RadioRadar - Радиоэлектроника, даташиты, схемы

https://www.radioradar.net/radiofan/radiofan_technology/temperature_controller_board_heater.html

Терморегулятор для подогревателя плат

Элементы для поверхностного монтажа (SMD - Surface Mounted Device) всё более и более проникают в радиолюбительскую практику. Вместе с ними появляется и необходимость в соответствующем оборудовании, так как обычного паяльника иногда бывает уже недостаточно. Вместо паяльника при изготовлении плат с такими элементами часто используют термостатированный фен, а в профессиональных целях - инфракрасные станции. И то, и другое предназначено для прогрева платы сверху, но для качественного монтажа желателен и её подогрев снизу. Для этого используют так называемые нижние подогреватели, которые предотвращают коробление платы и растрескивание керамических компонентов из-за перепадов температуры. Кроме этого, предварительный нижний подогрев платы позволяет сократить и время прогрева элементов на ней сверху, что снижает риск повреждения элементов из-за перегрева.

Вряд ли найдётся радиолюбитель, оспаривающий полезность подогрева платы снизу, но в радиолюбительской практике использование таких нагревателей пока ограничено. И связано это прежде всего с тем, что такое оборудование предназначено, как правило, для профессионалов, а значит, оно недешёвое. В то же время потребность в доступных по цене подогревателях есть, и радиолюбители приобретают готовые изделия или изготавливают их самостоятельно. Для нагревателей не лишним будет терморегулятор, который позволит установить необходимую температуру. Описание такого регулятора приводится далее. Он предназначен для совместной работы с так называемой нагревательной панелью с термостатом [1]. Основное её назначение - нагрев плат с керамическим или алюминиевым основанием, типичными представителями вторых являются платы светодиодных сетевых осветительных ламп и различные светодиодные модули. Особенностью применённого нагревателя является наличие в нём встроенного термостата - позисторов или резистивных элементов с PTC - Positive temperature coefficient (сопротивление возрастает с увеличением температуры). Это обеспечивает быстрый нагрев и ограничивает максимальную температуру. По крайней мере, заявленное в описании нагревателя время прогрева до рабочей температуры 30 с близко к истине.

Рабочая температура поверхности нагревателя составляет 250±10 ^оС, что вполне достаточно для оперативной замены вышедших из строя SMD-компонентов. Но такая высокая температура для некоторых типов плат недопустима или нежелательна, поэтому возможны несколько вариантов решения этой проблемы. Первый вариант - изготовить специальный держатель, который обеспечит расстояние несколько сантиметров от нагревателя до платы, и оснастить эту конструкцию полноценным микропроцессорным регулятором температуры с развитыми управлением и индикацией. Такой вариант приве-дён в [2], причём эта конструкция по своим параметрам близка к профессиональным подогревателям плат.

Второй вариант - ввести между поверхностью нагревателя и платой теплоизолятор. Автор проводил эксперимент с так называемой губкой для очистки паяльника толщиной 1,2 мм и получил удовлетворительные результаты, за исключением того, что эта губка при температуре 250 ^оС немного подгорает. В качестве дешёвой альтернативы можно использовать паронит, но он содержит асбест, что может быть вредным.

Третий вариант - оснастить нагреватель простым терморегулятором и осуществлять нагрев прямым контактом поверхности нагревателя с подогреваемой платой, проще говоря, класть плату прямо на металлическую поверхность нагревателя. Для тех, кто по каким-либо причинам не приемлет прямой тепловой контакт, можно предложить теплопроводящую прокладку "Номакон", которая часто используется для электроизоляции транзисторов, тиристоров и т. д. от теплоотвода. Кроме этого, на Алиэкспресс продаётся теплопроводящая губка с липким слоем, которая отличается от "Номакона" тем, что не является электроизолятором, но в нашем случае этот недостаток не имеет никакого значения.

Рис. 1. Схема терморегулятора

Автором был использован последний вариант, а схема терморегулятора показана на рис. 1. Схема относительно проста, в ней, например, отсутствует гистерезис, а компаратор выполнен на ОУ. Эта простота обусловлена тем, что требуемые для такого рода регулятора свойства уже имеются в использованных в устройстве элементах. У симистора, в отличие от транзистора, есть одно очень полезное в данном случае свойство, если он откроется, то останется в этом состоянии до конца протекания через него тока, в данном случае до окончания проходящей через него полуволны сетевого напряжения. Иначе говоря, первый же открывающий импульс откроет симистор, и последующий за этим дребезг уже не будет влиять на симистор до окончания полуволны сетевого напряжения. Кроме того, в применённом оптроне MOC3083IVI встроен узел "перехода через ноль". Это означает, что симистор открывается не при каждом управляющем импульсе на выходе компаратора, а только при том, который обеспечит открытие симистора вблизи перехода через ноль сетевого напряжения. Это исключает фазовое управление, обеспечивая снижение помех от регулятора. Поэтому в качестве компаратора можно использовать обычный ОУ и не применять каких-либо дополнительных средств для стабилизации управления симистором.

К разъёму ХТ1 подсоединён термодатчик, в качестве которого использована термопара типа К [3], её горячий спай вставлен в нагреватель со стороны проводов нагревательного элемента. Для усиления сигнала термопары использована распространённая в Интернете схема усилителя на ОУ DA1.1 с однополярным питанием и термокомпенсацией на диоде VD1. Этот диод должен располагаться вблизи от разъёма XT 1, к которому подключена термопара. В данном случае эта термокомпенсация весьма желательна, поскольку плата терморегулятора установлена в металлический корпус, к которому через металлические же стойки прикреплён нагреватель, т. е. часть тепла от нагревателя неизбежно передаётся на корпус, а значит, и на плату терморегулятора.

