вторник, 6 января 2015 г.

Доработка паяльника


Ранее купленный паяльник решил сделать своим основным. А раз так, то нужно привести паяльник к более адекватному состоянию. Можно пользоваться и без доработки, но здесь уже есть готовая схема, которую можно улучшить совсем небольшими усилиями.

Первое, что я сделал, это убрал заземляющий провод. При всей его полезности без наличия дома земли смысла в нём нет вообще никакого. Обнаружилось, что крокодильчик не припаян, провод к нему просто примотан.

Ещё обнаружил, что выводы нагревателя фактически не припаяны к плате. Сборщик не залудил провода, вероятно его рабочий флюс не берёт нихром. С кислотой мне с трудом, но удалось залудить концы, после чего я припаял выводы обратно.

Моё первое впечатление после покупки о том, что паяльник собран неплохо, оказалось несколько преувеличенным. Элементы корпуса тоже сделаны неровно, дырки под винты нигде точно не совпадают, но это заметно только при разборе. Все надписи с наклейки стёрлись за пару дней.

Схема

Такая схема используется, наверное, во всех подобных паяльниках. Если вы видите на плате LM358 (или аналог) и симистор, но не видите микроконтроллера, то, скорее всего, там будет почти всё то же самое. Пересмотрел в магазинах все прозрачные варианты, везде сборка более старая. В моём варианте всё, что можно, выполнено поверхностным монтажом.

На схеме выделил условно отдельные блоки. Названия элементов оставил оригинальными. Модель платы обозначена как "LM5428M, Design: Liym". На первом фото платы уже есть одна из доработок - индикация включения.





R1 - самая горячая деталь на плате, тепло чувствуется даже через ручку. Номинал стабилитрона WD точно не знаю, напряжение на нём 21-22 В. HEATER - нагреватель, TC - термопара. Вход сети 220 В обозначен как пара AC и GND. Синим цветом отмечены мои доработки.

Вся схема находится под высоким напряжением относительно земли, это нужно учитывать при работе с ней. Через всю плату проходит дорожка для контакта заземления. но она не используется, вместо неё сборщик протянул единый провод от основания нагревателя до крокодила через всю ручку.

Блок выпрямителя и стабилизатора формирует постоянное напряжение около 20 В, необходимое для питания операционных усилителей (LM358) и блока регулировки.

Блок регулировки температуры состоит из кучки резисторов, реализующих регулируемый делитель напряжения, на выходе которого образуется опорное напряжение, примерно 5-20 мВ, с которым сравниваются показания с датчика температуры.

Датчик температуры включен в схему триггера Шмитта (компаратор с гистерезисом) на основе первой половинки LM358 со смещением, задаваемым блоком регулировки. При падении температуры напряжение (термо-ЭДС) на термопаре TC падает, на выходе усилителя ноль. При повышении температуры на выходе получается примерно +20 В. Триггер обеспечивает ровное (без дребезга) переключение состояний за счёт того, что уровень включения выше уровня выключения.

Нагреватель подключен через симистор. Вторая половинка LM358, включенная по схеме компаратора, формирует для него управляющий сигнал на основе синусоиды 50 Гц из сети, см. делитель на R6-R7, и сигнала с триггера. Если температура слишком маленькая, на выходе компаратора ноль, после конденсатора CD2 поэтому тоже ноль, индикатор не горит, симистор заперт. Как только температура падает, на выходе компаратора образуется меандр с той же фазой, что и переменка на условном аноде симистора, что является достаточным условием для его полного открытия.

Диод D2 нужен не только для защиты светодиода LED от большого обратного напряжения, но и для пропускания отрицательной части управляющего сигнала. Ток ограничивается входным сопротивлением управляющего электрода симистора, по документации ток на нём не более 3 мА.

Модификация нагревателя

Отвлечёмся немного от схемы и взглянем на нагреватель, а также на то, как глубоко в него входит жало.



Очевидно, что спираль находится довольно далеко, её можно было разместить поближе к жалу. Жало тоже установлено не оптимально, но его здесь глубже не затолкать, мешает термопара, да и коротким концом работать неудобно.

Не могу сказать, что нагреватель и датчик работают плохо, нет явной причины браться за переделку этой части паяльника. Но есть ощущение, что кончик жала разогревается значительно дольше, чем хвост, где находится термодатчик, нужно ждать пару циклов подогрева, чтобы прогреть его.

