Цифровое управление паяльником - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Инженерные решения

6505
Цифровое управление паяльником

 

Фото 1

 

Паяльник – это инструмент номер один для специалиста по электронной технике. Выход из строя этого инструмента останавливает процесс ремонта или монтажа схем. Зарубежные производители предлагают разнообразные паяльные станции, их ассортимент лежит в широком диапазоне цен от дешевых до очень дорогих. Множество радиолюбительских схем управления паяльником напечатано на страницах журналов. Автор собрал простое современное устройство для цифрового управления паяльником. Доступно и современно – это основная идея предлагаемой схемы.

Рис.1

Дизайн устройства показан на рис.1. Автору удалось собрать устройство приблизительно похожего вида (фото). Для паяльника обязательно необходим держатель, поэтому корпус выполняет две функции: управления и подставки для горячего элемента паяльника. Эргономика и практичность привела иностранных и отечественных конструкторов к представленному виду дизайна. Автор добавил к дизайну подсвечивающийся дисплей и аналоговый регулятор мощности. Одна из идей создания устройства – это формирование подсоса воздуха внутрь корпуса и фильтрация через воздушный фильтр с порами 0,5 мкм. При этом пары свинца и канифоли остаются внутри корпуса на фильтре. По мере эксплуатации устройства фильтр меняется. Фильтр крепится напротив отверстий в корпусе, перед вентилятором. Для подсоса используется вентилятор для обдува процессоров компьютеров. Поток отфильтрованного воздуха направляется на силовой трансформатор, тем самым, охлаждая силовой элемент схемы.

В основе управления устройством применен микроконтроллер (МК) ATmega 8. МК имеет в своем составе память программ 8 Кбайт, 130 команд управления и вычисления, 23 линии ввода/вывода, два 8-разрядных таймера, один 16-разрядный, шесть 10-разрядных АЦП [1], SPI, TWI, USART интерфейсы.

Рассмотрим структуру устройства (рис.2 см.прикрепленные данные), которая повторяет классические аналоговые схемы. Сетевое напряжение через трансформатор поступает на выпрямитель V1. Выпрямительный мост V1 делает из переменного напряжения 16 В/50 Гц постоянное импульсное 16 В/100 Гц. Импульсная форма напряжения имеет переход через ноль. Детектор нуля R1, операционный усилитель DA1 фиксируют этот переход. Импульсное напряжение через D1 поступает на сглаживающий конденсатор С, сглаженное нестабилизированное напряжение поступает на стабилизатор. После стабилизатора получают питающее напряжение управления +5 В. Это напряжение поступает через регулятор мощности R2 на неинвертирующий вход операционного усилителя DA2. Вращая движок переменного резистора R2, задают разный уровень напряжения на входе DA2.

 

В дальнейшем при составлении программы необходимо учитывать нелинейную характеристику переменного резистора R2, так чтобы мощность регулировалась через равные сегменты оборота движка регулятора мощности. На инвертирующие входы DA1, DA2 подается также опорное напряжение. Изменяя опорное напряжение при конфигурации АЦП в МК, можно изменять максимальный уровень входного аналогового сигнала МК. В МК имеется аналоговый мультиплексор, который позволяет выбирать аналоговый канал. В начале программы выбирается канал мощности, а затем в режиме реального времени – канал детектора нуля. После преобразования аналогового сигнала в цифровой, МК выполняет алгоритм работы программы, выводит на дисплей заданную мощность и управляет симистором. Управление симистором производится через гальваническую опторазвязку, для защиты МК от сетевых всплесков.

 

Принципиальная электрическая схема устройства показана на рис.3 (см.прикрепленные данные). Устройство управляется IC1 МК ATmega8 [1]. Информация об отдаваемой в нагрузку мощности отображается на ЖК-индикаторе DISP1. Прибор включается кнопкой S1. Схема управления питается от понижающего трансформатора TR2, который также используется для силового питания паяльника. Для работы схемы детектора нуля и устойчивого выключения симистора Т1 необходимо исключить сглаживание пульсаций 100 Гц на паяльнике. Эту функцию развязки выполняет диод D1. Сглаживание пульсации напряжения питания стабилизатора IC2 выполняет цепь R1C3.