Терморегулятор имеет два режима. Первый - "Подогреватель" - для стеклотекстолитовой платы, второй - "Керамика" - для плат с металлическим или керамическим основаниями. Режимы переключаются движковым переключателем SA1. Режим "Керамика" является штатным для этого типа нагревателя, он обеспечивается путём подачи на неинвертирующий вход компаратора на ОУ DA1.2 напряжения питания, которое заведомо больше напряжения на инвертирующем входе. В режиме "Подогреватель" с помощью многооборотного подстроечного резистора R5 устанавливают требуемую температуру нагрева, например 170...180 ^оС. Автор использовал для измерения температуры поверхности нагревателя мультиметр с входящей в его комплект термопарой.

Терморегулятор питается от сети от бестрансформаторного неизолированного источника питания на балластном конденсаторе С5, диодном мосте VD3, стабилитроне VD2 и сглаживающем конденсаторе С3, что требует особой осторожности при налаживании.
Наладка терморегулятора осуществляется следующим образом. Вынув термопару из нагревателя и отсоединив провода самого нагревателя от регулятора, включают режим работы "Керамика" и подают напряжение 230 В на разъём XT2. Измеряют напряжение на стабилитроне VD2, оно должно быть около 5,1 В. Если оно значительно меньше, придётся заменить конденсатор С5 конденсатором большей ёмкости. Не забываем при этом, что он должен быть рассчитан на работу в сети 230 В. Если напряжение на стабилитроне совсем немного меньше требуемых 5,1 В, конденсатор С3 можно не менять, устройство сохраняет свою работоспособность и в этом случае.

Убеждаются, что светодиод HL1 светит, а на разъёме ХТ3 присутствует напряжение 230 В. Если этого напряжения нет, надо замкнуть выводы светодиода и проверить напряжение на разъёме ХТ3. Если это напряжение появилось, сопротивление резистора R12 слишком велико и надо установить резистор с меньшим сопротивлением. Переключаются в режим работы "Подогреватель" и сравнивают напряжение на неинвертирующем входе ОУ DA1.1 с напряжением на левом по схеме выводе резистора R7, первое должно быть не намного больше второго. Если это не так, то либо в монтаже ошибка, либо необходимо изменить сопротивление резистора R3. При положении движка подстроечного резистора R5 в верхнем по схеме положении напряжение на выходе ОУ DA1.2 должно быть близко к нулю, светодиод HL1 гореть не должен, а на разъёме ХТ3 не должно быть напряжения сети. По мере вращения движка подстроечного резистора R5 светодиод должен загореться, а на разъёме ХТ3 - появиться напряжение сети 230 В.

Отключают терморегулятор от сети, устанавливают движок резистора R5 в верхнее по схеме положение, вставляют термопару в нагреватель и подключают его к разъёму ХТ3. После подключения к сети светодиод гореть не должен, соответственно и нагреватель не должен нагреваться. Понемногу вращают движок подстроечного резистора до тех пор, пока светодиод не включится на полную яркость и соответственно начнётся нагрев. Спустя некоторое время яркость свечения светодиода уменьшится, он начинает гореть в "полнакала", это означает, что терморегулятор вошёл в режим регулирования температуры. Если в этом режиме измерить напряжение на нагревателе, то оно будет нестабильным и менее 230 В. Затем с помощью подстроечного резистора увеличивают температуру поверхности нагревателя до требуемого значения, контролируя её внешним измерителем температуры.

Рис. 2. Чертёж печатной платы и размещение элементов на ней

Чертёж печатной платы, изготовленной из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм, показан на рис. 2. При изготовлении терморегулятора использованы постоянные резисторы МЛТ, С2-23, подстроечный - СП5-2. Оксидный конденсатор - импортный, остальные - плёночные серии К73-17. ОУ LM358N в корпусе DIP8 можно заменить аналогичным других производителей. Симистор установлен на теплоотвод, представляющий собой дюралюминиевую пластину любого пригодного для платы размера, разъёмы ХТ1-ХТ3 - клеммники DG340-3.81-02P-12-00AH, переключатель - движковый двухпозиционный, диодный мост KBP208 можно заменить подходящим по корпусу с максимальным прямым током не менее 2 А и с допустимым обратным напряжением не менее 400 В. Стабилитрон BZX55C5V1 можно заменить другим маломощным с номинальным напряжением стабилизации 5,1 В. Плавкая вставка FU1 - ВПБ6-13 5А (S1014, 5,2х х20 мм стекло), 250 В.

Рис. 3. Конструкция терморегулятора

На рис. 3 показана конструкция терморегулятора, совмещённого с нагревателем, который установлен на высоких стойках, причём, чем выше стойки, тем лучше, так как, во-первых, при этом меньше греется сам терморегулятор, а во-вторых, подогреватель исполняет ещё и функцию монтажного столика, а при работе с лупой чем выше столик, тем удобнее с ним работать.

Автор считает необходимым сообщить начинающим радиолюбителям, собравшим эту конструкцию, порядок пользования ею, например, при монтаже микросхемы: 

-устанавливают подготовленную к пайке плату на подогреватель;

-размещают на посадочное место на плате подлежащую пайке микросхему;

-включают терморегулятор в сеть 230 В;

-ждут, пока светодиод станет светить вполнакала;

-с помощью фена припаивают микросхему;

-не снимая плату, отключают устройство от сети, ждут его остывания;

-снимают плату с подогревателя.