Это самодельная ВЧ-паяльная станция в духе Metcal. Она компактная и питается от USB-C, от аккумулятора или от блока питания.
Все технические подробности, проектные файлы, прошивка и всё, что нужно, чтобы собрать такую же, лежат в моём репозитории Hot-Wand на GitHub. Там же есть подробный разбор проекта: как проектировалась схема и почему принято то или иное решение.
Есть и интерактивные разборы схем: версии на 13,56 МГц и версии Hot Wand Lite.
Как всё началось
Началось всё на ежегодной выставке Open Sauce. Это такой пафосный Maker Faire с дорогими билетами, где можно доплатить, чтобы повздыхать рядом с встретиться с любимыми ютуберами. Я хожу туда бесплатно: я в команде BattleBots, мы выставляем своих роботов, а в этом году нам даже разрешили провести на выставке небольшой турнир боевых роботов.
Ну… как выяснилось, аккумуляторы у нас горели слишком часто, и организаторы попросили нас угомониться и больше не драться. Так что времени походить по остальной выставке оказалось предостаточно.
Я наткнулся на стенд Radio Thermal. Ребята сделали ВЧ-паяльник с открытыми исходниками. Что такое ВЧ-паяльник, я знал: у меня на работе в лаборатории стоит Metcal MX-5200. Штука отличная и очень дорогая, так что я впечатлился. У Radio Thermal всё выглядело просто: конструкция у них минималистичная, цель — удешевить её так, чтобы она была доступна всем.
Выставка закончилась, я вернулся домой и провалился в кроличью нору. В итоге я понял, чем Metcal, которым я уже пользуюсь, отличается от конструкции Radio Thermal: Metcal работает на 13,56 МГц, а Radio Thermal — на более старой схеме с частотой 470 кГц. Копая дальше, я нашёл статью SergeyMax: он разобрал настоящую станцию Metcal, а потом собрал собственную самодельную версию.
Прим. пер.: это английский перевод статьи, которая вышла на Хабре по-русски ещё в 2018 году — «Реверсим паяльную станцию HI-END класса».
Загвоздка в том, что SergeyMax из России. Его статья переведена с русского, и комментарии в схеме и разводке платы он писал по-английски, но есть и другое следствие: входную цепь питания он рассчитывал на российские 240 В переменного тока, а я живу в стране 120 вольт. Эта цепь занимает примерно половину платы, а если посмотреть на все трансформаторы, то, наверное, и треть массы. Несколько человек пытались повторить его схему, и все они просто… не ставили эти компоненты и подключали какой-нибудь готовый покупной преобразователь.
У тех, кто собирал его конструкцию, были и другие проблемы: часть компонентов продаётся только в России, заменители с Amazon перегревались, некоторые детали имели склонность «отказывать с огоньком» и так далее.
(Полный разбор проекта — здесь, анализа там много.)
И я подумал: на дворе 2026 год, я хочу, чтобы в моей версии были USB-C и вход для аккумулятора. Пора проектировать с нуля, а не латать конструкцию SergeyMax.
Дальше случилось две вещи. Я болтал с другом, капитаном нашей команды BattleBots, и упомянул, что делаю паяльник, отчасти вдохновлённый ребятами с Open Sauce. Он ответил: «Да о них все говорят!» А ещё я почти закончил разводку платы, собирался делать заказ и смотрел на размер партии… Как вы, возможно, знаете, минимальный заказ печатных плат — пять штук…
Мой мозг почему-то ответил «вызов принят» и решил, что я соберу все пять (в итоге получилось все десять) и просто подарю их товарищам по команде.
(Угадаете, какие марки инструмента у нас любимые?)
Важно понимать: всё это происходило, пока у меня ещё была работа. Хорошо оплачиваемая, где я любил всех вокруг и где у меня оставались силы на хобби и волонтёрство.
Нужных деталей не было в наличии, поэтому заказ я отправил не сразу. Я продолжал дорабатывать схему, написал прошивку, расписал порядок сборки и порядок проверки — всё в мучительных подробностях. Я надеялся, что такая дотошность избавит меня от боли при самой сборке.
Где-то в это же время мне показалось, что будет забавно взять спроектированную мной входную цепь питания и приспособить к ней схему Radio Thermal. Я развёл плату, и всё действительно поместилось. Заодно появилась возможность поэкспериментировать с хитростями в прошивке, чтобы управлять потребляемой мощностью их конструкции. Эту версию я назвал «Lite» — Hot Wand Lite.
