Предыдущая публикация
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.
https://cxem.net/master/images/106-1.jpg
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.
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.
Источник: https://cxem.net/master/106.php
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.
Источник: https://cxem.net/master/106.php
Следующая публикация
Комментарии 1