент А1 следует добиться разбежности в показаниях температуры не более 5 °С. Не следует допускать роста температуры (по внешнему датчику) выше 300-400 °С, если это произошло, следует проверить напряжение на выходе ОУ DD1.1 и при необходимости подобрать коэффициент усиления ОУ так, чтобы при максимальной температуре напряжение на входе АЦП не превышало опорное. После этого следует выставить температуру, при которой предполагается выполнять большинство работ, например 300 °С и провести повторную подстройку коэффициента А1.
Аналогично следует выполнить настройку коэффициентов А0 и А1 для фена, размещая датчик температуры на расстоянии в 1 см от сопла, выставив среднюю силу потока воздуха. После выполнения указанных настроек паяльная станция готова к работе.
О деталях. В качестве источника питания может быть использован любой другой блок питания (импульсный или трансформаторный), который обеспечивает стабилизированное напряжение 12 В с током не менее 300 мА и 24 В с током не менее 2 А. Рядом с блоком питания размещается электролитический конденсатор 4700 мкФ 35 В выводы которого служат точкой соединения силовых и сигнальных шин питания.
Понижающий импульсный стабилизатор А4 выполнен в виде отдельной печатной платы. Схема и чертеж печатной платы были взяты из документации [3]. Микросхема MC33063 может быть заменена на MC34063. При наличии у блока питания отдельного выходного напряжения 12В блок А4 можно исключить.
Реле К1 для управления питанием паяльной станции, симистор VD1 и оптопара U1 размещены на отдельной печатной плате для максимального разнесения низковольтных цепей и сетевого напряжения 220 В. В качестве реле K1 может быть использовано любое с напряжением катушки 12 В (или 24 В при питания напрямую от источника питания 24 В) с контактами рассчитанными на напряжение не менее 250 В переменного тока и током контактов не менее рабочего тока блока питания и нагревателя паяльного фена. Симмистор VD1 в изолированном пластиковом корпусе TO-220 прижат к печатной плате. Его можно заменить на любой симмистор на напряжение не менее 600 В и номинальный ток не менее 6 А. Симистор устанавливается без радиатора. В качестве оптопары U1 можно использовать любую, способную напрямую управлять симистором с допустимым напряжением не ниже 600 В. Для снижения помех в сети в момент коммутации желательно использовать оптопару с узлом контроля перехода сетевого напряжения через ноль.
Плата индикации и управления выполнена на одностороннем фольгированном стеклотекстолите, на которой размещен 4х разрядный семисегментный индикатор, светодиоды индикации режима работы и мощности нагревателя, а также энкодер. С помощью винтов эта плата крепится к передней прозрачной панели корпуса.
Кнопки SB2, SB3…SB5 типа DS-502 могут быть заменены любыми удобными для монтажа, причем кнопка SB2 должна быть рассчитана на напряжение между разомкнутыми контактами не менее ~250 В и выдерживать пусковой ток импульсного блока питания. При использовании импульсного блока питания следует обязательно убедится в наличии терморезистора в цепи ограничения пускового тока зарядки сетевого электролитического конденсатора. При его отсутствии следует обязательно его установить его в самом блоке питания (обычно для него предусмотрено место на печатной плате) или последовательно с кнопкой SB2.
В качестве энкодера может быть применен любой с механическими контактами. Автор применил энкодер с 12-тю импульсами на оборот и встроенной кнопкой. В качестве энкодера может быть использован и оптический с соответствующей схемой питания и формирования логических уровней на его выходе.
Светодиодный семисегментный индикатор может быть заменен на любой другой с общим катодом, например на KEM-5641.
В качестве паяльника можно применить любой со встроенным датчиком температуры в виде термопары и низковольтным нагревательным элементом.
Следует заметить, что иногда встречаются паяльники и фены у которых в качестве датчика температуры используется терморезистор. Без изменения схемы измерения (DA1) такой датчик температуры с указанной схемой использовать нельзя.
В качестве фена можно применить любой со встроенным датчиком температуры в виде термопары и нагревательным элементом рассчитанным на напряжение 110 или 220 В. Если напряжение питания нагревателя не указано, косвенно его можно определить по закону Ома ориентируясь на мощность и сопротивлению нагревателя. У автора сопротивление нагревателя оказалось 70 Ом, что соответствует напряжению питания 220 В. Если нагреватель рассчитан на 110 В, то в данной схеме следует питать его лишь одной полуволной сетевого напряжения, установив диод VD2. Цветовая маркировка проводов фена приведена на схеме, но после покупки фена ее желательно проверить. Также следует проверить напряжение питания вентилятора фена, т.к. изредка встречаются версии с более низким напряжением питания.
В качестве корпуса использован имеющийся в продаже марки Z-1. Лицевая заглушка была заменена на прозрачную, вырезанную из листового поликарбоната, с обратной стороны которой прижата прозрачная пленка для струйной печати, на которой напечатан рисунок передней панели. На этой заглушке также установлены кнопки SB2, SB3…SB5, разъемы для подключения паяльной станции ХP1 и фена ХP2, а также плата индикации и управления. В качестве разъема паяльника ХP1 использован 5-ти контактный DIN 41524 (аналогичный используется в советской аудиоаппаратуре для передачи звука), и 8-ми контактный DIN 45326 [4].
Альтернативным применением рассмотренной конструкции может стать двухканальный измеритель температуры с датчиком в виде термопары и одноканальный регулятор. Для этого следует в схеме оставить цепи измерения сигнала и при необходимости цепь управления нагревателем. Также следует обязательно оставить энкодер, с помощью которого будет выполняться первоначальная настройка коэффициентов полинома А0 и А1. После настройки энкодер можно удалить.
Прошивка: v0.8 (17.06.2013).
1. Mean Well. 65W Single Output Switching Power Supply. http://www.meanwell.com/search/ps-65/ps-65-spec.pdf
2. С. Бирюков, Преобразователи напряжения на микросхеме КР1156ЕУ5. - Радио, 2001, № 11, c. 38-42.
3. 1.5 A, Step-Up/Down/Inverting Switching Regulators. http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/MC34063A-D.PDF
4. Википедия. Разъём DIN. http://ru.wikipedia.org/wiki/Разъём%20DIN
Крушневич С.П. Блок управления паяльной станции на микроконтроллере PIC16F887 [Текст] / С.П. Крушневич // М.: Радио. – 2013. – № 10. – С.28-32.
05.04.2016