SKORI WEBLAPJA
JBC Forrasztóállomás!

Belefogtam egy saját tervezésû forrasztóállomás készítésébe. A dolog úgy kezdõdött hogy egy barátom ajánlotta, hogy próbáljam ki a JBC forrasztópákát mert az jobb mint a Weller, és ráadásul olcsóbb is. Akkoriban nekem csehszlovák pillanatpákám, és több darab a szakzsargonban "kattogós Weller"-ként emlegetett forrasztópákám volt. A dolog akkor kapott nagyobb lendületet, mikor a barátomtól kaptam egy használt JBC-245A pákát, és a hozzávaló (TGabor barátom által tervezett) forrasztóállomás beültetett NYÁK-ját, amit be is üzemeltem.

A tapasztalatok elég meggyõzõek voltak, a JBC páka a bekapcsolás pillanatától számított néhány másodpercen belül eléri az üzemi hõmérsékletét. A páka, könnyû, filctollhoz hasonlóan vékony, és a fogási pontja viszonylag közel van pákahegy csúcsához. Az is szimpatikus, hogy a pákahegyek tartalmazzák a fûtést és a hõmérséklet mérésére szolgáló termoelemet is, és maga a páka gyakorlatilag csak egy eszköz a pákahegy befogadására. Mivel egy ilyen pákában nincs külön fûtõbetét, ezért azt pl. sosem kell majd cserélni benne. A nagy fûtési csúcsteljesítmény, és a széles pákahegy választék, lehetõvé teszi az apró SMD alkatrészek forrasztásától kezdve, a nagy hõmennyiséget igénylõ alkatrészek forrasztását is.



Ez rövid idõn belül annyira megtetszett, hogy mindegyik Weller pákámat eladtam és az árát JBC pákahegyek vásárlására fordítottam. Ebben több ismerõsöm, barátom is megerõsített azzal, hogy amikor említettem, hogy JBC pákát fogok használni, az elsõ reakció az volt, hogy: JBC? Az jobb mint a Weller! Ez furán hangozhat annak aki keveset forraszt, de a forrasztástechnikában a Weller mint gyártó, sokak által egyfajta referenciaként ismert, tehát sokmindent ehhez viszonyítanak.

Nem sokkal késõbb elhatároztam hogy készítek egy saját tervezésû forrasztóállomást is, amit a saját igényeimre szabhatok. Természetesen ebben a hobbi, az építés, és a saját magam számára állított kihívásnak is szerepe volt. Tehát, errõl fog szólni ez az oldal.

Mik az elvárások, illetve milyen követelményeknek kell megfelelnie egy ilyen forrasztóállomásnak?
  1. A pákahegy hõmérsékletét igyekszik a beállított értéknek megfelelõen, a lehetõ legpontosabban tartani.
  2. Gyors felfûtés, azaz a beállított hõmérsékletet a lehetõ leggyorsabban érje el a páka.
  3. Kikapcsolt állapotban is õrizze meg a korábbi beállításokat.
  4. Két pákát is tudjon egyszerre mûködtetni a forrasztóállomás.
  5. A forrasztóállomás kijelzõjén legyen látható a beállított, és a mért hõmérséklet is.
  6. A forrasztóállomás legyen egyszerûen és gyorsan kezelhetõ.

  7. További funkciók:
  8. Amikor a pákát a tartóra helyezzük akkor az állomás csökkentse a pákahegy hõmérsékletét (készenléti üzemmód)
  9. Ha a páka hosszú ideig van a tartón, akkora forrasztóállomás teljesen kikapcsolhatja pákahegy fûtését.
  10. A forrasztóállomás legyen védett a páka zárlata,vagy a vezeték szakadása okozta hibákkal szemben és jelezze a kijelzõn a páka meghibásodását.
  11. Amikor a pákában hegyet cserélünk, akkor a forrasztóállomás csak néhány másodperc várakozás után kapcsolja be újra a pákahegy fûtését, hogy puszta kézzel is lehessen betétet cserélni anélkül, hogy megégetne.
  12. Ha forrasztópákát kivesszük a tartóból, akkor a forrasztóállomás automatikusan kapcsolja be a páka fûtését, mindezt néhány másodperc késéssel, hogy a felfûtés elõtt, még legyen lehetõség hidegen egy esetleges pákahegy cserére.
A fenti követelményeknek megfelelõ áramkört a legcélszerûbb valamilyen mikrovezérlõvel megvalósítani. Erre a célra az arduino nano alternatívájaként is ismert, BluePill fantázianevû kis modult választottam. Ez a modul méreteiben, és árban hasonló az arduino nano hoz, de egy 72MHz-es órajelû, 32 bites, STM32F103 processzort tartalmaz. A Blue Pill modul programozható az ST saját fejlesztõ környezetével is, de az arduino fejlesztõ környezetével is könnyen és jól használható. Mivel arduinoval már dolgoztam, és könnyen, gyorsan készíthetõk vele ügyes kis programok, ez elég fontos szemponttá vált. Annak is volt némi szerepe a kiválasztásban, hogy a távolkeletrõl szinte fillérekért beszerezhetõ a BluePill. (2020 januárban 1000Ft alatt)



