Пресс для ЛУТ

Эта эпопея началась после ряда неудач при изготовлении традиционным для ЛУТ способом – утюгом. То рисунок переводился не полностью, то наоборот, некоторые дорожки растекались. В общем, технология печалила меня своей нестабильностью. Да и утюг, которым я пользовался, имел далеко не плоскую подошву. Посему было решено изготовить приспособление специально для этих целей и получить вероятность успешного перевода рисунка на плату, близкую к 1.
Многие скажут, мол, изврат это, и обычным утюгом всё отлично переводится. Может и так, но у меня не всегда получалось. Другие скажут – пользуй фоторезист. Но у меня не те масштабы, да и стоит он дорого. Итак, кому всё ещё интересно – добро пожаловать под кат.

Перечитав несколько статей, посвящённых теме пресса, было выделено 2 направления: одно связано с прижатием платы с бумагой к нагретой поверхности; второе – с прижатием к плате с бумагой алюминиевой фольги с последующим пропусканием через неё больших токов. Второй способ был отклонён ввиду недолговечности фольги. Первый же способ получил дальнейшее развитие и вот что у нас с отцом (его руками выполнена вся «железная» часть) вышло:

(все картинки кликабельны)

В общем
Итак, для начала вкратце. Пресс представляет собой две стальные пластины (плиты?) толщиной 11 мм и размерами 165*200 мм (здесь и далее размеры некоторых деталей были продиктованы тем, что имелось в наличии, и здравым смыслом), которые сжимаются 6-ю пружинами и разводятся для размещения между ними платы с помощью ручек, которые вращают 4 эксцентрика. За нагрев отвечает нагреватель мощностью 1кВт.

Железо
Теперь подробнее о «железной» части пресса.
Начнём снизу вверх. Для нагрева пресса используется киловаттный нагреватель, намотанный в виде 12 спиралей. Спирали соединены параллельно-последовательно: последовательно включены 6 параллельных пар нагревателей. Намотаны вручную из нихрома. От внешнего мира изолированы керамическими бусинами:

Всё это уложено в каркас из оцинкованной стали:




Места соединения нагревателей и подключения проводов вынесены из-под пластин и закрыты сверху вот такими крышками:


Теперь, что касается непосредственно пластин.
Бутерброд из платы и бумаги сжимается между двух отшлифованных стальных пластин толщиной 11 мм каждая. В каждой из пластин засверлено 6 отверстий, в отверстиях нижней пластины нарезана резьба. В нижнюю пластину вкручены 6 шпилек (они дополнительно законтрогаены снизу гайками).

В верхней пластине отверстия чуть больше и она свободно ходит вверх-вниз по шпилькам. Над верхней пластиной на шпильки одето 6 достаточно жёстких пружин. Зажимается всё это гайками сверху.

Снизу под прессом расположен лист нефольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм для уменьшения нагрева стола под прессом, ну и руки так вероятность обжечь меньше. Вся конструкция стоит на пластмассовых ножках.

Теперь возникает резонный вопрос: а как же туда плату засунуть?
Изначально планировалось откручивать гайки и снимать верхнюю пластину, класть плату и собирать всё обратно. Но времени на это уходит около 5 минут, что в сравнении со временем запекания платы (1 минута), очень много. Да и хотелось какого-то удобства, что ли. В итоге было предпринято следующее. В верхней пластине было засверлено 4 отверстия, в них нарезана резьба, и на винтах были прикручены подшипники:

В нижней пластине также засверлены 4 отверстия, только там уже стоят эксцентрики следующей формы:

К эксцентрикам приварены ручки, с помощью которых они и поворачиваются. При разведении ручек наружу верхняя плита поднимается, а при возвращении ручек обратно – соответственно опускается. Подъём верхней плиты составляет примерно 5 мм, чего вполне достаточно, чтобы засунуть в этот промежуток бутерброд из платы и бумаги. Данный способ подъёма оказался на удивление удачным – плита поднимается без приложения особых усилий.



На перекладине между двумя шпильками закреплён концевик, по которому контроллер определяет положение крышки:

Собственно, на этом железная часть заканчивается и начинается электронная.

Электроника
В таком виде к прессу можно было присоединить 3 провода и (третий – заземление) и пользоваться. Но мне хотелось автоматизации, контроля температуры и прочих плюшек. Тем более, я полгода назад начал осваивать микроконтроллеры AVR, а посему было решено сделать электронный блок управления. Что он в итоге умеет:
• стабилизация температуры пресса
• индикация её на строенном семисегментном индикаторе
• отсчёт времени запекания и его индикация
• сигнализация об окончании процесса
• ещё несколько функций, о которых ниже.
Конструктивно состоит из следующих блоков:
• источник питания на основе TNY264
• плата контроллера (находится под индикаторной платой, её часть выглядывает из-под неё справа)
• индикаторная плата
• тиристорный коммутатор
Итак, по порядку.

Источник питания
Схема была составлена в программе PI Expert 8.0 и незначительно скорректирована под имеющиеся детали. Окончательный её вариант:

Трансформатор выполнен на основе дросселя от энергосберегающей лампы. В нём уже был зазор около 0,8 мм (много конечно, но других не было). Свои функции источник выполняет без проблем. Без нагрузки от сети кушает около 5 мА, под нагрузкой (плата управления – около 80 мА) – около 9 мА. В рабочем режиме немного греется супрессор VD5. Тестировал на нагрузках до 0,5 А, работает нормально, но на выходе, который не стабилизирован, при этом опасно возрастает напряжение и грозит электролиту С6.
Фото собранной платы:




Силовая часть – тиристорный коммутатор
Коммутатор выполнен на основе тиристоров T122-25-8 (25А, 800В) и оптисимистора MOC3063 по типовой схеме. От симисторов семейства BT139 отказался в пользу этих по двум причинам: во-первых есть небольшие запасы этого добра, а во вторых, они тянут киловатт мощности без радиаторов (при небольшом нагреве). Гальваническая развязка и синхронизация отпирания тиристоров в момент перехода через 0 сетевого напряжения обеспечивается MOC3063. Классная штука, надо сказать.

