Контроллеры керамического нагревателя паяльника

Контроллеры предназначены для регулировки и стабилизации керамического нагревателя без термодатчика мощностью 60 Вт в полном диапазоне температур, с высокой точностью и очень малым временем реакции на ее изменение. Схемы просты, построены на доступных компонентах. Принципы, положенные в основу, применимы для управления нагревателями разной мощности в сети переменного тока, и не только керамическими.
Основными узлами контроллеров являются мостовой выпрямитель D2, силовой ключ U1 с маломощным оптотриаком типа MOC3061, преобразователь ток-напряжение (ПТН) и компаратор Q1.

Для управления измеряется ток через нагреватель (Rh на схеме), пропорциональный его сопротивлению и, следовательно, температуре. Измерение производится в момент перехода сетевого напряжения через «ноль» или когда оно отключено для регулировки мощности. Команда на включение триака в следующем полупериоде вырабатывается (или пропускается) компаратором на TL431.

Работу схем удобно рассмотреть с момента включения паяльника с регулятором в сеть. Ключ заперт, через ПТН и нагреватель протекает ток, определяемый напряжением питания контроллера и сопротивлением самого нагревателя. Для керамического нагревателя с положительным температурным коэффициентом этот ток будет максимальным.

В схеме на Рисунке 1 через резисторы R3-R2 потечет ток, равный току через нагреватель, и сформируется уровень напряжения, который заведомо больше порога срабатывания TL431 (2.5 В), так как паяльник еще холодный и его сопротивление минимально. Триак откроется, как только это станет возможно, нагреватель получит полпериода сетевого напряжения и немного нагреется, а диод D1 отсечет ток ПТН, отключив тем самым ток управления триаком, который будет вынужден закрыться, когда напряжение на нем приблизится к нулю. С завершением полупериода процесс циклически повторяется до момента равенства амплитуды импульса на R3-R2 порогу Q1. На осциллограмме это выглядит как импульс с уменьшающейся до 2.5 В амплитудой, длительность которого около 100 мкс. Открывающий ток триак получит только после того, как немного остынет нагреватель, и включится после перехода напряжения сети через ноль. На Рисунках 2-4 показаны осциллограммы работы схемы управления в трех режимах стабилизации температуры нагревателя. Синий – напряжение на цепи R3-R2. Контроллеры работают в диапазоне напряжений 110-230 В и принципиально не создают коммутационных помех.

Теперь о нюансах. Остановимся на моменте равенства амплитуды импульса пороговому напряжению. Срабатывания компаратора нет, триак закрыт, и через нагреватель паяльника течет ток около 10 мА. Суммарный ток токового зеркала – 20 мА. Этот ток, как минимум, должен обеспечить резистор R4, а это около 4 Вт мгновенной мощности. Если допустить, что регулятор вывернут на минимум и оставлен, резистор должен выжить. Прямые измерения тока потребления схемы управления без тока через стабилитрон дали следующие результаты: 8.3/ 4.5/ 0.7 мА. Это при выключенном/ среднем/ полном нагреве. Если контроллер будет размещен в корпусе паяльника, а SMD комплектующие это позволяют, неизбежен дискомфорт из-за «немного нагретой» ручки. Считаем это недостатком данной схемы. Вторым будет узкий диапазон сопротивлений нагревателя из-за невозможности задавать ток измерения. Применить более мощные нагреватели не получится из-за неизбежного роста тока и… Смотри выше.

Схема, приведенная на Рисунке 5, частично решает проблему применением монитора тока типа ZXCT1009. Потребляемый ток уменьшен почти вполовину, рассеиваемая R4 мощность при любом раскладе не превышает 1 Вт. Но теперь, применяя более мощный нагреватель (с соответствующим тиристором), и уменьшая выходной ток ПТН уменьшением R6, придется пересчитать номиналы R2-R3 для сохранения границ регулировки температуры (или наоборот, рассчитать R6 под доступный номинал R2).

Сопротивление R1 указано для наихудшего случая – применения MOC3061. Меньшие токи управления MOC3062/3 или, к примеру, BRT21, BRT22, BRT23, IL4116, IL4117, IL4118 фирмы Vishay потребуют пропорционального увеличения. Номинал резистора R3 определяет нижнюю границу стабилизации температуры. Резистор R2 – это ширина зоны установки. Значения на схемах задают границы температуры от комнатной до предельной. При установке R3 в верхнее по схеме положение схема управления отключает нагреватель.