30.03.21

[Домашняя]

Предлагаемый стабилизатор оценивает температуру паяльника по зависящему от неё электрическому сопротивлению нагревателя.

Измерение производится в моменты, когда нагреватель кратковременно отключён от источника питания и его температура наиболее близка к температуре жала паяльника. В данном случае она не превышает 1.6 Вт. Образцовое напряжение для компаратора снимают со встроенного в таймер делителя напряжения и корректируют резисторами R2, R3, R5.  В положении минимального сопротивления переменного резистора R5 напряжение Uобр должно быть равно напряжению U2 при холодном паяльнике. В положении максимального сопротивления — напряжению U2 при паяльнике, нагретом до максимальной температуры. Если используемый омметр (мультиметр) не обеспечивает достаточной точности измерения сопротивления паяльника или просто нет желания рассчитывать сопротивления резисторов R2, R3 и R5, можно определить их экспериментально, временно включив вместо них между выводом 5 таймера и общим проводом многооборотный подстроечный резистор на 10 кОм.

Сначала при холодном паяльнике, постепенно увеличивая сопротивление подстроенного резистора, добейтесь включения нагревателя. Это будет сопротивление параллельно соединенных резисторов R2 и R3. Продолжая увеличивать сопротивление подстроенного резистора, и контролируя температуру жала паяльника, до­бейтесь стабилизации температуры на необходимом максимальном уровне. Вычтя из полученного значения сопротивления ранее найденное сопротивление параллельно соединенных резисторов R2 и R3, получите необходимое максимальное сопротивление переменного резистора R5. Безусловно, измерять со­противление временно установленного подстроенного резистора следует только после отключения его от устройства. После старта одновибратора уровень напряжения на выходе 3 таймера становится высоким, что открывает транзисторы VT1 и VT2 и включает нагреватель паяльника. Если номинальный ток нагревателя не превышает 1 А, можно заменить полевой р-канальный полевой транзистор VT2 биполярным структуры р-п-р, например, 2SB772 или другим с достаточными максимальным током коллектора, напряжением коллектор—эмиттер и коэффициентом передачи тока базы. Включают биполярный транзистор по схеме, показанной на рис. 3.

При большем токе этот транзистор будет сильно нагреваться и его придётся установить на теплоотвод. Полевому транзистору здесь теплоотвод не потребуется. Сопротивление резистора R8 приведено на схеме для транзистора 2SB772 с h21э > 30. Если этот параметр значительно отличается от указанного, резисторы R4 и R8 придётся подобрать. Необходимости сильно уменьшать сопротивление резистора R4 можно избежать, подключив его левый (по схеме рис. 1) вывод непосредственно к выходу 3 таймера DD1, минуя светодиод HL1. Катод светодиода в этом случае соединяют с общим проводом через дополнительный резистор сопротивлением около 1 кОм. При напряжении питания до 8 В желательно использовать светодиод красного цвета свечения, а при большем напряжении можно применить светодиод и другого цвета. Цепь R1C1 — времязадающая. От номиналов её элементов зависит время, на которое включается нагреватель в каждом цикле работы стабилизатора. Нужно учитывать, что это время зависит и от положения движка переменного резистора R5, которым изменяют пороги срабатывания таймера. В начале налаживания стабилизатора в качестве R1 впаивают резистор сопротивлением 100 кОм и проверяют работу прибора во всём заданном ин­тервале регулировки температуры стабилизации. После этого постепенно увеличивают сопротивление этого резистора, пока размах колебаний температуры жала не превысит один-два градуса Цельсия. После окончания цикла нагревания начинается новый цикл измерения температуры. Транзистор VT2 закрывается, и напряжение с делителя R10R* через интегрирующую цепь R9C2 поступает на вывод 2 таймера DD1. Во время работы нагревателя конденсатор С2 был заряжен почти до напряжения питания, после закрывания транзистора VT2 он разряжается через резистор R9 до напряжения на выходе делителя R10RM. Цепь R9C2 задерживает момент запуска одновибратора (измерения температуры) на время, необходимое для завершения переходных процессов, происходящих в момент переключения. Они связаны с разрядкой конденсатора С1, выбросами напряжения на индуктивности нагревателя и соединительных проводов и другими факторами. При любых подозрениях на неустойчивость стабилизатора нужно увеличить задержку, увеличивая ёмкость конденсатора С2 или сопротивление ре­зистора R9. Так как темп управления довольно низкий, эта задержка даже при максимальной температуре не оказывает заметного влияния на коэффициент заполнения импульсов, нагревающих паяльник. Когда нагреватель остынет до температуры, установленной с помощью переменного резистора R5, его сопро­тивление уменьшится настолько, что напряжение на входе 2 таймера станет ниже порогового. После этого одновибратор запустится вновь и цикл работы стабилизатора повторится. Тепловые процессы, происходящие в паяльнике, можно изучать, пользуясь упрощённой эквивалентной электрической схемой, изображённой на рис. 4.

