KR20170083430A - 온도제어 인두기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인두기 히터를 제어하는 솔더링 스테이션에서 온도제어가 가능한 온도제어 인두기에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 인두기의 팁의 종류 또는 팁의 형상에 따란 구분되는 다종의 인두기를 실시간으로 온조도 제어할 수 있는 온도제어 인두기에 관한 것으로 전원을 공급받아 내장된 히터가 열을 발생하는 인두기에 있어서, 상기 히터와 연결되어 가열되는 팁을 구비하는 팁 모듈(11); 상기 팁 모듈(11)의 일측에 구비되어지고 상기 팁 모듈을 덮으며 방열되는 핸들(13); 상기 핸들(13)의 어느 한 곳에 발광부를 구비하는 디스플레이부(15); 상기 디스플레이부(15)와 이격되게 구비되며 상기 팁의 형상 교체에 따라 설정하는 다이얼부(17); 상기 다이얼부(17)와 연결되며 상기 팁의 형상 교체에 따라서 상기 다이얼부(17)의 설정을 다르게 하며, 상기 다이얼부(17)의 설정에 따라 저항을 제공하는 스테이션(19)을 포함하여 상기 저항에 따라 온도제어할 수 있다. 그러므로 팁의 형상에 따라 달라지는 다종의 인두기와 인두기 히터에 적용되는 저항을 달리함으로써 다수의 인두기를 각각 구비하지 않아도 팁의 종류, 팁의 형상에 따라 구분되는 다종의 인두기를 실시간으로 제어가능하므로 작업의 효율성을 높일 수 있다.

Description

온도제어 인두기{Temperature controlled soldering iron}

본 발명은 인두기 히터를 제어하는 솔더링 스테이션에서 온도제어가 가능한 온도제어 인두기에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 인두기의 팁의 종류 또는 팁의 형상에 따란 구분되는 다종의 인두기를 실시간으로 온조도 제어할 수 있는 온도제어 인두기에 관한 것이다.

일반적으로 전기 인두기는 전자부품의 리드프레임과 PCB(Printed Circuit Board)간 상호 접합에 사용되는 장비로서 아날로그 인두기와 온도 제어 기능이 있는 디지털 인두기로 대별할 수 있다. 온도 제어가 가능한 디지털 인두기는 전원 공급을 정밀하게 제어할 수 있는 장치인 스테이션, 모재와 직접 접촉하는 인두 팀과 열을 발생하는 히터가 내장된 수작업용 손잡이가 있는 인두기로 구성된다.

이렇게 스테이션을 분리하는 디지털 인두기는 설정온도로 수렴이 빠르고, 충분한 축적 열량으로 연속 부하 작업이나 주위 환경에 따른 온도 변화가 적은 장점이 있어 설정온도 350℃에서의 무연 솔더의 솔더링 작업에 적합하다.

이러한 인두기의 성능은 솔더의 합금 조성, 플럭스의 성능에 따라 영향을 받지만, 무엇보다 열을 발생하는 히터가 가장 큰 영향을 미친다. 따라서 이두 팁에는 높은 열 전도성을 갖는 동 또는 동합급이 사용되고 땜납에 의한 침식을 억제하기 위해 철 도금 또는 크롬 도금 등의 표면처리를 하고, 발열용 히터는 니크롬선 또는 세라믹 히터를 사용한다.

그러나 제어용 스테이션이 고가인 관계로 발열 특성이 서로 다른 인두기를 연결하여 사용할 경우 설정 온도와 동작 온도간의 편차로 인하여 기대한 목표를 달성할 수 없는 문제점이 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해서는 대상 인두기 히터를 구별할 수 있어야 하고, 인두기 히터별 고유의 제어기를 설계하여야 한다. 그러나 일반적으로 생산 판매되는 솔더링 스테이션의 경우 특정 인두기 히터만을 중심으로 다양한 제어기 설계 방법을 제시하고 있다. 예를 들어 PWM(pulse width modulation) 방식으로 히터에 흐르는 전류를 제어하는 방식의 경우, SSR(Solid state relay)의 On/Off 타이밍 제어에 필요한 파라메타를 각 설정온도에서 모두 구해야 하는 어려움이 있다.

