Chiusura del circuito sulla saldatura a montaggio superficiale: 4 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:06

La temperatura sembra la cosa più facile da controllare al mondo. Accendi il fornello e imposta la temperatura che desideri. Accendi il forno al mattino e imposta il termostato. Regola l'acqua calda e fredda per rendere la doccia perfetta. Facile! Ma cosa succede se si desidera controllare la temperatura oltre queste applicazioni quotidiane? Se vuoi temperature al di fuori degli intervalli normali o desideri una temperatura stabile all'interno di un intervallo ristretto, sei per lo più da solo.

Nel mio caso, volevo controllare la temperatura di una piastra calda utilizzata per la saldatura a montaggio superficiale. Inizialmente, ho utilizzato la modulazione dell'ampiezza dell'impulso per fornire temperature stabili e impostazioni determinate sperimentalmente per creare il profilo di temperatura richiesto. Puoi leggere tutto su questo in questo Instructable. Questo sistema funziona e il controllo della temperatura in questo modo va bene, ma ha dei difetti.

Carenze:

• Funziona solo per la mia piastra riscaldante specifica. Altri sono simili, ma non identici e sono necessari esperimenti per determinare le impostazioni ei tempi necessari per produrre il profilo richiesto.
• Stessa situazione se voglio un profilo o una temperatura diversi.
• Il processo di saldatura richiede molto tempo poiché le temperature stabili devono essere avvicinate lentamente.

Idealmente, potremmo semplicemente specificare un profilo temperatura-tempo, premere un pulsante e il controller farebbe funzionare la piastra calda come programmato. Sappiamo che questo è possibile poiché ci sono molti processi industriali che utilizzano esattamente questo tipo di controllo. La domanda è: questo può essere fatto facilmente ed economicamente a casa?

Come avrai intuito, dal momento che sto scrivendo questo Instructable, la risposta è sì! Questo Instructable ti mostrerà come costruire il tuo termoregolatore industriale. Mi rivolgerò in particolare alla saldatura a montaggio superficiale, ma qualsiasi processo che richieda un preciso profilo temporale della temperatura può utilizzare questo sistema.

Nota: quando uso il nome "Arduino" intendo non solo l'Arduino (non proprio) protetto da copyright, ma anche le molte versioni di dominio pubblico note collettivamente come "Freeduino". In alcuni casi uso il termine “Ard/Free-duino”, ma i termini dovrebbero essere considerati intercambiabili ai fini di questo Instructable.

Lo schema di controllo della temperatura utilizzato in Extreme Surface Mount Soldering Instructable è noto come controllo ad anello aperto. Cioè, ci si aspetta che un valore che ha prodotto la temperatura desiderata in passato produca la stessa temperatura una volta riutilizzato. Spesso questo è vero e produce il risultato desiderato. Ma se le condizioni sono leggermente diverse, diciamo che il garage in cui stiamo lavorando è molto più fresco o più caldo, allora potresti non ottenere il risultato previsto.

Se abbiamo un sensore in grado di leggere la temperatura e riportarla a un controller, allora abbiamo un controllo a circuito chiuso. Il controller è in grado di impostare un valore iniziale per aumentare la temperatura, osservare la temperatura con il passare del tempo e regolare l'impostazione per aumentare o diminuire la temperatura fino al raggiungimento della temperatura desiderata.

Il nostro approccio sarà quello di sostituire il controller PWM basato su AVRTiny2313 con un controller più potente basato su ATMega. La programmazione verrà eseguita in ambiente Arduino. Utilizzeremo un PC (Linux-Mac-Windows) con Processing per visualizzare i risultati e regolare il controller.

Per il sensore, utilizzeremo un sensore di temperatura a infrarossi di Harbour Freight. Il sensore IR verrà modificato per emettere la temperatura come flusso di dati seriale che il controller può leggere. Useremo un Ard/Free-duino come controller, con un PC (Mac – Linux – Windows) per l'input al controller. Quando avremo finito, il sistema sarà simile all'immagine. (Potresti avere circuiti meno estranei sulla breadboard, comunque. Va bene.)

