Projets:Lab:2015:SolderStation:Manuel

Une station de soudage pour composants CMS qui sert également d'exercice d'apprentissage à la brasure des composants à montage de surface (cliquez sur la photo pour agrandir)

Manuel de montage

  Sept pages du Wiki et deux fichiers sont associées à ce projet: 
 
 *  Les instructions de chargement du firmware (version Française) 
 *  Une presentation générale de l'appareil (version Française)
 *  Le guide de montage illustré (version Française)    
 *  File:BOM Station CMS.xls La liste d'achat au format xls
 *  File:BOM Montage.xls La liste de montage au format xls
 
 *  Loading the firmware (English version)
 *  Assembly Manual, illustrated (English version)
 *  A quick general presentation of the solder station (English version) 
 
 *  Bausatzanleitung, mit Bilder (Deutsche Seite)

Les outils nécessaires

• Fer à souder pointe fine
• Tresse à dessouder (pour corriger les bêtises)
• Pince coupante à lame rasante (non biseautée)
• Flux
• Alcool isopropylique (petit flacon)
• Brosse à dent ou jeu de cotons-tiges
• Pince précelle à bec fin
• Fil de brasure fin (0,5mm maximum, 0,3mm conseillé, en étain-plomb-argent ou étain-plomb-cuivre)
• Composants (voir la BoM ci-après, kit Numéro 2)
• 2,5 mètres de fil de câblage
• Arduino Nano
• Alimentation 12 V (pour test)
• Lunettes de protection (lors de la coupe des queues de composants)

La première partie de ce manuel porte sur l’assemblage des composants CMS et traversants permettant de construire le cœur de la station en question. Il n’aborde pas l’aspect mécanique (mise en boite, intégration) de la station de soudage.

       Note importante : chaque étape vous demande de retirer un composant du kit. Pour éviter 
       de le ou les perdre, posez les dans un petit récipient (coupelle, pot de yaourt, assiette). 
       N’extrayez les composants de leurs bandes de stockage que les uns après les autres

Schematic diagram and PCB ayout

Cliquez deux fois sur l'illustration pour obtenir plus de détail

Le schéma n'est pas très compliqué

Au coeur du montage, un Arduino nano. Ses ports D2 à D13 ainsi que A2 à A4 sont dédiés à l'interface homme-machine, qui peut être totalement adaptée aux désirs de chacun, en fonction du code choisi. Certains préfèrent une interface LCD, d'autre l'afficheur 7 segments... à vous d'optez pour l'un ou pour l'autre en activant l'interface concernée dans les option du fichier Config.h

Il est également possible de choisir comment la programmation du point de consigne doit être "entrée" : boutons poussoirs 12x12 (up /down) ou encodeur mécanique : le circuit imprimé a été étudié pour accepter ces deux options.

A noter que l'encodeur mécanique possède lui aussi un poussoir qui peut être utilisé pour forcer un "reset" de l'Arduino

Pour chacune de ces modifications, reportez vous au chapitre consacré à la configuration/installation du firmware

La panne du fer se branche sur un câble situé dans le prolongement de P1. Sur ce connecteur, on y trouve une sortie 12 V de puissance (broches 4 et 5) destinées à la résistance de chauffage du fer. Cette tension n'est pas continue, mais modulée par un signal PWM dont la largeur d'impulsion est commandée par le port D3 via un FET de puissance -Q1- lui même piloté par un FET inverseur Q2. Les variations du rapport cyclique de ce signal PWM augmente ou diminuent la quantité de courant injectée dans le fer, et par conséquent augmente ou diminue sa température.

également sur P1, broche 1, on peut mesurer une tension variable très faible, celle du capteur de température intégré dans la panne. Cette tension est fortement amplifiée par un ampli op OPA336, dont la sortie est branchée sur une des entrées analogiques de l'Arduino

En mesurant cette tension (entre 0 et 5V) sortant de l'OPA336, la boucle de contrôle du logiciel connait très exactement la température de la pointe du fer. Cette température, comparée avec celle souhaitée (et stockée comme point de consigne) permet à son tour de déterminer la largeur des impulsions du signal PWM

