Инфракрасная паяльная станция своими руками

Описание процесса ИК-пайки

Процесс инфракрасной пайки состоит из нескольких фаз:

1. Печатную плату помещают на платформу станции.
2. Её фиксируют боковыми упорами и дополнительными рейками.
3. Вокруг монтажного участка пластиковые элементы закрывают клейкой фольгой.
4. На высоте 3-4 см от микросхемы устанавливают инфракрасный излучатель.
5. Термопару на гибкой трубке подводят непосредственно к месту пайки.
6. С помощью кнопок на интерфейсах термоконтроллеров задаются режимы работы верхнего и нижнего нагревателя.
7. К месту пайки подводят светильник на стальном гибком шнуре.
8. Включают станцию нажатием стартовой кнопки.
9. По истечении заданного времени микропроцессор снимают с платы с помощью пинцета.
10. Таким же образом, только в обратном порядке, монтируют новый микропроцессор.

Особенности и преимущества

Особенностью ИК паяльной станции является то, что, в отличие от индукционного устройства, в работе отсутствует материальный контакт с радиодеталью, по сравнению с феном, нет давления воздушного потока. Весь процесс пайки происходит полностью в бесконтактном режиме.

К преимуществам ИПС надо отнести следующие достоинства:

• в отличие от других конструкций, инфракрасный паяльник обеспечивает быстрый монтаж или, наоборот, снятие припоя в условиях полного контроля уровня нагрева обрабатываемой радиодетали;
• сфокусированный пучок инфракрасного излучения позволяет точечно направить тепловой энергопоток в нужное место платы;
• ИПС даёт возможность установить режим ступенчатого роста температуры нагрева в рабочей зоне;
• инфракрасная пайка надёжно восстанавливает нарушенное соединение площадки микросхемы с печатной платой;
• отсутствие припоя и флюса в работе станции позволяет сохранять рабочее место в чистоте и не засорять плату каплями олова и кристаллами присадки.

Работа на практике

Перед началом работы важно правильно настроить ИК паяльную станцию

Настройка

После того, как закрепили печатную плату на термостоле и подвели ИК излучатель к микропроцессору, переходят к настройке работы станции. Делают это с помощью клавиш интерфейсов термоконтроллеров верхнего и нижнего нагревателей.

На дисплее контроллёра нижнего нагрева вверху отражается текущая температура. Кнопками на нижней строке задают конечную величину степени прогрева печатной платы.

Программируемый контроллер верхнего нагрева располагает 10-ю опциями (термопрофилями). Термопрофиль отражает зависимость температуры от времени. То есть прогрев можно запрограммировать ступенчато. Каждый шаг задаёт определённое время, в течение которого температура не меняется.

Сложность в работе

Инфракрасные паяльные станции серийного производства просты в работе и понятны в управлении. Сложности в работе станции могут возникнуть по причине несоответствия реальных характеристик станции данным в сопроводительной документации. За это отвечает изготовитель оборудования согласно гарантийным обязательствам.

Для людей, занимающихся ремонтом современных электронных устройств в домашних условиях, самодельная инфракрасная паяльная станция – первая необходимость. Приобретать профессиональное оборудование имеет смысл для мастерских, где есть большие объёмы ремонтных работ.

На батарейках, на аккумуляторах 18650 и других АКБ

Аккумуляторный паяльник на 3.6–9 В — это тот же минипаяльник по классической схеме: нихромовая нить на покрытом стекловолокном кожухе (или без него), в который вставлено жало. Отличие в том, что выводы питания подсоединяются к батарейкам или к базе с ними (повербанк, короб с секциями из любого прибора, питающегося от батареек).

Микропаяльник на батарее создают из таких элементов:

• провод, сечение 2 мм;
• сегмент антенны;
• нихромовая нить (∅ 0.2 мм), длина 10 см;
• кембрик (армированное стекловолокно);
• аккумуляторные батареи 3.7 Вольта можно использовать несколько по 1.2; 1.5 В. Отсек для них;
• деревяшка для ручки;
• обычный бытовой переключатель (как в настольных лампах);
• провод ∅ 0.3–0.6 мм (можно вытянуть из многожильного кабеля).

