Самодельная ИК паяльная станция (часть 8)

Аватар пользователя VladSko

Nhlm0

Цитата:
А Вы могли бы также доходчиво разъяснить работу схемы управления "мощностью" на примере TPM-151 для нижнего и верхнего излучателей?

Здесь есть ряд трудностей:
1) – Если объяснять наглядно (на пальцах), чтобы было понятно начинающему, то будут грубые допущения;
2) – Если все "обвешать" формулами, то для начинающих потеряется наглядность, а опытные скажут, что это и "ежу" понятно;

3) – С технической точки зрения термин "управление мощностью" не совсем корректный. Например: имеем лампочку (нагреватель) 220В – 60Вт, или 220В -100Вт. Это говорит о том, что если подать напряжение 220В, то потребляемая мощность в первом случае будет 60Вт, а во втором 100Вт. Т.е. потребляемая мощность зависит от конструкции лампы и вычисляется по формуле: P= U^2/R.
Теперь:
а) – Включим лампу через ЛАТР и будем менять (управлять) напряжение, при этом будет меняться потребляемая мощность. Значит, мы управляем напряжением?
б) – Но управление через симистор (есть несколько способов управления) это не ЛАТР. При переходе синусоиды сети через "0" симистор включается и в течении нескольких периодов остается включенным (нагрузка потребляет 100% мощности), после чего на несколько периодов сети симистор выключается (нагрузка потребляет 0% мощности). За все время (вкл + выкл) на нагрузке выделится меньше 100% мощности и будет зависеть от отношения вкл\выкл (может регулироваться пользователем). Часто такой вид регулирования называют "ШИМ регулированием" (широтно – импульсной модуляцией), что тоже не корректно, правильней будет сказать импульсно – числовым методом управления. Значит мы управляем отношением времени вкл\выкл?
в) – Если сделать довольно большим время вкл\выкл (предыдущий пункт), то за время вкл спираль успевает значительно разогреется, а за время выкл значительно остынет. Причем, чем меньше инерционность спирали, тем значительней будет перепад температуры. Существует еще один метод управления: - симистор включается каждую полуволну сети, но не в момент прохождения через "0", как в предыдущем примере, а позже с задержкой от 0 до 10 мс. Время задержки может регулироваться пользователем. При этом мощность, выделенная на нагрузке, меняется. Такой метод управления называется фазо – импульсным. Выглядит это так (вложения 1 и 2) Т.к. включение симистора происходит в каждой полуволне сети, то перепад температуры спирали, практически отсутствует. Значит, мы управляем фазой включения симистора для изменения мощности?
Каждый из этих методов имеет свои плюсы и свои минусы (рассматривать не будем).
С методами изменения мощности на нагрузке, а значит и температуры, разобрались.
Теперь перейдем к нагреванию платы. В грубом приближении (снова на пальцах) ее можно сравнить с газовой печкой. Включив газ на полную, мы получим максимальную скорость нагревания воды в кастрюле. Регулируя подачу газа, можем менять скорость нагревания воды. Подобрав необходимую скорость, запоминаем положение ручки (на будущее). Установив термометр в воду и, достигнув нужной температуры, меняем положение ручки, чтобы нагревание воды изменялось с необходимой новой скоростью. Таким образом, мы построили термопрофиль. В следующий раз, набрав такое же количество воды (установив такую же плату) и, установив ручки в тоже положение, мы повторим термопрофиль.

ВложениеРазмер
fazo-impulsnyy.jpg 59.46 КБ
fazo-impulsnyy1.jpg 31.32 КБ
Аватар пользователя VladSko

И только теперь мы добрались до ТРМ151.
Реальный ТРМ151 я в руках не держал (из-за финансовых затруднений). Рассматривать буду исходя из паспортных данных. Надеюсь, если допущу где-то неточность, то maxlabt меня поправит (он на нем "все зубы съел").


ТРМ151 – это, по сути, конструктор "Лего", но не игрушка, а высококачественный прибор. Он позволяет сконфигурировать прибор так, что можно реализовать практически любую систему управления. Система эта двухканальная, т.е. позволяет одновременно управлять двумя независимыми нагрузками (верхний и нижний излучатель). На его "борту" имеется ПИД регулятор (отличная система управления, но по ряду причин не очень подходит для ИК станции). Кроме того есть возможность управлять мощностью на нагревателях в ручном режиме (задает пользователь) способом описанным выше. Цепочка термопрофиля может состоять из нескольких звеньев. Переход со звена на звено может осуществляться по контролю температуры, т.е. выполняется полный термопрофиль. И таких профилей прибор может запомнить несколько штук. К входам (для измерения температуры), могут подключаться различные датчики (термопары, терморезисторы). Для управления силовыми элементами (например, симисторами), предусмотрена различная конфигурация выходных цепей.
Принцип нагревания верхнего и нижнего излучателя одинаковый. Но есть существенные различные нюансы, которым нужно посвятить несколько отдельных постов.

Цитата:
Принцип нагревания верхнего и нижнего излучателя одинаковый. Но есть существенные различные нюансы, которым нужно посвятить несколько отдельных постов.

