Привет, Хабр! В этой статье я хочу рассказать о проекте паяльной станции с регулятором температуры на операционных усилителях и с цифровой индикацией на микросхемах стандартной логики. Как обычно это бывает, в моих схемах вы не найдете ни одного микроконтроллера.
Всех неравнодушных к теплой, почти ламповой схемотехнике приглашаю под кат.
Устройство представляет собой одноканальную паяльную станцию с цифровой индикацией температуры. В этом видеоролике вы можете посмотреть демонстрацию работы паяльной станции в исполнении Сергея ssg1712. Собственно, Сергей является зачинщиком этого проекта. Он регулярно подначивает меня своими схемотехническими вызовами )))
На рисунке представлен общий вид лицевой панели паяльной станции.
1 – Разъем для подключения паяльника GX16;
2- Цифровая индикация температуры;
3 – Линейная индикация уставки температуры;
4 – Ручка регулировки температуры.
Настройка температуры осуществляется вращением ручки регулировки температуры в диапазоне от 100°C до 450°C. Положение регулятора синхронно подсвечивается светодиодной шкалой. При вращении регулятора значение уставки температуры отображается на цифровом семисегментном индикаторе. Примерно через 1,5 с после окончания вращения регулятора индикатор переключается на отображение фактической температуры паяльника. И это всё происходит без использования микроконтроллеров.
Этот проект для меня стал примечателен тем, что получил неожиданное продолжение. Схема попала в руки группе студентов-промышленных дизайнеров, которые проработали несколько вариантов корпусов паяльной станции. Я хочу показать некоторые из них. Пишите в комментариях, какой вам понравился больше других.
❯ Структурная схема
Обобщенная структурная схема паяльной станции показана на рисунке ниже. В основе устройства реализован пропорциональный регулятор, который вычисляет разницу между сигналом уставки и сигналом температуры паяльника. Пропорционально полученному значению формируется длительность импульса ШИМ-сигнала для питания нагревательного элемента паяльника. Желаемое значение температуры устанавливается переменным резистором. Схема индикации отображает значение уставки температуры и фактическую температуру паяльника.
❯ Паяльник
Подключение паяльника к блоку паяльной станции осуществляется через штекер-гнездо GX16 на ее лицевой панели. Общий вид паяльника и его конструкция показаны на рисунке.
На следующем рисунке показано назначение контактов разъема паяльника.
Нагревательный элемент паяльника имеет сопротивление примерно 14 Ом и
номинальную мощность 60 Вт. Управление мощностью нагревательного
элемента должно производиться ШИМ с частотой выше звукового диапазона.
В корпус нагревательного элемента встроена одноэлементная
термопара типа К (ТХА – хромель-алюмель), которая позволяет измерять температуру паяльника. Сопротивление термопары между контактами
разъема может составлять от 1,5 Ом до 2,5 Ом.
Термопары типа К имеют следующие основные характеристики:
— температурный коэффициент, µV/°C 40…41 (типичное 40,7);
— температурный диапазон (длительно), °C 0…+1100;
— температурный диапазон (кратковременно), °C -180…+1300.
Термопара представляет собой устройство, состоящее из двух проводов, выполненных из различных сплавов. Их концы соединяются в точке, называемой горячим спаем. Это соединение может быть выполнено путём скручивания или сварки.
Свободные концы термопары подключаются к контактам устройства управления с помощью компенсационных проводов. В месте подключения образуется холодный спай.
На рисунке показано устройство термопары. Зона горячего спая обозначена красным цветом, а зона холодного спая — синим.
При нагреве места горячей спайки согласно эффекту Зеебека возникнет разница потенциалов, поддерживающая существование электрического тока в цепи.
Термо-ЭДС горячего и холодного спаев направлены противоположно друг другу и при одинаковой температуре компенсируются. Поэтому в схеме управления следует использовать компенсацию воздействия холодного спая.
Принцип действия такой схемы может быть основан на одинаковом температурном воздействии внешней среды на схему компенсации и холодный спай.
❯ Усилитель термопары
Усилитель термопары нормализует сигнал термопары для удобства дальнейшей обработки, а также производит компенсацию холодного спая для минимизации ошибок измерения температуры паяльника.
Так как ЭДС холодного спая противоположно по полярности к ЭДС горячего
спая, то напряжение, измеряемое на выходе термопары, может быть
вычислено по формуле:
ЭДС горячего спая термопары можно рассчитать по формуле:
ЭДС холодного спая термопары можно рассчитать по формуле:
Таким образом, выходное напряжение термопары будет определяться
как:
При рабочем диапазоне регулирования температуры нагревательного элемента паяльной станции от 100°C до 450°C, напряжение на выходе термопары будет изменяться в диапазоне примерно от 4 мВ до 18,3 мВ.
Дальнейшая обработка такого сигнала не удобна, т. к. это затрудняет вычисления и усложняет схемотехнику устройства.
Поэтому с помощью усилителя термопары сигнал температуры паяльника нормализуется до коэффициента 10 mV/°C. Следовательно, для усилителя термопары необходим коэффициент усиления 245,7.
Данный коэффициент усиления позволяет получить напряжение на выходе термопары, равное 1 В при температуре нагревательного элемента 100°С и 4,5 В при 450°С.