Через какое-то время я наконец отправил заказ на изготовление и монтаж плат: два проекта, по пять штук каждого. Пока платы ехали, я писал документацию, докупал детали и даже намотал все крупные катушки индуктивности. Сборка шла медленно, и одна из главных задержек была в том, что аксессуары для паяльников на 470 кГц довольно устаревшие, и ждать их поставки приходится дольше.
И где-то на этом отрезке… меня увольняют. Конец эпохи: 12 лет в Sony PlayStation, и это у человека, который привёл в R&D PlayStation 3D-печать.
Проект продолжается: восемь паяльников в подарок друзьям. И вот я закончил: они собраны и проверены, а репозиторий на GitHub я пока обновил.
Прим. пер.: схемы истории версий у автора — очень большие изображения, поэтому здесь только ссылки: Hot Wand и Hot Wand Lite.
Я спроектировал складную подставку для паяльника с магнитами для режима сна: картриджи Metcal засыпают, когда их ось совпадает с направлением магнитного поля.
Может показаться, что делать её из пластика глупо, но мой трюк в стеклотекстолите FR-4 (заказать печатные платы дешевле, чем лазерную резку, лол): он гарантирует, что горячий металл никогда не касается пластика.
Забавные проектные решения
Демонстрация режимов мощности:
Прим. пер.: анимация весит больше 20 МБ, поэтому только ссылкой.
Хотя исходные конструкции я изучил достаточно глубоко, чтобы правильно подбирать замены деталей и так далее, в итоге проект превратился в «спроектируй входную цепь питания и приделай к ней паяльную станцию».
USB-C и питание от аккумулятора мне понадобились потому, что моё хобби — боевые роботы, а получат подарки мои товарищи по команде BattleBots.
Ключевое требование номер ОДИН: аккумулятор не должен взорваться!
Да, можно было обойтись одним диодом и успокоиться, но я решил поставить контроллер идеального диода. Контроллер согласования USB-PD тоже управлял двумя MOSFET-транзисторами. В итоговой схеме они работают согласованно: ток от USB не может пойти в аккумулятор. И наоборот, аккумулятор не может повредить USB-источник выше по цепи.
Но это ещё не всё.
Самый распространённый у меня USB-C-блок питания — на 65 Вт. Они дешёвые и иногда продаются как аксессуар к паяльнику Pinecil. Проблема в том, что ВЧ-картриджи паяльников потребляют высокую пиковую мощность. В обеих станциях я сдерживаю этот пик хитростями в прошивке (ограничение мощности ШИМ-сигналом на понижающий преобразователь), а заодно ставлю большую входную ёмкость, чтобы сгладить пики входного тока. С большими конденсаторами появляется проблема: искры.
Высокое входное напряжение пытается заполнить, по сути, бездонную яму, и при подключении аккумулятора через разъём XT30 проскакивает искра. Это нужно было предотвратить. На очень позднем этапе я заменил простой контроллер идеального диода на один транзистор более навороченным, который управляет двумя транзисторами. С одним транзистором беда в том, что бросок тока всё равно проходит через его внутренний диод, а два встречно включённых транзистора его блокируют. Новый контроллер умеет медленно открывать затвор и ограничивает ток, которым постепенно заряжаются эти большие конденсаторы.
Дерек Тран, капитан бот-команды Gigabyte, мой друг, которому этот паяльник предназначался в подарок… Знаете, за что мы над ним подтруниваем? Он ставит 6S-аккумуляторы в роботов категории, где разрешены только пластиковые конструкции и которая придумана для маленьких детей. А его робот весовой категории beetleweight ездит на 8S. Так что я подумал, что Дерек однажды может воткнуть 8S-аккумулятор (а это 34 с лишним вольта), и рассчитал всё под такое напряжение. А если прошивка видит на входе такое высокое напряжение, срабатывает пасхалка: на экране появляется «WHY DEREK WHY». В прошивке хватает и других пасхалок с шутками для своих из мира боевых роботов.
