У нас было несколько фотографий основной печатной платы, видео из YouTube с осциллограммами напряжений на стоках мосфетов, комментарий на форуме с перечислением ёмкостей резонансных конденсаторов, а также несколько видеозаписей распаковок со съёмками процесса разогрева жала. Особое беспокойство вызывало видео с измерением пиковой потребляемой мощности при разогреве. Нет ничего более грустного, чем сгоревший свежекупленный на амазоне картридж стоимостью четыре тысячи рублей. Но… давайте начнём всё с начала.

Введение в курс дела

Для того, чтобы понять, что за девайс мы сегодня будем конструировать, давайте сначала вкратце вспомним, какие вообще паяльные станции бывают, и чем между собой отличаются.

Весь нижний ценовой сегмент такого оборудования, как нетрудно догадаться, захвачен китайскими брендами, по большей части копирующими довольно удачный конструктив японского паяльника Hakko. Принцип действия как оригинала, так и многочисленных копий очень прост: нихромовый или тонкоплёночный нагреватель передаёт тепло съёмному жалу, температура которого контролируется термопарой или терморезистором, встроенным в нагреватель. Это простое и недорогое решение, но в китайских копиях качество может немного прихрамывать: нагреватель чуть-чуть не того размера, чуть-чуть экономии на материале наконечника, и как результат – на нагреватель накручивается фольга, оригинальное японское жало заказывается из-за рубежа, разъём меняется на более мощный… в общем, есть чем заняться.

Где-то посередине стоимостной шкалы расположены фирменные паяльные станции известных западных брендов. Немецкая ERSA, американский Weller, японская Hakko, вот это всё. Принцип работы по сути тот же, но зато здесь уже не нужен никакой колхоз, из коробки идут приятные плюшки навроде мягкого силиконового кабеля, не плавящегося от малейшего прикосновения паяльника, и… да собственно не так уж и много плюшек! Цена? Соответствует уровню. Десятки тысяч деноминированных рублей огорчат не только скромного домашнего любителя проводить вечера за аппаратной отладкой, но даже средней широты души юридическое лицо.

Однако тема сегодняшней статьи не об этом. Я расскажу вам про про самый настоящий HI-END в мире паяльных станций, а именно про индукционные паяльники американской фирмы Metcal (под этим брендом их сейчас выпускает компания OK International). На самом деле производителей таких устройств несколько, кроме вышеупомянутого Metcal мне ещё известны Thermaltronics, JBC, и даже у Hakko имеется подобная модель. Принцип действия индукционного нагревателя в таких аппаратах весьма изящен:



Как видите, здесь вообще нет никакого термодатчика, сердечник жала сделан из меди с покрытием из ферромагнитного материала, который под действием высокочастотного (13,56 МГц) переменного магнитного поля разогревается, затем при определённой температуре, называемой точкой Кюри, теряет свои магнитные свойства, и, в результате, далее нагреваться перестаёт. Когда вы касаетесь места пайки, ферромагнитный элемент чуть-чуть остывает, и мощность от индуктора немедленно начинает передаваться к наконечнику паяльника. Жала бывают с четырьмя фиксированными температурами, из которых по сути нужны только две – для свинцовой, и для бессвинцовой пайки. Вот и всё.

OKI/Metcal выпускает несколько разновидностей индукционных паяльных станций различной стоимости, и с различной выходной мощностью, однако порядок сумм в районе 60 000 рублей отбивает всякое желание прикоснуться к прекрасному, сколь бы прекрасным это прекрасное ни было. Ну что же, попробуем немного сэкономить?

Задача

Сформулируем её следующим образом: пользуясь только открытыми источниками, провести виртуальный реверс-инжиниринг исходного устройства MX-5200, и в результате разработать пригодный к изготовлению в домашних условиях одноканальный источник синусоидального ВЧ-напряжения с пиковой выходной мощностью 80Вт, по возможности ближе повторяющий функционал оригинальной паяльной станции.

В интернете можно легко найти аккуратно срисованную с платы схему станции предыдущего поколения Metcal MX-500. Напрямую использовать схемотехнические решения отсюда не получится, так как выходная мощность этого устройства всего 40 Вт, и простым образом она не масштабируется. Однако эта старая схема поможет нам понять принципы работы основных узлов.

