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第3章 温度测控仪的装配与调试

3.1温度检测控制模块电路原理(电源模块和A/D转换与显示模块电路自己设计) 桥式测温滞回比较器 差动放大驱动 继电器 加热电源 温度检测控制 显示 电源 A/D转换

3-1 温度测控仪原理框图

温度测控仪框图及其电路如图3-1、3-2所示, 它是由负温度系数电阻特性的热敏电阻(NTC元件)Rt 为一桥臂组成测温电桥, 其输出经测量放大器放大后由滞回比较器输出“加热”与“停止”信号,经三极管放大后控制加热器“加热”与“停止”。改变滞回比较器的比较电压UR即改变控温的范围,而控温的精度则由滞回比较器的滞回宽度确定。

(1)、测温电桥

由R1、R2、R3、RW1及Rt组成测温电桥,其中Rt是温度传感器。其呈现出的阻值与温度成线性变化关系且具有负温度系数,而温度系数又与流过它的工作电流有关。为了稳定Rt的工作电流,达到稳定其温度系数的目的,设置了稳压管D2。RW1可决定测温电桥的平衡。

图3-2 温度监测及控制电路

(2)、差动放大电路

由A1及外围电路组成的差动放大电路,将测温电桥输出电压△U按比例放大。其输出电压

U01??(R7?RW2R?R7?RW2R6)UA?(4)()UB R4R4R5?R6当R4=R5,(R7+RW2)=R6时

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图3-3 同相滞回比较

U01?R7?RW2(UB?UA) R4RW3用于差动放大器调零。

可见差动放大电路的输出电压U01仅取决于二个输入电压之差和外部电阻的比值。 (3)、滞回比较器

差动放大器的输出电压U01输入由A2组成的滞回比较器。

滞回比较器的单元电路如图3-3所示,设比较器输出高电平为U0H,输出低电平为UOL,参考电压UR加在反相输入端。

当输出为高电平U0H时,运放同相输入端电位

u?H?RFR2ui?U0H

R2?RFR2?RF当ui减小到使u+H=UR,即

ui?uTL?R2?RFRUR?2UOH RFRF此后,ui稍有减小,输出就从高电 图3-4 同相滞回特性曲线 平跳变为低电平。

当输出为低电平U0L时,运放同相输入端电位

u?L?RFR2ui?UOL

R2?RFR2?RF

当ui增大到使u+L=UR,即

ui?UTH?R2?RFRUR?2UOL RFRF此后,ui稍有增加,输出又从低电平跳变为高电平。

因此UTL和UTH为输出电平跳变时对应的输入

电平,常称UTL为下门限电平,UTH为上门限电平,而两者的差值 △UT=UTR-UTL=R2(UOH?UOL) RF称为门限宽度,它们的大小可通过调节R2/RF的比值来调节。

由上述分析可见差动放器输出电压u01经分压后A2组成的滞回比较器,与反相输入端的参考电压UR

相比较。当同相输入端的电压信号大于反相输入端的电压时,A2输出正饱和电压,三极管T饱和导通。通过发光二极管LED的发光情况,可见负载的工作状态为加热。反之,为同相输入信号小于反相输入端电压时,A2输出负饱和电压,三极管T截止,LED熄灭,负载的工作状态为停止。调节RW4可改变参考电平,也同时调节了上下门限电平,从而达到设定温度的目的。 3.2、 电路板的制作:

一般按以下步骤制作电路板:

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单面敷铜板→下料→表面处理→复印印制电路版图→描图→固化、检查修板→蚀刻铜→去抗蚀印料→刷洗、干燥→钻孔及外形→电气开、短路测试→刷洗、干燥→预涂保护层防氧化。

要求和步骤说明:

(1)确定尺寸:考虑到本电路选用元件器数量较少及元件器体积小,确定电路板的实际尺寸; (2)设计印制电路板图:可选用Protel等计算机辅助设计方法和手工设计方法中的任一种; (3)下料:选用单面敷铜板,如果是大块板可用锯片等切割成合适的大小;

