lötkolbentemperatur
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Bau- und Bedienungsanleitung Best.-Nr.: 83106 Version 1.01 Stand: August 2008 Lötkolbentemperatur-Messgerät Technischer Kundendienst Für Fragen und Auskünfte stehen Ihnen unsere qualifizierten technischen Mitarbeiter gerne zur Verfügung. ELV • Technischer Kundendienst • Postfach 1000 • D-26787 Leer Reparaturservice Für Geräte, die aus ELV-Bausätzen hergestellt wurden, bieten wir unseren Kunden einen Reparaturservice an. Selbstverständlich wird Ihr Gerät so kostengünstig wie möglich instand gesetzt. Im Sinne einer schnellen Abwicklung führen wir die Reparatur sofort durch, wenn die Reparaturkosten den halben Komplettbausatzpreis nicht überschreiten. Sollte der Defekt größer sein, erhalten Sie zunächst einen unverbindlichen Kostenvoranschlag. Bitte senden Sie Ihr Gerät an: ELV • Reparaturservice • Postfach 1000 • D-26787 Leer ELV Elektronik AG • Postfach 1000 • D-26787 Leer Telefon 0491/600888 • Telefax 0491/6008-244 WERKSTATT 1 2 Bau- und Bedienungsanleitung Lötkolbentemperatur-Messgerät Die Einhaltung einer exakten Lötspitzen-Temperatur ist beim Verarbeiten empfindlicher Bauteile ein Muss, will man keine Verluste und Misserfolge riskieren. Aber nicht immer steht eine Lötstation mit exakter Lötspitzen-Temperaturanzeige zur Verfügung. Dieses kleine, batteriebetriebene Messgerät basiert auf einem interessanten Sensorkonzept und zeigt die reale Lötspitzen-Temperatur exakt an. Genau gemessen Das heutige bleifreie Löten basiert u. a. auf einer systembedingt erhöhten Löttemperatur, um die beteiligten Materialien elektrisch und mechanisch mit einer exakten Lötstelle zu verbinden. Gerade hier zeigt sich bei empfindlicheren Bauteilen eine Tücke – sie sind bei Einsatz der vollen Löttemperatur thermisch überfordert. Eine auf einen bestimmten Lötkolben abgestimmte Lötstation mit exakter Messung der LötspitzenTemperatur steht aber nicht jedem zur Verfügung und wird auch nicht immer gebraucht – denn meist genügt das „grobe” Voreinstellen der Temperatur an der Lötstation. Das grenzt aber bei einfachen Lötstationen unter Einsatz von Lötkolben Technische Daten: LTT 1 Versorgungsspannung: 9-V-Batterie (6LR61) Stromaufnahme: 60 µA Anzeigebereich: Umgebungstemperatur –10 °C bis 40 °C, Lötkolbentemperatur 100 °C bis 550 °C Abmessungen: 84 x 68 x 46 mm ohne interne Temperaturerfassung an Kaffeesatz-Leserei, so entstand die Idee, einen Temperatur-Anzeiger zu entwickeln, der auch nicht wesentlich beim Löten aufhält, einfach handhabbar und zudem preiswert sein sollte. Heraus kam dieses Gerät mit zwei Anzeigefunktionen: Im Normalbetrieb wird, über einen normalen Sensor auf der Platine erfasst, die Umgebungstemperatur angezeigt. Sobald man mit dem Lötkolben den dafür vorgesehenen Sensor berührt, wird dies vom Mikrocontroller erkannt (ab 80 °C), und die Temperaturanzeige schaltet automatisch auf Lötkolbentemperatur-Anzeige um. Der Lötkolbentemperaturmodus wird durch die zusätzliche Bargraph-Anzeige angezeigt. Als Temperatursensor kommt ein in dieser Anwendung recht origineller Hochtemperatursensor, ein NiCr-Ni-Thermoelement, zum Einsatz. Mit ihm lassen sich theoretisch Temperaturen im Bereich von –40 °C bis +1000 °C messen. Der mechanische Aufbau ist speziell für eine 3-Punkt-Befestigung ausgelegt. Somit ist eine einfache Montage, z. B. auf einer Platine, möglich. Der