Паяльник подключается к разъему Х1. Сигналы термопары Temp+ и Temp- снимаются с его контактов 4, 5.
Компоненты схемы R3 и C14 обеспечивают фильтрацию помех от ШИМ-регулирования. Для пассивной компенсации ЭДС холодного спая термопара включается между сопротивлениями R1 и R2+R3. Резистор R1 обеспечивает смещение ЭДС термопары. Величина смещения определяется сопротивлением R3, напряжение на нем примерно соответствует ЭДС холодного спая при комнатной температуре.
Усилитель термопары реализован на микросхемах LM358 и представляет собой инструментальный усилитель. Это позволяет обеспечить схему высокоомными дифференциальными входами для развязки с низкоомным сопротивлением термопары и схемы смещения. Также инструментальный усилитель хорошо компенсирует входное смещение операционного усилителя LM358 и уменьшает его собственные шумы.
Выходной фильтр R31, C28 дополнительно фильтрует выходной сигнал схемы Temperature от высокочастотных шумов.
❯ Уставка температуры
Уставка температуры производится с помощью переменного резистора в диапазоне от 100°C до 450°C. Таким образом, паяльник сразу после включения разогревается до установленной резистором температуры.
Выходной сигнал для уставки температуры должен обеспечивать параметры, аналогичные выходному сигналу усилителя термопары. Т. е. в минимальном положении регулирующего элемента должно формироваться напряжение 1 В, что будет соответствовать желаемой температуре паяльника в 100°С. А в максимальном положении — 4,5 В, что соответствует 450°С.
Резисторы R12, R13 обеспечивают ограничение верхнего предела напряжения уставки, а резисторы R15, R16 — нижнего. Это позволяет использовать весь диапазон вращения потенциометра R14 для настройки температуры.
❯ Пропорциональный регулятор
Пропорциональный регулятор должен формировать ШИМ-сигнал для питания нагревательного элемента. Длительность импульса ШИМ должна быть пропорциональна разнице между желаемой и фактически измеренной температурой паяльника. При минимальной разнице питание нагревательного элемента практически не должно производиться, т. е. ШИМ-сигнал должен иметь минимально возможное заполнение импульса. А при максимальной разнице заполнение должно стремиться к 100%.
Частота сигнала ШИМ определяется генератором на NE555 и составляет 1 кГц. Транзистор Q1 инвертирует выходной сигнал таймера, чтобы получить последовательность импульсов с короткой паузой между ними.
Генератор линейно изменяющегося напряжения на транзисторах Q2, Q3 из прямоугольных импульсов формирует пилообразный сигнал Ramp, необходимый для импульсной модуляции напряжения питания нагревательного элемента паяльника.
На транзисторе Q3 реализован источник тока, который заряжает конденсатор С1. Благодаря чему на конденсаторе формируется линейно нарастающее напряжение.
Величина зарядного тока конденсатора настраивается переменным резистором R28. Это необходимо, чтобы точно настроить время заряда конденсатора под ширину управляющего импульса.
Транзистор Q2 обеспечивает разряд конденсатора в конце каждого периода ШИМ сигнала.
На микросхеме U2B построен усилитель сигнала ошибки Error между значением уставки температуры и фактически измеренной температурой с термопары паяльника. Мощность, подаваемая на нагревательный элемент, будет пропорциональна этой разнице.
Широтно-импульсная модуляция сигнала ошибки осуществляется компаратором U5A. Он сравнивает пилообразный сигнал Ramp и сигнал ошибки Error между собой и формирует сигнал ШИМ для управления нагревательным элементом паяльника через силовой ключ Q6. Для управления затвором полевого транзистора используется драйвер на транзисторах Q4Q5.
❯ Линейная шкала
Положение движка резистора R14, с помощью которого устанавливается температура, сопровождается светодиодной шкалой. Светодиодная шкала из 14 светодиодов размечена в диапазоне от 100°C до 450°C с шагом в 25°C.
Пример работы светодиодной шкалы показан на рисунке. При минимальном положении резистора светодиодная шкала не горит. При максимальном положении – горят все светодиоды.
Схема индикации работает на основе тактового сигнала CLK_10kHz с частотой 10кГц.
Тактовый сигнал CLK_10kHz поступает на вход счетной схемы, которая выполнена на основе сдвиговых регистров DD10, DD11. Под воздействием тактового сигнала выходы регистров последовательно заполняются единицами (напряжением высокого уровня) до тех пор, пока они не будут сброшены сигналом Position. После чего выходы регистров будут заполняться заново начиная с выхода Q0.
Индикация положения резистора R14 осуществляется светодиодной шкалой, которая подключена к выходам сдвиговых регистров DD10, DD11. За счет высокой частоты сигнала CLK_10kHz процесс заполнения выходов сдвиговых регистров происходит с частотой, значительно превышающей 50Гц. И создается зрительная иллюзия непрерывной работы светодиодной шкалы.
