可逆焊台HI-END级

我们拍了几张主电路板的照片，一段来自YouTube的视频，在mosfet的漏极上有电压波形，在论坛上发表了评论，列出了谐振电容器的电容，以及几张关于ing温过程的视频。 尤其值得关注的是带有加热过程中峰值功率测量的视频。 没有什么比在亚马逊上新买的价值四千卢布的烧坏墨盒更令人难过的。 但是...让我们重新开始。

课程介绍

为了了解我们今天将要制造哪种设备，让我们首先简要回顾一下总体上什么焊接台以及它们之间的区别。

您可能会猜到，此类设备的整个较低价格部分都被中国品牌所占领，大部分模仿了日本Hakko烙铁的相当成功的构造。 原始副本和大量副本的工作原理都非常简单：镍铬合金或薄膜加热器将热量传递到可移动的ing，其温度由加热器中内置的热电偶或热敏电阻控制。 这是一个简单且便宜的解决方案，但是在中文复印机中质量可能会稍有下降：加热器的尺寸几乎相同，烙铁头材料的经济性稍差，结果将箔纸缠绕在加热器上，从国外订购了原始的日本st绳，连接器改变为更强大的功能...总的来说，有一些事情要做。

价值规模中间的某个地方是西方著名品牌的烙铁焊台。 德国的ERSA，美国的Weller，日本的Hakko，仅此而已。 操作原理基本相同，但是这里不需要集体农场，像软硅胶电缆一样，开箱即用的软包子也不会像烙铁丝那样融化，而且……实际上没有那么多包子！ 价格？ 对应级别。 数以万计的卢布不仅使一个卑微的家庭爱好者在硬件调试后度过一个夜晚，甚至使一个中等规模的法人实体都感到不安。

但是，今天文章的主题与之无关。 我将告诉您有关焊台世界中真正的HI-END的信息，即美国Metcal公司的感应电烙铁（OK International现在正在以该品牌生产它们）。 实际上，除了上述的Metcal之外，还有许多此类设备的制造商，我也知道Thermaltronics，JBC甚至Hakko也有类似的型号。 在此类设备中感应加热器的工作原理非常优雅：



如您所见，根本没有温度传感器，the的核心是由涂有铁磁材料的铜制成的，铁被高频（13.56 MHz）交变磁场加热，然后在一定的温度（居里点）下失去了磁性，并且结果，它不再加热。 当您触摸焊接点时，铁磁元件会稍微冷却，来自感应器的功率立即开始传输到烙铁头。 烙铁头有四个固定温度，其中基本上只需要两个-铅和无铅焊接。 仅此而已。

OKI / Metcal生产各种价格和输出功率不同的感应焊台，但是，价格在60,000卢布左右的量级，不鼓励任何人追求美观，而这种美观。 好吧，让我们尝试省些钱吗？

挑战赛

我们的公式如下：仅使用开放源代码，对原始MX-5200器件进行虚拟反向工程，结果开发出单通道正弦波RF电压源，适合于在家中制造，峰值输出功率为80 W，并尽可能重复原始焊接的功能站。

在Internet上，您可以轻松找到从主板上仔细绘制的上一代Metcal MX-500工作站的电路图 。 从这里开始，直接使用电路解决方案将无法正常工作，因为该设备的输出功率仅为40 W，并且以简单的方式无法扩展。 但是，此旧方案将帮助我们理解主要组件的工作原理。

因此，在文档中我们看到：

1. 石英供电的强大RF发生器，在输出处具有三个谐振电路；
2. 脉冲降压转换器，用于为发电机（1）供电，输出电压在17-21 V范围内变化；
3. 反馈电路根据发电机（1）的输出谐振电路之一的电压调节降压转换器（2）的电压。
4. 当断开电感时，保护节点关闭发电机（1）；
5. 变压器电源，输出电压为53V。

