Аналоговая паяльная станция. А нужна ли ЦПС?

От простого к сложному и обратно

В [1] описана цифровая паяльная станция (ЦПС) на микроконтроллере (МК) ATtiny13A. На завершающем этапе возник вопрос, как применить в конструкции неиспользуемый второй ОУ. Если он уже есть, надо подыскать ему работу.

Включение нагрева паяльника индицируется точкой на дисплее, а управление силовым ключом осуществляется через порт. Было решено, чтобы вместо порта МК нагревом управляла сама точка. Светится – ключ на полевом транзисторе открыт, погасла – паяльник остывает. Нумерация элементов в схеме, реализующей эту функцию (Рисунок 1), продолжает нумерацию основной схемы.

Рисунок 1.	ФНЧ, выпрямитель, компаратор.

Из-за особенностей схемотехники катодных ключей модуля mED44 [2], разрывающих цепь питания светодиодных индикаторов на время перезагрузки регистра сдвига, и связанных с этим выбросов напряжения в моменты смены отображаемых знакомест (Рисунок 2), потребовалось дополнить схему простым ФНЧ на R7C3. Выпрямляется напряжение на светодиоде десятичной точки второго индикатора (вывод 2) и сравнивается на компараторе с опорным уровнем. Компаратор имеет небольшой гистерезис и эффективно противостоит импульсным помехам. Выход компаратора управляет полевым транзистором. Все активные элементы при деле и освободился еще один порт под сопутствующие нужды, если таковые возникнут в дальнейшем.

Рисунок 2.	Осциллограмма сигнала на светодиодах индикатора (синий луч).

«Ну, коль пошла такая…», было решено освободить еще один порт. Если внимательно взглянуть на схему модуля индикации, то видно, что с шиной SD он обменивается информацией при «лог. 1» на входе CLK. Пока обращения к нему нет, шина простаивает. Воспользуемся этим. Выход усилителя термопары через резистор R13 номиналом 10 кОм соединим с шиной последовательных данных SD. Теперь в паузе между обновлениями сдвигового регистра индикатора порт PB2 МК переключается на вход, и запускается цикл аналого-цифрового преобразования. Резистор никаким образом не влияет на работу шины последовательных данных, для порта это допустимая нагрузка, а входное сопротивление модуля индикации достаточно велико, чтобы не влиять на аналоговый сигнал. Схемное решение тщательно проверено, благо можно было сравнивать коды преобразования с обоих аналоговых входов PB4 и PB2, используя оставшуюся свободную программную память. Значения оказались равны. Теперь к микроконтроллеру остальные элементы паяльной станции подключаются по двухпроводному (аналого-цифровому) интерфейсу DDI, что хорошо видно на снимке макета (Рисунок 3).

Рисунок 3.	Второй макет цифровой паяльной станции.

Приведенная в [1] программа паяльной станции подверглась минимальным изменениям, связанным с адресуемым каналом мутиплексора аналоговых входов. Размер исполняемого кода остается прежним.

Описанная цифровая паяльная станция готова к тому, чтобы стать двухканальной. Ресурсы – три свободных порта и запас памяти программ – есть. Даже если не будет хватать памяти для реализации поставленной задачи, всегда можно применить ATtiny25/45/85. Реальную возможность подключить ЦПС по USB к компьютеру, хотя ресурсы ATtiny85 это позволяют, автор не рассматривал.

На этом хотелось бы закончить, но червячок сомнения заставил сделать сравнительные испытания цифрового и аналогового варианта. Благо, что ЦПС имеет возможность контролировать текущую температуру нагревателя, хоть и усредненную по 64 отсчетам. Программную реализацию было решено сделать в железе. К выходу усилителя термопары параллельно с цифровым каналом был подключен компаратор с гистерезисом; пороги Tmin/Tmax задавались потенциометрическим делителем. Затвор полевого транзистора простым переключателем мог быть подключен к ЦПС или его аналоговому двойнику. Задавая одинаковую температуру на макетах обеих станций, сравнили точность во всем диапазоне, время выхода на рабочую температуру, температурный «размах» нагревателя в режиме стабилизации и элементарное удобство пользования. Контрольным датчиком температуры была термопара, размещенная в углублении жала паяльника. Измеритель – Victor 70c. На этом этапе было отмечено, что в динамике температура датчика и жала – это «две большие разницы».

О результатах

Единственный недостаток аналоговой станции, по сравнению с цифровой – бóльшее время выхода на рабочую температуру. Оно равно 3.5 против 2 минут. Характеристика изменения температуры жала более пологая при подходе к температуре стабилизации. В установившемся режиме по точности обе станции абсолютно одинаковы. Предпочтение здесь следует отдать аналоговой, она работает как-то «мягче», когда ведется наблюдение за температурой жала, а не нагревателя. Размах колебаний температуры нагревателя у ЦПС значительно больше и достигает 40-50 °C, чем объясняется быстрый нагрев. С учетом усреднения при измерении температуры нагревателя в ЦПС это минимум 80 °C. При работе с высокими температурами жала нагреватель периодически разогревается до 500 °C. У аналоговой станции размах оказался в два раза меньше. По удобству пользования безусловным фаворитом является аналоговый вариант, но это субъективное мнение. Вывод очень прост. Аналоговая станция для неспешной, вдумчивой работы более привлекательна, чем ЦПС. С учетом цены, надежности и удобства обслуживания автор выбрал аналоговую (Рисунок 4).

Рисунок 4.	Схема аналоговой станции.

Последнее

Термопара генерирует напряжение, пропорциональное разности температур «горячего» и «холодного» спая. «Горячий» находится в нагревателе паяльника, «холодный» в его корпусе. При длительной работе ручка тоже нагревается и… Правильно, температура жала вырастает на эти несколько градусов. Изменяется температура в помещении, дует сквозняк и… Точность установки в 1 °C – это смешно, сначала надо термостатировать рабочее помещение. Уставка на ЦПС постоянна, температура жала изменяется в течение дня. Слегка влажная салфетка на ручке паяльника за несколько минут поднимет температуру жала почти на 6 градусов. Ни ЦПС, ни аналоговая станция не отработали такую помеху. Вооружайтесь бритвой Оккама и, если вам важны эти несколько градусов, переходите на более дорогие паяльники с терморезистором.

P.S.

Потенциометр, по мнению автора, должен быть с линейной зависимостью (тип А). С ним, при наличии четкой шкалы, можно установить температуру с точностью 5 °C во всем диапазоне 200-440 °C, на который рассчитана аналоговая станция.

Ссылки по теме