Jelen pillanatban (2020.08.03) még nincs készen a forrasztóállomás, csak egy mûködõ prototípus létezik, házilag készült nyákon. Ez a felsorolt feltételek közül az 1,2,4,5,6,7,8,10,11 -nek felel meg, és nem teljesíti a 3, 9 feltételeket. A következõ NYÁK verzió amivel elvileg a maradék elvárások is teljesülnek majd (illetve néhány itt nem felsorolt feltétel is), kínában lesz legyártva, ezért annak megérkezéséig az errõl szóló oldalt is el tudtam kezdeni.
A forrasztópáka hõmérsékletét PID szabályzással célszerû vezérelni. Ilyesmit azelõtt még sosem programoztam, ezért ez is egyfajta kihívásnak tûnt, de a gyakorlatban végül is nem okozott túl nagy nehézséget a megvalósítása.
Miért van szükség PID szabályozásra? Miért nem elegendõ a cél-hõmérséklet elérésekor simán kikapcsolni a fûtést, alatta pedig bekapcsolni? Ennek több oka is van.:
A PID szabályzásról sok helyen lehet olvasni az interneten, én pedig nem vagyok profi ebben a témában, inkább csak kezdõ, ezért csak néhány mondat erejéig térek ki a mûködésére, inkább a gyakorlati oldaláról megközelítve a dolgot. Jelen esetben a pákahegy hõmérsékletét 20msec idõközönként megméri az MCU (azért kell ilyen sürün mérni, mert - mint ahogy korábban is említettem - igen gyors hõmérsékletváltozásra képes). A cél-hõmérséklet, és az aktuális hõmérséklet különbségét fogjuk felhasználni a vezérléshez, ezt nevezzük hibajelnek. Elsõ körben a páka fütõ teljesítményét a hibajellel arányosan vezéreljük, azaz minél nagyobb a hibajel (minél nagyobb az eltérés a kívánt és az aktuális hõmérséklet között) annál nagyobb teljesítménnyel fûtjük a pákát. A PID szabályozásból ez a hibajellel arányos tag lesz a "P". A fûtés teljesítményét PWM-el szabályozza az MCU, a PWM frekvenciáját úgy kell megválasztani, hogy azt semmiképpen se tudja lekövetni a fütõbetét, tehát átlagolni fogja a PWM-el meghatározott teljesítményt. Jelen esetben 1kHz körüli a választott frekvencia (bár valószínûleg alacsonyabb frekvencia is elegendõ lenne).
Az egyszerû arányos szabályzás egész használható, ha az arányos tag együtthatóját, azaz az erõsítést jól választjuk meg, de van egy kis problémája a dolognak: Ha a páka kezdi megközelíteni a cél hõmérsékletet, azaz a hibajel közelíti a nullát, akkor a fûtõ teljesítmény is a nullához közelít - márpedig nullához közelítõ fûtõteljesítménnyel sosem fogja elérni a páka a cél hõmérsékletet, hanem egy valamivel alacsonyabb hõmérsékletre fog beállni. Ezért szükség lesz egy egyfajta offszetre ami a pontos értékre tudja beállítani a hõmérsékletet. Egy statikus értéket hozzáadva a kiszámolt fûtõ teljesítményhez, ez elméletileg megoldható, de a gyakorlatban a páka hõterhelése változó, és a cél hõmérsékletet is szeretnénk az éppen aktuális igényünkhöz igazítani. Emiatt egy önbeálló megoldásra van szükség, ez lesz a szabályozás "I" része. Tehát hibajel integrálját is számoljuk, és egy megfelelõ együtthatóval szorozva korrigáljuk vele a fûtõ teljesítményt. Amíg a hibajel pozitív, addig az integrál érték folyamatosan növekszik, és ezzel a fûtõ teljesítmény is. Negatív hibajel esetén (ha a hõmérséklet magasabb, mint a beállított érték) az integrál érték csökkenni fog. Ha a hibajel a nullához közelít, akkor az I értéke közel állandó marad. Megfelelõ együttható választása esetén ahogyan a P tag és a hibajel csökken, úgy közelíti meg az I a szükséges értékét, a hõmérséklet tartásához. Ezzel már elérhetõ, hogy a pákahegy hõmérséklete nagyon pontosan megközelítse a beállított hõmérsékletet. A gyakorlatban, változó, de nem szélsõséges hõterhelés esetén, azaz pl. forrasztás közben, néhány fok pontossággal tudja tartani a beállított hõmérsékletet, közel álladó hõterhelés esetén pedig kb. tizedfok pontosan. (Csak zárójelben jegyzem meg, mivel nem saját mérés eredménye, de a Weller gyári forrasztóállomása csal a mért hõmérséklet kijelzésével, azaz elrejti a szabályozás hibájából eredõ viszonylag nagy hõmérséklet ingadozást. Nekem viszont már a legelsõ prototípus esetében sem volt szükségem ilyesmire.)
A pákahegy hõterhelése használat közben hirtelen meg tud változni, pl. vizes szivacson húzzuk le a pákát, vagy pl. nagy hõelvonó képességû és még hideg felület forrasztását kezdjük el. Itt jön a képbe a PID szabályzás "D" része, azaz a hibajel deriváltja. A hõmérséklet, illetve a hibajel gyors megváltozásakor a D rész értéke is megnõl. Ha ezt egy megfelelõen megválasztott együtthatóval szorozva szintén hozzáadjuk a szabályozó jelhez, akkor a hirtelen hõelvonást, egy nagyobb fûtõteljesítmény-lökettel próbálja kompenzálni.

Tehát a szabályozás jóságát, magyarán, hogy pl. milyen hárokon belül tudja tartani a szabályozás a hõmérsékletet, vagy milyen gyorsan korrigálja a változásokat, összességéban a P, I és D együtthatóinak beállítása fogja meghatározni (temészetesen a pákahegy fizikai tulajdonságai által meghatározott lehetõségeken belül). Az együtthatók bármelyikének megváltoztatása hatással lesz a stabályozás mûködésére.
Ha a P együtthatóját nagyon nagyra választjuk (tehát a szabályozó erõsítése túl nagy) akkor a szabályozás ki/be kapcsolgatós szabályzásként fog mûködni, és minden egyes kapcsolás alkalmával túllendül, illetve alá megy a beállított hõmérsékletnek. Alacsony erõsítés esetén pedig kevésbé pontos, és lassú lesz a beállás.
Túl nagy I együttható esetén a szabályozás hatalmas lengéseket produkál, esetleg ezek a lengések állandósulnak is (gerjed). Alacsony érték esetén túlságosan lassú lesz a beállás, és nehezen tudja követni a terhelés változásait. Mindkét értéknek meg kell találni az optimumát, ami mindenképpen egy-egy kompromisszum eredménye lesz, hiszen a követelmények is állandóan változnak, pl. a célhõmérséklet, a pákahegy tipusa és hõtömege, a forrasztandó felület hõelvonó képessége, stb...
A D együttható, túl nagy értéke esetén begerjed a szabályozás, optimális értékû együttható gyorsítja a beállási idõt, és csökkenti a lengések amplitudóját a nulla együtthatójú esethez képest. Túl alacsony értéket nehéz definiálni, mert D nélkül is mûködik a szabályzás, (ilyenkor PI szabályzásról beszélünk). Tapasztalatom szerint, a JBC páka esetében a D talán kisebb jelentõségû, mert maga a páka kicsi tömegû, és ehhez képest nagyon nagy teljesítménytartaléka van, ezért a PI szabályzás önmagában is gyorsan dolgozhat. De a D paraméterének ésszerû megválasztásával kicsit még javíthatók a szabályzás tulajdonságai.
Nyilván forrasztás közben kell a legjobban viselkednie a szabályzásnak, de a pákahegy hõmérsékletét két forrasztás között is meg kell tartani. Ezért a PID szabályozásba néhány további feltétel szerint még beavatkozik a program. Pl. a hibajel nagyságától is függ hogy figyelembe veszi-e az I és D tagot, illetve ettõl függõen korlátozhatja a maximális változási sebességét, és limitálja az abszolút értékét is.

