к.т.н., Крушневич С.П.admin@sergeyk.kiev.ua< /p>
Статтю опубліковано в журналі Радіо №10 2013, с.28-32.
У статті розглядається конструкція цифрової мікроконтролерної паяльної станції, яка складається з низьковольтного паяльника (24В) та паяльного фена з вбудованим вентилятором (турбіною), що керуються мікроконтролером PIC16F887. У спрощеному вигляді пристрій може також використовуватися як двоканальний вимірювач (термопара) та регулятор температури (PWM та фазо-імпульсне керування).
У радіоаматорській практиці дуже часто виникає необхідність у зручному компактному паяльнику з низькою напругою живлення та регулюванням температури жали для роботи з дрібними радіодеталями. Низька напруга живлення та заземлення жала дозволяє значно знизити ризик пошкодження електронних компонентів статичним розрядом електрики.
У літературі опубліковано багато різноманітних конструкцій паяльників та паяльних фенів, але більшість конструкцій вимагають наявності спеціального обладнання, відповідних матеріалів та суттєвих витрат часу. Завдяки широкому поширенню заводських паяльних станцій з'явилась можливість придбати вже готові паяльник та фен, які мають зручну конструкцію, невисоку ціну та наявність готових змінних жал та насадок.
Розглядаючи велику різноманітність паяльників до паяльних станціям можна виділити два популярні типи конструкцій, які різняться способом нагрівання та контролю температури жала. Перші мають нагрівач, який розміщений зовні жала (як і в класичних звичайних паяльниках), рис 1а. Контроль температури жала в такій конструкції виконується за допомогою термопари, яка притискається до хвостовика жала. Така конструкція нагрівача має високу надійність, сама ніхромова спіраль надійно захищена від механічних навантажень. Але датчик температури, який встановлений на протилежному боці жала має досить велику інерційність, т.к. потрібен деякий час, поки відбір теплоти з кінчика жала призведе до зниження температури його хвостовика. На практиці така схема цілком успішно експлуатується за рахунок великої теплоємності жала, якою достатньо для швидкого прогріву місця паяння та деякого запасу за температурою. При тривалій пайці система регулювання фіксує зниження температури та підвищує потужність, що віддається в нагрівач.
********************************************************************************************************************************
Рис 1. Схема нагріву тиснула. а - нагрівання жала зовні; б - нагрівання тиснула зсередини; 1 – жало; 2,4 – датчик температури; 3 – нагрівач; 5 – металевий корпус нагрівача; 6 – керамічна основа нагрівача.
Друга реалізація (рис. 1б) вважається більшою швидкодіючої за рахунок того, що нагрівач розміщується всередині жала та датчик температури розташований на кінчику нагрівача У зібраному вигляді термопара притискається набагато ближче до кінчика жала (порівняно з попередньою конструкцією) і оперативніше реагує зміну температури. У таких пальниках зазвичай використовується крихкий керамічний нагрівач, який легко може пошкодитися у разі падіння паяльника на тверду поверхню, сильних механічних навантажень на жало або внаслідок нерівномірного відбору теплоти (наприклад, із жалами нестандартних розмірів).
Ще одним інструментом сучасної паяльної станції є фен. Він призначений для створення повітряного потоку заданої сили та температури, що дозволяє безконтактно нагрівати невеликі площі на друкованій платі до температури плавлення припою Також фен зручний при груповому запаюванні пасивних електронних компонентів, які попередньо розкладаються на друкованій платі поверх паяльної пасти, завдяки силам поверхневого натягу розплавленого припою електронні компоненти самоцентруються на друкованих майданчиках. Велику популярність фен набув ремонтників, т.к. з його допомогою можна оперативно, «одним махом», випоювати і запаювати багатоногі мікросхеми з великим числом та дрібним кроком висновків. Також фен дуже зручний для садіння термозбіжних кембриків, а також продування окремих ділянок конструкцій теплим або холодним повітрям.
Раніше фени мали окремий компресор, який встановлювався в окремому корпусі і подавав потік повітря через шланг у ручку, в якій встановлено нагрівач та датчик температури. Наявність компресора та його висока ціна стримувала появу фена на робочому місці радіоаматора. Але з появою ручок фенів із вбудованим вентилятором виявилося можливим відмовитися від громіздкого компресора в корпусі паяльної станції та помітно спростити конструкцію паяльної станції загалом. На рис. 2. Представлено фото конструкції фена із вбудованим вентилятором марки Lukey 852D+ FAN.
Рис.2. Конструкція паяльного фена Lukey 852D+ FAN та паяльника Solomon SL-10/30
У металевому кожусі передньої частини ручки фена встановлено ніхромовий нагрівач та датчик температури. За конструкцією нагрівач аналогічний тому, що застосовується у фенах для волосся. Напруга живлення нагрівача 220 чи 110 В, потужність близько 700 Вт. З протилежною частини ручки в розширеній частині встановлений вентилятор відцентрового типу низькою напругою живлення, в даному випадку 24 120 мА постійного струму. Автор також хоче звернути увагу на той факт, що у цього типу фена діаметр металевої частини сопла становить 25 мм, на відміну від популярних компресорних версій, які мають зовнішній діаметр сопла 22 мм. В результаті цей тип фена вимагає спеціальних насадок, а для встановлення поширених потрібен спеціальний перехідник. Насадки з круглим отвором невеликого діаметра автор виготовив із старих оксидних конденсаторів марки К50-3 20 мкФ 350 У, 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
(SKOldVersion)11-2023