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Lötstationen oder Vorschaltgeräte für Handlöteinrichtungen dienen dem Löten von elektronischen Bauelementen.
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Für solche Löteinrichtungen bestehen besondere Anforderungen hinsichtlich der an einer Lötspitze zulässigen Spannungen, die nach geltenden IPC-Standards wenige mV nicht überschreiten dürfen. Weiterhin gelten für Geräte in dem Leistungsbereich, in dem Handlöteinrichtungen üblicherweise ausgeführt sind (> 75 W), neben den allgemein gültigen Anforderungen an die Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) von Geräten auch Anforderungen an den Oberwellengehalt des vom Verbraucher aufgenommenen elektrischen Stroms. Die Anforderungen an die Regeleigenschaften des Vorschaltgeräts liegen mit Zeitkonstanten im Sekundenbereich in einem vergleichsweise gut beherrschbaren Bereich. Bezüglich der EMV bestehen insbesondere Anforderungen hinsichtlich der Einhaltung von Grenzwerten für niederfrequente Oberwellen, der Einhaltung der Grenzwerte für die Funkstörstrahlung. Zum Schutz der zu verlötenden elektronischen Bauelemente müssen weiter Grenzwerte für die maximal an der Lötspitze auftretenden Spannungen eingehalten werden.
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Im Stand der Technik werden die genannten Anforderungen erfüllt, indem herkömmliche Transformatoren in Kombination mit Schaltelementen verwendet werden, die es erlauben, abhängig von einer Abweichung zwischen einer Solltemperatur der Lötspitze und einer Isttemperatur derselben einzelne Sinushalbwellen zum Heizelement zu leiten. Durch Verwendung der Netzfrequenz treten dabei keine hochfrequenten Oberwellen auf. Niederfrequente Oberwellen werden dadurch vermieden, dass nur ganze Halbwellen durchgeschaltet werden und beispielsweise keine Phasenanschnittregelung eingesetzt wird.
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Eine solche Löteinrichtung ist beispielsweise aus der
DE 1 490 344 bekannt.
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Aus der
DE 38 12 139 A1 ist ein Verfahren zur Regelung der Betriebstemperatur eines Lötkolbens auf einen vorbestimmten Wert bekannt, wobei über die Länge des Lötkolbens verteilt mehrere Temperaturfühler im Lötkolben vorgesehen sind, deren Messwerte einem Rechner zugeleitet werden, der den Heizkörper des Lötkolbens steuert.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Vorschaltgerät für eine Löteinrichtung mit verringertem Energieverbrauch anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Vorschaltgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein erfindungsgemäßes Vorschaltgerät für eine Löteinrichtung mit einer Lötspitze, insbesondere eine Handlöteinrichtung oder eine Stationslöteinrichtung, umfasst einen steuerbaren Spannungswandler zum Wandeln einer Eingangs-Netzspannung in eine Wechselspannung, die einem Übertrager zuführbar ist. Dies entspricht der Funktionsweise eines Schaltnetzteils. Sekundärseitig vom Übertrager ist ein Detektionsmittel zur Detektion eines Nulldurchgangs vorgesehen, wobei ein Signalausgang des Detektionsmittels mit einem Eingang einer Steuereinrichtung verbunden ist. Durch die Steuereinrichtung ist eine Temperatur der Lötspitze ermittelbar. Beispielsweise weist die Löteinrichtung im Bereich einer Lötspitze einen Temperatursensor auf, der mit der Steuereinrichtung verbunden ist. Alternativ kann die Temperatur auch durch Messung von Strom und Spannung an einem Heizelement zur Erwärmung der Lötspitze geschätzt werden, sofern die Dimensionierung des Heizelements bekannt ist. Die Steuereinrichtung regelt und/oder schaltet den Spannungswandler abhängig von der Temperatur der Lötspitze und von Signalen des Detektionsmittels. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Vorschaltgerätes ist eine Reduzierung von Gewicht und Volumen des Vorschaltgerätes im Vergleich mit einem herkömmlichen Transformator erzielbar. Zudem kann durch das erfindungsgemäße Vorschaltgerät ein vergleichsweise weiterer Eingangsspannungsbereich unterstützt werden, so dass beispielsweise dasselbe Vorschaltgerät für Netze mit Spannungen zwischen 110 V und 230 V geeignet und somit praktisch weltweit einsetzbar ist. Im Gegensatz dazu sind bei herkömmlichen Transformatoren für stark unterschiedliche Eingangsspannungen mehrere umschaltbare Wicklungen erforderlich. Zudem sind Niederfrequenztransformatoren (50 Hz/60 Hz) schwer und voluminös. Bei der erfindungsgemäßen Lösung entfällt zudem der bei sekundärseitig geregelten Transformatoren unvermeidliche Transformator-Blindstrom im Standby-Betrieb, so dass eine Energieeinsparung möglich ist. Nicht zuletzt weist das erfindungsgemäße Vorschaltgerät auch einen höheren Wirkungsgrad auf als ein herkömmlicher Transformator, wodurch ebenfalls Energie gespart und Verlustleistung im Vorschaltgerät reduziert wird.
