Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Sklep HeluKabel
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Podgrzewacz - Hotplate z regulatorem temperatury PID do lutowania laserów

yego666 26 Lut 2018 01:26 4797 13
  • Podgrzewacz - Hotplate z regulatorem temperatury PID do lutowania laserów
    Ukończyłem konstrukcję podgrzewacza, który ma mi służyć głównie do lutowania struktur laserowych UMB (Unmounted Laser Bar) do bloków miedzianych.
    Miałem do wyboru albo zakup gotowego regulatora PID z Chin i zbudowanie podgrzewacza wokół tego urządzenia, albo zaprojektować regulator PID oraz resztę podgrzewacza samodzielnie. Za gotowy moduł PID zapłaciłbym zapewne ok. $25, co nie jest wysoką ceną, lecz za każdym razem gdybym chciał powielić urządzenie lub zrobić podobne, musiałbym ponownie zapłacić. Zdecydowałem więc, że wolę się czegoś nowego nauczyć i stąd powstała konstrukcja, którą przedstawiam poniżej.
    Założenia projektowe były raczej skromne, gdyż urządzenie miało utrzymywać stałą temperaturę w zakresie od temperatury otoczenia do 140 stopni Celsjusza z dokładnością +/-1 stopień dla dowolnej temperatury z założonego zakresu. W ciągu miesiąca udało mi się stworzyć urządzenie, które spełnia powyższe założenie z dużym nadmiarem. Jak pokazuje pierwsze zdjęcie - nie do końca udało mi się uniknąć wpływów dalekowschodnich, ale nie mogę narzekać, gdyż niezamierzone podobieństwo do pagody dodaje konstrukcji nieco lekkości i finezji.
    Konstrukcję rozpocząłem od stworzenia schematu elektrycznego, a następnie wybrania obudowy. Szczęśliwym trafem moja Pani potrąciła kulę z piorunami, którą otrzymaliśmy z 10 lat wcześniej od znajomych (których na szczęście nie bardzo lubimy), więc mogłem z czystym sumieniem dać ocalałej podstawie nowe życie po życiu. W podstawie mieści się cała elektronika, a ponad nią zamontowane są grzałki, wentylator oraz płyta aluminiowa wraz z czujnikiem temperatury.
    Jak widać na obrazku poniżej, elementami grzejnymi są dwa rezystory o mocy 50W każdy, a wiatraczek chłodził kiedyś procesor ALPHA w serwerze ES40. Jako czujnika temperatury użyłem tranzystora krzemowego o najwyższej dopuszczalnej temperaturze pracy złącza. W tym przypadku znalazłem w swoich zapasach taki tranzystor, który może pracować przy 200 stopniach Celsjusza.
    Podgrzewacz - Hotplate z regulatorem temperatury PID do lutowania laserów
    Idąc dalej tym tropem, postanowiłem użyć zasilacz od starego laptopa firmy HP (laptopy kiepskie, ale zasilacze dobre :)), który daje 19.7V napięcia i prawie 5A prądu na wyjściu. Wszystkie potrzebne napięcia, a więc 3.3V, 12V oraz 19.5V, uzyskuję właśnie z tego zasilacza. Przy pełnej mocy dostarczanej do grzałek uzyskałem temperaturę bloku aluminium równo 201 stopni Celsjusza. Nie mam zamiaru usmażyć czujnika, więc programowo ograniczyłem zakres pracy do 170 stopni. W zasadzie wystarczy mi 140 stopni, ale może przy okazji będę miał mały preheater do lutowania układów BGA lub QFN.




