Инфракрасная паяльная станция своими руками

ИК паяльная станция своими руками v2

Около двух лет назад я разместил статью ИК паяльная станция своими руками. Данная статья вызвала интерес у многих радиолюбителей. Но к сожалению после повторения ИК паяльной станции не обошлось без замечаний в плане работы станции, которые я постарался устранить в данной версии станции:
— применены аналоговые усилители термопары AD8495 со встроенной компенсацией холодного спая, в следствие чего увеличена точность показания температуры
— проблема с выходом из строя транзисторов нижнего нагревателя решена при помощи симисторного регулятора мощности
— доработана прошивка (которая совместима с прошлой версией станции). После запуска термопрофиль начинает выполняться с той температуры, до которой преднагрета плата, что экономит много времени. Отдельная благодарность Андрею за корректировку и адаптацию прошивки под китайские дисплеи.
— добавлен вакуумный пинцет
— корпус паяльной станции полностью переработан. Конструкция станции получилась очень симпатичной, более устойчивой и надежной, на рабочем столе занимает меньше места. В одном корпусе совмещено все необходимое, — нижний нагреватель, верхний нагреватель, вакуумный пинцет и сам контроллер.

Описание конструкции

Контроллер двухканальный. К первому каналу можно подключить термопару или платиновый терморезистор PT100. Ко второму каналу подключается только термопара. 2 канала имеют автоматический и ручной режим работы. Автоматический режим работы обеспечивает поддержание температуры 10-255 градусов через обратную связь с термопар или платинового терморезистора (в первом канале). В ручном режиме мощность в каждом канале можно регулировать в диапазоне 0-99%. В памяти контроллера заложено 14 термопрофилей для пайки BGA. 7 для свинецсодержащего припоя и 7 для безсвинцового припоя. Термопрофили указаны ниже.

Для свинецсодержащего припоя максимальная температура термопрофиля: — 1 термопрофиль — 190C о , 2 — 195C о , 3 — 200C о , 4 — 205C о , 5 — 210C о , 6 — 215C о , 7 — 220C о

Для безсвинцового припоя максимальная температура термопрофиля: — 8 термопрофиль — 225C о , 9 — 230C о , 10 — 235C о , 11 — 240C о , 12 — 245C о , 13 — 250C о , 14 — 255C о

Если верхний нагреватель, не успевает прогревать согласно термопрофилю, то контроллер становится на паузу и ждет пока не будет достигнута нужная температура. Это сделано для того, чтобы адаптации контроллера для слабых нагревателей, которые прогревают долго и не успевают за термопрофилем.

Контроллер начинает выполнять термопрофиль с той температура, до которой преднагрета плата. Это очень удобно, и позволяет оперативно перезапустить термопрофиль в случае, например, если была температура недостаточна для снятия чипа, то можно выбрать термопрофиль с температурой повыше, и тут же снять чип со второй попытки.

На схеме применен комбо силовой блок, состоящий из транзисторного ключа для верхнего нагревателя, и симисторного для нижнего нагревателя. Хотя, например можно использовать 2 транзисторных, или 2 симисторных ключа.

Я использовал 2 готовых модуля на AD8495, купленных на Aliexpress. Правда модули нужно немного доработать. Смотрим фото ниже.

Не обращаем внимания на то, что модуль на втором фото повернут на 90 градусов. Пришлось развернуть, так как модули у меня упирались в силовой блок. Разъемы для термопар использованы заводские.

Тем, кто не планирует в дальнейшем использовать платиновый терморезистор, то часть схемы выделенную красной пунктирной линией можно не собирать.

Печатные платы силового блока и контроллера.

Для охлаждения силовых ключей я применил радиатор от видеокарты с активным охлаждением.

Далее на фото будет виден этап сборки паяльной станции, как конструктора. Все материалы куплены в крупном строймагазине. Передняя и задняя панель сделаны из стеклотекстолита, укрепленного алюминиевым уголком. Базальтовый картон служит в качестве теплоизоляционного материала. Нижний подогрев состоит из 9 галогенных ламп (1500вт 220-240в R7S 254мм) объединенных в 3 группы по 3 соединенных последовательно лампы.

Провод для 220В применен силиконовый, высокотемпературный.

Хороший вакуумный насос можно приобрести на Aliexpress за 400-500 рублей. Ориентир для поиска на фото ниже.