Этапы сборки

Алгоритм действий по порядку:

1. Снимаем с провода (∅ 2 мм) изоляцию.
2. Подбираем сегмент антенны, в который будет плотно входить жало.
3. Затачиваем жало, длина около 2 см.
4. Отрезаем 4 см от сегмента антенны.
5. Наматываем 10 см нить накаливания (ее сечение около 1.2–1.8 мм), с двух сторон оставляем по 1 см.
6. Тонкую медную жилу складываем вдвое, в петлю на конце продеваем нихромовую нить, скручиваем. Пока откладываем конструкцию.
7. Кембрик помещаем внутрь трубки из антенны.
8. Нихромовая катушка с проволокой продевается в кембрик, снаружи оставляют 1 см, из которого делают 1–3 витка — это термоэлемент.
9. Помещают жало в трубку, с другого конца — до упора термочасть.
10. Ручка: от деревяшки отпиливаем 2–3 см, в центре сверлим отверстие под нагревательный узел, от него создаем паз (надфилем, ножом, этим же сверлом).
11. Нагревательную часть вставляем, хвост загибаем в паз.
12. Просверливаем еще отверстие, меньшее и чуть дальше от центра.
13. Из тонкого медного провода скручиваем петлю на трубке, заворачиваем конец — это второй контакт. Вставляем сборку в деревяшку.
14. Загнутый проводник фиксируется силиконовым клеем, им же прикрепляется короб для батарей. Полярность может быть любая.
15. К батарейному отсеку на торце там, где контакты, приделываем выключатель, фиксируем термоклеем.
16. Соединяем части последовательно: нагревательный сегмент, переключатель, к аккумулятору (отсеку с ним).

Инфракрасная

Инфракрасную станцию также вполне реально изготовить самостоятельно. Для этой цели понадобится:

• паяльник;
• блок питания от ПК;
• автомобильный прикуриватель.

Блок питания можно использовать старый. Понадобится только одна рабочая линия с напряжением в 12 вольт. Особой мощности не требуется. От паяльника понадобится только деревянная ручка. Ее можно использовать и от любого другого прибора или изготовить самостоятельно. Первым делом необходимо разобрать прикуриватель, чтобы добраться до нагревательного элемента, который находится внутри. На фото показано, как он выглядит.

Следующая задача заключается в том, чтобы закрепить ручку от прикуривателя на рукоятке от паяльника. Для этого можно воспользоваться клеем. Далее необходимо просверлить отверстие в ручке от прикуривателя, чтобы через отверстие можно было подвести питающие провода. Когда провода подведены, можно собрать модуль прикуривателя с керамической проставкой, как показано на фото ниже.

Закрепить всю конструкцию на рукоятке можно с помощью дополнительной металлической пластины. Когда все готов провода подключаются к блоку питания на вывод в 12 вольт. Готовый вариант мини-станции показан ниже на фото.

Станция получается компактной, поэтому ее легко транспортировать и можно запитать от любого источника, который способен выдать 12 вольт постоянного тока. Это может быть даже аккумулятор, поэтому станция получилась полностью автономной. Если собрать небольшой блок из литий-ионных аккумуляторов 18650 с преобразователем на 12 вольт и установить контроллер зарядки, то цены такой станции не будет.

Нагрев мини-станции происходит практически моментально, а максимальная температура может превышать 400 градусов. Выпайке поддаются небольшие элементы, например, конденсаторы и транзисторы, как видно на фото ниже.

Расстояние до платы при пайке должно быть не меньше 10 мм. Кроме миниатюрных SMD элементов, станция с легкостью справляется и с микросхемами в корпусах SOEC. На фото ниже видно прямое тому доказательство.

Также без особых сложностей можно выпаять и более крупные компоненты. Станцию можно немного доработать, чтобы получился удобный вариант для работы. Одним из модулей, который легко использовать дополнительно является диммер, как видно на фото ниже.

Его предназначением является возможность регулировка мощности паяльной станции. В качестве источника питания можно использовать не блок питания от ПК, а блок питания для светодиодной ленты, как видно на фото ниже. Его легко приобрести в любом магазине электротоваров. Общая мощность станции составляет примерно 50 Вт, сила тока, которая потребуется для ее работы достигает 6 ампер. Это стоит учитывать при выборе блока питания.

