Reflow-Ofen
Ich möchte hier einen Reflow-Ofen vorstellen, mit dem man SMD-Bauelemente sauber und professionell auf Platinen auflöten kann. Wenn man im Internet recherchiert, findet man jede Menge Stoff dazu. Mich hat die Lösung unter https://www.instructables.com/DIY-REFLOW-OVEN sofort angesprochen. Die Ein-/Ausgabe erfolgt hier mit einem HMI-Display von NEXTION. Der großer Vorteil ist, dass Soll- und Ist-Lötprofil dabei grafisch und in Echtzeit dargestellt werden. Die Regelung übernimmt ein „Bluepill“, also ein kleines Entwicklungsboard auf Basis eines STM32F103xx. Zur Temperaturmessung wird ein Thermoelemt Nickel-Chrom-Nickel (K-Typ) verwendet, dass über einen MAX6675 an den Controller angebunden wird. Die Heizungsansteuerung übernimmt ein SSR. Wird das alles in geeigneter Weise in einen Pizzaofen mit Umluftfunktion und mindestens 1200W-Gesamtheizleistung eingebaut, erhält man einen super Lötofen. Obwohl das Konzept in sich schlüssig ist, wurden unter https://github.com/polihedron/DIY-Reflow-Oven weiter signifikante Verbesserungen vorgenommen. Die Beendigung des Lötprozesses wird durch einen Buzzer signalisiert und über das HMI-Display können 4 benutzerspezifische Lötprofile ausgewählt werden. Bei diesem Konzept setzt meine Lösungsvariante an. Ich habe folgende Änderungen/Ergänzungen vorgenommen
Änderungen gegenüber den Vorversionen
Als Ofen habe ich einen AMBIANO Mini-Backofen verwendet. Er hat 1200W Heizleistung, verteilt auf Ober- und Unterhitze. Ein Umluftgebläse ist eingebaut und das Backraumvolumen beträgt 15l.
Ergänzt habe ich den Ofen durch eine Backraumbeleuchtung, sodass man den Lötprozess besser verfolgen kann.
In die Tür wurde an geeigneter Stelle ein Neodymmagnet von einer ausgeschlachteten Festplatte eingeklebt. In Verbindung mit einem Reed-Kontakt wird dadurch eine Zwangsunterbrechung der Heizung beim öffnen der Klappe ausgelöst.
Die Ansteuerung des SSR mit 3,3V ist grenzwertig und kann bei bestimmten Relais Probleme bereiten. Um ein sicheres Durchschalten zu garantieren, habe ich die Ansteuerung über einen 5V-Transistotreiber vorgenommen. Dieses Signal habe ich auch als LED-Anzeige „PWM“ nach außen geführt.
Die Spitze des mitgelieferten Temperatursensors war mit einer verpressten Metallhülse umgeben. Diese habe ich vorsichtig entfernt, weil sie das thermische Ansprechverhalten verschlechtert (ein weiteres PT1-Glied in der Regelstrecke).
Das ursprünglich verwendete 3,5“ NEXTION-HMI vom Typ NX4832T035-11, aus der BASIC-Serie, ist mittlerweile nicht mehr erhältlich. Ich habe deshalb den DISCOVERY-Typ NX4832F035-11 verwendet. Der ist etwas schneller und hat einen 3,3V-Prozessor, sodass auch die seriellen Pegel 3,3V betragen. Das hat den Vorteil, dass man ihn direkt an den STM32-Controller anbinden und auf den Levelshifter verzichten kann.
Wichtig ist, dass das File Reflow.mod.hmi für das NX4832F035-11 neu kompiliert werden muss! Dazu sollte man sich zunächst das Repository unter on https://github.com/polihedron/DIY-Reflow-Oven herunterladen und besagtes File aus dem Ordner nextion display in den aktuelle NEXTION-Editor (Version >= 1.68.1) laden. Dort ist Unter DIVICE das NX4832F035-11 Display auszuwählen und dann neu zu kompilieren. Dabei entsteht gleichzeitig das File x.tft. Diese Datei muss auf die micro-SD-Karte geladen werden, mit der das Display upgedated werden kann. Ein bereits fertiges File liegt auch meinen Bauunterlagen bei.
