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用烙铁驱动桥控制温度

Kiril Karagiozov?? 2013年11月29日 ?? 收藏0
控制烙铁温度的方法有多种,而微控制器是利用安装在靠近烙铁头把手中的热敏电阻的温度反馈信息来控制烙铁的温度。本设计实例展示了一种只使用模拟元件便能控制烙铁温度的烙铁驱动,而其关键就在于烙铁多快能达到所需温度以及所设定温度的波动有多大。控制温度最简单的方法是使用一个通断开关,在烙铁达到设定温度时关闭加热器。但是这种方法往往会造成不必要的温度波动。最佳方法是使用一个PID控制器,可以应用最优算法在满功率的情况下以最快的加热速度使烙铁达到指定温度,然后再应用适当的功率维持烙铁的温度,不会造成任何温度波动。

为了测试这一想法,笔者从一家著名的拍卖网站上购买了一个便宜的山寨烙铁把手替代品(Hakko907)。该产品在24V电压下额定功率为50W,配有一个正温度系数(PTC)传感器,温度为300°C时电阻约为120Ω,系数约为0.16Ω/K。在该设计实例中使用的是手上旧笔记本电脑提供的19V电源,将其变为24V变压器需要考虑的问题将在下文中讨论。

图1中左上部的RBb1和Rb2及中下部的RSensor(烙铁PTC)和RTrim(温度调节)构成一个惠斯通电桥。在实践中,RTrim可以是一个串联的电阻和电池、一个带有多个经修整的温度预设装置的选择器开关或根据实际情况选择其他方法。

电桥输出被送入高增益运算放大器构成的减法器U2。根据建议,R8-R11有1%的公差,经过单独测量和挑选以达到最大限度的匹配。U1构成一个1.4Hz25%的脉冲发生器,可以定期打开Q1,使其为电桥提供19V的电能。高电压提升了电桥对温度变化的敏感度。但电桥的总电阻很低,因此能够产生很高的电流。低脉冲占空系数和R7限制了网桥中消耗的功率,还防止了升温情况的出现,以免对温度稳定性造成不利影响。

U3为正相峰值检波器,而U4则作为反向施密特触发器(ST)连接,切断阈值约为5.8V和4.8V。如图2中的波形图所示,当烙铁温度低于设定温度时,C2被充电直至电压高于触发器阈值,之后在整个周期内一直保持该状态,同时通过R12和R13放电。触发器输出保持低水平并打开MOSFET M2,为加热器RL提供满功率电源。当烙铁温度高于设定温度时,U2输出通地,C2的电压低于触发器阈值,使其输出处于高水平进而关闭M2。

在这两种极端情况之间,还有一种发生几率很低的情况,在周期期间当电阻大约为0.3Ω(由触发器阈值、减法器总增益、正相峰值检波器以及C2和R12+R13时间常数决定)时,通过C2的电压会低于触发器阈值,同时在剩下的周期时间段内,M2将关闭。

每个周期的连通时间与温升成反比—温度越高,通过RSensor的电桥电压就会越高,C2的放电电压就会越小,该状态一直持续,电压会降低到触发器阈值以下。这种负反馈回路能调节脉冲的占空系数,从而为烙铁提供精确热量,使其温度保持平稳。

如果校准多个温度阈值,则无需考虑传感器温度系数的非线性因素,这需要极其精确地做好每一项设置。“脉冲”模式启动后,烙铁尖端温度在60s~90s内会保持平稳,无可测波动。这种延迟是烙铁本身的热滞后特性所致,因为PTC传感器位于加热元件内部,而非测量温度的烙铁尖端。检测温度稳定性的另一种更快速、敏锐的方式就是指示灯闪烁:其中之一是“低温”LEDD4,当烙铁温度低于所设温度时,该指示灯会明亮闪烁;当烙铁达到所设温度时,该指示灯几乎不闪烁。另一种是“高温”指示灯D3,当烙铁温度达到所设温度且电路已计量出所需热能值时,该指示灯闪烁。

http://youtu.be/kxPTDBslXf提供了讲述运行电路的视频,从中可以看到电源是怎样不定期地为烙铁供电的(尤其是在低温情况下)。由于电路中的所有元件均使用19V电源,当U4接地时,M2使用的电源VGS接近极限值20V。如果你想使用不同的MOSFET或想将电源增加到24V,需要使用一个齐纳管或电阻分压器以确保电压不会超过MOSFET的栅源电压。

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