PROJETO DO CONTROLE DE UM FORNO PARA SOLDAGEM DE DISPOSITIVOS SMD

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1 PROJETO DO CONTROLE DE UM FORNO PARA SOLDAGEM DE DISPOSITIVOS SMD Tiago Henrique Pavaneli, Felipe Adriano Da Silva Gonçalves, Igor Borges Tavares, Carlos Augusto Bissochi Junior. Laboratório de Automação, Servomecanismos e Controle (LASEC) Núcleo de Controle e Automação (NCA) Faculdade de Engenharia Elétrica (FEELT) Universidade Federal de Uberlândia (UFU) Av. João Naves de Ávila, Bloco 3N - Campus Santa Mônica - CEP: Uberlândia, MG, Brasil. tiagopavaneli@gmail.com.br Resumo Este trabalho apresenta um projeto do controle um forno para a realização do processo de solda para componentes do tipo SMD (Surface Mount Device). A metodologia proposta baseia-se na utilização de um forno elétrico comum, com potência de 19W e sem nenhum tipo de controle eletrônico. Para atingir o objetivo final será implementado um circuito com controle em malhafechada da temperatura do forno. Como sensor de temperatura, será utilizado um termopar que através de um software seguirá set points em um gráfico pré escolhido e acionará dois relés,sendo que um fará o controle on and off das resistências e o outro fará o controle do cooler utilizado para resfriamento. A fim de realizar a solda dos componentes SMD será utilizado o método do Refluxo, o qual é comumente utilizado na realização deste processo. O controle do método, assim como todo o controle do processo se dará por meio de um microcontrolador PIC. Palavras-Chave Forno, Controle de temperatura, solda de componentes SMD, Método do Refluxo. Abstract - This presents a project of a furnace for the process of welding components of the type SMD (Surface Mount Device). The proposed methodology is based on the use of a common electric furnace, with power of 19W and without any type of electronic control. To achieve our final objective will be implemented an circuit with control in closed-loop to temperature of the furnace. As temperature sensor, will be used a thermocouple that through a software will follow set points on a graph pre chosen and trigger two relays, one will make the control an on and off of the resistance and the other will control the cooler used for cooling. To perform the welding of SMD components will be used the method of reflux, which is commonly used in the conduct of this process. The control of the method as well the entire control of the process will be done using a microcontroller PIC. 1 Keywords Oven, Temperature control, Solder of SMD components, Reflux method. SMD PIC LCD Sn-Pb Surface Mount Device. Programmable Interface Controller. Liquid Crystal Display. Estanho-chumbo. I. INTRODUÇÃO As maneiras de se controlar um sistema eletrônico estão diretamente ligadas a sistemas dinâmicos ou plantas. Os sistemas dinâmicos podem ser do tipo: mecânico, elétrico, de fluidos, térmico ou uma combinação de vários tipos de sistemas. Comportamentos de sistemas dinâmicos são descritos por equações diferenciais. Com um modelo (equação diferencial), as entradas e as condições iniciais, podemos facilmente calcular as saídas do sistema. Uma planta pode ter várias entradas e várias saídas. Usualmente uma planta tende a ser um sistema contínuo no tempo onde as entradas e saídas são constantes no tempo igualmente. Como um exemplo, um motor eletromagnético é uma planta contínua no tempo, cujas entradas (corrente ou tensão) e saída (rotação) são contínuas no tempo igualmente. Um controle eletrônico manobra as variáveis de entrada e altera a resposta da planta influenciando as variáveis de saída até obter a resposta almejada. Uma planta opera em dois tipos de malhas: malha aberta ou malha fechada. Numa planta em malha aberta são aplicadas entradas e são produzidas determinadas saídas que não são realimentadas, logo não há conhecimento de seu valor. Por exemplo, uma determinada tensão é aplicada em um motor para causar certa rotação. É esperado que o motor rotacione quando uma tensão for aplicada nos seus terminais, mas não sabemos quanto o motor irá rotacionar, apenas que haverá o movimento, pois não se tem conhecimento da saída do sistema. Na mesma planta pode haver desordens que afetarão seu comportamento e em sistemas de malha aberta não é possível minimizar, corrigir e ter conhecimento da ocorrência desses distúrbios. A figura 1 mostra um sistema em malha aberta onde haverá uma entrada de alimentação e uma saida. (ex. rotacionar o eixo de um motor a uma taxa específica). NOMENCLATURA FIGURA 1: Sistema em malha aberta