Также к выводам сдвиговых регистров DD10, DD11 подключен суммирующий ЦАП на резисторах R116-R131. По мере заполнения выходов сдвиговых регистров DD10, DD11 часть резисторов будет подтянута к +5В, а оставшиеся – подтянуты на землю. За счет этого итоговое напряжение на выходе ЦАП Summing_DAC будет ступенчато нарастать с равномерным шагом. В отличии от остальных резисторов в составе ЦАП, сопротивление резистора R116 составляет 24кОм, а R131 – 51кОм. Благодаря чему напряжение на выходе ЦАП может изменяться в диапазоне от 1В до 4,5В. Это соответствует диапазону настройки резистора R14.
На вход компаратора U6:B поступает ступенчато нарастающее напряжение Summing_DAC и напряжение с выхода резистора R14 (уставка температуры). По каждому тактовому импульсу сигнала CLK_10kHz зажигается следующий светодиод в линейной шкале и напряжение Summing_DAC увеличивается на одну ступень. Как только напряжение Summing_DAC превысит значение напряжение, установленное на выходе резистора R14, сигнал на выходе компаратора U6:B сбросит сдвиговые регистры U17, U18. В результате чего все светодиоды выключатся, и напряжение на линии Summing_DAC начнет увеличиваться от 0В. Заполнение линейной шкалы светодиодов начнется заново.
❯ Детектор настройки
Детектор настройки формирует сигнал Setting_detector в момент изменения положения переменного резистора R14. Сигнал Setting_detector используется для переключения цифровой индикации температуры. При вращении резистора R14 на индикаторе отображается температура уставки. Если резистор неподвижен, на индикации показывается температура нагревательного элемента.
Линия задержки необходима для определения момента вращения резистора R14. Операционный усилитель U3 выполняет развязку RC-цепочки R33, R34, C1 с соседними каскадами. Сигнал Delayed отстает от сигнала Setting примерно на 1,5 секунды. Сигнал Setting_buf повторяет сигнал Setting, дублирование сигналов необходимо, чтобы избежать влияния на сопротивление резистора R14 вычитающими усилителями U4:A и U4:B.
Вычитающие усилители U4:A и U4:B усиливают разницу между напряжением уставки Setting_buf и этим же напряжением через линию задержки Delayed. При положительной разнице формируется сигнал Move_UP, при отрицательной – Move_dwn.
Сигналы Move_UP и Move_dwn складываются на усредняющем сумматоре R47, R48. Если среднее значение этих напряжений превышает порог в 530мВ (формируется делителем R49, R50), срабатываем компаратор U5:B и формируется выходной сигнал схемы Setting_detector.
❯ Цифровая индикация температуры
Схема цифровой индикации температуры предназначена для отображения температуры паяльника или уставки температуры в формате десятичных цифр.
При любом повороте резистора R14 на цифровой индикации отображается значение уставки температуры. Это значение удерживается примерно до 1,5 секунды после того, как ручка резистора остановлена. Все остальное время на цифровом индикаторе отображается значение температуры нагревательного элемента паяльника.
Формирование цифрового значения температуры производится путем последовательного приближения опорного напряжения к величине измеряемого.
В зависимости от состояния сигнала Setting_detector, аналоговый ключ U11 определяет какой источник сигнала будет отображаться на индикаторе.
При вращении резистора R14 схема детектора настройки формирует высокий уровень сигнала Setting_detector, при этом на выходе аналогового ключа сигнал For_measuring принимает значение сигнала Setting. При этом на цифровом индикаторе происходит отображение уставки температуры.
Если сигнал Setting_detect низкого уровня, то сигнал For_measuring будет равен значению сигнала Temperature. На индикаторе будет отображаться фактическая температура паяльника.
Схема R2R ЦАП формирует ступенчато-нарастающее напряжение для формирования цифрового значения. Коэффициент счета счетчиков на микросхемах U15:B-U16 составляет 512. Т.е. выходной сигнал схемы DAC_R2R нарастает в диапазоне от 0В до 5В за 512 шагов.
Нарастание сигнала на выходе ЦАП происходит по каждому импульсу тактового сигнала CLK_100kHz/2. Синхронизация работы схемы с другими каскадами производится с помощью сигнала EnableMeasure.
Синхронно со схемой R2R ЦАП подсчет количества тактовых импульсов CLK_100kHz/2 ведет схема цифровой индикации. Подсчет осуществляется в двоично-десятичном формате. Таким образом на цифровых счетчиках U12-U14 накапливается значение, эквивалентное количеству ступеней напряжения на выходе ЦАП. Синхронность двоичного счета на U15:B-U16 и десятичного счета на U12-U14 обеспечивается сигналом EnableMeasure.
Микросхемы U12-U14 не имеют выходной защелки. Чтобы процесс накопления цифрового значения не был виден на семисегментных индикаторах, сигнал EnableMeasure отключает индикацию на время измерений. Чтобы отключение индикаторов не было заметно, общее время измерения не должно превышать 20мс. Период между измерениями составляет примерно 1с, благодаря этому цифровое значение температуры на индикаторе будет отображаться стабильно без перемигивания в разряде единиц между соседними числами.
Остановка работы счетчиков производится по сигналу Compare на выходе компаратора. Когда опорное напряжение DAC_R2R превысит на одну ступень значение измеряемого сигнала For_measuring, оба счетчика U12-U14 и U15:B-U16 останавливаются, и на семисегментных индикаторах замирает цифровой номер ступени на выходе ЦАП.
