Nazaj na prvo stran

Click here for english version
 

 

Napajalnik in regulator za spajkalnik Weller LR-21

 

Osnovno orodje vsakega elektronika je prav gotovo spajkalnik. Kdor se misli z elektroniko ukvarjati kolikor toliko resno (in udobno), vsekakor potrebuje dober spajkalnik. Sam sem se po dolgih letih slabih spajkalnikov odločil narediti krizi konec. Ogledoval sem si izdelke firme Weller in skoraj že kupil TCP-S z mehanskim regulatorjem, ko sem na E-bay po izredno ugodni ceni dobil LR-21. Ta za delovanje potrebuje elektronski regulator temperature. Slednji je dokaj drag - le zakaj si ga ne bi izdelal sam?Najprej sem skušal dobiti originalno shemo regulatorja in ga "klonirati". Shemo sem dobil, vendar je vsebovala integrirano vezje SL443, ki žal ni več v prodaji. Zato sem od originalne sheme uporabil samo en del, preostanek pa naredil na novo.Odločil sem se, da bo regulator:
1) proporcionalni z zvezno nastavljivo temperaturo (navadni ON-OFF regulator se mi zdi za tak spajkalnik nekoliko preveč prozaičen)
2) vklopi grelca morajo biti dovolj počasni, zato da ne povzročajo večjih induciranih tokov v okolici, predvsem v spajkanih elementih
3) zaradi 2. zahteve je najpametneje uporabiti izmenično omrežno napetost ter vklop grelca pri Un = 0
Zaradi 2. zahteve avtomatsko odpade klasična uporaba triaka za regulacijo moči z dolžino pulza znotraj omrežnega cikla. Obvezen je torej t. i. način "burst control", kjer moč grelca reguliramo z dolžino serije celih pulzov omrežne napetosti. Rabimo torej izmenično ali pa usmerjeno izmenično napajanje brez glajenja.
Za stikalni element (vklop grelca) sem uporabil MOSFET tranzistor IRFZ44. Izvedba vklopa je mogoča tudi s triakom (tako kot pri originalnem regulatorju WECP-20,) vendar se - ker ni na voljo i.c. SL443 - vklapljanje triaka nekoliko zaplete (rabimo impulz pri vsakem prehodu skozi ničlo, kar pa je brez uporabe graetzovega spoja malce težje izvedljivo.) V nekaterih trgovinah je tu in tam sicer še mogoče dobiti i.c.-je, ki so po funkciji podobni SL443 (to sta npr. U217 in TDA1024), vendar sem raje uporabil standarden material, ki je na trgu že desetletja in je bistveno lažje dostopen kot namenski čipi. Tako s servisiranjem naprave ne bo težav.


Slika 1: Shema (klikni za povečavo)





Opis delovanja

V spajkalnik LR21 je vgrajen PTC senzor za temperaturo. Ta z uporom R5 tvori napetostni delilnik. Z večanjem temperature se veča tudi napetost na delilniku, ki jo ojača ojačevalec z IC1a.
S potenciometrom R13 nastavimo želeno temperaturo grelca. Diferencialni ojačevalnik IC1b da na izhodu razliko napetosti med izhodom ojačevalnika (pin 1 na IC1a) in nastavljeno napetostjo R13 (2).
Komparator (IC2a) primerja to napetost s trikotno (no ja, približno trikotno) napetostjo na C8 (IC2b je generator trikotne napetosti) - izhod komparatorja je bodisi +5V bodisi 0V. S +5V sporoči grelcu, naj se vklopi. Vendar ne takoj - počakati mora, da je omrežna napetost ravno nekje blizu 0V. Takole:
tranzistor Q1 je ves čas med ničlama skoraj povsem odprt - to je logična ničla na "Clock" vhodu IC3. Ko napetost pride blizu ničle, se Q1 zapre, Prehod od logične 0 na 1 pa sproži prepis stanja, ki je na "D" z vhodu flipflopa, na Q izhod IC3 in posredno na MOSFET Q2 in ga odpre. Prepiše se tako 0 kot 1, torej se Q2 vklaplja in izklaplja pri prehodu napajalne napetosti za grelec skozi 0V.
Napajanje operacijskih ojačevalnikov (IC1) je nesimetrično - z D1 in D2 je ustvarjeno ravno toliko razlike, da pokrije razliko med max. izhodno in napajalno napetostjo (OPA namreč ni Rail-To-Rail!)
Zakaj primerjanje napetosti s senzorja z napetostjo trikotne napetosti? S tem reguliramo moč grelca, ta regulacija je osnova za proporcionalni regulator. Višja kot je napetost (temperatura), manj moči rabimo na grelcu, ko se temperatura (napetost) bliža nastavljeni napetosti (temperaturi). Tako grelec začne paravočasno zavirati, da T ne zleze čez nastavljeno vrednost. Na ta način se odpravi osnovna pomanlkljivost navadnega ON-OFF regulatorja, kjer temperatura neprestano opleta okrog nastavljene vrednosti.
Dioda D5 je na prvi pogled odveč, vendar preprečuje praznenje kondenzatorja C4, omogoči pa tudi impulze na bazi Q1 (če bi bil C4 dovolj velik, ne bi bilo impulzov.)
D-flipflop SN7474 je lahko tudi v CMOS izvedbi, uporabil sem pač to kar sem imel doma. Na vezju nista vrisani varovalki, ki sem ju kasneje montiral na obe navitji transoformatorja. Če za D-flipflop uporabimo CD4013, ga lahko napajamo z 12V, zato lahko odpadeta IC5 in C5, spremeniti pa bi morali vrednosti uporov R18 in R18, pa mogoče še dodati napetostni delilnik med izhod Q in vrata Q2.