2 Sistemas podem ter multiplas entradas e saídas. Por causa de algumas indefinições na modelagem do sistema e dos efeitos das interferências externos o controle em malha aberta não é muito atrativo. Existem caminhos melhores para controlar um sistema, como utilizando um sensor para medir a saída do mesmo, e compará-la com o valor que deveria estar na saída até receber uma resposta de semelhança satisfatória. A diferença entre a saída desejada e o valor atual da saída é chamada de sinal de erro. O sinal de erro é utilizado para forçar a saída do sistema, ser igual ao valor desejado. Esta condição é chamada de malha fechada, ou controle realimentado. A figura 2 mostra um típico controle de em malha fechada. A vantagem de sistemas em malha fechada é a possibilidade de fazer uma compensação e produzir uma saída correta mesmo na presença de vários distúrbios. Um controlador (ou compensador) é empregado para ler o sinal de erro e controlar a planta de um jeito que o erro tenda a zero. FIGURA 2: Sistema em malha fechada Sistemas em malha fechada têm a vantagem de ter maior exatidão do que circuitos em malha aberta, ele também são menos sensíveis a distúrbios e mudanças de ambiente. O tempo de resposta e o erro de regime permanente também podem ser controlados. Sensores são dispositivos que medem a saída do sistema, por exemplo, um termistor é um sensor utilizado para medir temperatura, assim como, um tacômetro é um sensor utilizado para medir a velocidade de rotação de motores. A maioria dos sensores possuem saídas analógicas. Estes podem ser utilizados diretamente em sistemas contínuos no tempo, por exemplo, o sistema apresentado na figura 2, é um sistema contínuo no tempo com sensores analógicos e entradas e saídas analógicas. Mas o problema com sensores analógicos é a impossibilidade de ligação direta a computadores, para isso é necessário que seja utilizado um conversor A/D (Analógico para Digital) que irá converter a saída analógica do sensor para a forma digital assim esta informação pode ser interpretada e utilizada pelo computador. Alguns sensores já fornecem a saída na forma digital, assim podendo ser ligado diretamente em um computador. Com o advento dos computadores e o baixo preço de microcontroladores o controle eletrônico inicio a utilização destes dispositivos programáveis nos sistemas de controle. Um único computador mantém o controle de vários sinais do sistema e pode tomar decisões inteligentes sobre uma implementação do controle, este tipo de controle é chamado de controle digital. Atualmente várias aplicações de controle, são baseadas em métodos computacionais, onde o computador ou microcontrolador é utilizado como controlador do sistema. A figura 1.3 mostra um típico sistema controlado computacionalmente. FIGURA 3: Sistema em malha fechada controlado por computador Aqui é pressume-se que o sinal de erro é analógico e o conversor A/D é utilizado para converter o sinal para digital de forma que possa ser lido. O conversor A/D coleta uma amostra do sinal periodicamente e então converte essas amostras para digital adequando ao processamento computadorizado.um algoritmo de controle para implementar a ações necessárias para que a saída da planta responda de acorda com o desejado é utilizado. A saída do computador é digital, e é convertido utilizando um conversor D/A (Digital para Analógico) antes de voltar para planta. Entender a teoria de controle digital é para que seja possível, desenvolver e construir sistemas de controle em que um computador é usado não só como o controlador do sistemacomo também executa as tarefas normais de um controlador, um computador pode