Passaggio 1: modifica del sensore IR

Molte grazie al mio intelligente amico, Scott Dixon, per il suo attento lavoro investigativo nel capire come funziona questo strumento e come renderlo generalmente utile con un controller esponendo la sua interfaccia seriale.

Il dispositivo con cui inizieremo è Harbor Freight Part Number: 93984-5VGA. Costa circa $25. Non preoccuparti di acquistare la garanzia.:)} Ecco il link. Le figure 1 e 2 mostrano le viste anteriore e posteriore. Le frecce nella Figura 2 indicano dove si trovano le viti che tengono insieme la custodia. La Figura 3 mostra l'interno della custodia quando le viti vengono rimosse e la custodia viene aperta. Il modulo puntatore laser può probabilmente essere rimosso e utilizzato per altri progetti, anche se non l'ho ancora fatto. Le frecce indicano le viti da rimuovere se si desidera estrarre la scheda per saldarla (viti rimosse in questa immagine). È anche indicata l'area in cui è necessario praticare un taglio per il cablaggio per uscire dal case. Vedere anche la Figura 5. Eseguire il taglio mentre si rimuove la scheda, o almeno prima di saldare i fili. È più facile così.;)} La Figura 4 mostra dove verranno saldati i fili. Annota la lettera di ogni connessione in modo da sapere qual è il cavo quando chiudi la custodia. La Figura 5 mostra i fili saldati in posizione e instradati attraverso il taglio. Ora puoi rimontare la custodia e lo strumento dovrebbe funzionare come prima dell'operazione. Notare il connettore sui fili. Uso cavi più lunghi per collegarmi effettivamente al mio controller. Se usi un filo piccolo, un connettore piccolo e tieni i fili corti, puoi riporlo tutto nella custodia se lo desideri e lo strumento sembra non modificato. Scott ha anche creato il software per interfacciare questo dispositivo. Ha usato questo documento se vuoi i dettagli. Questo è tutto! Ora hai un sensore di temperatura IR che funzionerà da -33 a 250 C.

Passaggio 2: software per il controllo

Per quanto utile, il sensore di temperatura IR è solo una parte del sistema. Per controllare la temperatura sono necessari tre elementi: una fonte di calore, un sensore di temperatura e un controller in grado di leggere il sensore e comandare la fonte di calore. Nel nostro caso, la piastra calda è la fonte di calore, il sensore di temperatura IR (come modificato nell'ultimo passaggio) è il nostro sensore e il controller è un Ard/Free-duino che esegue un software appropriato. Tutto il software per questo Instructable può essere scaricato come pacchetto Arduino e come pacchetto Processing.

Scarica il file IR_PID_Ard.zip. Decomprimilo nella directory di Arduino (di solito Documenti/Arduino). Scarica il file PID_Plotter.zip. Decomprimilo nella directory di elaborazione (di solito Documenti/Elaborazione). I file saranno ora disponibili negli album da disegno appropriati.

Il software che useremo è stato originariamente scritto da Tim Hirzel. Si modifica aggiungendo l'interfaccia al sensore IR (fornito da Scott Dixon). Il software implementa un algoritmo di controllo noto come algoritmo PID. PID sta per Proportional – Integral – Derivative ed è l'algoritmo standard utilizzato per il controllo della temperatura industriale. Questo algoritmo è descritto in un eccellente articolo di Tim Wescott su cui Tim Hirzel ha basato il suo software. Leggi l'articolo qui.

Per mettere a punto l'algoritmo (leggi su questo nell'articolo citato) e per modificare le impostazioni della temperatura target, utilizzeremo uno schizzo di elaborazione, anch'esso sviluppato da Tim Hirzel. È stato sviluppato per la torrefazione dei chicchi di caffè (un'altra applicazione del controllo della temperatura) ed è stato chiamato Bare Bones Coffee Controller, o BBCC. Nome a parte, funziona benissimo per la saldatura a montaggio superficiale. Puoi scaricare la versione originale qui.

Modifica del software

Di seguito, presumo che tu abbia familiarità con Arduino e Processing. Se non lo sei, dovresti seguire i tutorial finché le cose non iniziano ad avere un senso. Assicurati di inviare commenti a questo Instructable e cercherò di aiutarti.