PID(proportional integral derivative)제어 방식의 경우, 조작의 수월성, 노이즈에 대한 강인성, 구현의 용이성 등의 특정 때문에 산업현장에 널리 사용되고 있다. 이러한 PID 제어기의 파라메타는 시스템의 특성을 나타내는 수학적 모델을구하기 어려워 대부분 숙련된 기술자에 의한 시행착오적 동조 방법에 의해 결정하는 등 제어기의 파라메타 결정의 어려움을 극복하기 위하여 다양한 형태의 지능형 PID 제어기 설계방법들이 제안되고 있으나, 숙련된 전문가의 경험이 요구되어 지는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 인두기 히터의 입출력 데이터를 이용하여 PID 제어기를 설계하고 하나의 솔더링 스테이션에서 인두기의 팁의 종류, 팁의 형상에 따라 구분되는 다종의 인두기를 실시간으로 제어하는 온도제어 인두기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 전원을 공급받아 내장된 히터가 열을 발생하는 인두기에 있어서, 상기 히터와 연결되어 가열되는 팁을 구비하는 팁 모듈(11); 상기 팁 모듈(11)의 일측에 구비되어지고 상기 팁 모듈을 덮으며 방열되는 핸들(13); 상기 핸들(13)의 어느 한 곳에 발광부를 구비하는 디스플레이부(15); 상기 디스플레이부(15)와 이격되게 구비되며 상기 팁의 형상 교체에 따라 설정하는 다이얼부(17); 상기 다이얼부(17)와 연결되며 상기 팁의 형상 교체에 따라서 상기 다이얼부(17)의 설정을 다르게 하며, 상기 다이얼부(17)의 설정에 따라 저항을 제공하는 스테이션(19)을 포함하여 상기 저항에 따라 온도제어할 수 있다.

이와 같은 온도제어 인두기에서 상기 팁 모듈(11)은 상기 히터에 따라 교체가능할 수 있다.

이와 같은 온도제어 인두기에서 상기 디스플레이부(15)는 상기 다이얼부(17)가 설정되고, 상기 저항에 따라 팁의 온도가 변화하여 사용가능 할 시에 발광할 수 있다.

이와 같은 온도제어 인두기에서 상기 스테이션(19)은 상기 다이얼부(17)가 설정됨에 따라 상기 저항을 설정하여 상기 인두의 팁의 온도를 제어할 수 있다.

이와 같은 온도제어 인두기에서 상기 팁 모듈(11)의 상기 팁의 형상이 교체가능하며 상기 팁의 형상에 따른 저항이 설정되어 온도제어를 할 수 있다.

이와 같은 온도제어 인두기에 따르면, 팁의 형상에 따라 달라지는 다종의 인두기와 인두기 히터에 적용되는 저항을 달리함으로써 다수의 인두기를 각각 구비하지 않아도 팁의 종류, 팁의 형상에 따라 구분되는 다종의 인두기를 실시간으로 제어가능하므로 작업의 효율성을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 솔더링 스테이션을 도시한 도면;
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 온도제어 인두기를 도시한 도면;
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 팁에 따라 히터를 달리하는 인두기를 도시한 도면;
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 온도제어 인두기를 적용한 니크롬 히터 인도기의 온도 상승 그래프를 도시한 도면;
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 온도제어 인두기를 적용한 세라믹 히터 인두기의 온도 상승 그래프를 도시한 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도 1 내지 도 5에 의거하여 상세히 설명한다. 한편, 스테이션의 알고리즘을 적용관련 기술, 스테이션과 팁 모듈의 연결 관련 기술, 팁 모듈 형성 관련 기술 등 통상 본 발명에 적용되는 분야의 종사자들 및 그들이 관련분야의 종사자들 및 그들이 관련분야의 종사자들을 통해 통상적으로 알 수 있는 부분들의 도시 및 상세한 설명은 생략하고, 본 발명과 관련된 부분들을 중심으로 도시 및 설명 하였다.