supervisionar a leitura de dados a partir de um teclado, exibindo dados do estado do processo em uma tela ou monitores de LCD, acendendo uma luz ou soando uma buzina. II. MÉTODOS DE CONTROLE Para implementar o controle são utilizados vários métodos: CONTROLE ON / OFF (Liga / Desliga) O método on and off é o método mais simples, pois ele consiste em enviar o sinal de entrada toda vez que o sistema estiver abaixo do set point desejado e desligar o sinal de entrada quando estiver acima do set point. Em sistemas que contém inércia como o forno deste projeto a saída provavelmente ficará variando próximo ao valo desejado, como mostrado na Figura 4. Logo será impossível manter-se em um ponto desejado, então esse método é o menos útil para sistemas que contém inércia. Figura 4: Controle ON / OFF Esse controle é implementado usando um comparador ou um relé físico. Nota-se que com ruídos teríamos

3 chaveamentos falsos quando o erro for próximo de zero. Logo uma melhoria poderia ser aplicada a esse padrão utilizando-se de um controle com histerese. O controle On and Off utilizando-se de histerese faz com que o comando de desligamento seja enviado quando o erro estiver apenas um pouco maior que zero e que ele seja religado quando o erro estiver apenas um pouco abaixo de zero. Veremos mais sobre o ciclo de histerese na figura 5. Figura 7 Resposta de um controle proporcional I - CONTROLE INTEGRAL FIGURA 5 Controle com histerese O controle On and off é um tipo de controle mais simples e econômico, porém é muito restrito no que se diz respeito ao controle dinâmico e em regime permanente do sistema. Logo sua aplicação é considerada útil em sistemas que não requerem uma grande precisão e podem trabalhar dentro de uma faixa de valores aceitáveis, como exemplo podemos citar o termostato da geladeira. CONTROLADORES PID Os controladores PID são os mais utilizados na indústria, pois são robustos e podem ser usados em vários tipos de aplicações. Será vista agora a abordagem principal dos controles PID, consideraremos a malha de controle da figura 6, representando um sistema de uma entrada e uma saída. Figura 6 Malha com controle PID Os membros da família PID, incluem três ações de controle: proporcional (P), integral (I) e derivativa (D). Estes controladores são denominados P, I, PI, PD e PID. P - CONTROLE PROPORCIONAL O controle proporcional fornece uma saída proporcional ao erro. A equação da saída resultante é esta: Kp e( O controle integral fornece uma saída proporcional ao erro acumulado, isto faz com que ele seja um controle lento. A equação de saída em função do erro é esta: Ki t e( t Onde i é um ganho de integrador ajustável. O sinal de controle tem um valor diferente de zero quando o sinal de erro e( é zero. Com isso se conclui que dada uma referência constante, ou distúrbios, o erro de regime permanente é zero. PI - CONTROLE PROPORCIONAL-INTEGRAL O controle proporcional-integral pode ser definido como: Kp e( Kp Ti t e( t Onde Kp é o ganho proporcional e Ti é denominado tempo integral que é o que ajusta a ação integral. O controle proporcional requer a existência de um erro s para que possa haver a ação do controlador. Com a ação integral, um pequeno erro positivo sempre nos dará uma ação de controle crescente, e se for negativo o sinal de controle será decrescente. Este raciocínio nos mostra que o erro em regime permanente será sempre zero. Muitos controladores industriais têm somente ação PI. Pode-se demonstrar que um controle PI é adequado para todos os processos onde a dinâmica é essencialmente de primeira ordem. O que pode ser demonstrado de maneira simples, por exemplo, em um ensaio com um sinal de degrau unitário. Na figura 8, podemos ver a comparação de sistemas de uma entrada e saída utilizando uma ação de controle P e PI quando aplicado um único degrau unitário. Onde p, é um ganho proporcional ajustável. O controlador proporcional é hábil para qualquer tipo de planta mas possui um erro de regime permanente. Pode ser visto a resposta de um sistema de uma saída e uma entrada utilizando o controlador proporcional na figura 7.

