Embedded notes

Quick notes on embedded systems, electronics and CNC

SMD-Reflow-Ofen vom Sperrmüll

Mein SMD-reflow-Ofen

Umbau eines einfachen Mini-Backofens in einen Reflow-Ofen zum Löten von SMD-Platinen.

Einfacher Mini-Backofen mit vier Heizelementen, je zwei oben und unten, zusammen 1200W, mechanischem Temperatur-Regler und mechanischer Zeitschaltuhr.

Die Zeitschaltuhr und Temperaturregelung fliegen raus. Die Heizelemente werden stattdessen von einem Solid-State-Relais geschaltet (mechanische Relais hätten es auch getan). Die Glimmlampe im Power-Lämpchen wird durch eine rote LED zur Anzeige des Relais-Status ersetzt.

An der Seite ist eine kleine Übertemperatur-Sicherung 216°C/10A/4mm an die Ofenwand geschraubt. Für bleihaltiges Löten genügt diese Maximaltemperatur, für bleifreies Löten ist ein Austausch vermutlich notwendig.

Alternativen bei Reichelt: - MTS 240 Temperatursicherung, 10A, 240°C, 0,48€ - MTS 228 Temperatursicherung, 10A, 228°C, 0,48€

Pollin: - 260252 Temperatursicherung 227°C, 0,45€ - 260253 Temperatursicherung 240°C, 0,45€

Temperatur-Profil

Kester-Pprofil für bleihaltige Lötpaste

Kester-Pprofil für bleihaltige Lötpaste

Ein übliches Temperatur-Profil zum bleihaltigen Löten basiert auf diesen Temperaturen und Zeiten:

  1. ramp to soak (20°C->150°C): 1-3K/s (<1.8K/s ideal)
  2. preheat/soak (150°C): const
  3. ramp to peak (bis 210°C..225°C): 1-3K/s
  4. cooling: so schnell wie möglich durch Öffnen der Klappe
  • soaking zone: typ. 30..60s, max. 120s
  • time to peak temp: typ. 210..300s, max. 330s
  • reflow zone (Zeit mit T>180°C): typ. 45..75s

Software

Regelungstechnisch ist der Ofen ein PT2-System. Theoretisch ist deshalb ein PID-Regler die ideale Lösung, aufgrund der großen Verzögerungen hat in der Praxis ein kombinierter Regel- und Steueralgorithmus aber besser funktioniert.

Das Temperaturprofil ist in Phasen eingeteilt. Die Phasenübergänge sind teilweise temperatur- und teilweile zeitabhängig. Eine Anpassung an den jeweiligen Ofen ist deshalb notwendig.

Hardware

Die Elektronik wird der Einfachheit halber aus fertigen Modulen zusammengesetzt: Arduino Uno ($3,50), LCD-Keypad-Shield ($2,50) und ein MAX6675-Breakout-Board ($2,20) zum Anschluss eines Typ-K Thermoelements ($1,00).

Das MAX6675-Board und die Anschlüsse für den Sensor und das Relais sind auf einem eigenen Shield auf Lochraster aufgebaut und im Frontgehäuse montiert:

Reflow-Shield

Reflow-Shield

Die Heizelemente werden mit einem Solid-State-Relais direkt im Ofengehäuse geschaltet, einfache Relais-Module ($0,60) würden aber genausogut funktionieren. Dann kostet alles zusammen weniger als 10 Dollar bei Aliexpress.

Das LCD Keypad Shield verwendet diese Signale:

Arduino Pin Signal
D4 LCD D4
D5~ LCD D5
D6~ LCD D6
D7 LCD D7
D8 LCD RS
D9~ LCD EN
D10~ LCD Backlight
A0 Spannungsteiler mit den Tasten

Mein Reflow-Shield enthält diese Verbindungen:

Arduino Pin Signal
D13/SCK MAX SCK
D12/MISO MAX SO
D2 MAX CS
A1 Diode A
D3~ HEAT_TOP (oder alles)
D16 HEAT_BOTTOM (nicht benutzt)
D17 HEAT_LED

Einige Pins sind noch frei:

Arduino Pin Signal
D11~/MOSI frei
D18/A4/SDA frei
D19/A5/SCL frei

D12 und D13 könnten durch Doppelbelegung mit LCD noch freigeschaufelt werden.

Initialisierung des LCD: LiquidCrystal lcd(8, 9, 4, 5, 6, 7);

Stückliste und Preise

Temperatursicherung:

  • Reichelt MTS 240 Temperatursicherung, 10A, 240°C, 0,48€
  • Reichelt MTS 228 Temperatursicherung, 10A, 228°C, 0,48€
  • Pollin 260252 Temperatursicherung 227°C, 0,45€
  • Pollin 260253 Temperatursicherung 240°C, 0,45€

Steuerelektronik (alles von Aliexpress):

  • Arduino Uno ($3,50)
  • LCD-Keypad-Shield ($2,50)
  • MAX6675-Breakout-Board ($2,20)
  • Typ-K Thermoelements, 92cm (mit gelbem Stecker) ($1,00)
  • Solid-State-Relais oder
  • einfaches Relais-Modul für Arduino ($0,60)

Gehäuse:

Alles zusammen deutlich unter 15€.

