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[Test] Contrôleur pour four de recuisson (soudure de CMS)

Bonjour tout le monde !

Après deux jours de pause – fête du Travail oblige – me revoilà avec aujourd’hui un test hardware.
Ça faisait longtemps que je n’en avais pas fait 🙂

Rappelez vous, dans mon précédent article je vous présentez rapidement l’avancement d’un projet un peu fou avec plein de leds.
Tout souder à la main aurait pris des mois, j’ai donc dû investir dans du matériel de soudure un peu plus efficace.
Mais n’ayant pas un budget de 30K€ pour acheter une machine de « pick and place » et une machine de soudure à la vague j’ai dû faire avec les moyens du bord.

Introduction

Pour mon projet je devais souder un peu plus de 400 leds CMS (CMS = « composants montés en surface » = pas de patte qui traverse le circuit).
Cela représente une charge de travail énorme, par conséquent j’avais besoin d’un outil plus adapté qu’un simple fer à souder : un four de recuisson.

Pour faire simple un four de recuisson pour CMS est un four comme pour faire la cuisine, mais qui permet de souder des cartes électroniques au moyen de tubes infrarouges.

Un four de recuisson est cependant un peu plus intelligent qu’un simple four traditionnel. Ceux-ci disposent généralement d’un contrôleur électronique permettant de respecter (plus ou moins bien suivant la qualité du contrôleur) un « profil » de soudure.
Ce profil varie en fonction des composants et de la soudure utilisés. Si on ne le respecte pas, les composants ne seront pas soudés correctement ou carrément cuits à point avec en cadeau un beau nuage de fumée.
Le choix du four est donc relativement important, car celui-ci influe directement sur la qualité des cartes finies.

Au départ je comptais prendre un four de recuisson chinois assez répandu dans le milieu du DIY : le T962-A, disponible très facilement sur ebay pour environ 350€.
Mais après quelques recherches je me suis rendu compte que ce four « low cost » n’avait pas que des bons côtés : émission de fumées toxiques, scotch d’assemblage qui fond sur certains modèles, sortie d’air chaux mal placée, etc.

De tels problèmes techniques sont à mes yeux bien trop importants pour compenser le prix outrageusement bas de ce four (comptez 600-700€ HT pour un « vrai bon » four de recuisson).
J’ai donc cherché une solution alternative, low cost, de qualité et sans prise de tête pour l’avenir.

Hasard du calendrier, Dave Jones du EEVblog sorti quelques jours plus tard une vidéo présentant un contrôleur de refusions que je vous présente moi même aujourd’hui dans cet article 😉

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Le contrôleur (fabriqué et commercialisé par BetaStore) en soi coûte un peu cher : 130€ pièce.
Mais avec un peu de recul et de prise en main, je dois avouer que c’est un très bon investissement.

Ce contrôleur est tout bête : il transforme un mini four de cuisine infrarouge en four de recuisson.
L’idée est brillante, la solution low-cost et le résultat … impeccables.
J’ai depuis décembre réalisé pas moins de 10 lots de cartes diverses et variées avec mon four de recuisson, aucune carte n’a eu de problème de soudure.
(Le problème rencontré par Dave Jones dans sa vidéo est lié à l’utilisation d’une grille de cuisson. J’en reparlerai un peu plus tard dans l’article)

On est certes loin, très loin, d’un four de recuisson professionnel avec affichage en temps réel du profil de température et ventilation intégrée, mais ce petit contrôleur (avec un mini four de cuisine de bonne puissance) égal sans problème un four chinois comme le T962-A.

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À la sortie du carton on a un petit effet de « arf, c’est bien cher pour ci peu ».
Mais en réalité 130€ n’est pas bien cher payé vu la qualité du résultat final.

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Le contrôleur est livré avec un CD-ROM contenant la notice d’utilisation et quelques informations pratiques d’usages.
Ces mêmes informations sont disponibles au format PDF sur la boutique de BetaStore.
Le manuel est en deux langues : anglais et allemand. Pas de manuel en français pour un produit allemand c’est un peu dommage, mais pas critique.

