Термопистолет NEWACALOX RT-5805, который "мог бы" + доработка

Здравствуйте. Что такое «термопистолет» и зачем он нужен, думаю, объяснять в наше время не надо. В данном обзоре пойдет речь о китайском термопистолете с регулировкой температуры, его сильных сторонах и недостатках. Также будет показана его электрическая схема и рассказано о доработке, чтобы он смог обеспечивать заявленные характеристики.

Предыстория (пропустить)

Если верить Доктору Дью, термопистолет – основное «оружие» современного самодельщика. А, так как самодельщик я еще тот, у меня их было два. Оба были куплены в «оффлайне» лет 10 тому назад. Один – подороже, достаточно мощный, с клапаном в сопле:



Другой – подешевле и попроще, был приобретен исключительно под клей черного цвета, потому что переставлять стержни ради нескольких капель клея – занятие совершенно неблагодарное:



И, в принципе, все эти годы оба пистолета работали полностью соответственно своей цене. Тот, что подороже – быстро нагревался и практически не капал, а тот, что подешевле – нагревался медленнее и лил клей нещадно. Но ему можно было и простить, он же подешевле. Да и потребность в клее черного цвета возникает у меня значительно реже.

Но вот недавно стал я замечать, что мой «дорогой» друг захворал – из сопла в процессе работы стало подкапывать. Все доступные виды разбора, откручивания и посматривания внутрь результата не дали, причина найдена не была, внешне все было хорошо. Я предположил, что подкапывание может быть связано с другим типом используемого клея. Например, у него меньше температура плавления, а пистолет нагревает его сильнее, в результате чего он закипает и давление пара выдавливает капли из клапана в сопле. Но вариант смены клея не рассматривался, так как в наличие имелось достаточно большое количество именно такого, и закупать какой-то другой желания не было.

И тут, возможно, я бы и смерился с подкапыванием, но болезнь стала развиваться. В один прекрасный момент вдруг обнаружил, что из входного отверстия нагревателя (куда подается пруток клея толкателем) начал вылезать расплавленный клей. То есть, каким-то образом клей выходил не только из сопла каплями, но и уходил обратно в сторону толкателя. Затем расплавленный клей там же и застывал, обволакивая пруток, после чего подавать пруток с таким наростом в нагреватель становилось весьма затруднительно. Он проходил с огромной силой и гораздо меньшей скоростью, что делало, например, невозможным склеивание больших картонных коробок, где сразу требуется подать достаточное количество клея.

Это стало последней «каплей», терпеть дальше такое было уже нельзя. Так как в большинстве термопистолетов для нагрева применяется PTC, повышающий свое сопротивление по мере нагрева, снизить рабочую температуру «на коленке» не получится. Поэтому я начал поиск нового термопистолета. Сначала посмотрел ассортимент локальных магазинов (типа «всеинструменты»), но какого-то интересного варианта там не приметил. А потом вдруг вспомнил, что у нас на «муське» был ведь обзор термопистолета с Али, который «смог». Нашел тот обзор, прочитал его еще раз и решил, что такой пистолет – это именно то, что мне нужно, так как я смогу выставить для своего клея температуру пониже и, таким образом, решить все проблемы с его закипанием. А своего старого «дорогого» друга оставлю под более высокотемпературный клей. И, таким образом, «дам ему второй шанс».

Заказывать непосредственно по ссылке я не стал, так как рейтинг у магазина там низкий, да и хотелось поискать другие варианты, вдруг найдется такой же, но дешевле. В процессе поиска понял, что похожие пистолеты, только с разными названиями (и разными указаниями номинальной мощности) продаются во многих магазинах. Вот тогда уже захотелось выбрать что-то с доставкой с российского склада, чтобы пришел побыстрее, а цена ушла на второй план. Также на тот момент у меня сформировалось впечатление (возможно, неверное) что все такие пистолеты практически идентичны, и различаются только наклейкой на корпусе. Исключением, пожалуй, являлся только этот, где сам продавец приводит фотографию внутренностей и гордо пишет «professional design chip temperature». Но это не точно.