Si le port A5 de l'Arduino, étiqueté "STDBY SW" (standby switch) et mis à la masse, cela a pour conséquence de placer le fer en position de standby "froide". Cette mise à la masse peut être déclenchée soit via le support du fer, soit par un microcontact magnétique

la station de soudage tient sur seulement deux petits circuits imprimés. Sur la partie droite du schéma d'implantation ci-dessus, l'on remarque le microcontroleur Arduino et les composants nécessaire à la mesure de température (ampli op) et à l'étage de puissance du fer (FET de puissance et son transistor de pilotage)

La platine située à droite, un large pcb de 5x10 cm, concentre tous les éléments de l'interface homme-machine : l'encodeur ou les boutons de contrôle de la température, l'affichage numérique, la diode d'indication de chauffe. Cet afficher regroupe trois fonctions : il indique la température instantanée du fer, la température de consigne (lorsque l'usager actionne l'encodeur de réglage de la température), et les points décimaux de chaque digit donnent une idée du pourcentage du rapport cyclique du circuit de puissance (3 points allumés : pwm au delà de 50 %, aucun point allumé : point de consigne atteint)

Une diode LED brille dès que le fer et en chauffe, et s'éteint lorsque le point de consigne est atteint. Cette information est redondante, mais moins précise, que celle fournie par les points décimaux de l'afficheur principal

Notez que, mécaniquement parlant, la partie supérieure plate de l'encodeur rotatif doit être au même niveau que la surface de l'afficheur 7 segments (à 1 ou 2 mm près). De cette manière, l'affichage affleurera avec la façade de votre boitier et l'écrou de serrage du canon de l'encodeur.

Utilisez ce schéma d'implantation tout au long de la procédure d'assemblage de votre kit

La platine afficheur

Déposez trois gouttes de soudure sur les trois empreintes gauche de R11, R12 et R13 de la carte Afficheur. Avec la pince précelle, prenez 3 résistances de 1 kOhm, et posez-les sur le pad tout en chauffant la goutte de soudure (et non le composant) avec la pointe du fer. Une fois la partie métallisée de la résistance « mouillée » par la soudure, retirer le fer tout en maintenant la pince… sans bouger.

Il n’est pas conseillé de laisser trop longtemps la pointe du fer en contact avec le circuit imprimé (5 secondes maximum).

Truc et astuce

La goutte de soudure doit se propager sur l’extrémité du composant par capillarité. Si ce n’est pas le cas, soit la panne du fer n’est pas assez propre (nettoyez le avec une éponge en laine de bronze), soit la soudure est oxydée (ajoutez une goutte de flux) Répétez l’opération pour les trois premières résistances de 1 kOhm. Les trois résistances une fois maintenues par la brasure sur l’une de leur extrémité, soudez l’autre côté de chaque composant.

A la fin de cette operation, il vous reste donc une seule résistance de 1k sur sa bande de protection. Réservez la précieusement

Prenez les 9 résistances de 220 Ohm(R14 à R21 et R8), et répétez l’opération sur les 9 emplacements suivants.

Truc et astuce

Attention de ne pas « surcharger » les plots de soudure. Le métal liquide doit « remonter » vers le contact, et si possible ne pas faire de « boule »

Prenez 3 transistors FET BSN20 (Q3, Q4, Q5). Déposez une goutte de soudure sur un seul des trois plots (celui situé au milieu du boitier, unique sur son côté). Puis saisissez le transistor par les côtés, et glissez-le vers la goutte de soudure maintenue en fusion par la pointe du fer. Otez le fer, attendez que la brasure refroidisse, relâchez la pression sur la précelle. Vérifiez que le transistor est bien centré. Si ce n’est pas le cas, corrigez sa position en chauffant à nouveau la goutte de soudure qui le maintien.

Répétez l’opération pour les trois transistors situés sur le bord supérieur de la platine

NE SOUDEZ PAS encore les deux autres pattes

Truc et astuce

Ne serrez surtout pas trop fort la pince précelle. En vous crispant, vous risquez de voir votre composant riper sur le métal de la pince et, l’élasticité de l’acier aidant, d’expédier le transistor à plusieurs mètres de votre plan de travail. Ainsi catapulté, le composant change de statu et se transforme en viande à aspirateur… procurez-vous en un autre car les chances de le retrouver sont inversement proportionnelles au prix et à l'importance dudit composant

Prenez trois résistances de 10kOhm, format 0603 (elles ne sont pas fournies dans le kit et sont deux fois plus petites que les autres composants passifs, il y en a de dispo au lab)

Déposez une goutte de soudure sur l'une des deux pattes d'un transistor non encore soudé. Tout en maintenant le métal en fusion, glissez la résistance sur ce point de brasure, très exactement entre les deux pattes du transistor.

