Паяльная станция: обзор видов с фото и видео

Работа с микросхемами

В современных электронных приборах используются очень мелкие детали, например микросхемы с большим количеством контактов. Крепить и удалять их обычным способом нельзя. Для этого используют бесконтактную пайку, которая основана на нагреве контактов с помощью инфракрасного излучения или потоком горячего воздуха.

Начнем с конструктивных особенностей индукционного нагревательного элемента (см. рисунок 1), это позволит лучше понять его принцип действия.

Указанные обозначения:

• А – экранирующая оболочка;
• В – провода, подающие напряжение к индуктору;
• С – ручка паяльника;
• D – жало;
• Е – индукционная катушка;
• F – ферромагнитный слой.

Теперь поверхностно расскажем о принципе действия, не погружаясь в теоретические основы электромагнитной индукции. При поступлении в индукционную катушку высокочастотного напряжения происходит формирование переменного магнитного поля. Поскольку скин-слой жала выполнен из ферромагнитного материала, то начинается процесс его перемагничивания, который сопровождается образованием вихревых токов. Это приводит к значительному выделению тепловой энергии.

Преимущества индукционного метода очевидны: поскольку в качестве нагревательного элемента выступает жало паяльника, его нагрев происходит равномерно. Следовательно, отсутствуют потери от температурной инерции, и полностью исключен локальный перегрев, вызывающий окисление и выгорание жала. В результате, увеличивается его срок эксплуатации и повышается КПД устройства.

Из истории пайки и металлургии

Данный вопрос имеет, скорее, теоретическую подоплеку, чем практическое применение. Безусловно, можно сделать самодельный блок управления под готовый индукционный паяльник. Но стоимость такого проекта будет незначительно отличаться от серийного изделия, произведенного в Китае.

Значительно полезней модифицировать готовое устройство с целью его усовершенствования.

Данный тип станций конструктивно представляет собой паяльник, снабженный электронным блоком управления, который представляет собой обычный терморегулятор.

Станции для контактной пайки условно можно разделить на категории, в зависимости от типа используемого припоя:

• устройства, предназначенные для оловянно-свинцовых припоев;
• станции для бессвинцового припоя.

Типичными представителями станций для пайки оловянно-свинцовым припоем являются модели Аoyue2900 , Аoyue 936, их фото показаны ниже.

Данный тип отличается тем, что на нем установлен более мощный нагревательный элемент, как правило, от 75 до 160Вт. Это связано с высокой температурой плавления бессвинцовых припоев (около 300°C), поэтому для разогрева места пайки до нужной температуры требуется большая мощность.

Благодаря наличию терморегулятора, станции этого типа могут быть использованы для работы с обычным припоем, содержащим свинец, то есть не таким тугоплавким.

В зависимости от принципа работы блоков управления станций для пайки, их принято разделять на цифровые и аналоговые. У последних стабилизация заданной температуры происходит по следующему принципу:

• нагревательный элемент включен, пока жало паяльника не достигнет определенной температуры, после чего происходит отключение питания;
• после падения температуры ниже заданного диапазона нагреватель опять включается.

Собственно, за работу паяльника отвечает электромагнитное реле, управляемое электронной схемой, получающей сигнал от термодатчика. Единственное достоинство аналоговой системы управления станцией для пайки – невысокая цена реализации.

К недостаткам следует отнести низкую точность, которая приводит к перегреву жала паяльника, и связанные с этим проблемы (частая замена жала, перегрев радиодеталей и т.д.).

Цифровая станция для пайки управляет нагревательным элементом при помощи ПИД-регулятора, контролируемого запрограммированным микроконтроллером. Он устанавливает необходимую мощность нагрева. Такой способ управления намного точнее аналогового.

В данном типе в качестве нагревательного элемента используется импульсная индукционная катушка, на которую подается высокочастотное колебание, вызывающие в ферромагнитном покрытии появление вихревых токов. Нагрев происходит до достижения температуры точки Кюри, после чего у ферромагнетика изменяются магнитные свойства и, соответственно, прекращается нагрев.

Бесконтактные станции для пайки применяются при ремонтно-демонтажных работах с электрическими схемами, помимо этого их используют при замене чипов (микросхем) с большим количеством выводов.

В зависимости от принципа действия, бесконтактная станция для пайки может быть термовоздушной или инфракрасной. Рассмотрим подробно каждый из этих типов.