В итоге выбор пал на данный вариант под названием «NEWACALOX», указанием номинальной мощности в солидные 150 Вт, доставкой с российского склада и (что мне очень понравилось и, наверное, сыграло решающую роль) подставкой. За лот пришлось в общей сумме заплатить $18.52, но я не жалел. Покупку совершил 5-го сентября 2020 года, в субботу.

Через 3 дня (во вторник, 8-го сентября) мне на телефон пришло SMS от службы доставки IML, где прислали ссылку на их сайт с просьбой подтвердить адрес, а еще через день (9-го сентября) со мной связался курьер и принес заветный черный пакет домой. Фотографий оригинальной упаковки не сделал, т.к. изначально думал, что пистолет будет работать как положено и потребности писать обзор про доработку не возникнет. И зря, потому что упаковка была весьма эпичной – из дырки сбоку закрытой (если так можно сказать) коробки гордо торчал наружу носик пистолета. Открыв коробку, я понял, почему это именно так – они просто попытались уместить и пистолет, и подставку в коробку, предназначенную только для пистолета. В итоге выглядело это все примерно следующим образом:



Сейчас оригинальной картины воспроизвести, к сожалению, уже не могу, потому что в пистолет вставлен клеевой стержень, а дырка в коробке заклеена. Отдельно пистолет без подставки в указанную коробку входит совершенно свободно:



Сам по себе пистолет выполнен довольно пристойно – две половинки скручены между собой 8-ю шурупами, стык ровный, без щелей. В руке сидит тоже очень хорошо, нажимается уверенно. Цветовая гамма приятная. Размеры пистолета (с носиком) – 195х165 мм, длина шнура – 1.35 м. Сбоку пистолета красуется большая наклейка «NEWACALOX», model: RT-5805, 100 – 240 V, 50 – 60 Hz, 150 W. Ниже наклейка поменьше, утверждающая, что пистолет прошел контроль качества:



В комплекте с пистолетом идет насадка длиной 32 мм (диаметром около 2.6 мм), выполненная, скорее всего, из латуни:



Фотографию сделал не сразу, а уже после использования пистолета, поэтому насадка испачкана в клее. Также обратите внимание, во что превратилось силиконовое уплотнительное кольцо от температуры. И это пистолет был нагрет в сумме лишь несколько часов. Внутри насадки присутствует шарик:



Теперь давайте рассмотрим подставку – она, собственно, вообще выше всяких похвал. Если пистолет собран неплохо, то она собрана практически отлично, имеет силиконовый коврик для «капающего клея»:



Присоски для уверенного удержания на ровной поверхности, а также 6 шурупов, намекающих на то, что её можно разобрать (спойлер: не разбирал):



Размеры подставки – 186х79 мм. Пистолет ставится на подставку легко, но в то же время уверенно, промахнуться или ошибиться вряд ли получится. Внешний вид установленного пистолета:



В принципе, у пистолета есть поворачивающаяся скоба из проволоки, позволяющая ставить его на любую поверхность и без подставки, но при попытке её использовать оказалось, что на моем экземпляре она не фиксируется ни в каком положении. Позже я её, все же, починил, но на этом, собственно, можно перейти ко второй части обзора – недостаткам данного пистолета.

После включения пистолета в розетку, сзади у него загорается (точнее, мигает с частотой 50 Гц) красная лампочка и пистолет начинает нагреваться. Прежде всего, даже не вставляя клей, решил замерить рабочую температуру, которую обеспечивает пистолет. И вот тут, если Дядя Сэм три года назад сказал, что его пистолет «смог», я печально вынужден был констатировать, что мой «не может». При установке на минимум (140 градусов по регулятору), пистолет поддерживал температуру сопла порядка 165 градусов (измерял на небольшой глубине внутри, чуть меньше сантиметра). Но при попытке повернуть регулятор даже на 160, пистолет начинал выдавать около 215 градусов и дальнейший поворот регулятора уже никакого влияния на температуру не оказывал. То есть, можно было, конечно, попытаться управлять температурой, перемещая регулятор между положениями «140» и «160», но даже там температура вела себя крайне нестабильно.

