Простой блок питания для индукционных паяльников Metcal 13,56МГц

[lapot2]

[attach=1,msg4756]
Схема ориентирована на тех, кто не имеет опыта в постройке КВ передатчиков, идея заключается в предельной простоте конструкции, доступности деталей, и минимальных действиях по настройке.

Сразу скажу по поводу необходимости целого ведра однотипных жал на разные температуры - это миф, выдуманный теми, кто это оборудование даже не держал в руках. Достаточно для перекрытия всех нужд всего трёх-четырёх жал разных форм средней температуры, и одного горячего для особых случаев - типа вёдр, кастрюль, тазиков, запайки дыр в машине, и керамических печатных плат.

При 24В питания и потребляемом токе не более 2,2А выходная мощность 20-30Вт, но её можно значительно поднять повышением напряжения питания. При выходной мощности свыше 50Вт желательно применить более мощные транзисторы в выходном каскаде.
В угоду упрощения конструкция обладает низким КПД, но и цель стоит иная.

Отличие от уже существующих заводских и самодельных образцов заключается в том, что схема проста до безобразия, и при этом не требует дефицитных сердечников, подбора деталей, тщательного согласования раскачки и оконечного каскада, не критична к замене транзисторов на другие с разной межэлектродной ёмкостью, не требует поиска и заказа редких деталей, изготовления сложной печатной платы, может быть собрана или отремонтирована буквально деталями с помойки, и при этом сразу будет работать. Главное сильно не отходить от номиналов , и делать всё как можно ближе к описанию.

За счёт применения в оконечном каскаде каскодного включения транзисторов и работы ближе к активной области удалось снизить до минимума влияние эффекта миллера, и тем самым добиться стабильной работы при низкой мощности предоконечного каскада, снизить требования к деталям выходного п-контура, избежать применения резонансного контура в затворной цепи оконечного каскада и связанных с ним проблем с настройкой и подбором транзисторов по входной ёмкости, а так-же избежать использования специальных высоковольтных РЧ транзисторов,или просто дорогих с хорошими частотными параметрами.

При всём этом, а так-же применению П-контура в нагрузке выходного каскада, и использованию обратной связи по КСВ для автоматического смещения рабочей точки Q3 удалось добиться стабильной работы даже при отключенной нагрузке, при этом выходное напряжение не превышает опасные пределы для деталей, особенно довольно низковольтных транзисторов, и цепь защиты от обрыва нагрузки, состоящую из RL1, C24, и L8 при сильной лени можно не устанавливать, ничего страшного произойти не должно (на макет я её даже не устанавливал, и потом дорисовал сюда первое простейшее, что пришло в голову. Работает она за счёт заземления выхода по постоянному току низким активным сопротивлением жала).

Ну а из минусов - за это мы платим серьёзными требованиями к теплоотводу транзисторов выходного каскада, лучше даже с активным обдувом(оба низковольтных источника позволяют подключить вентилятор от компа, или как мне подсказали вариант - использовать радиатор от AM2, или старой мощной видеокарты вместе с родным вентилятором).
Так-же при можно поднять КПД устройства до 98% установкой на верхнюю крышку блока сковороды, и при работе готовить глазунью на обед

Настройка:
Вывести RV1 в минимум, подключить паяльник, подать питание через амперметр, и плавным увеличением RV1 добиться резкого повышения потребляемого тока до 2А и более.
После набора номинальной температуры ток должен упасть раза в 2 и прыгать в небольших пределах.
При необходимости вращением движка RV1 добиться минимально возможного тока, при уверенном отзыве резким повышением тока на небольшое снижение температуры жала
Дать остыть паяльнику, и повторной подачей питания убедиться в правильной работе уверенном запуске, или добиться его небольшим увеличением RV1.

При повышении напряжения питания значительно возрастает и мощность, но при подъёме свыше 2В следует произвести коррекцию рабочей точки с помощью RV1.

to be continued...

Корпус использовать только металлический, соединённый с общим проводом схемы и заземлением!!!

Для уменьшения мощности ждущего режима в подставке паяльника должны стоять мощные магниты с двух сторон жала.
Магниты, их ориентацию, и расстояние подобрать экспериментально по минимальному потребляемому току на подставке.

Конструкция

Катушки намотаны на хвостовиках свёрл диаметрами 5 10 и 12мм, провод взят от ДГС блока питания АТХ.
L4 и L5 мотаются с зазором в одну толщину провода, можно мотать в два провода. а потом один убрать, и получится нужный зазор.
L1 у меня осталась на ферритовом кольце м50вн к16х10х6 и содержит витков 10-20 провода диаметром 0,5мм, осталась от старых опытов, но там можно поставить такую-же, как L3.
L3 и L6 одинаковые, и мотаются виток к витку.
Соседние катушки устанавливать перпендикулярно друг другу, расстояние между ними можно уменьшить до половины от показанного на картинках.
На картинках видно ещё одну катушку рядом с L4, которая никуда не подключена одним концом - она вам не нужна, так как плата изначально делалась под другой выходной каскад.