По способу пайки существуют контактные и бесконтактные устройства. Принцип действия контактных паяльных станций не отличается от классического паяльного устройства.

Бесконтактная или термовоздушная паяльная станция особенна тем, что очень тонкий направленный луч подается в рабочую зону. Инфракрасная станция осуществляет пайку посредством воздействия инфракрасного луча на зону пайки. Такое устройство является незаменимым при ремонте точной техники, микросхем планшетов, ноутбуков, телефонов и прочих устройств.

Основной отличительной чертой таких станций является использование различных припоев: олово со свинцом либо без свинца. Технически обе станции очень похожи. Паяльники имеют керамический нагреватель, сенсор температуры, один конический наконечник (для выполнения разных работ, желательно приобрести набор подходящих к паяльнику наконечников).

Потребляемая мощность сорок ватт, напряжение двадцать четыре вольта, есть заземление, поэтому можно работать с деталями, которые боятся статического электричества.

Необходимо иметь запасные насадки. Они отличаются конфигурацией и предназначены для пайки разных деталей. Чтобы определиться какие жала нужны для паяльной станции, нужно рассмотреть все возможные варианты предстоящих работ, которые могут возникнуть в будущем.

Нельзя забывать о правильном выборе материала, из которого выполнены насадки потому, что разные металлы имеют не одинаковую теплопроводность.

Характерным отличием такой станции является повышенной мощностью паяльника: от 75 до160 ватт. Такой припой имеет высокую температуру плавления, поэтому место крепления деталей необходимо хорошо разогревать.

В то же время, такую станцию можно использовать и для работы с тонкими дорожками потому, что регулятор температуры не даст разогреться наконечнику больше установленной температуры. Также можно использовать припой со свинцом.

Контактными паяльными станциями удобно припаивать детали, а вот обратный процесс лучше производить паяльной станцией с феном. Такие приборы имеют широкий диапазон цен потому, что отличаются комплектацией некоторыми функциями. Обычно поставляются насадки с разным диаметром выходного отверстия для изменения ширины струи нагретого воздуха.

В корпусе фена есть вентилятор, который меняет свою производительность в зависимости от положения регулятора. Температуру воздуха также можно изменять.

Улучшенную конструкцию имеют фены с индивидуальной электроникой. Комплектуются круглыми насадками, имеют регулятор температуры, силы воздушной струи. Цифровой индикатор отображает степень нагрева выходящего воздуха. Удобно работать феном, если вентилятор встроен в ручку, а не в блок управления. Тогда фен соединен обычными проводами и нет жесткой резиновой трубки, которая несколько мешает движениям.

В продаже имеются насадки различной конфигурации для работы со многими микросхемами. Они помогают не только удалять детали, но и припаивать их в нужном месте, а при работе обычным паяльником – подогревать детали для лучшего крепления. Главное, разобраться какие насадки подходят для определенных термовоздушных паяльных станций.

С помощью фена можно выполнять другие работы, не связанные с паянием, например, нагревать трубки для насадки на металлический удлинитель, соединения пластмассовых деталей или просушки чего-нибудь.

Известны сведения, что пайка применялась в Месопотамии уже 5000 лет назад. Избранные шумерские мечи за 3000 лет до Рождества Христова собирались указанным методом. Неправильный процесс пайки приводит к печальным последствиям. Экспедиция Скотта к Южному полюсу погибла из-за того, что ёмкости, паяные оловом, растеряли запас горючего.

В США зарегистрировано общество сварщиков. Это официальная организация, которая занимается специфическими вопросами соединения металлов. Любой желающий вправе проверить на aws.org. Американское общество сварщиков стало некоммерческой организацией, основанной в 1919 году с целью изучения и описания процессов сварки и пайки. Издания упомянутого социума полны наукоёмких определений.

Логотип Американского общества сварщиков

AWS охватывает свыше 73.000 человек и состоит из 22 отделов, делящихся на 250 секций, раскиданных по миру. Благодаря этой организации, знания, касающиеся сварки и пайки, постоянно систематизируются и поддерживаются в свежести. Первые трудности американское государство стало испытывать в период I мировой войны, когда скорость создания боевой техники сильно пострадала из-за отсутствия стандартов. Президент Вудроу Вилсон обратился за помощью к профессору Комфорту Адамсу для создания специального комитета, способного заняться вопросом.