Вот плата с ними:




Термометр
Отдельно выделю вначале модуль термометра.
Схема:

Термометр выполнен на основе операционного усилителя КР140УД608. В качестве термодатчика выступает коллекторный переход транзистора КТ3107. Снятая характеристика прямого падения напряжения на нём оказалась практически линейна:

В нижней плите пресса было засверлено отверстие глубиной примерно 70 мм, транзистор помещён в него.
Питается ОУ от двуполярного напряжения +/- 5В. Включён по типовой схеме инвертирующего усилителя. Коэффициент усиления подобран так, чтобы температуре 255 градусов соответствовали показания АЦП, равные 255 в 8-ми битном режиме (опорное 5В). Два младших бита также используются при расчёте коэффициента заполнения ШИМ нагревателя (об этом ниже). Таким образом, разрешение по температуре составляет 0,25 градуса, что для данной задачи более чем достаточно. Калибровался по двум точкам: тающий лёд (0 градусов) и кипящая вода (100 градусов).

Контроллер

В качестве контроллера пресса выбран МК ATMega8. Схема включения контроллера типовая и ничего интересного не представляет. Разве что можно отметить включение светодиодов HL1 и HL2. Они указывают, что выводится на индикатор – температура или время. Соответственно, горит либо один, либо второй, либо оба не горят (когда выводится сообщение об ошибке). Линии порта D закончились, а на выводы АЦП не хотелось вешать светодиоды. Решение было подсмотрено в статье DI HALT’та о подключении микроконтроллера тут, немного доработано (добавлены диоды VD1 и VD2), испытано и утверждено). Схема была разделена на 2 части и выполнена в виде этажерки.
Первый этаж – плата контроллера и термометра:




Верхний этаж – плата индикации и управления:





Этажи соединяются между собой посредством PLS штырей. Розетки впаяны в плату контроллера, вилки – в плату индикации.
Внешний вид блока управления:

Весь блок управления в сборе:


Софт
Несколько слов об алгоритме. Особо вдаваться в подробности не буду, т.к. я ещё только учусь писать код для МК (пишу на ассемблере).

Несколько новых фишек, которые я изучил в процессе написания кода. Во-первых это усреднение показаний АЦП. В начале я никак не мог получить стабильные 10 бит от АЦП: постоянно хаотично прыгали 2 младших бита. Отключение цифровой периферии на время преобразования ничего не дало. Потом решил попробовать усреднение. Сделал 8 выборок в течение секунды, усреднил. И о чудо! я получил все 10 бит, на сей раз именно честных 10 бит, которые стояли, как вкопанные. По этому поводу снял небольшое видео (старшие 8 бит – преобразованы в цифры и выводятся на семисегментник (это уже готовая температура в градусах), а младшие 2 – на светодиоды):

(первое время электроника пресса существовала на основе моей отладочной платы).
Во-вторых – стабилизация температуры. При такой толщине пластин, неудивительно, что температурная инерционность пресса оказалась довольно большой. После включения нагрева проходит около 40 секунд, прежде чем температура пластины вырастет на 1-2 градуса. Зато потом его не остановить – после отключения нагрева выход температуры порой доходит градусов до 30-40. В итоге пришлось придумывать алгоритм, который бы сдерживал температуру в заданных рамках. На этапе нагрева с комнатной температуры мощность изменяется по такому закону:

Затем, уже в процессе запекания, это обычный пропорциональный регулятор, только зона пропорциональности ограничена 15 градусами (т.е. уже при падении температуры на 15 градусов на нагреватель подаётся полная мощность). Это нужно было для того, чтобы при опускании не такой горячей верхней крышки на плату предотвратить резкое падение температуры подошвы.

После запекания плата вынимается, и нагрев на 100 секунд отключается, чтобы дать стабилизироваться температуре подошвы. Согласен, алгоритм немного мудрёный и, возможно, кривой, но он работает. Температура держится +/- 2 градуса без платы и падает не более чем на 5 градусов при запекании. Выход на заданную температуру с комнатной происходит в течение примерно 10 минут (за это время можно плату зачистить и рисунок напечатать).

Сейчас, наверное, уже написал бы ПИД регулятор, но его буду изучать, когда буду разрабатывать паяльную станцию. Но это уже совсем другая история, как говорится.

Параметры процесса запекания на данный момент (может изменятся ещё в процессе эксплуатации)
• температура, при которой происходит запекание – 173 градуса
• время запекания – 70 секунд
• время ожидания стабилизации температуры после запекания – 100 секунд
Отсчёт времени начинается автоматически после опускания/подъёма крышки. Если опустить крышку в течение 100 секунд после запекания, то на индикатор выведется надпись «Err» и включится нагрев. После поднятия крышки продолжится стабилизация.

В работе
При запекании использую следующий бутерброд. Плату кладу на 4 слоя хлопчатобумажной ткани медной стороной вниз. Лист с рисунком – между тканью и платой. Всё это вложено в 2 слоя бумаги.
Даёт практически 100% результат. Например, недавно попросили сделать плату с нормами 0,3/0,2 (дорожки/зазор). Вот что вышло (с первой попытки):

размер платы 32*32 мм. Тут уже всё начинает упираться в качество печати перезаправленного принтера. Но дорожек 0,4 и зазоров 0,3 мне хватало в 98% моих плат.

На сим всё. Спасибо за внимание.