半田ごて自動温度コントローラ

2003/3/25　回路図の間違いを訂正(赤字部分)。記事修正。

良いハンダ付けをするための条件の一つは「温度」です。 [→はんだマニアックス] 　この温度はハンダの溶け具合やフラックスの煙から感覚的に判断していますが、なかなか厳密には管理できません。

トランジスタ技術 1995年10月号 P319〜に半田ごての温度についての記事があり、その中で

「センサレス半田ごて自動温度コントローラ」

まずはじめに、半田ごてのヒータにはニクロムヒータとセラミックヒータがありますが、このコントローラに使えるのは セラミックヒータのものに限ります。 これはセラミックヒータの 温度と抵抗値特性を利用しているためです。ニクロムヒータのこてもセラミックヒータの小手、どちらも普通に入手できますが、セラミックタイプの方が数も豊富で性能も良いので絶対お勧めです。 特に IC関係のハンダ付けをやるには、漏れ電流による IC破壊が少ないセラミックタイプが欠かせないということになっています。

温度をコントロールするには小手への供給電圧を変えれば良く、これだけならトライアックなどを使って簡単に出来ますし、そのようなキットも多く発売されています。が、 この 自動 温度コントローラをわざわざ製作するのには、次のような理由があります。

• 温度制御が可能
  小手先の温度を （200〜400℃程度）で一定に保つことが出来きます。
  
  
• 汎用性
  自動温度制御の半田ごてというと、小手と制御回路が一体となった高価なものがありますが、これはそういったタイプではありません。セラミックヒータの半田ごてであれば、どんなものでも使えます。
  
  
• DC加熱
  （ニクロムヒータのように）絶縁抵抗が低いと、漏れ電流が増えて ICなどのデリケートなデバイスにダメージを与えることがあるようです（昨今の半導体デバイスにもあてはまることなのか分かりませんが...）。 セラミックヒータは絶縁抵抗が高く、その点は安心ですが、普通 AC100Vという交流で使われるため、小手先とヒータとの静電容量を介して電流が漏れてしまうそうです。 このコントローラは DC加熱なのでこういった心配が緩和されます。
  
  
• 小手のパワーが UP
  DC加熱とすることで小手には最大 135V近く加圧でき、加熱が速くなります。電源を入れるとすぐに温まり、設定温度で落ち着きます。少々の温度低下にはへこたれず、温度回復も早くなります。 もちろん温度制御が効いているので、熱くなりすぎることもありません。

このコントローラはセラミックヒータの温度−抵抗値特性を利用しています。セラミックヒータは温度が上がると抵抗値が上昇し、流れる電流が減ります（小手のプラグにテスタをつないで小手先を手で暖め、抵抗値を計って確認できます）。 この性質を利用して、フィードバック制御を行い、温度を一定に保ちます。以下に回路図を示します。

Ｖ_R21+VR2>Ｖ_R22 のときは　半田ごての温度が設定より高い状態　→　出力電圧が下がる
Ｖ_R21+VR2<Ｖ_R22 のときは　　　　　　　　　　　　　低い状態　→　出力電圧が上がる

• トラ技の回路と上の回路では、D1〜D4,Q3,R26 が異なりますが動作は一緒です。
  困ったのはQ3で、トラ技には 2SD2610とありましたが、少なくとも製作した 97年には入手できませんでした（規格表にもなかったので誤植？） ので、適当に使えそうな 2SC2551を使いました。R26もそれに合わせて変更しています。（おそらくC2610と思われます。その場合R26は 1kΩです。 2003/3/25）
• D1〜D4はブリッジダイオード（S2VB20 200V2A）を使いました。
• VR1はメインの温度設定用でＢカーブのものを使います（許容Ｗ数は、計算すれば分かりますが...大きめのものを使えば大丈夫でしょう）。
• VR2が微調整用です。多回転タイプの方が楽に調節できます。
• R21〜R25は誤差の少ない金属皮膜抵抗が推奨されていますが、R22,R25はワット数が必要なので酸金ないしセメント抵抗にします。
  
• ４回路入り OPアンプ LM324は図のようなピンアサインです。[→データシート]