Zur Programmierung der Bluepill-Firmware, ist die Datei reflowovenstm32/Release/Reflow_Oven_STM32.bin zu verwenden. Dazu benötigt man einen ST-Link II-Debugger und das STM32 ST-Link Utility von der STM-Webseite.
Aus Mangel an einem aktiven Buzzer habe ich einen passiven Beeper verwendet, den ich mit einem astabilen Multivibrator (NE555) angesteuert habe. Die Verwendung eines aktiven Beepers ist natürlich viel einfacher. Der wird dann nur mit einem Transistor angesteuert. Das Ausgangssignal A15 des Controllers ist H-aktiv.
Umsetzung
Die Elektronik wurde auf drei Lochrasterplatten verteilt. Aufgrund der unterschiedlichen baulichen Gegebenheiten verschiedener Ofenvarianten, ist das die flexibelste Lösung.
Der Ofen wurde erst mal zerlegt und alle Bedienelemente entfernt. Für die Bedienfront habe ich ein zweifarbiges 3D-Druckteil, mit integrierter Beschriftung, entworfen. Der mittlere Drehschalter wurde als Netzschalter verwendet und ist nach unten gewandert. Das Display habe ich oben angeordnet. Dahinter befindet sich die Steuerung. Darunter sitzt die Netzteilplatine mit einem kleinen Schalnetzteilmodul und einem Eingangsnetzfilter. Das SSR wurde zur besseren Wärmeabführung auf eine Aluplatte geschraubt. Die Leiterplatte mit den beiden LEDs wurden von hinten direkt auf die Kunststoffblende geklebt. Auch der Reed-Kontakt wir gegenüber dem Klappenmagneten eingeklebt.
Bei der Verdrahtung der Spannungsversorgung ist besondere Vorsicht walten zu lassen. Bei nicht fachmännischer Ausführung besteht hier potentielle Lebensgefahr!
Nach einem erfolgreichen, kurzen Funktionstest sollte der gesamten Innenraum so gut wie möglich mit Isolierwolle ausgekleidet und der Ofen wieder komplettiert werden.
Die ersten Testläufe werden ohne Leiterplatte ausgeführt. Sie haben das Ziel das Regelverhalten des Gesamtsystems zu optimieren. Das Ist-Profil soll sich möglichst gut mit dem Soll-Profil deckt. Das Anlaufverhalten im unteren Temperarurbereich, kann dabei getrost vernachlässigt werden.
Der Temperatursensor muss dazu etwa in Höhe der Leiterplatte angeordnet werden. Die voreingestellten Regler-Parameter waren schon ziemlich gut. Eine Erhöhung bewirkte nur Überschwingen. Letztendlich haben sich in meinem Fall folgende Einstellungen als optimal erwiesen:
- KP = 85
- KI = 0,05
- KD = 100
Diese Einstellungen werden auf dem HMI unter Einstellungen -> Advanced vorgenommen.
Anschließend können Lötversuche vorgenommen werden. Dies möchte ich nicht weiter ausführen. Die Ergebnisse sind stark abhängig von der verwendeten Lötpaste, den eingestellten Parametern und auch den Bauelementen. Das ist ein mehrstufiger Iterationsprozess, der individuell vorgenommen werden muss.
Um die Prozessparameter zu ändern, muss man sich auf dem Display in die Einstellungen begeben. Dort vorgenommene Änderungen werden sofort wirksam. Man kann auch eines der vier voreingestellten Profile benutzen, indem man es einfach anklickt. Möchte man die Profilparameter überschreiben, ändert man diese und drückt einige Sekunden auf das entsprechende Profil, bis die Daten übernommen wurden. Drückt man mehrere Sekunden auf den Zurück-Pfeil, werden die Werkseinstellungen wieder eingestellt.
Der Zugang zu meinen Bauunterlagen und meiner Veröffentlichung im GitHub, ist unten zu finden. Ansonsten verweise ich noch mal auf die bereits verlinkten Quellen der Vorgängerprojekte.