    Początkowo zamierzałem użyć standardowego wyświetlacza LCD 2x20 znaków, lecz natrafiłem na kilka uszkodzonych telefonów Nokia 6810i, które posiadają wyświetlacze graficzne 130x130 pikseli. Kolorowy wyświetlacz niewątpliwie ożywia urządzenie, więc po znalezieniu jego parametrów, włożyłem taki wyświetlacz do urządzenia i już tam pozostał. Efekt widać na zdjęciu poniżej.
    Podgrzewacz - Hotplate z regulatorem temperatury PID do lutowania laserów
    Mogę wyświetlać sporo informacji, a to jest niewątpliwie zaletą, szczególnie gdy trzeba zadawać kilka parametrów jednocześnie tak, jak to bywa przy kalibracji temperatury. Kalibracja jest oczywiście niezbędna, gdyż parametry nowego czujnika mogą znacznie odbiegać od poprzedniego, stąd kalibrację przeprowadzam dla dwóch temperatur: 32 i 96 stopni. Następnie procesor rozwiązuje prosty układ dwóch równań liniowych i stąd mamy dokładny wykres zależności temperatury od odczytywanej wartości z przetwornika A/D. Jak wiadomo - w zakresie omawianych temperatur czujniki półprzewodnikowe charakteryzują się ujemnym współczynnikiem temperaturowym wynoszącym około 2 mV/stopień. Jest to niewielki współczynnik, stąd musiałem wzmocnić sygnał wejściowy we wzmacniaczu pomiarowym, który dodatkowo przesuwa sygnał z czujnika tak, by tylko zmiany od najniższej do najwyższej temperatury pokrywały pełny zakres przetwornika A/D, czyli 10 bitów przy napięciu 3.3V. Dokładność kalibracji dodatkowo sprawdziłem dla całego zakresu miernikiem z termoparą typu K. Odchył nie przekracza 1 stopnia w całym zakresie.
    Podgrzewacz - Hotplate z regulatorem temperatury PID do lutowania laserów
    Utrzymywanie temperatur w dolnym zakresie również nie stanowi problemu a dodatkowo niskie temperatury osiąga się dużo szybciej niż te wysokie. Do 170 stopni układ rozgrzewa się przez około 16 minut, ale studzi się do temperatury otoczenia w 5 minut. Dla mnie nie jest to problem, gdyż przy lutowaniu lasera istotne jest utrzymanie wyższej temperatury przez jakiś czas, a następnie jej szybkie obniżenie i utrzymanie na niższym poziomie, po czym bardzo szybkie ostudzenie poniżej 80 stopni. Czas dojścia do najwyższej temperatury nie jest zatem krytyczny, a przy 80 Watach mocy i sporym bloczku aluminiowym do ogrzania, to i tak całkiem niezły czas.
    Tuning parametrów regulatora PID to zupełnie osobny temat, nad którym spędziłem dwa dni zanim otrzymałem wymagane rezultaty.
    Na koniec postu jeszcze kilka obrazków urządzenia.
    Podgrzewacz - Hotplate z regulatorem temperatury PID do lutowania laserów Podgrzewacz - Hotplate z regulatorem temperatury PID do lutowania laserów
    I jeszcze widok niezmontowanej płytki. Gdy otworzę urządzenie, zrobię zdjęcie zmontowanej płytki i wnętrza urządzenia.
    Podgrzewacz - Hotplate z regulatorem temperatury PID do lutowania laserów
    Trudno mi oszacować koszt wykonania całości urządzenia, gdyż większość elementów już posiadałem, ale na przykład procesor kosztował 7.2 pln, a blok aluminium około 6 pln. Nie licząc czasu, szacuję, że gdyby zakupić wszystkie elementy w sklepie, to koszt nie przekroczyłby 50 pln, co jest wartością znacznie poniżej pułapu $25 jedynie za regulator PID.
    Uwagi szanownych Kolegów dotyczące ich doświadczeń z podobnymi konstrukcjami lub inne - byle na temat - są jak zawsze mile widziane.


    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz pendrive 32GB.
  • Sklep HeluKabel
  • #2 26 Lut 2018 15:11
    tesla97
    Poziom 12  

    Do czego służy wentylator w tym projekcie? Do schładzania płyty?
    A i dlaczego ścieżki na PCB pod kątem prostym?

  • Sklep HeluKabel
  • #4 26 Lut 2018 16:55
    aklosek
    Poziom 12  

    Jaki procesor zastosowałeś i w jakim języku napisałeś do niego program ??

  • #5 26 Lut 2018 18:02
    TechEkspert
    Redaktor
  • #6 26 Lut 2018 21:30
    yego666
    Specjalista PLD

    Po kolei:
    Wiatrak chłodzi talerz, i to calkiem skutecznie.
    Przy czestotliwosciach rzedu 122 Hz (PWM) ksztalt ścieżek nie ma znaczenia.

    Program w całości napisałem w C. Całością zarządza Mega8A biegający na wewnętrznym zegarze RC 8MHz.