Стабилизатор напряжения IC2 обеспечивает питание МК и схемы регулятора мощности Р1. Чтобы предохранить вход АЦП от перенапряжения, на входе МК установлен защитный стабилитрон D2. Для вывода МК из зацикливания или сбоя предусмотрена кнопка RESET и цепочка сброса R3C11. Для исключения влияния работы ядра МК на питание АЦП применен фильтр C6C9L1. Вывод информации о мощности, подаваемой на паяльник, производится непосредственно с МК на ЖКИ. Так как контрастность ЖКИ зависит от освещения помещения, то применена его подсветка светодиодами LED1–LED4. Детектор нуля R10, P2 выделяет нулевой ток из импульсного напряжения 16 В/100 Гц, и эти данные поступают на АЦП1 МК. АЦП0 МК считывает напряжение с регулятора мощности Р1. Конденсатор С10 предотвращает всплески на Р1 при ручной регулировке.

Управление симистором Т1 от МК, согласно рис.2 (см.прикрепленные данные), осуществляется через опторазвязку ОК1. Одновременно LED5 сигнализирует о включении симистора Т1.

Алгоритм работы устройства

Включение симистора Т1 выполняется по определенному алгоритму. Для управления системой используется прямой метод регулирования. Автор разработал метод регулирования «Базис 12» (без обратной связи), применимый только для инерционной тепловой нагрузки. Включение нагрузки происходит в момент перехода переменного напряжения через ноль. Это необходимо для исключения импульсных помех, создаваемых в сети при коммутации переменного тока симистором. Так как переменное напряжение выпрямляется диодным выпрямителем, то имеем 100 Гц положительные полуволны напряжения. Регулирование мощности нагрузки производится путем отбрасывания некоторого количества положительных полуволн. Автор для расчетов выбрал базис 12 импульсов. При исключении заданного количества целых положительных полуволн из каждых 12 импульсов сети, получим регулировку мощности. Путем выбора заданной мощности, МК отсчитывает по определенному алгоритму 12 импульсов сети, при этом исключает некоторые полуволны в указанном порядке. Для увеличения дискретности регулирования мощности необходимо увеличивать базис, например, выбрать минимальный шаг 1 из 25 или 1 из 100. Однако увеличение шага регулировки потребует больших ресурсов МК. Один из недостатков подобного регулирования – это появление звуковых колебаний в нагрузке.

Блок-схема программы показана на рис.4 (см.прикрепленные данные). Работа МК начинается с установки портов ввода-вывода. Далее идет опрос АЦП1. Исходя из результата полученных значений с АЦП1, устанавливается дискретная мощность. В каждом случае дискретной мощности выполняется последовательно заданный алгоритм включения симистора. При этом используется рассмотренный ранее прямой метод регулирования «Базис 12». На дисплей выводятся дискретные числа соответствующие выбранной мощности. Для вывода каждого шага алгоритма «Базис 12» МК сканирует АЦП2, как только значения АЦП2 ниже 10 единиц включается симистор. Если в алгоритме «Базис 12» задан ноль, то симистор отключается. После прохождения 12 шагов алгоритма «Базис 12» симистор отключается, и программа возвращается в начало.

Программа

В начале программы АЦП1 проверяет уровень напряжения на регуляторе мощности Р1. Опорное напряжение для АЦП1 берется от вывода питания МК. В процессе аналого-цифрового преобразования двоичное число Z вычисляется по формуле:

Z=1024*Uвх/Uref.

Программа выполняется пошагово. После чтения данных АЦП1 программа переходит в подпрограмму логических функций, где выбирает необходимое значение в поле допуска данных АЦП1, 2–4-й столбик табл.1 (см.прикрепленные данные). Как только значение выбрано, происходит переход к адресу, в котором записано два байта информации «Базис 12», 5–6-й столбик табл.1 (см.прикрепленные данные), и два байта кода дисплея, 7–12-й столбик табл.1 (см.прикрепленные данные). Для реализации метода регулирования «Базис 12» автор использовал функцию команд МК «сдвиг вправо через перенос». При этом значение переноса анализируется логическими командами МК. Если перенос равен единице, то симистор включается, если ноль, то выключается. Для отображения информации на дисплей также используется функция переноса. В формировании второй цифры дисплея участвуют два порта PORTB, PORTD, чтобы передать правильно информацию в PORTB, 7 бит цифры маскируется логической функцией «И». А в PORTD 7 бит цифры получается путем комбинации логических функций с первой цифрой PORTD. Это необходимо для экономии памяти кодов значащих цифр. Скорость выполнения программы МК очень высока, поэтому АЦП2 МК успевает вычислить уровень сетевого напряжения и выключить симистор при нулевом напряжении сети и включить при напряжении выше 10 единиц АЦП2 МК. Программа повторяется циклически, при этом за один цикл программы выполняется полностью функция «Базис 12». В каждом новом цикле проверяется уровень регулятора мощности Р1.