Sensor ist für die Lötspitze einfach zugänglich, erfordert kein zeitraubendes (und verletzungsgefährdetes) Anlegen eines Sensors o. Ä. und stellt in seinem konstruktiven Aufbau eine originelle Praxislösung dar. Bau- und Bedienungsanleitung Bild 1: Die diskutierten Einsatzvarianten eines Thermoelements Grundlagen der Thermoelemente Mit einem Thermoelement lassen sich relativ hohe Temperaturen (bis 1500 °C) messen, je nach Bauart und Mater­ial. Bei diesen Sensoren wird der sogenannte Seebeck-Effekt genutzt (benannt nach dem Entdecker: Thomas Johann Seebeck, 1770–1831, Entdeckung des thermoelektrischen Effekts: 1821). Das Prinzip des thermoelektrischen Effekts: Weist ein elekt­ rischer Leiter an unterschiedlichen Stellen Temperaturdifferenzen auf, entsteht an den Enden bzw. an zwei verschiedenen Messstellen auf dieser Leitung eine Spannung (Thermospannung). Diese Spannung entsteht durch Thermodiffu­ sion. Jedes leitfähige Material besitzt einen unterschied- lichen Seebeck-Koeffizienten (V/K). Um die Spannung in der Praxis messen zu können, verwendet man zwei verschiedene Leiter mit unterschiedlichen Koeffizienten. In unserem Beispiel besteht der eine Leiter aus einer Nickel-Chrom-Legierung (NiCr) und der andere Leiter aus Nickel (Ni). Abbildung 1a zeigt solch eine Grundschaltung. Die Spannung wird an den kalten Enden des Leiters (Vergleichsstelle) gemessen. Die gemessene Spannung ist die Differenz zwischen der Messstelle (Fühler) und der Vergleichsstelle. In der Regel wird +UB +UBat +4.4V +4.4V 10K 10K R4 R3 R2 220K R1 10K LCD1 IC1 20 1 Messverstärker C2 A 58 +1 57 56 R6 ST2 R9 LMV2011MF 3K9 100p 4 SMD NiCr-Ni Sensor 59 100K + 60 R8 3 Ferrit 61 IC2 L1 ST1 120K 100p SMD C4 54 470n SMD 10 +2,5V 12 D1 14 C5 TS1 1K 55 11 C3 R7 C1 100n SMD 13 15 16 LM385/2.5 1n SMD 17 2 3 Temperatursensor (Raumtemperatur) 4 6 10K R10 5 7 8 +UBat Spannungsregler +9V IN IC3 T1 +4.4V BC858C OUT HT-7144 BAT1 GND C6 1u SMD +UB C7 C8 1u SMD C9 100n SMD IC1 21 52 Vcc 100n SMD 62 64 Vcc AREF AVcc GND GND GND 22 53 63 C10 IC2 5 C11 100n SMD 100n SMD LMV 2011MF 2 9 /RESET PG5 LCDCAP ADC0 PF0 ADC1 PF1 ADC2 PF2 ADC3 PF3 ADC4 PF4 TCK ADC5 PF5 TMS ADC6 PF6 TDO ADC7 PF7 TDI /SS PB0 PCINT8 SCK PB1 PCINT9 MOSI PB2 PCINT10 MISO PB3 PCINT11 OC0A PB4 PCINT12 OC1A PB5 PCINT13 OC1B PB6 PCINT14 OC2A PB7 PCINT15 RXD PE0 PCINT0 TXD PE1 PCINT1 XCK AIN0 PE2 PCINT2 AIN1 PE3 PCINT3 SCL USCK PE4 PCINT4 SDA DI PE5 PCINT5 DO PE6 PCINT6 CLKO PE7 PCINT7 PA0 COM0 PA1 COM1 PA2 COM2 PA3 COM3 51 PA4 SEG0 PA5 SEG1 PA6 SEG2 PA7 SEG3 PG2 SEG4 PC7 SEG5 PC6 SEG6 PC5 SEG7 PC4 SEG8 PC3 SEG9 PC2 SEG10 PC1 SEG11 PC0 SEG12 PG1 SEG13 PG0 SEG14 PD7 SEG15 PD6 SEG16 PD5 SEG17 PD4 SEG18 PD3 SEG19 PD2 SEG20 INT0 PD1 SEG21 ICP1 PD0 SEG22 T0 PG4 SEG23 T1 PG3 SEG24 47 TOSC1 XTAL1 24 TOSC2 XTAL2 23 ATmega169/V C12 100n SMD 1 COM0 2 COM1 3 COM2 4 COM3 5 SEG0 6 SEG1 7 SEG2 8 SEG3 9 SEG4 10 SEG5 11 SEG6 12 SEG7 13 SEG8 14 SEG9 15 SEG10 16 SEG11 17 SEG12 18 SEG13 19 SEG14 20 SEG15 21 SEG16 22 SEG17 23 SEG18 24 SEG19 25 SEG20 26 SEG21 27 SEG22 28 SEG23 29 SEG24 30 SEG25 31 SEG26 32 SEG27 33 SEG28 34 SEG29 35 SEG30 36 SEG31 50 49 48 46 45 44 43 42 41 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 19 18 C13 Q1 32.768 kHz 18p SMD LC-Display C14 18p SMD Bild 2: Schaltbild des Lötkolbentemperatur-Messgerätes WERKSTATT 3 4 Bau- und Bedienungsanleitung ELV ELV 07744 07744 Ansicht der