A forrasztóállomás hardverének megtervezésekor számos szempontot kell figyelembe venni.
- A pákahegyben levõ termoelem relatíve kicsi jelet ad. Mivel semmilyen leírásban nem találtam meg az interneten, hogy milyen tipusú termoelem van a JBC pákahegyekbe építve, ezért a termoelem adatok gyûjtése mellett, azt is megmértem, hogy mekkora feszültséget kapok a termoelemen adott hõmérséklet mellett.

A JBC pákahegy esetében, méréseim szerint ez 25...26µV/°C. A fenti ábra alapján ez a PtMo vagy az N tipusú termoelemre hasonlít, tehát valószínúleg valami ilyesmi van a pákhegybe beépítve. Sajnos nincs bõvebb információm a JBC pákahegybe épített termoelem tipusáról és pontos hõfok/feszültség karakterisztikájáról. Ezért szívesen fogadnék errõl bõvebb leírást is - ha valakinek rendelkezésére áll ilyen.
A fenti mért értékbõl látszik hogy a termoelem jelét erõsíteni kell (nem is keveset), hogy az MCU-ban levõ A/D konverter 12bites felbontását ki tudjuk használni (és ha már a lehetõsége adott, akkor használjuk is ki). Erre a célra mûveleti erõsítõt használok, aminek meg kell felenie az alábbi követelményeknek:
Mivel nem akartam kettõs ± feszültséget használni az erõsítõ táplálására, olyan tipus kellett ami egyetlen tápról is jól mûködik, és a teljes feszültség tartomány kihasználható (Rail-to-Rail Input/Output).
Több interneten publikált kapcsolásban láttam olyan opampot, amelynek a specifikált offeszet feszültsége 2...3mV körüli. Ha utána számolunk, ekkora offszethiba akár ±120°C mérési hibát is bevihet. Ez szerintem nem engedhetõ meg, és az ezzel mûködõ áramkörök használhatósága csak a szerencsén múlik, tehát azon, hogy a megvásárolt opamp offszethibája, a használati körülmények között kisebb, mint amit specifikáció egyébként megenged. Persze lehet különféle módon, szoftveresen, és/vagy hardveresen próbálkozni az offszethiba kompenzálásával, de manapság sokkal célszerûbb olyan opampot választani, ami kellõen alacsony offszethibájú. Jelenleg nem probléma 1...2µV-nál alacsonyabb offszethibájú opamp beszerzése sem. Az általam választott tipus 25µV maximális offszethibájú, ami maximálisan 1°C mérési hibát okozhat, úgy gondolom ennyi már belefér, cserébe ez az opamp viszonylag olcsó, és gyakorlatilag probléma nélkül feldolgozható vele a termoelem által adott feszültség.

A pákának 3 kivezetése van, (fûtés, termoelem, és közös pont), fûtés közben a vezetékeken esõ feszültség jóval nagyobb, mint a termoelem feszültsége, ezért a hõmérséklet csak akkor mérhetõ meg, ha a páka fûtése éppen szünetel, egyébként az opamp simán túlvezérlõdik a vezetéken esõ feszültség miatt (ez utóbbi amúgy ügyes kapcsolástechnikával kivédhetõ). Az opamp túlvezérlése azért probléma, mert ilyenkor hosszú lesz a feléledési ideje, azaz a szoftverben sokkal többet kell várakozni míg a hõmérsékletnek megfelelõ feszültség megjelenik az A/D konverter bemenetén, ahhoz az esethez képest, amikor elkerüljük az opamp túlvezérlõdését. Tehát ha azt aszeretnénk, hogy a szoftverbe ne kelljen a feltétlenül szükségesnél hosszabb (tehát felesleges) várakozásokat bépíteni, akkor érdemes lesz olyan áramkört tervezni ami meggátolja az opamp túlvezérlõdését.

A forrasztóállomás tápfeszültsége névlegesen 22V (12-24 V), ebbõl a tápfeszültségbõl kell a pákahegyet fûtõ PWM feszültséget elõállítani. Ezt a legegyszerûbben P csatornás MOSFET-el lehet megoldani, amelynek a vezérlését, az MCU által elõállított PWM jel adja egy 3db tranzisztorból álló szintillesztõ és meghajtó áramkörön keresztül. Az 1kHz-es PWM frekvencia, bár nem túl magas, de azért célszerû a kapcsoló FET gyors, és korrekt vezérlését biztosítani, a jó hatásfok érdekében (magyarul, hogy ne melegedjen feleslegesen a FET). Ezen kívül késõbbi terveim között szerepel más PWM frekvencia kipróbálása is (akár a jelenleginél alacsonyabb pl. n*100Hz, akár a hallható ferekvenciatartomány felett pl. 20kHz-en vagy kicsit feljebb), bár a jelenleg használt 1kHz esetében semmilyen problémát nem tapasztaltam eddig.

