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Temperaturregelung für Ersa-Lötkolben ohne Temperatursensor.

Auf den Flohmärkten kann man immer wieder preiswert  Ersa Lötkolben und Heißluftlötkolben erstehen, doch leider ohne die zugehörige Versorgungseinheit. So habe ich einen Heißluftkolben sehr günstig erstanden. Leider war die dazugehörige Versorgungseinheit im Handel so teuer, das ich mich entschlossen habe selbst eine zu konstruieren.  
Davon handelt dieser Artikel.

Die Firma Ersa bieten bei ihren Lötstationen zwei verschiedene Verfahren der Temperaturerfassung an. In der teureren Schiene ( MS8000 ) nennt man es „Sensortronik“.
Diese Serie hat in den Lötkolben an der Spitze einen Temperatursensor, welches über getrennte Leitungen die tatsächliche Temperatur des Lötkolben an die Versorgungseinheit zurück meldet. 
Die preiswertere Serie ( MS6000 ) gelangt das „Resitronik“ Verfahren zum Einsatz. Es hat keinen eigenen Temperatursensor, sondern es nutzt die Tatsache aus das das Heizelement mit zunehmender Temperatur hochohmiger wird. ( PTC-Verhalten ).
In der Tat besitzen alle Ersa Lötkolben, die für eine Station bestimmt sind, keine Drahtwicklung mehr, sondern ein keramisches Heizelement.
Der Heißluftkolben HSP80 arbeitet ebenfalls nach dem „Resitronik“ Verfahren, da die zu erhitzende Luft durch das Innere des Heizröhrchen geleitet wird und ein Temperaturfühler somit im Weg wäre.
Vermutlich ist es bei anderen Lötkolbenherstellern mittlerweile auch üblich Keramikheizelemente zu verwenden so das dieser Artikel auch auf andere Lötkolben anwendbar wäre.

Bevor ich mit dem Entwurf einer Schaltung beginnen konnte , musste ich erst mal den Widerstandsverlauf über die Temperatur des Lötkolbens erfassen.
Dazu habe ich den Temperaturfühler ( Chrom-Nickel-Chrom )eines digitalen Temperaturmessgerätes in die Luftaustrittsöffnung des Lötkolbens bis etwa in die Mitte des Heizröhrchen geschoben. Mit einen digitalen Ohmmeter habe ich erst den Kaltwiderstand bei 21°Celsius gemessen . Der Wert liegt bei etwa 2,4 Ohm. Dan habe ich den Lötkolben einfach an ein regelbares Netzteil angeschlossen und bei 100° , 200°, 300° und 400° den Lötkolben abgeklemmt und sofort ans Ohmmeter angeschlossen. Heraus kam ein Temperaturkoeffizient von ziemlich genau 1 Ohm / 100° Celsius. Das heißt alle 100° Celsius Temperaturerhöhung erhöht sich der Widerstand um 1 Ohm. Lötkolben anderer Hersteller verhalten sich vermutlich ähnlich. Einfach ausprobieren.

Es war mir sofort klar, das die Temperaturerfassung nur in einer Brückenschaltung geschehen kann.

        Zwei Probleme sind zu lösen.
1.	Wie messe ich in einer Brücke den Widerstand, des Heizelementes, wenn ich doch gleichzeitig heizen will?
2.	Wie steuere ich die Heizleistung ohne riesige Verlustleistungen zu erzeugen.

Die Lötstationen  steuern  die Heizleistung in der Regel mit einer Impulspaketsteuerung mit Hilfe eines Triac. Weil das Heizelement aber in diesem Falle auch als Sensor in einer

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Brückenschaltung herhalten muss, welches mit einer stabilisierten Gleichspannung arbeitet, verbot sich der Einsatz eines Triac. Anstelle einer Impulspaketsteuerung kann man ebenso einen Pulsbreitenmodulator verwenden. Auch in diesem Falle tritt keine nennenswerte Verlustleistung auf.

Zur Schaltung selbst.