立即找出通用电路解决方案。 为了给电路供电，例如，环形低频变压器是完美的。 尽管...让我们应用，但我们最好使用基于Power Integrations制造的稀有HiperLCS芯片的谐振LLC转换器：我一直很想与它合作。 用于调节输出功率的降压转换器也将采用更现代的转换器，看看是否真的有可能从SO-8尺寸的外壳中压缩5安培。 但是没有arduino，sketch和LED的这个项目是什么？ 添加STM32微控制器和一个小屏幕以显示当前输出功率。 为简化起见，我们将测量RF发生器电源线上的功率，并且我们将在软件（或不软件）中考虑效率。 以大小合适的金属外壳为例，它将同时用作屏幕和散热器。



要在亚马逊上直接焊接，将购买Metcal MX-UK1升级套件，其中包括一个支架和一个烙铁本身（本质上只是一根带电线的笔），以及实际的焊锡盒。 从历史上看，对于我来说，使用所谓的“蹄”（截锥为30°的圆锥形）处理小零件更方便，并且对于焊接大量元素，最好采用更宽，更大，更热的东西，所以这是我的选择：Metcal SMTC-0167精湛的做工，以及Thermaltronics M7K100用于处理大型元件。 是的，更便宜的Thermaltronics ing也适合。



在详细介绍过程中，我们将绘制所设计设备的框图。 这是：



重要的是，立即说一下RF发生器的输出与Buck转换器的控制输入之间的反馈。 事实是，当刺痛达到工作温度后，发电机将继续产生相当大幅度的电压（约100 V），并且该功率开始在电感线圈的有源电阻上耗散，这归因于集肤效应，其影响远远超出您的想象。传统的万用表。 结果，微小的线圈发红并燃烧。 为了防止这种情况的发生，原始站点使用负反馈，这会随着伴随电感器阻抗变化的驻波系数的增加而降低发电机的供电电压。 40瓦版本使用US4626767A中相当简单的方法，而80瓦版本使用带有电流互感器的更复杂的OS。 让我们看一下这段来自互联网的视频：


它上面的蓝色光束表示RF发生器输出级的电源电压，正如我们在此处看到的那样，我们需要确保电源电压至少变化两次（在这种情况下，输出功率与电压的平方成正比变化，即四次）。 在LTSpice中模拟的简单建模的OS版本中，我无法达到这样的调节水平，因此我们仅从印刷电路板的照片绘制反馈链。

高频发生器

我们从输出谐振电路开始设计高频部分。 让我们看一下这个高分辨率的照片：



在这里，我们看到三个缠绕在黄色环形磁芯上的线圈，匝数为4、6和7，从左到右计数。 根据Amidon的分类，黄色表示由雾化铁制成的磁芯，磁导率为8.5（材料编号6）。 我们通过在屏幕上用尺子测量环的大小和某些已知元素（例如，TO-247封装中的输出晶体管）的大小来估计环的大小。 显然，这里使用的是T130-6磁芯。 在我看来，这是一种过大的杀伤力-如此大的戒指设计用于更大的功率。 但是我并不希望在这里变得聪明：我当然不会使用原始的美国指环，而是在速卖通上订购廉价的中文副本，看看它们的工作方式（破坏者：一切都很好）。 计算得出的电感分别约为180、400和540 nH。

在谐振电路中，电容器也依靠电感器。 无法通过照片确定其能力，但是，很容易在一篇帖子中，学究的mikeselectricstuffstuff（上一视频的作者）分享了他的观察结果（以黄色突出显示）：



如果将这些值替换为spice模型，我们可以看到电路的谐振频率从13.56 MHz略有偏移。 事实是，谐振频率越接近，则射频发生器所需的电源电压越少，消耗的电流就越大。 最初，使用最大电流为3A的降压转换器为输出级供电，因此开发人员使输出电路有些混乱，从而可以增加电源电压并降低电流消耗。 我们计划使用一个五安培的微电路，但是，该电流也不足以产生谐振，因此我们将以类似的方式使该电路稍有不安。 我们将通过实验选择准确的电容值，重点是输出级22 V的最大电源电压和4 A的最大电流消耗。

