Стабилизированный регулятор мощности паяльника на микроконтроллере

Несмотря на обилие в продаже китайских паяльников и паяльных станций с регулировкой температуры многие все еще предпочитают пользоваться паяльниками старого типа отечественного производства. Действительно, современные регулируемые паяльники наряду с несомненными достоинствами имеют ряд существенных недостатков:  хрупкость, недостаточная надежность, достаточно высокая цена, а так же, нередко, низкая точность регулировки. Кроме того, такие паяльники мощностью 60 – 100 Вт большая редкость, а иногда требуется паять достаточно массивные детали. Как бы то ни было,  но  до сих пор немало тех, что пользуются старыми советскими (российскими) паяльниками, добротными с медным жалом. Однако часто требуется, чтобы мощность и температура паяльника регулировались. Ведь кроме необходимости разных работ, в большинстве местностей очень нестабильное сетевое напряжение, как правило, заниженное. Простая регулировка мощности паяльника, например диммером, только понижает входное напряжение, а значит и мощность. Но на практике чаще наблюдается именно заниженное сетевое напряжение.

Для решения указанных задач было разработано устройство для  питания стандартного паяльника, предназначенного для  работы от 220В. Данное устройство, конечно же не превращает простой паяльник в полноценную паяльную станцию, но значительно повышает удобство пользования оным, предоставляя следующие возможности:

   - плавная регулировка напряжения питания паяльника с возможностью цифровой индикации как напряжения, так и выходной мощности;

   - удобное управление с помощью двух кнопок;

   - возможность как понижения, так и повышения исходного сетевого напряжения;

   - поддержание установленных выходных значений при изменении сетевого напряжения в широких пределах;

   - форсированный начальный разогрев повышенной мощностью с возможностью регулирования длительности и напряжения этого процесса;

   - регулируемое время автовыключения при отсутствии воздействия на органы управления;

   - всевозможные защиты от разного рода аварийных ситуаций и выхода входного напряжения и выходного тока за допустимые пределы;

   - программная калибровка;

   - возможность установки индикатора как с ОА, так и с ОК без всяких других манипуляций;

   - малые габариты и вес.

Основные технические характеристики устройства.

Напряжение питания  (переменное, Вольт)  ………………………................ 150 – 250

Стабилизированное выходное напряжение (среднеквадратичное, Вольт) ….  50 – 250

Максимальная мощность используемого паяльника (Вт) ……………………   99

Способ регулирования выходного напряжения ………………………………   ШИМ

Частота выходного напряжения (Герц) ……………………………………….   240

Напряжение форсированного разогрева (Вольт) ……………………………..150 – 250

Время форсированного разогрева (сек.) ……………………………………...   0 – 250

Период отключения без воздействия на кнопки (часов) ……………………..   0.5 – 9.5

Точность  поддержания выходного напряжения не хуже:

   - для PIC16F73 (%) ………..   3

   - для PIC16F873A (%) …….   2

Время срабатывания защиты от КЗ в нагрузке не более (мкс) …………….   200

Перейдем теперь к рассмотрению работы принципиальной схемы.

Собственно паяльник подключен к напряжению примерно 300 Вольт через MOSFET транзистор VT2 типа IRF840, на затвор которого через транзистор VT1 поступает ШИМ сигнал с порта RC2 микроконтроллера (МК) PIC16F73. Данный МК выбран из-за его дешевизны и доступности при достаточных количестве портов и функционалу. У него два основных недостатка: отсутствие памяти EEPROM и лишь 8-разрядный АЦП. Первый преодолен использованием дополнительной микросхемы энергонезависимой памяти (для проверки прибор временно можно включать без него – тогда начальными будут значения по умолчанию), что же касается разрядности АЦП, то в данном применении ее вполне достаточно. Впрочем, МК безболезненно можно заменить на PIC16F873A, лишенный этих недостатков, с некоторым улучшением параметров прибора - прошивка прилагается и для него.

