Spájkovacia pec
Návštevy: 374
Obrovský rozmach výroby elektroniky a jej súčiastkovej základne ovplyvňuje aj oblasť práce a tvorby rádioamatérov . Nové súčiastky prinášajú nové možnosti zlepšovaním funkcionality a rozširovaním ich možností. Zmenšovanie rozmerov čipov prichádza ruka v ruke aj so zmenšovaním rozmerov puzdier a zavádzaním ich nových typov. Prevažná väčšina nových súčiastok a nových puzdier je určená pre technológiu SMT ( z anglického surface mount technology ). Požívanie takýchto súčiastok v rádioamatérskej praxi prináša mnohé úskalia, jedným z nich je spájkovanie.
Pri opravách môžeme použiť horúco-vzdušnú pištoľ na prispájkovanie, alebo vyspájkovanie jednotlivých súčiastok, no pri pokuse prispájkovať väčšie množstvo súčiastok vyvstáva problém chybovosti, čistoty spájkovania a v konečnom dôsledku výslednej spoľahlivosti. Tento problém čiastočne rieši popisované zariadenie . Cieľom bolo zhotoviť zariadenie ktoré umožní spájkovanie SMD ( z anglického surface-mounted device ) súčiastok pomocou riadeného priebehu teploty . Samozrejme dôležitým parametrom bola aj cenová dostupnosť, pretože možností kúpiť si hotovú spájkovaciu pec je nepreberná.
Popis hardware:
Za základ svojho zariadenia som použil bežne dostupnú komerčnú piecku na pečenie pizze, hranolkov a pod . Pri výbere zariadenia bolo rozhodujúcim parametrom veľkosť cena a výkon vyhrievacej špirály . Ja som zvolil mini rúru na pečenie Calcone 73043 ,
s vnútorným priestorom 24cm x 20cm čo je zároveň maximálna veľkosť spájkovaného plošného spoja . Výkon špirály je 900 wattov, čo zabezpečí dostatočnú strmosť nábehu teploty, pre zaistenie potrebného tepelného priebehu spájkovania. Schéma zapojenia je na obrázku .
Na elektrickú sieť je zariadenie pripojené prostredníctvom zásuvky XA1, telo ktorej obsahuje aj poistku F1 a hlavný vypínač SW1 . Za hlavným vypínačom SW1 je pripojený napájací zdroj PWR1, ktorý zabezpečuje napájanie 5V pre všetky slaboprúdové obvody mini piecky. Riadiacu časť zabezpečuje dotykový displej so zabudovaným 32 bitovým procesorom ESP32 .
Meranie teploty v komore zabezpečuje modul DFR 5508 s termočlánkom typu K .
Samotný termočlánok je v kovovom puzdre, ktoré ho má mechanicky chrániť, ale tepelná zotrvačnosť puzdra je tak vysoká, že je nepoužiteľný na tento účel, vzhľadom na vysokú tepelnú zotrvačnosť a je potrebné termočlánok z puzdra vybrať, alebo použiť iný vhodný typ bez puzdra . Ja som použil iný , bežne dostupný, K-typ termočlánku bez puzdra v cene približne 1.5€. Termočlánok som umiestnil do pravej hornej časti komory a vložil som ho do nitovacej matice a z vonkajšej strany zaistil malou prírubou .