Il controller PID deve essere modificato per il tuo Arduino/Freeduino. La linea dell'orologio dal sensore IR deve essere collegata a un pin di interruzione. Su un Arduino, questo può essere 1 o 0. Su Freeduinos di vario tipo, puoi usare qualsiasi interrupt disponibile. Collega la linea dati dal sensore a un altro pin vicino (come D0 o D1 o un altro pin a tua scelta). La linea di controllo alla piastra calda può provenire da qualsiasi pin digitale. Sul mio particolare clone di Freeduino (descrivi qui), ho usato D1 e l'interrupt associato (1) per l'orologio, D0 per i dati e B4 per la linea di controllo alla piastra calda.

Dopo aver scaricato il software, avvia il tuo ambiente Arduino e apri IR_PID dalla voce di menu File/Sketchbook. Nella scheda pwm, puoi definire HEAT_RELAY_PIN come appropriato per la tua variante Arduino o Freeduino. Nella scheda Temp, fai la stessa cosa per IR_CLK PIN, IR_DATA PIN e IR_INT. Dovresti essere pronto per compilare e scaricare.

Allo stesso modo, avvia il tuo ambiente di elaborazione e apri lo schizzo PID_Plotter. Regola il BAUDRATE al valore corretto e assicurati di impostare l'indice utilizzato in Serial.list()[1] sul valore corretto per il tuo sistema (la mia porta è l'indice 1).

Passaggio 3: collegare tutto

Il sistema di controllo CA della piastra calda è dettagliato nell'Extreme Surface Mount Saldatura Instructable già menzionato, oppure è possibile acquistare il proprio SSR (relè a stato solido). Assicurati che sia in grado di gestire il carico della piastra calda con un margine sufficiente, diciamo da 20 a 40 watt, poiché i test eseguiti dai cinesi potrebbero lasciare a desiderare. Se usi il controller AC della piastra calda del mio Instructable, esegui un ponticello dal resistore sull'ingresso di controllo a terra sull'Ard/Free-duino e un ponticello dall'uscita di controllo (B4, o qualunque cosa tu scelga) a Segnale di controllo Ingresso. Guarda l'immagine del controller. Il ponticello giallo è l'ingresso del segnale di controllo e il ponticello verde va a massa. Mi piace usare un lampeggio (led con un resistore a terra) sul pin di uscita così so quando è acceso. Collega il tuo ponticello tra il led e la porta come mostrato. Fare riferimento al diagramma di collegamento di Teensy++.

Ora monta un supporto per tenere il sensore di temperatura IR sopra la tua piastra riscaldante. L'immagine mostra quello che ho fatto. Semplice ma robusto è la regola. Tenere tutto ciò che è infiammabile ben lontano dalla piastra calda; il sensore è in plastica e sembra stare bene 3 pollici sopra la superficie della piastra. Esegui i cavi dal connettore sul sensore ai pin appropriati sul tuo Ard/Free-duino. I collegamenti per il sensore IR sono mostrati nel diagramma di collegamento di Teensy++. Adattali secondo necessità per il tuo Ard/Free-duino.

Nota importante per la sicurezza: il sensore IR ha un puntatore a led che aiuta a puntarlo. Se hai gatti come il mio, adorano inseguire il puntatore principale. Quindi copri il led con del nastro adesivo opaco per evitare che i tuoi gatti saltino sulla piastra calda quando la usi.

Prima di collegare il controller CA della piastra riscaldante a 120 V, ecco come testare il sistema e impostare i valori target iniziali per la temperatura. Suggerisco una temperatura target di 20 C in modo che il riscaldamento non inizi immediatamente. Questi valori verranno memorizzati in EEPROM e utilizzati la prossima volta, quindi assicurati di memorizzare sempre un valore basso come temperatura target quando hai finito con una sessione di saldatura. Trovo che all'inizio sia una buona idea avviare il termoregolatore con la piastra calda scollegata. Assicurati che tutto funzioni prima di collegarlo.