    Film zapewne zamieszcze, ale za jakiś czas. Uważam, że Elektroda to nie przedszkole by użytkownicy musieli zobaczyć jak działa urządzenie. Zwykle elektronicy dysponują dość dobrą wyobraźnią i mogą sobie łatwo wyobrazić potencjalne zastosowania. Niemniej, gdy zrobię film, to go zamieszczę

  • #7 26 Lut 2018 21:45
    bolek
    Specjalista - oświetlenie sceniczne

    Jakiej mocy masz te diody, co z nich robisz?. (jeśli można wiedzieć)

  • #8 26 Lut 2018 23:37
    yego666
    Specjalista PLD

    Mam całkiem sporo struktur laserowych różnej mocy i długości fali. W sumie będzie kilka setek. Są wśród nich zarówno ( nie wiem jak to się nazywa po polsku ) Unmounted Bars z wieloma emiterami ( zwykle 19 ) jak też pojedyncze emitery. Rozmiary od 10mm na Bar do 0.3mm na strukturę. Część z nich posiada tagi z trybem pracy, typem, mocą i kolorem :) , a inne są opisane kodami producenta. Próbowałem się kiedyś dowiadywać o znaczenie tych kodów u producentów, ale bez skutku.
    Najsilniejsze z laserów to linijki (Bar) o mocy 100W (808nm) QCW, potem są takie o mocy od 40W do 10W (808nm) CW, a dalej te mniejsze o mocy kilku watów do pojedynczych mW. Jest trochę czerwonych laserów ( chyba 650nm) i takie około 1100nm, oraz sporo pomiędzy tymi wartościami. Może zamieszczę kilka zdjęć swoich zasobów gdy dotrę do domu za kilka dni, o ile Cię to interesuje.
    Dotąd traktowałem lasery i ich "produkcję" jako słabo-dochodowe hobby, bo nie poświęcałem się tej działalności, ale może teraz, posiadając odpowiednie narzędzie bardziej się tym zajmę. Mam jakieś plany co do potencjalnych zastosowań, ale póki co, nic co ocierałoby się o oświetlenie sceniczne czy też estradowe. Niemniej, jestem otwarty na ciekawe pomysły :). Dla urozmaicenia tematu załączam fotkę pracującego emitera lasera 40W, który własnoręcznie zmontowałem... i sprzedałem. Sam efekt wizualny jest wart wysiłku...
    Podgrzewacz - Hotplate z regulatorem temperatury PID do lutowania laserów

    Wracając jednak do samego podgrzewacza, to jego konstrukcja była wyzwaniem z tego względu iż należało połączyć standardowy świat z elementami pracującymi w wysokich temperaturach. Na przykład takie przewody doprowadzające energię do grzałek nie mogły być dowolne z wielu względów. Po pierwsze izolacja musiała być cechowana na co najmniej 200 stopni ( standard to 105 stopni ), mocowanie nie mogło być lutowane a skręcane śrubami lub zagniatane. To samo dotyczy czujnika temperatury. Wiatrak musiał być bardzo wydajny, by sprostać wymogowi dużego przepływu przy niewielkich gabarytach. Sama elektronika to kilka tranzystorów N-MOS i drivery TC426, kilka regulatorów napięcia ( 12V i 3.3V ) oraz wzmacniacz pomiarowy ( instrumentation amplifier) ze źródłem prądowym zasilającym czujnik temperatury. Reszta to program sterujący urządzeniem. Zasadniczo jest prosty, ale mój wybór wyświetlacza znakomicie skomplikował sprawy :). Suma sumarum gdybym użył standardowego wyświetlacza LCD, zaoszczędziłbym z tydzień czasu.
    Niemniej, efekt wizualny był w mojej ocenie wart zachodu.

  • #9 27 Lut 2018 01:17
    pikarel
    Poziom 31  

    Podoba mi się Twoje wykonanie urządzenia.
    Minimalistycznie (bez zamocowania lutowanego elementu), ale zgodnie z potrzebami.

    Przeglądając czeluście sieci znalazłem ciekawą propozycję (strona: Projects of Jaanus Kalde), przydatną przy lutowaniu na małych płytkach.
    Do podgrzewania użyta jest również płytka PCB 100x100mm, której mozaika ścieżek jest jednocześnie grzałką (podobnie do ogrzewanej szyby w samochodzie).
    Temperatura zależy od prądu ustawionego w zasilaczu, a może wynosić tyle, ile wytrzyma zastosowany laminat (na stronie podano 3A przy 12V).
    Jako podkładki pod taki podgrzewacz można użyć choćby deski kuchennej.
    To rozwiązanie jest tak proste, że aż genialne, oczywiście przy sporadycznej potrzebie użycia takiego podgrzewacza.