Все корпуса TO220 установить на массивный заземлённый радиатор через изоляционные слюдяные прокладки.
Конденсаторы C6-C9,C21 набраны из керамических 1206 SMD NPO 250-630в 100пф и 22пф
Так-же в качестве С21 можно применить ёмкость затвор-исток любого мощного полевого транзистора, и установкой его на радиатор уменьшить нагрев. Ёмкость его должна быть хотя-бы в 2 раза выше, чем у Q3.

Конденсатор C5 должен быть на напряжение не ниже 400в
Q2-Q3 можно заменить любыми с приблизительными параметрами мощности и скорости переключения, в том числе разными, и даже IGBT.  Лучшие по частотным параметрам из всех обычно от фирмы ST(Microelectronics), фирма всегда указывается на корпусе.

В макете стояла пара STP19NF20, просто потому, что они первыми мне приехали с чипдипа, но они слишком дороговаты при не слишком выдающихся из общей массы IRF5xx-7xx, и некоторых более распространённых транзисторов параметрах, устанавливаемых в средней мощности импульсных блоках питания.

Чем ниже будет сопротивление открытого канала этих транзисторов - тем большую мощность можно будет получить на выходе при неизменном напряжении питания, но затвор таких транзисторов имеет большую ёмкость и это отразится на размахе на затворе Q2.
В случае STP19NF20 хоть и сопротивление канала мало, но и затвор имеет недостаточный уровень(около 5в), и потому канал открыт не полностью. В результате разница в мощности с IRF630 незначительна, как и в нагреве, хотя последние имеют вдвое большее Rds. Можно для компенсации этой неприятности поднять напряжение на L1, и этим повысить мощность раскачки, это простейший способ.

Q2 допустимо применять и с в два раза меньшим Vdss. Очень красиво по параметрам в этой паре смотрится IRF520 
(При его установке думаю даже будет возможно исключение из схемы U2, Q1, L1, L2, C22 и R5)

[attach=9,msg4756]

В принципе должны работать даже более медленные транзисторы, типа IRF740, 11N60, и им подобные, а в качестве Q1 подойдут типа 2N60, с насколько получится подобрать меньшей ёмкостью затвор-исток, об этом сказано ниже.

Если кто желает совсем довести до идеала, то нужно взять схему варианта 1, заменить RV1 переменным резистором 100-220кОм, вместо R9 или R10 впаять переменный резистор 100-220кОм, и контролируя осциллографом выходное напряжение на вч разъёме при подключенной нагрузке и нагретом паяльнике добиться минимально возможного размаха на выходе в режиме холостого поддержания температуры при быстром отзыве на касание жалом, и при этом не сильно затянутого предварительного разогрева.
Для ускорения предварительного разогрева при включении можно установить конденсатор параллельно R9, ёмкость которого подобрать экспериментально, начиная с меньшей.
А для большей надёжности параллельно C21 включить стабилитрон на напряжение 18-24В.

В схеме в шапке конденсатор C20 предназначен для форсирования смещения при подаче питания, и ускоренного за счёт этого нагрева жала, но может сократить срок его службы из-за растрескивания несгораемого покрытия от термоудара.

Делитель R9-R10 предназначен для начального смещения выходного каскада в целях обеспечения его запуска, так как обратная связь положительная, и напряжение смещения, снимаемое с точки соединения L5-L6 через ёмкостный делитель C18-C19 прямопропорционально зависит от сопротивления нагрузки, а сопротивление нагрузки при разных температурах дано в таблице в углу схемы.

Цепь, состоящая из RL1, C24, и L8 предназначена для отключения в случае обрыва нагрузки, или отключения паяльника/смены жала на ходу, но как показала практика - при большой лени её можно и не устанавливать, так как обратная связь сама ограничивает выходное напряжение на безопасном уровне. В случае же установки желательно подобрать реле с минимально возможным током, или даже включить его в цепь 8В, если оно будет при этом уверенно срабатывать.

Схема в дальнейшем дорабатываться мной скорее всего не будет, так как это обрезанный промежуточный вариант для другого проекта, и просто решил его выложить, вдруг кому пригодится.

Немного о устройстве рукояти паяльника

Так-же в углу выделена схема заводского паяльника с кабелем и жалом, внутри рукояти паяльника на разъёме жала в трубчатом экране установлен фильтр-пробка, дроссель которой очень хорошо вылетает от постоянки на входе. Рукоять MX-RM3E разбирается расшатыванием клеевого шва и вытаскиванием внутренностей.