По предыдущему обзору я помнил, что внутри на плате регулятора есть подстроечный резистор, поэтому разобрал пистолет и начал его крутить. Но положительного результата это не давало – независимо от положения резистора при установке регулятора на 160 и выше градусов пистолет разогревался до максимальной температуры. Пришлось нести пистолет на рабочий стол и изучать его схему, чтобы понять, чего же в очередной раз забыли припаять китайцы. Собственно, вот фотографии платы регулятора данной версии пистолета (один синий провод, идущий к светодиоду индикации питания, на тот момент я уже отпаял):



А вот принципиальная схема регулятора (номера и номиналы деталей, которые удалось прочитать, указаны на схеме):



Давайте рассмотрим схему пистолета и принцип его работы. Место прихода сетевого напряжения на плату обозначено разъемом Line. Причем, даже на плате есть маркировка у контактных площадок – L и N, хотя понятно, что гарантии, что именно на линии L будет фаза, в реальной жизни нет. Первым делом питающее напряжение через резистор, расположенный непосредственно в проводе, подается на индикаторный светодиод. Затем напряжение через защитный предохранитель F1 подается на остальную часть схемы.

Стабилизатор питания схемы управления температурой выполнен на стабилитроне на 12 В и конденсаторе С1, напряжение на которые подается непосредственно из сети через ограничительные резисторы R1, R2, R4, R5 и выпрямительный диод. При указанных номиналах деталей через стабилитрон идет ток порядка 4.7 мА, чего вполне хватает для функционирования данной схемы. Для считывания текущей температуры нагревательного элемента используется термопара (предположительно, К-типа), подключаемая к контактам, обозначенным на схеме Thermocouple. По сути, термопара – это простое соединение двух разных металлов, генерирующее термо-ЭДС за счет эффекта Зеебека. Величина термо-ЭДС практически линейно зависит от температуры, что позволяет использовать термопары как дешевый и очень надежный элемент измерения температуры. Для термопары К-типа в рабочем диапазоне температур величина термо-ЭДС составляет примерно 40 мкВ на градус. Также, поскольку термопара является простым соединением двух металлов, хорошо проводящих ток, она имеет очень малое внутреннее сопротивление, что значительно снижает влияние наводок и позволяет, несмотря на весьма малые напряжения, получить хорошую точность измерений.

Цепочка резисторов R7, R8, R12 – R14 задает опорное напряжение, которое может изменяться в небольших пределах с помощью переменного резистора R14, отвечающего за установку температуры и подстроечного резистора R13, отвечающего за калибровку регулятора. Данное напряжение сравнивается с напряжением термопары с помощью компаратора, выполненного на ОУ U1.1 LM358. Если опорное напряжение выше снимаемого с термопары (то есть, температура нагревательного элемента еще не достигла установленного значения), на выходе ОУ будет низкое напряжение (0 В). Если же напряжение термопары стало выше (то есть, температура нагревательного элемента выше заданной), на выходе ОУ будет высокое напряжение (чуть ниже 12 В). С помощью резисторов R9 и R10 в схему сравнения добавляется гистерезис порядка 0.46 мВ, что соответствует приблизительно 12-ти градусам. Здесь следует отметить, что реализация данной схемы на LM358 возможна из-за двух особенностей этого операционного усилителя:

1. Даже при однополярном питании, ОУ корректно работает с низкими входными напряжениями, включающими ноль вольт (по факту, можно подавать на вход и небольшое отрицательное напряжение). Достигается использованием PNP-транзисторов.
2. На выходе ОУ присутствует потребитель тока в 50 мкА, что позволяет выходному напряжению снижаться практически до нуля вольт при отсутствии нагрузки.

