P ístroje pro domácí dílnu

PĜístroje pro domácí dílnu Pájeþka s elektronickým regulátorem teploty V99 Pájení souþástek SMD Technologie povrchové montáže (SMT – Surface Mount Technology) se v profesionální elektrotechnice již stala samozĜejmostí. Umožnila nČkolikanásobnČ zmenšit rozmČry, výraznČ snížit výrobní náklady a zvýšit spolehlivost pĜístrojĤ. Pájecí plošky se pĜes síto pokryjí pájecí pastou. Pasta obsahuje cín a souþasnČ má lepivé úþinky. Osazovací automat na plošky položí souþástky a v peci se pak souþástky pĜipájejí. Oproti klasické technologii odpadá vrtání dČr a nemusí se stĜíhat vývody. Další výhodou je dobrý odvod tepla ze souþástek. Odpadá rovnČž indukþnost pĜívodĤ, což má svĤj význam i ve vf obvodech. Opravitelnost je rovnČž lepší než u klasické technologie. I pĜes malé rozmČry souþástek je pĜi dobrém vybavení a peþlivé práci jejich výmČna snadnČjší než u klasických souþástek. PĜi výmČnČ se souþástky ani spoje nepoškozují. Pájecí plošky snesou i nČkolikanásobnou výmČnu souþástek. „Bastlení” je proto snazší, deska si stále udržuje dobrý vzhled, nevytváĜí se „vrabþí hnízdo”. Plocha desky se þasto využívá dvakrát. Z jedné strany se osazují souþástky SMD (Surface Mounted Devices - souþástky pro povrchovou montáž), z druhé strany klasické souþástky vČtších rozmČrĤ, které se potom pájejí ruþnČ. Kvalitní technologie umožĖují osadit desky souþástkami SMD z obou stran. U vf obvodĤ tvoĜí druhá strana desky nejþastČji souvislou zemní plochu. Pro ilustraci jsou na obr. 49 bČžnČ používaná pouzdra souþástek SMD (0805, 1206 - rezistory a kondenzátory, SOT23 - tranzistory). Údaj o odporu rezistorĤ se znaþí tĜímístným nebo þtyĜmístným þíslem. První dvČ až tĜi þíslice udávají mantisu, poslední þíslice znamená exponent desítkového násobitele. NapĜ. oznaþení 473 znamená 47·103 = 47 kΩ. Kondenzátory (kromČ elektrolytických) nejsou bohužel nijak znaþeny,

20

musíme je nakupovat a skladovat tak, aby se navzájem nezamČnily. Domnívám se, že zvládnutí technologie SMT je v souþasné dobČ nezbytností pro všechny, kteĜí chtČjí držet krok s dobou. Mezi mnoha radioamatéry však panují v tomto smČru urþité pĜedsudky, které bych chtČl tímto þlánkem rozptýlit. Zvyknout si na menší rozmČry souþástek není obtížné. Výhodou je snazší výmČna rezistorĤ a kondenzátorĤ. OdmČnou za pĜekonanou námahu pĜi zvládnutí nových postupĤ jsou výraznČ menší rozmČry realizovaného obvodu oproti klasické technologii. Domnívám se, že stojí za to pĜekonat nČkteré problémy s dostupností souþástek, vČĜím, že se situace na trhu bude postupnČ zlepšovat. Práce se souþástkami SMD se však neobejde bez odpovídajícího vybavení a správných pracovních návykĤ. K pájení používáme nejþastČji cínovou trubiþkovou pájku o prĤmČru 0,8 mm. Pájecí plošky nejprve lehce pocínujeme. Potom na nČ pĜiložíme pĜíslušnou souþástku. Držíme ji pinzetou a pĜipájíme ji tak, aby nemohla vypadnout. Nakonec vezmeme do ruky cín, pĜiložíme jej k ploškám spoleþnČ s hrotem pájeþky a zapájíme naþisto všechny vývody. Kalafunu používáme jen vyjímeþnČ a v malém množství, v trubiþkové pájce je totiž obsažená.

PĜi výmČnČ rezistoru nebo kondenzátoru nejprve pĜidáme na oba konce více cínu. Potom stĜídavČ zahĜíváme oba konce za souþasného tlaku pinzety z boku, až se souþástka uvolní. Tak postupujeme, pokud nemáme speciální hrot, kterým zahĜejeme oba vývody souþasnČ. Po vypájení souþástky odsajeme cín z pájecích plošek. K tomu použijeme jakýkoliv mČdČný kablík, složený z mnoha tenkých drátkĤ. Pokud jsou spoje vedeny pod souþástkami (pod pouzdrem 1206 lze vést pouze jeden spoj) a deska není chránČna nepájivou maskou, doporuþuji izolovat kritická místa (prĤchody pod souþástkami) barvou nebo lakem. NČkteré z konstrukþních návodĤ, uveĜejnČných v tomto þasopise, využívají technologie SMT. Na nich si mĤžeme názornČ ukázat výhody SMD, pĜedevším výrazné zmenšení rozmČrĤ desek. To je dĤležité zvlášĢ u obvodĤ, které umísĢujeme do již hotových zaĜízení. Odpadají starosti s mechanickým uspoĜádáním, celý obvod mĤže držet na diodČ LED, upevnČné objímkou k pĜednímu panelu. Takové obvody jsou díky své jednoduchosti ideální k vyzkoušení nových pracovních postupĤ. Aby zmČna nebyla zase pĜíliš náhlá, jsou v popisovaných konstrukcích použity integrované obvody, LED a elektrolytické kondenzátory v klasickém provedení. LED v provedení SMD jsou pĜíliš drahé, totéž platí o elektrolytických (tantalových) kondenzátorech. Pájení integrovaných obvodĤ SMD by napoprvé a tĜeba bez odpovídajícího vybavení nemuselo dopadnout dobĜe. PĜípadná výmČna integrovaného obvodu SMD vyžaduje speciální pájecí hroty, kterými je možné ohĜát všechny vývody pouzdra obvodu souþasnČ. PĜi technologii SMT se jako horní strana (top) desky považuje strana spojĤ se souþástkami SMD. Klasické souþástky jsou umístČny na spodní stranČ (bottom) desky a na osazovacím plánu jsou proto kresleny zrcadlovČ. Souþástky SMD doporuþuji osadit na desku jako první.

Teorie elektronické regulace teploty pájeþky

Obr. 49. BČžnČ používaná pouzdra souþástek SMD (0805, 206 a SOT23)

Kvalitní práci se souþástkami SMD si nelze pĜedstavit bez mikropájeþky. Transformátorová pájeþka, která patĜí ke standardnímu vybavení vČtšiny radioamatérĤ, není pro tyto práce vhodná. Pro jemnou práci je pĜíliš tČžká a teplotu hrotu nelze regulovat. PĜíliš velké množství tepla potom mĤže poškodit drobné souþástky i plošné spoje. Následující návod je urþen tČm, kteĜí si chtČjí kvalitní mikropájeþku poĜídit svépomocí za vynaložení minimálních nákladĤ. Staþí totiž koupit pájecí pero s držákem. Zdroj napČtí s re-

Konstrukþní elektronika A Radio - 2/2000

gulaþním obvodem není obtížné si zhotovit svépomocí. Vhodné je pájecí pero PP 530, které dodává spol. Diametral. Pero má maximální výkon 48 W pĜi maximálním napČtí 24 V. Pero obsahuje topné tČlísko a termoþlánek, které jsou vzájemnČ elektricky oddČleny. Z pera vychází šĖĤra se þtyĜmi vodiþi, zakonþená pČtikolíkovou vidlicí. Na kolíky a 2 vidlice je pĜipojeno topné tČlísko, na kolík 4 je pĜipojen záporný pól termoþlánku a na kolík 5 kladný pól termoþlánku. Kolík 5 je také elektricky spojen s hrotem. Pomocí termoþlánku se mČĜí teplota pájecího hrotu. Termoþlánek je v podstatČ svar dvou drátĤ z rĤzných kovĤ. PĜi zahĜátí vzniká na rozhraní dvou kovĤ termoelektrické napČtí. Termoelektrické napČtí se zvČtšuje lineárnČ s rostoucí teplotou. Tato závislost je dána fyzikálními zákony a nemá tedy žádné výrobní tolerance. Podle údajĤ výrobce je pĜi teplotČ 37 °C termoelektrické napČtí 0,8 mV, pĜi teplotČ 160 °C je termoelektrické napČtí 5,7 mV a pĜi teplotČ 370 °C je termoelektrické napČtí 14 mV. Proložíme-li tČmito body pĜímku, získáme závislost termoelektrického napČtí na teplotČ, kterou budeme dále používat pĜi návrhu regulaþního obvodu. Graf závislosti termoelektrického napČtí Ut na teplotČ je na obr. 50. Chci tímto podČkovat spol. Diametral s. r. o. za poskytnutí technických údajĤ k pájecímu peru a za konzultaci ohlednČ problematiky pájení a mikropájeþek. Pro pájení se standardnČ používá pájka, složená ze 60 % cínu a 40 % olova (Sn60Pb). Pro rĤzné speciální aplikace se ale mohou používat i jiné typy pájek (vČtší pomČr množství cínu ku množství olova zvyšuje teplotu tání). Ve vf technice se k pájení nČkdy používá slitina cínu s pĜídavkem india, protože lépe „drží“ na pozlacených plochách. BČžná pájka se taví pĜi 190 °C, doporuþená teplota pájení je 270 až 330 °C. PĜi pájení napĜ. stínicích krytĤ nebo nČkterých typĤ konektorĤ a pĜepínaþĤ je z pájeþky znaþnČ odvádČno teplo. K dĤkladnému prohĜátí spoje je proto potĜeba vyšší teplota hrotu. Pro-