En plus du CD-ROM le contrôleur est livré avec une sonde de température (un thermocouple type K tout ce qu’il y a de plus classique) et un lot de câbles aux normes européennes.
Pour avoir déjà côtoyé ce genre de câbles, je peux affirmer sans me tromper que le prix du boitier en plastique et des câbles compte au moins pour 50% du prix du contrôleur.

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Concernant l’interface utilisateur, celui-ci est … simpliste.
Pas d’écran lcd, mais de rétroéclairage bleu ou d’autres astuces pour rendre le produit plus attrayant comme avec les fours chinois.
C’est basique, mais fonctionnel.

Chaque état de l’étape de recuisson est associée à une led qui s’allume et/ou clignote en fonction de l’état d’avancement du dit processus.
De plus, trois boutons permettent de lancer au choix : le processus d’autoapprentissage, le processus de soudure, ou d’éteindre le contrôleur.
Je reviendrai un peu plus tard sur ce processus « d’autoapprentissage » 😉

Personnellement je trouve cette interface simpliste est très bien.
Un écran lcd aurait pu rendre la chose plus aguichante, mais soyons réaliste, c’est un contrôleur de recuisson, pas une navette spatiale.
L’important est que le contrôleur respecte scrupuleusement le profil de recuisson choisi et c’est cela qui fait toute la qualité ou la non-qualité d’un four de recuisson.

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De chaque côté du contrôleur ont retrouve les connecteurs d’alimentation secteurs aux normes européennes.
L’un permet d’alimenter le contrôleur (et le four), l’autre permet d’alimenter le four.

On retrouve aussi un connecteur avec détrompeur pour le thermocouple et un port RS-232 pour avoir un accès distant depuis un ordinateur. J’en parlerai un peu plus tard.

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La prise d’alimentation pour le four doit à elle seule valoir dans les 30€.
La sécurité a toujours un prix, mais pour le coup ici ce n’est pas du luxe puisse que l’on travaille sur le 220v avec des puissances de l’ordre de 1300W.

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Afin de rentabiliser les 20€ de frais de port, j’ai aussi prit le kit du parfait petit soudeur de CMS.
Support, spatule, patte à souder, grattoir, flux, tout ce qui faut pour souder des composants CMS avec un four de recuisson.

Pour les débutants BetaStore propose même un kit d’apprentissage pour souder des CMS.
Je trouve cela un peu gadget, la soudure de CMS est quand même un sujet assez poussé qui demande déjà de bonnes bases en soudure classique.

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En parlant de patte à souder, j’en ai deux types :
– de la patte de haute qualité disponible sur la boutique de BetaStore,
– de la patte à souder chinoise, pas chère et disponible sur ebay (UK) par lot de trois.
L’une est ROSH, l’autre non, à vous de voir si vous êtes du genre à vouloir sauver la planète et les petits oiseaux 😉

J’ai aussi toujours du flux sous la main pour redonner un coup de jeune à la patte à souder.
Ce qui fait qu’un pot de patte à souder n’est plus utilisable c’est simplement que le flux à l’intérieur s’évapore et que la patte durcie.
Avec un peu de flux, il est possible de garder un pot de patte à souder bien plus longtemps que les 6 mois de base.

Ironiquement le flux le moins cher que j’ai pu trouver chez Farnell était aussi celui de meilleure qualité.
Pour les non-connaisseurs, Weller ne fait pas dans le bas de gamme. Mon fer à souder de +25 ans d’âge (et toujours parfaitement fonctionnel) en est la preuve 😉

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Je me suis aussi fait un petit plaisir avec cette loupe à bras 😉
C’est bien pratique pour prendre en photo des petits composants.

Le mini four

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Avoir le contrôleur de recuisson c’est bien, mais sans un mini four ça ne sert pas à grand-chose.
Pour pouvoir faire usage de tout le potentiel du contrôleur, il faut un mini four de cuisson à tube infrarouge de 1000W à 1500W maximum.