Принцип работы прибора состоит в том, что с помощью кнопок S1 и S2 выбирается требуемое напряжение, а программа вычисляет необходимую скважность ШИМ сигнала внутреннего модуля CCP, включенного в режиме ШИМ так, чтобы при амплитуде импульсов, равном амплитуде сетевого напряжения,  на паяльнике действовало требуемое среднеквадратичное напряжение. Транзистор VT1 служит для увеличения открывающего напряжения на затвор VT2 с 5В до 12В. Цепочка R18, VD1 защищает VT1 и остальную часть схемы в случае пробоя VT2. Низкая используемая частота переключения транзистора позволила обойтись без специального усилителя (драйвера) для перезарядки входной емкости VT2 при приемлемом температурном режиме последнего.

Напряжение с резистора R23, пропорциональное току паяльника, поступает на вход AN1 МК. Посредством же входа AN0 МК измеряет высокое входное (примерно равное амплитудному сетевому) напряжение через цепочку R25, R26, R27, C9, R31. Верхнее плечо делителя составлено из двух резисторов для защиты от случайного пробоя одного из них.

На DA1 и R12 организовано опорное напряжение системы АЦП МК. Четырехразрядный светодиодный индикатор подключен к МК непосредственно разрядными выводами и через токоограниченные резисторы - сегментными. Порядок подключения сегментных выводов к портам МК выбран исходя из удобства “разводки” печатной платы. При включении прибора программа определяет тип индикатора (ОА или ОК) с помощью сигнала, поступающего на вход AN2 через R3 посредством специального алгоритма, в соответствии с которым подается положительный потенциал через штатный токоограничивающий резистор на один из сегментов при “нуле” на одном из разрядов, и по падению напряжения делается вывод о том, прямое или обратное включение светодиода получилось. Индикация организована динамическая, в прерываниях от таймера TMR0 с интервалом 4 мс. Частота ДИ равна примерно 63 Гц. Элементы X1, C3, C4 используются в тактовом генераторе МК. Внешняя EEPROM типа 24С02 подключена к портам RC3 и  RC4, посредством которых организована программно шина I2C. Резисторы R13 и R14 “подтягивают” шину I2C к +5В. Они должны быть установлены даже при тестировании без DD2, иначе программа “зависнет”!

В дополнение к программному контролю превышения предельных напряжения и тока, прибор имеет еще и аппаратные средства защиты от аварийных ситуаций. Эти цепи собраны на управляемых стабилитронах TL431A DA3 и DA4, включенных в данном случае в режиме компаратора.  На DA4 и элементах C8, R28-R30 собрана быстродействующая схема защиты от короткого замыкания в нагрузке. При превышении током паяльника максимального значения более чем на 30%, потенциал на входе RB7 сменяется с высокого на низкий. С данного входа активировано прерывание по изменению уровня, поэтому вышеизложенное событие активирует прерывание и прибор переходит в режим защиты через время менее 200 мкс. Так как ток VT2 еще ограничен в пределах 2-2.5 А резистором R23, благодаря вышеуказанной защите он (VT2) уцелеет с большой долей вероятности. На элементах DA3, R20, R21, C7, R24, VD3 и VD4 организована схема защиты от чрезмерного снижения напряжения питания +12В при низком сетевом напряжении. Такое снижение  может привести к недостаточному напряжению открывания на затворе VT2, его перегреву и выходу из строя. При величине этого напряжения ниже 10В, нормально открытый DA3 закрывается, высокий уровень с его катода через диоды VD3 и  VD4 воздействует на вход МК, программа интерпретирует это как аварийное превышение сетевого напряжения и прибор переходит в режим защиты. При входном напряжении, близком к нижнему пределу, на резисторе R27 будет примерно 1.2 Вольта. На катоде открытого DA1 при нормальной работе присутствуют 1.8 – 2 Вольта. Разность этих напряжений могла бы открыть один кремниевый диод, поэтому применена цепочка из двух диодов для исключения воздействия напряжения катода DA3 на измерительную цепь в рабочем режиме. Номиналы резисторов R20 и R21 могут  отличаться от указанных на схеме не более чем на 1%, иначе, возможны ложные срабатывания защиты либо отсутствие таковой!

Микроконтроллер и микросхема DD2 питаются через интегральный стабилизатор типа 78L05 DA2.

