Стабилизатор температуры низковольтного паяльника без специального датчика

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.

Этот стабилизатор подходит для паяльника с номинальным напря­жением питания от 4,5 до 15 В, но мо­жет быть доработан для работы с паяльником, работающим при напря­жении до 35 В. Нагреватель паяльника должен быть изготовлен из материала с возможно большим положительным ТКС. Лучший результат получается с ке­рамическим нагревателем. Но и с на­гревателем из нихрома стабилизатор тоже работает.

Приступая к изготовлению стабили­затора, нужно измерить сопротивле­ние нагревателя при холодном и разо­гретом до максимальной температуры паяльнике, поскольку от этих парамет­ров зависят номиналы многих элемен­тов устройства. Мне однажды попался паяльник, нагреватель которого вёл себя подобно угольному микрофону, реагируя изменением сопротивления на любое нажатие. Безусловно, с та­ким паяльником стабилизатор рабо­тать не сможет. Поэтому во время из­мерения сопротивления нагревателя в горячем состоянии нажмите на жало паяльника и слегка постучите им по ка­кому-нибудь предмету, имитируя пайку. Никаких изменений сопротивления при этом наблюдаться не должно.

Схема стабилизатора изображена на рис. 1. Указанные на ней номиналы элементов выбраны исходя из работы с паяльником, имеющим нихромовый на­греватель (он показан на схеме в виде резистора R_н) с холодным сопротивле­нием около 3 Ом и напряжением пита­ния 7 В.

Таймер NE555D (DD1) включён по схеме одновибратора. Для его запуска требуется, чтобы напряжение U₂ на входе S (выводе 2) таймера стало ниже, чем корректируемое резисторами R2, R3 и R5 образцовое напряжение, посту­пающее на вход внутреннего компара­тора таймера от внутреннего делителя его напряжения питания. Напряжение U₂ образуется при протекании измери­тельного тока через резистор R10 и нагреватель паяльника R„. В итоге об­разуется подключённый к входам внут­реннего компаратора микросхемы DD1 измерительный мост, схема которого показана на рис. 2. Сопротивление нагревателя R_н на этой схеме условно показано в виде терморезистора.

Сопротивление резистора R10 долж­но быть таким, чтобы напряжение U₂ не выходило за пределы от 0,5 В до чет­верти напряжения питания, поэтому его номинал выбирают из условия

где R_нг и R_нх — сопротивление нагрева­теля соответственно в горячем и хо­лодном состояниях; U_пит — напряжение питания.

Я выбрал резистор R10 сопротивле­нием 24 Ом, что при напряжении пита­ния 7 В и холодном паяльнике соответ­ствует напряжению U₂ около 0,8 В. Мак­симальную мощность, рассеиваемую на резисторе R10, вычисляют по фор­муле

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. Оно равно

Значения сопротивления быть заданы в килоомах.

В положении минимального сопро­тивления переменного резистора R5 напряжение U_обр 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 под­строенный резистор на 10 кОм.

Сначала при холодном паяльнике, постепенно увеличивая сопротивление подстроенного резистора, добейтесь включения нагревателя. Это будет сопротивление параллельно соединённых 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 соединённых резисто­ров R2 и R3, получите необходимое мак­симальное сопротивление переменного резистора R5. Безусловно, измерять со­противление временно установленного подстроечного 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 p-канальный полевой транзистор VT2 биполярным структуры p-n-p, 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 h21_э > 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 интегрируюшую 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 R10R_н. 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 заменён источником тока GI1. Управляемый ключ S1 имитирует включение и вы­ключение нагревателя. Когда он замкнут, ток источника заряжает конденсатор С_н, имитирующий теп­лоёмкость нагревателя, до напря­жения U_н — эквивалента температу­ры нагревателя Т_н. Далее через теп­ловое сопротивление между нагре­вателем и жалом R_н-ж жало паяль­ника теплоёмкостью С, разогрева­ется до температуры Т_ж (её эквива­лент — напряжение U_ж). Замыкание ключа S2 имитирует прикосновение жала к паяемым деталям, имеющим тепловое сопротивление относи­тельно окружающей среды R_д-с. Тем­пература окружающей среды Т₀ 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_н, 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 рас положить, 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. Сопротивле­ние и мощность резистора R10 следует рассчитать по приведённым ранее фор­мулам, подставив в них в качестве U_пит выходное напряжение стабилизатора DA1 (12 В) за вычетом падения напря­жения на диоде VD2.

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.

Автор: А. СКИРДА, г. Жуковский Московской обл.
Источник: журнал Радио №12, 2015