• 基板は感光基板で作りました。
  パターンを公開できれば良いのですが、これを作った３年前はまだ PCを所有していなかったので、ワープロでパターンの構想を練り、手書きでフォトフィルムを作成してました。
• 製作時 OPアンプの電源を逆にして基板パターンを作ってしまったんですが、幸いにも対称的なピンアサインだったので ICを 180度回転させて事無きを得たという思い出があります。LM324のピンアサインを間違えないように注意してください（笑　 また、LM324の回路が一つ余ります。余った回路の入力ピンは GNDにでも接続しておきましょう。
• 制御系の回路とパワー系の回路が同居するので、パターンの分離などに気を配ります。OPアンプ周りはパターンをガードパターンで囲み、最短配線。
• R2は結構発熱します。製作後（おそらく）発熱のせいで飛んだこともあるので、基板から離すなどして放熱を良くしてください。
• ケースは CA80D（サトー電気で通販可）を使いました。 シャーシはアルミで加工しやすく、フタは鉄製で重量があり Goodです。
• VR2の多回転可変抵抗は基板の右端下にのっています。ケース外から調節できた方が楽です。製作では本体後ろから細いドライバーを突っ込んで調節できるようにしています（抵抗器はヒューズホルダの下に隠れてしまい見えませんが）。
• 表示用LED、温度ヴォリューム（と２つの抵抗）、パワートランジスタ Q1は基板に乗せず、外づけとします。Q1の発熱についてですが、私は 15Wの小手を接続して使っているので、ぬるい以下の発熱具合です。もう少し大きな小手（電流が流れる小手）の場合は、それなりに気を使ってください。

当時、電子工作用の ACアウトレットが手に入らず四苦八苦したのが写真です。ホームセンターに売っている壁用コンセントを、 壁用コンセントの取付金具を切断・折り曲げて、そこにセットし、どうにかケースに組み込みました。 非常に苦労しました。まぁ苦労した甲斐あって、差し込み感触は電子工作用の ACアウトレットより良いですが（笑

一通り組み終わったら、動作確認と調整です。VR1,2は中央にでもしておけば良いでしょう。
OPアンプ(IC1)の電源ピン（４番ピン）に供給される電圧は約 18Vです。出力は半田ごてを接続しない状態だと 125V前後になるはずです。

動作確認は、トラ技の製作記事のように、出力にアナログメータをつけておくと、状態が良く分かります。 半田ごてを接続し、電源を入れると 130Vで加熱をはじめ、ある温度に達すると LED2が点灯し、100V前後（設定により異なる）で安定します。 VR1を上げるたり小手を急冷すると、LED2は消灯、130Vで加熱し、バランス電圧に落ち着くとLED2が再び点灯します。 VR1を最低温度に下げてみると、25V以下に電圧を下げて小手の温度が下がるのを待ち、ある程度下がると 50V程度に上げてバランスします。 以上の電圧はつなげた半田ごてや VRの位置によって相当違ってきますが、挙動は一緒なはずです。

さて、ここで VR1の位置と実際の小手先温度を合わせます。 VR1を中央にし、これを 350℃とします。実際の小手先温度が温度が低いようなら高くなるように、高いようなら、低くなるようにVR2を回し、調整は終了です。

しかし... 小手先温度を測るというのが結構難しいです。 熱電対で測ろうとしましたが、少しでも測定ポイントがずれると温度が激変して、まったく当てになりません。 測定部をアルミフォイルでつつんだり、ハンダに埋めたりしていろいろやりましたが、いまいちこれだという温度が得られません。 （うまい測り方教えてください） そこで、絶対的な温度が分からなくても、VR1の中央を感覚的にベストな温度とし、それを中心として相対的に温度をコントロールできれば良いので、 VR1を中央にした状態で、（例えば基板の）きれいなハンダ付けができるような温度に VR2を調節することにしました。（VR1を45度回転すると 35℃程度温度が変化するようです）

製作してみて

このコントローラのメリットは前述した通りです。ハンダ付け作業が、かなり快適になります。パワーレンジが上にも下にも広くなるので、 15Wのコテ一本でもできることが広がります。小手先の熱容量が上がったように感覚で、太目の電線のハンダ付けもいけます。 低温にすれば、コテで熱収縮チューブを縮ませることも可能です。立ち上がりも早く、長時間の作業で小手先を傷める心配もない、優れものです。

数1000円の部品代と少々の手間（この手間というのが電子工作の面白いところでもありますが）でできますので、「温度自動調節な小手が欲しいが、アマチュアには高価すぎ！」と思ってる方、是非お試しください。