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Der Übertrager im Vorschaltgerät kann als ein Transformator mit einem geringen Koppelfaktor, insbesondere einem Koppelfaktor von kleiner 0,5, ausgebildet sein. Ein solcher Transformator weist dabei auch eine große Streuinduktivität auf. Auf diese Weise lässt sich ein Oberwellenanteil sowohl hinsichtlich des den Verbraucher, das heißt ein Heizelement für die Lötspitze, versorgenden Stroms als auch der Spannung reduzieren.
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Zur Reduzierung der Oberwellen kann der Übertrager auch als ein Transformator mit sektionalem Wicklungsaufbau ausgebildet sein.
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Eine Reduzierung der Oberwellen ist ebenso durch ein dem Übertrager nachgeschaltetes Filter erzielbar.
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Das Filter kann beispielsweise eine stromkompensierte Drossel umfassen. Auf diese Weise kann auch der Gleichtaktanteil des Ausgangssignals reduziert werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann das Filter mindestens einen Y-Kondensator oder eine andere Art Störkondensator umfassen.
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Bei Verwendung eines Y-Kondensators mit drei Anschlüssen kann der Y-Kondensator als Detektionsmittel zur Detektion des Nulldurchgangs dienen.
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Zur weiteren Reduzierung von an der Lötspitze auftretenden Spannungen kann die Lötspitze galvanisch oder kapazitiv mit einem Erdpotenzial verbunden sein. Auf diese Weise wird eine Gefährdung von zu verlötenden elektronischen Bauelementen durch Überspannung reduziert.
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Vorzugsweise ist das Vorschaltgerät so ausgebildet, dass der Spannungswandler durch die Steuereinrichtung im Nulldurchgang ein- oder ausschaltbar ist, so dass die Löteinrichtung mit einer Anzahl vollständiger Halbwellen einer sinusförmigen Wechselspannung versorgbar ist. Auf diese Weise werden Oberwellen vermieden, die beim Phasenanschnitt der sinusförmigen Wechselspannung sonst unvermeidlich auftreten würden. Der detektierte Nulldurchgang kann ein Spannungsnulldurchgang oder ein Stromnulldurchgang oder ein Nulldurchgang einer Hüllkurve der Spannung oder des Stromes sein.
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Der Spannungswandler kann beispielsweise als ein Resonanzwandler oder ein Quasiresonanzwandler ausgebildet sein. Auf diese Weise erhöht sich der Wirkungsgrad des Spannungswandlers und eine Störaussendung wird vermieden.
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Ebenso kann der Spannungswandler mit variabler Frequenz und/oder variablem Tastverhältnis betrieben werden, wodurch ein weiterer Eingangsspannungsbereich realisiert werden kann. Durch die Variation dieser Größen kann auch die Regelung der Verbraucherseite anstatt der Detektion der Nulldurchgänge und des Schaltens im Nulldurchgang erfolgen.
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Dem Spannungswandler kann eine pulsierende Spannung zuführbar sein, wobei der Spannungswandler eine aktive Leistungsfaktorkorrektur aufweist. Auf diese Weise kann auf einen großen Zwischenkreiselektrolytkondensator verzichtet werden, der durch seine relativ geringe Lebensdauer die Gesamtlebensdauer des Vorschaltgeräts erheblich reduzieren würde. Stattdessen können gegebenenfalls Filterelemente vor einem im Spannungswandler vorgesehenen Gleichrichter zur Erzielung der elektromagnetischen Verträglichkeit geschaltet sein.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann mindestens eine Detektoreinheit zur Bestimmung der Amplitude des Netzspannung vorgesehen sein (Betrieb mit „Voltage Feedforward”). Anhand der detektierten Amplitude kann durch eine Steuereinrichtung eine Arbeitsweise (beispielsweise Pulsweitenmodulation oder Frequenzmodulation) zur Ausregelung langsamer Störungen mit f << 50 Hz und/oder ein Eingangsspannungsbereich des Spannungswandlers gewählt werden, beispielsweise eine automatische Umschaltung von 110 V auf 230 V. Ein so ausgebildetes Vorschaltgerät ist auf diese Weise für einen Großteil des Weltmarktes geeignet.