Итак, в документе мы видим:

1. Кварцованный мощный ВЧ-генератор с тремя резонансными цепями на выходе;
2. Импульсный понижающий преобразователь для питания генератора (1), с выходным напряжением, изменяющимся в диапазоне 17-21 В;
3. Цепь обратной связи, регулирующая напряжение понижающего преобразователя (2) в зависимости от напряжения на одном из выходных резонансных контуров генератора (1);
4. Узел защиты, отключающий генератор (1) при отсоединении индуктора;
5. Трансформаторный источник питания с выходным напряжением 53 В.

Сразу прикинем общие схемотехнические решения. Для питания схемы, например, прекрасно подойдёт тороидальный низкочастотный трансформатор. Хотя… а применим-ка мы лучше резонансный LLC-преобразователь на редкой микросхеме HiperLCS производства Power Integrations: давно хотел с ней поработать. Step-down преобразователь, используемый для регулировки выходной мощности тоже возьмём более современный, посмотрим, действительно ли можно выжать пять ампер с корпуса размером с SO-8. Но что это за проект без ардуино, скетча, и светодиода? Добавим микроконтроллер STM32 и экранчик для отображения текущей выходной мощности. Для упрощения мощность будем измерять на линии питания ВЧ-генератора, а КПД учтём в софте (или не учтём). Корпус возьмём подходящий по размеру металлический, он будет служить одновременно и экраном, и радиатором.



Для непосредственно пайки на Amazon’е будут приобретены набор для апгрейда Metcal MX-UK1, включающий в себя подставку и собственно паяльник (это по сути просто ручка с проводом), а также собственно паяльные картриджи. Исторически сложилось, что с мелкими деталями мне удобнее работать так называемым «копытом» (усечённый под 30° конус), а для выпайки массивных элементов лучше взять что-то пошире, помассивнее, и погорячее, поэтому вот мой выбор: Metcal SMTC-0167 для тонких работ, и Thermaltronics M7K100 для работы с крупногабаритными элементами. Да, более дешёвые жала Thermaltronics тоже подходят.



Пока детали в пути, нарисуем блок-схему проектируемого устройства. Вот она:



Очень важно сразу пару слов сказать по поводу обратной связи между выходом ВЧ-генератора и управляющим входом понижающего преобразователя. Дело в том, что после того, как жало вышло на рабочую температуру, генератор продолжает вырабатывать напряжение довольно значительной амплитуды (порядка 100 В), и эта мощность начинает рассеиваться на активном сопротивлении катушки индуктора, которое вследствие скин-эффекта гораздо больше, чем можно намерять обычным мультиметром. Как результат, крошечная катушка раскаляется докрасна и сгорает. Чтобы такого не происходило, в оригинальных станциях используется отрицательная обратная связь, которая уменьшает напряжение питания генератора при росте коэффициента стоячей волны, сопровождающего изменение импеданса индуктора. В 40-ваттной версии используется довольно простой метод из патента US4626767A, а в 80-ваттном варианте использована более сложная ОС с трансформатором тока. Давайте посмотрим на это взятое с просторов интернета видео:


Синий луч на нём показывает напряжение питания выходного каскада ВЧ-генератора, и, как мы тут видим, нам нужно обеспечить изменение питающего напряжения не менее чем в два раза (выходная мощность при этом меняется пропорционально квадрату напряжения, то есть в четыре раза). В смоделированной в LTSpice схеме простого варианта ОС такого уровня регулирования мне достичь не удалось, поэтому просто срисуем цепочку обратной связи с фотографии печатной платы.

ВЧ-генератор

Проектирование высокочастотной части начнём с выходных резонансных контуров. Давайте взглянем на этот снимок высокого разрешения:



Здесь мы видим три катушки, намотанные на тороидальные сердечники жёлтого цвета, количество витков – 4, 6 и 7, если считать слева направо. По классификации фирмы Amidon, жёлтый цвет обозначает сердечник из распылённого железа с магнитной проницаемостью 8,5 (материал №6). Типоразмер колец оценим, измерив линейкой на экране размер кольца, и размер какого-нибудь известного элемента, например выходного транзистора в корпусе TO-247. Судя по всему, здесь использованы магнитопроводы T130-6; на мой взгляд, это некоторый оверкилл – такие крупные кольца рассчитаны на заметно большую мощность. Но сильно умничать здесь у меня желания нет: оригинальные американские кольца я конечно использовать не буду, вместо них закажу на AliExpress недорогие китайские копии, посмотрим, как они будут работать (спойлер: с ними всё нормально). Расчётные индуктивности получились порядка 180, 400 и 540 нГн соответственно.