Изначально я планировал использовать паяльную станцию совместно и ИК стеклом над нижним нагревателем, что давало хорошие преимущества:
— красивый внешний вид
— плату (на стойках можно ложить прямо на стекло), как у станций Термопро
Но увы, недостатки оказались весомее:
— очень долгий нагрев (остывание) платы
— очень сильно разогревается корпус паяльной станции, к примеру без стекла корпус во время работы едва теплый. Так что от стекла пришлось отказаться.

С открученным штативом стекло легко вынимается, или вставляется в станцию. Так же вместо стекла можно вставить, например, сетку.

Внешний вид собранной станции.

Аксессуары, стойки, алюминиевый швеллер для стоек, ручка вакуумного пинцета, силиконовая трубка для пинцета, термопара.

Необходимые «ингредиенты» для изготовления ручки вакуумного пинцета. Использован смеситель от эпоксидного клея Момент в сдвоенном шприце. Алюминиевая трубка(в которой необходимо просверлить отверстие) и соединитель соответствующего диаметра для силиконовой трубки. Все вклеено в алюминиевую трубку эпоксидным клеем момент.

Для верхнего нагревателя очень рекомендую ELSTEIN SHTS/100 800W.

Настройка контроллера
Резистором R32 необходимо установить напряжение 5,12В на выходе U4. Резистором R28 настраиваем контрастность дисплея. Если не планируете использовать платиновый терморезистор, то настройка станции закончена.
Описание калибровки канала с платиновым терморезистором описано в статье первой версии станции.

Рекомендации
Верхний нагреватель необходимо устанавливать на высоте 5-6 см от поверхности платы. Если в момент выполнения термопрофиля происходит выбег температуры от заданного значения больше чем на 3 градуса — понижаем мощность верхнего нагревателя(включаем станцию с нажатым энкодером и устанавливаем максимальную мощность верхнего нагревателя). Выбег на несколько градусов в конце термопрофиля(после отключения верхнего нагревателя) не страшен. Это сказывается инерционность керамики. Поэтому я выбираю нужный термопрофиль на 5 градусов меньше, чем мне надо. Перед съемом чипа при помощи зонда нужно убедиться(аккуратным нажатием на каждый угол чипа) что шары под чипом поплыли. При монтаже используем только качественный флюс, иначе неправильный выбор флюса может все испортить. Так же при монтаже чипа BGA обязательно нужно накрыть кристалл прямоугольником из алюминиевой фольги с размером стороны равной примерно ½ от стороны BGA, чтобы снизить температуру в центре, которая всегда выше, чем температура около термопары (смотрим фото тепловых пятен ИК нагревателей ELSTEIN в статье первой версии станции).
В общем смотрим видео ниже.
Ниже вы можете скачать архив с печатной платой в формате LAY, исходным кодом, прошивкой.

Инфракрасная паяльная станция

Беспрерывное совершенствование паяльной техники обусловлено появлением более сложных печатных плат радиоэлектроники. Инфракрасная паяльная станция (ИПС) предназначена для работы с новым поколением чувствительных микросхем и других радиодеталей. Необычный подход к пайке основан на применении светового луча в инфракрасном диапазоне в качестве носителя тепловой энергии.

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.

Виды ИПС

По типу инфракрасного излучателя различают два вида ИПС:

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.

Принцип действия

Чтобы понять действие инфракрасной паяльной станции, надо понимать принцип соединения микропроцессора с печатной платой. Микросхемы ноутбуков и различных электронных устройств не имеют выводных ножек. Вместо этого на их тыльной стороне расположена сетка из контактных точек. Такая же решётка есть на печатной плате.

На обеих поверхностях контакты покрыты легкоплавкими шариками. Во время пайки микропроцессор нагревается инфракрасным излучателем до температуры плавления припоя. В то же время нижняя поверхность платы нагревается ТЭНами нижней платформы станции. Прогревом контактных соединений с двух сторон достигается быстрая пайка радиодетали. Благодаря узконаправленному потоку тепла, высокая температура не успевает распространиться на другие компоненты платы.

Важно! Станция с помощью программного обеспечения может осуществлять различные ступени температурного режима в определённых промежутках времени.

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.

Конструктивные особенности

Инфракрасная паяльная станция представляет собой довольно габаритное оборудование:

• ширина – 450-475 мм;
• высота – 430-450 мм;
• глубина – 420-450 мм.
• высота опорного штатива ИК излучателя – 200 мм.