A forrasztóállomás hardveréhez, a pontos méréshez szükséges egy feszültség referencia. Ugyan az MCU-ba épített referencia is használható, de néhány internet oldalon valamiért külsõ referenciát használnak, és mivel szerettem volna biztosra menni, ezért ezt a megoldást választottam, egy filléres TL431 felhasználásával.

A hõmérséklet mérésére szolgáló termoelemrõl tudni kell, hogy a feszültsége nem a hõmérséklet abszolút értékével arányos, hanem a környezeti hõmérséklethez képest mér. Ezért az MCU egyik analóg bemenetére egy hõszenzort kapcsoltam, a környezeti hõmérséklet mérése céljából. Egyébként az MCU is tartalmaz hõmérõt, de az több okból sem használható: az MCU belseje ugyanis jóval melegebb a környezetnél, és függ az MCU terhelésétõl. A nagyobbik gond, hogy a távolkeletrõl rendelt (feltehetõleg hamisított, de egyébként mûködõ MCU) belsõ hõmérõje vagy rossz, vagy nem létezik....

A forrasztópáka fûtõtestjének felvett teljesítménye a PWM-en kívül, a tápfeszültség abszolút értékétõl (konkrétan a feszültség négyzetével arányosan) is függ, ezért a szoftver ezt is figyelembe veszi a PWM kitöltési tényezõjének beállításakor. Ehhez azonban az MCU egyik analóg lábát felhasználva mérni kell a tápfeszültség értékét is. (Cserébe az áramkör, bár névlegesen 22V-ra méretezett, de valójában széles tápfeszültség határok között mûködõképes.)

Szükséges még egy segéd tápegység, ami a kijelzõ és a BluePill panel számára elõállítja az 5V-os tápfeszültséget. Erre a célra egy kicsi, SOT23-as tokozású, step-down konverter céláramkört használtam fel. A BluePill pedig már tartalmazza az MCU-hoz szükséges 3,3V-os LDO stabilizátort.

Kijelzõként egy olcsó és általánosan használt 2x16 karakteres alfanumerikus LCD kijelzõt használtam fel. De mivel nem akartam sokat vezetékezni, ill. sok I/O lábat sem felhasználni, ezért az alábbi cikkben szereplõ módon, mindössze 2db I/O lábat felhasználva vezéreltem a kijelzõt: LCD kijelzõ vezérlése 3 ill. 2 I/O lábon

A zárlatvédelem megvalósításához szükség lesz a pákák áramkörébe egy-egy sönt ellenállás beiktatására, és megfelelõ komparátorra, a söntön esõ feszültség figyeléséhez. A komparátor, túláram érzékelése esetén letiltja a PWM jelet, reteszelõdik, és az MCU számára jelzi ezt az üzemállapotot. A PWM letiltásának feloldása a terveim szerint a szoftverbõl is lehetséges lesz. Ez a funkció jelenleg még nins megvalósítva.

A beállítások tárolásához egy külsõ EEPROM használatát tervezem. A jelenlegi terveken 1db i2c, és 1db 1wire illesztésû EEPROM is szerepel. Gyakorlatilag a kettõ közül csak az egyiket kell majd beültetni a NYÁK-ba, de még nem dõlt el melyiket választom. Tehát jelenleg még ez a funkció sincs megvalósítva. De a kinából megrendelt panel megérkezésekor igyekszem mihamarabb ezt is beüzemelni (a korábban említett zárlatvédelemmel együtt).

Ezzel nagyjából az összes szükséges hardver elemet felsoroltam, ami a NYÁK-ra felkerül, ill. kell még néhány nyomógombot bekötni egy-egy I/O lábra, a forrasztóállomás kezeléséhez.

Természetesen szükség lesz még egy 22V körüli 7...8A csúcsáramot kibíró, de max 100W átlag teljesítményt tudó tápegységre. Erre a célra egy távolkeletrõl rendelt, 24V / 6A terhelhetõségû flyback hálózati tápegységet használtam fel, kicsit meghekkelve azt:

A visszacsatolásának a módosításával a feszültségét lecsökkentettem 22V körülire. A tápegység kapcsoló FET-jének a source körében levõ söntre pedig forraszottam egy további söntöt, hogy az áramhatárt kb. 9A-re növeljem meg. Ezt nyilván tartósan nem bírná el ez a tápegység, de erre nincs is szükség, csak a páka felfûtése idejéig, azaz néhány másodpercig kell tudnia ezt az áramot. A páka forrasztás közbeni átlag teljesítménye szinte mindíg bõven 50W alatti, két páka esetén sem fogja a 100W-ot elérni. Tehát a tápegység szinte még túl is van méretezve :) A forrasztóállomás szoftverét egyébként úgy írtam meg (és a hardver is ennek megfelelõ felépítésû) hogy két pákás üzemmódban a PWM vezérlés úgy mûködjön, hogy a két páka felváltva legyen csak bekapcsolva, átfedés nélkül. Mivel normál használat közben (a felfûtés kivételével) mindíg 50% alatti a szükséges PWM kitöltési tényezõje, így ez probléma nélkül megoldható. Ennek annyi az "ára", hogy ha a két páka egyszerre fût fel, akkor pár másodperccel tovább fog tartani a felfûtés, mert mindkét páka max 50%-os pwm-el lesz fûtve. Azonban a kitõltési tényezõt két páka esetén sem mindíg kell 50%-ra korlátozni, hiszen ha az egyik páka üzemel, és csak 10%-os PWM-nek megfelelõ a teljesítmény igénye, akkor a másik páka akár 90% -al is fûthet, tehát nem észrevehetõ a felfûtési idõ meghosszabbodása. Azt is érdemes megjegyezni, hogy az 50%-os PWM több mint 75W teljesítményt jelent a névlegesen 50W-os pákán, tehát ez az állapot sosem állhat fenn hosszabb ideig. A gyakorlatban pedig még nagy hõterhelés esetén (pl. nagyobb felületek forrasztása) sem nagyon megy 30W fölé a páka teljesítményfelvétele. Így a tápegység is kimélve van, és probléma nélkül ki tudja szolgálni akár 2db forrasztópáka együttes használatát is.