Tab. . Závislost teploty hrotu na velikosti napájecího napČtí Un [V] Ut [mV] T [°C]

9,6 9,5 255

10,0 10,2 267

10,5 10,3 280

10,8 11,8 285

11,6 12,2 308

12,3 12,6 325

12,6 13,7 332

13,6 15,3 357

Tab. 2. ýasový prĤbČh teploty hrotu po zapnutí napájecího napČtí Un = 12,6 V ýas [min] Ut [mV] T [°C]

0 0,4 25

1,0 2,9 86

1,5 4,7 132

2,0 6,0 167

2,5 7,1 196

3,0 8,2 223

3,5 9,2 245

4,5 10,7 285

5,5 11,7 310

Tab. 3. ýasový prĤbČh teploty hrotu po vypnutí napájecího napČtí ýas [min] Ut [mV] T [°C]

0 11,8 313

0,5 10,8 290

1,0 9,6 256

1,5 8,5 230

to kvalitní mikropájeþky umožĖují nastavit teplotu hrotu až 450 °C. Je možno Ĝíci, že pro vČtšinu aplikací není teplota pájecího hrotu pĜíliš kritická, rozdíly do 50 °C oproti nastavené teplotČ jsou pĜijatelné. Abychom posoudili správnost pájení, musíme kontrolovat vzhled spoje. Dobrý spoj musí být lesklý. PĜi pĜíliš nízkých teplotách vzniká tzv. studený spoj, pĜi pĜíliš vysokých teplotách se pájka pĜepaluje, krystalizuje, spoj je matný a zkracuje se jeho životnost. Pro návrh elektronického obvodu pro regulaci teploty pájecího hrotu je nutné zjistit závislost teploty T na napájecím napČtí Un. Pájecí pero pĜipojíme ke zdroji napČtí, které mĤže být stejnosmČrné i stĜídavé. Zdroj musí být schopen dodávat proud minimálnČ 1 A. PostupnČ po krocích zvČtšujeme napČtí zdroje, mČĜíme termoelektrické napČtí Ut a z nČj podle grafu na obr. 50 urþíme teplotu T pájecího hrotu. NamČĜené hodnoty jsou v tab. 1. Pro návrh regulaþního obvodu je též nutné znát závislost teploty pájecího hrotu na þase pĜi zapnutí a vypnutí napájecího napČtí. PĜi mČĜení této závislosti opČt urþujeme teplotu hrotu na základČ termoelektrického napČtí. V tab. 2 je þasový prĤbČh teploty hrotu po zapnutí napájecího napČtí Un = 12,6 V. Zajímá nás pĜedevším rozsah teplot 250 až 400 (max. 450) °C. Graf závislosti teploty hrotu na þase po zapnutí napájecího napČtí je na obr. 51.

2,0 7,4 202

3,0 5,8 162

4,5 4,4 122

6,0 3,2 92

8,0 2,2 67

V tab. 3 je þasový prĤbČh teploty hrotu po vypnutí napájecího napČtí Un = 12,6 V. Graf tohoto prĤbČhu je na obr. 52. PĜi napájecím napČtí Un = 12,6 V odebírá topné tČlísko pájecího hrotu proud 0,95 A. Napájecí proudy pĜi jiných napájecích napČtích mĤžeme pĜibližnČ vypoþítat podle Ohmova zákona (zmČnu odporu topného tČlíska v závislosti na teplotČ zanedbáme). Nejjednodušší mikropájeþku vytvoĜíme tak, že pĜipojíme topné tČlísko ke zdroji stejnosmČrného napČtí. Napájecí napČtí by mČlo být regulovatelné a stabilizované, aby se neprojevovalo kolísání síĢového napČtí. PĜípadnČ mĤžeme použít stĜídavé napČtí, zvolit vhodný typ transformátoru a správnou teplotu hrotu nastavovat pĜepínáním odboþek vinutí nebo pĜedĜadným rezistorem (o odporu jednotek Ω, pro zatížení jednotkami W). Na takovém rezistoru by ale vznikala velká výkonová ztráta. Nevýhodou tak jednoduchého zapojení by byla dlouhá doba ohĜevu hrotu. Po zapnutí se výkon spotĜebovává na zahĜátí topného tČlíska a teplota hrotu se exponenciálnČ blíží ustálené velikosti. Ustálené teploty se dosáhne, když elektrický pĜíkon se rovná vyzáĜenému tepelnému výkonu. PĜi zapnutí a vypnutí pájeþky nastává pĜechodový jev, který pĜipomíná nabíjení a vybíjení kondenzátoru pĜes rezistor. PĜi popsaném zpĤsobu napájení by teplota hrotu kolísala v závislosti

5

5

0

300 teplota [°C]

0

teplota [°C]

U t [mV]

300

200 00

0

00

200 teplota [°C]

300

400

Obr. 50. Závislost termoelektrického napČtí na teplotČ

0

200 00

0

2

4 þas [min]

6

8

Obr. 5. ýasový prĤbČh teploty hrotu po zapnutí napájecího napČtí Un = 2,6 V


0

0

2

4 þas [min]

6

8

Obr. 52. ýasový prĤbČh teploty hrotu po vypnutí napájecího napČtí

21

þas [min]

Obr. 53. ýasový prĤbČh teploty hrotu po pĜipojení ke zdroji promČnného napČtí s dostateþnou rezervou výkonu (ideální prĤbČh regulace) na zpĤsobu práce s ním. Je-li hrot v kontaktu s dalšími pĜedmČty (napĜ. pĜi pájení stínících krytĤ nebo pĜi rychlém a soustavném pájení), odvádí se z hrotu teplo a jeho teplota poklesne. To je jeden z dĤvodĤ, proþ potĜebujeme mít teplotu hrotu stabilizovanou pomocí zpČtné vazby, jak bude dále popsáno. Máme-li k dispozici regulovatelný zdroj s dostateþnou rezervou napČtí a proudu (a tím i výkonu), mĤžeme dobu „nažhavení” hrotu zkrátit. Po zapnutí pĜipojíme vČtší napČtí, poþkáme až teplota hrotu dosáhne požadované velikosti a pak napČtí zmenšíme tak, aby tato teplota zĤstala zachována. PrĤbČh teploty hrotu v závislosti na þase po pĜipojení ke zdroji promČnného napČtí s dostateþnou rezervou výkonu (ideální prĤbČh) je na obr. 53. Ovládat velikost napájecího napČtí hrotu ruþnČ by nebylo pohodlné ani pĜesné. MĤžeme si proto postavit jednoduchý regulátor, který tuto þinnost provádí automaticky. Schéma jednoduchého regulátoru je na obr. 54. Teplotu hrotu snímáme termoþlánkem, kterým ji pĜevedeme na napČtí. NapČtí z termoþlánku potom upravíme operaþním zesilovaþem OZ1 a porovnáváme komparátorem OZ2 s pĜednastaveným referenþním napČtím. Po dosažení správné teploty se topení vypne. K regulaci použijeme tranzistor ve spínacím režimu. Spojitý regulátor není zapotĜebí, mČl by zbyteþnČ velký ztrátový výkon a bylo by jej nutno chladit velkým chladiþem. K udržení konstantní teploty musí být hystereze