Das IC U1 NE5532 erzeugt eine Dreieckförmige Spannung dessen Frequenz auf etwa
100Hz festgelegt ist. Das IC U2 arbeitet als Komparator und vergleicht die Regelspannung mit der Dreieckförmigen Spannung aus IC U1. Je größer die Regelspannung wird desto breiter werden die Positive Halbwellen des Rechteckes am Ausgang des Komparators. Mit dem Trimmer R1 stellt man die maximale Pulsbreite so ein das noch eine Pulspause von etwa  5% bei maximaler Regelspannung übrig bleibt.
Dieses pulsbreitenmoduliertes Rechtecksignal steuert den Transistor Q1 IRFZ44.
Dieser legt die –24V Spannung ( JP4 ) an das Heizelement ( JP1 ) .
Das Heizelement heizt in dieser Phase.
Während der 5% breiten Pulspause ist der Transistor Q1 hochohmig und das Heizelement
bildet mit den Widerständen R13, R14, R3 eine Brückenschaltung.
Eine Widerstandsänderung des Heizelementes an JP1, bedingt durch die Temperaturerhöhung, bringt die Messbrücke aus dem Gleichgewicht. Die Brückenspannung dieser Messbrücke wird durch IC U3 verstärkt.
Mit R3 stellt man die Spannung an Ausgang IC U4 bei kalten Lötkolben auf etwa 210 mV ein.
Am Ausgang von IC U3 erscheint weiterhin das pulsbreitenmoduliertes Rechtecksignal , dessen Spannung am Boden des Rechtecksignals  aber die Höhe der Temperatur wiederspiegelt.
Es interessiert also nur die Spannung am Boden des Rechtecksignals. Das Rechtecksignal selber wird in der folgende Sample and Hold Schaltung ausgetastet.
Dazu wird das Signal am Ausgang des IC U2 mit dem Transistor Q2 invertiert und der Transistor Q3 angesteuert. In den Pulspausen ist Q3 niederohmig und der Kondensator C2 
wird mit der Ausgangsspannung von IC U3 aufgeladen. Während der Heizperiode sperrt der Transistor Q3 und die gespeicherte Ladung von C2 wird mit dem IC U4 hochohmig abgegriffen. Am Ausgang IC U4  erscheint die reine Temperatur als Spannung. Hier könnte   man auch ein Digitalvoltmetermodul  für die Temperaturanzeige anschließen.

Das IC U5 dient als Integrator und vergleicht den Sollwert mit dem Istwert aus IC U4 und liefert die Regelspannung für den Pulsweitenmodulator.
Der Sollwert wird mit dem Poti an dem Anschluss JP2 vorgegeben.
R23 optimiert das Überschwingen bei einem Wechsel des Sollwertes.

Aufbauhinweise.

Es wurde eine doppelseitige Platine erstellt. Man wird zuerst die kleinsten Bauteile bestücken. Dazu zählen Widerstände und Dioden. Leiterbahnen und Masseflächen auf der Bestückungsseite sind mit den Bauelemente zu verlöten. Es gibt bei der Fa Bürklin IC-Fassungen mit gedrehten Kontakten dessen Anschlüsse über der Platine ein wenig länger sind, so das die Fassungen etwa 1mm über der Platine stehen. Dadurch lassen sich die IC-

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Fassungen mit Hilfe von 0,5mm dicken Lötzinn leichter an die Leiterbahnen der Bestückungsseite verlöten. Sie sind als nächstes zu bestücken. Die Platine wird nach dem 
sie fertig bestückt und verlötet ist mit dem Leistungstransistor und den beiden Spannungsregler isoliert an die Alurückwand des Gehäuses befestigt.
						
Der Gleichrichter des Leistungsteiles befindet sich nicht auf der Platine er ist mit etwa 
10 Ampere zu dimensionieren und zur Kühlung auf die Rückwand zu befestigen.

Es wurden 2 Netztrafos verwendet, da es im Handel einen Netztrafo mit 3 Wicklungen nur als Sonderanfertigung zu entsprechende Preisen gibt.
Der Haupttrafo sollte Sekundär 24 Volt 10 Ampere abgeben können, für den kleineren Trafo reicht  2*15Volt 500mA

Die Inbetriebnahme.