Skori@2020.08.03
Miután sikerült összeszedni, hogy kb. mire van szükség a hardver felépítéséhez, nézzük az elsõ prototípus kapcsolási rajzát. Ezen a kapcsolási rajzon még nem szerepel túláram védelem, és a két EEPROM sem került fel a panelre. A rajz egy része pedig a protitípuson történt hekkelésekhez lett igazítva, ugyanis menet közben kiderült néhány olyan dolog amire a tervezéskor nem számítottam. Sajnos a kapcsolási rajzot nem tudtam volna úgy lekicsinyíteni, hogy a feliratai olvashatók maradjanak, ezért (megjelenítõtõl függõen) szélesebb lehet mint az oldal, és a kép alatti görgetõsávval lehet mozgatni.
A kapcsolási rajz felsõ részén látható az 5V-ot elõállítõ step-down konverter, mellette jobbra a két PWM meghajtó. A két PWM fokozat közül az elsõ nem-invertáló módban, míg a másik invertáló módban mûködik. Alattuk a szövegben is felsorolt hardver elemek. Ami esetleg bõvebb említést érdemel: a termoelemek jelét erõsítõ áramkörök.
A mûveleti erõsítõ bemenetén, és kimenetén is látható egy-egy R-C aluláteresztõ szûrõ. Ezek idõállandója sokkal rövidebb, mit az opamp beállíási ideje, elsõpsorban zajszûrés miatt lettek beépítve. Ennek a részegységnek talán a legérdekesebb része a Q11, Q12 FET. A szoftver úgy mûködik, hogy amikor eljön a következõ 20ms-os ciklus, illetve a mérés ideje, akkor kikapcsolja a PWM-et, majd ezután bekapcsolja a két FET-et. Az erõsítõk bemenete csak ekkor, a mérés idejére lesz rákapcsolva a termoelemre. A mérés végén az MCU kikapcsolja a két FET-et, kiszámolja az új PWM értékeket, és visszakapcsolja a PWM jelet. Ez a megoldás meggátolja az opampok túlvezérlõdését, amikor a páka fûtése aktív. A FET-ek kikacspolt állapotában az R37/R17 ill. az R38/R23 osztókon kialakuló feszültség miatt az opampok kb 150°C-nak megfelelõ értékre állnak be, azaz nincs kiülve a kimenetük egyik tápra sem, és egy ilyen közbensõ értékrõl rövidebb idõ alatt tud beállni a méréskori értékre. A termoelem és a FET nyitott állapotban mérhetõ ellenállása nagyságrendekkel kisebb mint az osztó, így a mérés pontosságát nem tudja elrontani. Az áramkörbe beépített FET egyúttal megvédi az opamp bemenetét a túl nagy feszültségektõl is, még a FET nyitott állapotában is. Ugyanis a gate elektródán levõ 3V feszültség miatt a source akkor sem tud 3V-ig emelkedni, ha a drain elektródára rákerül a 22V tápfeszültség, hiszen ha a source feszültsége emelkedik akkor a FET lezár. Az R16 és R22 ellenállás akkor kap szerpet, ha a termoelem nincs csatlakotatva, ilyenkor az opamp bemenetét felhúzza és az A/D kiül a maximális értékre. Ebbõl "tudja" a szoftver, hogy nincs páka csatlakoztatva (vagy szakadt a termoelem vezetéke). A D10, D11, és az L1, L2 utólag került az áramkörbe. Ugyanis nem számoltam vele, hogy a PWM kikapcsolásakor, feltehetõleg a vezetékek kapacitása/induktivitása miatt, a termoelem bemenetre egy nagy negatív impulzus kerül (kb. -3V), ami szintén az opamp kiakadását és lassú feléledését okozta. Emiatt került be a két említett shottky dióda az áramkörbe. Sajnos ez a negatív ipulzus akkora áramot hajtott át a diódákon, hogy az csak kb. -1V körül tudta megfogni a feszültésget. Viszont ez az impulzus rövid ideig tarott, ezért adta magát, hogy egy sorbakötött kicsi induktivitással szépen korlátozható anélkül, hogy további számottevõ soros ellenállást kötnénk be a mérõ körbe. Ezzel a kiegészítéssel teljesen stabillá vált az opampok mûködése. Csak csendben megjegyzem, hogy ennek a hibának a felderítése és elháritása, oszcilloszkóp nélkül sokkal nehezebben ment volna, mert a szoftverben elõször csak annyi látszott, hogy néha nagyon hosszú ideig kell várakozni, a PWM kikapcsolása után, hogy megfelelõen lehessen mérni a pákahegy hõmérsékletét.
A hõmérséklet mérésekor egyébként az MCU valójában nem egyetlen mérést végez, hanem az A/D konverterrel 128db mintát vesz, ezeket összegzi, majd egy kalibráló kontstans-al elosztja úgy, hogy az eredményt tizedfokban kapja meg. Ehez persze a termoelem tulajdonságából eredõ, relatív mérés miatt, még hozzá kell adni a környezeti hõmérsékletet, amit a PA3 bemenetre kapcsolt MCP9700A szenzor segítségével mér meg az MCU. Ez ugyan nem egy túl pontos eszköz, de annál mindenképpen pontosabb, mintha a szoftver fix 25°C környezeti hõmérséklettel számolna, vagy éppen figyelmen kívül hagyná, hogy a termoelemmel relatív hõmérsékletet mérük (azaz a termoelem feszültsége csak azt mondja meg, hogy mért pont hõmérséklete mennyivel melegebb mint a termoelem hideg vége, illetve a környezeti hõmérséklete).
A beépített opampokról még ennyit, hogy az adatlap szerint 2MHz-es sávszélességük, azonban tudni kell, hogy ez az 1x-es erõsítésre vonatkozik, kb. 250x-es erõsítés mellett a várható sávszélesség is kb. ilyen arányban csökken, tehát mindössze kb 8kHz-re. A gyakorlatban a pwm kikapcsolása után, kb 100µs idõre van szükség mire az opamp kimenete beáll a hõmérsékletnek megfelelõ értékre. Ugyanakkor ha az opamp bemenetét nem védjük meg a durva túlvezlérléstõl, akkor ez az idõtartam megnövekszik az opamp feléledési idejével, ami sokszorosa lenne a jelenlegi beállási idõnek. Mivel a mérés idejére ki kell kapcsolni a fûtést, ezért nem mindegy, hogy ez mennyi ideig tart.
A kapcsolási rajz bal oldalán két EEPROM is van, az MCU szoftvere pedig jelenleg még egyiket sem "ismeri". Mindkét típusból rendeltem pár darabot, és késõbb kiderül majd, hogy melyik marad meg a végleges megoldásban (még az is lehet, hogy mindkettõ - de ezt nem ígérem).