Минусом такой паяльной стации можно считать отсутствие контакта с элементом, который подвергается пайке. Из-за этого нет возможности убрать излишек припоя, а также невозможно поправить деталь, если она была спозициоинрована со смещением, а припой еще не остыл. Желательно предусмотреть отдельную кнопку включения на рукоятке, которая предотвратит перегревание прикуривателя. Во время работы такой станцией, необходимо держать манипулятор под углом в 90 градусов к элементу, который паяется. Это даст возможность воздействовать на него всей областью нагревателя равномерно.

Дополнительно для успешной пайки мелких элементов понадобится набор пинцетов. Их губки обязательно должны быть острыми, чтобы было легче захватывать миниатюрные компоненты. Кроме того, не обойтись без устройства, которое называется «третья рука». Есть множество его вариаций, но основное предназначение везде одинаковое. Оно заключается в удержании припаиваемых проводов или целых микросхем. Чтобы было легче рассмотреть мелкие компоненты, необходимо хорошее увеличительное стекло или микроскоп. Неотъемлемой частью инструментария мастера является хорошее освещение. Желательно, если оно будет основано на светодиодах, которые не имеют мерцания при работе. Во время пайки с использованием станции не обойтись без флюса. Это специальный раствор, который улучшает адгезию и очищает металл для пайки. Вариант инфракрасной паяльной станции с нижним подогревом также можно собрать самостоятельно. Об этом есть видео ниже.

Ремонт паяльника

Паяльник можно починить самому: надо разобрать и посмотреть, не отошли ли контакты жил кабеля питания от концов проволоки накаливания. Если они в порядке, то, скорее всего, прогорела нихромовая нить — это самая частая (фактически единственно возможная для изделий данного типа) поломка. Соответственно, как отремонтировать изделие есть один способ.

Ремонт паяльника своими руками состоит в изготовлении узла с нитью накаливания: наматывают новую проволоку

Важно обратить внимание: витки должны быть расположены близко друг к другу, но обязательно в основной части катушки с зазором (1–2 мм), в конце и в начале они могут плотно прилегать друг к другу

Виды паяльных станций

Современный рынок предлагает радиолюбителям огромное количество всевозможных видов аппаратуры для пайки с разной комплектацией.

В большинстве случаев станции для пайки делятся на:

1. Контактные станции.
2. Цифровые и аналоговые устройства.
3. Индукционные аппараты.
4. Бесконтактные устройства.
5. Демонтажные станции.

Первый вариант станций представляет собой паяльник, подключенный к блоку регулировки температуры.

Электрическая схема паяльной станции.

Контактные паяльные устройства делятся на:

• устройства для работы со свинцовосодержащими припоями;
• устройства для работы с безсвинцовыми припоями.

Устройства для пайки, позволяющие плавить безсвинцовый припой, обладают мощными нагревательными элементами. Такой выбор паяльников обусловлен высокой температурой плавления припоя без свинца. Безусловно, благодаря наличию регулятора температуры, подобные аппараты применимы для работы со свинцовосодержащим припоем.

Аналоговые аппараты для пайки регулируют температуру жала при помощи термодатчика. Как только наконечник перегревается, питание отключается. При остывании сердечника питание вновь подается на паяльник и начинается нагрев.

Цифровые устройства управляют температурой паяльника при помощи специализированного ПИД регулятора, который в свою очередь подчиняется своеобразной программе, заложенной в микроконтроллер.

Отличительной особенностью индукционных устройств является нагрев сердечника паяльника при помощи импульсной катушки. В процессе работы происходят колебания высоких частот, образующие в ферромагнетиковом покрытии аппаратуры вихревые токи.

Остановка нагрева происходит из-за достижения ферромагнетиком точки Кюри, после которой меняются свойства металла и прекращается эффект от воздействия высоких частот.

Бесконтактные аппараты для пайки делятся на:

• инфракрасные;
• термовоздушные;
• комбинированные.

Самодельная инфракрасная паяльная станция состоит из нагревательного элемента в виде кварцевого или керамического излучателя.