Andere Lösungen

Thomas Pfeiffers Reflow-Regelung

Thomas Pfeiffers Reflow-Regelung war das ursprüngliche Vorbild. Seine Platine liess sich aber nur sehr schlecht in das Ofengehäuse einbauen, deshalb bin auf die jetzige Lösung mit exterem Controllergehäuse umgeschwenkt.

Seine Regelung arbeitet mit einer sehr einfachen Zweipunkt-Regelung. Die thermischen Verzögerungen meines Ofens waren aber viel zu groß für diesen Ansatz. In der Soaking-Phase haben sich Temperaturschwankungen von über 50K ergeben - nicht anwendbar.

Sehr einfach aufgebaut:

  • Si-Diode als Temperatursensor
  • kein Display
  • Solid-State-Relais Sharp S202S11
  • max. 2 Kanäle, aber nur 1 verwendet.

ControLeo2

Peter Easton beschreibt in seiner erstklassigen Anleitung sehr detailliert, wie ein perfekter Ofen-Umbau aussehen sollte: neue, sehr perfektionistische und alte, etwas weniger anspruchsvolle Version.

Trotz seiner Mahnungen habe ich auf die Beschichtung des Innenraums mit Goldfolie und die Abdichtung kleiner Gehäuseöffnungen verzichtet, da ich nur kleine Platinenformate bleihaltig löten möchte - da sind die Anforderungen geringer.

Er hat leider nur die Software, nicht aber die Hardware veröffentlicht. Die von mir zusammengestellte Hardware ist seiner aber recht ähnlich geworden. Eine Portierung wäre nicht kompliziert, aber erst sinnvoll, wenn ich Ober- und Unterhitze getrennt ansteuerbar machen würde.

Als Arduino-Lib geliefert, die Anwendung ist in examples/.

Verwendet eine vereinfachte Version von LiquidCrystal: Feste Pinzuordnung, nur 4 bit, kein rw-Pin.

ReflowOven

Ursprungsversion.

  • einfacher Temperatur-basierter Ansatz ähnlich laminator
  • hat schon die 8-Segment-Ansteuerung als mini-PWM.

ReflowOven2

Kompletter rewrite durch jemand anderen. LCD16x2, 2 Taster. Interessanter Ansatz.

  • phasenbasiert, ähnlich meiner Software.
  • Die Phasen sind im EEPROM.
  • Unterstützt 3 Heizelemente.
  • Ansteuerung durch 8-Bit-Wert konfigurierbar, ergibt 9 Stufen 0-8.
  • Sekundentakt für die einzelnen Bits.
  • exakt abwechselndes schalten möglich um den Spitzenverbrauch zu kontrollieren.

ReflowWizard

Selbstlernend. Statt des starren 8-Bit-Musters für die Heizelemente kann der Duty-Cycle in 100 Schritten eingestellt werden.

  • 100 PWM-Stufen, 5s Periodendauer, 50ms/Stufe
  • wenn eine Phase zu lange dauert, wird der Duty-Cycle erhöht. Ein wenig, stark oder sehr stark, je nach Abweichung.
  • hat nach REFLOW (max. 90s) erst WAITING (40s), bevor er die Tür zum kühlen öffnet. Entspricht meinem COASTING.
  • verwendet nicht die normale Servo-Lib, sondern etwas eigenes.
  • spielt kurze Melodien, wenn er durch ist

Temperatursensor

Thomas Pfeiffer verwendet eine gewöhnliche Silizium-Diode als Temperatursensor. Er misst die Durchlassspannung der Diode an einem ADC-Eingang des Arduino und leitet daraus die Temperatur ab. Das funktioniert tatsächlich sehr gut und ist erstaunlich präzise, da dieser Temperaturkoeffizient eine wohldefinierte physikalische Materialkonstante des Siliziums ist.

ControLeo2 verwendet ein richtiges Thermoelement. Hauptvorteile sind:

  • keine Kalibrierung notwendig, es ergeben sich direkt absolute Messwerte
  • extrem schnelle Erfassung von Temperaturänderungen durch die winzige Masse des Thermoelements.

Ich habe zum Vergleich beide Sensoren eingebaut und die Resultate verglichen. Die Skalierung der Diode passt nicht richtig, aber das Verhalten ist trotzdem gut zu erkennen:

Reflow soldering a PCB.

Reflow soldering a PCB.

Bei statischen Messungen liefern beide vergleichbar gute Ergebnisse, bei schnellen Temperaturänderungen hinkt die Diode aber immer deutlich hinterher. Da es hier um genau diese schnellen Änderungen gehen soll, habe ich am Ende dann doch wie beim ControLeo2 ein richtiges Thermoelement verwendet.

Hintergrundinfos

Präzise Temperaturmessung mit der pn-Strecke eines Transistors weitgehend unabhängig von Fertigungstoleranzen durch eine delta-Messung: Linear Technology AN137