Блок питания прибора собран по классической схеме: низковольтная часть состоит из сетевого трансформатора, диодного моста, фильтрующих конденсаторов и стабилизатора типа 7812, а высокое напряжение получено путем непосредственного выпрямления и сглаживания сетевого напряжения. Терморезистор 5D-11 ограничивает бросок тока при включении из-за зарядки достаточно существенной емкости С2.

Все детали устройства собраны на двух печатных платах, далее будем их называть плата управления и плата блока питания. Они выполнены из стеклотекстолита с односторонней металлизацией, размерами соответственно 50мм на 60мм и 50мм на 90мм. На плате управления размещены все детали, изображенные на первой схеме, за исключением сильноточных и высоковольтных частей схемы (элементы VT2, VD2, R22, R23, R25, R26 расположены на плате БП). Все SMD резисторы и конденсаторы применены типономинала 0802. Выводные резисторы – мощностью 0.125 Вт, кроме R23 (2 Вт) и R25, R26 (0.5 Вт). Микросхемы DD1, DD2 установлены на панельках. Микросхему 24С02 можно заменить на более емкие 24С04 либо 24С08. При использовании контроллера PIC16F873A (прошивка для этого МК так же прилагается), элементы DD2, R13, R14 не нужно устанавливать. Кнопки – тактовые, высотой 15 мм. VT2 установлен с небольшим радиатором из медной или алюминиевой пластины размерами 12 мм на 40 мм и толщиной 1 мм, согнутой в виде буквы “П”. В этой позиции  можно применить IRF740, но у него ниже допустимое напряжение. Стабилитроны VD1, VD2 – любые на напряжение 12 – 15 В, VT1 – любой из серии КТ3102, диоды 1N4148 можно заменить отечественными серий КД521, КД522. Индикатор подойдет FYQ3641 с любой буквой. Резисторы R20 и R21 обязательно должны быть с допуском не хуже 1%! TL431 можно везде использовать без буквы, но параметры их будут чуть хуже.

Детали следует впаивать в следующей последовательности: сначала SMD, потом перемычки, далее колодки для микросхем и остальные детали. На плате БП терморезистор в крайнем случае можно заменить резистором 3 Ома на 5 Вт, диодные мосты – собрать из диодов серии 1N1007. Сетевой трансформатор при входном напряжении 220 В должен выдавать  на выходе без нагрузки15-16 В переменного напряжения. Неплохо подходит трансформатор от блока питания польской антенны с усилителем, называемой в народе “сетка”.

Соединения между платами – разъемное, можно использовать любые подходящие разъемы “провод – плата” с шагом 2.5 мм. Провода от сети и паяльника подключаются к плате БП при помощи винтовых разъемов.  Ниже изображены соответственно чертеж рисунка проводников, вид на детали со стороны металлизации и обратной стороны платы управления, а так же рисунок платы и расположение деталей платы БП.

Внешний вид печатных плат устройства. Небольшие расхождения между чертежами и фотографиями плат объясняются последующим улучшением конструкции и оптимизацией рисунков плат. На чертежах – последние версии.

Конструктивно устройство размещено внутри корпуса от удлинителя на 4 розетки. В нем оставлена одна розетка, а все остальное место использовано для размещения двух печатных плат устройства. Мешающие части вырезаны лобзиком, а на образовавшийся сверху вырез прикручена декоративная пластина из пластмассы с отверстиями для кнопок и окном для индикатора, который заклеен красным прозрачным оргстеклом.

Внимание! Все детали устройства гальванически соединены с сетью 220В! Конструкция прибора должна исключать возможность прикосновения к деталям – корпус из изоляционного материала и т.д. Особенно следует проследить, чтобы под напряжением не оказались элементы крепежа плат, которые доступны снаружи корпуса.

Программа для микроконтроллера написана на языке Си и оттранслирована в среде MikroC. К статье прилагаются проект, код на Си и прошивка-HEX для обоих упомянутых ранее контроллеров.

Правильно без ошибок собранное устройство не требует налаживания и начинает работать сразу при условии точного соблюдения номиналов деталей. Только желательно произвести программную калибровку, описанную ниже.