В резонансных контурах к катушкам индуктивности полагаются ещё и конденсаторы. Их ёмкости по фотографии определить не удастся, однако легко находится пост, в котором педантичный mikeselectricstuff (автор предыдущего видео) делится своими наблюдениями (выделил жёлтым):



Если подставить эти значения в spice-модель, то можно заметить, что резонансные частоты цепей немного сдвинуты от 13,56 МГц. Дело в том, что чем ближе частота к резонансу, тем меньше нужно напряжение питания для ВЧ-генератора, и тем больший ток он потребляет. В оригинале для запитки выходного каскада использован понижающий преобразователь с максимальным током 3А, поэтому разработчики немного расстроили выходные контуры, чтобы можно было повысить напряжение питания и снизить потребляемый ток. Мы же планируем использовать пятиамперную микросхему, однако для работы в резонансе этого тока тоже оказалось недостаточно, поэтому аналогичным образом слегка расстроим контура. Точные значения ёмкостей подберём экспериментально, ориентируясь на заложенные в проект максимальное напряжение питания выходного каскада 22 В и максимальный потребляемый ток на уровне 4 А.

Замечу, что внутри резонансных контуров циркулирует довольно большая мощность, которая так и норовит выделиться в окружающую среду в виде тепла. Поэтому с целью повышения добротности для катушек используем эмалированный провод потолще – 1,25 мм, а конденсаторы поставим по несколько штук в параллель.

Выбор выходного транзистора – тоже непростая тема. При замене или отключении жала перенапряжение может достигать довольно значительных величин (300-350 В), но в оригинале разработчик не стал сильно запариваться с защитами, и поставил в выходной каскад довольно редкий, быстрый и дорогой RF-транзистор IXFH12N50F фирмы IXYS с максимальным напряжением стока 500 В. Мы, конечно, позволить себе такую роскошь не можем. Возьмём обычный 200-вольтовый полевой транзистор STP19NF20 стоимостью 34 рубля, и параллельно ему подключим супрессор на 150 В. Идеально! Ограничитель слегка подрежет верхушки резонансных выбросов, не давая контурам слишком сильно раскачиваться, а ещё примерно через 10 миллисекунд после пропажи нагрузки защита остановит генератор.



Из-за большой входной ёмкости и высокой частоты управлять затвором выходного транзистора напрямую при помощи обычного драйвера не получится. На фотографии оригинальной платы между двумя силовыми транзисторами виднеется бескаркасная индуктивность. Это — широко используемая маленькая хитрость: индуктивность совместно с ёмкостью затвора образует резонансный контур, обеспечивающий рециркуляцию мощности в затворной цепи, в результате чего резко повышается КПД предусилителя. Эта же цепь одновременно накладывает и неочевидное ограничение на модель выходного транзистора: сопротивление его затвора должно быть минимальным, чтобы добротность контура оставалась приемлемой. Не сильно вдаваясь в подробности повторим использованное производителем решение. Значение индуктивности подберём по максимуму КПД реальной схемы путём сжатия/растяжения витков катушки.

Ну а далее схемотехника становится более тривиальной. Предусилитель, выполненный на транзисторе с низкой входной ёмкостью IRF510 будем раскачивать сдвоенным драйвером MAX17602, его скоростные характеристики вполне хороши. Ещё лучше подойдут MAX17600 или MAX17601, их выходы можно было бы соединить параллельно, но в наличии таких вариантов у меня не было, так что будем работать с тем, что есть.

Нужную частоту генерации зададим кварцевым резонатором. К сожалению, найти кварц на 13,56 МГц для задающего генератора мне тоже не удалось. Но не беда. Возьмём более распространённый резонатор на 27,12 МГц, и поделим частоту надвое. Тут как раз пригодится микроконтроллер, а именно запрограммированный соответствующим образом один из его таймеров. Хочу также отметить, что для прямого подключения к MCU подойдут только кварцевые резонаторы, работающие на первой гармонике. Широко распространённые российские резонаторы на 27120 кГц, работающие на третьей гармонике, получится подключить только с костылём в виде дополнительного резонансного контура.