Дополнительная информация. Размеры различных моделей станций могут немного отличаться от вышеуказанных данных. Площадь рабочего стола рассчитана на печатные платы максимальной величины и любой конфигурации.

Расположение органов управления и подвижных узлов ИК станции:

1. Рабочий стол представляет собой углублённую платформу из ряда ТЭНов, закрытую металлической сеткой.
2. Параллельные упоры с фиксаторами передвигаются по направляющим. Ими с обеих сторон зажимают печатную платформу.
3. Поперечные борта оснащены винтовыми опорами, которые поддерживают плату на нужной высоте.
4. В комплекте есть рейки, которыми дополнительно крепят плату.
5. На вертикальной опоре установлен поворотный механизм, на котором закреплен инфракрасный нагреватель.
6. ИК излучатель может передвигаться в прямолинейном направлении по направляющим штатива. Одновременно паяльник может поворачиваться вокруг вертикальной опоры.
7. На передней панели оборудования расположены:

• кнопка включения;
• разъём для термопары;
• кнопка остановки;
• клавиша включения вентилятора рабочего стола;
• включатель подсветки;
• кнопка верхнего охлаждения;
• термоконтроллер нижних нагревателей;
• программируемый контроллер верхнего ИК нагревателя.

Температура верхнего ИК нагревателя может достигать от 220 до 270 градусов. Нижняя платформа прогревается до 150-1700 С.

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.

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.

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.

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.

Керамическая пластина в корпусе

Пластину можно приобрести на рынке электротехники или заказать на сайте интернет-магазина. Главное – сделать прочный корпус, в котором был бы обеспечен свободный приток воздуха. Как это сделать, видно на фото.

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.

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.

Тестер

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

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.

Видео

Инфракрасная паяльная станция своими руками

Рано или поздно перед радиомехаником, занимающимся ремонтом современной электронной техники встаёт вопрос покупки инфракрасной паяльной станции. Необходимость назрела в связи с тем что современные элементы массово “откидывают копыта” короче говоря, производители как и мелочевки так и больших интегральных схем отказываются от гибких выводов в пользу пятачков. Процесс этот идёт уже достаточно давно.

Такие корпуса микросхем называются BGA – Ball grid array, проще говоря – массив шариков. Такие микросхемы монтируются и демонтируются бесконтактным способом пайки.

Раньше, для не особо крупных микросхем можно было обходиться термовоздушной паяльной станцией. А вот крупные графические контроллеры GPU термовоздушкой уже не снимешь и не посадишь. Разве что прогреть, но прогрев длительного результата не даёт.
В общем, ближе к теме.. Готовые профессиональные инфракрасные станции имеют запредельные цены, а недорогие 1000 – 2000 зелёных недостаточный функционал, короче допиливать всё равно придётся. Лично по мне, инфракрасная паяльная станция – это тот инструмент, который можно собрать самому и под свои нужды. Да, не спорю, есть затраты по времени. Но если подойти к сборке ИК станции методично, то будет и необходимый результат и творческая удовлетворённость. Итак, я для себя наметил, что буду работать с платами размером 250х250 мм. Для пайки телевизионных Main и компьютерных видеоадаптеров, возможно планшетных ПК.

Итак, начал я с нечистого листа и дверцы от старой антресоли, прикрутив к этому будущему основанию 4 ножки от древней пишущей машинки.

Основа при помощи приблизительных расчётов получилась 400х390 мм. Дальше необходимо было примерно рассчитать компоновку исходя из размеров нагревателей, ПИД-регуляторов. Таким нехитрым “фломастерным” способом я определил высоту своей будущей инфракрасной паяльной станции и угол скоса передней панели:

Далее уже берёмся за скелет. Тут всё просто – изгибаем алюминиевые уголки согласно конструкции нашей будущей паяльной станции, закрепляем, связываем. Идём в гараж и с головой закапываемся в корпуса от DVD и видиков. Хорошо делаю, что не выбрасываю – знаю, что пригодятся. Глядишь, дом из них построю:) Вон из пивных банок строят, из пробок и даже палочек от мороженого!

Короче говоря, на облицовку лучше не придумаешь, чем крышки от аппаратуры. Листовой металл стоит не дёшево.