我注意到谐振电路内部有相当大的功率循环，力争以热的形式释放到环境中。 因此，为了提高线圈的品质因数，我们使用了较粗的漆包线-1.25 mm，并并联了多个电容器。

输出晶体管的选择也是一个困难的话题。 当更换或断开弦杆时，过压可能会达到相当高的值（300-350 V），但在最初的开发中，开发人员并没有采取过多的保护措施，而是在输出级放置了一种罕见，快速且昂贵的IXYS IXFH12N50F RF晶体管，其最大漏极电压500V。我们当然买不起这样的奢侈品。 以价值34卢布的普通200伏特场效应晶体管STP19NF20为例，并并联一个150 V抑制器。 限幅器会稍微切掉谐振发射的顶部，以防止电路摆动太大，并且在损失负载约10毫秒后，保护装置将使发电机停止工作。



由于大的输入电容和高频，不可能使用常规驱动器直接控制输出晶体管的栅极。 在两个功率晶体管之间的原始板照片中，可以看到无框电感。 这是一个广泛使用的小技巧：电感与栅极电容一起形成谐振电路，该谐振电路在栅极电路中提供功率再循环，其结果是前置放大器效率急剧提高。 同一电路还对输出晶体管的型号施加了明显的限制：其栅极的电阻必须最小，以使电路的品质因数保持可接受。 无需赘述，让我们重复制造商使用的解决方案。 我们通过压缩/拉伸线圈匝数来选择电感值以达到实际电路的最大效率。

好吧，然后电路变得更加琐碎。 具有低输入电容IRF510的晶体管上的前置放大器将被双驱动器MAX17602震荡 ，其速度特性非常好。 MAX17600或MAX17601甚至更好，它们的输出可以并联连接，但是我没有这种选择，所以我们将继续使用现有的产品。

期望的产生频率由石英谐振器设定。 不幸的是，我也没有找到主振荡器的13.56 MHz石英。 但这没关系。 以更常见的27.12 MHz谐振器并将频率一分为二。 在这里，微控制器只是有用的，即其计时器之一已相应编程。 我还想指出，对于直接连接到MCU的情况，仅工作于一次谐波的石英谐振器是合适的。 运行在三次谐波下的广泛的27120 kHz俄罗斯谐振器只能与附加谐振电路形式的拐杖连接。

营养学

经过对中国产品的漫长而徒劳的实验后，RF输出级决定由TI芯片TPS54560上的降压转换器供电 。 为防止发生耳朵听到的节拍，内部发生器的频率设置为大约450 kHz，远离LLC转换器的频率范围。 也可以选择相反的方法，将降压转换器与LLC转换器生成器同步，但是懒惰已经开始让人感觉到了。 我们不会那样做。

TPS54560转换器本身尽管尺寸很小，但具有相当大的输出电流，有时似乎在为提高能效而奋斗中是前所未有的奇迹……但是，没有-芯片需要真正良好的散热。 基于德克萨斯州的演示板包含两个大的“多边形”多边形，两边的厚度均为2oz，并且为了在层之间进行热传递，在微电路顶部的正下方使用了六个过孔（有散热片触点）。 这种安排使得在家中制造印刷电路板有些困难，因此显然您必须在中国订购产品。 嗯

为了给驱动器和前置放大器供电，我们从LLC转换器的第二个绕组获取不稳定的12V电压。 电路其余部分的消耗电流将很小，因此，对于五伏控制器和LCD背光灯，作为进口替代的一部分，我们将安装专门为国民经济使用而设计的线性稳定器KP142EN5A，而LD2985凿将为MCU提供3.3 V的电源线。

LCS708HG芯片上的LLC转换器会将电源电压降至所需的30伏和12伏。



我敢肯定，很多读者不会意识到这个野兽通常是一个LLC转换器，因此，我将更详细地介绍其运行原理。 LLC不是缩写，这些字母表示“电感-电感-电容”，并且简而言之，描述了连接变压器初级绕组的电路。 事实是，初级绕组的磁场线的一部分没有``捕捉''到次级绕组的匝数上，导致形成所谓的散射电感-一种寄生电感，该寄生电感无法将自身存储的能量转移到次级电路上。 在传统的反激式转换器中，这种能量必须消散在抑制器或缓冲电阻器上，因此通常将变压器（或更准确地说，双绕组扼流圈）设计为将漏感降至最低。 但是，当您设计LLC时，一切都会改变。