Питание

После долгих и бесплодных экспериментов с продукцией китайской промышленности выходной каскад ВЧ было решено запитать от понижающего преобразователя на микросхеме TPS54560 фирмы TI. Частоту внутреннего генератора для исключения возникновения слышимых ухом биений зададим примерно равной 450 кГц, подальше от диапазона частот LLC-преобразователя. Также имеется вариант поступить наоборот, синхронизировать step-down преобразователь с генератором LLC-конвертера, но тут лень уже начала давать о себе знать. Не будем так делать.

Сам преобразователь TPS54560, несмотря на свои миниатюрные размеры, имеет довольно большой выходной ток, и иногда может показаться, что это какое-то доселе невиданное чудо в деле борьбы за энергоэффективность… Но нет – чипу нужно действительно хорошее охлаждение. Предлагаемая Texas демонстрационная плата содержит два больших «земляных» полигона толщиной 2oz на обеих сторонах, а для теплопередачи между слоями используется шесть переходных отверстий, расположенных непосредственно под пузиком микросхемы (там у неё имеется теплоотводящий контакт). Такая компоновка несколько затрудняет изготовление печатной платы в домашних условиях, так что видимо придётся заказать производство в Китае. Эх.

Для питания драйвера и предусилителя возьмём нестабилизированное напряжение 12В со второй обмотки LLC-преобразователя. Потребляемые токи оставшихся частей схемы будут совсем маленькими, поэтому для пятивольтовых контроллера и подсветки LCD-экранчика в рамках импортозамещения поставим линейный стабилизатор КР142ЕН5А, разработанный специально для использования в народном хозяйстве, а линию 3,3 В для MCU обеспечит козявка LD2985.

Понижение сетевого напряжения до необходимых 30 и 12 вольт будет осуществлять LLC-преобразователь на микросхеме LCS708HG.



Уверен, многие читатели не в курсе, что это вообще за такой зверь – LLC-преобразователь, поэтому остановлюсь на принципе его действия немного более подробно. LLC – это не совсем аббревиатура, эти буквы означают «индуктивность-индуктивность-ёмкость», и, если вкратце, описывают схемотехнику подключения первичной обмотки трансформатора. Дело в том, что часть линий магнитного поля первичной обмотки не «зацепляется» за витки вторичной, в результате чего образуется так называемая индуктивность рассеяния – паразитная индуктивность, не способная передавать накопленную в себе энергию во вторичные цепи. В обычных обратноходовых преобразователях эту энергию приходится рассеивать на супрессорах или резисторах снабберов, поэтому трансформаторы (или, точнее, двухобмоточные дроссели) обычно конструируют таким образом, чтобы сократить индукцию рассеяния до минимально возможного значения. Но всё меняется, когда вы конструируете LLC.

В резонансном преобразователе индуктивность рассеяния совместно с подключенным последовательно первичной обмотке конденсатором образуют колебательный контур, который выполняет две важные задачи. Во-первых, он обеспечивает переключение выходных высоковольтных транзисторов преобразователя при близком к нулю напряжении (т.н. режим Zero Voltage Switching), что кардинальным образом снижает потери на переключение. А во-вторых, энергия, накапливаемая в несвязанной индуктивности, возвращается обратно в схему: теперь снабберы не нужны, и потерь энергии тоже нет. В документе AN-55 компании Power Integrations подробно расписано, как сконструировать трансформатор таким образом, чтобы увеличить индуктивность рассеяния (это нужно для создания правильной регулировочной характеристики). Я, например, намотал первичную и вторичные обмотки подальше друг от друга, в двух разных секциях:



В общем случае результатом таких схемотехнических изысков является достижение очень приличного КПД, в частности установленная без радиатора микросхема LCS708HG при своих весьма незначительных размерах обеспечивает выходную мощность в районе 200Вт! Это действительно выдающийся результат, однако достичь его можно только при работе точно на частоте резонанса выходного контура. И здесь нас подстерегает засада.