Beteszek néhány fotót a prototípusról (bocs a mobilos fotók képminõsége miatt, most csak ez volt kéznél):

A szoftverben annyit "csaltam" hogy a célhõmérséklethez 0,5°C-ot hozzáadok, hogy ha a kijelzett érték ingadozik akkor csak fõleg a tizedesek tegyék ezt, a fok érték már legyen stabil. Ugyanis szerintem (is) felesleges a tizedfokos hõmérséklet kijelzés, elég lesz fokra kerekíteni, a kerekítéskor pedig nagyon jól fog jönni az a fél fok plussz ;)
Készült egy videofelvétel is (szintén telefonnal, és szabad kézzel súlyosbítva a minõségét - bocs). Ezen a felfûtés folyamata, és egy nagy rézfelület forrasztása látszik majd -amennyiben nem rettentette el a kedves olvasót a képek minõsége :)
A videóban a kijelzett hõmérséklet valós, és az idõ sincs manipulálva. Érdemes megfigyelni, hogy komolyabb hõterheléssel (nagy rézfelület) is milyen könnyedén megbírkózik, illetve a led fényén is látszik, hogy mikor "tekeri fel vagy le" a PWM-et a forrasztóállomás. A felfûtés ideje amúgy kicsit még gyorsabb is lesz a felvételen láthatónál, ugyanis utólag vettem észre, hogy csak 20V-ról tápláltam a forrasztóállomást.


Skori@2020.08.04 - Nemsokára folytatom...
Elérkezett a folytatás ideje, ugyanis megérkeztek a gyári nyákok, és be is üzemeltem az egyik panelt, amelyrõl mindjárt be is teszek néhány fotót.
De elõtte még annyit, hogy elgondolkoztam mi legyen a sorsa a fenti videóban is szereplõ, házi gyártású panelre épített kis készülék sorsa. Ugyanis egészen jól mûködik, annyi a hátránya, hogy nem jegyzi meg a beállított hömérsékletet, hanem 320°C-os beállítással indul, és ezt lehet állítani, a zárlatvédelem pedig olvadóbiztivel van megoldva. Meg persze magán viseli a kisérletezés, és hekkelések nyomait. Ettõl eltekintve viszont kimondottan jó. Tehát mielõtt szétszedem, és az alkatrészeit felhasználom, itt felajánlom, hogy ha valakinek esetleg megtetszik akkor alkarész-ár környékén elviheti, (tehát beültetett a panel, felprogramozott mikrovezérlõvel, és a kijelzõvel együtt). Ez az ajánlat 2020 október 15.-ig él. Szerk: A panelbõl azóta kiszedtem néhány alkatrészt, és a továbbiakban tartalék alkatrész forrásként tekintek rá....
Most pedig jöjjenek az ígért fotók, a gyártatott nyákról (nagyobb mérethez katt rá):