Slika 2: Regulator v končni obliki (nalepka za skalo bo kmalu dobila novo podobo :)




Slika 3: Notranjost regulatorja




Prvi del sheme z obema operacijskima ojačevalnikoma je enak kot pri regulatorju WECP-20. Ostalo sem naredil na novo. Ko sem delal napajalnik, nisem imel podatkov za čip SL443A, zato so tudi nekatere vrednosti razlikujejo od originala. Podatke sedaj sicer imam (datasheet je na tej strani), in si iz podatkov lahko sami naredite povsem enakovredno vezje.
S trimerjem R2 nastavljamo spodnjo vrednost temperature, z R3 pa maksimalno vrednost. Preden priključite spajkalnik na končano vezje, je pametno namesto PTC vstaviti trimer 50 ohmov, s katerim simuliramo spremembo temperature, da preverimo delovanje (tabela upornosti in temperature je na tej strani.) Koristno je, če imamo osciloskop, da z njim preverimo impulze na Clk vhodu IC3 ter delovanje generatorja trikotne napetosti (frekvenca cca 1 sekundo.)
Ogrevanje hladnega spajkalnika poteka takole: če nastavimo vrednost nekje na polovici R13, je spajkalnik najprej vključen, potem pa se počasi začne izklapljati v vedno daljših impulzih, s frekvenco delovanja generatorja trikotne napetosti. Dolžina pulzov se nato ustali. Če regulator ni pravilno nastavljen, LED za nekaj časa ugasne - temperatura "ustreli čez", a se kmalu ustali okrog nastavljene vrednosti (glej priložene krivulje delovanja proporcionalnega regulatorja.)
Na koncu strani sem pripel podatke za upornost PTC v LR21 ter temperaturo, datasheet SL443A ter primere iz delovanja proporcionalnega regulatorja.
Še tole: napetost na izhodu IC1a je proporcionalna temperaturi spajkalne konice (no, vsaj v območju cca 100 stopinj do 400 stopinj) - Nekatere izvedbe regulatorjev imajo na tem mestu priključen digitalni voltmeter, ki kaže temperaturo.


Slika 4: oblike signalov, potek segrevanja


Predlogi za izboljšave:

Kot sem že omenil, lahko za D-flipflop uporabimo CD4013 in tako prihranimo nekaj prostora in materiala. Enostavno in koristno bi tudi bilo, če bi regulatorju dodali časovnik (timer), ki bi nas začel s piskanjem opozarjati, da je regulator že dolgo vklopljen in naj ga resetiramo (recimo po eni uri) in če tega ne storimo, se ogrevanje izklopi.
Kar se natančnosti in stabilnosti regulacije tiče, je možnih več izboljšav. Predvsem bi bilo koristno vzeti druge operacijske ojačevalnike, na primer LM308, ki ima izredno nizek temperaturni koeficient vhodne ofset napetosti (ali pa poiščemo sodobnejši OA s takimi ali boljšimi karakteristikami).
Za napetostno referenco lahko vzameno LM399, ki je tudi izredno stabilna (primerna je celo za zahtevne merilne instrumente). Tudi s tem bi izboljšali delovanje naprave, vendar bi morali spremeniti shemo (upor R1 na referenco, vrednost R1, R2 in R4 bi bilo potrebno preračunati, napajanje LM399 med GND in + polom C4). K stabilnosti bi pripomogla tudi uporaba stabilnejšega komparatorja, na primer LM311. Odveč tudi ne bi bila uporaba kvalitetnih metal film uporov ter čim manjših trimer potenciometrov. Ampak s tem bi naprava postala že prav nesramno stabilna :). Umerjanje
Proporcionalni regulator je nekoliko težje umeriti, saj ni nekega jasnega pogoja, kolikšna naj bi bila moč na grelcu pri dani temperaturi. Najlažje je, če merimo napetost na izhodu IC1a ali na stičišču R2, R3 in R4 ter s pomočjo priložene tabele in/ali formul za ojačanje operacijskega ojačevalnika merimo temperaturo, pri kateri se temeratura ustali - to vrednost zapišemo na skalo potenciometra. Potrebno bo nekaj eksperimentiranja.


Dodatki:

- tiskano vezje v formatu TIFF, enobarvno, 600×600 dpi, 57kB
- razvrstitev elementov po ploščici, 300×300dpi, 141kB
- Stran o regulaciji, v angleščini
- podatki o int. vezju SL443A, ki je uporabljeno v regulatorju WECP-20
- tabela upornosti PTC upora v spajkalniku v odvisnosti od temperature
- shema WECP-20 - 331kB (to je nekoliko starejši regulator za LR-21. Shema je narisana ročno, na nek forum jo je poslal neznani avtor)

:

...


R.R.
Datum zadnje obnove: 19. december 2015