Spojenie a komunikácia mikrokontroléra ESP32 obsiahnutého na dotykovom displeji ER-DIS05035H a modulu termočlánku DR5508 je prostredníctvom zbernice I2C. Na modul displeja je prostredníctvom konektora J8 pripojený aj malý reproduktor, bežne používaný v PC na akustickú signalizáciu . Výstupný signál z mikrokontroléra ESP32 je prostredníctvom konektora J7 privedený na dosku spínača LK-014 . Vyhrievacia špirála je na schéme označená ako U1 a U2, lebo pozostáva z 2 častí, umiestnených v hornej a spodnej časti vyhrievacej komory, Je ovládaná spínacím prvkom U6, čo je opto-elektronický prvok s triakom spínaním v čase prechodu striedavého napätia nulou, pre potreby zníženia elektromagnetického rušenia pri spínaní a rozpínanie elektronického prvku , keďže pri prechode napätia nulou je logicky aj prúd nulový a elektromagnetické rušenie nemôže vznikať . Keďže sa ale nejedná o ideálny elektronický prvok, spínanie v nule nenastáva, takže aj úroveň elektromagnetického rušenia bude iná ako nulová, ale veľmi nízka a nie sú potrebné ďalšie filtračné obvody na potlačenie elektromagnetického rušenia do elektrickej siete , aby zariadenie spĺňalo požiadavky EMC. (z angličštiny Electromagnetic compatibility ). Spínač špirály RM1A23A25, na schéme označený ako U6, je ovládaný napätím 3V až 30V jednosmerných, ale prúdová zaťažiteľnosť na výstupe mikrokontroléra ESP32 nie je dostatočná na priame ovládanie tohoto prvku, preto je do obvodu pridaný spínač LK-014 ktorý zabezpečí zvýšenú prúdovú zaťažiteľnosť výstupu mikrokontroléra tak aby mohol bezpečne ovládať spínací prvok U6 . Výkon špirály je riadený pomocou šírkovej modulácie príslušného vývodu ktorým je ovládaný spínací prvok U6 .
Spínací obvod LK-014 je napájaný zo zdroja PWR1 5-timi voltami a je ovládaný výstupným napätím mikrokontroléra 0V až 3V a úroveň 5 voltov na výstupe spínača LK-014 zabezpečí bezpečné ovládanie prvku U6 dostatočným prúdom. Obvod spínača LK- 014 obsahuje tranzistor BC 237 na schéme označení ako U2 a výkonový spínací FET tranzistor BUZ20, alebo podobný s Ut v rozmedzí 1V až 4V, ja som použil zo starých zásob KUN10 ,označený ako U1. Zapojenie je veľmi triviálne . Výstup z mikro radiča šírkovo modulovaný nadobúda hodnoty 0V alebo 3V . V prípade že je na výstupe mikro radiča hodnota 3V, teda logická jednotka, tranzistor U2 je prostredníctvom rezistora R1 vybudený a dôjde k jeho zopnutiu, čo vyvolá pokles napätia na hradle FET-u U1 k jeho uzatvoreniu, takže cez budiacu LED diódu prvku U6 nepreteká žiaden prúd . V opačnom prípade stav 0V na výstupe mikro radiča spôsobí, že tranzistor U2 nie je prostredníctvom odporu R1 budený žiadnym prúdom, čím sa tranzistor U2 uzatvorí a napätie na hradle tranzistora u 1 stúpne na hodnotu 5V, čím sa tento otvorí je budená led prvku U6, čo vedie k zopnutiu triacu vo vnútri optorelé a k vybudeniu ohrievacej špirály. Osadenie dosky plošného spoja LK- 014 a obrazec plošného spoja je na nasledujúcom obrázku . 
Termostat SW2 zabezpečuje ochranu pred akoukoľvek poruchou regulátora s tým, že pri neriadenom stave, pri dosiahnutí teploty vyššej ako 250°C dôjde k jeho rozpojeniu a teda odpojeniu vyhrievacej špirály od silovej časti obvodov a k obnoveniu funkcie dôjde až pri poklese teploty pod 60°C.