Прошу - просим, - любезно.
Если профили верхнего и нижнего излучателей должны коррелировать между собой, тогда каким образом это производится?
Цитата:
Для управления силовыми элементами (например, симисторами), предусмотрена различная конфигурация выходных цепей.

Сюда же относят реле, так?
Цитата:
Здесь есть ряд трудностей:
1) – Если объяснять наглядно (на пальцах), чтобы было понятно начинающему, то будут грубые допущения;

Никогда не будут лишними.
Цитата:
2) – Если все "обвешать" формулами, то для начинающих потеряется наглядность, а опытные скажут, что это и "ежу" понятно;

Отнести себя к "опытному" не осмелюсь, а наглядности - временных диаграмм (для переходных процессов в том числе), "обвешанных" формулами или системы нелинейных уравнений - начинающим и "ежам" не избежать, по-моему. А как иначе представить себе (без эмулятора) работу схемы?

Аватар пользователя VladSko

Цитата:
Если профили верхнего и нижнего излучателей должны коррелировать между собой, тогда каким образом это производится?

Нет, здесь корреляция не предусмотрена. Каждый излучатель "тупо" выдерживает свой уровень мощности.
Где-то в этой ветке maxlabt рассказывал, когда он использовал ПИДы для верха и низа, то они так "накоррелировали" друг друга, что система ушла в "раздрай". Мне это напомнило прикол, когда в двух соседних душевых кабинках разменяли местами вентили. Каждый моющийся, регулируя воду под себя, регулировал соседу.
Цитата:
Сюда же относят реле, так?

Если применено управление на MOC306x (с детектором нуля) – ДА.
Если на МОС302х (фазо – импульсный метод) – НЕТ.
Цитата:
формулами или системы нелинейных уравнений - начинающим и "ежам" не избежать, по-моему. А как иначе представить себе (без эмулятора) работу схемы?

Никакими системами дифф. уравнений, даже высших порядков, Вы не опишите случайные флуктуации воздуха и влияние ее, например, на датчик температуры. Т.е. Вы не сможете создать правильную математическую модель, а без нее не может быть и речи ни о каком эмуляторе. С практической точки зрения проще импирически подобрать и не заморачиваться.

Аватар пользователя RT

Цитата:
ТРМ151 – это, по сути, конструктор "Лего", но не игрушка, а высококачественный прибор

К сожалению, не все так гладко, как хотелось бы.

VladSko, откуда была приведена глава "8. РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА"?

Цитата:
С практической точки зрения проще импирически подобрать и не заморачиваться.

Да, Вы правы.
Цитата:
Т.е. Вы не сможете создать правильную математическую модель, а без нее не может быть и речи ни о каком эмуляторе.

Я не смогу создать точную модель, так как даже правильная матмодель - да и любая другая, - зависит от метода решения и допускает погрешность.
Цитата:
Если применено управление на MOC306x (с детектором нуля) – ДА.
Если на МОС302х (фазо – импульсный метод) – НЕТ.

А из чего это следует?

Аватар пользователя maxlabt

1) Немного поясню, почему для ик-станции ПИД-регулирование не самый лучший вариант управления нагревателями. Предположим мы откалибровали ПИД регуляторы на прогрев чипа в каком-то месте (расположение чипа на плате имеет весьма важное значение) на какой-то плате (теплоемкость платы также очень важно) при каких-то обстоятельствах (напряжение сети, температура окружающего воздуха). При повторении таких же условий станция работает идеально. Но мы работаем на ОЧЕНЬ различных платах, с различным расположением чипа на плате и при некоторых изменениях обстоятельств (зимой как правило в помещении прохладнее и напряжение в сети пониже), не говоря уже о таких обстоятельствах, как внезапный сквозняк и кратковременная потеря контакта датчика (например стол дернулся). Как себя будет вести ПИД регулятор при изменении всех этих условий? ОН будет вести себя НЕСТАБИЛЬНО, так как изначально предполагает работу в определенных стационарных условиях. И чем больше отличаются условия работы от идеальных условий (условий настройки), тем более нестабильно он будет себя вести. Хотя при этом показания температуры могут быть более-менее ровными. Не раз анализируя графики мощности (это огромный плюс ТРМ151-му) и температуры работы замечал, что при выполнении одного и того же момента (шага) профиля при различных условиях, описанных выше, подаваемая мощность на нагреватели может колебаться в диапазоне 20% (нормально) и может прыгать в диапазоне 100% (жди беды). В последнем случае как раз и возникают пузыри на чипах, платах и другие проблемы, хотя визуально температура по датчикам была вполне допустимой. Происходит это так, ИМХО. Несоответствие условий работы оптимальным немного "вводит в заблуждение" ПИД-регулятор, который пытается придерживаться температуре согласно профилю. При этом мощность может сильно колебаться. На станции это обостряется еще и тем, что одновременно работают два ПИД-а. И как правило неверная работа нижнего нагревателя вводит в разнос работу верхнего нагревателя. В итоге предсказать со 100% вероятностью, как пройдет очередная пайка проблематично. Это главная причина, по которой я перешел на профиль мощности. Кстати, VladSko, вы правы, что понятие управление мощностью в данном случае не совсем корректно. Правильнее сказать профиль мощности, так как в программе задается значение мощности.
2) Как себя поведет станция при работе по профилю мощности при изменении условий? Методом пробных паек при усредненных условиях (плата средней теплоемкости; чип не в центре, но и не с краю платы, средняя температура окружающего воздуха и т.д.) определили приемлемый профиль мощности. Здесь удобно прогнать процесс пайки с ПИД-регулированием и просмотреть графики потребления мощности и выбрать средние значения для определенных шагов, т.е. эти средние мощности и будут точкой отправления для более точной настройки мощности. При изменении условий работы скачков мощности и соответственно скачков температуры самих нагревателей не произойдет!!! Немного будет меняться крутизна (скорость) нагрева, длительность шагов и соответственно длительность самого профиля. Поверьте - это наименьшее зло, которым легко можно пренебречь. У меня время профиля на разных платах колеблется не более +/- 1 мин, примерно 6-8 мин для бессвинца. ТРМ151 отличный прибор, и если бы у него условие перехода на следующий шаг задавался для каждого канала отдельно, т.е каждый канал мог работать по своей собственной программе, было бы вообще супер. В связи с этим при работе по профилю мощности возможен небольшой недогрев или перегрев платы нижним нагревателем, так как переход на следующий шаг определяет датчик верхнего нагревателя. Но опять же изменения температуры колеблются в диапазоне +/- 15*С, т.е. если профиль настроен на нагрев платы 180*С, то в зависимости от условий работы температура нагрева платы может быть 165 или 195*С, что в принципе допустимо. Хотя и при любом методе регулирования температура в разных местах платы (оба датчика сверху платы) может отличаться на 20-30 *С. От этого никуда не деться, температура в центре платы всегда выше температуры с краев платы.
P.S. Ну я накатал...