4 Figura 8- comparação controle P /PI PD CONTROLE PROPORCIONAL-DERIVATIVO O controle proporcional-derivativo pode ser definido como: e Kp e( Kp Td t Onde Td é uma constante chamada de tempo derivativo. O controle derivativo fornece uma ação de controle proporcional à derivada do erro. O tempo derivativo Td é o intervalo de tempo que o controle derivativo antecede ao controle proporcional. O controle derivativo é vantajoso por ser antecipativo, porém possui a desvantagem de amplificar sinais de ruído além saturar o atuador. E a ação de controle derivativa nunca pode ser utilizada isoladamente, pois sua ação é efetiva apenas durante o período transitório. Usando o controle derivativo junto ao controle proporcional, consegue-se um controlador de alta sensibilidade e pode-se acompanhar a velocidade do crescimento do erro e corrigi-lo antes que o erro se torne substancial. Também pode ser dito que o controle proporcional amortiza o sistema, não afetando diretamente o erro de regime permanente mas permitindo que seja utilizado um valor de ganho K e melhorar a precisão do sistema. PID - CONTROLE PROPORCIONAL-INTEGRAL- DERIVATIVO Esse controle reúne as qualidades de todos os controles juntos, a equação de resposta dele é: t e Kp e( Kp Ti e( t Kp Td t Onde, Kp é o ganho proporcional, Ki é o ganho do integrador e Kd é o ganho do derivativo, que são dados por: Ki Kp * Ti e Kd Kp * Td Na figura 9, podemos ver a comparação de sistemas de uma entrada e saída utilizando uma ação de controle P,PI e PID quando aplicado um único degrau unitário Figura 9 comparação entre controles P/PI/PID SENSORES Para que o sistema possa trabalhar em malha fechada ele deve ser realimentado, um dos dispositivos que faz com que isso seja possível são os sensores através da captação da saída para que assim o atuador possa mudar a entrada de forma a alcançar uma saída satisfatória. Como esse projeto se trata de um forno e iremos apenas lidar com temperaturas, os únicos sensores explicados aqui serão os de temperatura. SENSORES DE TEMPERATURA É o elemento que vai sentir a temperatura e repassá-la para o circuito, ele faz isso transformando a temperatura em outra grandeza como tensão para que possa ser lida. TERMISTORES Termistores são semicondutores sensíveis a temperatura. Conforme a curva característica do termistor, o valor de sua resistência diminui ou aumenta uma faixa de temperatura. Logo podem servir como proteção em circuitos limitando a corrente quando ela ultrapassa certa temperatura. TERMOPARES Os Termopares são sensores de maior uso industrial para medição de temperatura, por terem um custo-benefício grande, já que são mais baratos e por terem uma medição confiável. Dois fios condutores de eletricidade geram uma tensão elétrica, que pode ser medida na outra extremidade, se existir diferença de temperatura entre elas. A diferença de potencial é proporcional à diferença de temperatura entre suas junções. Na figura 1 temos uma representação do funcionamento de um termopar. \ Figura 1 Funcionamento de um termopar A relação de F.E.M. x temperatura de um termopar não é linear, em instrumentos digitais usa-se ou a tabela de correlação F.E.M. x temperatura, armazenada em memória ou uma equação matemática que descreve a curva do sensor. A equação de um termopar é: T a a X 1 1 a 2 X 2 a X 3 3 a n X n

5 Onde T é a temperatura, a é um coeficiente relativo a cada termopar, X a milivoltagem gerada e n a ordem do polinômio desejado. O coeficiente é dado no site do fabricante de cada termopar. Componentes eletrônicos. Placa para soldagem dos componentes. Software para supervisionamento do forno. SOLDAS O presente projeto busca fazer um forno capaz de soldar componentes SMD, logo fica aqui uma breve explicação sobre soldas e os métodos de soldagem. Soldagem é um processo pelo qual juntamos partes metálicas através do aquecimento das partes envolvidas até a junta consolidação. O processo de soldagem é definido como a junção de peças metálicas através do emprego de aquecimento das partes envolvidas, até a consolidação da junta. Em projetos eletrônicos o processo de soldagem é utilizado para fixar dispositivos eletrônicos, pra isso é utilizada uma liga de Sn- Pb (Estanho-Chumbo). A liga de Sn-Pb é muito utilizada pelo seu baixo ponto de fusão, facilitando assim a solda manual com utilização de ferros de solda de baixa. A solda comercialmente mais usada para solda manual é a 6/4(6%Sn e 4%Pb), ela normalmente é fornecida em rolos de fio cilíndrico. Na solda de componentes SMD, a solda é utilizada em forma de pasta. Esta pasta