s vnútorným priestorom 24cm x 20cm čo je zároveň maximálna veľkosť spájkovaného plošného spoja . Výkon špirály je 900 wattov, čo zabezpečí dostatočnú strmosť nábehu teploty, pre zaistenie potrebného tepelného priebehu spájkovania. Schéma zapojenia je na obrázku . Na elektrickú sieť je zariadenie pripojené prostredníctvom zásuvky XA1, telo ktorej obsahuje aj poistku F1 a hlavný vypínač SW1 . Za hlavným vypínačom SW1 je pripojený napájací zdroj PWR1, ktorý zabezpečuje napájanie 5V pre všetky slaboprúdové obvody mini piecky. Riadiacu časť zabezpečuje dotykový displej so zabudovaným 32 bitovým procesorom ESP32 . Meranie teploty v komore zabezpečuje modul DFR 5508 s termočlánkom typu K . Samotný termočlánok je v kovovom puzdre, ktoré ho má mechanicky chrániť, ale tepelná zotrvačnosť puzdra je tak vysoká, že je nepoužiteľný na tento účel, vzhľadom na vysokú tepelnú zotrvačnosť a je potrebné termočlánok z puzdra vybrať, alebo použiť iný vhodný typ bez puzdra . Ja som použil iný , bežne dostupný, K-typ termočlánku bez puzdra v cene približne 1.5€. Termočlánok som umiestnil do pravej hornej časti komory a vložil som ho do nitovacej matice a z vonkajšej strany zaistil malou prírubou . Spojenie a komunikácia mikrokontroléra ESP32 obsiahnutého na dotykovom displeji ER-DIS05035H a modulu termočlánku DR5508 je prostredníctvom zbernice I2C. Na modul displeja je prostredníctvom konektora J8 pripojený aj malý reproduktor, bežne používaný v PC na akustickú signalizáciu . Výstupný signál z mikrokontroléra ESP32 je prostredníctvom konektora J7 privedený na dosku spínača LK-014 . Vyhrievacia špirála je na schéme označená ako U1 a U2, lebo pozostáva z 2 častí, umiestnených v hornej a spodnej časti vyhrievacej komory, Je ovládaná spínacím prvkom U6, čo je opto-elektronický prvok s triakom spínaním v čase prechodu striedavého napätia nulou, pre potreby zníženia elektromagnetického rušenia pri spínaní a rozpínanie elektronického prvku , keďže pri prechode napätia nulou je logicky aj prúd nulový a elektromagnetické rušenie nemôže vznikať . Keďže sa ale nejedná o ideálny elektronický prvok, spínanie v nule nenastáva, takže aj úroveň elektromagnetického rušenia bude iná ako nulová, ale veľmi nízka a nie sú potrebné ďalšie filtračné obvody na potlačenie elektromagnetického rušenia do elektrickej siete , aby zariadenie spĺňalo požiadavky EMC. (z angličštiny Electromagnetic compatibility ). Spínač špirály RM1A23A25, na schéme označený ako U6, je ovládaný napätím 3V až 30V jednosmerných, ale prúdová zaťažiteľnosť na výstupe mikrokontroléra ESP32 nie je dostatočná na priame ovládanie tohoto prvku, preto je do obvodu pridaný spínač LK-014 ktorý zabezpečí zvýšenú prúdovú zaťažiteľnosť výstupu mikrokontroléra tak aby mohol bezpečne ovládať spínací prvok U6 . Výkon špirály je riadený pomocou šírkovej modulácie príslušného vývodu ktorým je ovládaný spínací prvok U6 .Spínací obvod LK-014 je napájaný zo zdroja PWR1 5-timi voltami a je ovládaný výstupným napätím mikrokontroléra 0V až 3V a úroveň 5 voltov na výstupe spínača LK-014 zabezpečí bezpečné ovládanie prvku U6 dostatočným prúdom. Obvod spínača LK- 014 obsahuje tranzistor BC 237 na schéme označení ako U2 a výkonový spínací FET tranzistor BUZ20, alebo podobný s Ut v rozmedzí 1V až 4V, ja som použil zo starých zásob KUN10 ,označený ako U1. Zapojenie je veľmi triviálne . Výstup z mikro radiča šírkovo modulovaný nadobúda hodnoty 0V alebo 3V . V prípade že je na výstupe mikro radiča hodnota 3V, teda logická jednotka, tranzistor U2 je prostredníctvom rezistora R1 vybudený a dôjde k jeho zopnutiu, čo vyvolá pokles napätia na hradle FET-u U1 k jeho uzatvoreniu, takže cez budiacu LED diódu prvku U6 nepreteká žiaden prúd . V opačnom prípade stav 0V na výstupe mikro radiča spôsobí, že tranzistor U2 nie je prostredníctvom odporu R1 budený žiadnym prúdom, čím sa tranzistor U2 uzatvorí a napätie na hradle tranzistora u 1 stúpne na hodnotu 5V, čím sa tento otvorí je budená led prvku U6, čo vedie k zopnutiu triacu vo vnútri optorelé a k vybudeniu ohrievacej špirály. Osadenie dosky plošného spoja LK- 014 a obrazec plošného spoja je na nasledujúcom obrázku . Termostat SW2 zabezpečuje ochranu pred akoukoľvek poruchou regulátora s tým, že pri neriadenom stave, pri dosiahnutí teploty vyššej ako 250°C dôjde k jeho rozpojeniu a teda odpojeniu vyhrievacej špirály od silovej časti obvodov a k obnoveniu funkcie dôjde až pri poklese teploty pod 60°C.Mechanické usporiadanie:
Mechanické usporiadanie jednotlivých prvkov je zrejmé z nasledovného obrázku .