После некоторого опыта работы с таким жалом-иглой решил менять его хотя бы даже на острое, но не такое вытянутое. Я бы поменял на плоское (отвёрткой), но не могу найти по адекватной цене. На небольших температурах, достаточных однако для расплавления припоя, работать сложно, а на высоких припой на жале быстро окисляется.

Индикатор включения

Добавил индикатор включения, питающийся от выпрямителя (VCC), горит всегда, пока паяльник подключен к сети. Светодиод оказался сверхъярким даже среди диодов из той же партии, пришлось ставить к нему резистор огромного номинала (750 кОм, ток получился около 25 мкА).

Индикатор нагрева работает в цепи переменного тока, поэтому он заметно мерцает. Индикатор питания работает от постоянного тока, горит ровно, цвет приятный, не мешает. Пару R100-LED100 припаял к ногам конденсатора CD1. На фото выше номинал резистора 220 кОм, и фото со светящимся индикатором также сделано при этом номинале, но позже мне показалось свечение диода слишком ярким, и я заменил резистор на 750 кОм.

Сокращение периода нагрева и остывания

Паяльник поддерживает заданную температуру с большим разбросом, захотелось его уменьшить. Для этого нужно сократить период нагрева и остывания, чтобы паяльник не успевал слишком сильно остывать после нагрева.

На схеме первая половинка LM358 вместе с термодатчиком образует схему триггера Шмитта, которая и обеспечивает необходимый цикл включения и выключения нагревателя с гистерезисом. Без гистерезиса происходили бы постоянные переключения нагревателя. В идеальном случае такое поведение обеспечивало бы максимально стабильную температуру нагревателя, но в действительности из-за неидеальности компонентов и схемы приходится уменьшать частоту переключений, хотя я не думаю, что здесь реализовали адекватное время переключения. На типовой температуре (у меня это отметка 275) нагреватель работает пол минуты, потом остывает минуту. Теоретически, ничто не мешает уменьшить это время на порядок в пределах той же схемы.

Настройка гистерезиса в триггере Шмитта на операционном усилителе производится выбором номиналов резисторов в положительной обратной связи, в данном случае это R5 и R4 с термопарой TC. Увеличивая R5 и/или уменьшая R4 мы можем уменьшить разницу напряжений на входах, при которой происходит переключение выхода с высокого уровня на низкий и обратно. В цепи обратной связи присутствует термопара, поэтому простое изменение номиналов R4 и R5 может также повлиять на калибровку температуры.

Попробовал заменить R4 на 50 Ом, и R5 вплоть до 3,5 МОм, сначала менял один, потом другой, удавалось снизить время нагрева до 15 секунд (до переделки было 25 секунд) и времени остывания до 40 секунд (до переделки - 65 с), паяльник при этом работал почти нормально. При дальнейшем уменьшении периода подогрева моменты включения и выключения становились нестабильными, но снижение периода на 40% - уже хорошо.

Подходящего термометра у меня нет, но, судя по изменению напряжения на термопаре, при таком изменении средняя температура сдвигается вверх, но верхний предел опускается вниз. То есть такая модификация вполне безопасна, дополнительная калибровка необязательна. Калибровку можно попробовать выполнить уже предусмотренным для этого подстроечным резистором W2 и, если понадобится, изменением номинала R2. Судя по сужению диапазона изменений ЭДС термопары, предположив также, что здесь стоит термопара типа K, раньше на отметке 250 был разброс около 45°C, а после переделки - около 25°C.

Даже при минимальном изменении параметров, например при изменении только R4 на 50 Ом, схема начинает работать нестабильно, моменты переключения становятся дёрганными, триггер работает плохо. Это происходит из-за относительно низкого напряжения, выдаваемого термопарой, порядка 10 мВ на отметке 250), при котором на схему начинают влиять шумы и наводки.

Бороться с шумами в схеме, где высокие частоты не нужны совсем, можно фильтром нижних частот. Сначала нужно определиться с источником шума. Конденсатор, установленный в параллель термопаре не помог вообще, пробовал номиналы 100 нФ и 22 мкФ. Оказалось, что намного больше шумит блок регулятора. Конденсатор на 22 мкФ, подключенный между выходом регулятора и землёй, почти полностью убирает нежелательные переключения, но конденсатор оказался слишком больших размеров, в ручку паяльника не влезает, а мелких низковольтных под рукой не оказалось.