Чтобы цифровое значение на индикаторах соответствовало значению температуры паяльника используется делитель напряжения R58, R59. Сигналы Setting и Temperature формируются так, что соотношение температуры к напряжению составляет 1В на 100°С. При этом ступенчатое напряжение на выходе ЦАП имеет 512 шагов на 5В, т.е. при напряжении 1В ЦАП сделает 103 шага, после чего будет сформирован сигнал Compare. Делитель напряжения R58, R59 имеет коэффициент деления 1,024. За счет этого при напряжении 1В на входе компаратора For_measuring, цифровой счетчик U12-U14 досчитывает до 100.
Остановка работы счетчиков осуществляется по сигналу Compare, который запрещает передачу тактового сигнала через микросхему U15:A.
Формирование сигналов тактирования и синхронизации счетчиков выполняется таймерами U8 и U9.
❯ Макетирование печатной платы
Традиционно для многих моих проектов проектированием печатной платы и сборкой макета занимался Сергей ssg1712. Без его участия я бы вряд наплодил столько подобных схем.
Если печатная плата получилась очень прилично, то с макетом дело пошло не так гладко. В очередной раз убеждаюсь, что изготовление печатных плат «на коленке» нецелесообразно. Это долго, трудозатратно и сильно затрудняет отладку — сиди потом и думай, что не работает: схема или просто контакта на плате нет.
Плата запустилась только благодаря километру проволоки для перемычек и невероятному упорству Сергея. А мне оставалось только удаленно наблюдать за этим. Зато в «зеленке» всё заработало «как часы».
❯ Заключение
В заключение мне бы хотелось ответить на самый частый вопрос, который звучит от моих читателей: зачем я проектирую эти схемы? Схема паяльной станции была разработана в качестве конкурсного задания для отборочных соревнований Всероссийского чемпионатного движения «Профессионалы» для студентов СПО по компетенции «Электроника».
На фотографии вы видите студентов первого потока — они совсем зеленые, но только по форме одежды ))) Всего в соревнованиях участвовали 30 человек со всех регионов нашей страны. «Люди в черном» — это эксперты-наставники, которые готовили студентов к чемпионату.
- 1. Простая схема динамических указателей поворотов, и никаких микроконтроллеров
- 2. Светодиодная шкала для переменного резистора на «рассыпухе»
- 3. Светофор на логике со схемотехникой в стиле Beatles. Как электроника вновь стала моим хобби
- 4. Профессиональные методы прототипирования печатных плат. Распечатать на принтере или фрезеровать, ни слова про утюг
- 5. Бирдекель или арифметический детектив на операционных усилителях
- 6. Электронная игра «лабиринт» на сервоприводах. Никаких arduino, только жесткая логика
- 7. Велосипедный фонарь с динамическими поворотами. Зачем покупать на AliExpress, если можно сделать самому?
- 8. LPKF ProtoMat S63. Мыши плакали, кололись, но… продолжали фрезеровать печатные платы
- 9. Звуковой усилитель на драйвере шагового двигателя L298 и таймере 555. Да, 555-й может и спеть
- 10. Графический спектроанализатор с динамической индикацией на жесткой логике
- 11. Цифровой термометр на жесткой логике
- 12. Осциллограф из рассыпухи на светодиодной матрице. Разбор схемы в Proteus
- 13. SOS-фонарик на жесткой логике с датчиком удара на пьезоэлементе
- 14. Аналого-цифровая автоматика и никаких микроконтроллеров на примере сушилки для рук
- 15. Драйвер фитолампы с фотодатчиком и таймером отключения на жесткой логике
Новости, обзоры продуктов и конкурсы от команды Timeweb.Cloud — в нашем Telegram-канале ↩
Комментарии (66)
CatAssa
13.05.2025 08:33в моих схемах вы не найдете ни одного микроконтроллера
...
Схема паяльной станции была разработана в качестве конкурсного задания для отборочных соревнований Всероссийского чемпионатного движения
А были другие задания, не такие модерновые? Например, на лампах или электромеханических реле?
OldFashionedEngineer Автор
13.05.2025 08:33Тут нужно учитывать формат соревнований - не я его придумал. Цель задания заключается в том, что бы проверить знания базовых схемотехнических узлов: операционники, транзисторы и прочая рассыпуха. А также проверка навыков проектирования печатной платы и сборки прототипа. Чемпионатное движение существует в нашей стране уже больше 10 лет, плюс есть еще международное движение, которое также достаточно давно действует. Там сложился вот такой формат.
devzona
13.05.2025 08:33Тут еще можно было вспомнить про перфокарты). Идет речь не о готовом продукте, а о студенческом конкурсе. Задача конкурса заключается в максимальном раскрытии понимания базовых вещей в электронике. Это очень хорошо, что такие конкурсы еще проводятся в России, и остались те, кто способен их провести. Утечка мозгов и атмосфера вайб-кодинга явно не предрасполагает к подобным вещам. Лично меня такие конкурсы очень радуют, потому что в стране будут люди (надеюсь не все уедут) способные работать в сфере электроники.
OldFashionedEngineer Автор
13.05.2025 08:33К стати, это задание одного из модулей. Во время соревнований был отдельный модуль по программированию микроконтроллеров, там STM32 программируют.
beefdeadbeef
13.05.2025 08:33Температура паяльника при этом будет гулять вместе с температурой холодного спая, верно ?