도 1은 본 발명의 솔더링 스테이션을 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 솔더링 스테이션 시스템의 구성도로서 트라이악 게이트를 제어하여 인두기 히터를 제어하고 그 결과를 K형 열전대를 통하여 온도 값을 피드백 받는 마이크프로세서 중심의 시스템을 설계한 것이다. 즉, 점선 영역(1)에 해당하는 인두기 히터를 제어를 하는 것이다. 따라서, MCU로 채택한 8비트 마이컴 MC96F6832L은 아날로그 입력 체널을 통하여 트라이악의 게이트 트리거 신호를 제어하도록 설계 하였으며, 설정온도와 현재 온도를 확인하기 위하여 3자리 FND(Flexible Numeric Display) 2개를 채택하였다. 그리고 히터의 전원 공급에 사용된 트라이악은 사이리스트의 게이트에서 캐소드로 전류를 제공하면 애노드와 캐소드 사이를 턴-온시켜 전류가 흐르게하고, 이 양단간의 통과 전류가 영(0)이 되면 턴-오프되는 단 방향 온-오프 기능을 양방향 온-오프 제어가 가능하도록 개량된 소자이다.

니크롬 인두기 히터 및 시스템 전원 공급을 위한 트랜스포머의 용량은 80AV/60Hz, 입력은 AC 220V, 출력은 히터 전원 공급용으로 AC 24V와 직류전압 공급 및 영점 검출용으로 AC 7V 단자로 구성 하였다. 영점 검출 회로는 트라이악의 게이트 트리거 신호의 시작 시점을 결정하는데 사용하였다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 온도제어 인두기를 도시한 도면이다. 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 팁에 따라 히터를 달리하는 인두기를 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 전원을 공급받아 내장된 히터가 열을 발생하는 인두기에 있어서, 온도제어 인두기(10)는 팁 모듈(11), 핸들(13), 디스플레이부(15), 다이얼부(17), 스테이션(19)으로 구성된다.

이와 같은 온도제어 인두기(10)는 히터와 연결되어 가열되는 팁을 구비하는 팁 모듈(11)을 구비한다. 팁 모듈(11)의 일측에 구비되어지고 팁 모듈(11)을 덮으며 방열되는 핸들(13)을 구비한다. 핸들(13)의 어느 한 곳에 발광부를 구비하는 디스플레이부(15)와, 디스플레이부(15)와 이격되게 구비되며 팁의 형상 교체에 따라 설정하는 다이얼부(17)를 구비한다. 다이얼부(17)와 연결되며 팁의 형상 교체에 따라서 다이얼부(17)의 설정을 다르게 하며, 다이얼부(17)의 설정에 따라 저항을 제공하는 스테이션(19)을 포함하여 저항에 따라 온도제어하는 것을 특징으로 한다.

팁 모듈(11)은 히터에 따라 교체가능하다. 본 발명에서 적용한 히터는 니크롬 히터와 세라믹 히터를 적용하였으나, 다양한 히터와 다양한 팁 모듈을 적용가능하다.

도 2(a)를 참조하면, 니크롬 인두기로, 전원용 2핀,센서용 2핀, 구분저항용 2핀, 총 6핀의 컨넥터로 스테이션과 연결되고, 작업용 팁은 모듈화 하였으며, 정격은 AC 24[V] 75[W], 절연저항은 23℃에서 500V/100MΩ 이상, 내전압강도는 23℃에서 AC 1500V/5분, 누설전류는 5mA 이하보다 적게, 쳄버는 직경 4.0, 4.3x35 게이지를 통해 지나가도록 설계하였다.

도 2(b)를 참조하면, 세라믹 인두기로 니크롬 인두기의 경우와 같은 방법으로 산업 현장에서 사용되는 정격인 AC 24[V] 50[W], 쳄버의 직경이 5.0,5.3x35로서 응답특성이 니크롬 인두기에 비해 느리다. 이렇게 특성이 다르게 제작된 인두기를 구분하기 위하여 5[V] 전압원에 직렬로 연결된 고정저항 1k[Ω]과 히터 구분저항과의 전압분배법칙을 고려하였다. 즉 니크롬 히터의 경우 1k[Ω]의 구분 저항을 사용하여 약 2.5[V]의 분배전압을, 세라믹 히터의 경우 2k[Ω]의 구분저항을 사용하여 약3.3[V]의 분배전압을 MCU가 인식하도록 설계하였으며, 히터 구분저항은 각 인두기의 연결 커넥터 내부에 삽입하여 사용자에 의한 오용 방지를 고려하였다.