在谐振转换器中，漏电感与串联连接到初级绕组的电容器一起形成执行两个重要任务的振荡电路。 首先，它以接近零的电压提供转换器的输出高压晶体管的开关（所谓的零电压开关模式），从而大大降低了开关损耗。 其次，在未连接的电感中累积的能量会返回电路：现在不再需要缓冲器，也没有能量损失。 Power Integrations AN-55文档详细介绍了如何设计变压器以增加漏感（这对于创建正确的控制特性是必需的）。例如，我在两个不同的部分中将初级绕组和次级绕组彼此缠绕在一起：



通常，这种电路研究的结果是达到了相当不错的效率，尤其是安装了不带散热器的LCS708HG芯片，它的体积非常小，提供200W左右的输出功率！这是一个真正出色的结果，但是只有在输出电路的谐振频率下精确地工作才能实现。在这里，我们正在等待伏击。

事实是，此处输出电压的调节是通过改变频率而不是脉冲的占空比来进行的，并且这种调节受到非常窄的电压范围（约±15％）的限制。此外，当输入电压偏离标称值时，转换频率就会偏离谐振，并且微电路内部的晶体管开关会变得“困难”，同时ZVS会丢失，并伴有明显的发热。实际上，我们可以说输入端的转换器需要一个已经稳定的电压！

在工业制造产品中，转换器输入的前面包括一个有源功率校正器（APFC），除了功率校正本身之外，它还保持大约380-390伏的输出电压。但是，我们的发展仍然是业余的，因此我们可以以对电源质量敏感的形式安全地闭上眼睛。计算表明，考虑到缓冲罐中的纹波，输入电压范围约为230 V±10％，因此，如果网络参数没有超出GOST，则一切正常。让我们暂时保留它。

从数据表中复制转换器的其余电路设计。也许只需要注意一个谐振电容器-一个看似非常简单的元件。而且，如果您曾经想知道聚丙烯电容器和聚对苯二甲酸乙二醇酯（聚酯）电容器之间有何不同，那么您现在就会知道答案：前者的损耗角正切少十倍。这就是为什么尝试使用更便宜，更紧凑的聚酯K73-17代替大尺寸K78-2（是的，这也是进口替代品）伴随着有趣的特殊效果的原因：冷凝器非常热，并开始产生可疑的裂纹。有趣

芯片系列HiperLCS需要单独的12伏电源。为了不打扰额外的绕组，整流器和启动链，让我们走最规范的道路。我们从LNK304芯片上的另一个微型转换器中获取必要的电压。它的主要特点是无变压器设计；电感元件仅需要工厂制造的一分钱扼流圈。最大输出电流不是很大，大约为数百毫安，但是最小的细节和设计的简单性令人着迷（并且每平方分米表面的转换器数量开始变得不安。更多的转换器带给转换器之神！）

大脑

好吧，只剩下一点点。原始站点有一个LCD，所有已支付的钱都显示类似输出功率的信息。让我们做类似的事情：以最最小的配置（采用TSSOP-20封装）使用STM32F030控制器，悬挂一根ADC线以测量RF发生器输出级的电源电压，另一根线以测量电流。为了不断开“接地”电路，我们将电阻电流传感器放置在正极线上，并且为了进行电平转换，我们将使用专为此类情况设计的INA138芯片最好是由Burr-Brown开发的。为了显示信息，我们使用WinStar制造的16x2文本OLED屏幕。好，仅此而已。哦，好，一个处理器分支被闲置了。好吧，让LED闪烁。不要问为什么。