Zunächst bestückt man die ICs nicht , und kontrolliert ob an den entsprechenden Stromversorgungspins der IC-Sockel +12Volt bzw. –12Volt liegen. Ist bis hier alles OK, dann kann man ( nach Abschalten der Netzspannung ) IC U1 bestücken. Nach dem Einschalten dreht man an dem Widerstand R5 solange , bis an  IC U1B Pin 7 mit einem Oszillografen eine einwandfreie Dreieckspannung von etwa 20VSS zu messen ist.
Jetzt wird IC U2 bestückt und an JP1 wird ein Widerstand 4Ohm 100 Watt angeschlossen.
In den Sockel IC U5 steckt man eine Drahtbrücke zwischen Pin 7 und Pin 6.
Mit R1 kann man die Pulsbreite des Ausgangssignals an IC U2 stufenlos zwischen
0 %  (also –12V DC ) und 100 % ( also +12V DC ) einstellen.
Ist bis hier alles OK dann kann man IC U3 bestücken und statt den 4 Ohm Widerstand den Lötkolben an JP1 anschließen.
R1 wird der Schleifer auf –12V gestellt. Am Ausgang von IC U2 muss eine Gleichspannung von –12Volt zu sehen sein es darf kein Rechteck erscheinen. Am Ausgang IC U3 ist jetzt eine
mehr oder weniger hohe Gleichspannung zu messen. Mit R3 stellt man sie auf etwa 210mV ein vorausgesetzt der Lötkolben hat Zimmertemperatur.
Jetzt kann man für einen ganz kurzen Moment mal R1 ein wenig aufdrehen.
Sofort erscheint am Ausgang von U3 ein Rechtecksignal dessen Bodenspannung jetzt mit zunehmender Lötkolbentemperatur ansteigt.
Wenn man R1 wieder auf – 12Volt dreht verschwindet das Rechtecksignal an Ausgang IC U3 und übrig bleibt eine entsprechend der Temperatur angestiegene Gleichspannung.
Wenn  bis hier alles OK ist kann man U4 bestücken. ( Das abschalten nicht vergessen! ).
Ein Rechtecksignal welches man beim Aufheizen am Ausgang IC U3 sieht, muss am Ausgang von IC U4 vollständig verschwinden. Es darf nur noch  eine sich mit der Temperatur ändernde Gleichspannung sichtbar werden.
Ist auch bis hier alles OK kann nach entfernen der Drahtbrücke in der IC-Fassung  IC U5 bestückt werden.
Jetzt sollte die Regelung komplett funktionieren. Man beobachtet mit dem Oszillograf die Ausgangsspannung von IC U2. Dreht man das Sollwertpoti in Richtung höhere Temperatur sollte augenblicklich die Pulsbreite größer werden, um bei Erreichen der Temperatur sofort wieder auf fast 0 zu gehen.
Dreht man die Temperatur wieder runter wird die Pulsbreite 0. Ein Atmen der Pulsbreite bei großen Temperaturerhöhungen lässt sich mit dem Widerstand R23 optimieren. Ist er zu groß, dann wird das Signal ein paar mal in der Pulsbreite atmen. Ist er zu klein wird die Regelung langsamer und es bleibt ein Regelfehler übrig. Mit R1 stellt man ein das bei einem Aufheizen 

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von Zimmertemperatur auf maximale Temperatur die Pulsbreite während des Aufheizens maximal 95% ist. Die restlichen 5% braucht die Sample & Hold Schaltung.
Mit R22 kann die maximale Temperatur festgelegt werden.

Zum Schluss wieder der viel zitierte Hinweis.

Die VDE 0100 verlangt nun mal das der Schutzleiter so anzuschließen ist, das er von außen nicht zu lösen ist. Am besten man bringt die Befestigungsschraube des Schutzleiters an einer Stelle an wo sie von außen nicht zugänglich ist. Auch müssen sämtliche von außen berührbare Blechteile einwandfrei vom Schutzleiter erfasst sein. Mit einen Ohmmeter kann man das messen. Der Widerstand zwischen Schutzleiteranschluss des Netzsteckers und jedem von außen berührbaren Metallteil darf 0,3 Ohm nicht überschreiten.230Volt führende Leitungen müssen mit einem Querschnitt von mindestens 0,75qmm dimensioniert sein. Auch das steht in den VDE Vorschriften. Die Primärseite der Trafos sind mit einer Sicherung abzusichern. Der Wert beträgt 1,6Amp träge. Der Netzschalter sollte zweipolig ausgeführt sein. Die Leitungen welche den Strom für den Lötkolben führt, sollten mit mindesten1qmm dimensioniert sein.

Bei meiner Lötstation ist noch eine in der Luftmenge stufenlos einstellbare Pumpe ( mit einem Gleichstrommotor aus dem Flugmodellbau und einen Tachogenerator als Istwertgeber ) für die Heißluft und zwei Digitalanzeigen für die Luftmenge und die Temperatur eingebaut. Für die Pumpensteuerung wurde aus der gleichen Schaltung nur der Pulsbreitenmodulator und der Soll Ist Vergleicher übernommen die Digitalanzeige ist in dem Artikel „Regelbares Netzteil für alle Fälle“ Funkamateur Heft 5 und 6  2003 beschrieben.

Literatur

[1] Berres, R., DF6WU: Regelbares Netzteil für alle Fälle, Funkamateur 52 (2003) H. 5.
S. 472-474 H. 6. S. 574-578

[2] Bürklin: Homepage. WWW.Bürklin.com

[3] Ersa: Homepage. WWW.Ersa.de