Ein unterhaltsames Nebenprojekt, an dem ich während meiner Koop-Zeit hier bei StarFish Medical gearbeitet habe, war ein speziell angefertigter Reflow-Ofen, um oberflächenmontierte Komponenten auf Leiterplatten zu löten.

Warum einen Reflow-Ofen bauen?

Meistens werden unsere Leiterplatten bei Vertragsherstellern zusammengebaut, aber es gibt Fälle, in denen es sinnvoller ist, kleine Prototypenplatinen im eigenen Haus zu montieren, um Zeit zu sparen. In der Vergangenheit haben wir für den Zusammenbau einen Platinenvorwärmer und eine Heißluftstation verwendet, was jedoch einige Nachteile mit sich bringt, z. B. dass die Komponenten möglicherweise ihre Temperaturgrenzen überschreiten oder Lötverbindungen von schlechter Qualität entstehen, weil kein ordnungsgemäßer Reflow vorhanden ist Profil. Wenn wir diese Probleme angehen wollen, benötigen wir eine Reflow-Lösung, die ein Reflow-Profil ordnungsgemäß implementiert. Günstige Reflow-Öfen, die Reflow-Profile implementieren, sind online erhältlich. Da solche Geräte jedoch oft modifiziert werden müssen, um gut zu funktionieren, haben wir uns entschieden, einen maßgeschneiderten Ofen zu bauen. Außerdem klang es nach einem lustigen Projekt!

Erstellen einer benutzerdefinierten Lösung

Ich habe den Reflow-Ofen um das herum gebaut StarFish DAQ, eine unserer internen Entwicklungsplattformen. Das StarFish DAQ (Data Acquisition System) ist eine ideale Wahl für ein Projekt wie dieses, da es Ihnen die schnelle Implementierung von PID-Regelkreisen mit voreingestellten Trajektorien ermöglicht. Dadurch entfällt die Entwicklungszeit, die normalerweise für die Implementierung einer PID-Steuerung, eines ADC-Eingangs und eines PWM-Ausgangs auf einem Mikrocontroller und einer grafischen Benutzeroberfläche auf einem Computer aufgewendet würde. Es bietet außerdem genügend Möglichkeiten, ein Projekt zu verbessern, ohne dass ein Plattformwechsel erforderlich ist. Seine Hochstromausgänge können einen Lüftermotor zur Konvektionskühlung oder einen Servo zum Öffnen der Ofentür am Ende des Zyklus betreiben.

Für den Ofen selbst habe ich den billigsten Toaster verwendet, den ich finden konnte: einen Hamilton-Beach-Ofen, der für 27 US-Dollar im Angebot ist. Ein günstiger Toasterofen wurde bevorzugt, da Toasteröfen nicht nur die Projektkosten niedrig halten, sondern im Allgemeinen auch über ein sehr einfaches elektromechanisches Temperaturkontrollsystem verfügen. Ein Bimetallstreifenthermostat schaltet die Heizelemente ein, wenn die Temperatur unter dem Sollwert des Thermostats liegt, und aus, wenn die Temperatur über dem Sollwert liegt. Der Thermostat kann umgangen werden, indem seine Grenze auf eine Temperatur eingestellt wird, die über der maximalen Temperatur des Reflow-Zyklus liegt, und die Heizungen mit einem externen Relais gesteuert werden, das an den Stromeingang des Ofens angeschlossen ist.

Für das Relais habe ich zunächst ein handelsübliches Gerät mit einem mechanischen Relais verwendet, das ich mit dem zwischen Toaster und Steckdose angeschlossenen StarFish DAQ steuern konnte. Dieses Relais war sehr langsam und hatte eine relativ geringe Anzahl maximaler Schaltereignisse, was bedeutete, dass ich die PWM-Frequenz nicht wirklich über etwa 1 Hz hinaus steigern konnte. Eine höhere PWM-Frequenz wird bevorzugt, um deren Auswirkungen auf die Temperaturreaktion des Ofens zu verringern, da niedrigere Frequenzen zu Temperaturartefakten führen können. Ein Halbleiterrelais kann mit einer höheren PWM-Frequenz betrieben werden als ein mechanisches Relais.