(4)表面处理:用锉等工具修平敷铜板边缘毛刺。另外由于加工、储存等原因,在敷铜板的表面会形成一层氧化层,氧化层会影响电路板图的复印,为此在复印之前应将敷铜板表面清洗干净。具体方法是:用水砂纸蘸水打磨,用去污粉檫亮为止,然后用水冲洗,用布檫干净即可使用。注意切忌用粗砂纸打磨,否则会使铜箔变薄,且表面不光滑,影响描绘电路板图。

(5)复印印制电路版图:如果是手工设计的电路板图可用复写纸,将电路板图的轮廓线复写在敷铜板上。复印时最好把复印纸、印制电路版图用胶布固定在敷铜板上。复印完毕后,要认真复查有错误漏掉的线条,复查后在把印制电路板、复写纸取下。

(6)描图:仔细检查复印后的印制电路板图,无误后用小冲头对准要钻孔的部位冲上一个一个的小凹陷,便于以后打孔时不至于偏移位置,随后便可对复印痕迹描上防腐材料。平放自然晾干即可。 电路板图如果是采用计算机辅助设计的,除采用复印印制电路板图外,还可以用热转印法。热转印完后,需用油漆或油性记号笔对小的瑕疵进行修补。

(7)蚀刻铜、去抗蚀印料:将印制电路板上的抗蚀刻材料固化后放入浓度在28%~42%之间腐蚀液中进行腐蚀。印制电路板制作时描在铜箔上的防腐材料,经过蚀刻后依然留在印制电路板上,所以应该檫掉(具体方法见1.4节)。 (8)钻孔:按描图前所冲的凹痕钻孔,孔径应根据引脚粗细而定。本电路元件引脚较细,安装孔建议取直径为1mm。

(9)蚀刻后留下的印制导线的铜箔表面,还需涂上一层保护层。涂上保护层的目的一是防止导线铜箔日久受潮锈蚀,另外便于在铜箔上焊接,保证良好的导电性能。常用的保护层有松香层和镀银层。无论镀何种保护层,印制电路板上的铜箔必须先作清洁处理,清洁后晾干,即可涂上保护层。本电路板要求松香层,方法如下:

先配制松香酒精溶液,将2份松香研碎后放入一份纯酒精中(浓度在90%以上),盖紧盖子搁置一天方可使用。用毛刷或排笔蘸上溶液均匀涂在印制电路板上,待溶液中的酒精自然挥发后,印制电路板上就会留下一层黄色透明的松香保护层。 3.3、电路板装配焊接 1、元器件的筛选检测

(1)按材料清单清点全套零件,并负责保管。

(2)用万用表检测元件表的所有元件,有关测量结果填入实习报告中。 2、元件安装焊接

元件的安装焊接质量直接影响整机质量与成功率,请同学务必认真细心。

(1)元器件引脚的清洁

电子元器件的金属引脚常有一层氧化物,氧化物导电性很差,对锡分子的吸附力不强,因此焊接前要把焊接处的金属表面用橡皮擦打磨光洁。有的人常用小刀去刮引脚上的氧化层,这是不合理的,因电

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子元器件的引脚出厂时都经过表面处理,目的是使元器件引脚易于焊接。若小刀刮去元器件引脚的表面露出引脚的基本材料更不易焊接牢固。只有经过清洁后的电子元件的引脚,焊接之后才不会出现“虚焊”。

(2)元件的安装 三极管的安装要注意色标、极性及安装高度;电阻要注意将色环方向保持一致,安装高度适当;电位器可集中安排在电路板的外侧安装,以便于调试;电容要注意它的极性。