控制器固件使用STM32CubeMX和IAR Embedded Workbench的免费版本以“ C”语言编写。程序代码非常简单。每300毫秒中断一次系统计时器的主周期从两个ADC通道读取数据，将其相乘，然后以功率数字的形式显示。在此之下，相同的功能通过自定义字体绘制的条带可视化。当尖端关闭时，来自负载检测器输出的中断处理程序将停止RF发生器的主计时器。如果MCU死机或崩溃，则添加了硬件错误处理程序和看门狗。固件（时钟安全系统）中还包含CSS，该固件可以在主石英晶体谐振器的振荡衰减时切换到内部RC发生器并重新启动微控制器。固件总数为10 KB。我张贴在固件源代码以及所有其他项目文件上GitHub，最好奇的人可以结识（但不要指望那里有什么非常有趣的东西）。

建设性的

该项目所附的设计文件中给出了LLC转换器所有元件的所有计算数据，包括变压器绕组的电感，该文件可使用PIXls Designer应用程序打开。 另外，以防万一，我在项目中添加了用于开发中使用的电子组件的所有开发文档，上传了电路某些部分的LTspice模型，当然还有照片，现在没有了。

上述发展的结果是以下电路图：



印刷电路板的电路和布局均在DipTrace封装中绘制；为了将其发送到工厂，电路板图纸已转换为Gerber格式。 该电路板的接线必须完全与所用外壳的大小相匹配，为屏蔽精密的低电流电路，在地面下完全铺了一层。 这样的布线极大地简化了家庭中的电路板的制造，因为这里不需要精确对准光罩：几乎可以在电路板的整个背面填充一个实心多边形，然后在不需要接地的端子开口处用厚钻头切成斜角。





设计的HF发生器在空气中发出良好的啸叫声，功率元件非常热，因此外壳材料的选择是不言而喻的：当然是铝。 我们从Gainta目录中选择尺寸合适的现成外壳G0476。 我们将使用dremel切割出OLED屏幕的窗口，该外壳本身将直接与电源线的“接地”线以及烙铁丝的屏蔽层以及印刷电路板的“质量”相连。

不幸的是，在将板的订单发送到工厂后，我想到了连接对比度更大的OLED而不是LCD的想法。 WinStar制造的OLED屏幕WEH001602AGPP5N00001的输入CMOS电平与LCD的标准TTL电平不同，因此，当向显示控制器及其背光提供+ 5V电压时，耳朵会感到不适 ，而逻辑信号则由+ 3.3V供电的微处理器获取。不滚动。 因此，屏幕电源必须通过3.3 V线连接。

为了降低干扰水平，在连接电路板和屏幕的“噪声环路”中增加了标称值为390 Ohms的噪声抑制电阻，微控制器上覆盖了一块由铜箔制成的屏幕。 在正常操作期间，将匹配部分放在编程连接器上，该连接器将调试引线直接引到地面，并通过电容器引到NRST。

最后，开发的设备具有完整的外观：



现在，烙铁的加热如下：

宴会厅

现在，让我们大致估算一下这种娱乐活动给我们造成的损失：

无线电组件-大约3000卢布（这里最昂贵的元素是1000卢布的HiperLCS芯片和OLED屏幕-另外600卢布）；
生产印刷电路板，成本为10件-2700卢布；
案例-500卢布。

高频电源本身的总成本约为6,200卢布。 他们还支付了额外费用，购买了带支架的烙铁（11,000卢布）和两个墨盒（6,000卢布）。

当然，可以对这些金额进行一些优化，例如，在eBay上，提供了各种各样的二手Metcal组件，在这种情况下，我们可以谈论几十美元，但这可能是个人喜好问题。

勘误

1. 石英谐振器负载电容器的电路接线错误，并收集了所有干扰。 这样做是对的。 感谢Alexander Chulkin所做的宝贵澄清；
   
2. 不支持在工作站上断开烙铁的连接，有时这会导致微控制器重新启动。 我们需要考虑射频部分的附加屏蔽（但这并不准确）。
   

结论

好吧，现在最重要的是：使用设备的快感。 感觉就像在握着小型轻巧的工具时使用非常强大，非常热的烙铁。 值得花费金钱和精力吗？ 很难说。 我将保留这个问题。