Nachdem ich das Konzept mit dem handelsüblichen Relais bewiesen hatte, entwarf ich ein 3D-gedrucktes Gehäuse für ein Halbleiterrelais, das auch den StarFish DAQ enthielt. Das Gehäuse war eine interessante Designherausforderung, da ich die elektrische Sicherheit rund um die Wechselstrom-Netzverkabelung und die thermische Sicherheit berücksichtigen musste, da das Relais zu heiß werden und das Gehäuse schmelzen könnte. Ich habe eine Isolationsbarriere zwischen der Hoch- und Niederspannungsseite des Gehäuses eingebaut, die nur das Relais passieren kann, und einen geerdeten Kühlkörper, um das Relais passiv zu kühlen.

Für die Temperaturrückmeldung habe ich ein Thermoelement vom Typ K und ein Adafruit-Breakout-Board verwendet. Dieses Thermoelement wird mit der zu reflowenden Leiterplatte verbunden. Der Ofen erhitzt seinen Inhalt mithilfe von Infrarotstrahlung, sodass die Luft im Ofen (relativ transparent für IR) mehrere Grad kühler sein kann als die Leiterplatte selbst (undurchlässig für IR). Bei vielen billigen Reflow-Öfen kommt das Thermoelement nicht mit der Leiterplatte in Kontakt, sondern sie messen stattdessen die Temperatur der Luft im Ofen. Dies kann dazu führen, dass die Leiterplattentemperatur vom Reflow-Profil abweicht, wenn die Abweichung nicht ordnungsgemäß berücksichtigt wird.

Bewertung der Leistung

Die Temperaturreaktion des Ofens konnte dem programmierten Reflow-Profil genau folgen, mit nur einem gedämpften Nachschwingen entlang der steigenden Temperatur in der Einweichphase und einem leichten Überschwingen während der Reflow-Phase. Diese Mängel könnten durch eine bessere PID-Abstimmung behoben werden, sie sind jedoch so gering, dass der Reflow-Prozess recht gut funktioniert.

Ich habe das Gerät auf Erweiterungsplatinen getestet, die wir für ein anderes Projekt angefertigt hatten. Hierbei handelte es sich um relativ einfache Platinen, mit denen eine Modifikation an einer anderen Platine, die sich im Prototypenstadium befand, implementiert werden konnte. Aufgrund ihrer geringen Produktionsmenge waren sie für die professionelle Montage ungeeignet. Ich habe die Komponenten von Hand auf der Platine bestückt und sie mithilfe des Reflow-Ofens aufgeschmolzen.

Nach einiger Reinigung hatten die Platinen hervorragend aussehende Lötstellen. Auf den ersten Blick könnte man meinen, dass sie von einem professionellen Montagedienst stammen und nicht von Hand zusammengebaut und in einem maßgeschneiderten Reflow-Ofen aufgeschmolzen wurden! Ich konnte den Reflow-Ofen auf anderen Platinen testen und er konnte jedes Mal qualitativ hochwertige Lötverbindungen herstellen. Eine Platine, die besonders beeindruckte, war eine für die Wärmeübertragung optimierte Platine, die von Hand in der Regel schwieriger zu löten ist.

Aus diesem Projekt lernen

Anfangs schien es sich um ein relativ einfaches Projekt zu handeln, aber ich habe viele Bereiche gefunden, in die ich mich eingehend vertiefen konnte, um das System so weit wie möglich zu verbessern. Durch dieses Projekt habe ich verschiedene Fertigkeiten geübt, beispielsweise die sichere Verkabelung eines 120-V-Wechselstrom-Hochleistungsstromkreises, die Anwendung und Abstimmung einer PID-Steuerung auf ein thermisches System und die Gestaltung eines 3D-gedruckten Gehäuses, das die Anforderungen an elektrische Sicherheit und thermische Anforderungen erfüllt Anforderungen.

Ich bin dankbar, dass ich während meiner Zusammenarbeit bei StarFish an solchen interessanten Projekten arbeiten und von dem hervorragenden Team hier lernen konnte! StarFish Medical nimmt das ganze Jahr über Praktikumsplätze für herausragende Studenten an. Schauen Sie sich ihre an Seite „Koop-Platzierungen“. um mehr zu erfahren.

Callum O'Riley ist ein Student der Elektrotechnik an der UBC. In seiner letzten Kooperationsperiode arbeitete er vier Monate lang an der Prüfung von Aktuatoren aus Formgedächtnislegierungen. Er ist Teil von UBC Rocket, einem Designteam für Ingenieurstudenten, das ein Team leitet, das die Elektronik für eine Überschallrakete entwirft.



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• Quelle: https://starfishmedical.com/blog/starfish-medical-co-op-custom-built-reflow-oven/