Выход ОУ U1.1 подключен к инвертирующему входу ОУ U1.2, на прямой вход которого подается сетевое напряжение с делителя R3/R6. Коэффициент деления составляет примерно 1:1000, поэтому на прямой вход U1.2 приходит синусоидальное напряжение амплитудой около ±0.3 В в пике. Если температура нагревателя ниже заданной, на инвертирующем входе U1.2 оказывается ноль вольт, в результате чего на выходе ОУ возникает меандр с частотой 50 Гц, чуть сдвинутый по фазе относительно сетевого напряжения. Фронты этих импульсов проходят через конденсатор С2 и открывают симистор, включающий нагревательный элемент пистолета. Использование С2 позволяет открывать симистор на обеих полуволнах сетевого напряжения (как в моменты заряда, так и в моменты разряда конденсатора), что обеспечивает работу нагревательного элемента в полную мощность, а также исключает протекание постоянного тока через управляющий электрод симистора. Последнее значительно снижает энергозатраты на открытие симистора, что, в свою очередь, позволяет питать схему от источника питания, выдающего всего 4.7 мА.

Если же температура нагревателя достигла (или выше) заданной, на инвертирующий вход U1.2 приходит высокое напряжение (чуть ниже 12 В), в результате чего на его выходе появляется постоянное напряжение 0 В, и симистор остается закрытым, полностью выключая нагреватель.

Вот примерно так должна была работать схема терморегулятора. Беглое рассмотрение схемы и платы позволяет сразу же выявить основные недостатки регулятора:

1. Индикатор питания подключен до предохранителя. В случае перегорания предохранителя (и выхода всего пистолета из строя), индикатор всё еще будет продолжать светиться при включении пистолета в розетку и дезинформировать пользователя.
2. В качестве ограничителя тока через стабилитрон применяются две параллельные цепочки из двух последовательно включенных SMD-резисторов сопротивлением 47 КОм и типоразмером 0805. При указанном номинале на них будет выделяться 1.03 Вт или по 0.26 Вт на каждый резистор, что в два (!) раза больше максимально допустимой мощности на подавляющее большинство резисторов такого типоразмера UPD: выпрямитель однополупериодный, так что рассеиваемая мощность будет на уровне максимально допустимой. Также, данные резисторы работают на пределе и по напряжению (150 В).
3. На резисторе R3 типоразмера 0805 падает до 320 В в пике, что более чем в два (!) раза больше максимально допустимого напряжения для большинства резисторов такого типоразмера.
4. Термопары одного типа дают весьма близкие значения напряжений при одинаковой температуре, таким образом, не требуя калибровки схем. Очевидно, что подстроечный резистор R13 призван компенсировать разное возможное напряжение смещения ОУ LM358 (которое по документации в среднем составляет около 2 мВ, что весьма значительно в данном случае, т.к. эквивалентно примерно 50 градусам). Однако изменение его сопротивления будет как сдвигать диапазон опорных напряжений, так и изменять его ширину. Измеренные уровни опорного напряжения будут приведены ниже.
5. Поскольку металлы, из которых сделана термопара, не паяются обычными средствами, для крепления её проводов целесообразно применять какие-либо клеммы. Однако китайцы и тут сэкономили и просто заплавили их в припое. Надежность такого соединения находится под вопросом.

А теперь вернемся к самому пистолету и попытаемся выяснить, почему же регулятор не работает так, как было задумано. Прежде всего, я измерил напряжения, снимаемые с термопары при разных температурах нагревателя. Получил следующую таблицу:



Из таблицы следует, что термопара выдает приблизительно 38 мкВ на градус (при комнатной температуре «холодного спая» 25 градусов), что весьма близко к значению 40 мкВ, обеспечиваемому термопарой К-типа.