Инфракрасные паяльные станции, по сравнению с термовоздушными, обладают следующими ощутимыми преимуществами:

• отсутствие необходимости в поиске насадок на паяльный фен;
• хорошо подходят для работы со всеми видами микросхем;
• отсутствие термической деформации печатных плат из-за равномерного прогрева;
• радиодетали не сдуваются воздухом с платы;
• равномерный прогрев места пропая.

Зависимость температуры от времени пайки.

В большинстве случаев инфракрасные аппараты состоят из:

• верхнего керамического или кварцевого нагревателя;
• нижнего нагревателя;
• стола для поддержки печатных плат;
• микроконтроллера, управляющего станцией;
• термопар для контроля текущих температур.

Термовоздушные станции для пайки используются для монтажа радиодеталей. В большинстве случает термовоздушными станциями удобно паять компоненты, находящиеся в SMD корпусах. Такие детали имеют миниатюрные размеры и хорошо паяются по средствам подачи на них горячего воздуха из термофена.

Комбинированные устройства, как правило, сочетают в себе несколько видов паяльного оборудования, например, термофен и паяльник.

Демонтажные станции комплектуются компрессором, работающим на втягивание воздуха. Такое оборудование оптимально подходит для снятия излишков припоя или демонтажа ненужных компонентов на печатной плате.

Все мало-мальски приличные станции для пайки компонентов в разных корпусах, имеют в наличие такое дополнительное оборудование:

• лампы подсветки;
• дымоуловители или вытяжки;
• пистолеты для демонтажа и всасывания излишков припоя;
• вакуумные пинцеты;
• инфракрасные излучатели для прогрева всей печатной платы;
• термофен для прогрева определенного участка;
• термопинцет.

Описание процесса ИК-пайки

Проблема при работе с компонентами в корпусах BGA заключается в необходимости нагреть и расплавить сразу большое количество шариков припоя.

При нагревании их, некоторое количества тепла за счет теплопроводности материалов отдается на монтажную плату. Того тепла, которое дает паяльная станция, становится недостаточно.

Увеличение времени нагрева или повышение температуры не лучшим образом сказывается на микросхеме. Она может перегреться и выйти из строя.

Решение напрашивается само собой – нужно предварительно разогреть монтажную плату снизу, не воздействуя теплом на микросхему. Разогревать можно как потоком воздуха, так и спокойным инфракрасным излучением.

В результате, когда температура материала платы поднимется, уменьшится теплоотвод с ножек контактов и понадобится меньшая температура и меньшее время воздействия для того, чтобы расплавить шарики припоя.

При использовании инфракрасной пайки для нижнего прогрева используют специальные устройства – термостолы. В этом состоит принцип работы инфракрасной паяльной станции.

Инфракрасная пайка заключает в себе множество преимуществ перед термовоздушной. Если при термовоздушной пайке возможно контролировать только скорость истечения воздуха из сопла и температуру нагревательного элемента, и совершенно невозможно управлять оттоком воздуха, то при инфракрасной пайке контролю поддается температура припоя на протяжении всего цикла работ.

А при ремонтных работах задача как раз и состоит в том, чтобы заменить один или несколько компонентов схемы, совершенно не воздействуя на другие.

Сборка комплекта на жалах Hakko

Простая паяльная станция, а точнее комплекты для ее сборки на специальных жалах Hakko, популярные на торговой площадке Алиэкспресс. На сайтах продавцов также есть инструкция и схема соединений. Пользователю останется только найти корпус и соединить детали.

Особенность установки — инновационные жала HAKKO T12 которые чрезвычайно быстро разогреваются и не прогорают.

Потребуется выключатель, разъем для питающего шнура тип AS-Евровилка. Эти элементы могут быть в комплекте или же их можно заказать вместе с основными частями. На лицевую сторону выносятся разъемы для паяльника, пульт управление температурой и иными параметрами.

На плате дорожка («test») для управления настройками не соединенная, для доступа к регулировке ее контакты надо спаять.

В настройках есть возможность выставлять шаг регулировки t°, делать ее программную калибровку. Такая функция доступная прямо в процессе работы паяльника — реж. Р10, Р11. Как это сделать: нажать на энкодер, удерживать его пару сек., перейдем в Р10, затем кратковременным нажимом меняем шаг (сотни, десятки, единицы). Поворачивая ручку, меняем значение, потом снова жмем и пару сек. держим селектор энкодера — настройка сохраняется и совершается переход в Р11 и так далее. А двухсекундное нажатие возвращает в рабочий режим.