Для ограничителя мощности я добавил сигнал между микроконтроллером и понижающим преобразователем, чтобы микроконтроллер мог влиять на выходное напряжение преобразователя. Когда я проектировал схему, идея была очень простой: задавая напряжение, можно ограничить мощность каким-то уровнем, а в прошивке сделать режимы мощности на выбор пользователя. Но выяснилось, что это гораздо полезнее. В итоговой прошивке скачки потребления ловятся заранее, и реакция на них вообще не ухудшает работу паяльника, но при этом сохраняется совместимость с 65-ваттными USB-блоками.
Охлаждение
Если бегло посмотреть на конструкцию SergeyMax, вентилятора в ней вроде бы нет. Сначала меня это не удивило: у MX-5200 вентилятора тоже нет. У обеих станций металлический корпус. Казалось очевидным, что MOSFET-транзисторы надо прикрепить к металлическому корпусу и охлаждать пассивно.
Но, как выяснилось, много лет спустя SergeyMax выложил на YouTube видео, которого в статье нет. В нём он явно понял, что нужно активное охлаждение, и поставил небольшой вентилятор, который дует внутрь корпуса. Ещё он поставил на транзисторы настоящий радиатор, но рёбра радиатора оказались вне воздушного потока.
Я решил поставить 40-миллиметровые вентиляторы в обе конструкции. Авторы Radio Thermal используют 60-миллиметровый вентилятор, но, когда я лично спросил их о нём, они сказали, что на самом деле он не нужен: их транзистор может работать и без него.
Мой первый корпус тоже был металлическим. Транзисторы закреплены на квадратном радиаторе, а тыльная сторона радиатора прилегает к металлической стенке корпуса. Снизу к радиатору крепится напечатанный на 3D-принтере пластиковый воздуховод, который направляет воздух вверх.
Вырезать все отверстия в металлическом корпусе оказалось слишком грязно, шумно и долго. Поэтому я полностью переделал корпус и напечатал его из PETG (в проектных файлах и документации этот вариант называется «econo»). В нём есть тот же воздуховод, но пластик нигде не касается радиатора. Конструкция отлично себя показала (см. результаты тепловых испытаний).
Забавный факт: видео SergeyMax было на русском, его пришлось переводить.
На понижающем преобразователе стоят вырезанные вручную медные рёбра, припаянные к земляному полигону. А на всех MOSFET-транзисторах стоят термисторы. Собирать это весело.
Трансформатор тока
Полный разбор трансформатора тока — здесь.
В конструкции SergeyMax есть странная деталь: тороид с двумя обмотками и одним проводом, проходящим через центр. SergeyMax называет её трансформатором тока. Он преобразует ток в этом проводе, то есть выходной ВЧ-сигнал, в переменное напряжение. Оно проходит через диодный мост и, судя по всему, подаётся на вывод обратной связи понижающего преобразователя. На первый взгляд можно решить, что он просто меняет напряжение в зависимости от потребляемого тока. В исходной статье это было объяснено не очень хорошо.
Многие из тех, кто пытался собрать конструкцию SergeyMax, задавались вопросом, что же делает эта деталь, и разобрались. Диоды включены кольцевым смесителем. Вся конструкция скорее работает как фазовый детектор: сравнивает фазы тока и напряжения. Это измеритель коэффициента мощности. Реактивное сопротивление ВЧ-картриджей меняется с температурой, и этот измеритель отслеживает изменение так, чтобы снижать напряжение на выходе понижающего преобразователя, когда жало уже горячее, и повышать, когда оно холодное.
Я изучил эту штуку вдоль и поперёк. Теперь у меня есть собственная анимированная модель, объясняющая, как она работает.
В том видео SergeyMax, снятом много лет спустя, в нескольких кадрах виден этот трансформатор, и выглядит он совсем иначе, чем на фотографиях из статьи. В видео похоже, что он намотан двумя скрученными проводами (бифилярная намотка). Ещё SergeyMax говорил, что если подключить его наоборот, напряжение будет реагировать обратным образом: повышаться, когда его нужно понижать. Последствия могут быть катастрофическими.
Я сделал 3D-модель трансформатора тока с проводами разного цвета, чтобы другие сборщики не перепутали провода.
Я даже собрал ВЧ-эквивалент нагрузки с настраиваемым реактивным сопротивлением: подключая разные конденсаторы, можно менять фазовый угол. С его помощью я проверял, правильно ли собран трансформатор тока. Специальная тестовая прошивка выдавала короткие пачки ВЧ-сигнала и сообщала напряжение. Я перебрал все фазовые углы, и по тренду было видно, подключён трансформатор правильно или наоборот. Ещё мне удалось проверить этот эквивалент нагрузки на настоящем MX-5200 и сравнить поведение со своими результатами. Они совпали.
