ホットプレートを利用したリフローの製作

近年　面実装のパーツが多くなり、はんだ付けが困難になってきましたので、リフローを自作します。

本リフローは、ホットプレートを利用し、サーミスタでホットプレートの温度を測定し、SSRで温度を制御します。

マイクロチップのホームページには、リフロー時のプロファイルが載っていますので、これに合わせて PIC１６Fで制御します。

仕様

リフロー構成：ホットプレートを利用
リフロー設定温度：１０～２５５℃（1℃単位）
リフロー加熱性能：約1℃/Sec(max), 約0.5℃/Sec(typ)
リフロー冷却性能：自然放射冷却（冷却手段はありません）
はんだ付けプロファイル：9種類（共晶はんだ用、鉛フリー用）
リフロー操作：温度設定またははんだ付けプロファイル選択後、スタート/ストップスイッチ押下
LCD表示：リフロー設定温度、はんだ付けプロファイルNo、リフロー温度表示
LED表示：リフローのスタート（点灯）/ストップ（消灯）を示す
動作モード：ノーマルモード　または　デバッグモード（コントローラのジャンパピンをショートさせる）
消費電力：７００W
外形：約280mm＊210mm＊140mm
重量：？

材料

このリフローで使用するホットプレートは、ニトリで買いました。

商品名は、ミニホットプレート・KT-2131P(NT)です。

ホットプレートの裏側です。ヒーターと温度スイッチ、温度フューズがついています。説明書によると、温度フューズ240℃と書かれています。

裏ブタを外すと、ヒーターと、温度フューズ（240℃）、サーモスイッチ（１9５℃）が見えます。

以上から　このホットプレートは　約２００℃の温度で使用するように設計されているのがわかります。

今回２５０℃までのリフローを製作しますので、温度フーズ、サーモスイッチは取り外し、ACケーブルを直接接続します。

温度フューズを取り外しましたので、安全性の保護が入っていませんので、このリフローを使用する際には、必ず人が完全性を目視しながら使う必要があります。

AC電源のヒーターへの接続も、温度が高く　ハンダづけができませんので、スリープを使用しカシメました。

使用したスリーブです

温度が高く、はんだ付けができませんので、左図のセラミック端子台をホットプレートにビスで固定し、端子にサーミスタを取り付けます。

この端子台に耐熱ケーブルをねじ止めし、PICのOPアンプ入力に接続します。

耐熱電線に、耐熱チューブをかぶせ、コネクタに接続しています。

温度センサー

高耐熱の対応のサーミスタです

石塚電子の２０４CTで250℃まで温度が測定できます。

25℃で２００ｋΩ、２５０℃で約１ｋΩの抵抗値となります。

温度と抵抗ー温度特性を下記のPDFに示します。

また温度と抵抗値はリニアではありませので、ソフトウエアでは、特性テーブルで処理を行っています。

下の温度センサー（サーミスタ：２０４CT-4)特性は、このサーミスタを10bitのAD変換器でAD変換した値です。

ソフトウエアでは、1024-adc_dataのグラフの値を使用しています。

ct1

ホットプレートの裏側に１００円ショップで買った透明ケースを取付てみました。

本製作の心臓部のSSRキット（２０A)です。

SSRキット＿２５Aタイプ

外観

下の画像の「Hot　PLATE」と書かれているプラスチックのケースを外し　上の画像のケースを作りました。また、ガラス窓がついた蓋も追加しました。

下図で　リフローの全体の制御を行っているコントローラ基板が中央に配置しています。

コントローラの右には、＋５Vを出力するスイッチングレギュレータがあります。

上（正面）には、LCDとロータリーエンコーダー、タクトスイッチ、LEDを配置しました。LCDは設定温度や、リフローの現在の温度などを表示します。

ロータリエンコーダーは、プロファイルの選択や、所望する温度を設定します。

タクトスイッチは、プロファイルの温度の開始/停止や、設定温度の開始/停止を行います。

LEDは上記タクトスイッチの開始時　点灯し、停止時　消灯します。

下には　SSR基板、ヒートシンク、フューズホルダを配置しました。