디스플레이부(15)는 다이얼부(17)가 설정되고, 저항에 따라 팁의 온도가 변화하여 사용가능 할 시에 발광하도록 한다. 발광부는 FND로 적용가능하며 이것으로 제한을 두지 않고 LED로 사용가능 시를 알리도록 사용할 수 있으며 다양하게 적용하도록 한다.

스테이션(19)은 다이얼부(17)가 설정됨에 따라 히터에 적용되는 저항을 설정하여 인두기의 팁의 온도를 제어하도록 한다. 또한, 팁 모듈(11)의 팁의 형상이 교체가능하며 팁의 형상에 따른 히터의 저항이 설정되어 온도제어를 하도록 한다.

이와 같은 다중의 인두기 히터를 솔더링 스테이션에 적용하기 위한 본 발명을 위한 실험에 있어서, 솔더링 스테이션의 소프트웨어의 시스템 초기화 이후 설정값 입력 루틴, 장시간 사용하지 않음을 체크하는 타임 루틴 그리고 측정 온도 및 설정 온도를 표시하는 루틴을 10msec에 한 번씩 수행하고, 외부 입력 인터럽트가 발생하면 해당 킷값에 대응하는 수행루틴, 시스템 오류가 발생할 경우 FND에 오류 표시 루틴 및 히터 제어루틴은 해당 인터럽트가 발생하면 수행되도록 하였다. 특히 히터 제어는 500msec 주기로 히터를 인식하여 선택된 히터 제어기로 제어되며, 83μs 단위의 타이머 인터럽트에서는 10msec와 500msec 참조 시간을 제공하고, 12bit AD컨버터를 통하여 5msec 단위의 측정 온도를 제공하도록 하였다.

솔더링 스테이션의 다종의 인두기 히터 제어가 가능함을 확인하기 위하여 비교 실험 조건을 정리하여 표 1에 나타내었다.

Item	Note
control period	0.5[sec]
Target temperature[℃]	200,250,300,350
Iron heater Type	Ceramic, Nichrome
Triac gate triggering point/Half cycle	100

제어 대상인 인두기 히터에 공급되는 24V/60Hz의 교류 전원은 트라이악의 게이트 트리거 포인터에 의해 제어되었다. 이를 위해 정현파 전원의 반주기인 약 8.3msec 구간을 100 포인터로 등분하고 트라이악의 도통 특성과 효율적인 제어를 위하여 5포인트에서 95포인터 구간을 제어 대상으로 하였다. 다종의 인두기는 스테이션과 연결 잭으로 교대로 결선하고 설정 온도에 따른 인두기의 온도 상승 특성 데이터는 제어용 온도 센서와 무관하게 인두 팁 끝단에 K형 열전대를 스폿 용접하고 데이터 로거를 통하여 컴퓨터 메모리에 저장하여 분석에 사용되었다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 온도제어 인두기를 적용한 니크롬 히터 인도기의 온도 상승 그래프를 도시한 도면이다. 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 온도제어 인두기를 적용한 세라믹 히터 인두기의 온도 상승 그래프를 도시한 도면이다.

솔더링 스테이션에 적용하여 설정온도가 200℃, 250℃, 300℃ 및 350℃일 경우 실험한 니크롬 히터 인두기의 온도 상승 그래프를 도 4에 나타내었으며, 200℃, 250℃, 300℃ 및 350℃로 설정한 경우 정상상태 도달 시간은 각 27초, 24초 23초 및 22초를 기록하였으며, 정상상태에서의 RMS 오차는 각 0.75, 2.42, 1.55 및 0.98을 기록하였다. 또한, PWM방식과 PID 제어기 특성 실험 결과와 비교하였을때, 온도제어 인두기의 제어는 기존의 제어기에 비해 무연납의 작업온도인 350℃로 오버슈팅 현상 없이 빠르게 수렴함을 확인 할 수 있었다.