Z predného panela piecky som odstránil časovač a termostat .V tomto mieste som vyrezal otvor, tak aby bolo možné doň vložiť displej s mikrokontrolérom a predný panel som prekryl novým panelom z hliníka . Z hliníkového plechu som vyrobil aj niekoľko medzi panelov, na ktoré sú pripevnené priskrutkovaním všetky elektrické prvky na lisovacie matice . Plechy sú z spojené dištančnými stĺpikmi dĺžky 40 milimetrov takže tvoria kompaktný blok ktorý je pripevnený skrutkami na predný panel. Panelový konektor USB s označením X7 som takisto umiestnil na predný panel. Prívodná zásuvka na 230V s označením XA1 je umiestnená na zadnom paneli, pre ktorú je potrebné tak isto vybrúsiť otvor . Pri vyrezávaní otvorov treba byť trpezlivý, pretože skrinka piecky je výrobcom zhotovená z tenkého a mäkkého plechu. Na jednej strane to uľahčuje vyrezávanie otvorov, ale na druhej strane hrozí poškodenie pretrhnutím, či pokrivením pôvodnej skrinky v miestach , kde to nie je žiadúce. Vnútornú komoru som z vonkajšej strany zaizoloval sklenou vatou proti úniku tepla, aj napriek tomu treba byť opatrný, pretože všetky mechanické časti sú navzájom spojené skrutkami a dochádza k prestupu tepla, takže povrch piecky môže byť veľmi horúci .
Z predného panela piecky som odstránil časovač a termostat .V tomto mieste som vyrezal otvor, tak aby bolo možné doň vložiť displej s mikrokontrolérom a predný panel som prekryl novým panelom z hliníka . Z hliníkového plechu som vyrobil aj niekoľko medzi panelov, na ktoré sú pripevnené priskrutkovaním všetky elektrické prvky na lisovacie matice . Plechy sú z spojené dištančnými stĺpikmi dĺžky 40 milimetrov takže tvoria kompaktný blok ktorý je pripevnený skrutkami na predný panel. Panelový konektor USB s označením X7 som takisto umiestnil na predný panel. Prívodná zásuvka na 230V s označením XA1 je umiestnená na zadnom paneli, pre ktorú je potrebné tak isto vybrúsiť otvor . Pri vyrezávaní otvorov treba byť trpezlivý, pretože skrinka piecky je výrobcom zhotovená z tenkého a mäkkého plechu. Na jednej strane to uľahčuje vyrezávanie otvorov, ale na druhej strane hrozí poškodenie pretrhnutím, či pokrivením pôvodnej skrinky v miestach , kde to nie je žiadúce. Vnútornú komoru som z vonkajšej strany zaizoloval sklenou vatou proti úniku tepla, aj napriek tomu treba byť opatrný, pretože všetky mechanické časti sú navzájom spojené skrutkami a dochádza k prestupu tepla, takže povrch piecky môže byť veľmi horúci .Software:
Jadro riadiacej časti tvorí výkonný 32 bitový mikropočítač firmy Espressif ESP32, dotykovým displejom vybavený HMI (z angličštiny human-machine interface ) . Program som napísal pomocou programovacieho jazyka MicroPython s pomocou knižnice LVGL (z angličštiny Light and Versatile Graphics Library) pre uľahčenie programovania grafického rozhrania .