Retouchez l'alignement si nécessaire, puis retirez la panne du fer à souder puis, lorsque le point de soudure a refroidi, relâchez la pression sur la précelle.

Soudez la dernière patte du transistor et l'autre extrémité de la résistance de 10 k.

ci-dessus, le transistor et sa résistance de "push down" logée entre ses deux pattes

A la fin de cette operation, il vous reste donc un seul transistor BSN20 sur sa bande de protection. Réservez le précieusement

Positionnez l’encodeur SW3 sur son emplacement. Le boitier doit reposer sur la surface du pcb.

Souder ce composant ne devrait poser aucun problème. Hormis peut-être un abaissement de la température de la panne de votre fer lorsque vous tenterez de souder les languettes de maintien sur le plan de masse. Si vous disposez d’un second fer à souder, employez une panne plus large et un fil de soudure de 0,5 mm

Positionnez les trois afficheurs 7 segments AFF2, AFF3 et AFF4. Il ne peuvent être installés que dans une seule position

Soudez les broches des afficheurs après avoir retourné la carte. Faire attention que le composant reste bien plaqué au pcb. Ici encore, un fer à panne large et un fil de soudure de 0,5 ou 1mm est appreciable

Vérifiez le plaquage des afficheurs. Installez

• soit un connecteur Molex kk 15 contacts au pas de 2,54mm (option) sur le côté opposé des composants,
• soit coupez 15 segments de fil de câblage de 15 cm chacun, dénudez chaque extrémité sur 4mm, étamez ces extrémités avec une goutte de soudure, puis insérez et soudez ces fils un à un dans les trous prévus à cet effet. Les fils doivent sortir coté opposé aux afficheurs

Attention : laissez libres les deux trous situés sur le bas de la rangée. Ils sont réservés pour d’éventuelles extensions entre l’interface et une gpio de l’Arduino (une masse et un fil « libre »).

Montage fil à fil au depart de la carte d'affichage

Montage avec un connecteur "kk" Molex au pas de 2,54mm. Il s'agit-là d'une configuration totalement optionnelle. Elle peut paraitre séduisante mais la fabrication du cable est longue et fastidieuse (surtout pour ceux qui n'ont pas l'habitude de ce genre de sport) et l'insertion est assez difficile.

Avec une pince coupante rasante, coupez les queues de broches qui dépassent

Truc et astuce

Maintenez toujours un doigt au-dessus de la broche en train d’être coupée (voir photo). Des éclats de métal peuvent être projetés lors du sectionnement de la broche et son susceptibles de provoquer de graves lésions oculaires. Le port de lunettes de protection est vivement conseillé

Soudez la diode LED D1 dans l'angle inférieur gauche du pcb. La patte la plus longue dans le trou du haut (vers les résistances), la plus courte vers le bas (relié à la masse). Le sommet de la LED doit légèrement surplomber la surface des afficheurs 7 segments.

Fin du montage de la première platine. Nettoyez les résidus de flux avec une brosse à dent ou un coton tige trempé dans de l’alcool isopropylique (isopropanol, alcool iso). Vous pouvez réserver la platine afficheur dans un endroit protégé.

Truc et astuce

Le nettoyage ne sert pas seulement à faire de « beaux » circuits. Le flux de soudure est relativement acide et peut, au fil du temps, attaquer le cuivre des pistes et les contacts des brasures, provoquant des pannes et mauvais contacts.

La platine MCU

Lors du montage de la carte Afficheur, deux composants sont "restés en plan" : une résistance de 1k (R3) et un transistor BSN20 (Q2). Il est judicieux de les souder immédiatement pour ne pas les perdre s'ils ont été ôté de leur bande de protection.

Placez le transistor restant de la même manière que vous avez déjà brasé les autres

... avec la même procédure, toujours avec une résistance de 10k format 0603 entre Drain et masse

La présence de cette résistance est capitale pour le bon fonctionnement de la panne. En cas de "plantage" de l'Arduino, elle a pour fonction de forcer à 0 V la tension d'alimentation du fer, ce qui évite de voir la panne partir en fumée.