横には、取っ手をつけています。

下図がコントローラで　真ん中にPIC１６F１７８８があります。

PIC１６F１７８８は、8bitCPUで、周辺回路にOPアンプ、ADコンバータを持っているため、このCPUを選択しました。

PIC１６F１７８８の1ピンのそばにある6ピンのピンヘッダーは、PICKIT用のヘッダーでプログラムの書き込みに使います。

またその左側にある2ピンのピンヘッダーは、本リフローの動作モードを選択します。

写真では、ピンヘッダーのがショートピンで接続されていますので、デバッグモード（サーミスタｖｓ温度データ(thermister_inv) や、profile1-9データの変更など）で動作しています。

ノーマルモード（通常の使用モード）の場合は、ショートピンを外してください。

サーミスターからの入力は、基板の左下から入力しPICのOPampに入力されます。

OPampの出力は、PIC内のADCでデジタルに変換します。

SSR基板です

回路図

reflow_circuit

LCD表示

マイクロチップ共晶はんだ/鉛フリーはんだ　リフロープロファイル

リフロープロファイル

プロファイル

プロファイル	規格	はんだ	負荷	プレヒート	プレヒート	リフロー	リフロー
No		種類	mm×mm	温度（℃）	時間（秒）	温度（℃）	時間（秒）
１	マイクロチップ	共晶	50*50	100-130	60-70	225-240	40-60
２	JEDEC	共晶	50*50	100-150	60-120	225-240	60-150
３	JEDEC	共晶	100*100	100-150	60-120	225-240	60-150
４	未設定	共晶
５	未設定	共晶
６	マイクロチップ	鉛フリー	50*50	150-200	50-90	225-260	50-80
７	JEDEC	鉛フリー	50*50	150-200	60-180	245-260	60-150
８	JEITA	鉛フリー	50*50	150-180	30-60	220-250	30-60
９	未設定	鉛フリー

温度制御（PID）方法

本リフローのPID温度制御は　PICFUNの後閑先生が書かれているPIDの内容を参考に　行いました。

PID制御の計算式は

e0(今回の偏差） = 目標温度 – 現在の温度

dMV0(今回の操作量差分) = Kp*(e0 – e1) + Ki*e0 + Kd*(e0 – 2e1 + e2)

または

dMV0(今回の操作量差分) = 100/Pb{(e0 – e1) + e0/Ti + (e0 – 2e1 + e2)*Td}

MV0(今回の操作量) = MV1(前回の操作量) + dMV0

ここで　e1:前回の偏差、e2:前々回の偏差

Kp:比例感度（または比例ゲイン）,Pb:比例帯 = 100/Kp

Ki：積分計数、Ti:積分時間 = Kp/Ki

Kd:微分係数、Td:微分時間 = Kd/Kp

１）K（定常値）、L(無駄時間）、T（時定数）を求める（CHR法・・・ステップ応答から求める）

１－１）ホットプレートの時間ｖｓ温度特性グラフのS字曲線の変曲点上に接線を引く

１－２）ホットプレートの時間ｖｓ温度特性グラフの時間が無限大の時の定常値Kを予測する（３００℃とした）

１－３）定常値Kの６３%のに当たる値になったところから、無駄時間L、時定数Tを求める。

２）Kp,Ki、Kdを求める。(計算式は、PIC FUNより転記）

ここで　プロセスゲインK=３００℃/２４．２℃（初期温度）＝　０．９２（９２％）、T=１５０秒、L=１０秒　で計算する

制御動作種別	Kpの値	Kiの値	Kdの値
P（比例）制御	0.3～0.7T/KL =4.9~11.4	0	0
PI制御	0.35～0.6T/KL =5.7~9.8	0.3～0.6/LK =0.0326~0.0652 (Ti=87~306)	0
PID制御	0.6～0.95T/KL =9.8~15	0.6～0.7/KL =0.0652~0.0761 (Ti=129~230)	0.3～0.45T/L =4.5~6.75 (Td=0.3~0.7)