100 Hz. Rušivé napČtí, které se díky tomu indukuje do pĜívodních vodiþĤ termoþlánku, je potlaþováno integraþními þlánky R4, C4 a R5, C5. Mezní kmitoþet fm þlánkĤ je dán vztahem: fm = 1/(2·π·R·C). V praxi volíme fm = 1 až 10 Hz. Pokud napájíme topné tČlísko filtrovaným napČtím, mĤžeme rezistor R5 nahradit zkratem a C5 vynechat. Z obr. 50 pĜeþteme závislost napČtí termoþlánku na teplotČ, vynásobíme ji zesílením zesilovaþe s OZ1 a zjistíme tak závislost výstupního napČtí OZ1 na teplotČ. Pak navrhneme dČliþ z rezistorĤ R6, R7 a potenciometru P2 tak, aby nejnižší požadovaná teplota (napĜ. 250 °C) odpovídala minimálnímu nastavení P2 a nejvyšší požadovaná teplota (napĜ. 400 °C) odpovídala maximálnímu nastavení P2. PĜípadnČ mĤžeme rozsah nastavovaných teplot volit užší. Zapojíme-li OZ2 jako komparátor bez hystereze (vynecháme R9), þeká nás nepĜíjemné pĜekvapení. Obvod kmitá, což výraznČ zvČtšuje výkon, který se rozptyluje na spínacím tranzistoru T1. Spínací tranzistor bychom potom museli opatĜit chladiþem (o ploše 10 až 20 cm2), což by zvČtšovalo rozmČry celého regulátoru. Zapojit na výstup OZ2 kondenzátor o kapacitČ 10 µF proti zemi nebo zapojit kondenzátor o kapacitČ 100 nF mezi výstup a invertující vstup OZ pĜíliš nepomĤže. Nezbývá proto, než zapojit rezistor R9 (o odporu 1,5 MΩ), aby mČl komparátor hysterezi. Hystereze však zpĤsobuje kolísání teploty hrotu, které je tím vČtší, þím je vČtší hystereze. PĜevodní charakteristika komparátoru s hysterezí je na obr. 55. Když jednoduchý regulátor podle obr. 54 testujeme, zjistíme, že prĤbČh regulace teploty (viz obr. 56) není zrovna ideální. Jednotlivé díly pájecího pera mají totiž urþitou tepelnou setrvaþnost a pĜi pĜenosu tepla od topného tČlesa Obr. 55. PĜevodní charakteristika komparátoru s hysterezí

Uvýst [V]

teplota [°C]

nastavená teplota

regulaþního obvodu minimální. Jako porovnávací obvod použijeme operaþní zesilovaþ bez záporné zpČtné vazby (jako komparátor), kdy je jeho citlivost maximální. Jako spínací prvek použijeme tranzistor MOSFET BUZ10, i když je dražší než odpovídající bipolární tranzistor. Výhodou tranzistoru BUZ10 je jeho malý odpor v sepnutém stavu. Proto je na nČm za provozu malý úbytek napČtí a malá výkonová ztráta. BUZ10 neubírá pájeþce výkon a ušetĜíme chladiþ, který by zbyteþnČ zvČtšoval velikost pĜístroje a pĤsobil problémy pĜi montáži do krabiþky. Uvedeme si nyní (pro snazší pochopení funkce) postup návrhu jednoduchého regulátoru. Zesílení A u zesilovaþe s OZ1 je dáno vztahem: A u = 1 + (R4/R3). Zesílení A u volíme co možná nejvČtší (minimálnČ A u = 100), abychom v dalším stupni nemuseli kompenzovat vstupní napČĢovou nesymetrii komparátoru s OZ2, a aby hystereze obvodu nemusela být pĜíliš veliká (bude vysvČtleno dále). K R3 musíme pĜiþíst paralelní kombinaci odporĤ R a R2 (viz. Theveninova vČta). Vstupní napČĢovou nesymetrii OZ, která má ĜádovČ velikost 1 mV, musíme kompenzovat trimrem P. DČliþem z rezistorĤ R1, R2, R10, R11 vytvoĜíme umČlou nulu, tj. pĜedpČtí, které je rovné polovinČ napájecího napČtí (pĜípadnČ mĤže být ponČkud menší). Odpory R0, R musí být zhruba 1000 krát menší než odpory R a R2, abychom trimrem P1 mČnili napČtí Ĝádu jednotek mV. Odpor trimru P1 není kritický, ale mČl by být co nejmenší, abychom jej mohli zanedbat pĜi výpoþtu zesílení OZ1 (volíme P = 100 Ω). Odpory R a R2 volíme rovnČž co možná nejmenší (s ohledem na odbČr proudu), ĜádovČ 1 kΩ, aby byly menší než souþet odporĤ P2 + R6 + R7. Pokud napájíme topné tČleso pájecího hrotu ze zdroje stĜídavého nebo usmČrnČného a nevyhlazeného napČtí, nesmíme zapomenout, že spoleþnČ s malým stejnosmČrným napČtím z termoþlánku prochází stejnou šĖĤrou velký proud o kmitoþtu 50 nebo

teplota [°C]

Uvst [V]

U

U2 nastavená teplota þas [min]

Obr. 54. Jednoduchý regulátor

22


Obr. 56. ýasový prĤbČh teploty u regulátoru podle obr. 54 pĜi rĤzných napájecích napČtích U a U2

teplota [°C]

nastavená teplota

þas [min]

Obr. 57. ýasový prĤbČh teploty pĜi dvoustupĖové regulaci Nyní si ukážeme rĤzné další principy zapojení regulátorĤ. VČnuji jim zde více místa, protože jsou zajímavé z teoretického hlediska, a protože je mĤžeme využít i v jiných aplikacích, jako napĜ. pĜi regulaci teploty v místnosti nebo pĜi regulaci jiných neelektrických veliþin. Souþet výhod, které poskytuje napájení hrotu velkým a malým napČtím, získáme použitím dvoustupĖového regulátoru. Po zapnutí se hrot rychle ohĜeje velkým výkonem pĜi velkém napájecím napČtí. Po dosažení teploty napĜ. o 50 °C menší, než je teplota nastavená (podle napČtí na termoþlánku), se dodávaný výkon zmenší, napĜ. pĜepnutím na menší napájecí napČtí. Tím se minimalizuje pĜekmit teploty hrotu a omezí kolísání teploty hrotu. K realizaci dvoustupĖového regulátoru musíme použít dva komparátory, které ovládají dva spínací prvky. Vstupní obvod je stejný jako v pĜed-

chozím pĜípadČ. Vstupní napČtí pro druhý komparátor zvČtšíme napĜ. odporovým dČliþem, na který zavedeme kladné napájecí napČtí. Výkon topného tČlíska zmenšíme buć pĜidáním rezistoru do série s tČlískem (na rezistoru se rozptyluje výkon zhruba 5 W) nebo pĜepnutím vinutí transformátoru (je nutno použít pĜepínací relé). Další variantou Ĝešení je spojitý regulátor. Na rozdíl od pĤvodního zapojení je OZ2 zapojen jako rozdílový zesilovaþ s koneþným zesílením. Principiální schéma zapojení spojitého regulátoru je na obr. 60. Pokud je teplota hrotu výraznČ nižší než nastavená teplota, je na výstupu OZ2 maximální napČtí a topné tČlísko má maximální výkon. S rostoucí teplotou se výstupní napČtí OZ2 zmenšuje, a tím se zmenšuje i výkon tČlíska. V ustáleném stavu je teplota hrotu konstantní. Tranzistor, pĜes který se pĜivádí proud do tČlíska, pracuje jako promČnný odpor a dČlí se s topným tČlískem o výkon (podobnČ jako u stabilizátoru napČtí). PĜi napájecím napČtí Un = 24 V bude na tranzistoru úbytek napČtí pĜibližnČ 12 V a pĜi proudu tČlískem asi 1 A bude výkonová ztráta tranzistoru asi 12 W. K rozptýlení takového výkonu je nutný chladiþ o ploše 0,8 až 1 dm2, chladiþ musí být þernČný a umístČný ve svislé poloze. Mechanická konstrukce takového obvodu by jistČ nebyla bez problémĤ. Chování spojitého regulátoru po zapnutí napájecího napČtí závisí (kromČ na dalších parametrech, které nemĤžeme ovlivnit) na zesílení operaþních zesilovaþĤ OZ1 a OZ2. ýasové prĤbČhy teploty pĜi spojité regulaci jsou pro rĤzné zesílení OZ1 a OZ2 na obr. 61.