Puis la résistance R3 de 1kOhm (format 1206)

Notez que la photo ci-dessous ne montre pas la résistance de push-down (absente au montage sur ce prototype).

Il est temps de passer aux choses sérieuses et de souder le premier boitier SOIC du montage

Truc et astuce

Les composants actifs SOIC ont un sens de branchement. La broche numéro 1 est repérée soit par un point gravé au laser (visible en lumière rasante), soit par un bord biaisé à 45°, soit par ces deux indicateurs

Prenez la carte « processeur » et sortez le transistor Q1 (FET de puissance IRF7416). Attention, le kit comporte 2 circuits avec le même boitier. Vérifiez la référence avant de souder. Procédez comme pour les transistors, en déposant une goutte de soudure sur un seul plot

Présentez le composant à l’aide de la pince précelle tout en maintenant le point de soudure en fusion, puis ôtez la pointe du fer pour que la brasure se solidifie. Attention, il s’agit cette fois d’un boitier SOIC 8 broches, plus délicat à aligner que le transistor. Les pattes du composant doivent se trouver centrées sur chaque plot de soudure, sur l’ensemble des 8 points. Profitez-en pour vérifier si vous ne vous êtes pas trompé de sens… le côté biseauté servant à l’orientation du circuit n’est pas toujours évident à voir.

Si tout est correct, soudez la patte diamétralement opposée au premier point de soudure. Vérifiez le centrage des pattes et des plots, ajustez légèrement si nécessaire. Puis soudez les 6 autres pattes restantes

Truc et astuce

il est fréquent que les débutants créent des « ponts » de soudures entre pattes en apportant trop de métal d’apport. Ne cherchez pas à éliminer ce court-circuit tout de suite, finissez de souder les autres broches du circuit intégré. Une fois ce travail achevé, déposez une goutte de flux sur le pont (un pont et toujours signe d’une mauvaise « mouillabilité » de l’eutectique), nettoyez bien la panne de votre fer, puis faites fondre le trop-plein de soudure avec la pointe du fer en intercalant un bout de tresse à dessouder entre la panne et la brasure. Le pont sera littéralement aspiré. Reprenez les soudures le cas échéant si la tresse a trop bien fait son travail et enlevé tout le métal d’apport. Passez au pont suivant s’il y en a un.

Ci-dessous, le transistor IRF 7416 une fois soudé.

Ne tenez strictement aucun compte du transistor situé près de ce circuit intégré. Il s'agit de Q2 dans la version "prototype" du pcb. Q2 est désormais place entre entre les sorties de l'Arduino et a déjà été soudé au début de ce chapitre

:

Sortez le second circuit intégré U1 (OPA336), vérifiez son orientation à l’aide du dessin porté sur le masque de soie (le dessins sur le pcb), puis soudez le en suivant les explications données auparavant.

Soudez les 3 condensateurs céramique de la même manière que les résistances de la platine d’affichage. C1 de 100 nanofarad, C2 et C3 de 10 nanofarad. Attention, contrairement aux résistances dont la valeur est imprimée sur le corps du composant, les condensateurs ne sont pas « marqués ». Ne mélangez pas les valeurs lors du montage.

Procédez de la même manière avec les résistances R2 et R7 (5,6 kOhm), R4 (100 kOhm), R5 (100 Ohm), R6 (68 kOhm) situées autour de l’amplificateur opérationnel OPA336. Puis soudez R1 (10 kOhm, proche de l’IRF7416). La résistance R3 (1 kOhm) proche de Q2, sous l’emplacement de l’Arduino Nano, a déjà été soudée (voir début de chapitre) A noter que sur la photo ci-dessus, R1 et Q2 ne sont pas encore installés.

Préparez les deux rangées de support « broche à carte » de 15 contacts chacune

Insérez les broches de l’Arduino dans les barrettes de contact en question. Veillez à ce qu’elles soient correctement enfoncées.

Insérez les barettes de contact maintenues par l’Arduino dans les trous prévus à cet effet.