Бежим по магазинам в поисках антипригарного противня. Противень необходимо подобрать согласно размерам ИК-излучателей и их количеству. Я ходил по магазинам с небольшой рулеткой и измерял стороны дна и глубину. На вопросы продавцов типа – “Зачем вам пироги строго заданных размеров?” Отвечал, что неподходящие размеры пирога нарушают общую гармонию восприятия, что не соответствует моим моральным и этическим принципам.

Урааа! Первая посылочка, а в ней особо важные запчастюлины: ПИД-ы (страшное слово-то какое) Расшифровка тоже не простая: Пропорционально-Интегрально-Дифференциальный регулятор. В общем, разбираемся с их настройкой и работой.

Далее жестянка. Здесь как раз и пришлось попотеть с крышками от DVD-юков дабы всё получилось ровно и солидно, для себя делаем. После подгонки всех стенок необходимо вырезать нужные отверстия под ПИД-ы на передней, под кулер на задней стенке и в покраску – в гараж. В итоге – промежуточный вариант нашей ИК паяльной станции стал выглядеть таким образом:

После тестирования регулятора REX C-100 предназначенного для преднагрева (нижнего нагревателя) выяснилось, что он не совсем подходит для моей конструкции паяльной станции, потому как не рассчитан на работу с твердотельными реле, которыми он и должен управлять. Пришлось его доработать под свою концепцию.

Урааа! Пришла посылка из Китая. Теперь в ней уже было самое основное богатство для постройки нашей инфракрасной паяльной станции. А именно – это 3 нижних ИК излучателя 60х240 мм, верхний 80х80 мм. и пара твердотельных реле на 40А Можно было и на 25 ампер взять, но всегда стараюсь всё сделать с запасом, да и ценой они не сильно отличались..

Глаза боятся, а руки делают. Стараюсь не забывать эту старую истину, также как и про курицу, та что по зёрнышку…Что имеем в итоге – После установки излучателей в противень, установки твердотелок на радиатор, обдуваемый кулером и соединении всего, получилось уже что-то более-менее похожее на инфракрасную паяльную станцию.

Когда дело с преднагревом начало подходить к концу и были сделаны первые тесты на нагрев, удержание температуры и гистерезис, можно было смело приступать к верхнему инфракрасному излучателю. Работы с ним оказалось больше, чем я предполагал изначально. Было рассмотрено несколько конструктивных решений, но всё же более удачным на практике оказался последний вариант, который я и воплотил.

Сделать столик для удержания платы – очередная задача, требующая нагрева черепной коробки. Необходимо чтобы выполнялось несколько условий – равномерное удержание печатной платы, чтобы плата при нагреве не прогибалась. Кроме этого была возможность сдвигать влево-вправо уже зажатую плату. Зажим платы должен быть, как и крепкий, так и давать небольшую слабину, так как плата при нагреве расширяется. Ну и так же у столика должна быть возможность закрепить платы разных размеров. Не до конца еще доделанный столик: (нет прищепок для платы)

Вот и настало время тестов, отладок, подгонки термопрофилей под разные виды микросхем, и паяльных сплавов. За осень 2014 было восстановлено приличное количество компьютерных видеокарт и телевизионных Main-board

Не смотря на то, что паяльная станция кажется завершённой и прекрасно себя зарекомендовала, на самом деле не хватает еще нескольких важных вещей: Во-первых это лампа, ну или фонарик на гибкой ножке, Во-вторых обдув платы после пайки, в-третьих я хотел изначально сделать селектор для нижних нагревателей..

Конечно же, я написал не всё что хотел, потому как, при сборке было много мелочей, проблем и тупиков. Но зато я записал на видео весь процесс конструирования и теперь это полноценный обучающий видеокурс:

ИК паяльная станция своими руками

Внимание! Данная статья предназначена только для ознакомительных целей, и к сборке не рекомендуется! Есть модернизированная версия данной паяльной станции. Там же скачиваем обновленные версии прошивок для станции первой версии.

При ремонте материнских плат связанных с заменой BGA компонентов не обойтись без инфракрасной паяльной станции! Китайские станции качеством не блещут, а качественные ИК паяльные станции стоят не дешево. Выход — собрать самому паяльную станцию. Стоимость компонентов для сборки станции не превышает 10 тысяч рублей. Не смотря на дешевизну — самодельная ИК станция надежно себя зарекомендовала в ремонте материнских плат. Контроллер обеспечивает точное соблюдение термопрофиля, что является важным фактором во время замены BGA компонентов.