Аватар пользователя VladSko

maxlabt, спасибо! Теперь получилась более цельная картина всего процесса.

Аватар пользователя VladSko

Nhlm0
Ответы на вопросы отправил в личку, а то, нас скоро "забанят" за флуд в теме.

Аватар пользователя VladSko

Цитата:
Принцип нагревания верхнего и нижнего излучателя одинаковый. Но есть существенные различные нюансы

Различия состоят в том, что:
1) – Скорость нагревания ВИ значительно выше, чем НИ. Т.е. интенсивность излучения на единицу площади у ВИ больше.
2) – Площадь нагревания ВИ маленькая, соизмеримая с размером чипа.
3) – Поэтому нам необходимо "затолкать" большую мощность в маленький по площади излучатель.
Увеличить скорость нагревания ВИ можно двумя способами. 1. Поднять температуру нагревателя. 2. Приблизить излучатель к чипу.
Для любителей формул: - обратите внимание на зависимость мощности излучения от температуры (закон Стефана-Больцмана). Дальше посмотрите, где будет размещаться пик спектра излучения при данной температуре (закон смещения Вина) и, в заключение, посмотрите коэффициент "черноты" для материала излучателя при этой температуре.
Рассмотрим, что происходит при этом. Поднимая температуру, мы смещаем спектр в коротковолновую область. Излучение начинает прогревать более поверхностные слои, а дальше тепло медленно распространяется вглубь чипа (за счет теплопередачи материала). Это может привести к тому, что кристалл чипа перегреется (и "умрет"), а шары так и не получат достаточного количества теплоты.
При более низкой температуре излучателя и приближении его к чипу, происходит следующее: - более длинноволновое излучение глубже проникает в чип и быстрей достигает шаров, меньше вреда нанося кристаллу.
Отсюда выводы: - если необходимо увеличить скорость нагревания, то нужно приближать излучатель к чипу (интенсивность облучения, обратно пропорциональна квадрату расстояния), но не повышать температуру нагревателя.
Еще необходимо помнить о том, что температура под чипом выше, чем возле него. Это обусловлено тем, что горячий воздух под чипом никуда не девается (отсутствует конвекция). Шары на периферии чипа более холодные, чем в центре (краевой эффект, подмешивание холодного воздуха из вне).
Что касается работы с чипами в различных корпусах, то здесь тоже есть своя специфика. Все, что мы рассматривали, относится к корпусам BGA. Если корпус QFP, CFP, SO и т.п., то температура выводов чипа в местах пайки, ниже температуры корпуса. Причина этого явления в том, что металлы (особенно блестящие) хорошо отражают ИК излучение и мощности на нагревание выводов идет меньше, чем на корпус. Кроме того, отвод тепла от ножек больше (конвекция), а температура под корпусом выше (см. выше) Чтобы вернуть часть лучистой энергии назад, диафрагму (шторки) с наружной стороны полируют. Но возвращается незначительная часть энергии, т.к. энергетическая плотность, обратно пропорциональная квадрату расстояния, а лучи проходят двойное расстояние (от выводов до шторки и обратно).
Поэтому, чипы в этих корпусах, лучше защищать с помощью фольги. Исключение составляют те случаи, когда подложка (теплоотвод) чипа припаивается к фольге платы.

Ленты новостей