fertig bestückten Platine des LTT 1 mit zugehörigem Bestückungsplan davon ausgegangen, dass die Vergleichsstelle eine Tem­pera­ tur von 20 °C (Zimmertemperatur) aufweist. Ist die Temperatur höher als an der Vergleichsstelle, ist die Spannung positiv. Im umgekehrten Fall – die Messstelle ist kälter als die Vergleichsstelle – ist die Spannung negativ. Bei einem NiCr-NiSensor liegt die Spannung (V/K-Konstante) bei 40,6 µV/K. Ist die Temperatur (Raumtemperatur) an der Vergleichsstelle unterschiedlich, muss eine Vergleichsstellenkorrektur vorgenommen werden. Dies kann z. B. durch einen zweiten Sensor erfolgen, der an der Messstelle (Übergang Fühlerkabel – Gerät) eingefügt wird. Dieser Sensor muss aus dem gleichen Material bestehen wie der Messfühler. Dieses Schaltungsprinzip ist in Abbildung 1b dargestellt. Die gemessene Spannung entspricht der Temperaturdifferenz der beiden Messstellen. Eine weitere Möglichkeit ist die elektronische Vergleichsstellenkorrektur (siehe Abbildung 1c). Hier wird mit einem beliebigen Temperatursensor, der sich an der Vergleichsstelle oder in deren Nähe befindet, die Raumtemperatur an der Vergleichsstelle gemessen. In Abbildung 1c ist dies durch einen NTC-Sensor angedeutet. Mit einem nachgeschalteten Mikrocontroller (mit A/D-Wandler) kann nun die Thermospannung und die Raumtemperatur (Vergleichsstelle) gemessen werden. Anhand dieser beiden Daten kann der Controller die Fühlertemperatur relativ genau errechnen und auf eine entsprechende Anzeige (z. B. LC-Display) ausgeben. Genau auf diesem Prinzip basiert die Schaltung des Lötkolbentemperatur-Messgerätes. Schaltung In Abbildung 2 ist das Schaltbild des LötkolbentemperaturMessgerätes dargestellt. Die Ansteuerung des LC-Displays und die Messwerterfassung übernimmt der hochintegrierte Mikrocontroller IC 1 vom Typ ATmega169V. Durch die sehr niedrige Stromaufnahme kann der Controller und somit auch die Schaltung immer eingeschaltet bleiben, weshalb auch ein Ein/Aus-Schalter fehlt. Im Normalbetrieb wird, wie schon erwähnt, die Raum- bzw. Umgebungstemperatur angezeigt. Der Temperaturaufnehmer hierfür ist TS 1, vom Typ AT103. Dieser Sensor, auch Thermistor (NTC) genannt, weist einen negativen Temperatur-Koeffizienten auf, d. h. bei steigender Temperatur sinkt der Widerstandswert. Bei einer Temperatur von z. B. 25 °C nimmt der NTC einen Widerstandswert von genau 10 kΩ an. Ein wesentlicher Vorteil dieses Sensors ist der, dass für alle Temperaturen die Widerstandswerte des Sensors genau bekannt sind (hierfür existiert für diesen Sensortyp ein genaues Datenblatt). Hierdurch ist, bei entsprechender Beschaltung, eine Temperaturmessung ohne aufwändigen Abgleich möglich. Damit der Mikrocontroller den Widerstandswert des Sensors ermitteln kann, ist ein zweiter Widerstand in Reihe geschaltet (R 8), wodurch sich ein Spannungsteiler ergibt. Dieser Spannungsteiler wird von Pin 61 des Controllers mit UB (4,4 V) versorgt. Über den A/D-Wandler-Eingang ADC 1 (Pin 60) wird nun die Spannung über TS 1 gemessen. Anhand dieser Spannung und der bekannten Größen kann der Controller nun den Widerstandswert und somit die Temperatur errechnen. Um Batterie-Kapazität zu sparen, findet diese Messung nur einmal in der Sekunde statt, weshalb dieser Spannungsteiler nicht direkt an UB liegt, sondern vom Controller geschaltet wird. Aus dem gleichen Grund wird der Messverstärker (IC 2) für das Thermoelement ebenfalls nur für die Dauer der Messung aktiviert. Dies erfolgt mit dem durch den Controller angesteuerten Schalttransistor T 1. Die Spannung +UB ist somit nur für den Zeitraum der Messung präsent. Das Thermoelement wird über die beiden Lötstifte ST 1 und Bau- und Bedienungsanleitung ST 2 mit der Schaltung kontaktiert. Der Chip-Ferrit L 1 und der Kondensator C 2 unterdrücken hochfrequente Störsignale. Der nachfolgende nichtinvertierende Operationsverstärker IC 2 hat einen Spannungsverstärkungsfaktor von 121, der von den beiden Widerständen R 6 und R 7 bestimmt wird. Durch die sehr guten technischen Daten dieses Präzisions-Operationsverstärkers vom Typ LMV2011 (niedriger Offset usw.) ist ein Abgleich dieser Stufe nicht notwendig. Die verstärkte Analogspannung gelangt zur Messung auf den A/D-Wandler-Eingang ADC 4 (Pin 57) von IC 1. Damit IC 1 seinen internen A/D-Wandler abgleichen bzw. den Skalenfaktor ermitteln kann, wird an Pin 59 eine externe, von der „Z-Diode” D 1 stabilisierte Referenzspannung von 2,5 V zugeführt. D 1 ist in Wirklichkeit ein elektronischer Schaltkreis, dessen Funktion einer Z-Diode ähnelt, nur eben mit besseren technischen Eigenschaften. Da die Schaltung eine Spannung von 4,4 V benötigt, erfolgt die Spannungsversorgung mittels einer 9-V-Batterie mit nachgeschaltetem Spannungsregler (IC 3). Dieser Spannungsregler IC 3 (HT7144) ist durch seinen geringen Eigenstrombedarf speziell für batteriebetriebene Schaltungen ausgelegt. Zur „LOW-Bat.“-Erkennung wird die Batteriespannung (9 V) mit dem Spannungsteiler R 2 und R 9 heruntergeteilt und auf den A/D-Wandler-Eingang ADC 3 (Pin 58) gegeben. Der „Fußpunkt“ dieses Spannungsteilers liegt nicht, wie erwartet, an Masse, sondern wird vom Controller intern nur während der Messphase an Masse geschaltet. Hierdurch spart man wiederum wertvolle Batterie-Kapazität. Unterhalb einer Batteriespannung von 6 V erscheint das „BAT“-Symbol im Display. Unterhalb dieser Spannung ist eine einwandfreie Funktion der Schaltung nicht mehr gewährleistet, und die Batterie sollte gewechselt werden. Nachbau Der Nachbau gestaltet sich recht einfach, da die Platine bereits mit SMD-Bauteilen bestückt geliefert wird, so dass nur die mechanischen bzw. bedrahteten Bauteile zu bestücken sind. Somit umgeht man eventuelle Handling- und Bestückungsprobleme auf der Platine. Hier ist lediglich eine abschließende Kontrolle der bestückten Platine auf Bestückungsfehler, eventuelle Lötzinnbrücken, vergessene Lötstellen usw. notwendig. Zuerst sollten der Quarz Q 1 und der Temperatursensor TS 1 bestückt und verlötet werden. Überstehende Anschlussenden von TS 1 sind mit einem Seitenschneider abzuschneiden. Kommen wir nun zur Montage des Displays, welches fast alle SMD-Bauteile überdeckt. Es ist so in den Klarsicht-Halterahmen zu legen, dass die kleine Glasverschweißung an der linken Displayseite in die zugehörige Aussparung des Rahmens ragt (siehe Abbildung 3). Dann ist der Befestigungsrahmen von der rechten Seite aufzuschieben und mit zwei Leitgummistreifen zu bestücken. Die Montage der zusammengebauten Displayeinheit auf der Platine erfolgt durch vorsichtiges und gleichmäßiges Verschrauben (über Kreuz verschrauben) mit sechs Schrauben 2,0 x 5 mm. Für die Befestigung des Sensors sind 3 Lötstifte mit Lötöse zu 5 Stückliste: Lötkolbentemperatur-Messgerät LTT 1 