Цифровая паяльная станция

Эта паяльная станция работает совместно с паяльником Xytronic 107 ESD и используется взамен паяльных станций Xytronic 136/137 ESD, но, при желании, ее можно перенастроить под паяльники других производителей.

Как все началось:

Я давно хотел иметь дома для паяния хороший паяльник, со сменными жалами и с регулируемой температурой, чтобы паяние было удовольствием и наслаждением, особенно это актуально при переходе на SMD-элементы. Но средств для покупки не было, т.к. в нашей "деревне" заработки невелики а паяльная станция или неплохой паяльник для станции стоят недешево. Тем более бизнеса из своего хобби я не собирался делать. Вот так и жил. Но однажды я повстречал старого приятеля Алексея Вострикова, с которым не виделся лет 5-6, а он говорит: не нужен ли мне паяльник от паяльной станции, могу презентовать. Я естественно не отказался. Так появился у меня новенький паяльник Xytronic 107 ESD. А далее дело рук и мозгов, т.е. вроде не обделен. Эта конструкция, вобщем как и все остальные, собиралась дома, так называется: на коленках, из завалявшихся и б.у. деталей. На ноябрь 2007г. все это изделие мне обошлась ровно в 50руб. И через 3 месяца у меня на столе уже стояла готовая цифровая паяльная станция. А пока я ее делал у меня родился СЫН!

Характеристики паяльной станции:

1. Паяльник _______________________________________________________ ~24 В 60 Вт
2. Тип термодатчика _______________________________________________ резистивный с положительным ТКС
3. Пределы регулирования температуры жала __________________________ 50°C - 420°C
4. Шаг регулирования температуры ___________________________________ 10°C
5. Точность измерения температуры жала выше 150°C ___________________ +-3°C
6. Температурные пределы измерительного узла ________________________ 10°C - 480°C
7. Кол-во фиксированных температурных режимов _____________________ 3
8. Габариты паяльной станции _______________________________________ 98х98х160 (мм)
9. При включении устанавливается тот режим и та температура которые были при выключении
10. Паяльная станция чувствительна к обрыву и к.з. на входе термодатчика, при этом на индикаторе высвечивается "Err" т.е. ошибка измерения. Это означает что паяльник не подключен или неисправен термоэлемент.

Схема и описание

    Управление и Индикация
На Рис.1 показана схема платы Управления и Индикации. Светодиодные семисегментные индикаторы с общим анодом расположены в 2 ряда по 3шт. Все сегменты катодов объединены в шину. Аноды каждого разряда соединены с кнопками управления. На этой плате также размещены светодиоды, показывающие работу паяльной станции.

Рис.1

Рис.2

    Контроллер
На Рис. 3 показана схема контроллера, который управляет индикаторами, светодиодами и температурой паяльника, принимает команды с кнопок и производит измерение температуры паяльника.

Рис.3

    Аналоговая часть
Аналоговый узел, схема которого показана на Рис. 4, состоит из усилителя сигнала термоэлемента на ОУ DA1 повышенной точности. Для измерения температуры используется внутренний АЦП микроконтроллера подключенный к выводу 23 DD1 (PC0), Рис. 3. ОУ DA1 питается от +5 В через фильтр R33C10 с DA2 и от -5 В с DA3.

Рис.4

    Блок питания
Блок питания на +5 В и -5 В собран по стандартной схеме на DA2 и DA3, см. Рис. 4. Из-за малого тока потребления по -5 В, менее 4 мA, установлен однополупериодный выпрямитель VD7. Блок питания каких либо сложностей не представляет.

    О деталях
Вместо ATMega 8 можно применить ATMega 8L, в любом корпусе, цоколевка на схеме дана для корпуса DIP.
Вместо транзисторов VT1-VT6 2N5401 можно применить отечественный аналог КТ6116А.
Импортный аналог 140УД17 - OP-07E.
Вместо АЛС324Б лучше применить современные, более яркие индикаторы с общим анодом. Можно использовать 3-х разрядные индикаторы, для лучшей визуализации и удобства пользования нижние индикаторы HG4-HG6 желательно применить зеленого свечения. Для современных индикаторов нужно уменьшить ток, проходящий через их сегменты, увеличением номиналов резисторов R13-R19, и, пропорционально можно увеличить сопротивление базовых резисторов R1-R6. Это приведет к уменьшению потребления тока от стабилизатора DA2, что увеличит надежность и экономичность паяльной станции. стабилизатор DA2 должен быть установлен на теплоотводе с полезной площадью поверхности 50-60см2.
Оптопару U1 можно применить любую симисторную, т.к. напряжение на паяльнике невысокое.
Подстроечные резисторы R26 и R30 применены многооборотные - СП5-3, хотя возможно применение любых.
Сетевой трансформатор Ш18х25 с окном 18х46 был взят со старого связного оборудования. На нем была оставлена только первичная обмотка - 1742в проводом Ø0,31мм, остальные обмотки удалены и вместо их намотаны: ~24В - 200в Ø0,8мм, ~8В - 67в Ø0,49 и ~9В - 75в Ø0,25. Можно использовать любой обмоточный провод. Между первичной и вторичными обмотками нужно сделать усиленную изоляцию.
Ответная часть разъема X2, которая применена на паяльнике, не была найдена, по этой причине весь разъем был заменен, соответственно цоколевка X2 дана условно.
На задней стенке корпуса, рядом с разъемом X2, установлен зажим для заземления.

