Індукційні паяльні системи
Євген Аксьонов
За 20 років існування індукційні паяльні системи набули найширшого поширення у виробництві та сервісі. Системи, побудовані на індукційному методі нагрівання, неодноразово довели свою перевагу перед класичним резистивним нагрівачем і міцно зайняли місце серед термоінструментів для ручного паяння. Про нові моделі такого типу паяльних систем та їх технічні особливості йтиметься у цій статті.
Трохи фізики
Індукційний метод грунтується на нагріванні провідника (у разі — наконечника паяльника) змінним магнітним полем. Поле створюється котушкою, намотаною на хвостову частину наконечника. Сам наконечник виконаний з очищеної від кисню міді — матеріалу, що має максимальну тепло- та електропровідність, із захисним покриттям у його робочій частині та шаром феромагнетика, що покриває хвостову частину (рис. 1).
Змінне магнітне поле наводить в наконечнику вихрові струми, які розподіляються не у всій товщі металу, а завдяки дії феромагнітного покриття, що екранує, з високим магнітним опором — лише в поверхневому шарі, викликаючи його інтенсивне нагрівання. Однак при досягненні певної для даного феромагнетика температури, відомої як точка Кюрі, магнітні властивості матеріалу зникають, внаслідок чого наведені струми йдуть з поверхні вглиб наконечника, де вони вже практично не викликають нагрівання через низький електричний опір міді. При найменшому відхиленні температури від точки Кюрі магнітні властивості покриття миттєво відновлюються, і відновлюється нагрівання. В результаті температура наконечника стабілізується у точці Кюрі.
Так працює найпростіший, а водночас найточніший і швидкодіючий природний терморегулятор. Які жпрактичні переваги дає індукційний метод порівняно із традиційним резистивним нагрівачем? Для відповіді це питання розглянемо основні параметри, що характеризують паяльний інструмент.
Тепловіддача
Найважливішою вимогою до сучасного паяльника є його здатність швидко передати тепло в точку паяння, у кількості, необхідної, щоб забезпечити оптимальну швидкість нагрівання контакту та компенсувати тепловідведення у провідники багатошарової плати. Класичні паяльники з керамічним або ніхромовим нагрівачем не завжди достатньою мірою відповідають цій вимогі з вини теплового бар'єру, що в тій чи іншій мірі присутній між нагрівачем і наконечником. У кращому випадку це лише шар електроізоляції нагрівача, у гіршому – повітряний зазор. Зовсім інакше працює індукційний інструмент. Тут нагріву піддається безпосередньо сам наконечник. В результаті при однаковій електричній потужності ККД і тепловіддача паяльника індукції можуть бути вдвічі вище, ніж у класичного, а сам інструмент при цьому буде набагато легшим і ергономічнішим (рис. 2).
Управління процесом нагрівання
Для отримання якісного паяного з'єднання нагрівання контакту має відбуватися з певною швидкістю до певної температури. Тільки в цьому випадку забезпечуються нормальні умови для роботи флюсу та формування правильної форми з'єднання в результаті розтікання припою. І якщо максимальну температуру, до якої слід нагрівати контакт, забезпечити досить легко, просто припиняючи пайку в момент розтікання припою, то керувати швидкістю нагрівання набагато складніше. Практично всі класичні паяльні системи, крім імпульсних, керують швидкістю нагріву через проміжний параметр.температуру холостого ходу наконечника. Чим вище задана температура, тим більше енергії накопичено в наконечнику і тим більше градієнт температур між наконечником і контактом, а отже, вища швидкість нагрівання контакту. Добре, якби всі контакти мали однакову теплоємність. Насправді ж за однієї й тієї ж температурі наконечника важкі контакти можуть нагріватися занадто повільно, а легкі контакти у цій платі майже миттєво перегріватися з допомогою лавинного сходу тепла, накопиченого в наконечнику.
Іншу картину ми спостерігаємо у роботі індукційної системи. Температура холостого ходу тут також підтримується. Вона приблизно дорівнює температурі точки Кюрі для феромагнітного покриття наконечника. Однак жодного практичного значення ця температура не має. Справа в тому, що наконечники індукційних паяльників мають виключно малу вагу і, отже, знехтує малу теплоємність (рис. 3).
При дотику навіть легкого контакту наконечник втрачає температуру, магнітні властивості покриття наконечника миттєво відновлюються, і відбувається нагрівання наконечника разом із контактом. Ключовим моментом тут є те, що чим більша теплоємність з'єднання, що паяється, тим більше буде відхилення температури наконечника від точки Кюрі, і тим більше енергії буде передавати індуктор в наконечник. Таким чином, залежно від теплоємності контакту, система індукційного нагріву сама «підбирає» необхідну потужність, так що швидкість нагріву важких і легких контактів виявляється приблизно однаковою. Як бачимо, температура холостого ходу наконечника є лише фіксованою точкою відліку, тому в індукційних паяльних системах немає звичного регулятора та індикатора температури. Оператору не потрібно підбиратиоптимальну температуру для конкретного завдання. Замість нього процесом нагрівання повністю керують закони фізики. Єдине, що потрібно, це вибрати наконечник із правильною точкою Кюрі. Усі наконечники випускаються у трьох варіантах за швидкістю нагрівання. Цього цілком достатньо, щоб вибрати відповідний наконечник для плат будь-якої теплоємності, а також для припоїв з різною температурою плавлення, у тому числі без свинцевих.