Предположив, что часть шумов и наводок появляется ещё до регулятора, вместо выхода конденсатор можно поставить на входе, а это выход выпрямителя. Меняем конденсатор CD1 на 22 мкФ, конденсатор большей ёмкости не влезает в ручку. Как принято, зашунтируем его еще и керамикой, например SMD-конденсатором на 100 нФ (C101 на схеме). Не знаю, насколько это изменение повлияло на результат, но оно точно не мешает.

Далее добавляем фильтр НЧ в триггер в виде ёмкостной отрицательной обратной связи. Мне понадобился конденсатор всего на 0,1 мкФ, чтобы получить примерно тот же эффект, что давали 22 мкФ на выходе регулятора. В окончательном варианте поставил конденсатор на 1 мкФ (большей ёмкости мелкого размера у меня просто не нашлось), что полностью убрало дребезг даже при ещё большем уменьшении номинала R4 до 22 Ом.

Посмотрим на результат. До переделок на отметке 275 градусов период подогрева был 111 с (нагрев 30 с, остывание 81 с), после переделки - 71 с (нагрев 20 с, остывание 51 с). На отметке 350 было 85 с (нагрев 48 с, остывание 37 с), стало 57 с (нагрев 34 с, остывание 23 с). Значения до переделки отличаются от тех, что приводил ранее, так как регулятор настройки слишком грубый, чтобы точно установить его ровно на то же значение, что раньше.

Получилось сокращение периода на 30-40 % на моих типовых рабочих температурах. Ранее уже показал, что такое снижение ещё более сильно (в процентах) снижает разброс температур в начале подогрева и после. Не идеал, конечно, но почти в два раза уменьшить разброс малым вмешательством в схему - неплохой результат.

Ниже показаны доработки на плате. Конденсатор C100 припаян к ножкам LM358, светодиод и резистор для него держатся за счёт пайки. Под конденсаторы залил герметик, чтобы не висели в воздухе. C101 удобно припаялся с нижней стороны к контактным площадкам для CD1.


Что дальше

Обязательно сменю жало. Если для монтажа сойдёт и такое, то для демонтажа оно очень неудобно. Кончик этого жала долго прогревается, причём датчик температуры этого не видит и вырубает паяльник при первом прогреве слишком рано. При пайке даже толстых дорожек, не только полигонов, приходится поднимать температуру, иначе жало липнет.

Можно попробовать ещё уменьшить период подогрева, увеличив R5 и ещё больше уменьшив R4, но меня пока устроил и такой результат, проблема с жалом более актуальна. Значительное уменьшение периода подогрева в данной схеме требует дополнительных мер по снижению шума. Первый кандидат на переделку - блок регулировки, нужно заставить его намного меньше шуметь. Также можно поставить менее шумный ОУ. Схему выпрямителя неплохо было бы переделать, чтобы убрать из неё горячий R1, греющаяся ручка у паяльника в нетипичном месте отвлекает.

Управление нагревателем можно было бы доверить простейшему микроконтроллеру с программой, эффективнее подавляющей шумы, да и логику триггера можно было бы сделать более продвинутой. Скорее всего, в более дорогих паяльниках и паяльных станциях именно так и сделано, я это вижу единственным правильным развитием идеи подобного устройства.

См. также

5 комментариев:

  1. Замечательно. Ясно и просто.
    Спасибо.

    ОтветитьУдалить
  2. Вопрос, если возможно.
    Меня не устраивает, что он слабо греет. На максимуме он олово и канифоль забирает, но даже SMD элементы не может припаять.
    Можно ли ему чуть подбавить температуру?
    Подскажите как и чем...

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Если точно уверены, что дело в нагреве, то можно попробовать подрегулировать W2 в сторону уменьшения сопротивления. Если у вас всё точно такое же, то закручивать по часовой стрелке. У меня закручен почти до минимума, на фото плохо, но видно (скошенная часть кольца расположена напротив подвижного контакта, на фото сзади). Учтите, что упора там нет, может прокрутиться через ноль. В общем, нужно поднять напряжение на выходе регулятора.
      Если регулятор уже на минимуме, то можно попробовать уменьшить номинал R2.

      Удалить