OldFashionedEngineer Автор
13.05.2025 08:33Естественно будет гулять вместе с температурой холодного спая, я про это писал. Схема рассчитана примерно на комнатную температуру. С учетом того, что не предполагается использовать это устройство где-то еще, с учетом погрешностей измерения, и особенно с учетом особенностей выбранного паяльника итоговая точность измерения и индикации получается вполне удовлетворительной. Да и в целом, для радиолюбительского паяльника точность плюс/минус десять градусов особого значения не имеет.
Nick0las
13.05.2025 08:33Компенсацию температуры холодного спая в первом порядке по температуре можно реализовать добавив терморезистор в делителе R1-R2-R3.
OldFashionedEngineer Автор
13.05.2025 08:33Обычно в недорогих станциях используют падение напряжения на диоде. По характеристике получается близко к термопаре. Но я решил обойтись без этого.
ren_hoek
13.05.2025 08:33А разве холодный спай не образуется в месте подключения кабеля? В китайских хаккоклонах я не видел чтобы термопара была выведена прямо до разъема, да и в тех хакко что с термопарой подозреваю тоже. А это значит что термометр компенсации холодного спая нужно будет сунуть в саму ручку, как в т12.
OldFashionedEngineer Автор
13.05.2025 08:33Так и есть, холодный спай образуется в месте соединения проводов, образующих горячий спай с медью. Но изменить конструкцию ручки, которую я использовал, возможности нет. Ну и в целом, с учётом общей конструкции паяльника я посчитал достаточным сделать постоянное смещение на 25 градусов. Индикация температуры все равно не показывает значения ниже 100 градусов.
xiiix
13.05.2025 08:33спасибо за статью, хочется влиться в электронику, ищу чего такого аналогового можно собрать, станция м.б. и сложновата будет, но сохраню :D
OldFashionedEngineer Автор
13.05.2025 08:33У меня в блоге есть аналогичные по концепции схемы по проще, может быть что-то подойдет.
tataranovich
13.05.2025 08:33Вы упомянули ваш блог, а где его почитать?
OldFashionedEngineer Автор
13.05.2025 08:33Мой блог на хабре. Ткнуть в мой ник, откроется моя страничка, там есть раздел "статьи". Ну или в конце этой статьи есть спойлер, под ним есть список статей на аналогичные темы.
zatim
13.05.2025 08:33Управление мощностью нагревательногоэлемента должно производиться ШИМ с частотой выше звукового диапазона.
Частота сигнала ШИМ определяется генератором на NE555 и составляет 1 кГц.
Как то не стыкуются утверждения. Вообще, частоту шим можно сделать единицы герц, все равно у нагревателя аццкая температурная инерция.
OldFashionedEngineer Автор
13.05.2025 08:33Нестыковочка тут между желаниями и реальностью. Всегда хочется иметь ШИМ выше звуковой частоты, но на деле не всегда выходит. То мощности драйвера затвора полевика не хватает, то сама схема не справляется с генерацией желаемой частоты...
Сам паяльник бесспорно можно шимить на низкой частоте - разницы особой нет. А вот блок питания, от которого это работает, может петь песни. Все таки нагреватель может иметь мощность от 30 Вт и даже до 60 Вт.
slog2
13.05.2025 08:33Очень интересно. Вспомнить как оно было раньше и насколько цифровая обработка и микроконтроллеры всё упростили.
OldFashionedEngineer Автор
13.05.2025 08:33С появлением микроконтроллеров сильно выросли требования к функциональности. Сейчас даже на простеньких приборчиках хотят то веб интерфейс для настроек видеть, то цветной дисплей с иерархияеским меню подавай, то блютуз надо... Вот и получается, что схема конечно проще, но вот работы никак не меньше получается.
DamonV79
13.05.2025 08:33то блютуз надо...
Ну разве это плохо? Реально же UX улучшается! Расширяется сфера применения. Вот, напримео, при терморектальном криптоанализе можно с кресла не вставать, регулируя температуру дистанционно. Ну удобно же!
LAutour
13.05.2025 08:33Это "все упростили "пока не приходится чинить какой-нибудь прибор со сгоревшим микроконтроллером и без доступа к коду прошивки для замены (это если повезет найти еще один такой микроконтроллер и есть инструменты для его прошивки).
PPRT_E
13.05.2025 08:33Все хорошо, но 60 ватт эпсн разогревается мучительно долго, особенно когда надо залудить какой-нибудь провод на 220 вольт
OldFashionedEngineer Автор
13.05.2025 08:33Ну так-то конечно для жала, которым провода лудить, не мешало бы 90 Вт мощность. На 60 Вт что-то типа микроволны более менее прогреется. Ещё на этой ручке тепловой контакт у нагревателя с жалом не очень.
PPRT_E
13.05.2025 08:33Я к тому, что, раз есть регулятор, то можно мощность побольше сделать
Потому что надо не только сверху температуру ограничивать, но и поддерживать её снизу. Если микросхему отпаивать 20 секунд холодным паяльником, она сгорит, а тем, который за три секунды все расплавит - нет, не успеет
OldFashionedEngineer Автор
13.05.2025 08:33Добиться мощности больше, чем может обеспечить нагревательный элемент паяльника, все равно не получится. Точность поддержания температуры жала зависит ещё и от его теплоемкости, а также ограничена температурным сопротивлением между нагревателем и жалом.