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Des Weiteren kann eine Standby-Stromversorgung vorgesehen sein, bei der nur die Steuereinrichtung eingeschaltet und der Spannungswandler abgeschaltet ist. Auf diese Weise können Standby-Verluste reduziert werden.
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In einer weiteren Ausführungsform kann eine Schutzreinrichtung vorgesehen sein, über die die Eingangsnetzspannung dem Spannungswandler zuführbar ist. Die Schutzeinrichtung kann beispielsweise einen Netzfilter oder eine TVS-Diode (transient voltage suppressor) oder einen TVS-Varistor als Schutz vor kurzzeitigen Überspannungen umfassen.
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Vorzugsweise sind Mittel vorgesehen, um der Steuereinrichtung eine Solltemperatur der Lötspitze vorzugeben, auf die dessen Isttemperatur dann geregelt wird.
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Die Abstrahlung unzulässiger hochfrequenter Leistung wird bei Übertragung der nicht gleichgerichteten elektrischen Energie vorteilhaft dadurch vermieden, dass zwischen Vorschaltgerät und Verbraucher nur geringe Leitungslängen zugelassen und Netzteiltopologien eingesetzt werden, die bezogen auf die Schaltfrequenz einen geringen Oberwellenanteil aufweisen.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
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1 eine erste Ausführungsform einer Löteinrichtung mit einer Lötspitze, einem Heizelement und einem Vorschaltgerät, und
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2 eine weitere Ausführungsform des Vorschaltgerätes.
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Einander entsprechende Teile sind in beiden Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist eine Löteinrichtung 1 mit einer Lötspitze 2, einem Heizelement 3 und einem Vorschaltgerät 4 gezeigt.
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Das Vorschaltgerät 4 umfasst einen steuerbaren Spannungswandler 5 zum Wandeln einer Eingangs-Netzspannung UN in eine Wechselspannung, die einem Übertrager zuführbar ist. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Übertrager in den Spannungswandler 5 integriert, so dass dort bereits eine galvanische Trennung stattfindet. Sekundärseitig vom Übertrager sind Detektionsmittel zur Detektion eines Nulldurchgangs vorgesehen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist nach dem Übertrager ein Filter mit einer stromkompensierten Drossel 6 und zwei Entstörkondensatoren 7.1, 7.2 vorgesehen. Die Entstörkondensatoren 7.1, 7.2 sind als Y-Kondensatoren mit je drei Anschlüssen ausgebildet und dienen als Detektionsmittel zur Detektion des Nulldurchgangs des das Heizelement 3 versorgenden Stroms im Falle des Entstörkondensators 7.1 und des Nulldurchgangs der Spannung im Falle des Entstörkondensators 7.2. Signalausgänge der Detektionsmittel sind mit einem Eingang einer Steuereinrichtung 8 verbunden. Die Löteinrichtung 1 weist im Bereich der Lötspitze 2 einen Temperatursensor 9 auf, der mit der Steuereinrichtung 8 verbunden ist. Die Steuereinrichtung 8 regelt oder schaltet den Spannungswandler 5 abhängig von einer Temperatur der Lötspitze 2 und von den Signalen der Detektionsmittel 7.1, 7.2. Es ist eine Schutzeinrichtung 10 in Gestalt einer TVS-Diode vorgesehen. Die Lötspitze 2 ist kapazitiv geerdet.
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Der Spannungswandler 5 wird durch die Steuereinrichtung 8 insbesondere im Nulldurchgang ein- oder ausgeschaltet, so dass das Heizelement 3 mit einer Anzahl vollständiger Halbwellen einer sinusförmigen Wechselspannung versorgbar ist. Der detektierte Nulldurchgang kann ein Spannungsnulldurchgang oder ein Stromnulldurchgang oder ein Nulldurchgang einer Hüllkurve der Spannung oder des Stromes sein.
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Im Ausführungsbeispiel werden zwei Detektionsmittel 7.1, 7.2 gezeigt. Es kann jedoch auch nur ein Detektionsmittel 7.1 oder 7.2 vorgesehen sein.