Program umožňuje reguláciu teploty podľa priebehu zadanej krivky pre tri prednastavené priebehy, je možné zvoliť pomocou tlačidiel Set1, Set2 , Set3, alebo v manuálnom režime kde je možné nastaviť požadovanú teplotu a požadovaný čas . Požadovaná tepelná krivka je definovaná pomocou teploty a stanoveného času pre daný typ teploty v súboroch z názvom Set1.txt Set2.txt a Set3.txt. Teploty a časy definované v týchto súboroch majú zodpovedať požadovanému priebehu teploty pre daný typ spájkovacej pasty . Prvý a tretí riadok v súbore sú rezervované . Druhý riadok obsahuje názov spájkovacej pasty ktorý sa zobrazuje v hornom riadku displeja . Štvrtý riadok obsahuje obsahuje hodnoty teplôt v poradí v akom majú byť dosahované. 5 riadok obsahuje časy v sekundách a za ktorý má byť požadovaná teplota dosiahnutá .Dá sa povedať že určitým spôsobom definuje strmosť nábehovej krivky teploty .Vzhľadom k tomu, že zariadenie má iba ohrev a nie aj riadenie ochladzovania, pre dosiahnutie poklesu teploty, v prípade požiadavky riadeného poklesu teploty, treba uvažovať s manuálnym zásahom do regulácie a to otvorením, alebo odchýlením dvierok pre dosiahnutie požadovaného poklesu teploty . Požadovaný priebeh teploty podľa zadaných hodnôt v zvolenom súbore Setx je dosiahnuté pomocou PID regulátora ESP32 Micropython Control Lib, voľne dostupného na github. Zatlačenie tlačidla na displeji je signalizované jeho animáciou, zmena stavu je indikovaná zmenou farby . Napríklad ak je akceptované tlačidlo štart a je spustený režim štart, zmení sa jeho farba na zelenú ak je akceptované tlačidlo stop a dôjde k zastaveniu prebiehajúcej funkcie je to indikované zmenou farby tlačidla Stop na červenú. Voľba tlačidla set alebo manuál je indikovaná zmenou farby na zelenú príslušného tlačidla . Porucha senzora alebo vyhrievacieho telesa je indikovaná chybovou správou na obrazovke s blokovaním všetkých tlačidiel a ich prechodom do sivej farby z následným reštartom po 10 sekundách .Pre nahratie riadiaceho programu do mikroradiča je potrebné najskôr uplaudovať MicroPython firmaware. Toto sa urobí cez USB port . Je potrebné mať k tomu nainštalovaný program Thonny . V programe Thonny v položke menu otvoríme z položku option a v záložke Inperpreter zvolíme typ imterpretera MicroPython(ESP32) v časti WebREPL vyberieme príslušný USB port zodpovedajúci nášmu zariadeniu , pre komunikáciu PC s pieckou. Kliknutím na položku install or update MicroPython(esp32) vyvoláme voľbu nahratia firmware do jednotky mikroradiča ER-DIS05035H. Podotýkam, že pred samotným kliknutím na tlačidlo Install, je potrebné modul mikro radiča reštartovať do režimu boot a to sa dosiahne tak, že stlačíme tlačidlo boot na doske mikro radiča , držíme ho stlačené a pripojíme napájanie . Podrobný návod v anglickom jazyku nájdete tu. Nahranie a spustenie riadiaceho programu potom už je jednoduché . Balíček programového vybavenia obsahuje hlavný program main.py, knižnicu DFRobotMAX31855.py, ktorá obsahuje potrebné knižnice pre čítanie teploty z modulu na meranie teploty DFR5508 a knižníc PID regulátora pid_aw.py a utils_pid_esp32.py.
Nastavenie a oživenie:
O osadení plošného spoja spínača LK-014 a nahratí balíčka programov do mikrokontroléra , nie je potrebné vykonávať žiadne ďalšie nastavenia . Pred pripojením spínača LK-014 k mikrokontroléru je dobré vyskúšať jeho funkciu pripojením výstupu 2 svorkovnice X2 spínača LK-014 na napätie 0V, alebo 3V, alebo 5V a sledovať, či sa na prvku U6 rozsvieti, alebo zhasne LED dióda indikujúca zopnutie prvku U6 . Ak áno, máte hotovo.
Záver:
Popisované zariadenie môžete používať nielen na spájkovanie SMT plošných spojov, ale aj napríklad na sušenie nastriekaného fotorezistu, alebo iných hmôt, na post-processing pri 3D tlači a podobne, v rozsahu teplôt 50°C až 250°C .