Рассмотрим теперь подробно работу с устройством. После подключения прибора к сети, прежде всего, происходит автоматическое определение типа индикатора и считывание данных с энергонезависимой памяти (EEPROM). Затем на индикаторе высвечивается на 1с знак “U”. В это время происходит плавный рост выходного напряжения до начального значения, считанного из EEPROM. Это значение обычно устанавливается больше номинального, для форсированного нагрева паяльника, и действует в течении времени от 30 с до 4 мин. И напряжение и время его действия можно менять в настройках, после чего они сохраняются в EEPROM. Форсированный нагрев подтверждается миганием всех знаков индикатора, где в данный момент высвечивается текущее значение напряжения или мощности, в зависимости от последнего режима до выключения. Форсированный режим можно прервать, не дожидаясь указанного времени, путем нажатия любой из двух кнопок.

После этого индикатор перестает мигать, что означает начало основного режима работы прибора. Здесь, как и ранее, прибор показывает выходные напряжение или мощность. При коротком нажатии на две кнопки одновременно, на экране высвечивается “U__P”  с миганием знака “U” или “P”, в зависимости от текущего режима. Нажатием кнопок “+” и “-“ можно менять мигающий знак. По истечении 8 с без нажатия кнопок, либо при коротком нажатии двух кнопок одновременно, прибор переходит в основной режим с индикацией напряжения или мощности, в зависимости от нашего выбора, он (выбор) так же сохраняется в памяти и при следующем включении прибор продолжит работать в этом режиме. Напряжение прибор индицирует с разрешением в 1В, а мощность – 0.1 Вт. Мощность вычисляется реальная, исходя из напряжения и замеряемого тока потребления.

В основном режиме, при нажатии левой или правой (S1 и S2 согласно  схемы на рис.1) кнопки, соответственно уменьшается или увеличивается напряжение на индикаторе на единицу (при индикации мощности вычисляется соответственно новое значение). При длительном (3 с) нажатии кнопки значение меняется автоматически с частотой 0.5 Гц. Такое действие кнопок (имеется в виду характер воздействия на значение, имеющееся на данный момент на индикаторе) сохраняется во всех режимах работы прибора. При достижении предельных значений напряжения 50 или 250 В, значения дальше не меняются и мигает знак “U” или “P”. При очень низком сетевом напряжении возможен случай, когда выходное напряжение не может достичь требуемого значения даже при максимальном коэффициенте заполнения выходных импульсов, ведь амплитудным значением ШИМ сигнала является выпрямленное и сглаженное конденсатором сетевое напряжение (Ua = U~ * 1.41), и оно может быть меньше 250 Вольт.   В этом случае, после достижения максимально возможного значения (скважность стала равной 1), начинает мигать знак режима, а при отпускании кнопки, показания возвращаются к максимально возможному напряжению, а индикатор перестает мигать. Напряжение не растет по нажатию правой кнопки (хоть даже оно еще меньше 250 В) так же в случае, если при текущем напряжении уже достигнута предельная мощность в 99 Вт. Это может происходить при подключенном паяльнике большой мощности (более 80 Вт).

При любых изменениях сетевого напряжения, прибор вычисляет новое значение скважности импульсов так, что среднеквадратичное значение выходного напряжения равно установленному на индикаторе, стабилизируя напряжение, а значит и мощность паяльника.

Если удерживать нажатыми обе кнопки в течении 4 с, то прибор переходит в режим изменения настроек. При нажатиях кнопок на индикаторе сменяются следующие значения:

   - “FSt.U” – напряжение форсированного старта (меняется в пределах 150 – 250В).

   - “FSt.t” - время форсированного старта в секундах (30 – 250с).

   - “t.oFF” – время до отключения нагрузки при отсутствии воздействия на кнопки в часах (0.5 – 9.5 ч).

   - “CALI” – калибровка измерения напряжения и тока.

Непосредственно в конкретный режим настройки можно перейти коротким нажатием обеих кнопок. Во время настройки мигает первый слева знак индикатора. Выход – так же или ничего не делать в течении 8 с.