    Налаживание
При программировании микроконтроллера конфигурационные биты надо оставить заводские, по умолчанию, единственное можно установить галочки, т.е. записать "0" напротив BODEN и BODLEVEL. Поэтому галочки устанавливаются (=0) у CKSEL1,2,3, SOT0, SPIEN, BOOTSZ0,1, BODEN, BODLEVEL и сбрасываются (=1) у CKSEL0, SUT1, BOOTRST, EESAVE, CKPOT, WDTON, RSTDISBL. EEPROM не программируется, если там нет записей при первом включении программа сама запишет начальные установки, т.е. включит режим №1 и запишет температуры в №1 - 200°C, в №2 - 300°C и в №3 - 400°C
Настройка паяльной станции начинается с проверки монтажа. Вся настройка производится БЕЗ подключения паяльника. Затем следует проверить наличие напряжения на стабилизаторах DA2, DA3. Цифровая часть в настойке не нуждается, если не работает ищите причину в монтаже или что-то неправильно подключено, или некорректно записана программа. Для ориентира можно посмотреть осциллографом или замерить частотомером сигналы на выходах PB0-PB5 DD1(14-19), их частота, д.б около 50 Гц, это частота регенерации индикаторов.
Если цифровая часть в норме, на индикаторе во втором ряду, HG4-HG6, после первого включения должно высвечиваться 200, и светить светодиод HL1 - включение режима №1. На верхней строке может быть любое показание или "Err". Если это есть можно попробовать переключать режимы и изменять температуру, посмотреть как она сохраняется.
После этого надо отключить ОУ DA1 от резистора R31, и этот резистор подключить к среднему выводу любого переменного резистора, номиналом примерно 1к - 3.3к, крайние выводы резистора подключают к общему проводу и к +5 В. При изменении напряжения на среднем выводе (контролируйте высокоомным вольтметром или мультиметром) от 0 В до 2.5 В должны появиться на верхнем ряду, HG1-HG3, показания, точнее при изменении от 50 мВ до 2.4 В показания должны меняться от 10 до 480, т.е. программная характеристика АЦП 5 мВ/°C, поэтому на каждые 50 мВ показания должны меняться на 10. При 0,5 В д.б. 100, при 1 В - 200, а при 2 В - 400. Если в измеренном напряжении и показаниях есть небольшая погрешность можете не обращать внимание, здесь погрешность складывается из точности прибора, АЦП и ИОНа. Самое главное проверить линейность АЦП. Если брака в микроконтроллере нет то д.б. все хорошо. На этом заканчивается проверка цифрового узла.
Далее восстанавливаем схему. На стабисторе VD1 д.б. примерно 1.3 В, на контактах термодатчика нужно замерять ток на к.з. через микроамперметр, этот ток, в зависимости от внутреннего сопротивления микроамперметра, д.б. в пределах 100мкА - 130 мкА. Если это не так проверьте резистор R22. Далее замыкаем контакты термодатчика и устанавливаем с помощью резистора R26 на выходе ОУ DA1 напряжение -0,8В (минус 0,8В), контролируем с помощью вольтметра, это предварительная регулировка, при более точной это показание немного собьется, эту регулировку можно пропустить, но она ускорит дальнейшую настройку. Если с помощью резистора R26 не удастся установить напряжение, то надо подстроить соответственно резистор R27. Резисторы R26 и R27 регулируют смещение показаний во всем диапазоне температур. Резисторы R30 и R29 регулирует усиление, т.е. шаг зависимости температуры от сопротивления термодатчика. Для дальнейшей настройки потребуется магазин сопротивлений или переменный резистор на 150 - 200 Ом. Если используется переменный резистор то его нужно отградуировать, т.е. прикрепить к нему шкалу и ручку с "клювиком", и сделать так, чтобы не было люфта. Если подходящего резистора нет, то тогда можно воспользоваться несколькими подобранными постоянными резисторами в пределах 50-150 Ом, но они д.б. отмеряны как можно более точно и высчитана для них температура. Перед настройкой нужно "прогреть" паяльную станцию 10 - 15мин. Замечено, что после включения "холодной" станции установленные показания немного уплывают. Вероятнее всего это связано с внутренним ИОНом, который "входит" в работу "разогреваясь".
Температурная зависимость паяльника Xytronic 107 ESD вычисленная на аналоговой паяльной станции Xytronic 137 ESD составляет 0,28 Ом/°C. Замеры были выполнены в диапазоне 200°C - 600°C, станция позволяет это сделать, ниже 200°C станция работает как индикатор. Данные, которых хватит для настройки, указаны в таблице, значение для 100°C вычислено пропорционально.