Collega la tua porta seriale al tuo Arduino e accendilo. Compila lo sketch di Arduino e scaricalo. Avvia lo schizzo Processing per interagire con il controller e visualizzare i risultati. Occasionalmente, lo sketch Arduino non si sincronizzerà con lo sketch Processing. Quando ciò accade, vedrai il messaggio "Nessun aggiornamento" nella finestra della console dello schizzo Processing. Basta interrompere e riavviare lo schizzo di elaborazione e le cose dovrebbero essere OK. In caso contrario, dai un'occhiata alla sezione Risoluzione dei problemi di seguito.

Ecco i comandi per il controller. "Delta" è l'importo che un parametro cambierà quando comandato. Prima imposta il valore del delta che vuoi usare. Quindi regolare il parametro desiderato utilizzando quel delta. Ad esempio, utilizzare + e – per creare delta 10. Quindi utilizzare T (maiuscolo "T") per aumentare l'impostazione della temperatura target di 10 gradi C, o t (minuscolo "t") per diminuire la temperatura target di 10 gradi. Comandi:

+/-: regola il delta di un fattore dieci P/p: su/giù regola il guadagno p di delta I/i: su/giù regola il guadagno i di delta D/d: su/giù regola il guadagno d di delta T/t: su/giù regola la temperatura impostata con delta h: attiva e disattiva la schermata di aiuto R: ripristina i valori – fallo la prima volta che avvii il controller

Una volta ricevuti gli aggiornamenti della temperatura, la finestra grafica dello schizzo dovrebbe assomigliare all'immagine. Se hai una grande area grigia imposta sullo schermo con alcuni comandi descritti, digita semplicemente "h" per cancellarla. Quando si avvia per la prima volta, potrebbe essere richiesto di reimpostare i valori iniziali. Vai avanti e fallo. I valori nell'angolo in alto a destra sono le letture e le impostazioni correnti. "Obiettivo" è la temperatura target corrente e viene modificata dal comando "t" come descritto sopra. "Curr" è la lettura della temperatura corrente dal sensore. “P”, “I” e “D” sono i parametri per l'algoritmo di controllo PID. Utilizzare i comandi "p", "i" e "d" per modificarli. Ne parlerò tra un momento. "Pow" è il comando di alimentazione dal controller PID alla piastra riscaldante. È un valore compreso tra 0 (sempre spento) e 1000 (sempre acceso).

Se metti la mano sotto il sensore, dovresti vedere la lettura della temperatura (Curr) salire. Se ora aumenti la temperatura target, vedrai aumentare il valore di potenza (Pow) e il led di uscita lampeggerà. Aumentare la temperatura target e il led di uscita rimarrà acceso più a lungo. Quando la piastra riscaldante è collegata e funzionante, l'aumento della temperatura target farà accendere la piastra riscaldante. Man mano che la temperatura attuale si avvicina alla temperatura target, il tempo di attivazione diminuirà in modo che la temperatura target si avvicini con un superamento minimo. Quindi, il tempo di accensione sarà appena sufficiente per mantenere la temperatura target.

Ecco come impostare i parametri per l'algoritmo PID. Puoi iniziare con i valori che uso. P di 40, I di 0,1 e D di 100. Il mio sistema eseguirà un passaggio di 50 °C in circa 30 secondi con un superamento di meno di 5 gradi. Se il tuo sistema funziona in modo significativamente diverso, allora vorrai regolarlo. La messa a punto di un controller PID può essere complicata, ma l'articolo di cui sopra spiega come farlo in modo molto efficace.

Ora è il momento per la cosa reale. Collegare la piastra riscaldante al controller CA della piastra calda come descritto in Saldatura a montaggio superficiale estremo. Assicurati di leggere anche tutte le avvertenze. Posiziona il sensore di temperatura in modo che si trovi a circa 3 pollici sopra la piastra calda e punti direttamente su di essa. Potenzia il tuo Ard/Free-duino. Assicurati che tutte le connessioni siano corrette e che il tuo software (il controller PID e il programma di monitoraggio) funzioni correttamente. Inizia con la temperatura target impostata su 20 C. Quindi aumenta la temperatura target a 40 C. La piastra riscaldante dovrebbe accendersi e la temperatura dovrebbe aumentare gradualmente fino a 40 C +/- 2 C. Ora puoi provare ad aumentare la temperatura mentre osservi le prestazioni del tuo sistema. Noterai che ci vuole molto più tempo per raffreddare la piastra che per riscaldarla.