Soudez le premier plot, vérifiez que la barrette de contacts repose bien sur le pcb coté composants, ressoudez au besoin pour bien positionner l’ensemble. Soudez ensuite la broche située dans le coin opposé, effectuez un dernier contrôle visuel, puis soudez toutes les broches traversant le pcb.

En option, il est possible d’ajouter deux connecteurs Molex kk au pas de 2,54mm, l’un de 15 (ou 17) broches, l’autre de 5 broches.

Par défaut, ces deux connecteurs ne sont pas fournis dans le kit. Il est plus facile de relier la carte Microcontroleur avec des fils soudés

...et notamment l’autre extrémité des 15 fils provenant de la platine « afficheur ». En prenant garde de bien faire correspondre les fils avec leurs trous respectifs. Tout comme pour la platine Afficheur, les deux trous du bas ne sont pas utilisés et ne sont donc pas câblés.

Aucun fil ne doit être croisé, le câblage est « droit, broche à broche ».

Retournez la platine « microcontroleur » et soudez D2, la diode CMS, en prenant garde au sens de montage. La cathode –symbolisée par une barre sur l’une des extrémités du composant- est orienté vers l’intérieur du circuit, coté Arduino. L’anode, l’autre côté, est orientée vers les plots d’arrivée 12 V.

La partie électronique est achevée. Reste à tester, après branchement du fer (voir schéma) et programmation de l’Arduino (se reporter à la section Manuel de Programmation), le fonctionnement de la station. Si les tests sont concluants, il ne reste plus qu’à mettre le projet en boite.

La panne

Il existe près d'une trentaine de pannes Weller de la série RT, couvrant de l'aiguille pour composants CMS de très petite taille à la panne "tournevis" imposante, en passant par une version de la célèbre "mini-vague" particulièrement utile pour déposer juste ce qu'il faut de brasure sur une série de pattes appurtenant à un circuit QFP par exemple.

Ci-dessus, une série de trois pannes : l'aiguille RT1, la "mini-tournevis" RT3 -la plus "passe-partout", et l'énorme RT8 pour travaux lourds

Le brochage de ces pannes est indiqué sur la photographie ci-avant. Il est important de ne provoquer aucun court-circuit entre sonde et arrivée 12V sous peine de définitivement tuer la panne

Le connecteur de sortie P1

Le connecteur de sortie utilise le format "Molex KK 5 broches".

La disposition des sorties est la suivante

Modification de l'Arduino

Il reste un dernier détail à régler : la ledoctomie (sans anesthésie) de la diode marquée « L » sur l’Arduino (celle pilotée par la sortie D13). Cette opération est obligatoire car D13 est utilisée par l’une des broches de l’encodeur rotatif (ou l’un des boutons « up-down » de réglage de température). L'ensemble résistance-led perturbe cette sortie et bloque un des sens de rotation de l'encodeur.

Chauffer alternativement les deux cotés de la diode tout en tentant de soulever le composant avec une pince précelle. Peu importe si la LED n'en réchappe pas, elle ne sera pas réutilisée.

Attention : ne pas dessouder les autres diodes LED (indicateur d'alimentation marqué "PWR", indicateurs d'activité du port série marqués "TX" et "RX").

Ajout d'un Reset en façade

Il arrive parfois que le fer affiche un message d’erreur « Err » en début de chauffe lorsque l’on utilise une panne de forte inertie thermique (RT8 par exemple) ou lorsque l’on tente de braser un blindage ou un plan de masse important. C’est un comportement normal, et il est logique que la sécurité se déclenche, puisque le programme considère comme dangereux pour la survie de la panne un rapport cyclique (PWM) important sur une durée supérieure à 15 secondes.

Pour sortir de cette situation, il faut alors débrancher l’alimentation du fer, puis la rebrancher afin de faire « rebooter » le microcontroleur. C’est une manipulation fastidieuse, que l’on peut éviter en ajoutant une fonction « reset » déclenché par une simple pression sur le bouton de l’encodeur.