28 марта 1919 года родилось AWS. Уже за первый год существования организация выросла до 217 участников, обзавелась собственными публикациями и штаб-квартирой. В первые годы общество жило за счёт сборов в пользу собственного журнала. Сегодня общество занимается обучением профессионалов мира, продолжает научные публикации, ведёт аккредитацию специалистов.

Не каждый сразу понимает, зачем нужна паяльная станция. Для большинства это просто удобная подставка. Мы утверждаем, что технологический режим часто определяет успех или неудачу мероприятия. Пайкой принято называть процесс соединения двух металлов при помощи припоев без плавления. В процессе активно участвует флюс, в задачи которого входит удаление оксидной плёнки, улучшение свойств смачиваемости и прочие. К припою предъявляется ряд условий:

1. От припоя зависит прочность будущего соединения.
2. Сплав, использующийся в этом качестве, обязан хорошо смачивать соединяемый металл.
3. В местах контакта неизбежно образуется диффузия, процесс не должен снижать прочности.

Если говорить подробно, характеристики припоя удобно отображать в виде температурных диаграмм, наподобие тех, что иллюстрируют состояния стали. Оказывается, у смеси двух металлов вне зависимости от процентного состава композиции одинаковая точка отвердевания. Но окончательное плавление происходит при разной температуре.

К примеру, при смешивании серебра и меди образуется сплав с соотношением компонентов 72:28, причём точка плавления (ликвидус) максимально приближена к кристаллизации (солидус). Этим обеспечивается гомогенность припоя при работе. В противном случае подвижные его фракции при относительно низких температурах отделяются.

Процесс пайки

Принцип работы

Работа аналоговых станций основана на периодическом включении и выключении подачи тока для нагрева паяльника в зависимости от его температуры. Точно выдержать ее, практически, невозможно, поэтому часто наконечник перегревается.

Цифровые паяльные станции используют регулятор температуры, запрограммированный микроконтроллером, что заметно повышает точность выдерживания необходимого нагрева наконечника.

Управлять процессом нагрева можно двумя способами:

1. Установив на жало термодатчик и подключив его к цифровому блоку управления. Такой способ стабилизации температуры применяется практически во всех недорогих индукционных паяльных станциях, например: Quick 203H или Yihua 900Н (показана на рисунке 2).
   

   

2. Меняя состав ферромагнитного сплава, покрывающего жало. Данный принцип основан на том, что при определенной температуре (точка Кюри), ферромагнетики утрачивают свои свойства, в результате чего паяльник перестает нагреваться. Такой метод стабилизации температуры был запатентован компанией Metcal под названием SmartHeat®, что дословно переводится как «умный нагрев». Применяется в моделях Metcal, OKI, ERSA, Weller и т.д.
   

   

У каждого из представленных выше методов есть свои достоинства и недостатки. Станции с термодатчиком существенно дешевле, что делает их доступными не только для профессионалов, но и любителей. Точность и надежность такого оборудования напрямую зависят от цифрового блока управления.

Второй способ стабилизации температуры осуществляется за счет установки картриджей-наконечников с определенной точкой Кюри – он более надежен. Но станции SmartHeat® имеют два существенных недостатка:

1. Высокая стоимость, не каждый профессионал может себе позволить купить такое оборудование. Но новое поколение бюджетных моделей более доступно.
2. При изменении режима пайки необходимо устанавливать соответствующий картридж-наконечник, которые, как правило, не входят в комплект поставки и стоят недешево.

Паяльные станции также различаются и по способу управления. Они бывают двух видов, речь идет об аналоговых и цифровых паяльных станциях.

Аналоговые станции являются самым простым вариантом, включение этого устройства производится при нагреве металла до заданной температуры. Однако существует и недостаток, поддерживать постоянную температуру не представляется возможным.

За то время, когда станция отключена жало остывает и приходится каждый раз ждать пока жало разогреется до необходимой температуры. Это означает, что приходится каждый раз делать перерывы, пока жало вновь разогреется и с ним можно было работать. Данное устройство больше подходит для начинающих любителей, нежели для опытных мастеров.

Цифровые паяльные станции управляются непосредственно контроллером, это означает что станция управляется электроникой, больше всего затрагивается именно температурный уровень самого паяльного жала. Такой процесс был реализован благодаря изменениям подаваемого напряжения.

Подобные устройства намного удобнее для пайки, но цена на такую технику немного кусается. При всем этом, такие станции в отлично подойдут начинающим мастерам своего дела.