Obr. 58. Princip zapojení dvoustupĖového regulátoru

Obr. 60. Princip spojitého regulátoru

teplota [°C]

k termoþlánku nastává tzv. dopravní zpoždČní. Jedná se o soustavu, kterou popisujeme diferenciální rovnicí 2. Ĝádu. V tomto þlánku se chci obejít bez vyšší matematiky a dívat se na celý problém pouze z praktické stránky. K matematické analýze bychom potĜebovali znát více technologických údajĤ. PĜi napájecím napČtí topného tČlíska 23 V se hrot ohĜeje na 300 °C velmi rychle, asi za 40 s. Vlivem setrvaþnosti a zpoždČní se však hrot pĜehĜeje a trvá zhruba jednu až dvČ minuty, než zchladne natolik, aby nastal další ohĜev. Další ohĜevy trvají vždy jen velmi krátce a mezi nimi je pauza zhruba jedna minuta. Zjistit pĜesnČ, jak pĜi popsaném dČji kolísá teplota hrotu, jsem nemČl možnost. Bylo by tĜeba mČĜit teplotu hrotu kontaktním teplomČrem. Z prĤbČhu napČtí na hrotu pĜi chladnutí snadno odhadneme, že krátce po zapnutí se hrot pĜehĜeje až o 100 °C vzhledem k nastavené teplotČ, takže jeho teplota kolísá o více než 50 °C. VĤþi pistolové pájeþce je to sice zmČna k lepšímu, ale k profesionální kvalitČ má takový regulátor daleko. PĜi napájecím napČtí topného tČlíska 17 V trvá ohĜev 90 až 110 s. První pĜekmit trvá zhruba 1 minutu. Další pĜekmity trvají 40 až 50 s. To odpovídá kolísání teploty hrotu pĜibližnČ o 30 až 40 °C. Existují pájecí pera s mnohem menší setrvaþností a s dobou ohĜevu nČkolik sekund. Jejich cena je však pĜíliš vysoká. Z uvedených skuteþností vyplývá, že jednoduchým regulaþním obvodem nelze splnit všechny požadavky v potĜebné kvalitČ souþasnČ. PĜi menším napájecím napČtí (3 až 7 V) bude teplota hrotu kolísat jen málo, ale hrot se bude déle ohĜívat a bude mít malý tepelný výkon. PĜi vČtším napájecím napČtí se bude hrot ohĜívat rychle a bude mít velký tepelný výkon, ale jeho teplota bude znaþnČ kolísat. Napájecí napČtí pro Ĝídicí obvod musíme filtrovat kondenzátorem C2 a doporuþuji je stabilizovat monolitickým stabilizátorem IO3. Když pĜivádíme na napájecí svorky TRAFO stĜídavé napČtí menší než 12 V nebo stejnosmČrné napČtí menší než 16 V, doporuþuji použít stabilizátor 78L10, aby byla dostateþná rezerva velikosti vstupního napČtí stabilizátoru. Vidíme, že nejjednodušší a nejlevnČjší Ĝešení Ĝídicího obvodu nemusí být vždy kvalitní, aĢ už si pájeþku koupíme, nebo sami vyrobíme. Vždy se vyplatí dát pĜednost dokonalejšímu výrobku nebo zapojení. MČl jsem možnost posuzovat nČkolik rĤzných typĤ mikropájeþek. Myslím, že þeské výrobky jsou dostateþnČ kvalitní a plnČ se vyrovnají výrobkĤm renomovaných zahraniþních firem.

A A2 A3 nastavená teplota þas [min]

Obr. 59. DvoustupĖový regulátor s pĜepínáním vinutí transformátoru


Obr. 6. ýasové prĤbČhy teploty pĜi spojité regulaci a pĜi rĤzném zesílení OZ a OZ2. A - velké zesílení, A2 - optimální zesílení (kritické tlumení) a A 3 - malé zesílení

23

PĜi velkém zesílení ve smyþce teplota hrotu po zapnutí napájecího napČtí pĜekmitne (obvod se chová podobnČ jako komparátor) - viz prĤbČh A1 na obr. 61, pĜi malém zesílení je nábČh teploty pomalý - viz prĤbČh A3. Nejrychlejší nábČh teploty s minimálním pĜekmitem (teoreticky bez pĜekmitu) je pĜi optimálním zesílení - viz prĤbČh A2. Optimální zesílení mĤžeme zjistit buć experimentálnČ (zesílení plynule mČníme tak, až najdeme minimální pĜekmit a minimální dobu ustálení), nebo použjeme následující úvahu. Uvážíme, že v obvodu s komparátorem je pĜekmit teploty asi 100 °C a zjistíme, jaká zmČna napČtí na vstupu OZ1 odpovídá tomuto pĜekmitu. Pak vypoþítáme zesílení OZ1 tak, aby OZ1 pĜešel z oblasti saturace do aktivní oblasti pĜi teplotČ o 100 °C nižší, než je nastavená požadovaná teplota. Využít výhodu spojitého regulátoru (konstantní teplota hrotu) a odstranit jeho nevýhodu (velká výkonová ztráta regulaþního tranzistoru) umí regulátor s fázovým Ĝízením výkonu. Blokové schéma fázového regulátoru s tyristorem je na obr. 62a, blokové schéma fázového regulátoru s triakem je na obr. 62b. Topné tČlísko pĜipojujeme k napájecímu napČtí pĜes tyristor (pokud je napČtí usmČrnČné mĤstkovým usmČrĖovaþem) nebo pĜes triak (pokud je napČtí stĜídavé). ěídicí obvod otvírá tyristor nebo triak po dobu þásti periody síĢového napČtí. Dobu otevĜení urþuje Ĝídicí obvod na základČ napČtí z termoþlánku tak, aby teplota hrotu byla konstantní. PrĤbČhy napČtí na zátČži pĜi fázovém Ĝízení výkonu tyristorem nebo triakem jsou na obr. 63a a obr. 63b. U regulátorĤ s fázovým Ĝízením výkonu si však musíme dát pozor na rušení, jehož pĜíþinou jsou strmé nábČžné hrany napČtí a proudu topného tČlíska. Abychom rušení odstranili, musíme do napájecího pĜívodu zaĜadit filtr LC. Rušení (v pásmu kmitoþtĤ nad

Obr. 62a. Blokové schéma fázového regulátoru s tyristorem

Obr. 62b. Blokové schéma fázového regulátoru s triakem

24

U

t

Obr. 63a. NapČtí na zátČži pĜi fázovém Ĝízení výkonu tyristorem U

t

Obr. 63b. NapČtí na zátČži pĜi fázovém Ĝízení výkonu triakem 100 kHz) však mĤže vyzaĜovat i topné tČlísko. Každý výrobek by mČl mít zaruþenou tzv. elektromagnetickou kompatibilitu (EMC). MČĜení v oboru EMC je však nároþné na vybavení mČĜicími pĜístroji. Zkouška pĜístroje z hlediska odrušení stojí ve státní zkušebnČ (EZÚ) od 10 000 Kþ výše. Je tedy pro amatéry nedostupná. ýástka za zkoušku rovnČž pĜesahuje finanþní možnosti vČtšiny autorĤ konstrukþních návodĤ (honoráĜe za publikaþní þinnost jsou mnohem nižší). Nelze se proto automaticky spoléhat, že uveĜejnČné návody tohoto typu jsou z hlediska odrušení v poĜádku. Rušivé napČtí by v regulátoru pro pájeþku bylo sice þásteþnČ potlaþeno v transformátoru, pĜesto si myslím, že by zapojení toho typu mČla být používána jen v profesionálních výrobcích. AmatérĤm, kteĜí jsou jiného názoru a používají zapojení s fázovým Ĝízením výkonu (napĜ. regulátor výkonu žárovky, vrtaþky apod.) chci dát dvČ rady: 1) Odrušovacích tlumivek a kondenzátorĤ není nikdy dost. 2) Je nutné vyzkoušet odrušení alespoĖ pomocí rozhlasového pĜijímaþe. Rušení se nejvíce projevuje na rozsazích DV a SV. Regulátor s fázovým Ĝízením výkonu má pro nás ještČ jednu nevýhodu. Není univerzální, takže jej nelze napájet ze zdroje stejnosmČrného napČtí. Tyristor a triak se totiž vypínají pouze pĜi prĤchodu napájecího napČtí nulou. ProblémĤm s rušením se vyhneme, postavíme-li triakový (tyristorový) regulátor se spínáním v nule. Takový regulátor pustí do zátČže buć celou nebo žádnou pĤlvlnu stĜídavého napČtí. Rušení tak vĤbec nemĤže vzniknout, pájeþku mĤžeme používat i v blízkosti vf obvodĤ.