Описание конструкции

Станция состоит из контроллера управления, нижнего подогрева, верхнего нагревателя.

Контроллер двухканальный. К первому каналу можно подключить термопару или платиновый терморезистор. Ко второму каналу подключается только термопара. 2 канала имеют автоматический и ручной режим работы. Автоматический режим работы обеспечивает поддержание температуры 10-255 градусов через обратную связь с термопар или платинового терморезистора (в первом канале). В ручном режиме мощность в каждом канале можно регулировать в диапазоне 0-99%. В памяти контроллера заложено 14 термопрофилей для пайки BGA. 7 для свинецсодержащего припоя и 7 для безсвинцового припоя. Термопрофили указаны ниже. При желании их можно изменить (исходник в архиве).

Для свинецсодержащего припоя максимальная температура термопрофиля: — 1 термопрофиль — 190C о , 2 — 195C о , 3 — 200C о , 4 — 205C о , 5 — 210C о , 6 — 215C о , 7 — 220C о

Для безсвинцового припоя максимальная температура термопрофиля: — 8 термопрофиль — 225C о , 9 — 230C о , 10 — 235C о , 11 — 240C о , 12 — 245C о , 13 — 250C о , 14 — 255C о

Если верхний нагреватель, не успевает прогревать согласно термопрофилю, то контроллер становится на паузу и ждет пока не будет достигнута нужная температура. Это сделано для того, чтобы адаптировать контроллер для слабых нагревателей, которые прогревают долго и не успевают за термопрофилем.

Контроллер так же можно использовать в качестве регулятора температуры, например, во время сушки или запекания паяльной маски (в духовке, в которую помещена термопара), или прочих случаях, где требуется точное поддержание температуры.

Принципиальная схема контроллера

Далее приведены фото контроллера. Блок питания использовал от ноутбука, которое переделал на напряжение 12 Вольт. В качестве гнезда для термопар использовал usb гнездо с кусочками текстолита, которое припаяно к передней панели, смотрим фото. Охлаждение активное, я использовал термотрубку от охлаждения ноутбука. К термотрубке феном припаял медную пластину, на которую будут установлены элементы для охлаждения. Можно использовать охлаждение процессора от системного блока, но тогда габариты устройства увеличатся.

Нижний подогрев изготовлен из галогенового обогревателя на 3 лампы общей мощностью 1,2 кВт. Из обогревателя демонтируется основание со светоотражателем и защитной сеткой. Корпус для нижнего подогрева я изготовил из изогнутой листовой жести(конька оцинкованного), который вырезал ножницами по металлу. Так же в конструкцию добавлен порог алюминиевый(стык), для удобства установки на него швеллера алюминиевого. На швеллер через стойки устанавливается материнская плата. Нижний подогрев можно подключить к контроллеру. Я поступил другим способом чтобы не заморачиваться с второй термопарой, — в нижний подогрев встроил диммер на 600 Вт, только на симистор установил радиатор побольше. С регулировкой 1,2 кВт он прекрасно справляется. Примерное положение диммера я запомнил, при котором стабильно держится требуемая температура на материнской плате. Для небольших плат (например видеокарт) можно использовать канцелярские прищепки, прикрученные к DIN рейке. Пример на фото.

Качественный верхний нагреватель из подручных средств, к сожалению невозможно изготовить. Я проводил эксперименты с галогеновыми лампами, кварцевыми трубками со спиралями, так же экспериментировал с ИК лампой. Но лучше всего себя зарекомендовал керамический нагреватель фирмы ELSTEIN серии SHTS (с позолотой). Подобные нагреватели используются в дорогих ИК станциях. Я использовал ELSTEIN SHTS/100 800W и ELSTEIN SHTS/4 300W. Нагреватели греют очень хорошо, и практически не светят. Спектр ИК излучения очень подходит для замены BGA компонентов. Нагреватели из Китая не рекомендую, хоть внешне они и похожи на ELSTEIN.

Тепловое пятно нагревателя ELSTEIN SHTS/100 800W. Размер нагревателя 96х96 мм. Расстояние между нагревателем и платой 5см.

Круг El1 диаметр 4 см (перепад температуры 5 градусов от центра до края окружности).

Круг El2 диаметр 5 см (перепад температуры 10 градусов от центра до края окружности).