Risoluzione dei problemi

Se lo sketch Processing non viene eseguito o non aggiorna la temperatura, interrompere lo sketch Processing e avviare un terminale seriale (Hyperterminal su Windows, ad esempio). Tocca la barra spaziatrice e premi Invio. L'Arduino dovrebbe rispondere con la lettura della temperatura corrente. Regolare le impostazioni della velocità di trasmissione, ecc. finché non si ottiene la risposta desiderata. Una volta che funziona, lo schizzo di elaborazione dovrebbe essere eseguito. Se hai ancora problemi, assicurati che le assegnazioni dei pin coincidano con il cablaggio fisico e di aver collegato l'alimentazione e la messa a terra ai pin appropriati del sensore di temperatura.

Passaggio 4: saldatura a montaggio superficiale

L'utilizzo del sistema di controllo della temperatura descritto in questo Instructable migliora la saldatura a montaggio superficiale estremo in due modi. Innanzitutto, il controllo della temperatura è più accurato e significativamente più rapido. Quindi, invece di avere una rampa lenta da circa 120°C a 180°C in circa 6 minuti, possiamo andare rapidamente a 180°C, tenere premuto per 2 ½-3 minuti e andare rapidamente da 220°C a 240°C per circa un minuto. Dobbiamo ancora osservare il punto in cui la saldatura scorre e spegnere l'alimentazione, o semplicemente abbassare rapidamente la temperatura target. Poiché la temperatura scende molto lentamente, di solito faccio scivolare i miei circuiti fuori dalla piastra calda non appena la temperatura è scesa sotto i 210C. Mettili su un pezzo di tavola perforata o di legno, non di metallo. Il metallo potrebbe farli raffreddare troppo velocemente. Notare anche che potrebbe essere necessario aumentare la temperatura target oltre i 250 °C (il massimo che il sensore leggerà) per riscaldare abbastanza la piastra in determinate aree. La piastra non raggiungerà una sola temperatura su tutta la superficie ma sarà più fresca in alcune zone rispetto ad altre. Lo imparerai sperimentando.

La seconda area di miglioramento è una riduzione del tempo tra i cicli di saldatura. Con il sistema ad anello aperto, ho dovuto aspettare che la piastra calda si raffreddasse a temperatura ambiente (circa 20 °C) per iniziare un nuovo ciclo di saldatura. Se non lo facessi, il ciclo di temperatura non sarebbe corretto (cambiamento delle condizioni iniziali). Ora devo solo aspettare una temperatura stabile intorno ai 100°C e posso iniziare un nuovo ciclo.

Il ciclo di temperatura che uso ora è implicito sopra, ma qui è esattamente. Inizia a 100 ° C. Metti le tue tavole sulla piastra calda per due o tre minuti per riscaldarle - più a lungo con componenti di grandi dimensioni. Imposta la temperatura target a 180 °C. Questa temperatura viene raggiunta in meno di un minuto. Tieni qui per 2 minuti e mezzo. Imposta il tuo obiettivo a 250 ° C. Non appena tutta la saldatura scorre, ridurre la temperatura target a circa 100°C. La temperatura del tuo piatto rimarrà alta. Non appena scende a 210 ° C, o trascorre il tempo di 1 minuto, fai scivolare le tue tavole dalla piastra calda su una piattaforma di raffreddamento di perfboard o legno. La saldatura è fatta.

Se desideri utilizzare un profilo di temperatura diverso, non dovresti avere problemi a raggiungerlo con questo sistema di controllo.

Potresti voler sperimentare la posizione del sensore di temperatura sopra la piastra riscaldante. Ho scoperto che non tutte le aree della piastra riscaldante raggiungono la stessa temperatura contemporaneamente. Quindi, a seconda di dove si posiziona il sensore, il tempo e la temperatura effettivi necessari per far fluire la saldatura possono variare. Una volta elaborata una ricetta, utilizzare lo stesso posizionamento del sensore per risultati ripetibili.

Buona saldatura!