Индукционные устройства

Изготовители станций

Хорошими техническими характеристиками на рынке сегодня обладают паяльные станции немецкого (Ersa) и китайского (Quick, Lukey, Aoyue) производства. Комплектация и цены у них очень разные, поэтому каждый выбирает по своим потребностям.

Профессионалы могут выбрать паяльную станцию Aoyue – 2702 a. Помимо фена и паяльника она имеет пистолет для демонтажа и улавливатель дыма, что улучшает комфортабельность рабочего места. Какую станцию выбрать – дорогую или надежную – подскажет личный опыт.

Термовоздушная станция с феном

Станции контактного типа относятся к монтажным, то есть с их помощью можно припаять радиодетали, но использовать такие устройства для демонтажа, особенно элементов в многовыводном корпусе, не представляется возможным. Для этой цели используются устройства, оборудованные термофеном.

Заметим, что иногда радиолюбителями для этой цели применяется промышленный фен, или даже газовая горелка, но с их помощью не всегда удается добиться необходимого результата.  Мощный поток нагретого воздуха может сдуть с платы соседние радиодетали. Чтобы избежать этого, лучше воспользоваться специальными устройствами.

Модель, представленная на фото, оборудована цифровыми контролерами уровня. Такие устройства стоят несколько дороже обычных моделей, но если есть возможность, то лучше купить станцию, оборудованную феном для пайки (Quick 850AD, Element 898BD, BAKU (Баку) 761D и т.д.).

Как правило, в комплекте с фенами идут насадки, позволяющие регулировать воздушный поток.

Возможность построить своими руками

Как сделать паяльную станцию? Какие компоненты паяльной станции можно сделать своими руками? Для ремонта или изготовления аппаратуры на основе микропроцессоров чаще всего нужна пара устройств:

• фен, подающий нагретый воздух;
• инфракрасный тепловой излучатель;

Выходное сопло сделать из термостойкого кольца. Мощность необходима около 500 ватт. В качестве компрессора можно использовать небольшой вентилятор. Для регулирования температуры воздуха необходимо установить термопару.

Часто для ремонта процессора компьютера нужен инфракрасный паяльник. Он состоит из таких частей: нижний нагреватель, верхний нагреватель, штатив и блок управления.

Нагреватель можно сделать из нихромовой спирали или галогеновой лампы. Нижний и верхний блоки – стальные коробки. Для контроля температуры используют две термопары – на корпусе процессора и на поверхности материнской платы.

Таким образом, паяльная станция – это хороший помощник, как домашнему мастеру, так и профессионалу.

Обладая определенным опытом, не составит труда сделать своими руками станцию для пайки. Предложенная ниже схема – это простой регулятор температуры паяльника.

Используемые элементы:

• VD1- любой диод, рассчитанный на напряжение 400-600В и ток от 1А, например, 1N4007;
• VD2 – в данной схеме можно использовать КУ101Г или его аналог;
• C1 – конденсатор емкостью 4,7мкФ, рассчитанный на напряжение 50-100В;
• R1 – переменное сопротивление  в диапазоне от 30 до 47кОм;
• R2 – резистор, номиналом от 27 до 33кОм, минимальная мощность 0,5Вт.

Собранная схема в настройке не нуждается, калибровка шкалы переменного резистора может быть выполнена произвольно.

Инфракрасные приборы

В качестве нагревательного элемента для оборудования этого типа используется кварцевый или керамический инфракрасный излучатель. Если провести сравнение с термовоздушными устройствами, то перед ними у инфракрасных приборов будут следующие преимущества:

• обеспечение равномерного локального нагрева в месте пайки;
• радиодетали не сдуваются с платы;
• нет необходимости подбирать насадку на фен под определенный чип;
• допускается работа с компонентами, у которых сложный профиль.

Заметим, что ИК станции относятся к дорогостоящему профессиональному оборудованию, радиолюбителями они используются редко из-за своей высокой стоимости.

Дополнительное оборудование для паяльных станций

Многие модели станций комплектуются дополнительным оборудованием, облегчающим работу. К таким устройствам относятся демонтажные пистолеты (специальный паяльник, снабженный оловоотсосом, позволяющий удалять припой с платы), дымоуловители, лампа подсветки и т.д.

Заметим, что такие известные производители, как Digital, Rexant, Xun, Xytronic, Ардуино, Веллер, КИТ, ОКОФ, Соломон, Термопро и т.д. в большинстве случаев комплектуют свои устройства дополнительным оборудованием. В последнее время даже продукция из Китая снабжается аксессуарами.