Здесь я был очень дотошен. В итоге я проверил все пять собранных экземпляров, и все они работают. Но… меня кое-что смущает: если сравнить только разводку плат, мою и SergeyMax, всё равно похоже, что у одного из нас схема перевёрнута. Раз все пять моих экземпляров работают правильно, мне интересно: может, SergeyMax тоже понял, что у него ошибка в схеме, поэтому и говорил об этом в видео, сделал небольшую переделку (поменял местами два провода или перевернул четыре диода), но забыл обновить опубликованную схему?
Самодельные катушки
Даже с идеальным планом сборки катушки, которые приходится мотать вручную, раздражают.
Самая забавная — катушка без сердечника. SergeyMax советовал намотать 10 витков диаметром около 5 мм и общей длиной 10 мм, а потом сжимать или растягивать её, пока цепь не будет настроена. Это часть своего рода предусилителя перед большим ВЧ-усилителем. «Настроена» означает минимальное потребление при достаточно хорошей форме выходного сигнала. Тут я полностью отошёл от сценария: в OpenSCAD я спроектировал печатный стержень со спиральной канавкой, который фиксирует шаг и диаметр.
Снять пластик потом невозможно, поэтому подгонять такие катушки руками нельзя, но настройка и не должна быть точной. Из пяти собранных экземпляров три нормально заработали со стандартными 10 витками. В одном понадобилось 11 витков, в другом — 12. Выпаять и впаять заново несложно: я позаботился об этом при разводке платы.
С катушками в стоках транзисторов ВЧ-усилителя класса E всё было просто. Недоступный российский ферритовый тороид легко заменился сердечником с Digi-Key, а число витков можно примерно пересчитать по характеристикам нового феррита. Точность здесь не нужна.
Для гигантских катушек нашлись сердечники, которые легко купить в США. В них 4, 6 и 7 витков толстого провода 16 AWG. Подгонять руками такой толстый провод или менять число витков нет никакой возможности — остаётся жить с тем, что получилось. Чёрт, индуктивность этих катушек всё равно вне диапазона моего LCR-метра.
Сердечники для версии Lite (на основе Radio Thermal) после намотки нужно измерять LCR-метром. Поэтому хитрость такая: намотать на виток больше обычного, измерить, если нужно — отмотать виток, а потом сжимать спираль, пока не получится нужное значение. Авторы Radio Thermal даже рассказали мне, что они, по сути, следят за цепью и сжимают провода прямо на полностью работающей схеме.
Металлический корпус
Такой я сделал только один, потому что это была сущая морока. Остальные четыре напечатаны на 3D-принтере.
Чтобы резать и сверлить, я использовал напечатанный на 3D-принтере шаблон.
Что ещё было
Случилось и много другого:
Мне попалась рукоятка типа K: она перегрелась до 470 °C и посинела.
Глядя на то, как дико выгорел OLED-экран на моём 3D-принтере, я добавил в прошивку сдвиг пикселей.
Версию Lite я сделал совместимой со многими микроконтроллерами, но с ESP32 расположение выводов не подошло.
Самая дешёвая ударная пластина для подставки паяльника — это… просто печатная плата!
TVS-диод вышел из строя из-за холодной пайки на конденсаторе, стеклянный предохранитель это поймал.
Прикосновение к высокому ВЧ-напряжению очень больно! Не проверяйте это с открытым корпусом!
Чтобы сэкономить, большую часть рукояток и картриджей я купил дёшево у продавцов складских остатков на eBay. Некоторые из них б/у и очень изношены. Стёртые резиновые накладки на некоторых рукоятках заменяемы, две я даже напечатал на 3D-принтере.
Изначально в конструкции стоял десятидолларовый сверхтихий и сверхнадёжный вентилятор Noctua, но, когда я решил сделать десять станций… схема стала поддерживать и дешёвые вентиляторы по 10 долларов за пять штук. Они неплохие, но не уровня Noctua.
Пришлось купить USB-C-тестер, который умеет проверять кабели с e-marker. У меня оказалось два плохих кабеля, а ещё я хотел, чтобы у друзей были рабочие кабели, рассчитанные на 5 А.
HALVITA
Ого! и правда интересная инженерная мысль