В этой схеме реализован полноценный пропорциональный регулятор. Он достаточно неплохо поддерживает заданное значение температуры. У него есть понятие уставки, и функция заключается в минимизации ошибки между уставкой и фактическим измерением. Там нет никаких ограничений сверху или снизу. Мощность на нагреватель подаётся пропорционально сигналу ошибки.
Gudd-Head
13.05.2025 08:33компаратором U5A
На схеме подписан как ОУ LM358.
ЦАП на резисторах R42-R57... R42 составляет 25 кОм, а R57 – 50 кОм
Вижу ЦАП на резисторах R116-R131 (ну и по мелочи 24 и 51 кОм).
А статья конечно топ.
mpa4b
13.05.2025 08:33На схеме подписан как ОУ LM358.
И что ему запрещает работать как компаратор? До шин питания он конечно не дотянет, не rail-to-rail всё-таки, но как компаратор вполне работает, если какое-то особое быстродействие не нужно. И диодов встречно-параллельных у него между входами нет.
Gudd-Head
13.05.2025 08:33Конечно, можно в некоторых случаях включить ОУ по схеме компаратора (от этого он не перестаёт быть ОУ). Вот только дальше по тексту появляется вторая половина микросхемы - U5:B, подписанная на схеме именно как компаратор LM393.
JBFW
13.05.2025 08:33Если платы "на коленке" делать фоторезистом, а не ЛУТом - то всё там нормально получается...
OldFashionedEngineer Автор
13.05.2025 08:33Плата не летом была изготовлена. Защитное покрытие выжигалось лазером.
С учётом использования компонентов поверхностно монтажа на плате требуется большое количество переходных отверстий. К тому же с паяльной маской качество монтажа получается лучше. Так что даже фоторезист все равно не избавит от мучений.
JBFW
13.05.2025 08:33Не касаясь конкретно этой платы - что мешает выводные компоненты размещать на одной стороне, а smd на другой? Избегая переходных отверстий в принципе - кустарно это проблема
И маску накатить заодно, с ней действительно проще
OldFashionedEngineer Автор
13.05.2025 08:33Далеко не каждую плату можно оттрассировать в одном слое, конечно это можно решить с помощью перемычек. Односторонняя плата в любом случае получится значительно больше по площади. И зачем мне такой прототип, если плату потом все равно под фабричное изготовление надо будет перетрассировывать? А любое изменение в конструкции печатной платы требует повторного тестирования устройства. К тому же корпуса типа QFN и более мелкие с ЛУТом совершенно не совместимы.
LAutour
13.05.2025 08:33конечно это можно решить с помощью перемычек
Еще можно нулевые SMD резисторы использовать.
JBFW
13.05.2025 08:33Я же и говорю, не надо ЛУТа )
Односторонняя плата далеко не всегда "значительно" больше - ее просто разводить сложнее. Да, перемычки-скобки - тупо, надёжно.
OldFashionedEngineer Автор
13.05.2025 08:33Мой личный опыт подсказывает мне, что это не целесообразно. Для себя лично я пришел к тому, что проще сразу заказать для прототипа печатную плату на фабрике, чтобы она сразу получилась максимально близко к продакшену.
CatAssa
13.05.2025 08:33Схема паяльной станции была разработана в качестве конкурсного задания для отборочных соревнований Всероссийского чемпионатного движения «Профессионалы» для студентов СПО по компетенции «Электроника».
Поясните, пожалуйста. Вы - участник конкурса? Если нет, то что с впшей схемой должны были делать участники?
OldFashionedEngineer Автор
13.05.2025 08:33Участники должны были эту схему собрать, настроить и произвести измерения в контрольных точках. Затем нужно было устранить неисправности, рассчитать отдельные схемотехнические узлы и перетрассировать плату.
nehrung
13.05.2025 08:33Сложновато, можно сильно проще. Настолько проще, что вся эта аппаратура разместится внутри ручки паяла (кроме блока питания, оформленного в виде электровилки, как зарядник для смартфона; да собственно, именно его для этого дела и применить). Принцип должен быть - ничего лишнего. В двух словах это может выглядеть так: сначала одним ОУ (из популярной пары LM358) усиливаем термопарное напряжение до диапазона 1,0...4,5 вольт, затем подаём его на миниатюрный китайский 3-разрядный 30...50-вольтовый вольтметр - вот вам и показометр. На втором ОУ той же пары, используемом как компаратор, сравниваем усиленное термопарное напряжение с напряжением уставки, результат такого сравнения подаём на управление симистором в цепи нагревателя. Получается регулируемый уставкой не линейный, а двухпозиционный (т.е. вкл-выкл) стабилизатор температуры, которая будет колебаться с периодом несколько секунд и точностью 3...5 градусов вокруг заданной. Его преимущество - греться паяльник будет буквально за секунды, поскольку это вам не ШИМ, запитка нагревателя тут 100-процентная.
OldFashionedEngineer Автор
13.05.2025 08:33Так у меня не было задачи сделать проще или компактней. Нужно было сделать именно так: дециметр печатной платы и пол тыщи точек пайки.