  • #10 27 Lut 2018 01:47
    yego666
    Specjalista PLD

    Dzięki za docenienie ergonomicznego piękna urządzenia ;)

    Rzeczywiście, mocowanie podgrzewanego elementu raczej by przeszkadzało, tym bardziej, ze rozmiary i kształty "klocków" miedzianych używanych jako podstawy laserów bywają raczej bardzo rozmaite i niestandardowe, stąd brak jakiegokolwiek mocowania.

    Pomysł preheatera z płytki miedziowanej jest całkiem fajny, jednakże na pewno nie osiągnąłbym na tym 170 stopni przez dłuższy czas. Cienkie ścieżki miedziane bardzo szybko by się odkleiły od podłoża i to byłby koniec urządzenia. Ja potrzebowałem czegoś na dłuższy czas. Niemniej sam pomysł na podgrzewacz do herbaty całkiem fajny i niewątpliwie oszczędny.

  • #11 28 Lut 2018 14:53
    bolek
    Specjalista - oświetlenie sceniczne

    @yego, Takim BARem można fajnie podpalić samochód sąsiada (bez śladów, chyba że ma kamere widzącą w IR), ale problemem jest zdobycie odpowiedniej optyki. ;)
    No i przede wszystkim hermetyczna puszka z odessanym powietrzem, bo przy takiej mocy strukturę załatwi się przypalonym kurzem.
    Czasami na ebay idzie zdobyć zdezelowane głowice DPSS, ciężko to ożywić, ale w sumie jak nie ma co robić ze strukturami to zabawa przednia.

    Próbowałeś używać stopu Wooda?. Jak radzisz sobie z ESD, ile struktur ubiłeś?

  • #12 28 Lut 2018 23:32
    yego666
    Specjalista PLD

    Stop Wood'a ma za niską temperaturę topnienia do moich celów. Do lutowania laserów używam czystego Indu oraz stopu Indu i Cyny. Proces jest dwufazowy, więc i dwa różne spoiwa. Uszkodziłem kilka bar'ów, ale dużo więcej opyliłem i klienci byli zadowoleni :) . Co do przypalania sąsiadów, to może i fajna zabawa, ale jej nie praktykowałem, za to na Utubie jest kilka filmików z zamierzchłych czasów, gdzie przypalam jakąś biedną płytę CD, czy też może pudełko od niej. Jakość jest denna, ale taki miałem wtedy aparat. Może znów popełnię jakiś filmik, ale już lepszym sprzętem. Nie omieszkam się pochwalić.
    Zasadniczo UMB są używane do pompowania kryształów, ale nigdy tego nie robiłem. Za dużo z tym zabawy, a ja nie cierpię na nadmiar czasu :( .
    Jeden bar faktycznie uszkodziłem z powodu zabrudzonej soczewki FAC. Wybuch był jak się patrzy, ale i laser i FAC były do wyrzucenia.
    Jutro, jeśli czas pozwoli, wlepię kilka fotek swojego stanu posiadania, a jest tego trochę.