A panelen levõ áramkör, a korábbihoz képest kiegészült egy túláram védõ kapcsolással, illetve a korábbi módosításokat is ráterveztem. Ennek ellenére pár apróbb módosításra mégis szükség volt, mert menet közben kiderült még pár olyan dolog amit a tervezéskor nem vettem figyelembe. Ugyankkor ezek a módosítások már nem jeletõsek, kultúrált módon, szépen ráépíthetõk a panelre, szinte nem is észrevehetõk. Miben tud többet ez a panel mint az elõzõ prototípus? A legfontosabb különbség, hogy a prototípuson a zárlatvédelem olvadóbiztivel volt megoldva, ezen viszont egy elektronikus megoldás van. A túláramvédelm mûködését észleli az MCU, és képes resetelni is az áramkört. A tesztelés során sokszor rövidre zártam a páka fûtõbetétjét, amit az áramkör probléma nélkül elviselt. A nyákra felkerült két EEPROM, az egyik 1wire, a másik i2c illesztésû. Azért kellett kétféle mert nem tudtam elõre, hogy melyiket tudom majd könnyebben életre kelteni, ugyanakkor minkettõ filléres darab. A jelenelgi szoftver csak az i2c-s, 24AA04 tipusú, és ezzel kompatibilis EEPROM-ot kezeli, (a 11AA02-t nem kell beültetni, de talán egy késõbbi szotver verzióba bekerül ennek a kezelése is). A pwm Alpha & Omega Semiconductor gyártmányú, AOI423 tipusú kapcsolófetje nagyon bevált, eredetileg 2x2dbFET-et terveztem a panelre, de gyakorlatilag 1-1db FET-is elegendõ az áramkörbe, és így sincs érezhetõ melegedés. Nézzük a kapcsolási rajzot (katt rá a nagyításhoz):
A páka fûtését biztosító pwm kimenetekkel sorosan bekerült egy-egy nagyáramú, de mindössze 1µH induktivitású tekercs. Ez az induktivitás érték nagyon kevés lenne arra a célra, hogy az áram hullámosságát simítsa, egészen más a feladata. Amikor a kimenetre rövidzárlat kerül, akkor IC6/IC7 komparátor érzékeli a túláramot, és letiltja a pwm-et. Azonban ennek az áramkörnek reakcióideje véges, akár 1µsec vagy hosszabb ideig is eltarthat mire lekapcsol. A kimeneten levõ 1µH induktivitás korlátozza az áram növekedési sebességét. Zárlat, vagy túláram keletkezésekor a kimenõ/zárlati áram folyamatosan növekszik (µsec-onként kb. 20A-el) egészen a lekapcsolás pillanatáig. Tehát a lekapcsoláskor nem akármekkora, hanem egy jól méretezhetõ ill. kézben tartható nagyságú áram fog folyni, ami a gyakorlatban jóval kisebb lesz, mint a kapcsolóFET maximális (70A-es) áram terhelhetõsége. Ezért a kimeneti rövidzárlat nem tesz kárt az áramkörben, sõt még a tápegység kimeneti feszültsége sem fog letörni ennyire rövid idõ alatt, és pl. két pákás üzemmódban a másik páka zavartalanül mûködik a zárlat teszt közben is. A gyors áramkorlát mûködése látványosan csökkenti pl. a szándékos a rövidre záráskor keletkezõ szikrát is, annyira, hogy gyakorlatilag nincs látható szikrázás, csak kikapcsolja a pákát és a kijelzõn megjelenik egy F-betû (fuse), ami a túláram védelem mûködését jelzi.
A mikorvezérlõ szofvere már megfelel a cikk elején leírt összes követelménynek, és kapott néhány további funkciót is. A MCU megméri a forrasztóállomás tápfeszültségét (a pwm kiszámolásakor figyelembe veszi), a saját 3,3V-os tápfeszültségét, és a környezeti hõmérsékletet is. Ezeknek az értékeknek a kijelzõn való megjelenítésére is van lehetõség, továbbá a pwm kitöltési tényezõje is megjeleníthetõ, %-os formában. Lehetõség van mindkét páka kalibárló értékét módosítani, azaz beállítható, pontosítható a páka hõmérséklet mérése, és ennek megfeleõen a szabályozás is. Bár ha kellõen pontos alkatrészekbõl építjük fel az áramkört, akkor a hõmérséklet mérés is kellõen pontos lesz alaphelyzetben is. A pwm jel frekvenciáját egy kísérlet kedvéért állíthatóvá tettem, és végül ez bennemaradt az aktuális szoftverben is. Gyakorlatilag több lépésben, 100Hz-tõl 7200Hz-ig állítható a frekvencia. A kisérletben 20kHz feletti frekvenciát is kipróbáltam, és teljesen használható volt az is, de ekkora frekvencia már csak a pwm felbontásának csökkentése árán állítható be. 100Hz és 7200Hz között 10000 lépés a pwm felbontása, tehát a kitöltési tényezõ 0,01%-os lépésekben állíható (de felbontást a harmadára csökkentve 21kHz is beállítható lenne). De ez már csak a dolog "játék" része. A lényeg, a szabályozás: gyakorlatilag a beállított cél hõmérsékletet, a páka hõterhelésének változásai közben is néhány fokon belül tudja tartani, kb állandó hõterhelés esetén pedig 0,1°C-on belül tartja a páka hõmérsékletét. Ennek érdekében a PID szabályzást a korábban említett kis beleavatkozásokon kívül, még pár aprósággal kiegészítettem. A hõmérséklet mérése több érték átlagolásával történik. Mivel a termoelem nagyon kicsi feszültséget ad, és nagy erõsítésre van szükség, még így is viszonylag zajos a jel. Ez annyit jelent hogy a mért érték kb. ±0,1°C-ot ingadozik. Az ingadozás csökkentése céljából készítettem egy egyszerû algoritmust ami nagyon gyorsan be tud állni az imbolygó értékek közepére - ez a függvényt elneveztem "filter"-nek. A PID szabályozás mûködésekor a cél-hõmérséklet közelében a P tag a nullát közelíti, és az I értéke dominál. A P ilyenkor már szinte csak zajt vinne be, ezért a P értékét átküldöm a filter függvényen a feldolgozása elõtt. Az I-t viszont nem kell (és nem is célszerû), mert az úgyis kiintegrálja a zajt. A D esetében fokozottabban jelentkezik az, hogy amikor a hibajel már kicsi, akkor rossz a jel/zaj viszony. Amikor a hibajel néhány tized fok alatti, akkor a D szinte már csak zajt tartalmaz, és a pwm kitöltési tényezõje jobban imbolyog miatta, mint kellene. Ennek a hatásnak a csökkentésére, egy egyszerû zajküszöb algoritmust készítettem, ezen "megy keresztül" a D értéke, mielõtt a pwm kiszámolásánál fel lenne használva. Ettõl a gyakorlatban lényegesen stabilabbá vált a pwm jel. A végeredmény pedig: a páka állandó hõterhelése esetén a mért/kijelzett hõmérséklet érték stabil, még a tizedfok értéke sem mozdul, vagy csak ritkán. Felfûtéskor sem kell csalni a kijelzett értékkel, a hõmérséklet mindössze 3 fokot lendül túl a beállított értéken, de ez pákahegytõl is függ, van amelyikkel pontosan a beállított értéken áll meg. Nagy egybefüggõ felületen való forrasztásakor is csak néhány fokot hûl vissza a pákahegy, és ezt is igen gyorsan korrigálja a szabályozás. A forrasztás befejezésekor a túllendulés is mindössze néhány fok. Több olyan gyári állomás is van, ami egyszerûen elrejti ezeket az értékeket (pl. több kínai, de egyes Weller állomások is), és a beállítottnál magasabb hõmérséklet esetén, nem a mért, hanem a beállított hõmérsékletet mutatja. Feltehetõleg azért, mert felfûtéskor 20...60°C-al túlszaladnak a célhõmérsékleten, és forrasztás közben is érdekes dolgokat mûvelnek, és ez persze hülyén nézne ki a kijelzõn. Nekem szerencsére nem kellett ilyesmivel foglalkoznom, a kijelzõn mindíg látható a mért hõmérséklet.

