N-канальный транзистор в контроллере жала T12

Автор: Олег Гализин
Опубликовано 28.12.2016
Создано при помощи КотоРед.

В интернете достаточно много схем контроллеров для паяльника на базе жала Hakko T12. Вот например простейшая из них с комментариями на оригинальном языке:

На данной схеме нагреватель управляется P-канальным транзистором Q1. Что бы его открыть транзистор Q2 притягивает затвор Q1 к минусу питания, ток через транзистор идет в нагреватель. Если необходимо остановить нагревание транзистор Q2 закрывается, резистор R3 подтягивает затвор к истоку и транзистор закрывается. В данном случае применен уникальный транзистор, который выдерживает 25 вольт между затвором и истоком. Для обычных 20 вольтовых транзисторов обычно применяется делитель.

Остальная честь схемы работает следующим образом. Стабилизатор 78L05 обеспечивает стабильное напряжение для формирования опорного напряжения на делителе R2,R6,R9. Это опорное напряжение сравнивается с напряжением термопары, встроенной в жало. Напряжение от термопары через резистор R1 подается на ОУ, который работает в качестве компаратора. Первоначально жало холодное и напряжение термопары ниже опорного напряжения. Это заставляет компаратор U1A переключить свой выход в низкое напряжение и начать разряжать конденсатор C2 через резистор R7 и диод D1. Пока конденсатор заряжен, выход триггера Шмидта U1B находится в низком состоянии и оба транзистора закрыты. Это состояние измерения.

Через достаточно короткое время конденсатор разрядится до нижнего порога переключения триггера, что вызовет включение обеих транзисторов. На жало подастся напряжение, оно начнет нагреваться. Это же напряжение будет поступать через R1 на вход U1A компаратора и вызовет переключение его выхода в высокое состояние. Быстрому заряду конденсатора будет препятствовать диод D1. Заряд будет происходить медленно через резистор R4. В это время нагреватель будет включен.Схема находится в состоянии нагрева.

Как только конденсатор достигнет верхнего порога переключения компаратора U1B, нагреватель отключится. Схема снова перейдет в состояние измерения.

При низкой температуре жала схема почти все время находится в состоянии нагрева, включаясь в состояние измерения лишь на короткое время. Время измерения примерно соотносится с временем нагрева как номиналы резисторов R7, R4.

Температура жала увеличивается, напряжение на встроенной термопаре так же увеличивается. Когда это напряжение превысит опорное, то во время очередного состояния измерения компаратор U1A останется в том же положении что и в состоянии нагрева. Конденсатор С2 не будет разряжаться. Транзисторы останутся выключенными. На жало не будет подаваться напряжение. Жало начнет остывать, пока напряжение на термопаре не станет меньше опорного. В этот момент произойдет разряд конденсатора и схема начнет снова периодически переключаться из состояния измерения в состояние нагрева.

Собственно задача - применить в качестве Q1 N-канальный транзистор, как более распространенный и имеющий лучшие характеристики. Обычно в таких ситуациях меняют полярность всех элементов и входов компараторов. Однако в данном случае такое проделать так просто нельзя. При изменении полярности жало будет подключено к + питания. А обычные операционные усилители не работают, когда у них напряжение на входах близко к + питания. Вообще то и обычные ОУ не работают около - питания. Но тут есть дешевый LM358, который это позволяет. Есть конечно ОУ, которые позволяют работать вблизи + питания, и даже и у плюса и у минуса. Но использовать их не спортивно.

Поэтому для управления N-канальным транзистором была предложена следующая схема

Принцип ее работы аналогичен описанной выше. R20, C4 – это эквивалент нагревателя с встроенным в ручку паяльника конденсатором. Q1, Q2, D3, D4, D5, D6, R15-R19, C3 обеспечивают управление транзистором M1 в ключевом режиме.
В режиме измерения транзистор Q1 включен. Через диод D6 он подтягивает затвор M1 к земле, в результате чего M1 выключен. На переходе база-эмитер Q2 напряжение близко к 0 и он тоже выключен. R17-R18 образуют делитель, через который заряжается конденсатор С3 до примерно 15 вольт.

Как только схема переходит в состояние нагрева, транзистор Q1 закрывается. Конденсатор C3 начинает выступать в качестве источника питания для Q2. База Q2 освобождается и через R18 подтягивается к верхней обкладке C3. Это вызывает увеличение напряжения на затворе M1 до его открытия. Напряжение на истоке увеличивается и через D5 подбрасывает нижнюю обкладку С3 к положительному напряжению питания. Верхняя обкладка C3 оказывается примерно на 15 вольт выше напряжения питания и через открытый Q2 продолжает удерживать напряжение на затворе M1 примерно на 15 вольт выше напряжения на истоке, что означает полное открытие транзистора. Ток через R17 практически не течет, так как диод D4 оказывается в непроводящем состоянии. После того как зарядится емкость затвор-исток M1 до напряжения на C1, транзистор Q2 отключится и дальнейший разряд C3 прекратится. В таком состоянии схема может находиться достаточно долго, разряд конденсатора C3 осуществляется только токами утечки.

При переходе в состояние измерения включается Q1 и подтягивает базу Q2 к земле. Q2 выключается. Через D6 затвор также подтягивается до напряжения истока M1. Это приводит к выключению M1. В фазе измерения через D4, R17 , D3 происходит подзарядка конденсатора C3, который использовался в качестве источника питания в фазе нагрева.

Для обеспечения такого же функционала как у оригинальной схемы изменена полярность подключения входного ОУ, а также цепи заряда времязадающего конденсатора С2.

Опорное напряжение формируется стабилитроном TL431 X2. Резисторы R6, X3, R7 образуют цепь подстройки нуля операционного усилителя X4.

При первом включении переменный резистор X1 подключать не следует, а движок построечного резистора X3 необходимо сдвинуть к R6. Это обеспечит заведомое превышение напряжения на отрицательном входе X4 над положительным, и включение схемы в режиме измерения. Далее необходимо крутить движок подстроечного резистора X3 до первого включения нагревателя.

Жало быстро нагреется и выключится. Поэтому момент точной настройки можно и пропустить. Что бы избежать нагрева жала можно временно разорвать цепь между D5 и R19.
В принципе цепи подстройки можно исключить. Однако при этом нужно иметь в виду, что напряжение смещения ОУ находится в пределах +-2-3 милливольт, что означает неточность установки температуры без калибровки в пределах +-100 градусов.

Уже после того как схема была собрана, у меня возникла мысль, что вполне можно исключить транзистор Q2 и диод D6. Это приведет к некоторому снижению скорости включения полевого транзистора, но в целом все должно функционировать как прежде. Работоспособность такого варианта я не проверял.

Все вопросы в Форум.