Pour ma part j’utilise un mini four de 1350W à 35€ pièce que j’ai trouvé en grande surface.
Voici la référence exacte :
http://www.corastore.fr/catalogue/electromenager/gros-electromenager/cuisson/mini-four/article/1673/mini-four-noir-18l-1380w-to1802a.html

ATTENTION : le mini four en question devra être exclusivement utilisé pour faire de la soudure.
L’intérieur du four sera d’utilisation en utilisation recouvert d’une couche invisible de produit toxique déposé par les fumées de soudure.
N’utilisez donc jamais un four ayant servi de four de recuisson pour faire la cuisine !
De plus, n’utilisez pas un mini four ayant déjà servi, la graisse n’est pas le meilleur ami des cartes électroniques.
Je peux admettre qu’une carte senteur Bacon ait un certain intérêt, mais ce n’est pas vraiment le but 😉

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Ainsi, afin d’être sûr que personne n’utilisera mon mini four pour autre chose que de la soudure j’ai apporté quelques « améliorations » à celui-ci.

J’ai tout d’abord retiré le minuteur dont le tic-tic m’énervait au plus haut point.
De même, j’ai retiré le régulateur de température, j’ai cependant ajouté un fusible thermique par sécurité.

À moins d’avoir un grain de riz à la place du cerveau, je vois mal quelqu’un faire cuire son rôti dans mon mini four.

PS : j’aurai pu ajouter de la laine de verre tout autour du four pour isoler un peu mieux celui-ci, mais de base il fonctionne très bien ainsi.

Test et utilisation

Après avoir remonté le four, placé la plaque de cuisson à mi-hauteur et tourné le bouton sur la position « chauffage haut et bas » le test peut commencer.

Remarque : il est très important d’utiliser une plaque de cuisson pleine, pas une grille.
Avec une grille les barres de métal absorbent la chaleur et font perdre en uniformité la répartition de la chaleur.
De plus il est impératif de placer le four en position « chauffage haut et bas » pour que la chaleur monte rapidement dans le four.
Dans le cas contraire, la soudure ne sera pas parfaite et certains endroits pourraient même ne pas souder tout simplement.

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L’utilisation du contrôleur se fait en deux étapes.
Lors de la première utilisation, il est nécessaire de lancer le processus d’autoapprentissage.
Le contrôleur va alors réaliser un test de recuisson à vide pour mesurer les capacités physiques du four et s’adapter en fonction des résultats obtenus.

Cela permet par la suite de respecter au mieux le profil de soudure choisi en prenant en compte l’inertie thermique du four.
Le processus d’autoapprentissage se lance en appuyant sur le bouton « Learn ». Quand celui-ci est terminé, le contrôleur émet un bip long et la led « reflow » clignote.

Une fois les capacités du four mesurées il n’est plus nécessaire de lancer le processus d’autoapprentissage, les données sont stockées en mémoire EEPROM et sont conservées même en cas de coupure d’alimentation.
Il suffit alors de presser directement « Solder » pour lancer la soudure des cartes dans le four.

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Pour de meilleurs résultats, il est conseillé de placer la sonde de température au centre du four sur un morceau de pcb.

Histoire de ne pas avoir un fil se baladant au niveau de la porte du four j’ai fait un petit trou à l’arrière de celui-ci pour faire passer le fil du thermocouple.

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NB : La led « reflow » clignote tant que le four est au-dessus de 50°C.
Il n’est pas possible de lancer un processus de soudure tant que le four est chaud.

De plus pour respecter la fin du profil de soudure il est nécessaire d’entrouvrir la porte du four quand le processus de soudure se termine et que le contrôleur émet un bip long.

Dans tous les cas, il est impératif de rester à côté du four pendant toute la durée du processus (~15 minutes) pour éviter tout problème.

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Un dernier point intéressant de ce contrôleur est le port série RS-232.
Ce port série permet de relier le contrôleur à un ordinateur et de lui passer des commandes au moyen d’un terminal série.

On peut ainsi lancer le processus de soudure, voir l’état du four, modifier le profil de soudure et même demander au contrôleur de sortir au format CSV un graphe en temps réel de la température du four.