Далее я произвел расчет возможных опорных напряжений, снимаемых с резистора R14. Для указанных на схеме номиналов, при установке переменного резистора R14 в нижнее по схеме положение (минимальная температура), на инвертирующем входе U1.1 будет напряжение от 3.6 до 5.44 мВ (в зависимости от положения регулятора подстроечного резистора R13), что приблизительно соответствует температуре от 120 до 165 градусов. При установке переменного резистора в верхнее по схеме положение (максимальная температура), на инвертирующем входе U1.1 будет напряжение от 8 до 12.1 мВ, что соответствует температуре от 235 до 343 градусов. При этом, т.к. нагреватель выполнен на основе PTC-элемента, сопротивление которого повышается по мере нагрева, он просто не в состоянии прогреться выше 225 градусов, что одновременно является несомненным плюсом устройства – даже если регулятор температуры полностью выйдет из строя, пистолет кардинально не перегреется и не возгорится. В итоге получается, что калибровка подстроечным резистором полностью бесполезна, ведь даже при максимальном его сопротивлении диапазон регулируемых температур будет составлять от 120 до 235 градусов, что уже выходит за максимально возможную температуру для PTC-нагревателя (а конкретно мой экземпляр подстроечного резистора еще и имел сопротивление 160 КОм вместо 200).

Однако, в целом, значения напряжений получились вполне рабочие, так почему же пистолет не работает как надо? Подключение осциллографа к выходу U1.1 (вывод 1) показало наличие там меандра с частотой 50 Гц, чего явно быть не должно (там должно быть постоянное напряжение – ноль пока пистолет не разогрелся и около 12 В на нагретом пистолете). Далее, детальный анализ платы выявил, прежде всего, неудачную её трассировку:



Голубым цветом на фото отмечена точка, куда приходит сетевое напряжение, провод N. Красным цветом – точка, куда подсоединяется первый анод симистора и через которую течет ток нагревательного элемента. А желтым цветом – точка, куда подсоединяется нижний по схеме вывод резистора R12. Таким образом, ток нагревателя (а это порядка 0.5 А на средних температурах) вызывает падение напряжения на дорожках платы и, таким образом, меняет установленное опорное напряжение. Даже если предположить, что сопротивление дорожки составляет 0.01 Ом, ток в 0.5 А вызовет падение на ней 5 мВ, что эквивалентно изменению температуры на 130 градусов!

Разбирающийся в электронике читатель может возразить, что изменение напряжения земли происходит только после включения нагревателя, а сравнение входных напряжений в этот момент уже закончено, т.к. был подан сигнал на открытие симистора, а закрыть его до конца полупериода все равно невозможно. В теории это так, но на практике, видимо, быстродействия LM358 не хватает, и такая нестабильность входного напряжения вызывает проблемы.

Поэтому, первым делом было решено доработать земляной контур. Для этого дорожка вокруг красной точки разрывается и соединяется в обход неё, а сама красная точка соединяется с голубой отдельным проводом. Также земляная дорожка перерезается чуть ниже голубой точки, чтобы исключить земляную петлю – отличный способ ловить электромагнитные помехи.

После такой доработки было замечено, что меандр на выходе U1.1 полностью исчез при минимальном положении регулятора (140 градусов) и около него, но снова проявлялся и тем больше, чем больше ползунок переменного резистора перемещался вверх по схеме. Пистолет при этом всё еще не обеспечивал нормальной регулировки температуры.

Это дало идею для дальнейшего поиска причины. На схеме пистолета видно, что, не смотря на низкое сопротивление резистора R8, определяющего диапазон регулировки напряжения, сопротивление самого регулятора R14 – 500 КОм. То есть, выходное сопротивление источника опорного напряжения составляет около 180 Ом в нижнем положении регулятора, около 400 Ом (R8 + R12) в верхнем и около 250 КОм в среднем! Видимо, LM358 дает сбой, если на её вход подавать сигнал с источника напряжения с высоким выходным сопротивлением, и туда просачивается либо помеха с линии питания, либо помеха с выхода второго ОУ U1.2.

Поскольку подходящего переменного резистора низкого сопротивления у меня нет (да и к резистору на пистолете уже приклеена ручка управления), было решено установить блокировочный конденсатор на выход источника опорного напряжения. По расчетам был выбран конденсатор емкостью 2.2 мкФ (больший ставить не стал, т.к. постоянная его заряда через резистор в 590 КОм до 63% уже равна 1.3 секунды). Также было решено установить конденсатор 22 мкФ в точку соединения R7 и R13 (второй вывод – на землю).