В ней источник тепловой энергии заменен источником тока Gт1. Управляемый ключ S1 имитирует включение и выключение нагревателя. Когда он замкнут, ток источника заряжает конденсатор Си, имитирующий теплоёмкость нагревателя, до напряжения UH — эквивалента температуры нагревателя Rн. Далее через тепловое сопротивление между нагревателем и жалом Rнж жало паяльника теплоёмкостью Сж разогревается до температуры Тж (её эквивалент — напряжение Uж). Замыкание ключа S2 имитирует прикосновение жала к паяемым деталям, имеющим тепловое сопротивление относительно окружающей среды Rс. Тем­пература окружающей среды То представлена потенциалом общего провода U0. Исследовать поведение электрической модели можно с помощью любой программы моделирования электрических цепей. Я использовал Multisim. Модель была дополнена рассмотренной выше схемой стабилизатора температуры. На вход 2 таймера подавалось напряжение U„, а выход 3 таймера был соединён с управляющим входом ключа S1. Наибольшую трудность представил правильный выбор параметров элементов эквивалентной схемы в условиях, когда реальные значения тепловых параметров паяльника неизвестны. Поэтому элементы эквивалентной схемы были подобраны опытным путём, а результаты моделирования дали лишь качественную картину происходящих процессов. При высоком темпе управления и малой продолжительности работы нагревателя в каждом цикле стабилизируется температура самого нагревателя, поскольку он одновременно служит датчиком температуры. Но при неизменной температуре нагревателя на тепловом сопротивлении нагреватель—жало во время пайки наблюдается значительное падение температуры, при этом температура жала уменьшается. Если увеличить длительность включённого состояния нагревателя, он успевает нагреться значительно выше температуры жала. В паузах нагреватель за счёт сравнительно небольшой теплоёмкости быстро остывает, и его температура становится почти равной температуре жала. Именно в этот момент происходит измерение температуры нагревателя, по результатам которого определяется необходимость его повторного включения. В итоге при пайке температура жала меньше просаживается, что частично устраняет влияние того, что фактически измеряется температура не жала, а нагревателя. Максимальная длительность включения нагревателя ограничена теплоёмкостью паяльника, которая оказывается недостаточной для сглаживания колебаний температуры до приемлемых значений. Стабилизатор собран на печатной плате из фольгированного с двух сторон стеклотекстолита, изображённой на рис. 5.

На одной стороне платы фольгу не травят. Она служит общим проводом. Вокруг отверстий под выводы деталей, не соединяемые с общим проводом, фольга удалена путём зенковки сверлом большого диаметра. В остальные отверстия (на схеме расположения деталей они показаны залитыми) впаивают проволочные перемычки или пропаивают проходящие сквозь них выводы деталей с двух сторон. В качестве R10 можно использовать резистор МЛТ-2 или проволочный. Как самую горячую деталь, его лучше расположить, вообще, вне платы. Оксидные конденсаторы С1 и С4 могут быть как в корпусе. В для поверхностного монтажа, так и обычными с проволочными выводами. Места для последних обозначены С1* и С4*. Остальные конденсаторы и постоянные резисторы — типоразмера 0805 для поверхностного монтажа. Переменный резистор R5 — ВСП4-1А 0,5 Вт. В качестве VT2 может быть применён транзистор в корпусе SOT-223, ТО-252 или ТО-263. Посадочное место на плате подойдёт для любого из них. Крепёжные отверстия на плате не предусмотрены, её крепят в корпусе за резьбовую втулку оси переменного резистора R5. Это допустимо, поскольку плата имеет малые размеры и массу. Она не подвергается никаким механическим нагрузкам. Максимальное напряжение питания рассмотренного стабилизатора и практически равное ему напряжение питания паяльника ограничены допустимым напряжением питания таймера NE555D, равным 15 В, Если питать таймер от отдельного источника такого напряжения, то напряжение питания самого паяльника может быть значительно увеличено. Для этого можно подключить дополнительный интегральный стабилизатор напряжения 7812 (DA1) по схеме, показанной на рис. 6.

Это позволит работать с паяльником на напряжение до 35 В — максимально допустимого входного напряжения стабилизатора 7812. Транзисторы VT1 и VT2 в этом случае следует выбирать с максимальным напряжением коллектор—эмиттер (сток—исток), значительно превосходящим напряжение питания паяльника. Номиналы резисторов R7 и R8 должны быть подобраны так, что­бы при открытом транзисторе VT1 напряжение между истоком и затвором транзистора VT2 было около 10 В. Через диод VD2 при закрытом транзисторе VT2 протекает ток резистора R10, поэтому он должен иметь запас по допустимому прямому току и не нагреваться во время работы. Так как диод VD2 включён в измерительный мост, изменение прямого падения напряжения на нём под действием температуры может привести к изменению температуры стабилизации. Это будет особенно заметно при нагревателе с низким ТКС. Стабилитрон VD1 защищает вход микросхемы от избыточного напряжения, когда нагреватель включён. Его напряжение стабилизации может находиться в пределах 6...9 В.  Для дальнейшего увеличения напряжения питания паяльника нужно позаботиться об ограничении напряжения на входе стабилизатора напряжения питания таймера и измерительного моста, использовать для управления нагревателем ключ с оптической развязкой.

Радио №12 2015г стр. 25