    1-marca
    Tak jak obiecałem, poniżej kilka fotek części tego czym zostałem pobłogosławiony przez dobry los. Barów jest w sumie około 200, a innej drobnicy około 400 sztuk. Jest zatem czym się bawić. Pojedynczy BAR taki jak na zdjęciu ma szerokość 10mm i głębokość 2-3mm, zależnie od typu. Najwięcej jest laserów 780nm i 808nm oraz 1300nm. żeby tylko był czas się tym wszystkim pobawić :). Pudełek jest dużo,
    Podgrzewacz - Hotplate z regulatorem temperatury PID do lutowania laserów
    a w każdym skarby:
    Podgrzewacz - Hotplate z regulatorem temperatury PID do lutowania laserów
    Są też sprawne, jednostki dużej mocy jak poniżej
    Podgrzewacz - Hotplate z regulatorem temperatury PID do lutowania laserów
    Większość tego śmiecia jest dość słabo opisana, ale wystarczająco, by zabawa miała sens.
    Na razie jeszcze "dopieszczam" swój "opiekacz" do laserów. Dodałem mu funkcje auto shutdown, na wypadek gdybym zapomniał go wyłączyć, bezpośredni odczyt mocy podawanej na grzałki, sygnalizację dźwiękową dla różnych zdarzeń takich jak osiągnięcie nastawionej temperatury, wciśnięcie klawisza, czy zapis parametrów do EEPROMU, oraz parę innych kosmetycznych bajerków, żeby ładniej wyglądało na wyświetlaczu.
    5-marca-2018
    W związku z uaktualnieniem softu musiałem rozebrać urządzenie, stąd miałem sposobność zrobienia zdjęć płytki z zamontowanymi elementami.
    Podgrzewacz - Hotplate z regulatorem temperatury PID do lutowania laserówPodgrzewacz - Hotplate z regulatorem temperatury PID do lutowania laserówPodgrzewacz - Hotplate z regulatorem temperatury PID do lutowania laserów
    Lutowana strona nie jest najpiękniejsza, ale czasy gdy się tym martwiłem już dawno minęły. To co ważne działa w 100 procentach.
    Ostatnio nawet wynalazłem dość nietypowe i nieplanowane zastosowanie dla podgrzewacza. Robiąc pizzę na obiad miałem trochę mało czasu, więc by przyspieszyć rośnięcie ciasta, postawiłem miskę na podgrzewaczu, który ustawiłem na 50 stopni.
    Zwykle ciasto rośnie około 50 minut w temperaturze pokojowej, jednak podgrzane było gotowe do pieczenia już po 25 minutach.
    Może w serwisie Gospodyń domowych będzie większe zainteresowanie niż na Elektorodzie? :)

    12 marca
    O ile sam układ podgrzewacza nie jest niczym zagadkowym, o tyle moim zdaniem na uwagę zasługuje jego część analogowa, czyli wzmacniacz pomiarowy:
    Podgrzewacz - Hotplate z regulatorem temperatury PID do lutowania laserów
    Jak widać jest to typowy układ wzmacniacza pomiarowego, którego zadaniem jest wzmocnienie sygnału z czujnika temperatury. Na schemacie jest nim tranzystor BC108 produkcji CEMI. Do tego zastosowania nadaje się znakomicie, gdyż temperatura pracy złącza może dochodzić do 175 stopni Celsjusza, a tyle właśnie może wystąpić w moim układzie.
    Sensor jest zasilany ze źródła prądowego 1mA zrealizowanego na OA1. Sygnał z czujnika temperatury jest następnie wzmacniany, odwracany, przesuwany i obcinany, tak by w całości mieścił się w zakresie pomiarowym przetwornika A/D procesora. W ten sposób każda zmiana temperatury o 1 stopień daje wzrost napięcia o mniej więcej 20 mV na wejściu przetwornika. Pozwala to na uzyskanie rozdzielczości na poziomie 0.16 stopnia Celsjusza. Ta rozdzielczość oczywiście nie jest potrzebna w tym zastosowaniu, ale również w niczym nie przeszkadza jeśli urządzenie działa dokładniej niż trzeba bez ponoszenia dodatkowych kosztów. Oczywiście sygnał z przetwornika jest przepuszczany przez cyfrowy filtr dolnoprzepustowy zanim trafi do procesora PID.
    By zapewnić prawidłowy punkt pracy wzmacniacza pomiarowego generuję dwa napięcia odniesienia za pomocą układu TL431 i dwóch potencjometrów. Napięcia te zostały tak wybrane by przy minimalnej temperaturze na wyjściu otrzymać napięcie 0V a przy maksymalnej 3.3V.

  • #13 01 Lip 2018 16:11
    Demon_22
    Poziom 6  

    yego666 napisał:
    Uważam, że Elektroda to nie przedszkole by użytkownicy musieli zobaczyć jak działa urządzenie. Zwykle elektronicy dysponują dość dobrą wyobraźnią i mogą sobie łatwo wyobrazić potencjalne zastosowania. Niemniej, gdy zrobię film, to go zamieszczę


    Jednak fajnie byłoby zrobić ten film.
    No i zamieść proszę kod. Tak po prostu wypada. I coś o tym było chyba w regulaminie.

  • #14 02 Sie 2018 18:12
    Pan_Mistrz
    Poziom 1  

    @yego666 Czy byłbyś zainteresowany sprzedażą takich laserów ?