Круг El3 диаметр 6 см (перепад температуры 15 градусов от центра до края окружности).

Тепловое пятно нагревателя ELSTEIN SHTS/4 300W. Размер нагревателя 60х60 мм. Расстояние между нагревателем и платой 5см.

Круг El1 диаметр 2,5 см (перепад температуры 5 градусов от центра до края окружности). Подходит для большинства чипов.

Круг El2 диаметр 3 см (перепад температуры 10 градусов от центра до края окружности).

Круг El3 диаметр 4,5 см (перепад температуры 15 градусов от центра до края окружности).

Как видим оба нагревателя подходят для замены BGA компонентов. Но ELSTEIN SHTS/100 800W имеет преимущество перед вторым нагревателем. Это гораздо большее равномерное тепловое пятно. Круг диаметром 4 см у которого перепад температуры не более 5C о . Практически показатель как у Термопро с 3D отражателем (у которого однородное квадратное тепловое пятно 4х4см с перепадом температуры не более 5C о )

Ниже приведены фото конструкции верхнего нагревателя и станины, которую изготовил из того что было в строительном магазине. Конструкция получилась удачной, регулируется по высоте и длине, нагреватель крутится вокруг своей оси, его легко установить над любым участком платы.

Термопара крепится к штативу. Ее легко навести на любой участок платы. Конструкция на фото. Гибкий металлический рукав я использовал от USB фонарика из магазина, где все по одной цене. В металлический рукав я вставил термопару без внешней изоляции при помощи проволоки.

Настройка контроллера

Для настройки канала верхней термопары R3 устанавливаем в среднее положение. Помещаем термопару контроллера и термопару образцового термометра на нагретую поверхность (например галогеновую лампу, где обе термопары соединены вместе и на них нанесена термопаста), и калибруем резистором R6 показания максимального значения температуры 250 градусов. Потом даем лампе остыть до комнатной температуры и калибруем резистором R3 нижнее показание температуры. Данную процедуру нужно повторить несколько раз, пока не будет совпадать нижнее и максимальное значение температур с реальными показателями. Такую же процедуру повторяем с каналом нижней термопары при помощи резисторов R11 и R14 соответственно. Аналогично калибруется первый канал при использовании платинового терморезистора резисторами R21 и R27 соответственно. Если не планируется использовать платиновый терморезистор, то ОУ U2 можно из схемы исключить со всей обвязкой, а 11 вывод микроконтроллера подключить на +5В.

Рекомендации

Управление контроллером и изменение параметров, а так же процесс съема и установки чипа показан на видео. Верхний нагреватель я устанавливаю на высоте 5-6 см от поверхности платы. Если в момент исполнения термопрофиля происходит выбег температуры от заданного значения больше чем на 3 градуса — понижаем мощность верхнего нагревателя. Выбег на несколько градусов в конце термопрофиля(после отключения верхнего нагревателя) не страшен. Это сказывается инерционность керамики. Поэтому я выбираю нужный термопрофиль на 5 градусов меньше, чем мне надо. На данном нижнем подогреве температура немного отличается над зоной нагревателя, и в теневой зоне (разница около 10-15 градусов). Поэтому плату на нижний нагреватель желательно установить так, чтобы чип находился над зоной нагревателя (но это не критично). Перед съемом чипа при помощи зонда нужно убедиться(аккуратным нажатием на каждый угол чипа) что шары под чипом поплыли. При монтаже используем только качественный флюс, иначе неправильный выбор флюса может все испортить. Так же при монтаже чипа BGA рекомендуется накрыть кристалл прямоугольником из алюминиевой фольги с размером стороны равной примерно ½ от стороны BGA, чтобы снизить температуру в центре, которая всегда выше, чем температура около термопары (смотрим выше фото тепловых пятен ИК нагревателей ELSTEIN).

Внешний вентилятор программно не задействован, хотя на схеме он и указан. В дальнейшем планируется в исходник внести изменения и задействовать внешний вентилятор.

Ниже вы можете скачать архив с печатной платой в формате LAY, исходным кодом, прошивкой

Инфракрасная паяльная станция своими руками

ИК паяльная станция с цифровым управлением.