Jako spínací prvek mĤžeme využít optotriak se spínáním v nule, který však má vĤþi bČžným typĤm tranzistorĤ nebo tyristorĤ ponČkud vyšší cenu. Pájeþku s tímto typem regulace vyrábí þeská spoleþnost Diametral pod názvem SLB 530.A . Nejdokonalejší regulátor postavíme s využitím mikroprocesoru. Blokové schéma regulátoru s mikroprocesorem je na obr. 64. Zesílené napČtí z termoþlánku a pomocné napČtí z potenciometru P2, které odpovídá nastavené teplotČ hrotu, se vede pĜes multiplexer MPX a pĜevodník A/D do mikroprocesoru µP. Mikroprocesor na základČ Ĝídicího programu spíná spínaþ S tak, aby byl vykompenzován vliv zpoždČní a tepelné setrvaþnosti hrotu. S dobrým programem lze dosáhnout ideálního prĤbČhu regulace (viz obr. 53). Nastavenou a skuteþnou teplotu hrotu zobrazíme na displeji. Regulátor s mikroprocesorem je nejdokonalejší typ regulátoru. PĜi amatérské realizaci tohoto typu bych doporuþoval použít mikroprocesor PIC16C71, který v sobČ obsahuje osmibitový pĜevodník A/D s þtyĜnásobným multiplexerem. Nevýhodou je nezanedbatelná cena mikroprocesoru a nutnost jej naprogramovat. Vývoj programu není rovnČž snadný. Kvalitní programy jsou schopné se „uþit”, tzn. zjistit vlastnosti prostĜedí a pĜizpĤsobit mu prĤbČh regulace. Amatérská realizace takového regulátoru není snadná ani levná.

Popis regulátoru V99 teploty mikropájeþky VČtšinu typĤ regulátorĤ jsem v pĜedchozím textu popsal z teoretických dĤvodĤ, nikoliv jako návody k realizaci. Pro potĜeby radioamatérĤ jsem vyvinul kvalitní regulátor V99 pro mikropájeþku s co možná nejjednodušším zapojením, s minimálními poĜizovacími náklady, s malými rozmČry a s jednoduchým nastavením. Blokové schéma regulátoru V99 je na obr. 65. V tomto zapojení je spínací tranzistor buzen z napČtím Ĝízeného multivibrátoru (NěM) s OZ3. Kmitoþet multivibrátoru je ovládán Ĝídicím napČtím z výstupu operaþního zesilovaþe OZ2. ěídicímu napČtí pĜibližnČ +2 V odpovídá nízké saturaþní napČtí (asi +2 V) na výstupu OZ3, pĜi kterém je spínací tranzistor (MOSFET) vypnut. PĜi Ĝídicím napČtí asi 10 až 11 V je výstup OZ3 ve vysoké saturaci. Na vý-

Obr. 64. Blokové schéma regulátoru s mikroprocesorem


Obr. 65. Blokové schéma regulátoru V99

kmitá

Uvýst [V]

0

2 0 0 2

6

0

UĜ [V]

Obr. 66. PrĤbČh napČtí na výstupu napČtím Ĝízeného multivibrátoru v závislosti na Ĝídicím napČtí stupu OZ3 je saturaþní napČtí 10 až 11 V a spínací tranzistor je sepnut. Když je na výstupu OZ2 Ĝídicí napČtí asi 6 V, je na výstupu NěM obdélníkové napČtí o kmitoþtech pĜibližnČ 1 Hz se stĜídou 1:1. PĜi zvČtšování Ĝídicího napČtí se mČní stĜída kmitání a prodlužuje se doba sepnutí tranzistoru. PĜi zmenšování Ĝídicího napČtí se naopak zkracuje doba sepnutí tranzistoru. PrĤbČh napČtí U výst na výstupu NěM v závislosti na Ĝídicím napČtí UĜ je na obr. 66. Schéma regulátoru V99 je na obr. 67, schéma indikátoru teploty, který je souþástí regulátoru, je na obr. 68.

Zapojení vstupního zesilovaþe pĜibližnČ odpovídá popisu jednoduchého regulátoru na str. 22. Operaþní zesilovaþ OZ2 je zapojen jako zesilovaþ spojitého signálu. PĜi nízké teplotČ hrotu je na výstupu OZ2, a tím i na výstupu NěM s OZ3, vysoká úroveĖ napČtí, tranzistor je otevĜen a ohĜev probíhá s maximální rychlostí. PĜiblíží-li se teplota termoþlánku nastavené hodnotČ (teplota hrotu je o nČco vyšší) napČtí na výstupu OZ2 se zmenší. NěM s OZ3 zaþne kmitat a výkon se omezí. Perioda NěM je pĜibližnČ 10x kratší než þasová konstanta tepelné setrvaþnosti pájecího pera. Proto pĜi tomto zpĤsobu regulace teplota hrotu nekolísá. StĜída kmitání multivibrátoru se sama nastaví tak, aby se vytvoĜil stav rovnováhy. Na výstupu NěM je zapojena LED D3, abychom stav regulátoru mohli kontrolovat. PĜi napájení regulátoru stĜídavým napČtím 23 V ze síĢového transformátoru o výkonu 30 W je v rovnovážném stavu na výstupu OZ2 typické napČtí -3,6 V oproti stĜedu napájecího napČtí.

Regulátor V99 nemá nevýhody tČch typĤ regulátorĤ, které byly uvedeny v kapitole o teorii elektronické regulace teploty pájeþky. Výkon, rozptylovaný spínacím tranzistorem regulátoru V99 je minimální, chlazení tranzistoru proto není zapotĜebí. Na výstupu multivibrátoru nemĤže být neurþitá úroveĖ napČtí. Kmitoþet multivibrátoru je natolik nízký, že pĜípadné rušení je zanedbatelné. Pro jistotu je možné pĜidat filtraþní kondenzátor C8, aby se omezily proudové nárazy do sítČ. To vše je dosaženo pĜi minimálních nákladech. Domnívám se že každá mikropájeþka by mČla dĤrazným zpĤsobem indikovat zapnutý stav. Jinak ji pĜi práci zapomeneme vypínat, což nám bude zkracovat její životnost a zvČtšovat spotĜebu elektĜiny. Zapomenutá zapnutá pájeþka mĤže být i pĜíþinou úrazu nebo požáru. U mnoha továrnČ vyrábČných pájeþek není problém indikace zapnutého stavu uspokojivČ vyĜešen. Jedinou indikací zapnutí je LED, která svítí pouze pĜi zapnutém topení. VyĜešit tento problém mĤžeme rĤznými zpĤsoby, které byly v literatuĜe mnohokrát popsány. Proto zpĤsoby Ĝešení jen struþnČ pĜipomenu. Stav zapnutí mĤžeme napĜ. indikovat diodu BLIK. K indikaci mĤžeme použít též blikaþ s obvodem 555 v základním zapojení s diodou LED (viz lit. [1]). Jako indikaþní blikaþ mĤžeme zapojit volný operaþní zesilovaþ, který zbývá v pouzdru þtyĜnásobného OZ.