Pour les plus bricoleurs ont pourrait donc imaginer réaliser un afficheur déporté exploitant ce port série.

Bon WE à toute et à tous 😉

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Discussion

11 réflexions sur “[Test] Contrôleur pour four de recuisson (soudure de CMS)

  1. Bel article !
    Mais un petit arduino avec un programme PID ne serait-il pas aussi efficace et bien moins cher

    Publié par fr | 3 mai 2014, 20 h 50 min
    • >> Mais un petit arduino avec un programme PID ne serait-il pas aussi efficace et bien moins cher

      Pas vraiment car :
      1) Tu devrais faire toute la partie contrôle de puissance toi même, et ici on parle de commuter des puissances de l’ordre de 6A, avec du 220v dans tout le circuit.
      2) PID = trouver les valeurs adéquates pour éviter toute emballement, auto-oscillation et autre joyeuseté propre à la régulation PID.
      3) Faire la mesure d’inertie du four et déduire une régulation optimale (= simulation & tests).

      Il existe des solutions à base d’arduino mais tout est codé en dure au niveau de la régulation PID.
      De plus, même des code très poussés comme celui-ci (https://github.com/rocketscream/Reflow-Oven-Controller/blob/master/reflowOvenController.ino) ne prennent pas en compte le temps d’attente pour le positionnement des composants (grâce à la magie de la tension de surface) le « dwell time »en bon English.

      Publié par Skywodd | 3 mai 2014, 21 h 08 min
  2. mais non! Comment crois tu qu’il fonctionne ce contrôleur? Par controle PID bien entendu! Et le bouton learn il sert a quoi? Eh bien à déterminer automatiquement les paramètres Kp Ki et Kd de ton système (chauffage,four,thermocouple).

    la lib PID arduino a aussi je crois une routine d’apprentissage qui fait la même chose que ton four. Cet algo est aussi dispo dans les firmwares reprap, pour autotuner la régulation de chauffage de la buse et du lit.

    Ca marche comment? On envoie la commande à fonds les ballons, et on mesure le temps nécessaire pour atteindre 90% de la température commandée, et l’overshoot obtenu, et après combien de temps. Puis la courbe de refroidissement. A partir de là, on peut calculer P, I et D.

    Donc 2 et 3 sont réglés; le 1 n’est pas très dur avec un triac ou un relais statique.

    Le plus chiant en réalité, ce sera le programme et l’interface utilisateur, le diable se cachant dans les détails.

    Sinon, faudra que tu m’expliques comment tu soudes les CMS à la vague, ça m’intéresse 😀

    Publié par f4grx | 3 mai 2014, 22 h 13 min
    • >> Et le bouton learn il sert a quoi? Eh bien à déterminer automatiquement les paramètres Kp Ki et Kd de ton système (chauffage,four,thermocouple).

      Pour avoir tester la lib « PIDAutotune » je peut t’assurer que c’est pas encore au point … mais alors vraiment pas.
      De base la lib PID n’as pas de fonction d’apprentissage tu lui donnes les 3 coeff à la main.
      Et dans tout les codes de contrôleur de recuisson à base d’arduino c’est en dure …
      La plupart ne permettent même pas de changer les températures / timing sans recompilation ….

      Donc les points 2 et 3 ne sont pas vraiment réglés.
      Je dirait plutôt qu’ils sont réglables, mais moyennant de faire du code maison, ce qui n’est franchement pas à la porté de tout le monde 😉

      >> Cet algo est aussi dispo dans les firmwares reprap, pour autotuner la régulation de chauffage de la buse et du lit.

      J’ai pas cherché si loin.
      Rien que d’imaginer devoir creuser dans du code inconnu pour en extraire un algo relativement riche en math ça me fout des frissons.

      >> Le plus chiant en réalité, ce sera le programme et l’interface utilisateur, le diable se cachant dans les détails.

      Ben, 3 boutons et 6 leds, c’est largement suffisant pour l’ui.
      Le plus chiant c’est effectivement le programme. Et rien que pour ça je préfère un truc tout prés qui marche et dont le fonctionnement est avéré.