После проведения указанных доработок пистолет стал нормально держать выставленную температуру во всем диапазоне регулировки, оставалось только правильно его откалибровать. Диапазона подстройки R13 не хватило, поэтому он был заменен на постоянный резистор сопротивлением 330 КОм, который обеспечил на моем экземпляре приблизительно верные значения температур на всей шкале регулятора. Затем были дополнительно сделаны следующие доработки:

1. Резистор R10, обеспечивающий гистерезис регулятора 12 градусов был увеличен до 3 МОм, т.к. из-за инертности системы нагреватель-термопара на низких температурах реальный гистерезис доходил до 20 и более градусов. После увеличения номинала R10 диапазон температур включения и выключения нагревателя сузился до 10-15 градусов.
2. Светодиод питания был подключен параллельно нагревательному элементу. Индикация стала более информативной (как на утюгах) – если светодиод светится, значит, нагреватель работает. Если диод погас, нагреватель отключился. Теперь легко определить, когда пистолет вышел на рабочую температуру – это происходит в момент первого погасания светодиода.
3. В место подключения термопары к плате была установлена небольшая клемма на два контакта.

Внешний вид платы и внутренностей пистолета после доработки представлен на фото ниже:



Итоговая схема:



Ну а теперь, рассмотрим основной вопрос, задаваемый при выборе термопистолета – «Капает или нет?» Капает :) Но немного. Вообще, как я понимаю, это очень зависит от используемого клея и температуры его кипения. Открутив от пистолета носик и заглянув внутрь на температуре порядка 180 градусов, я лично заметил пузырек газа, поднимающийся внутри жидкого клея из глубин нагревателя:



Понятно, что если клей вскипит, он сможет давлением пара отодвинуть шарик и выдавить наружу содержимое сопла, какой бы сильной ни была пружина, поэтому выход тут только один – снижать температуру (на самом деле, есть еще – сменить клей). Это, кстати, еще раз подтвердило мое предположение на счет старого пистолета – если при 180 градусах клей уже начинает закипать, то при 210 – 220 градусах он будет кипеть по полной.

При уменьшении температуры до 160 градусов мне показалось, что кипение прекратилось. Ну что же, видимо с этим клеем эксплуатировать придется именно в таком режиме. Вообще, недостаток низкой температуры в том, что вышедший из сопла клей быстрее остывает на склеиваемой поверхности, например, большую коробку за это время можно и не успеть промазать всю.

Да, нагревается до 160 градусов пистолет примерно за 2 минуты 10 секунд, а температура на конце штатной насадки получается где-то на 15 градусов ниже, чем температура нагревательного элемента (в месте, где её измеряет термопара), то есть при установке 160 градусов на регуляторе пистолета, на выходе получим 145.

Выводы

В целом, пистолет неплохой и, наверное, я бы заказал его снова, даже зная обо всех недостатках (они исправляются за полчаса). А если же вас устроит только две рабочих температуры – около 160 градусов и максимум, пистолет можно и не дорабатывать вообще. Просто установите регулятор либо в минимальное, либо в максимальное положение, там он более-менее держит температуру и без доработок. Чего бы хотелось еще сделать – надо бы поменять R3 на резистор другого типоразмера (сразу не сделал, а теперь разбирать не хочется), т.к. 320 В для типоразмера 0805 чересчур много.

Плюсы:

– красивый;
– хорошо сидит в руке;
– более-менее качественная сборка корпуса;
– регулятор температуры;
– носик с клапаном;
– PTC-нагревательный элемент, исключающий серьезный перегрев пистолета в случае выхода из строя платы регулятора;
– удобная подставка;
– доставка с российского склада.

Минусы:

– необходимость доработки;
– относительно высокая цена.

Всем добра и спасибо за чтение!