de solda é uma mistura de partículas metálicas esféricas de ligas de solda encapsuladas com fundente usado no processo de solda por refluxo. Essas partículas de solda que formam a pasta possuem de 2 a 75 micrometros de diâmetro. A liga tipicamente utilizada nesse tipo de solda também é a Sn-Pb, mas a composição utilizada (63/37), alguns modelos de pasta de solda também apresentam prata na sua composição. COOLERS Coolers servem para eliminar o calor gerado. O trabalho de um cooler pode ser comparado ao nosso suor, ou seja, suar é um processo de resfriamento do nosso corpo que nos ajuda a manter o equilíbrio das funções vitais. A palavra cooler vem do inglês e significa refrigerador, que é exatamente a função do mesmo. O cooler auxilia as trocas de calor através de uma ventoinha que auxilia na dissipação do calor, ou seja, a ventoinha refrigera o metal, desta forma o calor interno é jogado para fora. Fotos do protótipo do forno: Imagem do gráfico sendo seguido pelo forno no software de supervisionamento: III. APLICAÇÃO Para que este projeto esteja em funcionamento serão utilizados: Um kit reflow toaster da empresa Spark Fun contendo PIC 16F88 rodando em 8 Mhz, um relé chaveando 22, um LCD 16x2 Black on Green, Conversor Max 232, termopar com capacidade de leitura de -27 C até C. Um circuito projetado para o controle da velocidade de rotação do cooler. Um forno comum de uso doméstico DKS69c da empresa NKS Eletrodomésticos alterado para uma potência maior. Pasta de solda. Desta forma faremos com que o forno alcance as temperaturas desejadas para a soldagem e elas serão controladas pelos métodos citados anteriormente,

6 realimentando o sistema de malha fechada com o sensor de termopar e tendo como atuadores as resistências para aquecimento e o cooler para resfriamento, logo esse projeto será apto a seguir as não só a temperatura do gráfico como outras temperaturas que poderão ser programadas no software que foi desenvolvido para ser supervisor do sistema. Também é bom lembrar que esse projeto poderá funcionar de como um sistema embarcado, ou seja, sem a necessidade de um computador para supervisão, já que o PIC poderá ser programado pelos botões e LCD do próprio kit. Podemos ver o gráfico de como funciona o método de refluxo e o gráfico de soldagem que deverá ser seguido pelo forno como função principal na figura 11. Figura 11 Gráfico da pasta de solda num processo de soldagem CONCLUSÕES Este projeto teve como objetivo principal o controle de um forno que realiza o processo de solda de componentes SMD utilizando o método de refluxo. Para isso utilizamos um controle de malha fechada, utilizando como sensor de temperatura um termopar que estava no kit da spark fun adquirido para o projeto, e como controlador do processo um micro-controlador PIC, um cooler para atuar como resfriador e estes foram utilizados em um forno doméstico convencional alterado para ter uma maior potência. Todos os problemas encontrados foram ajustados dentro do microcontrolador com ajuda das técnicas de controle citadas nesse artigo. Este projeto poderia com algumas pequenas modificações ser projetado para venda em larga escala de fornos com temperaturas programáveis, já que o implemento do PIC faz com que ele possa ser utilizado sem um computador e um software para seguir set points, totalmente embarcado e com opções de ajustes no próprio LCD para que o usuário possa escolher o tipo de temperatura que gostaria que o forno seguisse no tempo desejado. AGRADECIMENTOS Agradecemos aos idealizadores, coordenadores e funcionários da UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA. A todos os professores pelo carinho, dedicação e entusiasmo demonstrado no curso até o presente dia. Aos colegas de classe pela espontaneidade e alegria na troca de informações e materiais numa rara demonstração de amizade e solidariedade. Às nossas famílias pela paciência em tolerar a nossa ausência. E, finalmente, a DEUS pela oportunidade e pelo privilégio que nos foram dados em compartilhar tamanha experiência e, ao freqüentar este curso, perceber e atentar para a relevância de materiais e técnicas que não faziam parte, em profundidade, das nossas vidas. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Reflow toaster basics, disponível em: Reflow Toaster v2 Schematic, disponível em: Toaster-v2-Schematic.pdf Excellent Article de Kit Ryan, disponível em: n-usermanual.pdf MALVINO, A. P. Eletrônica. Brasil: Mc Graw-Hill,1987 Figura 11 extraída do TCC de Blayton Marquelhius Portela, sobre fornos utilizados para processos de soldagem