Если зажать включатель энкодера и подавать питание к контроллеру, то попадем в более объемное меню:

Блок питания надо докупить отдельно, хватит на 24 В, в зависимости от значения, на которое рассчитан паяльник. Можно обойтись и внешним БП 24 В, выдающим до 4 А.

БП можно создать и самостоятельно из следующего:

• понижающий советский трансформатор;
• готовая сборка с диодным мостом KBPC5019;
• сетевые фильтры, они же электролитические конденсаторы для сглаживания пульсаций;
• три параллельно соединенных полевых транзистора IRF730;
• микросхема LM317;
• радиатор охлаждения, вентилятор, подключенный через свой диодный мост.

Напряжение в нашем случае подается на управляющую плату (24.4 В). Опишем, как работает схема. На трансформатор идет напряжение от сети (220 В, 50 Гц), понижается им до 28 В. Выпрямляется диодным мостом, фильтруется конденсаторами, значение возрастает до 35 В. Далее, подается на плату регулировки из полевых транзисторов на основе микросхемы lm317. Подстраиваем подстроечным резистором, получаем 24.4 В постоянного напряжение, которое и запитывает установку.

Изготовление своими руками

Высокая стоимость ИК паяльной станции (60-150 тыс. руб.) стимулирует домашних мастеров к изготовлению такого оборудования самостоятельно. При наличии определённого опыта сделать своими руками самодельный инфракрасный паяльник вполне реально. Материальные затраты обычно не превышают 10 тыс. руб. Нужно подготовить материалы и компоненты, необходимые для сборки ИК станции.

Детали для самодельного прибора

Для сборки инфракрасной паяльной станции своими руками понадобится следующее:

• лист жести;
• гибкая спиральная металлическая трубка светильника;
• рычажный штатив от старой настольной лампы;
• галогеновые лампы;
• оцинкованная мелкая сетка;
• алюминиевый профиль в виде узких реек;
• 2 термопары;
• плата Ардуино Mega 2560 R3;
• плата SSR 25-DA2x Adafruit MAX31855K – 2 шт.;
• адаптер постоянного тока 5 вольт, 0,5 А;
• провода.

Сборка

Монтаж паяльной станции состоит из нескольких этапов:

1. Термостол;
2. Инфракрасный нагреватель;
3. ПИД-регулятор на Ардуино.

Термостол

Делать термостол своими руками желательно в условиях оборудованной домашней мастерской. Конструкция представляет собой нижний нагреватель, состоящий из следующих компонентов:

• корпус, отражатель, лампы;
• система крепежа платы;
• гибкая трубка термопары;
• светильник.

Корпус

1. Основу термостола изготавливают в виде рамы из Г-образного жестяного профиля. Можно полосы металла согнуть уголком. Ножницами делают вырезы и по ним сгибают металл, соединяя части саморезами.
2. Проём закрывают металлической сеткой. Чтобы она не прогибалась, над сеткой протягивают металлические прутки в поперечном и продольном направлениях.

Установка металлической сетки

1. Старый галогеновый светильник разбирают, освобождая отражатель от ламп. Его обрезают по внутреннему периметру корпуса.
2. Лампы возвращают на место. Нагреватель вставляют в опорную раму снизу.

Монтаж отражателя

Система крепежа платы

Алюминиевую рейку разрезают на несколько отрезков. В них просверливают монтажные отверстия.

Два отрезка профиля закрепляют на широких бортах корпуса, в канавках которых будут передвигаться винтовые фиксаторы поперечных реек. Всё станет понятно из нижнего фото.

Крепёж платы

Гибкая трубка термопары

Спиральную металлическую трубку устанавливают в одном из углов рамы, протягивают провода термопары. Длина трубки должна обеспечивать доступ термопары ко всей рабочей зоне станции.

Светильник

На конце гибкой трубки закрепляют патрон с пятивольтовой лампочкой с отражателем. Основание металлического шланга крепят в углу рамы так же, как и в предыдущем случае.

