Univerzálna reflow rúra je pomôcka pre každého, kto potrebuje pri výrobnom procese v domácich alebo laboratórnych podmienkach vyvinúť teplotu vzduchu väčšiu ako je izbová alebo teplota nad bodom varu vody. Reflow rúra (ďalej len rúra) je špecifický druh rúry, ktorá sa používa pri hromadnom pájkovaní súčiastok na dosku plošných spojov (ďalej len DPS). Mojím cieľom bolo vyvinúť čo najuniverzálnejšiu rúru aby sa dala použiť aj pri iných výrobných procesoch, nielen pri pájkovaní. Mala by mať čo najjednoduchšiu konštrukciu a zároveň spĺňať aj náročné teplotné požiadavky nielen pri výrobe DPS. Prototyp rúry je zhotovený zo sériovo vyrábanej rúry, ktorá bola základom mojej konštrukcie. Táto malá rúra je riadená elektronicky, čo zaručuje dokonalú presnosť teploty aj pri nižších nastavených teplotách. Rúra je tepelne izolovaná, čo napomáha energetickej úspornosti. Vďaka malým rozmerom spotrebuje podstatne menšie množstvo elektrickej energie, pri väčšej efektívnosti. Rúra má jednoduché riadenie a preto je ľahko používateľná v domácich aj laboratórnych podmienkach. Moja rúra je základom pre mohutnejšie konštrukcie malých taviacich pecí alebo laboratórnych sušiarní.
Napájanie: 220 – 240V, 50Hz
Výkon: Pohot. režim: 1,9W
Potot. režim + ventilátor: 3,8W
Horný ohrev + ventilátor: 477W
Spodný ohrev + ventilátor: 379W
Oba ohrevy + ventilátor: 837W
Maximálny výkon: 837W
Rozsah teploty: 40 – 250°C
Časovač: 1 min. – 99h, možnosť vypnutia
Ohrevy: vypínateľné, horný + spodný
Doba nahriatia: z 20 na 50°C za 54 sekúnd
z 20 na 150°C za 2 minúty a 5 sekúnd,
pri zapnutých obidvoch ohrevoch
Vonkajšie rozmery (VxŠxH) : 20x36,5x28 cm
Vnútorný objem: 9l
Rúra bola rozobratá a ako prvé sa odstránili originálne ovládacie prvky. Do originálneho plastového panelu boli vyfrézované diery podľa návrhu hliníkového predného panelu.
Podľa elektronického návrhu sa na CNC stroji vyfrézoval do hliníkového plechu predný panel. Počas frézovania musel byť frézovací nôž dostatočne premazaný aby sa nezasekával v materiáli.
Po vyfrézovaní a následnom jemnom brúsení hrán sa panel postupne osadil vypínačmi, kontrolkou a displejom.
Samotná rúra, ktorá je sériovo vyrábaná nemá žiadnu tepelnú izoláciu. To spôsobovalo, že sa kryt rúry neúmerne hrial a rúra mala veľmi veľké tepelné straty. Z tohto dôvodu sa následne namontovala tepelná izolácia, ktorú tvorí sklo-keramická vata určená na zatepľovanie komínov či biokrbov.
Izolácia je položená zvrchu, z bokov a pod elektronikou. Izolácia musí byť uložená aj pod elektronikou, aby teplo, ktoré vedie spodný plech nespôsobovalo aktivovanie ochrany proti prehriatiu.
Sklo-keramická vata je na bokoch pripevnená o vývody ohrievacích telies a je prichytená tenkými drôtikmi. Jej osadenie muselo byť precízne, aby izolácia nespôsobovala mechanický problém pri vysúvaní roštu.
Elektronika riadenia je vyhotovená na obojstrannej DPS s rozmermi 86x56mm. Táto doska je prichytená ku spodnému plechu pomocou štyroch skrutiek. Aby sa predišlo skratu medzi kostrou (uzemnením) rúry a niektorým spojom DPS, bola medzi spodný plech a dosku elektroniky vložená izolačná podložka z cuprextitu. Je však možné použiť aj podložku z iného nevodivého materiálu.
V rúre sa nachádza aj pomocná doska so spínacím tranzistorom MOS-FET, umiestnená nad ventilátorom. Je uchytená o zadný plech a je izolovaná podložkou z cuprextitu podobne ako hlavná doska.
Ventilátor je štvorcového tvaru 40x40mm. Umiestnený je pod pomocnou doskou na zadnom plechu. Plech má v sebe od výroby mriežku na odvod tepla, a preto ventilátor nemá prekážku pri nasávaní vzduchu. Aj keď je rúra dostatočne tepelne izolovaná je nutné ku elektronike umiestniť ventilátor, aby sa zamedzilo prehriatiu, pretože pracovná teplota elektroniky môže dosiahnuť hodnotu, ktorá by nepriaznivo ovplyvnila činnosť ochrany proti prehriatiu.
Teplotný snímač je tepelný senzor typu K, bežne dostupný, lacný a dostatočne presný. Je umiestnený v plechovej rúrke priskrutkovanej o bočný plech. Samotný senzor vystupuje z rúrky asi 1cm a je umiestnený ku roštu tak, aby bola teplota čo najpresnejšia a zodpovedala skutočnej teplote okolo objektu.