Дело в том, что регулирование выходного напряжения тут осуществляется при помощи изменения частоты, а не скважности импульсов, и это регулирование ограничено весьма узким диапазоном напряжений – примерно ±15%. Более того, при отклонении входного напряжения от номинала частота преобразования сдвигается в сторону от резонанса, и переключение транзисторов внутри микросхемы становится «жёстким», с потерей ZVS, что сопровождается значительным их разогревом. По сути можно сказать, что преобразователю на входе нужно уже стабилизированное напряжение!

В промышленным образом изготовленных изделиях перед входом преобразователя включается активный корректор мощности (APFC), который кроме собственно коррекции мощности ещё и поддерживает напряжение на выходе примерно равным 380-390 вольт. Однако наша разработка является всё-таки любительской, посему смело закроем глаза на мелкий косячок в виде чувствительности к качеству сетевого питания. Расчёты показывают, что с учётом пульсаций на буферной ёмкости диапазон входных напряжений примерно соответствует 230 В ± 10%, так что если параметры сети не выходят за рамки ГОСТа, то всё будет работать. Оставим пока так.

Весь остальной схемотехнический конструктив преобразователя скопируем с даташита. Толику внимания потребовалось уделить пожалуй только резонансному конденсатору – на первый взгляд весьма простому элементу. И если вы когда-либо задавались вопросом, чем же отличаются между собой полипропиленовые и полиэтилентерефталатные (полиэстеровые) конденсаторы, то вы узнаете ответ прямо сейчас: у первых тангенс угла потерь в десять раз меньше. Именно поэтому попытка применить вместо габаритного К78-2 (да, здесь тоже импортозамещение) более дешёвый и более компактный полиэстеровый К73-17 сопровождается интересными спецэффектами: конденсатор сильно разогревается и начинает подозрительно потрескивать. Занятно.

Микросхемы серии HiperLCS требуют для себя отдельного питания 12 вольт. Чтобы не возиться с дополнительной обмоткой, выпрямителем и цепочками запуска, пойдём, пожалуй, по самому каноничному пути. Необходимое напряжение возьмём с отдельного миниатюрного преобразователя на чипе LNK304. Его ключевая особенность – бестрансформаторный дизайн, из индуктивных элементов потребуется только фабричным образом изготовленный копеечный дроссель. Максимальный выходной ток получается не очень большим, порядка сотни миллиампер, но минимум деталей и простота конструкции подкупают (а количество преобразователей на квадратный дециметр поверхности начинает нервировать. Больше преобразователей богу Преобразователей!)

Мозги

Ну что же, осталась самая малость. В оригинальной станции имеется LCD, который за все уплаченные деньги показывает что-то вроде выходной мощности. Сделаем аналогичную штуку: возьмём контроллер STM32F030 в самой минимальной конфигурации (в корпусе TSSOP-20), одну линию АЦП повесим на измерение напряжения питания выходного каскада ВЧ-генератора, ещё одну линию – на измерение тока. Чтобы не разрывать «земляной» контур, резистивный датчик тока расположим на положительном проводе, а для конвертации уровней воспользуемся предназначенной специально для таких случаев микросхемой INA138, которую в свои лучшие времена разработала компания Burr-Brown. Для отображения информации используем текстовый OLED-экран размером 16х2 производства WinStar. Ну вот собственно и всё. Ах ты ж, одна нога процессора осталась без дела. Ну пускай мигает светодиодом. Не спрашивайте, зачем.

Прошивка контроллера написана на языке «C» с использованием STM32CubeMX и бесплатной версии IAR Embedded Workbench. Программный код весьма тривиален. Главный цикл по прерыванию системного таймера раз в 300 миллисекунд считывает данные с двух каналов АЦП, перемножает их, и выводит на экран в виде цифр мощности. Снизу эта же мощность визуализируется полоской, отрисованной кастомными шрифтами. При отключении жала обработчик прерывания от вывода детектора нагрузки останавливает задающий таймер ВЧ-генератора. На случай зависания или сбоя MCU добавлены обработчики аппаратных ошибок и сторожевого таймера; также в прошивке задействована технология CSS (Clock Security System), позволяющая в случае затухания колебаний основного кварцевого резонатора переключиться на внутренний RC-генератор и перезапустить микроконтроллер. Общий объём прошивки — 10 Кбайт. Исходный код прошивки вместе со всеми остальными файлами проекта я выложил на GitHub, самые любопытные могут ознакомиться (но не ждите там чего-то сильно интересного).