температура	сопротивление
100°C	66 Ом
200°C	94 Ом
300°C	122 Ом
400°C	150 Ом

Для начала устанавливаем нижнюю границу диапазона, к примеру выбрать 100°C, для этого установим на магазине сопротивлений - 66 Ом. Подстроечным резистором R26, а при необходимости и подборкой резистора R27, установить нужную температуру. Далее устанавливаем верхнюю границу, для этого устанавливаем на магазине сопротивлений 150 Ом, и с помощью резистора R30 (при необходимости подбираем резистор R29) устанавливаем 400°C. После этого снова возвращаемся к 66 Ом и резистором R26 подстраиваем 100°C. И т.д., несколько раз, пока не будут показания внизу и вверху соответствовать. После этого можно проверить и на другой температуре, при необходимости еще немного подрегулировать.
На этом налаживание заканчивается, при желании можно проконтролировать температуру жала электронным термометром, для этого паяльником надо расплавить каплю припоя на деревянном основании и в эту каплю вставить точечную термопару. Такие термопары выпускают в комплекте с некоторыми мультиметрами, и делаются замеры. Только нужно учесть инерционность нагревания и остывания паяльника. При понижении температуры ниже расплавления припоя, припой отвердеет вместе с термопарой, этого не бойтесь, делайте далее замеры вплоть до 50°C, чтобы освободить термопару надо снова разогреть припой. Заводская настройка станции Xytronic 137 ESD вполне точная, ей доверять можно. На температурах ниже 150°C будет расхождение, замеренные значения температуры будут ниже установленных. При установленной на станции температуре 100°C на паяльнике будет на 3°C - 5°C ниже, а на 50°C реально может быть ниже на 10°C - 12°C. Это надо учитывать при установке температуры. Хотя в программе можно предусмотреть коррекцию при измерении низкой температуры, но в данной версии программы это не предусмотрено, чтобы можно было ее применить с другими паяльниками.
При попытке найти в Интернете данные по металлическим термодатчикам и ТКС по металлам к успеху не привели, все больше общих слов без конкретных данных. При замерах температуры выяснилось, что зависимость термоэлемента настройке 0,28 Ом/°C немного несоответствует, но в домашних условиях точно замерить температуру невозможно, да это и не нужно. Поэтому было все оставлено как есть, для пайки и так точности вполне достаточно.
Если при налаживании выяснится что показания температуры прыгают с большим разбросом около установленной температуры, это значит экран провода паяльника не соединен с общим проводом на плате и с металлическим корпусом станции.

    Рекомендации при подключении паяльников других производителей
Эту паяльную станцию можно использовать не только с паяльником Xytronic 107 ESD, но и с другими паяльниками, с установленным резистивным термоэлементом с положительным ТКС, а также с паяльниками с установленными термопарами.
Для этого лучше всего иметь в наличии заводскую паяльную станцию, подключить на вход вместо паяльника магазин сопротивлений или переменный резистор и записать сопротивления при разных показаниях температуры, хватит 3-5 точек, к примеру замерить сопротивления при 100°C, 200°C, 300°C и 400°C. Потом по этим значениям отрегулировать налаживаемую паяльную станцию. Если в паяльнике установлена термопара, то резистор R22 на питании термодатчика нужно убрать, и поставить его параллельно термопаре, т.е. на входе термоэлемента, а регулировку надо произвести не по сопротивлению, а по напряжению на входе. В любом случае при переналаживании станции на другие паяльники придется подбирать резисторы R27 и R29. Процесс регулировки не отличается от описанной выше.
Сложнее настраивать если нет в наличии заводской (образцовой) паяльной станции. Для этого придется мерять текущую температуру жала как описано выше. В этом случае паяльник с термопарой выглядит удобнее, т.к. у каждого типа термопары есть характеристика зависимости от температуры, надо только посмотреть по справочнику, хуже, если неизвестно какая термопара установлена. Но если никаких данных нет, то надо для начала настраиваемую станцию "ввести в рабочий диапазон", к примеру настроить как описано выше. После этого включить паяльник на наименьшей температуре и проверить как нагревается, понемногу поднимать температуру до плавления припоя, после этого уже можно воспользоваться внешней термопарой с прибором. Надо записать две температуры: показания термометра и показания станции. Каждому показанию на станции соответствует свое сопротивление термоэлемента, высчитываем или замеряем эти сопротивления и перенастраиваем станцию на другие показания.

01.02.2008г.
Лузянин Виктор Алексеевич.
Загрузить программу и исходник паяльной станции

    Литература:
          нет

дома ночью за наладкой паяльной станции