OZ1

Obr. 67. Regulátor V99 teploty mikropájeþky


25

Obr. 68. Indikátor teploty k regulátoru V99 Schéma blikaþe je shodné se zapojením NěM s OZ3 na obr. 67. Rezistor v blikaþi, odpovídající rezistoru R12 v NěM, pĜipojíme na polovinu napájecího napČtí. V [1] je publikováno zapojení metronomu s NE 556, které po malé úpravČ mĤže generovat každou minutu krátké písknutí. V regulátoru V99 je, stejnČ jako u nejkvalitnČjších profesionálních výrobkĤ, použito automatické vypínání pájeþky, pokud není pájecí pero po dobu 5 až 10 minut vyjmuto ze stojánku. PĜíkladem výrobku s automatickým vypínáním je mikropájeþka SBL 530.B, kde však automatické vypínání pracuje na jiném principu, než dále popisuji. V regulátoru V99 využívám þasovaþ CMOS 4521 (IO2), který obsahuje oscilátor a dvacetiþtyĜstupĖový binární þítaþ (dČliþ kmitoþtu). Po zapnutí napájecího napČtí je þítaþ vynulován úrovní H na vstupu MR (vývod 2) impulsem pĜes C6. Pokud není pájecí hrot ve stojánku, je obvod nulován pĜes OZ4 úrovní H. Pokud je

26

hrot ve stojánku, oscilátor a þítaþ bČží. Kmitoþet oscilátoru je dán vzorcem: f = 1/(2,3·R22·C3). Objeví-li se na výstupu Q24 þasovaþe (na vývodu IO2) úroveĖ H, zablokuje se pĜes D2 oscilátor þasovaþe a þítání skonþí. ZároveĖ se vypne topení a rozsvítí se LED D9. Pokud napĜ. chceme, aby se na výstupu Q24 objevila úroveĖ H po pČti minutách (tomu odpovídá perioda T = 10 min. = 600 s a z periody odvozený kmitoþet f = 0,00166 Hz), musí být pĜi dČlícím pomČru 2 24 = 16772216 kmitoþet oscilátoru þasovaþe 28 kHz. V oscilátoru zvolíme odpor R22 Ĝádu desítek kΩ a dopoþítáme kapacitu kondenzátoru C3. K detekci polohy pájecího pera je použita optická závora s fototranzistorem T2 a LED D10 (T2 i D10 musí pracovat na stejné vlnové délce záĜení, nejlépe v infraþerveném pásmu). Souþástky T2 a D10 jsou zasunuty každá do jednoho konce kovové trubiþky. Trubiþka je upevnČna ke stojánku tak, aby se pájecí hrot o ni opíral. V místČ doteku s pájecím perem je trubiþka opatrnČ naĜíznuta (nesmí se zlomit). Pájecí hrot pĜi zasunutí do stojánku prochází trubiþkou a pĜerušuje paprsek mezi LED a fototranzistorem. PĜi pĜerušení paprsku se fototranzistor uzavĜe a na výstupu OZ4 bude úroveĖ L. Operaþní zesilovaþ OZ4 je zapojen jako komparátor s hysterezí, aby na jeho výstupu byla vždy definovaná úroveĖ H nebo L (na vstup obvodĤ CMOS se nesmí pĜivést po delší dobu polovina napájecího napČtí, potom vzrĤstá odbČr proudu a hrozí, že se obvod poškodí). Pozor! Pájecí pero je vodivČ spojeno s termoþlánkem. Aby obvod správnČ fungoval, musí být LED D10 i fototranzistor dobĜe izolovány od trubiþky. Trubiþka musí mít vnitĜní prĤmČr minimálnČ 6 mm. Pájecí pero se smí dotýkat pouze hrany trubiþky, aby se trubiþka pĜíliš nezahĜívala, a aby se LED nebo fototranzistor nepoškodily. Trubiþka (optická závora) ve stojánku drží i bez pĜichycení, po odzkoušení ji mĤžeme upevnit napĜ. kous-

kem vázacího drátu (trubiþku na obou koncích provrtáme tenkým vrtákem a drát upevníme ke stojánku napĜ. epoxydovou pryskyĜicí). Souþástí regulátoru V99 je indikátor teploty hrotu (obr. 68), který je tvoĜen Ĝadou LED. Poþet LED si mĤžeme zvolit prakticky libovolnČ s ohledem na rozmČry krabiþky, do které chceme obvod umístit. V popisovaném indikátoru jsou OZ zapojeny jako spojité zesilovaþe (nikoli komparátory), na které se pĜivádí zesílené napČtí z termoþlánku (z výstupu OZ1 regulátoru) a referenþní napČtí z odporového dČliþe R6, P2, R7 regulátoru. Když dosáhnou napČtí na obou vstupech jednotlivých OZ indikátoru shodné velikosti, svítí souþasnČ obČ LED, zapojené k pĜíslušnému OZ. Poþet indikovaných úrovní teploty se tak pĜi stejném poþtu LED zvČtší témČĜ dvojnásobnČ.Velikosti odporĤ R30 až R36 na obr. 68 jsou vhodné pro LED s vČtší úþinností. Použitý zpĤsob indikace teploty je rozmČrovČ i finanþnČ ménČ nároþný než þíslicová indikace teploty. Pro vČtší pĜehlednost jsou souþástky indikátoru oþíslovány þísly od tĜiceti výše.

Stavba regulátoru V99 Všechny souþástky regulátoru V99 vþetnČ indikátoru teploty hrotu jsou umístČny na desce s plošnými spoji. Obrazec plošných spojĤ je na obr. 69, rozmístČní souþástek na desce je na obr. 70, rozmístČní souþástek SMD na desce na stranČ spojĤ je na obr. 71. VČĜím, že ti, kteĜí si tento pĜístroj budou stavČt, se nebudou bát používat souþástky SMD. Proto jsem je v této konstrukci v nČkolika pĜípadech použil. Integrované obvody, kondenzátory, diody a vČtšina rezistorĤ je pro jistotu v klasickém provedení. RozmČry desky jsou pomČrnČ malé i pĜi rozumné hustotČ souþástek a vČtší šíĜce spojĤ. Žádné spoje nevedou mezi nožiþkami integrovaných obvodĤ, ani mezi ploškami souþástek SMD. Pouze nČkolik rezistorĤ bude nutno zapájet nastojato nebo jim bude nutno

Obr. 69. Obrazec plošných spojĤ regulátoru V99 (:)


ohnout vývody. I bez použití nepájivé masky proto bude pro vČtšinu zájemcĤ osazování desky jistČ bez problémĤ. Potenciometr P2 a všechny LED jsou umístČny pĜímo na desce. Souþástky mĤžeme na desku pájet pájecím perem, které pĜipojíme ke zdroji konstantního napČtí. RozmČry desky jsou navrženy pro vestavČní do skĜíĖky U6, ve které je navíc dostatek místa pro síĢový transformátor. K vrtání dČr do pĜedního panelu skĜíĖky použijeme vrtací šablonu, která je na obr. 72. Na pĜední panel nalepíme štítek s popisem, návrh štítku je na obr. 73. Deska regulátoru má velmi malé rozmČry a s použitím dvou distanþních trubiþek ji mĤžeme pĜišroubovat i do jakékoliv jiné vhodné skĜíĖky, tĜeba i do již hotového napájecího zdroje. I zde využijeme vrtací šablonu z obr. 72 a návrh štítku s popisem na obr. 73. Konstrukce optické závory, umístČné na odkládacím stojánku pro pájecí pero, je zĜejmá z popisu funce optické závory a obvodu pro automatické vypínání pájeþky. Náþrtek optické závory je na obr. 74. Na desce regulátoru je místo i pro usmČrĖovaþ, takže regulátor mĤžeme pĜipojit pĜímo k sekundárnímu vinutí vhodného transformátoru. Filtrovat staþí pouze napČtí pro Ĝídící obvod (k tomu slouží dioda D4 a kondenzátor C2), do topného tČlíska mĤžeme pouštČt pulzující napČtí. Pájeþku mĤžeme napájet i z jiného pĜístroje (laboratorní zdroj napČtí, nabíjeþka, zesilovaþ), pokud z nČj mĤžeme odebírat proud alespoĖ 1,5 A (minimálnČ 1 A, nejlépe 2 A, dosažitelný proud má vliv na dobu ohĜevu a na vyzáĜený tepelný výkon hrotu). SíĢový transformátoru pro pájeþku by mČl mít sekundární napČtí maximálnČ 24 V a mČl by být pro výkon 50 W. Menší napČtí a výkon nejsou na závadu (postaþí sekundární napČtí 13 V a výkon 15 W), prodlouží se však doba ohĜevu pájeþky. Do skĜíĖky U6 je možné umístit transformátor s výkonem 30 až 40 W, do skĜíĖky U61 (stejná jako U6, ale vypouklý spodní kryt má z plastické hmoty) se vejde transformátor ještČ o nČco vČtší... Do skĜíĖky je nutno umístit doupólový síĢový spínaþ a dva pČtipólové konektory. PĜipojení k síti doporuþuji provést tĜížilovou šĖĤrou, ochranný vodiþ se spojí se záporným pólem napájecího napČtí (ochrana pĜed statickým napČtím). Transformátor, který jsem použil, a který bude souþástí dodávané stavebnice, má výstupní napČtí naprázdno 23 V. PĜi zatížení topným tČlískem se napČtí transformátoru zmenší na 20 V a doba ohĜevu se tak prodlouží asi o 30 s. Regulátor V99 je vhodný i pro použití ve školních dílnách, kde je zpravidla vybudován rozvod napČtí 24 V.