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In 2 ist eine weitere Ausführungsform des Vorschaltgerätes 4 gezeigt. Zusätzlich ist hier ein Netzfilter als Schutzeinrichtung 10 vorgesehen. Der Übertrager 11 ist separat vom Spannungswandler 5 dargestellt. Der Übertrager 11 ist als ein Schaltnetzteil-Transformator ausgebildet, der mit einer Frequenz betrieben werden kann, die oberhalb der Netzfrequenz liegt. Die Wechselspannung dieser Frequenz wird vom Spannungswandler 5 bereitgestellt, der als ein Wechselrichter oder als ein AC/AC-Wandler ausgebildet sein kann. Dem Übertrager 11 ist das Filter 12 nachgeschaltet, das die in 1 gezeigten Komponenten, stromkompensierte Drossel 6 und/oder Entstörkondensatoren 7.1, 7.2 enthalten kann. Der Steuereinrichtung 8 ist eine Einheit 13 zur galvanischen Trennung des Steuersignals nachgeschaltet. Dies kann beispielsweise ein Optokoppler sein. Die Steuereinrichtung 8 weist eine Schnittstelle 14 auf, über die beispielsweise Bedienelemente oder eine Anzeigeeinheit angeschlossen werden können. Weiter ist eine Vorsteuereinheit 15 vorgesehen. Diese ermittelt beispielsweise eine Amplitude der Netzspannung UN und generiert abhängig davon ein Vorsteuersignal zur Kompensation von Spannungsschwankungen und/oder schaltet den Netzbereich automatisch um, beispielsweise zwischen 230 V und 110 V (Feedforward auf Frequenz und/oder Tastverhältnis des Spannungswandlers 5). Der unterstützte Eingangsspannungsbereich kann beispielsweise zwischen 85 V und 265 V bei Frequenzen von 47 Hz bis 63 Hz liegen.
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Als Detektionsmittel 7.1, 7.2 sind Messleitungen vorgesehen, mit denen Spannung und Strom am Heizelement 3 ermittelt werden können. Die eigentliche Detektion der Nulldurchgänge findet dann in der Steuereinrichtung 8 statt.
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Optional können folgende weitere Komponenten vorgesehen sein, die daher gestrichelt dargestellt sind:
Der Übertrager 11 kann weitere Wicklungen aufweisen, an denen ein Gleichrichter 16 und ein DC/DC-Wandler 17 zur Versorgung der Steuereinrichtung 8 vorgesehen ist. Ebenso kann eine Hilfsspannungsversorgung 18 mit einem Gleichrichter zur Versorgung des Spannungswandlers 5 vorgesehen sein. Weiter kann für die Steuereinrichtung 8 über eine galvanische Trennung 19 eine Standby-Stromversorgung 20 vorgesehen sein.
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Der Übertrager 11 im Vorschaltgerät kann als ein Transformator mit einem geringen Koppelfaktor, insbesondere einem Koppelfaktor von kleiner 0,5, ausgebildet sein. Ein solcher Transformator weist dabei auch eine große Streuinduktivität auf.
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Der Übertrager 11 kann auch als ein Transformator mit sektionalem Wicklungsaufbau ausgebildet sein.
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Der Spannungswandler 4 kann beispielsweise als ein Resonanzwandler oder ein Quasiresonanzwandler ausgebildet sein.
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Ebenso kann der Spannungswandler 4 mit variabler Frequenz und/oder variablem Tastverhältnis betrieben werden. Durch die Variation dieser Größen kann auch die Regelung der Verbraucherseite, das heißt der Stromversorgung des Heizelements 3 anstatt der Detektion der Nulldurchgänge und des Schaltens im Nulldurchgang erfolgen.
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Dem Spannungswandler 4 kann eine pulsierende Spannung zuführbar sein, wobei der Spannungswandler 4 eine aktive Leistungsfaktorkorrektur aufweist.
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Anhand der durch die Vorsteuereinheit 15 detektierten Amplitude kann eine Arbeitsweise (beispielsweise Pulsweitenmodulation oder Frequenzmodulation) zur Ausregelung langsamer Störungen mit f << 50 Hz und/oder ein Eingangsspannungsbereich des Spannungswandlers gewählt werden.
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Die Schutzeinrichtung 10 kann auch als TVS-Varistor ausgebildet sein.
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Vorzugsweise sind Mittel vorgesehen, um der Steuereinrichtung eine Solltemperatur der Lötspitze 2 vorzugeben, auf die dessen Isttemperatur dann geregelt wird. Dies kann beispielsweise über die Schnittstelle 14 erfolgen.