Верхний нагреватель

Инфракрасный излучатель состоит из двух элементов, это:

1. Керамическая пластина в корпусе.
2. Держатель.

Крепление штатива к корпусу верхнего нагревателя

Керамическая пластина в корпусе

Дополнительная информация. Вмонтированный в верхнюю плоскость корпуса ИК пластины кулер от компьютера поможет предохранить радиодеталь от перегрева.

Держатель

Для держателя идеально подходит двухсекционный кронштейн настольного светильника. Основание кронштейна крепят к раме станции. Верхний поворотный шарнир соединяют с корпусом верхнего нагревателя.

ПИД-регулятор на Ардуино

Сделанная ИК станция своими руками обязательно комплектуется блоком управления. Для него нужно сделать отдельный корпус. Внутри помещают плату Ардуино и ПИД регулятор. Примерная схема компоновки деталей блока управления станцией видна на фото.

Блок управления ИК станции

Микропроцессорная платформа Arduino Mega 2560 R3 управляет режимами нагрева керамического ИК излучателя и платформы термостола. К плате Ардуино присоединены провода вентиляторов (верхний и нижний), ПИД регулятора, термопар и светильника.

Программирование паяльной станции осуществляется через интерфейс контроллера. Его экран отражает текущий процесс нагрева печатной платы с обеих сторон.

Самодельная ИПС

В роли тестера выступают термопары. Они, в конечном счёте, являются источниками информации о состоянии уровня нагрева тыльной стороны печатной платы и верхней поверхности микропроцессора.

Из канцелярских ручек и резисторов

Простейший мини паяльник 5, 24, 12 В в домашних условиях своими руками можно сделать из корпусов ручек для письма и старых резисторов меньшего размера.

Детали:

• резистор, в данном варианте — это МЛТ 0.5–2 Вт, 10 Ом;
• корпус ручки;
• двусторонний текстолит;
• проволока (потребуется два вида):
  • медь, ∅ 1 мм. Можно смотать со старых дросселей, трансформаторов, взять из жил для проводки, из устройств питания бытовых приборов;
  • сталь или медь, ∅ 0.8 мм;
• кабель для подсоединения к сети (с вилкой, от б/у приборов).

Этапы, как сделать мини паяльник:

1. Ободрать резистор от краски.
2. Из детали торчит 2 проволоки: одну срезают, сверлят там отверстие под ∅ 1 мм жилу. Проволока должна изолироваться от чашечки, для чего делают раззенковку сверлом потолще. На верхушке указанной части треугольным надфилем делают маленький пропил под проволоку, стальной провод изгибают, делают кольцо под него. Если провод медный, то делают закрутку пассатижами. Описанная в этом пункте проволока без изоляции.
3. Из текстолита выпиливаем (лобзиком) маленькую форму «Т» с площадками для пайки контактов кабеля питания на одном конце. Можно обойтись и без нее: просто сделать скрутку проволоки с проводами, заизолировать ее и прикрепить к ручке суперклеем. Зазор между нагревателем и ручкой — около 6 см, чтобы избежать плавления пластмассы.
4. Собирают все части.
5. Устанавливают жало. Чтобы не прожгло корпус, делают защитную прослойку из кусочка слюды, керамики на задней стенке.
6. Самоделку подключают (скручивают провода или вставляют их в штекер) к БП не выше 1 А и 15 В.

Виды ИПС

По типу инфракрасного излучателя различают два вида ИПС:

1. Керамические;
2. Кварцевые.

Керамические

Примером керамической инфракрасной паяльной станции является модель Achi ir6000. Станция обладает массой достоинств. Она зарекомендовала себя как надёжное, прочное и долговечное оборудование. Рабочая температура в зоне пайки достигается в течение 10 минут. В станциях такого типа используется сплошной плоский или полый керамический излучатель.

Кварцевые

В отличие от керамического паяльника, кварцевая станция достигает максимального нагрева за 30 секунд. Кварцевые станции очень чувствительны к частым циклам включения – выключения.

Внимание! Если специфика паяльного режима требует в течение короткого периода нескольких отключений оборудования, то лучше пользоваться керамической паяльной станцией