Obr. 70. RozmístČní souþástek na desce regulátoru V99 - pohled na stranu souþástek

Obr. 7. RozmístČní souþástek SMD na desce regulátoru V99 - pohled na stranu spojĤ

Oživení regulátoru V99 Osazenou desku dĤkladnČ pĜekontrolujeme. Pak k desce opatrnČ pĜipojíme stejnosmČrné napájecí napČtí z regulovaného zdroje s proudovou pojistkou (napČtí postupnČ zvČtšujeme od nuly). Topné tČlísko necháme nejprve nezapojené, aby jeho teplota byla stejná, jako teplota okolí. Trimrem P1 nastavíme nulové napČtí na výstupu

OZ1 vĤþi polovinČ napájecího napČtí z dČliþe R10 a R11. OvČĜíme vypoþtené velikosti napČtí na dČliþi pro indikátory a na potenciometru. MČĜíme-li napČtí na na neinvertujících vstupech OZ30 až OZ36, je mČĜení zatíženo znaþnou chybou i pĜi použití moderního mČĜicího pĜístroje s velkým vstupním odporem. PĜipojíme topné tČlísko a zkontrolujeme funkci obvodu. MČĜením ovČĜíme, zda zesílení OZ1 odpovídá vypoþtené hodnotČ.

Obr. 72. Vrtací šablona pro pĜední panel regulátoru V99


27

Obr. 73. Návrh štítku s popisem pĜedního panelu regulátoru V99

ZmČĜíme napČtí na R19 a pĜípadnČ upravíme odpor R9 tak, aby OZ4 pĜi vkládání pájecího pera do držáku spolehlivČ pĜeklápČl. Pokud je pájecí pero v držáku, mČlo by být napČtí na R19 výraznČ vČtší než +6 V (polovina napájecího napČtí), pĜi vytažení pera z držáku musí být napČtí na R19 výraznČ menší než +6 V. PĜi pĜípadných úpravách þasovaþe mĤžeme pro úsporu þasu mČĜit napČtí na výstupu Q18 obvodu IO2, þasový interval je pak 64x menší.

Výpoþet souþástek Zvolíme odpory R a R2 co možná nejmenší (R = R2 = 1,2 kΩ). R0 a R zvolíme o tĜi Ĝády menší než R a R2 (R0 = R = 1,8 Ω). Odpor potenciometru P1 zvolíme minimální (P = = 100 Ω). Odpor R4 zvolíme Ĝádu jednotek MΩ (R4 = 1,5 MΩ). Urþíme odpor R3 tak, aby se pĜi zmČnách teploty pájecího hrotu v požadovaném rozsahu teplot (250 až 450 °C) pohybovalo napČtí na výstupu OZ1 v rozmezí +7 až +10 V. PĜi výpoþtu zesílení zesilovaþe s OZ1 musíme vzít v úvahu, že k odporu R3 musíme pĜiþíst vnitĜní odpor dČliþe s R1, P1 a R2. Urþíme-li R3 = 10 kΩ (ostatní rezistory mají odpor podle seznamu souþástek), má zesilovaþ s OZ1 napČĢové zesílení Au = 144. V tom pĜípadČ je na výstupu OZ1 pĜi teplotČ hrotu 250 °C napČtí 7,333 V, pĜi teplotČ 300 °C napČtí 7,617 V, pĜi teplotČ 350 °C napČtí 7,902 V, pĜi tep-

pájecí pero epoxyd fototranzistor

Ĝez

trubiþka LED

pĜívody

Obr. 74. Mechanické provedení optické závory

28

lotČ 400 °C napČtí 8,186 V a pĜi teplotČ 450 °C napČtí 8,471 V. Zvolíme rozsah regulace teploty (270 až 390 °C) a vypoþítáme odpovídající odpory R6, R7 a P2 (R6 = 39 kΩ, R7 = 18 kΩ a P2 = 10 kΩ). Potenciometr P2 použijeme lineární. Pokud by neplatila podmínka, že R << R6 + R7 + P2, museli bychom R zmenšit tak, aby v bodČ „0“ byla polovina napájecího napČtí (+6 V). Zesílení zesilovaþe s OZ2 zvolíme tak, aby se pĜi zmČnČ teploty o 30 až 40 °C zmČnilo výstupní napČtí OZ2 o 4,2 V (což je postaþující na to, aby se zastavlo kmitání NěM s OZ3). Kmitoþet NěM s OZ3 mĤžeme zmenšit zvČtšením þasové konstanty R3, C7. Odpor R9 zvolíme tak, aby pĜi zvednutí pájecího pera ze stojánku byla zmČna napČtí na emitoru fototranzistoru T2 co možná nejvČtší. Dobu, za kterou se pájeþka automaticky vypne, mĤžeme prodloužit zvČtšením þasové konstanty R22, C3. Kondenzátor C6 nuluje þítaþ v IO2 pĜi zapnutí napájecího napČtí. Diody LED D30 až D36, které jsou uspoĜádány na kružnici okolo potenciometru P2, tvoĜí zároveĖ stupnici tohoto potenciometru. Operaþní zesilovaþe, které Ĝídí LED D30 až D36, pracují v lineárním režimu. Pokud jsou napČtí na obou vstupech kteréhokoliv z OZ30 až OZ35 shodná, svítí vždy obČ LED, pĜipojené k výstupu pĜíslušného OZ. Zvolíme pĜimČĜená zesílení OZ30 až OZ35 tak, aby pĜi malé zmČnČ teploty (o 4 °C) jedna LED zhasla. Zesílení OZ30 až OZ35 musí být proto takové, aby požadované zmČnČ teploty pájecího hrotu (20 °C) odpovídala zmČna výstupního napČtí o 4 V (z 6 V na 2 V nebo z 6 V na 10 V). Jednotlivá porovnávací napČtí vytváĜí dČliþ R37 až R43. Vstupní napČĢová nesymetrie operaþních zasilovaþĤ OZ30 až OZ35, která je Ĝádu jednotek mV, ovlivní ponČkud pĜesnost indikace (pĜesnost indikace zhorší i nepĜesnost ostatních souþástek). Domnívám se, že tato malá chyba indikace teploty (jednotky

°C) nebude pro vČtšinu uživatelĤ podstatná. Protože nejvČtší toleranci odporu má potenciometr P2, doporuþuji nastavit napČtí 1,6 V a 2,5 V na krajních vývodech potenciometru P2 zmČnou odporĤ R6 a R7 (pĜipojením rezistorĤ R6A a R7A paralelnČ k R6 a k R7). Správnou velikost zesílení zesilovaþe s OZ1 musíme ovČĜit mČĜením jeho vstupního a výstupního napČtí (vstupní napČtí mČĜíme pĜed R5). Na základČ pĜedchozího popisu by jistČ nebyl žádný problém upravit zapojení v pĜípadČ potĜeby, napĜ. zmČnit poþet LED v indikátoru, rozsah teplot pájecího hrotu nebo odpor potenciometru P2. Je tĜeba upozornit i na možné nepĜesnosti pĜi indikaci teploty. PĜi zapnutí proudu do topného tČlíska se znaþnČ zmenší napČtí na vyhlazovacím kondenzátoru C2 (o jednotky V), což zpĤsobí zmČnu napájecího napČtí na výstupu stabilizátoru IO3 v Ĝádu jednotek mV. Vzhledem k velkému zesílení kaskády zesilovaþĤ OZ1 a OZ30 až OZ35 (zesílení je asi 27 000) by se tato zmČna napájecího napČtí projevila na indikátoru podstatným zpĤsobem. ýásteþnČ se tento problém podaĜilo odstranit kaskádním zapojením dvou monolitických stabilizátorĤ IO3 a IO4. PĜedĜadit pĜed IO3 stabilizátor se Zenerovou diodou nestaþilo. Použitím IO4 se také zmenšila výkonová ztráta na IO3. MČĜením kontaktním teplomČrem jsem zjistil, že na špiþce pájecího hrotu je teplota o 40 °C nižší než uvedené vypoþtené hodnoty. Popis pĜedního panelu bere tuto skuteþnost v úvahu. Teplotu pájecího pera mĤžeme pro kontrolu velmi pĜibližnČ odhadnout z jeho barvy. Sundáme pájecí hrot a díváme se dovnitĜ pájecího pera. PĜi teplotČ 220 °C zaþneme uvnitĜ vidČt þervený proužek, který se s rostoucí teplotou rozšiĜuje. PĜi teplotČ 400 °C je pájecí pero již rozžhaveno do þervena tak, že je to vidČt i zvenþí. VČtšina zájemcĤ, kteĜí se rozhodnou si tento pĜístroj postavit, nebude mít možnost teplotu hrotu pĜesnČ zmČĜit. Je ale možné mČĜit napČtí na termoþlánku a zkontrolovat funkci obvodu. I když tĜeba nastavený údaj absolutní velikosti teploty nebude pĜesnČ odpovídat skuteþnosti (odchylka o 30 až 50 °C je pĜijatelná), máme vždy zajištČnou stabilitu teploty, kterou mĤžeme kontrolovat indikátorem. Potom není problém nastavit optimální teplotu tak, aby spoje byly kvalitní a v pĜípadČ potĜeby (pĜi vČtším odvodu tepla z pájeného spoje) ji zvýšit.