Celá elektronika je poprepájaná plochými káblami, ktoré odolávajú teplotám do 100°C. Displej, enkóder, tepelný senzor alebo iné časti elektroniky je teda možné v prípade potreby bez väčších komplikácií vymeniť.
Silové káble sú farebne odlíšené a ukončené konektormi typu FASTON. Konektory sú izolované v bužírkach aby nedošlo k náhlemu prierazu na kostru alebo na iný kontakt. Sieťový kábel zostal pôvodný ako aj uzemňovacie káble na rošt a kostru. Pôvodný sieťový kábel má izoláciu z teplovzdornej gumy a je pomerne kvalitnej výroby.
Elektronika ovládania rúry pozostáva z piatich funkčných celkov. Hlavná doska, displej, ventilátor, enkóder a teplotný senzor. Celky sú navzájom prepojené plochými káblami.
Na hlavnej doske je osadená celá riadiaca elektronika. Hlavným riadiacim prvkom je mikroprocesor ATmega328p. Tento procesor využíva pomocný kryštálový oscilátor, ktorý je umiestnený v tesnej blízkosti procesora. Na hlavnej doske sa nachádzajú pinové vývody pre jednotlivé celky. Vývody pre displej sú umiestnené na pravom okraji dosky. Päť-pinový konektor pre enkóder je umiestnený kolmo pod ním. Programovací konektor pre ISP programátor sa nachádza na spodnom okraji dosky. Ďalej je na doske čip MAX6675, ktorý spracováva údaje z teplotného senzora a upravuje ich tak aby ich hlavný mikroprocesor dokázal spracovať. Na doske sa nachádza aj časť silovej a napájacej časti. Napájacia časť pozostáva z transformátora, mostíkového usmerňovača, vyhladzovacích filtrov a stabilizátora. Vedľa transformátora je umiestnené spínacie relé na zopnutie ohrevu.
Displej rúry tvorí jednoduchý LCD displej formátu 40x20mm. Umožňuje zobrazenie ôsmich znakov vo dvoch riadkoch. Má vlastné zelené podsvietenie, ktoré sa dá regulovať trimrom na hlavnej doske.
Enkóder použitý v rúre je špeciálne určený pre Arduino. Je to typ s tlačidlom a piatimi vývodmi, ktorého typové označenie je KY-040.
Ventilátor má rozmery 40*40*20mm. Pracuje pri napätí 12V a prúde 70mA. Je to ventilátor určený na všeobecné použitie. „Prefúkne“ 15,12m3 vzduchu za jednu hodinu. Štandardne má ventilátor tri vývody, ale v tomto prípade sa využívajú len napájacie piny. Spínanie ventilátora je riešené pomocou tranzistora MOS-FET. To umožňuje rúru ďalej modifikovať a regulovať otáčky pomocou PWM (regulácia zmenou šírky riadiaceho impulzu).
Teplotný senzor tvorí teplotná sonda typu K. Tieto sondy sú najbežnejšie dostupnými sondami na trhu. Sonda typu K využíva termoelektrický jav, keď na spojení dvoch rôznych kovov vzniká napätie závislé od teploty spoja. Čip MAX6675 toto napätie vyhodnotí a dáta pošle do hlavného mikroprocesora.
Celá schéma zapojenia a návrh plošného spoja boli zrealizované v CAD programe Eagle. Schéma zapojenia je navrhnutá tak, aby bola elektronika čo najkompaktnejšia a jednoducho zhotoviteľná. Schéma zapojenia je na Obrázku 18 a návrh plošného spoja na Obrázku 19 a 20. Navrhnutá doska bola kvôli svojej náročnosti vyrobená na zákazku.