Widerstände: 1 kΩ/SMD/0805 R7 3,9 kΩ/SMD/0805 R8 10 kΩ/SMD/0805 R1, R3, R4, R10 100 kΩ/SMD/0805 R9 120 kΩ/SMD/0805 R6 220 kΩ/SMD/0805 R2 Kondensatoren: 18 pF/SMD/0805 100 pF/SMD/0805 1 nF/SMD/0805 C13, C14 C2, C3 C5 100 nF/SMD/0805 C4, C8–C12 470 nF/SMD/0805 C1 1 µF/SMD/0805 C6, C7 Halbleiter: ELV07744/SMD IC1 LMV2011/SMD IC2 HT-7144 IC3 BC858C T1 LM385-2,5V/SMD D1 LC-Display LCD1 Sonstiges: Quarz, 32,768 kHz Q1 Chip-Ferrit, 0805 L1 Temperatursensor TS1 Temperatursensor 103AT-2 TS2 Lötstift mit Lötöse ST1–ST3 1 9-V-Block-Batteriehalter, print 1 Zugfeder, 2,5 x 0,36 x 6,8 mm 2 Leitgummis 1 Display-Scheibe 1 Displayrahmen 6 Kunststoffschrauben, 2,2 x 5 mm 4 Knippingschrauben, 2,2 x 6,5 mm 2 Kunststoffschrauben, 2,5 x 6 mm 1 Distanzplatte für Batteriehalter, bearbeitet bestücken. Diese Lötstifte erhalten, wie in Abbildung 4 dargestellt, eine seitliche Einkerbung zur Aufnahme der Sensor­ drähte bzw. der Zugfeder. Diese Einkerbungen lassen sich einfach mit einem Seitenschneider vornehmen. Nachdem die WERKSTATT 6 Bau- und Bedienungsanleitung Bild 3: Montage des Displays Bild 6: Die Kunststoffplatte für den Batteriehalter (oben) Lötstifte auf der Platinenunterseite verlötet sind, wird der Sensor mit der Zugfeder in Lötstifte eingehängt (siehe Abbildung 5). Hierbei ist auf die richtige Zuordnung der Farben (Rot und Blau) an den Anschlussdrähten zu achten. Der Batteriehalter befindet sich auf der Rückseite der Platine und wird mit einem Kunststoffhalter befestigt (siehe Abbildung 6). Zuerst verschraubt man den Batteriehalter mit vier Schrauben 2,2 x 6,5 mm auf dieser Kunststoffplatte. Anschließend biegt man die beiden Anschlüsse der Batterie­kon­ takte rechtwinklig um, bis diese bündig mit der Kunststoffplatte abschließen. Es verbleibt eine Fläche von ca. 2 mm Breite, die zum Anlöten auf der Platine dient. Nun wird diese Einheit auf die Rückseite der Platine gelegt und von vorn mit zwei Schrauben 2,5 x 6 mm befestigt. Nun können auch die beiden Batteriekontakte verlötet werden. Zum Schluss sind die beiden seitlichen Platinen, die zur Standfestigkeit der Einheit notwendig sind, mit der Hauptplatine zu verlöten. Nach dem Einsetzen der 9-V-Batterie ist die Schaltung einsatzbereit, Abbildung 7 zeigt das fertig montierte Gerät mit eingesetzter Batterie. Tipps zum praktischen Einsatz Vor der Messung sollte die Lötspitze gereinigt, also von überflüssigem Lötzinn und Fluxmittel befreit werden, um einen guten Wärmeübergang zu gewährleisten. Der mit der Lötspitze zu berührende Messpunkt ist der Knotenpunkt der Sensordrähte, der unterhalb des Sensors auf der Platine mit einem weißen Kreis gekennzeichnet ist. Bild 4: Die mit dem Seitenschneider eingeschnittenen Lötstifte halten den Sensor sicher fest. Bild 5: So wird der Sensor zusammen mit der Zugfeder in die Lötstifte eingehängt. Bild 7: Das fertig montierte Gerät von der Rückseite gesehen Bau- und Bedienungsanleitung WERKSTATT 7 8 Bau- und Bedienungsanleitung Entsorgungshinweis Gerät nicht im Hausmüll entsorgen! Elektronische Geräte sind entsprechend der Richtlinie über Elektro- und ElektronikAltgeräte über die örtlichen Sammelstellen für Elektronik-Altgeräte zu entsorgen! Verbrauchte Batterien gehören nicht in den Hausmüll! Entsorgen Sie diese in Ihrer örtlichen Batteriesammelstelle! ELV Elektronik AG • Postfach 1000 • D-26787 Leer Telefon 0491/600888 • Telefax 0491/6008-244
