Programovanie spájkovacej pece

Na začiatku semestra som dostal na ponuku na výber medzi dvoma projektami. Keďže som vedel, že oba projekty sú maximálne na dĺžku jedného semestra tak som sa rozhodol pre projekt ktorý bude možné využiť aj v budúcich projektoch. Tento projekt bol zameraný na zostrojenie reflow pece a prácu s PCB.

PCB sú dosky vyrobené z nevodivého materiálu na ktorom sú vytvorené vodivé spoje, pomocou ktorých je možné prepojiť jednotlivé elektronické prvky. Na pripojenie týchto prvkov sa používa spájkovanie, vďaka čomu sa pripoja elektronické prvky na PCB. Problém ale nastáva ak na dosku chceme pripojiť veľké množstvo prvkov alebo prvky sú veľmi malé alebo je veľmi ťažké až nemožné ich pripojiť pomocou spájkovania. Vtedy nastupuje na scénu použitie spájkovacej pasty. Táto pasta je zložená z viacerých kovov, ako sú napríklad cín či olovo, a vie byť ľahko nanesená na dosku. Pri istej teplote sa daná pasta roztaví a prepojí náš elektronický prvok s doskou. Na toto sa vo všeobecnosti dá použiť teplo-vzdušná pištoľ ktorou zahrievame túto pastu. Tento postup však prináša svoje nevýhody a nebol veľmi efektívny keďže sa často stáva, že sa posunul daná súčiastka a vo všeobecnosti tento postup nebol až tak efektívny. Z tohto dôvodu vznikol tento projekt ako alternatíva k teplo-vzdušnej pištoli.

Táto reflow pec je ideálny prístroj na prácu ktorú potreboval. Funguje na tom princípe, že sa dopredu pripraví na PCB spájkovacia pasta s poukladanými prvkami a vloží sa do tejto piecky. V tejto piecke sa pomaly zahrieva aby sa nepoškodila doska a po istej dobe teplota vystúpi na teplotu topenia pasty a to spôsobí, že sa elektrický prvok spojí s PCB. Toto by vyriešilo problémy ktorý boli s teplo-vzdušnou pištoľou. Po hlbšom preskúmaní trhu sa ale zistilo, že tieto piecky sa pohybujú v cenovom rozpätí medzi 400 až 1000 eur za jednu pec. Ale ako správny automatizéri sme vedeli, že danú piecku si budeme vedieť vyrobiť a naprogramovať za lacnejšie, odhadom až 10 krát lacnejšie ako komerčne predávané piecky.

Hlavnou súčasťou tejto práce bolo vytvoriť práve teplotný profil a riadiť danú piecku aby fungovala ako by mala. Mojou úlohou bolo práve vytvoriť kód v programe Arduino v ktorom je možné vytvoriť a riadiť teplotný profil na ohrevnej ploche. Jednou z podmienok bolo, že daná ohrevná plocha bude riadená pomocou relé modulu, to znamená, že bude to diskrétne riadenie. Na ovládanie akou silou sa bude zohrievať ohrevná plocha, sme použili riadenie kedy sme ohrevné teleso spustili na istú dobu iba. Napríklad sme pustili danú ohrevnú plochu na 167 milisekúnd a na zvyšný čas do 1 sekundy sme ohrevné teleso vypli. To spôsobilo, že sa dané teleso pomalšie zohrievalo. Vďaka tomuto sme si mohli vytvoriť rôzne úrovne  ohrievania a tým precíznejšie riadili daný systém.

Tabuľka 1 Heating Control

Obrázok 1 Heating Control Signal

Daný teplotný profil si vieme rozdeliť na štyri hlavné časti. Prvá časť je veľmi jednoduchá a to je časť, kedy zohrejeme našu dosku na teplotu približne 150°C. Táto teplota je dôležitá z toho dôvodu, že na tejto teplote taktiež zohrejeme dosku aby nedostala tepelný šok a sama sa neroztavila ale aj súčiastky sú citlivé na tepelný šok. V tejto druhej časti sa snažíme danú dosku držať na teplote ktorú sme dosiahli v prvom kroku a to po dobu približne 1 až 2 minúty. V tretej časti tohto profilu je potrebné zahriať dosku na teplotu kedy sa naša pasta roztaví a to je približne na teplote 215°C a viac. Táto časť nie je ale veľmi dlhá a nie je nutné udržiavať túto vysokú teplotu dlho. Stačí aby sme dosiahli teplotu topenia a udržali sme ju aspoň 10 až 15 sekúnd aby sme boli istý, že celá nanesená pasta sa roztavil. Úloha poslednej časti je plynulo ochladiť PCB na teplotu s ktorou vieme pracovať.

Tento profil som si ale najprv pripravil na testovacom zariadený DualHeat ktoré mi bolo zapožičané na vytvorenie tohto profilu. Na tomto prístroji som si mohol daný program vyskúšať a overiť a to tak, že som zahrieval rezistor ktorý sa dotýkal teplotného snímača a tým som mohol testovať moje riadenie. Samozrejme daný systém som musel znížiť a upraviť na teplotu ktorý mi vedel vytvoriť daný rezistor, čo bolo približne v rozhraní medzi 25 až 40 °C.

Obrázok 2 Teplotný profil- DualHeat

Pri testovaní na už reálnom pristrojí ktorý počas semestra prístroj bol zostrojil sme natrafili na nečakané problémy. Jeden z problémov bol, že výkon výhrevného telesa bol až prekvapivo výkonný takže bolo nutné upraviť našu dobu ako dlho je spustené. Taktiež sme zistili, že pri testovaní, náš termočlánok mal až príliš veľkú teplotnú kapacitu. Z toho dôvodu sme museli pridať termistor s ktorým sme dokázali lepšie a presnejšie zisťovať a kontrolovať teplotu na ohrevnej platni. Po dlhšom dolaďovaní sa nám podarilo zostrojiť funkčnú reflow pec ktorú môžete vidieť na obrázku 3 a finálny teplotný profil ktorý sa bude používať na obrázku 4.

Obrázok 3 Reflow pec

Obrázok 4 Teplotný profil- Reflow pec

Táto piecka už bola využitá na aktuálny projekt na ktorom Ing. Peter Bakaráč, PhD. pracuje a verím, že táto piecka bude ďalej často využívaná aj na iných projektoch ktoré sa objavia v najbližších rokoch.