Hlavný mikroprocesor potrebuje ku svojej činnosti riadiaci program. Program je písaný vo vývojovom prostredí pre Arduino, pretože procesory ATmega sú základom týchto vývojových dosiek. Program pozostáva z konfigurácie pinov, zoznamu použitých knižníc, definícií výrazov a samotného programu. Program riadi všetky časti rúry. Základom programu je protoprogram pre riadnenie teploty. Ďalšími subprogramami sú program pre časovač, program pre ochranu pred prehriatím, program pre kalibráciu, program pre pamäť EEPROM a programy udržujúce správny chod rúry (program pre taktovanie časovača a pod.). Ako som už spomenul, program využíva pamäť EEPROM, ktorá zabezpečí to, že pri vypnutí rúry ostane nastavená kalibračná hodnota tzv. ofset. Riadenie rúry je vyriešené takto: pri prvom spustení po nahratí programu bude rúra vyžadovať nastavenie prvotnej kalibrácie (Obr. 21). Tá sa nastavuje otáčaním enkódera. Nastavíme ju tak aby teplota v rúre zodpovedala teplote na displeji (pri prvom zapnutí je v rúre izbová teplota, takže zobrazená teplota by mala zodpovedať teplote miestnosti). Pokiaľ je nutné nastaviť kalibráciu inokedy ako po prvom zapnutí, tak sa počas úvodného textu dlho podrží enkóder a zobrazí sa kalibračné menu. Správne nastavenú kalibráciu potvrdíme zatlačením enkódera. Na displeji sa zobrazí prvé menu (Obr. 22). To pozostáva z dvoch riadkov. V prvom riadku je nastavená teplota a v druhom teplota vo vnútri rúry. Teplotu možno nastaviť otáčaním enkódera a nie je potrebné ju potvrdzovať. Rozsah nastaviteľných teplôt je od 40 do 250°C. Krátkym stlačením tlačidla sa presunieme do druhého menu (Obr. 23). V druhom menu sa nachádza časovač. V prvom riadku je zobrazený nastavený čas a v druhom riadku je zobrazený čas do konca pečenia. Rozsah nastaviteľného času je od jednej minúty do 99 hodín 99 minút. Pokiaľ je časovač nastavený na 0, tak je ohrev zapnutý dovtedy pokiaľ nie je znovu ručne vypnutý. Čas sa zobrazuje v dvoch formátoch. Nastavený čas je vo formáte HH:MM a zostávajúci vo formáte HH:MM:SS. Po nastavení času opäť krátko stlačíme enkóder. Dostaneme sa do tretieho – informačného menu (Obr. 24). Tu sa na prvom riadku zobrazí skutočná teplota v rúre a v druhom riadku zostávajúci čas vo formáte HH:MM:SS. Keď v akomkoľvek menu dlho stlačíme enkóder tak sa zapne ohrev. Ohrev sa vypína podobným spôsobom alebo po skončení nastaveného časového intervalu. Pri vypnutí ohrevu skončením časového intervalu sa na displeji sa zobrazí slovo KONIEC!!! a rúra začne prerušovane „pípať“. Toto neprestane pokiaľ nestlačíme enkóder. Ventilátor sa ovláda automaticky podľa teploty elektroniky. Keď teplota prekročí 30°C tak sa ventilátor zapne. Ak teplota prekročí 55°C tak sa aktivuje ochrana proti prehriatiu, ohrev sa vypne, na displeji sa zobrazí nápis VYSOKA TEPLOTA! a rúra začne prerušovane „pípať“. Tento stav sa nedá vypnúť stlačením enkódera, ale je potrebné rúru vypnúť úplne a nechať vychladnúť. Pri opätovnom zapnutí rúra funguje ďalej normálne. Pri zapnutom ohreve svieti kontrolka ohrevu a príslušný vypínač (horný, dolný alebo obidva ohrevy). Pokiaľ je nutné nastaviť kalibráciu inokedy ako po prvom zapnutí tak sa počas úvodného textu dlho podrží enkóder a zobrazí sa kalibračné menu ako pri prvom zapnutí.
Prototyp rúry je po jej zhotovení intenzívne využívaný necelé tri mesiace a doterajšie skúsenosti z praxe ukázali, že je dokonalým pomocníkom pri akejkoľvek činnosti v dielni. Výhodou celej konštrukcie je, že je rúra kompaktná, energeticky úsporná a pokiaľ elektrotechnik nepotrebuje niekoľko profesionálnych rúr, tak aj ľahko zhotoviteľná. Elektrotechnici využívajú teplo najmä pri výrobe plošných spojov (napr. zasychanie fotocitlivého laku), ale aj pri iných výrobných procesoch. Ukázalo sa, že elektronika riadenia rúry môže byť použitá aj do väčších konštrukcií, napríklad do profesionálnejších rúr na tepelnú úpravu potravín. Ďalšie skúsenosti ukázali, že zhotovený prototyp rúry má malé tepelné straty, čo umožňuje ohrievať predmet dlhšiu dobu (viac ako 2 hodiny) pri malých nákladoch na energie.
Prvotným cieľom bolo postaviť rúru s rozpočtom maximálne 50 €.
Rozpočet je nasledovný:
Rúra Severin 2054 35€
Diely zo zahraničia (displej, enkóder, MAX6675, kryštál, K sonda, prepojovacie káble, ATmega328p, pomocná doska) 15,48€
Diely kúpené na Slovensku (relé, transformátor, pasívne súčiastky, DPS, ventilátor, vypínače, silové káble, konektory, sklo-keramická vata) 33,70€
Celkom 84,18€
Celkové náklady síce prevýšili predpokladanú sumu, ale celková suma je omnoho menšia ako cena profesionálnych piecok. Podľa zistení z internetu, profesionálna piecka s rovnakými parametrami ako má tento navrhnutý a zkonštuovaný model, stojí približne 180 € a viac.
Univerzálna reflow rúra je dokonalý pomocník do dielne nie len pre elektrotechnikov. Je to pomôcka pre všetkých tých, ktorí potrebujú pri svojej práci alebo výrobnom procese ohrievať menšie telesá. Rúra je postavená univerzálne a dá sa bez akýchkoľvek problémov modifikovať aj na iné použitie, napr. v potravinárstve alebo gastronómii. Rúra sa dá jednoducho rozobrať a inak upraviť tak, aby vyhovovala požiadavkám technika.