Конструктив

Все расчётные данные всех элементов LLC-преобразователя, включая индуктивности обмоток трансформатора, приведены в прилагаемом к проекту файле дизайна, который можно открыть при помощи приложения PIXls Designer. Также я на всякий случай добавил к проекту всю использовавшуюся при разработке документацию на применённые электронные компоненты, залил LTspice-модели некоторых частей схемы, ну и конечно фоточки, куда теперь без них.

Итогом вышеописанной разработки явилась следующая схема электрическая принципиальная:



Схема и разводка печатной платы отрисованы в пакете DipTrace, для отправки на завод чертежи платы были сконвертированы в формат Gerber. Плата разведена точно под размер использованного корпуса, для экранирования нежных слаботочных цепей один слой целиком отдан под «землю». Такая разводка сильно упрощает изготовление платы в домашних условиях, так как прецезионного совмещения фотошаблонов здесь не потребуется: почти всю обратную сторону платы можно залить одним цельным полигоном, а потом толстым сверлом снять фаски у отверстий выводов, не требующих соединения с «землёй».





ВЧ-генератор конструкции прилично свистит в эфир, силовые элементы сильно греются, так что выбор материала корпуса самоочевиден: конечно это будет алюминий. Подберём из каталога фирмы Gainta примерно подходящий по размеру готовый корпус G0476. Окошко для OLED-экрана вырежем в корпусе при помощи дремеля, сам корпус соединим напрямую с «земляным» проводом сетевого шнура вместе с экраном провода паяльника и с «массой» печатной платы.

К сожалению, идея подключить вместо LCD более контрастный OLED пришла мне в голову уже после того, как заказ на платы был отправлен на завод. Входные CMOS-уровни OLED-экрана WEH001602AGPP5N00001 производства WinStar отличаются от стандартных TTL-уровней LCD, поэтому тот финт ушами, когда на контроллер дисплея и на его подсветку подаётся +5В, а логические сигналы берутся с микропроцессора с питанием от +3,3В, здесь не прокатывает. Поэтому питание экрана пришлось завести проводком с линии 3,3 В.

Для снижения уровня помех на «шлейф», соединяющий плату и экран добавлены помехоподавляющие резисторы номиналом 390 Ом, а микроконтроллер накрыт экраном из медной фольги. При штатной работе на разъём для программирования надевается ответная часть, притягивающая к «земле» отладочные выводы напрямую, а NRST – через конденсатор.

В конце концов разработанное устройство приняло законченный внешний вид:



Теперь разогрев паяльника выглядит следующим образом:

Банкет

Теперь давайте примерно прикинем, во что нам обошлось данное развлечение:

Радиодетали – примерно 3000 рублей (самые дорогие элементы тут – чип HiperLCS за 1000р., и OLED-экран – ещё 600р.);
Изготовление печатных плат, стоимость за 10 штук – 2700 рублей;
Корпус – 500 рублей.

Итого стоимость собственно высокочастотного источника питания составила примерно 6200 рублей. Также были уплочены дополнительные деньги за паяльник с подставкой (11 000 рублей), и за два картриджа (6000 рублей).

Конечно, данные суммы можно немного оптимизировать, например на eBay в широком ассортименте представлены б/у компоненты Metcal, в таком случае речь может идти всего о нескольких десятках долларов, но это, пожалуй, уже вопрос личных предпочтений.

Еррата

1. Напряжение питания драйвера и предусилительного каскада можно было взять меньше, десять вольт вместо двенадцати, изменив соотношение витков вторичных обмоток 2:6 вместо 2:5, с соответствующим пересчётом витков первички и ёмкости резонансного конденсатора. В этом случае будут меньше греться не только драйвер и транзистор предусилителя, но и магнитопровод сетевого трансформатора;
   
2. Отключение провода паяльника на работающей станции не поддерживается, иногда это приводит к перезапуску микроконтроллера. Нужно подумать над дополнительным экранированием ВЧ-части (но это не точно).
   

Выводы

Ну и теперь самое главное, ради чего это всё затевалось: ощущения от работы с устройством. Ощущение, как будто работаешь очень мощным и сильно разогретым паяльником, при этом держа в руках маленький и лёгкий инструмент. Стоит ли это потраченных денег и усилий? Сложно сказать. Оставлю этот вопрос открытым.