Soudez une longueur de 2 à 2,5 cm de fil entre l’une des broches de l’interrupteur fugitif de l’encodeur et la masse (les plots rectangulaires de maintien de l’encodeur conviennent parfaitement

Soudez une seconde longueur de fil sensiblement égale à la longeur du pcb « Afficheur » sur la seconde broche de l’interrupteur

Soudez l’extrémité d’un fil de 15 cm sur le dernier trou métallisé du connecteur d’affichage (pad carré)

Soudez sur ce même pad l’autre extrémité du fil provenant de l’interrupteur

La photographie ci-dessus montre la modification complète de la carte afficheur

Soudez l’autre extrémité du fil de 15 cm sur le pad correspondant de la carte de régulation (plot carré)

Soudez la première extrémité d’un fil de 3 cm sur le plot « Reset » du support d’Arduino (troisième en partant du côté opposé au connecteur USB)

Soudez l’autre extrémité de ce fil au plot carré sur lequel arrive le fil de l’interrupteur de l’encodeur L’opération est achevée. Une pression sur l’axe de l’encodeur fera redémarrer l’Arduino et rechargera le programme en mémoire.

Ajout d'une sécurité anti-emballement

Il se peut, en cas de "plantage" de l'Arduino (perturbations d'alimentation par exemple), que la broche de sortie PWM se trouve dans un état indéterminé. Si la sortie du transistor Q2, à ce moment précis, est à l'état haut, Q1 (IRF7416) se met alors en conduction et envoie une tension permanente de 12 V qui a vite fait de porter la panne au rouge et détruire la sonde, voir la résistance elle-même.

Pour éviter une telle situation, il est recommandé d'ajouter une résistance de "pull down" de 10k à l'entrée de Q2, entre la gate et la masse (qui est également la source du FET). Cela tombe bien, les deux pattes "gate" et "source" sont du même coté du boitier SOT23.

Reste que l'espace entre ces deux broches n'est pas particulièrement grand. Une résistance au format 1206 est plus grande que le transistor lui-même, une résistance au format 0805 aura du mal à passer (mais la modification est possible moyennant un peu de délicatesse). Une résistance au format 0603 sera absolument parfaite pour cet usage.

La photo ci-dessus illustre la taille des trois formats de composants. Celle qui s'adapte le mieux à cette modification est bien entendu la plus petite. Il est conseillé de ne pas trop boire de café avant l'opération.

après avoir passé un rapide coup de tresse à dessouder sur les deux pattes Gate et Source de Q2, insérez la résistance avec une pince précelle, soudez, la modification est achevée. Elle est plus longue à décrire qu'à effectuer.

Ci-dessus, la résistance de 10K coincée entre les deux broches du composant.

Le repose-fer

Lorsque le fer est repose sur son socle, le firmware est prévu pour que sa temperature chute brutalement aux environs de 25 °C et que l'afficheur indique "Stb". Cette mise en repos est déclenchée par la mise à la masse de la broche A5 de l'Arduino.

Plusieurs solutions ont été envisagées pour provoquer cette mise à la masse, allant de l'aimant actionnant un relais Reed ou un capteur à effet Hall en passant par les interrupteurs "fin de course" judicieusement cachés dans le repose-fer. Aucune de ces solutions ne s'est avérée mécaniquement fiable.

Il fallait une approche plus simple. Cette solution consiste à intégrer un repose-fer directement dans le boitier abritant l'électronique de la station, repose-fer réalisé en metal conducteur -cuivre ou aluminium (attention au anodisations qui sont en fait de très bons isolants) et directement relié au connecteur P1

Si le boitier est métallique, il est important de bien isoler le repose-fer de la masse du boitier.

L'exemple ci-dessus a été réalisé sur un coffret en PLA, sensible à la chaleur. Deux tubes d'aluminium respectivement de 10mm et de 5mm de diametre extérieur ont été coupés à des longueurs respetives de 30 et 20 mm.

Une collerette a été martelée à l'extrémité de chaque tube, avec un étau à collet-battu de plombier, puis le tube le plus petit a été inséré à force à l'intérieur du premier. La forme intérieure ainsi obtenu guide et centre les pannes de la série RT avec precision.

Notez la rondelle caoutchouc de blocage de 9mm de diametre intérieur (de couleur noir) qui va servir à maintenir le repose-fer une fois inséré dans le boitier.

Un collier est alors enroulé et soudé sur le tube "porte fer" une fois inséré dans le boitier.

Un fil électrique est soudé d'un côté sur ce collier, de l'autre sur le connecteur P1 (fil vert ci-après)

Chargement du microcode

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