Projektista yleisesti
Tammikuussa Helsingin labille päätettiin rakentaa juotosuuni, ehkä vähän senkin takia että allekirjoittanut on semmoisen itselleen kyhännyt joku aika sitten hyvällä menestyksellä.
Uunin toimintaperiaate
Monet kaupalliset ja käytännössä kaikki itse modatut juotosuunit toimivat infrapunasäteilyn lämpövaikutuksella. Tällaisessa uunissa ei ole mitään hyvin määriteltyä sisälämpötilaa, vaan siellä olevat kappaleet lämpiävät imemänsä säteilyn energialla suoraan. Kuinka paljon säteilyä ne imevät ja kuinka paljon heijastavat riippuu kappaleen materiaalista ja väristä vaikeasti ennustettavalla tavalla. Toki tummat kappaleet kuumenevat vaaleita nopeammin ja säteilijöitä lähimpänä olevat pinnat saavat eniten lämmitystehoa per pinta-alayksikkö.
Itse tehty uunihan kuuluu siis rakentaa infrapunalla toimivan pizza- tai voileipäuunin runkoon mikä onkin lähtökohtaisesti hyvä ajatus. Sellaisia vaan on suuri valikoima joten ei ole itsestään selvää että tarkkaan ottaen millainen uuni otetaan muokkauksen kohteeksi. Hyvin tyypillistä on lämmitysvastusten sijoittaminen 2 ylös ja 2 alas, jolloin saavutetaan oletettavasti tasaisempi lämmitys pizzaläpän molemmille pinnoille. Tämä ei kuitenkaan välttämättä ole optimaalinen sijoittelu juottamista ajatellen.
Jos lähdetään siitä, että ollaan juottamassa piirilevyn yläpinnalle ladottuja komponentteja niin alapinnan ei edes haluta kuumenevan juotoslämpöön siellä jo mahdollisesti olevien komponenttien irtoamisen välttämiseksi. Toisaalta mikäli yläpuolen lämmityselementit ovat kovin harvassa, muodostuu piirilevylle varjoalueita korkeampien komponenttien katveisiin. Tärkeää siis olisi hallita uunin eri alueiden lämpiämistä ja varmistaa tasainen lämmönjako. Vasta kun nämä “termis-mekaaniset” alkuehdot toteutuvat riittävän hyvin, voidaan paneutua lämpötilan säätämisen haasteisiin.
Vaatimuksena uunin rungolle siis oli, että siinä pitää olla mahdollisuus valmiiseen lämmönjakoon tai että se voidaan modata sopivaksi. Valmiiksi aivan nappiin osuvia runkoja ei halpisuuneista löydy, ja kalliimmissa on juotoskäytön kannalta vääriä ominaisuuksia joista on turha maksaa. Niinpä valinta päätyi simppeliin infrapuna-kiertoilmauuniin josta on mahdollisuus muokata oikein sopiva juotoskäyttöön .
Valitun uunin hyvä puoli on sisään rakennettu kiertoilmapuhallin, jolla voidaan tasata eri kohtien välisiä lämpötilaeroja ilmaa kierrättämällä. Kokemuksen perusteella alkuperäiset 2 ylävastusta yhteisteholtaan ~700W tiedettiin liian kevyiksi. Kun alavastukset kuitenkin haluttiin säilyttää esilämmitystä varten, laitoin ylös hieman muotoillun 2,2 kW saunan kiuasvastuksen. Sen sormimuoto ja 8 lämpiävää sauvaa rinnakkain takaavat tasaisen varjottoman ylälämmön ja varmasti riittävän säteilytehon.
Koska uunin sisäilman lämpötila ei suoraan indikoi oikein mitään, tehdään lämpötilan mittaus kahdella K-tyypin termoparilla juotettavien levyjen ylä- ja alapinnasta. Tähän uuniin valittiin samat komponentit joista on jo hyvää kokemusta allekirjoittaneen omassa uunissa. Pointtina se, että elementit on kokonaan metallikuorisia ja probeosa on varsin ohut mutta silti tukevan oloinen.
Myös on tärkeää että koko elementti kestää uunin lämmön paistumatta korpuksi kuten kangaspintaiset johdot tuppaavat tekemään.
Lopullisessa uunissa uunipelti ja -ritilä korvataan kevyellä lämpöä hyvin johtavalla verkkohyllyllä siten, ettei piirilevyjen alle muodostu lämpökaivoja tukirankojen kohdalle. Sellaiset saattavat estää juottumisen paikallisesti kun lämpö johtuu levyn läpi ritilän rakenteeseen.
Uunin sähköistys ja ohjaus
Alkuperäisessä uunissa toimivin ohjauskomponentti on merkkivalo. Kaikki muut säätimet ovat täysin viitteellisiä eikä niillä ole mitään roolia kunnollisessa toteutuksessa. Tavoite on ohjata uunin lämpötilaa komponenttivalmistajien julkaisemien lämmityskäyrien mukaisesti ja siihen pääsemiseksi tarvitaan kohtuullisen tarkkatoiminen sekvensoiva säätäjä. Uunin tulee kyetä seuraamaan linkin kuvauksen mukaista lämpötilakäyrää: http://www.altera.com/literature/an/an353.pdf
Lämmitys tapahtuu siis alhaalta alkuperäisillä ~700 W vastuksilla jotka osallistuvat lähinnä esilämmitykseen, ja ylhäältä 2,2kW tehovastuksella joka hoitaa varsinaisen juotoslämpöön noston. Molempia ohjataan Sharpin optisesti erotetuilla, nollapistekytkevillä puolijohdereleillä. Samanlaisella ohjataan lisäksi kiertoilmapuhallinta jotta sen puhallustehoa on mahdollista säätää sopivaksi juotossyklin eri vaiheissa. Releet ja niiden tarvitsemat apukomponentit kuten snubberit jne on sijoitettu omalle piirilevylleen uunin vapaaseen päätytilaan.
Samaan pätytilaan sijoitetaan lisäksi toinen piirilevy jolle tulee apujännitteen verkkomuuntaja ja yksinkertainen lineaariregulaattori muodostamaan +9V apujännitteen. Kyseinen apujännite syöttää sekä puolijohdereleiden ohjauspiirit että alkuperäiseen ohjauspaneelitilaan tulevan Arduino Due:n jolla ajetaan varsinainen ohjausohjelma.
Uunin käyttöliittymänä toimii Mikroelektronikan TFT-proto LCD-kosketusnäyttö jota ohjaa juurikin edellämainittu Due. Näyttö on liitetty käyttäen Duen prosessorin (Atmelin ATSAM3X8E Cortex M3) natiivia SPI-väylää DMA-tuettuna. Näin näyttö on saatu varsin nopeaksi. Pääasiallinen syy Duen valintaan on kuitenkin, ettei 8-bittisissä Unoissa ja sen sukulaisissa yksinkertaisesti riitä flash-muisti tallentamaan sekä ohjausohjelmaa että näytön vaatimia juttuja, mm. fontteja.