PPRT_E
13.05.2025 08:33Это что за блок питания от смартфона, который потянет 60 ватт, да ещё на таком напряжении, чтобы был длинный гибкий кабель до рабочего инструмента? Он стоить будет как самолёт. Тогда уж лучше применить блок питания от компьютера
randomsimplenumber
13.05.2025 08:33Это что за блок питания от смартфона, который потянет 60 ватт
Любой, умеющий 120Вт ;)
Правда, он 120 Вт просто так не отдаст, нужно уговорить
nehrung
13.05.2025 08:33Это что за блок питания от смартфона, который потянет 60 ватт
Любой, умеющий 120Вт
Неверно ни то, ни другое. Вы меня неправильно поняли, или я неправильно сформулировал. Правильно будет так: паяльник на 220 и с симисторной регулировкой нагрева не нуждается в БП для цепи нагревателя (принцип - ничего лишнего). А тот БП, который я упомянул (от смартфона) - только для питания ОУ и вольтметра. Я почему-то подумал, что это очевидно, но... ошибался.
randomsimplenumber
13.05.2025 08:33почему-то подумал, что это очевидно, но... ошибался.
Очевидно, что паяльник с питанием от USB - обыденность. А для паяльника на 220В отдельный блок питания - лишний. Достаточно конденсаторного балласта, чтобы дать эти несколько миллиампер.
Да, обычному паяльнику на 220 регулятор не нужен. Он уже рассчитан на определенную мощность и температуру, и понижать ее нет смысла. Обычно надо уметь немного повышать.
OldFashionedEngineer Автор
13.05.2025 08:33Эм... паяльники с usb - это скорее развлечение для радиолюбителей. Я бы не стал такое на производство ставить.
Вам кода-то приходилось паять паяльником на 220В без каких-либо регуляторов? Мой первый паяльник таким и был, постоянно перегревался, приходилось периодически регулировать нагрев путем выключения его из розетки))) А ещё напильник в столе обязательно надо было держать, чтоб жало облуживать
randomsimplenumber
13.05.2025 08:33паяльники с usb - это скорее развлечение для радиолюбителей.
Если в поле что-то запаять - повербанк с таким паяльником здорово выручает. Конечно, на производстве в нем нет смысла.
Вам кода-то приходилось паять паяльником на 220В без каких-либо регуляторов?
У меня в детстве был ЭПСН на 220в, на заводе пользовался ЭПСН на 36в, без регулятора. Обычно проблемы в недогреве, и тут регулятор не помогает.
VT100
13.05.2025 08:33При большом рассогласовании (холодный паяльник) - 100% ШИМ будет и в схеме @OldFashionedEngineerСкорость нагрева - определяется запасом мощности источника питания над номинальной мощностью ТЭН'а с учтом сопротивлений проводов и т.п.
OldFashionedEngineer Автор
13.05.2025 08:33Вы правы, регулятор в моей схеме примерно так и работает. Скважность шим определяется сигналом ошибки между уставкой и фактической температурой. Чем больше ошибка - тем больше мощности поступает на нагреватель. А ещё усилитель сигнала ошибки уходит в насыщение, если разница температур очень большая, за счет этого при разогреве паяльника на него подаётся полная мощность.
ARGOA
13.05.2025 08:33Такие решения хороши для демонстрации детям и студентам в ответ на вопрос: «зачем нужен микроконтроллер?».
alcotel
13.05.2025 08:33Мощно! Действительно, многие разработчики забывают про простейшие узлы, сразу пихают мк, типа, авось программист разберëтся. А программист физику хреново понимает, и результат работает на честном слове. Много раз такое видел.
Пару вещей странных в схеме заметил. Во-первых 555й таймер сам по себе генерирует неплохую пилу. Ровно от 1/3 до 2/3 напряжения питания. Не обязательно пилу для ШИМа формировать отдельно.
Во-вторых не понятен смысл применения инструментального усилителя. Входной сигнал меняется не быстро, а наводки - это всегда переменный ток без постоянной составляющей. Отфильтровать - и точка) Термопаре не нужно адски высокое входное сопротивление усилителя. К тому же я не слышал такого, что смещение нуля этой схемой компенсируется. Смещение у всех ОУ в одном корпусе, к сожалению, разное.
Ещë для удержания температуры недостаточно пропорционального регулятора. Может быть, если ШИМ начинает ШИМить только при ошибке в +-10 градусов, а при большей жëстко 0 или 100%, то пойдëт. Для стабилизации нужен интегратор ошибки.
Но в общем, если цель - пощупать работу разных узлов, то отлично!
OldFashionedEngineer Автор
13.05.2025 08:33Схема разрабатывалась, как задание. Поэтому и появился ГЛИН на источнике тока, и другие схемы тоже. Это нужно, чтобы разнообразить схему и получить вариативность задания. В общем, есть некоторая специфика соревнований.
OldFashionedEngineer Автор
13.05.2025 08:33Усилитель ошибки в схеме имеет низкий попрг насыщения. Можно подстроить схему так, что отсечка начнётся уже при 50 градусах. А итоге получается достаточно высокая скорость нагрева. Роль интегратора выполняет отчасти фильтр в цепи усиления, но в основном сам паяльник.