Jelenleg 5db nyák készült ebbõl az áramkörbõl, és úgy tûnik mindegyiknek meg is lesz a helye. Azonban tervbe van véve egy következõ nyák készítése is, amin már nem lesz igazí újítás, csak az a néhány utólagos módosítás kerül rá, amit a jelenlegi panelen elvégeztem. A mostani áramkört azonban bedobozolom, és használatba veszem, mert a céljának már megfelel jelen állapotában. Késõbbi gyártás pedig csak kellõ számú érdeklõdõ esetén lesz - tehát aki szeretne ilyen állomást építeni, és vásárolna tõlem gyárilag készült NYÁK lemezt hozzá az mailban jelezheti számomra. A szoftvert egyelõre nem teszem fel ide, de azok számára akik igénylik, egy jelképes összegért elérhetõvé teszem majd .bin formában. Azért nem ingyen, mert igen sok órát töltöttem el ezzel a projekttel, és bár nem várom el, hogy a fejlesztés teljes mértékben megtérüljön (hiszen végülis hobbi, és szivesen dolgoztam rajta), de azért egy kicsit szeretnék javítani az arányokon. Amennyiben a késõbbiekben úgy ítélem meg, hogy a fejlesztés megtérült, (vagy ha bármi más okból így döntök), akkor ingyenessé válik a szoftver is, és letölthetõ lesz innen (hogy ez mikor lesz, az nem tudom). Elõfordulhat az is, hogy érdeklõdés hiányában, ez csak egy cikk marad a sok közül ezen a weblapon, (de persze nekem azért lesz egy egész jó forrasztóállomásom :-) ).

Amikor majd elkészülök a dobozolással, és "élesben is" használatba veszem a forrasztóállomást, akkor még készítek pár fotót róla, ami felkerül majd ide is, illetve amikor lesznek hosszabb távú tapasztalataim, (vagy az esetleges utánépítõknek) akkor azzal is bõvülhet ez az oldal.

Tehát folyt. köv.....

Skori@2020.szept


Beépítettem egy TME-nél kapható mûanyag mûszerdobozba a forrasztóállomást. A dobozba készítettem egy aluminium szerelõlapot, és erre csavaroztam rá a NYÁK lemezeket. A doboz elõlapját (és hátlapját) hagyományos eszközökkel munkáltam meg: fúrógéppel és reszelõvel. Készítettem néhány fényképet is:


Készítettem néhány videofelvételt is, íme:
       

Skori@2020.okt.



Arra gondoltam, hogy megosztok még néhány fejlesztéssel kapcsolatos, szerintem érdekes dolgot. Mivel ez az elsõ forrasztóállomás amit terveztem, igyekeztem az elkövethetõ hibáknak minél jobban elébe menni. Az egyik egy egyszerû, néhány alkatrészbõl álló eszköz, amit "páka szimulátornak" neveztem el. Nézzük a kapcsolási rajzát:

Mire jó ez az áramkör? A megfelelõ kivezetéseit a páka helyére bekötve, a forrasztóállomás azt hiszi, hogy egy páka van rákapcsolva, elkezdi fûteni, méri a hõmérsékletet, stb... Mindez persze úgy történik, hogy nem folynak nagy áramok, és mondjuk egy esetleges szoftver vagy hardver hiba észrevehetõ, és vizsgálható is, anélkü, hogy bárnmi meghibásodna miatta. (tehát csak a példa kedvéért: nem fog vörösre izzítani egy pákahegyet egy elhibázott szabályozás, vagy egy zárlat a panelen). A forrasztóálomás kalibrálható, ami könnyen megtehetõ ha van egy ilyen célra készült páka hõmérõ kéznél, de... Egy már bekalibrált állomáson beállítottam 320°C-ot, majd a rácsatlakoztatott páka szimulátoron megmértem egy mV mérõvel, a termoelem bemenet felé továbbított feszültséget (ezt ráírtam a rajzra). Ezt felhasználva (ha a szobahömérséklet nagyjából azonos, és ezt a pákahegyekrõl is elhisszük) akkor másik ugyanilyen állomást ez alapján be tudunk kalibrálni hõmérõ nélkül is. Nyilván a pontossága nem lesz ugyanolyan mint hõmérõvel, de ezért egész használható. Mivel a páka szimulátor része a rendszerben levõ szabályozó-visszacsatló huroknak, a felépítéséhez használt alkatrészek pontossága nem befojásolja a vele történõ kalibrálás pontosságát! Még annyit, hogy semmi garancia nincs arra, hogy a páka szimulátor más forrasztóállomással kompatibilis-e, ezért a használatát más forrasztállomáshoz nem javaslom.

Néhányan rákérdeztek az alkalmazott érintésvédelmi megoldásra, ill. a páka földelésére. A saját forrasztóállomásomban védõvezetõs érintésvédelmi megoldás van, a hálózati tápegységére és a belsõ, fém szerelõlapra csatlakozik a védõvezetõ. A gyári forrasztóállomás esetében (tudomásom szerint) a pákahegy közvetlenül földelt. Ennek szerintem vannak elõnyõs és hátrányos tulajdonságai is. Ha a pákával véletlenül hozzáérünk egy feszültség alatt álló ponthoz, akkor zárlatot fog okozni, annak minden következményével együtt. Ugyanakkor szerintem egy földfüggetlen, "lebegõ potenciálon levõ" pákaheggyel sem a legjobb megoldás egy áramkörben forrasztani. Ezért olyan megoldást választottam, hogy egy párhuzamos RC tagon keresztül földelem le a forrasztóállomás tápjának negatív pontját, és ezzel gyakorlatilag a pákát is (330nF 300VAC X kondenzátor, és 1...100k). A kondenzátor biztosítja, hogy nagyfrekvenciásan hidegített ponton legyen a páka, az elenállás pedig megakadályozza az elektrosztatikus feltöltõdést. Ugyanakkor ha véletlenül feszültség alatt álló ponthoz érünk, akkor csak korlátozott nagyságú áram tud folyni. Tisztában vagyok vele hogy ez sem a leg-tökéletesebb megoldás, talán majd egy következõ fejlesztés során más/jobb megoldást fogok kitalálni..