      >> Sinon, faudra que tu m’expliques comment tu soudes les CMS à la vague, ça m’intéresse 😀

      Rooo, tu chippotes 😛

      Publié par Skywodd | 3 mai 2014, 22 h 38 min
      • ah mais vivi, tout à fait, le truc sur étagère Kimarche © , quand on a pas prévu de passer quelques jours à coder le truc, c’est très bien! 😉

        Publié par f4grx | 6 mai 2014, 12 h 33 min
  3. Salut,
    J’ai fait exactement la même chose avec un four à 29€ en promo chez Super-U, mais j’ai utilisé le boitier ospid (open source, afficheur, extensible, un vrai bonheur) + un relais SSR (90$ le tout)
    http://www.rocketscream.com/blog/product/ospid-kit/

    j’ai longuement hésité mais je ne regrette pas l’investissement, en plus il est fourni une interface pour créer tes profils, voir les courbes en temps réel, programmer les paramètres, vraiment bien, Doc ici
    http://www.ospid.com/docs/index.php?title=Main_Page

    Je suis d’accord avec le fait que l’autotune (calcul auto des parametres pid) est pas terrible du tout. Du coups une saine lecture du document PID without phd en apprend beaucoup et les graphes parlent d’eux mêmes
    http://www.ece.ucdavis.edu/~spencer/195/datasheets/PID-Without-a-PhD.pdf
    j’ai regardé pris les paramètres de la figure 18, soit p=10 i=0.1 et d=50 et çà marche super bien !!!!

    j’ai en revanche démonté le four et tout isolé avec du papier aluminium et mis une brique emballé dans du papier alu aussi dedans (pour réduire le volume) et enfin isolé aussi la porte vitrée (en laissant juste une fenetre de visu) comme çà la température monte beaucoup plus vite et je suis la courbe préconisée pour la soudure de façon super précise.
    idée prise ici http://lowpowerlab.com/blog/2013/09/06/reflow-oven-insulation/

    Publié par challardCharly86 | 4 juin 2014, 17 h 53 min
    • J’essayerai l’isolation au papier d’alu pour voir si ça fait de l’effet.

      Pour le contrôleur « osPID » … le montage modulaire avec juste des borniers, sans sécurité intégré ni certification CE ça me fait un peu peur comme truc …
      Je ne laisserai jamais un truc comme ça seul sous tension.

      Publié par Skywodd | 9 juin 2014, 19 h 38 min
  4. Bonsoir,
    A ce jour, toujours content de ce four à refusion?
    Je compte prendre ce contrôleur et l’associer à ce four:
    http://www.conforama.fr/electromenager/cuisson/mini-four/mini-four-19-litres-far-mf19b-a12-ci/p/494519

    Publié par Fioulmaster | 9 décembre 2014, 21 h 41 min
    • J’en suis plus que content.
      On se fait avoir la première fois en utilisant la grille (il faut utiliser la plaque pleine pour obtenir une diffusion de chaleur homogène) mais à par cela ça vaut largement un four IR chinois.
      Pour le mini four en lien, j’ai le même type de four, avec la même puissance. Ça devrait marcher sans problème après un cycle d’apprentissage du contrôleur.

      Publié par Skywodd | 10 décembre 2014, 11 h 30 min
      • salut a tous , je possede ce four et ce controller , pour moi j ai un probleme je pence ; le four chauffe trop fort et brule tous . Je cherche a daire un reset du module et refair un apprentissage ! comment cela pourrrez etre possible ? juste un appuyant sur LEARN ? .

        Publié par dany | 20 mars 2016, 8 h 48 min
  5. Pour info : les CMS peuvent effectivement se souder à la vague. La solution de refusion est relativement récente par rapport à la vague. 2 précautions sont à prendre : les empreintes doivent tenir compte du sens de vague, être suffisamment grande et contenir des pièges à soudure et les composants sont collés pendant la pose. Voilà.

    Publié par Dp300 | 3 mars 2017, 14 h 11 min

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