Seznam souþástek R1 R2 R3


1,2 kΩ 1,2 kΩ 10 kΩ ± 1 %

R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12 R13 R14 R15 R16 R17 R18 R19 R20 R21 R22 R23 R30 R31 R32 R33 R34 R35 R36 R37 R38 R39 R40 R41 R42 R43 R44 R45 R46 R47 R48 R49 R50 R51 R52 R53 R54 R55 P1 P2

1,5 MΩ ± 1 % 220 kΩ 39 kΩ 18 kΩ 33 kΩ 680 kΩ 1,8 Ω 1,8 Ω 120 kΩ 120 kΩ 120 kΩ 2,7 kΩ 2,7 kΩ 120 kΩ 27 kΩ 4,7 kΩ 1,5 MΩ 27 kΩ 15 kΩ 2,7 kΩ 1,2 kΩ (2,7 kΩ) 1,2 kΩ (2,7 kΩ) 1,2 kΩ (2,7 kΩ) 1,2 kΩ (2,7 kΩ) 1,2 kΩ (2,7 kΩ) 1,2 kΩ (2,7 kΩ) 1,2 kΩ (2,7 kΩ) 120 kΩ 120 kΩ 120 kΩ 120 kΩ 120 kΩ 120 kΩ 120 kΩ 1,5 MΩ 8,2 kΩ 8,2 kΩ 1,5 MΩ 1,5 MΩ 8,2 kΩ 8,2 kΩ 1,5 MΩ 1,5 MΩ 8,2 kΩ 8,2 kΩ 1,5 MΩ 100 Ω, trimr 10 kΩ/N, potenciometr lineární C1 100 nF C2 100 µF/35 V C3 10 nF C4 100 nF C5 100 nF C7 4,7 µF/16 V C8 100 µF/35 V C9 100 nF D1 1N4007 (KA136) D2 1N4007 (KA136) D3 LED, zelená D4 1N4007 (KA136) D5 až D8 1N5408 D9 LED, þervená D10 IRS 5 D30 LED (s vČtší úþinností) D31 LED (s vČtší úþinností) D32 LED (s vČtší úþinností) D33 LED (s vČtší úþinností) D34 LED (s vČtší úþinností) D35 LED (s vČtší úþinností) D36 LED (s vČtší úþinností) D37 1N4007 (KA136) T1 BUZ10 T2 IRE 5 OZ1 až OZ4 TL074

IO2 CMOS 4521 IO3 78L12 IO4 78L15 OZ30, OZ31 TL072 OZ32, OZ33 TL072 OZ34, OZ35 TL072 Po pojistka, T 2 A síĢový transformátor 230 V/2x 11,5 V/ 30 W skĜíĖka U61 pájecí pero PP 530 stojánek na pájecí pero deska s plošnými spoji „PAJECKA“

U

NČco o napájecích zdrojích Napájecí zdroj patĜí k základnímu vybavení každé elektrotechnické dílny. Každý, kdo se o elektroniku vážnČ zajímá, by mČl mít napájecí zdroj, u kterého je možné regulovat výstupní napČtí v rozsahu od 0 až 2 V do 15 až 30 V. Velmi dĤležité je, aby napájecí zdroj mČl proudovou pojistku (automatické omezení výstupního proudu), která by mČla být nastavitelná v rozsahu proudĤ od 20 až 50 mA výše. V pĜípadČ chybného zapojení je oživovaný obvod chránČn proudovou pojistkou pĜed poškozením. To má význam hlavnČ pro zaþáteþníky. Maximální velikost výstupního proudu zdroje není tak dĤležitá. NejþastČji se ze zdroje odebírají proudy menší než 100 mA. Profesionální zdroje vČtšinou dodávají maximální proud 0,5 až 1 A. Používání bČžných zdrojĤ napČtí, jako napĜ. baterie, akumulátor nebo síĢový adaptér k oživování výrobkĤ je nouzovým Ĝešením. Zkratový proud takových zdrojĤ mĤže v pĜípadČ jakékoliv chyby zpĤsobit velké škody. Napájecí zdroj obsahuje vždy transformátor, usmČrĖovaþ, filtraþní kondenzátor a stabilizátor. Blokové schéma zdroje je na obr. 75. SíĢové napČtí 230 V/50 Hz se transformuje síĢovým transformátorem na požadovanou velikost U0. ýasový prĤbČh napČtí u0(t) na sekundárním vinutí transformátoru je na obr. 76a. síĢ

U0 transformátor

usmČrĖovaþ

U

filtr

U2 stabilizátor

230 V/50 Hz

Obr. 75. Blokové schéma napájecího zdroje

U

b) u(t)

u0(t)

t

t

U

c)

U

u(t)

d) u 2(t)

U

U2

t

t

Obr. 76. ýasový prĤbČh napČtí: a) na sekundárním vinutí transformátoru, b) na výstupu usmČrĖovaþe, není-li zapojen filtraþní kondenzátor, c) na filtraþním kondenzátoru, d) na výstupu stabilizátoru

Díly pájeþky s elektronickým regulátorem teploty V99 je možné zakoupit od autora - viz str. 40. V knize [14] je popsán jednoduchý regulátor s levnČjším pájecím perem CSI 40 (viz foto na obálce).

Napájecí zdroj s L200

a)

Transformované napČtí se usmČrĖuje nejþastČji mĤstkovým (Graetzovým) usmČrĖovaþem (obr. 76b) a filtruje se filtraþním kondenzátorem (obr. 76c). Vrcholové napČtí na filtraþním kondenzátoru oznaþíme U. Vyfiltrované ss napČtí se pĜípadnČ stabilizuje na velikost U2 (obr. 76d). Mezi U0 a U platí vztah: U = (U0 ·√2) - 1,4 [V]. Uvedený vztah vyplývá ze skuteþnosti, že U0 je efektivní napČtí, zatímco filtraþní kondenzátor se nabíjí na maximální napČtí. Menšitel 1,4 V pĜedstavuje úbytek napČtí na usmČrĖovaþi, ve kterém pracují vždy dvČ kĜemíkové diody v sérii. Aby bylo napČtí na filtraþním kondenzátoru co nejménČ zvlnČné, musí mít filtraþní kondenzátor dostateþnČ velkou kapacitu. Slouží nám totiž jako akumulátor elektrické energie v dobČ, kdy síĢové napČtí prochází nulou. PotĜebná kapacita filtraþního kondenzátoru je závislá na proudovém odbČru. ýím vČtší potĜebujeme odebírat proud, tím vČtší filtraþní kondenzátor potĜebujeme. Doporuþená kapacita filtraþního kondenzátoru je asi 2000 µF (= 2 mF) na každý ampér odebíraného proudu. Použití vČtší kapacity není na závadu. Stabilizátor si mĤžeme pĜedstavit jako promČnný rezistor, který automaticky nastavuje svĤj odpor tak, že výstupní napČtí je vždy konstantní. ZmČny odbČru proudu a kolísání síĢového napČtí se automaticky vyrovnávají. Ke spolehlivé funkci stabilizátoru potĜebujeme, aby mezi vstupním a výstupním napČtím stabilizátoru byl rozdíl minimálnČ 2 V, podle možností radČji o nČco více (až 5 V). PĜíliš velký úbytek napČtí na stabilizátoru však zvČtšuje tepelnou ztrátu stabilizátoru a zmenšuje jeho úþinnost. Zapojení síĢové þásti bČžného zdroje je na obr. 77. Souþástí každého elektrického pĜístroje musí být tavná pojistka (Po), která chrání pĜedevším transformátor pĜed pĜípadným poškozením, a kterou z bezpeþnostních dĤvodĤ nesmíme vynechat.


29

P ístroje pro domácí dílnu

Recommend Documents