电烙铁工作原理与电路设计详解：从温控到电源管理的全面解析

电烙铁工作原理与电路设计详解：从温控到电源管理的全面解析

本文详细介绍了电烙铁的工作原理、电路设计以及几种常用烙铁芯的参数。文章内容专业且深入，适合对电子工程感兴趣的读者。

烙铁芯温控(测温)原理

• T12仅有两根线：测温和加热交替进行
  你可能会奇怪烙铁头只引出了两根线，是怎么实现加热和测温的？
• 因为烙铁头上有两种导体已形成热电偶，而热电偶是可以测温的。
  让我们来看看热电偶的形成条件：
  当有两种不同的导体或半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时，
  只要两结点处的温度不同，
  一端温度为T，称为工作端或热端，
  另一端温度为T0 ，称为自由端（也称参考端）或冷端，
  回路中将产生一个电动势，该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关。
  这种现象称为“热电效应”，两种导体组成的回路称为“热电偶”，
  这两种导体称为“热电极”，产生的电动势则称为“热电动势”。
• 烙铁芯温控：测温和加热交替进行,
  测温前先停电(烙铁芯的供电), 因为“热电动势”用运放放大后得到“测温信号电压”，
  与精密基准电压(例如TL431的2.5V还带温漂补偿)通过ADC转换由MCU计算得“测温信号电压”精准度量(伏特)值。这个值可用“查表”方法精密转换为温度值。有时需要MCU有“温度校准”功能。
  甚至因为“实时温度”与“测温信号电压”的Linear关系，可由bias与derivation近似的计算得到。
  因此可测得烙铁头实时温度值。注意测温前先停电(烙铁芯的供电)。
  测得烙铁头的“实时测得温度”，由MCU与“设定温度”比较，
  发现“实时测得温度”低于“设定温度”，那么就断开烙铁芯电极与测温电路，继续给烙铁芯通电加热。
  加热一会儿断开烙铁头供电，测量烙铁头实时温度，再加热...
  测温电路与加热电路交替进行，任一时刻只有一方电路工作。
    看下面控制板就知道，控制上有一个运放构成比较器，控制MOS管开关。
  当热电偶上电压大于参考电压，就关断MOS管，停止加热。
• JBC系列(包括jbc245)：
  JBC系列烙铁芯有3个电极，它的发热和测温是相互独立的两个电极;
  加热和测温可同时进行，因此烙铁头温度降低会更快检测到，控温会更精准。

硬件和电路设计的开源焊台项目

• PINE64, IronOS开源智能电烙铁
  https://pine64.org/
• STM32便携式电烙铁电原理图
  https://m.elecfans.com/article/2339088.html
• 硬件、软件开源，STM32:
  https://oldgerman.github.io/d5ffc54/
• [https://www.cnblogs.com/cai-zi/p/13812306.html](Cai-Zi: 项目开源地址)：
  https://github.com/Cai-Zi/STM32_T12_Controller
• 另一个：
  https://gitee.com/ClimbSnailQ/SnailHeater
• 2017年就开源的HAKKO白光,STC MCU;
  http://www.51hei.com/bbs/dpj-104486-1.html
• 开源的TS100智能电烙铁电原理图:
  https://github.com/Ralim/IronOS
  https://github.com/tigert/ts100

STM32便携式电烙铁电原理图

• 电烙铁的供电电路：
• VBUS: 电源电压；例如：
• DC5521接口：外接的24V/12V直流电源;
• Type-c接口：用协议芯片协商取得“诱骗电压”：
  常用CH224以Type-C供电协议协商取得Type-C接口的12V/24V/36V/48V电源，请参考Type-C的官方标准；
  
• VCC / VDD: DC直流变换电路：
  GPU/CPU/MCU都有特定的电压电流要求，
  GPU常用的电压有12V(显卡)，
  CPU/DSP/FPGA/MCU 常用电压多为 5V, 3.3V, 2.5V, 1.8V, 1.5V, 1.25V, 1V
  这里以STM32需要的3.3V电压为例（VBUS经过DC变换芯片，得到3.3V, 芯片实现上多用MOS管）
  
• 电烙铁的测温电路：
  以JBC245电烙铁头为例：其集成有“热电偶”可测量烙铁头的实时温度，
  通过三个电极中最细的电极引出；
• jbc245烙铁头的接线方法 与 实时温度的检测电路；
  温度检测信号的放大与ADC电路：
  将电烙铁头的“热电偶”电极信号通过“运算放大器同相放大201倍，
  就可以传给STM32的ADC模块进行ADC(模数转换)，得到数字化的实时温度(烙铁头)；
• MOS管几个特别重要的"常用"参数(Datasheet上内容都特别重要, 不然不会编录)：
  Rds/Ids: MOS管导阻/导通电流，D漏极到S源极的实时导通电阻 与 D-S导通时的实时电流, 其最大值特别重要, 决定带负载能力， 而 Rds导阻 则决定MOS管功率转换的效率，大功率场合多用 极低导阻的 SiC碳化硅 与 GaN氮化镓 材料的MOS管 / 可控硅 / IGBT；
  Vds: MOS管工作电压，分正常值、最大最小值 与 击穿电压；
  Vgs: MOS管控制电压，分导通控制曲线、最大最小值 与 击穿电压；
  举例：
• 电烙铁的控温电路(MCU的GPIO控制，功率MOS管驱动供电)：
• MCU的一个GPIO的输出电压，
  经过一颗N型MOS管放大后驱动一颗P型MOS管将VBUS(电源供电)给烙铁头供电；
  
• 电烙铁的状态检测电路：
• 电烙铁的姿态与运动加速度，由GYRO-METER“三轴加速传感器”检测;
• 人握持电烙铁手柄时可检测到，通过“人体感应”检测；
• 所有的状态检测信号都传给MCU的GPIO与IRQ(中断)引脚;
• 此处以GYRO“三轴加速传感器”SC7A20检测姿态与加速度为例：
  
• 电烙铁的控制电路:
  MCU的固件（软件），多参考众多开源项目，MCU供应商的官方文档 与 已有资料；
  因为这些都是成熟的 产品设计 与 商品；
  这用STM32作为控制电路示例：
  
• 电烙铁的交互(显示屏、交互控制）电路：
  常用交互设备有：按键、五向按键、摇杆、编码器无极调控；
  这里以OLED显示屏 与“五向按键”(与"摇杆"不同)为例：
  

+ 几种常用的烙铁芯及功率

• 470: 48V/250W
• 245: 24V/130W
• T20: 24V/120W, (额定:27V/150W)
• T12: 24V/70W, (28V/98W）
• 210: 12V, 40W
• 115: 15W
  四合一焊台，支持T12，T20，JBC245，JBC470四种发热芯。
  当然不是同时插4个手柄，而是插1个手柄。
  焊台自动识别发热芯型号，自动切换(继电器?MOS管?可控硅?IGBT?) 电压。
  T12，T20，JBC245这三用24V，JBC470用48V。