(3)助焊剂的选用

可供金属(导电材料)焊接的助焊剂种类很多,常用的有氯化锌、焊锡膏(俗称焊油)。氯化锌虽然不能用于电子元件焊接。焊锡膏用起来最方便,但使用后常有部分残留液在焊点附近,不仅容易沾染尘污,而且因含酸性,对元件仍有一定的腐蚀作用,所以,除一些特殊情况外,也不宜用于焊接电子元件。焊接电子电路元件最合适的助焊剂是松香。焊接时可将松香和焊锡同时加到焊点上去,不要用热的烙铁去蘸松香。市售的一种松香锡丝(焊锡丝是空心的,空心处灌满松香),使用效果不错。

(4) 电烙铁的使用

由于铜箔和绝缘基板之间的结合强度、铜箔的厚度等原因,烙铁的温度最好控制在200~300℃之间,因此焊接一般的电子元器件常用20W的内热式电烙铁(对初学者)。当焊接能力达到一定熟练程度时,为提高焊接效率,也可选用35W内热式电烙铁。新买的电烙铁,使用之前要“上锡”,方法是:用砂纸或锉刀事先把烙铁头打磨干净,接上电源,待烙铁头温度一旦高过焊锡熔点时,再用它去蘸带松香的焊锡丝,烙铁头表面就会附上一层光亮的锡,烙铁就能使用了。没有上过锡的烙铁,焊接时不会吃锡,难以进行焊接。

烙铁使用时间长了或烙铁头温度过高,烙铁头会氧化,造成烙铁“烧死”而蘸不上锡,也难于焊接元件到印刷板上。

烙铁头应保持清洁,不清洁的局部区域也蘸不上锡,还会很快氧化,日久之后常造成烙铁头长时间处于待焊状态,温升过高,也会造成烙铁头“烧死”。所以焊接时一定要作充分准备,尽量缩短铁的工作(加电)的时间,一旦不焊接立刻拔去烙铁电源。

(5)焊接的形式和要求

导线或元件插入印制电路板规定的孔内,露出焊盘部分,形成的形式可分为直脚和弯脚两种。 ①直脚露骨焊: “露骨”即为部分导线或元器件引线露出焊接点锡面,可以避免在焊接时因导线或元器件引线自孔中下落而形成虚焊、假焊甚至漏焊的现象。如果焊点“包头”的话,很可能将这些问题掩盖了。对焊点的要求是光滑、平滑、焊料布满焊盘并形成“裙状”展开。焊接结束后立即箭脚,“露骨”长度在0.5-1mm之间,过长可能产生弯曲,易与相邻焊点发生短路。

直脚焊的特点是焊接及拆装方便、速度快、焊料省。

②弯脚焊: 由于直脚焊存在机械强度较差的缺点,在某些具有特殊要求的高可靠性产品中采用的

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是弯脚焊。弯脚焊可将导线或引线弯成45或90两种。弯成45时,即保持了足够的机械强度,又较容

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易在更换元件时拆装重焊,因此在弯脚焊中常采用45弯曲角度。

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弯成90时应带有一些弧形,这样焊接时不会产生拉尖,这种形式在焊接中机械强度最高,但拆装重焊困难。在采用这种方法时要注意焊盘引线的弯曲方向,不要随意乱弯,防止与相邻的焊盘造成短路。一般应沿着印制导线弯曲,然后剪脚,其断头长度不超过焊盘的半径,以防止弯曲后造成短路。

焊接元件时应选用低熔点的松香焊锡丝。焊接时除烙铁头温度适当外,被焊元件和烙铁的接触时间也要适当,时间短也会造成虚焊,时间太长会烫坏元器件。一般的元件焊接时间约为2~3秒钟即可。焊点处焊锡未冷到凝固前,切勿摇动元件的焊头,否则也会造成虚焊,这无助于焊接工作,还会影响焊点的质量。需要注意,对特殊器件的焊接应按元件要求进行,如有的CMOS器件要求烙铁不带电工作,或烙铁金属外壳加接地线。

降低烙铁温度在烙铁与电源之间串联一只整流二极管(IN4007)或串联大瓦数的灯泡或串联一只

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