Про режим форсированного старта уже было сказано. Рассмотрим остальные два. Отключение нагрузки происходит в целях пожарной безопасности по истечении установленного времени. При этом, на индикаторе мигает надпись “OFF” и на нагрузку не подается напряжение. При нажатии любой кнопки прибор возвращается в обычный режим работы с прежними данными.

Калибровка

При попадании в этот режим, на индикаторе появляется мигающая надпись “t.oFF” – turn off, что означает необходимость извлечения вилки паяльника из гнезда прибора. После этого (прибор сам определяет, что паяльник отключен) выводы розетки прибора для подключения паяльника подключаются к “сетевому” конденсатору (С2 по схеме на рис.2), и на индикаторе высвечивается напряжение на нем. В гнезда розетки прибора следует подключить щупы образцового вольтметра и кнопками установить на индикаторе рассматриваемого устройства значение, как можно ближе к показаниям образцового вольтметра. Затем, нужно сохранить это значение коротким нажатием обоих кнопок одновременно либо просто ожидая индикацию следующего этапа. Внимание! Если воткнуть вилку паяльника в розетку прибора до этого, прибор перейдет в обычный режим без сохранения установленного значения. После сохранения калибровочного значения напряжения, на экране появляется мигающая надпись “t_on” – turn on, что означает необходимость подключения паяльника к устройству. Предварительно надо по точнее измерить его (паяльника) сопротивление. На индикаторе будет вычисленное прибором значение сопротивления. Кнопками надо установить значение, наиболее близкое к ранее измеренному, и сохранить одновременным нажатием кнопок либо ожиданием 16 с. Следует отметить, что при смене паяльника нет необходимости повторять калибровку, но она точнее получается с более мощным паяльником. Для исключения погрешности калибровки из-за колебаний температуры нагревателя, а значит, и его сопротивления (хоть ТКС нихрома и невелик), калибровку следует производить сразу при включении холодного паяльника, прервав форсированный нагрев и сразу перейдя в этот режим. Собственно во время калибровки тока (установки сопротивления) на паяльнике действует в среднем не более 10 В, а значит существенного нагрева его на происходит.   

При включении прибора в сеть, считываются из EEPROM следующие параметры: время форсированного старта, напряжение форсированного старта, калибровочные константы для тока и напряжения, режим индикации (напряжение или мощность), последнее до выключения значение выходного напряжения, но с нижеследующей оговоркой. Это значение сохраняется только по истечении 10 минут после его изменения (нажатия кнопок). Сделано это для исключения запоминания кратковременных изменений мощности для работ, которые больше не требуются. Сохраняя значение спустя 10 минут, запоминается только установившееся напряжение, которое выбирает пользователь. При самом первом включении, либо при сбоях в EEPROM, загружаются значения по умолчанию, которые при первом включении еще и сохраняются в памяти.

Прибор имеет развитую систему защиты от перегрузки, как по току, так и по напряжению, которые рассмотрены выше. При срабатывании защиты, устройство полностью обесточивает нагрузку и выводит на индикатор мигающее сообщение о причине перегрузки: “I.out” – аномальный выходной ток, либо “U_In” – аномальное входное напряжение. Вывести устройство из этого состояния можно лишь полным отключением питания.

В заключение следует отметить, что питание паяльника импульсами с крутыми фронтами, тем более частотой 240 Гц, увеличивает вероятность пробоя паяемых деталей наводками от сети через емкость между корпусом и нагревателем, из-за чего очень желательно заземление корпуса паяльника. Впрочем, данное утверждение можно отнести ко всем импульсным регуляторам, включая тиристорные (диммеры).

P.S.

Практика показала, что для четкого срабатывания защиты от КЗ, необходимо ограничить скорость нарастания выходного тока установкой последовательно с нагрузкой (паяльником) дросселя с индуктивностью 100-150 мкГн и, обязательно, с незамкнутым сердечником. Я намотал его на стержне из феррита размерами 6 х 6 х 30 мм - 50 витков проводом 0.55 мм. Размеры позволяют легко разместить его в корпусе прибора.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• PIC
• Микроконтроллер
• Proteus
• Sprint-Layout
• Паяльник