세라믹 히터 인두기의 온도 상승 그래프를 도 5에 나타내었으며, 200℃, 250℃, 300℃ 및 350℃로 설정한 경우 정상상태에 도달하는 시간은 130초, 113초 107초 및 107초를 기록하였다. 니크롬 히터인두기 보다 세라믹 히터 인두기의 온도 상승 속도가 늦음은 인두기의 제작 과정에서 결정된 물리적인 발열 특성이 서로 다름을 확인하였다.

이종의 인두기 히터를 제어할 수 있는 솔더링 스테이션을 제작하고 입출력 데이터만으로 시스템의 수식 모델을 작성하여 PID 제어기를 설계하는 방법을 제시하고, 니크롬 히터 인두기의 특성에 맞추어 제작된 솔더링 스테이션에 특성이 다른 세라믹 히터 인두기를 연결하고 실시한 제어실험 결과를 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

본 발명의 온도제어 인두기의 스테이션은 기존 PID 제어기의 계수 결정법보다 현장의 전문가의 도움 없이도 쉽게 계수를 결정할 수 있었으며, 니크롬 히터 인두기에 적용한 PID 제어기의 350℃ 추종 실험결과는 22초 뒤 오버슈팅 현상 없이 정상상태에 도달하였으며, 정상상태에서의 RMS 오차는 0.98로서 출력 온도의 동특성이 원하는 규범 모델을 잘 추종함을 확인할 수 있었다.

본 발명의 온도제어 인두기의 솔더링 스테이션에 두개의 인두기 교체, 분리 및 연결 반복에도 설정온도로의 정확한 수렴을 보이므로 팁의 종류 또는 팁의 형상에 따라 구분되는 다종의 인두기를 실시간으로 제어할 수 있는 것을 확인하였다.

이와 같은 온도제어 인두기(10)에 따르면, 팁의 형상에 따라 달라지는 다종의 인두기와 인두기 히터에 적용되는 저항을 달리함으로써 다수의 인두기를 각각 구비하지 않아도 팁의 종류, 팁의 형상에 따라 구분되는 다종의 인두기를 실시간으로 제어가능하므로 작업의 효율성을 높일 수 있다.

상술한 바와 같은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 온도제어 인두기를 상기한 설명 및 도면에 따라 도시 하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.

10 : 온도제어 인두기
11 : 팁 모듈
12 : 전원
13 : 핸들
15 : 발광부
17 : 다이얼부
19 : 스테이션

Claims (5)

1. 전원을 공급받아 내장된 히터가 열을 발생하는 인두기에 있어서,
   상기 히터와 연결되어 가열되는 팁을 구비하는 팁 모듈(11);
   상기 팁 모듈(11)의 일측에 구비되어지고 상기 팁 모듈을 덮으며 방열되는 핸들(13);
   상기 핸들(13)의 어느 한 곳에 발광부를 구비하는 디스플레이부(15);
   상기 디스플레이부(15)와 이격되게 구비되며 상기 팁의 형상 교체에 따라 설정하는 다이얼부(17);
   상기 다이얼부(17)와 연결되며 상기 팁의 형상 교체에 따라서 상기 다이얼부(17)의 설정을 다르게 하며, 상기 다이얼부(17)의 설정에 따라 저항을 제공하는 스테이션(19)을 포함하여 상기 저항에 따라 온도제어하는 것을 특징으로 하는 온도제어 인두기.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 팁 모듈(11)은 상기 히터에 따라 교체가능한 온도제어 인두기.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 디스플레이부(15)는 상기 다이얼부(17)가 설정되고, 상기 저항에 따라 팁의 온도가 변화하여 사용가능 할 시에 발광하는 온도제어 인두기.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 스테이션(19)은 상기 다이얼부(17)가 설정됨에 따라 상기 저항을 설정하여 상기 인두의 팁의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 온도제어 인두기.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 팁 모듈(11)의 상기 팁의 형상이 교체가능하며 상기 팁의 형상에 따른 저항이 설정되어 온도제어하는 것을 특징으로 하는 온도제어 인두기.
   
   
   
   
   
   

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