GiC_on
13.05.2025 08:33Интересная статья, хотя понять всё сложновато. Для юниоров в электронике схема была, конечно, сильно проще
Alexis_Che
13.05.2025 08:33Ух ты ж, вспомнился курсовой по проекту мультиметра на дискретных элементах. Давно это было... Но думаю, если ребята (студенты) такое осваивают, то и с микроконтроллерами разберутся. Респект!
OldFashionedEngineer Автор
13.05.2025 08:33Для студентов колледжей это не самый востребованный навык. Но встречаются ребята, которые интересуются микроконтроллерами хотя бы на уровне ардуино.
За последние 10 лет в теме микроконтроллеров все сильно поменялось. Надо отдельно учиться программировать
Nick0las
13.05.2025 08:33Хорошая статья, понравилось подробное описание схемы. Публикация схемы в виде нескольких маленьких кусочков в тексте сильно упрощает чтение статьи, но затрудняет анализ схемы постфактум.
Есть несколько вопросов:
Насколько стабильно от экземпляра к экземпляру работает усилитель для термопары? Ведь компенсации смещения нет, остается надеяться на симметрию.
Почему не стали делать PI или PID регулирование для температуры? Получается что паяльник в работе всегда немного недогрет. Правда можно получить автоколебания.
На светодиоды вокруг ручки можно было добавить промежуточный регистр, чтобы яркость у всех была одинаковая. Решили, что это ненужное усложнение?
Отдельно отмечу, что решение с независимыми счетчиками для R2R DAC и индикации на первый взгляд контринтуитивно, но упрощает разводку.
OldFashionedEngineer Автор
13.05.2025 08:33Я пробовал в первых статьях выкладывать схему целиком. Но редактор хабра имеет ограничение по размеру картинок, и схема получается очень плохо читаемой.
Разделение счетных регистров сделано не только в угоду трассировки, действительно в два слоя это бы по другому нормально оттрассировать не получилось бы. Для декодирования двоичного кода в семисегментный все равно нужны были бы новые микросхемы, к примеру 4511, к тому же R2R цап работает в двоичном коде, а индикация выполняется в десятичном. Поэтому применение микросхемы счетчика со встроенным семисегментным дешифратором решило сразу обе задачи - и трассировать проще, и преобразование в семисегментный код реализуется, а также двоичный код в десятичный преобразуется.
Про стабильность и повторяемость. С учетом того, что из себя представляет ручка паяльника, высокая точность установки температуры тут вообще и к чему, от этого ручка паять лучше не будет. Но в целом, инструментальный усилитель даже на 358 работает достаточно неплохо.
Строить полноценный PID регулятор особого смысла не вижу как минимум из-за высокой инерционности самого паяльника. Конструкция его такова, что теплопередача от нагревателя к жалу очень не эффективна. Да и дифференциальную составляющую подбирать на аналоговом регуляторе дело совсем не благодарное - можно увлечься и получить генератор. А интегральная составляющая по сути это входной фильтр + теплоемкость нагревательного элемента. Также с учетом не высокой скорости реакции системы, без точной настройки интегрирования все работает приемлемо. Компенсацией отсутствия интегрирования является насыщение усилителя ошибки при большой разнице между температурой уставки и фактически измеренной температурой паяльника, если паяльник холодный, регулятор жарит его на все бабки. И только ближе к температуре уставки в дело включается регулирование.
web_skorpio
13.05.2025 08:33Знакомая плата, штуки 3 собрал в своё время. Правда не на «Профессионалы». А на HiTech.
Интересная статья.
УРТК привет из за заполярья.
OldFashionedEngineer Автор
13.05.2025 08:33А кто был на том хайтеке главным экспертом не помните?
web_skorpio
13.05.2025 08:33Ошибочка. Эту плату я собирал не на HiTech а на ReaSkills 2024.
На HiTech эта плата была в 2022 если не изменяет память.
За главного эксперта могу сказать только за 2023 и 2024 годы. т.к. Был участником только в эти годы.
OldFashionedEngineer Автор
13.05.2025 08:33Да, в задании она название ещё имела забавное в стиле абибас. Но тогда я ещё не писал для хабра.
AVX
13.05.2025 08:33Класс! Я думал уже всë все делают на микроконтроллерах. Куда ни плюнь, везде они. Думал, только я в своих домашних самоделках всë на логике делаю) Но кажется, тут большой простор для оптимизации. Например, свтодиодную шкалу резистора можно убрать, а оставить нарисованную, на ручке всë равно указатель есть. Хотя красиво конечно) Когда-то делал на логике регулятор громкости с линейными индикаторами, даже без всяких АЦП, чисто на глазок подобрал резисторы, с которых сразу на входы логики. И в общем-то красиво было и работало. Правда это было где-то лет 20 назад, всë ещë в pcad рисовал. Но тогда у нас не было выбора радиодеталей, поэтому делал из того, что было под рукой (всякие к561тм2 и т.п.).
Почему-то не видел статьи по ссылкам, будет что почитать) Спасибо!
OldFashionedEngineer Автор
13.05.2025 08:33В моем случае вопрос оптимизации схемы не первостепенен. Должно быть прикольно и разнообразно... на сколько это возможно
Alyoshka1976
del