Можно собрать и самодельную, взяв коаксиальный кабель подходящей ёмкости, добавить фильтр-пробку, и дальше дело фантазии.
Я например переделывал простую китайскую рукоять т12, добавив трубчатую гнездовую часть для центрального вывода жала(хорошо подходит от большой фишки блока АТХ), и переставив контактные лепестки ближе к разъёму для хорошей фиксации жала в рукояти. Экранировать фильтр можно например изолировав детали слоем каптонового скотча, и поверх слоем медной фольги спаянной в трубку, и подключенной к оплётке кабеля.

Вч разъём для подключения паяльника к блоку питания везде используется типа F, или обычный антенный с резьбой, как на спутниковых тюнерах, и различных разветвителях. Разница с оригинальным заключается в том, что он сделан в виде цанги с наружней резьбой, и имеет сверху накидную гайку, которая после соединения навинчивается на несколько оборотов на цангу, жёстко фиксируя соединение, но подойдут и любые другие этого типа.

Немного картинок монтажа моего макетного образца

[attach=2,msg4756]  [attach=3,msg4756]  [attach=4,msg4756]  [attach=5,msg4756] 
Ещё больше в этом архиве[attach=6,msg4756]

На самой маленькой платке у меня смонтирован двухтактный эмиттерный повторитель на транзисторной сборке QSZ2, нужен для разгрузки выходов микросхемы при установке в качестве Q1 транзистора с большой входной ёмкостью. Сборку можно заменить как любой другой со схожими параметрами, так и отдельными транзисторами.
Ставил я её для экспериментов по применению разных транзисторов, с указанным на схеме можно обойтись и без этого буфера.

Буфер

[attach=7,msg4756]
QSZ2 Datasheet

Старые версии схемы (зачёркнутый текст настройки относится сюда)

1. Медленный первичный разогрев жала, возможно продлит его долговечность

[attach=0,msg4756]

Параметры совместимых картриджей (жал) Metcal/OKI

Картриджи-наконечники для MX-5210 и MX-500S, стр.15
http://www.argus-x.ru/files/katalogy/Katalog_OKI_payal_nye_stantsii.pdf
[attach=8,msg4756]

Существуют так-же совместимые аналоги жал и паяльников от фирм Thermaltronics и Hakko, но у них своя маркировка, гугл в помощь.

Новые жала и другие комплектующие оригинальных паяльных станций по демократичной цене можно купить здесь:

https://www.avito.ru/karachev/orgtehnika_i_rashodniki/metcal_zhala_kartridzhi_sttc_smtc_uftc_1826353851?slocation=621540
https://www.ebay.com/itm/254532894496
https://www.instagram.com/goldenscrofula/?hl=ru

Конструктивная критика и советы в разумных пределах приветствуются, так как опыта с мощными рч устройствами не было,
а теорию по ним курил с нуля пару месяцев до создания данной темы.

При разработке использовались материалы:

https://patents.google.com/patent/US4626767A/en
https://docs.google.com/viewer?docex=1&url=http://colinoflynn.com/wp-content/uploads/2012/05/MX-500P-11.pdf
https://www.eevblog.com/forum/projects/diy-metcal-13-56-mhz-rf-supply/
https://www.eevblog.com/forum/projects/i-built-the-diy-metcal-compatible-soldering-station/
https://habr.com/ru/post/412607/
http://dl2kq.de/soft/6-5.htm
http://dl2kq.de/pa/1-2.htm
http://dl2kq.de/ant/3-21.htm
https://vpayaem.ru/inf_p-contour.html
http://randomfunprojects.co.uk/metcal.html
http://ur8qp.com/publ/5-1-0-48

Титов А. А_Транзисторные усилители мощности
https://ru.wikipedia.org/wiki/Классификация_электронных_усилителей
https://unexpocom.files.wordpress.com/2013/02/manual_pro5100.pdf
https://digteh.ru/Sxemoteh/RejRab/E/
https://digteh.ru/Sxemoteh/RejRab/C/
https://radioaficionsdr.es.tl/Amplificadores-Lineales-RF-.htm
1KW Class E 13.56MHz Single Device RF Generator
https://www.ixys.com/Documents/AppNotes/CO1.pdf
http://zpostbox.ru/radiopriemnye_ustroistva_na_polevykh_tranzistorakh.html

to be continued...

Статья будет редактироваться и дополняться разной важности материалами по мере возможностей. Перечитывать обязательно!

Отписывайте здесь комментарии о вашем опыте сборки и наладки, нужно узнать повторяемость конструкции на практике!

Без согласия автора и ссылки на источник копирование материалов запрещено!

[lapot2]

Видео запуска и работы  собранного на макете  БП (я это языковое ассорти выкладывать не хотел, но хулиган уговорил

[lapot2]

Туть самые активные обсуждения с других сайтов

https://monitor.net.ru/forum/threads/669628/#post-6311716
https://vrtp.ru/index.php?showtopic=33518&view=findpost&p=913829

[makar.i]

немного видео