Конструкция

Монтажная плата (рис.5 см.прикрепленные данные) имеет двухсторонний монтаж, или при замене проводами проводников (рис.5,б см.прикрепленные данные) можно изготовить одностороннюю плату. Перед монтажом плата разделяется на две части (рис.5,а см.прикрепленные данные), проводники от одной части платы к другой соединяются шлейфом один к одному. Концы шлейфа паяются в местах разрыва платы. Для МК на монтажной плате устанавливается панелька. Корпус рис.6 состоит из деталей, которые изготовляются отдельно. В основе корпуса 1 выбирают прямоугольный пластиковый корпус, продаваемый в розничной торговле габаритами ДхШхВ 140х140х110 мм. Заготовку корпуса разделяют на две части (рис.6): на ненужный сегмент 12 и на основу корпуса 1. Далее вместо вырезанного окна изготавливают переднюю панель из пластиковой пластины. В пластиковой пластине вырезают окно для дисплея и высверливают отверстия для регулятора и выключателя. В окно панели вклеивают прозрачный лист, изготовленный из твердой обложки. Пластиковую пластину красят под цвет корпуса и приклеивают эпоксидной смолой к краям корпуса. Регулятор мощности 2 и выключатель питания крепят к передней панели. Скобы 3, 9 удерживают плату управления.

Корпус устанавливают на ножках 4. В корпус вставляют понижающий трансформатор с платой питания 5 и, при возможности, вентилятор 16 (AIRFLO model D4510S12L) для охлаждения трансформатора и одновременно фильтрации воздуха. Трансформатор с платой питания крепят к корпусу уголками 6. Для уменьшения вибрации под трансформатор прокладывают резиновую подложку 7. Схема имеет предохранитель сети 8. Включается устройство с помощью тумблера 10. Данные с ЖКИ видны через окошко 11. На ЖКИ наклеивается по диагонали тонкая черная полоска (черная изолента) для получения символа %. Для соединения паяльника с платой, с боку корпуса устанавливают разъем 15, через который подается регулируемое питание. Питание вентилятора от стабилизатора 12 В. Стабилизатор подключают непосредственно к выпрямителю от силового трансформатора. Все провода необходимо закрепить стяжками. Сверху корпуса устанавливают держатель паяльника, так чтобы жало паяльника находилось напротив подсоса в корпус воздуха. Автор собрал схему навесным монтажом (фото 2), с максимальным повторением конструкции, показанной на рис.6.

 

Рис. 6

 

 

Фото 2

 

Детали

Симистор ВТ136, выпрямительный диодный мост КВU8K или любой другой на ток 2 А и обратное напряжение не менее 40 В, дисплей жидкокристаллический ИЖЦ5-4/8, диод КД202, стабилитрон КС147А, оптосимистор moc3063, трансформатор с одной первичной обмоткой 220 В и двумя вторичными по 8 В, суммарной мощностью 30 Вт, дроссель 47 нГн на ток не менее 10 мА, кварцевый резонатор 4 МГц, светодиоды LED1–LED5 любые на ток 5 мА, корпус прямоугольный, свечение голубое. Выключатель сети – тумблер двухсекционный на 220 В, Iн=0,5 А. MK ATmega8-16PU. Паяльник 12 В мощностью 25 Вт.

Настройка

Она начинается с записи в МК листинг 2 (листинг 1 программа на языке Ассемблер см.прикрепленные данные). Программатором устанавливают SEL 4 МГц. Настройку выполняют без МК при включенном питании. Р1 регулируют во всем диапазоне и проверяют плавность изменения напряжения (если характеристика регулятора нелинейная, корректируют значение в столбике 3–4 табл.1 см.прикрепленные данные). Р2 устанавливают амплитуду 2 В. Проверяют импульсное напряжение положительной полярности. Устанавливают запрограммированный МК в панельку платы управления. Включают устройство и, начиная с минимального значения регулятора мощности Р1, проверяют осциллограммы на выводах паяльника (необходимо использовать цифровой осциллограф с памятью). Если осциллограммы не соответствуют заданным, необходимо настроить схему детектора нуля резистором P2.

Эксплуатация устройства

До включения питания устройства необходимо регулятор мощности вывести на минимум, затем после включения плавно повышать до необходимой мощности (при модернизации программы эту функцию можно запрограммировать как автоматически выполняемую). По мере работы с устройством необходимо периодически следить за фильтром и заменять в случае видимой засоренности. Себестоимость устройства с корпусом и паяльником составляет около 27 евро, или 205 грн.

Литература

1. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейства Tiny и Mega фирмы ATMEL. 2-е издание. – М.: Додэка-XXI, 2005.

Понравилась статья? Расскажите друзьям!
ПОХОЖИЕ СТАТЬИ
comments powered by Disqus