Перевірка та калібрування
Як правило, класичні паяльні станції, в яких як датчик температури використовуються термопари, вимагають періодичної повірки і калібрування. Це з природними процесами, які у термопарі, у яких з часом змінюються її параметри. Системи, що використовують платинові термодатчики, як паяльні станції РАСЄ, не вимагають калібрування на весь термін експлуатації. Проте, на багатьох підприємствах щорічні перевірки є обов'язковими: для виявлення несправностей у роботі схем управління, які можуть призвести до похибки за підтримки необхідної температури. Індукційні паяльні системи не вимагають калібрування за жодною з цих причин. У системах немає елементів, що старіють, і немає штучних схем, а працюють тільки закони фізики, які, природно, не можуть помилятися.
Паяльна система класу Hi-End
Індукційний метод нагріву наконечника паяльника був запатентований американською компанією OK International 20 років тому. За цей час індукційні паяльні системи постійно вдосконалювалися. В результаті 20-річної роботи з'явився модельний ряд індукційних станцій нового покоління, флагманом якого є система Metcal MX-5000 - одна з найдосконаліших систем для ручного паяння на даний момент (рис. 4).
MX-5000 - це двоканальнапаяльна станція, яка крім паяльника може бути укомплектована термопінцетом або вакуумним пістолетом. Залежно від комплектації MX-5000 використовується для високоякісного монтажу або ремонту електроніки. Величезний вибір наконечників для термоінструментів робить цю систему справді універсальною (рис. 5).
Антистатичний блок живлення MX-5000 є високочастотним генератором з інтелектуальною системою контролю заземлення та індикатором миттєвої потужності. Блок поміщений у захищений алюмінієвий корпус. Оскільки частота живлення досить висока - 13 МГц, виходи приладу мають коаксіальні роз'єми. До речі, наявність джерела високої частоти MX-5000 ніяк не впливає на навколишнє середовище. Усі ланцюги системи надійно екрановані. Численні сертифікати, у тому й сертифікат від РосТест, і навіть протоколи випробувань підтверджують відсутність будь-якого впливу чутливі компоненти. Так, наприклад, згідно з протоколом випробувань, напруженість електромагнітного поля в двох міліметрах від наконечника знаходиться в межах природного фону.
Індикатор потужності наочно показує оператору динаміку нагріву наконечника у процесі паяння. Це дозволяє додатково контролювати час паяння кожного контакту, а також правильність вибору серії наконечника. Індикатор миттєвої потужності є чудовою ілюстрацією роботи системи індукційного нагріву. У режимі холостого ходу він зазвичай показує 10–15% потужності, при торканні паяльником легкого контакту потужність збільшується, скажімо, до 20%, на більш важких — до 50% тощо (рис. 6).
Індуктор та наконечник об'єднані в картридж. Відсутність нагрівача як такого дозволило створити ергономічний інструмент, збалансований у руці.Картридж — наконечник діаметром зі стрижень від тієї ж кулькової ручки — може розвивати потужність до 50 Вт, а враховуючи те, що ККД індуктора вдвічі вищий за резистивний нагрівач, то по тепловіддачі інструмент еквівалентний класичному паяльнику потужністю понад 90 Вт (рис. 7).
Але якщо традиційний 90 Вт паяльник не рекомендується використовувати для легких контактів і чутливих компонентів, то індукційний паяльник з мініатюрним наконечником для монтажу, як ми вже знаємо, в режимі холостого ходу має потужність не більше 10-15%, тобто приблизно 12 Вт. Очевидно, що 12-Вт паяльником, та ще з нульовим запасом тепла в наконечнику, щось перегріти неможливо.
На особливу увагу заслуговує термопінцет MX-PTZ. Завдяки індукційному методу інструмент дозволяє працювати з чіп-компонентами на товстих багатошарових платах, для цього використовуються найтонші наконечники. Крім того, в термопінцеті передбачено точне регулювання положення наконечників, що дозволяє звести їх в одну точку та працювати з найдрібнішими компонентами. Відсутність запасу тепла у наконечниках захищає керамічні компоненти від термоудару в момент торкання контактних майданчиків (рис. 8).
«Народний» паяльник
Поряд із представленою раніше паяльною станцією вищого рівня фірма OK International випускає індукційні системи бюджетної серії OKI PS-900. Це найпопулярніша система на підприємствах, де використовується ручний монтаж. PS-900 працює на частоті всього 470 Гц, яка не вимагає дорогого виконання з коаксіальними з'єднувачами. Проте система має захищене від електростатики промислове виконання в алюмінієвому корпусі (рис. 9).
Принципова відмінність паяльника OKI PS-900 полягає в тому, що його наконечникє знімним, а індуктор постійно встановлений у ручці. Для збереження такої ж високої тепловіддачі, як у моделі вищого класу, PS-900 довелося збільшити діаметр індуктора до 7,5 мм і підвищити потужність до 60 Вт. Ергономіка при цьому не сильно постраждала, оскільки в будь-якому випадку інструмент вийшов дуже легким через відсутність нагрівача (рис. 10).
Крім того, є можливість в цю ж ручку встановити індуктор меншої потужності (35 Вт) діаметром 5 мм і використовувати мікронаконечники для делікатної роботи. Існує величезний асортимент як стандартних, і мікронаконечників. Лише «міні-хвиль» — десяток варіантів.
Ресурс і так довговічних наконечників істотно продовжується завдяки спеціальній підставці під інструмент з функцією автоматичного відключення. Це не заважає роботі, тому що після знімання з підставки інструмент виходить на робочу температуру за пару секунд, натомість у масштабах великих підприємств суттєво економиться електроенергія, а збільшений ресурс наконечників робить систему ідеальним інструментом для безсвинцевої технології.
Модельний ряд індукційних систем не обмежується паяльними станціями, представленими у цій статті. Також випускаються багатофункціональні системи для ремонту серії MFR, призначені спеціально для сервісних центрів, але про них у наступних публікаціях.