Автор: Black
Опубликовано 09.09.2010

В данной статье описывается, как самостоятельно изготовить инфракрасную паяльную станцию с небольшими затратами. Устройство позволяет производить монтаж/демонтаж SMD и BGA компонентов на печатной плате. Данная паяльная станция рассчитана на работу с большими платами (например, материнские платы персональных компьютеров или ноутбуков), чего не позволяют делать дешевые «поделки» китайского производства, которые рассчитываются как правило, на работу с небольшими печатными платами и элементами.
Так уж случилось, что в настоящее время происходит массовый переход на поверхностный монтаж, и ничего с этим не поделаешь. Всё бы ничего, паяльник еще справляется, но вот только не с BGA (взгляните хотя бы на материнскую плату вашего компьютера, чип есть, а выводов нет: Вернее их не видно). Такие микросхемы паяются полным прогревом вместе с платой. Методов пайки существует не много, как правило, это горячий воздух или ИК излучение. У каждого метода есть свои достоинства и недостатки. Но в любом случае требуется прогрев платы, в чём и заключается сложность пайки таких микросхем «на коленке». Связано это с тем, что при нагреве небольшого участка платы происходи её расширение (выпучивание нагреваемого участка), что может привести к повреждению межслойных проводников и отрыву контактных площадок. Поэтому, необходим прогрев всей платы (не до температуры пайки, но где-то на 2/3 от неё). Подробнее от процессе ручной пайки BGA можно прочитать на сайтах посвященных ремонту компьютерной техники.
Данное устройство будет полезно многим радиолюбителям занимающимся ремонтом аппаратуры, компьютерной и видео техники. А так же тем, кто просто собирает разные схемы из деталей, выпаянных из старых плат.
Устройство позволяет монтировать/демонтировать и просто пропаивать BGA-компоненты, восстанавливая контакт, так же при помощи данного устройства можно легко «потрошить» любые платы «на детали», что помогает избавиться от «лишнего».
Теперь о самом устройстве и принципе его работы. Устройство состоит из самой установки и блока управления, который выполнен в отдельном корпусе. На установке имеется место крепления плат и два нагревателя. Верхний нагреватель имеет возможность изменять своё положение относительно закрепленной платы. В качестве нижнего нагревательного элемента я использую конфорку для электроплиток мощностью 2 кВт и диаметром 220 мм. А в качестве верхнего 4 трубчатые галогеновые лампы по 150 Вт каждая и длинной по 78мм. Выглядит это примерно вот так:

О конструкции корпуса смотрите отдельную инструкцию, там более-менее подробно описан процесс сборки и даны размеры заготовок. Материал преимущественно листовая сталь от старых компьютерных корпусов, в них применялась сталь толщиной порядка 1 мм, не то что в современных: В принципе для верхнего нагревателя подойдёт и 0,3-0,5 мм, а для нижнего желательно потолще, т.к. плитка штука не лёгкая. В качестве связующего звена использованы винты и гайки M3 c шайбами. Штатив выполнен из двух стальных реек снятых со старого матричного принтера (направляющие блока печатающей головки).
Блок управления выполнен на МК ATmega16, тактируемого от внутреннего RC-генератора частотой порядка 8 МГц. В качестве индикатора в схеме применён широко распространённый двух строчный ЖК-модуль с контроллером HD44780 (и совместимыми). Рассмотрим принципиальную схему:

Схема состоит из блока усилителей термопар, МК с дисплеем, клавиатурой и звуковым сигнализатором, схемы детектора нуля, силовой части и блока питания. Блок усилителей собран на ОУ DA1 и DA2, вместо LM358 допускается использовать LM2904. Далее сигналы поступают на АЦП МК.
МК имеет типовую обвязку в виде клавиатуры и дисплея. LC-цепочка L1 C11 питает внутреннюю схему АЦП МК. Резистором R35 устанавливается контрастность дисплея. На плате выведены сигналы для внутрисхемного программирования (ISP). К МК так же подключен пьезокристаллический звуковой излучатель BQ1. Небольшое примечание по поводу подключения дисплея, в зависимости от производителя в дисплеях могут быть поменяны местами контакты 1 и 2 (питание) и еще возможно понадобится установить гасящий резистор в цепи подсветки (вывод 15 дисплея).
Схема детектора нуля имеет два варианта, что бы, так сказать, облегчить повторяемость. Выбор варианта зависит от применяемого вами блока питания, если блок питания трансформаторный, то проще использовать схему выделенную пунктиром, а при использовании импульсного БП придётся собирать схему на оптопаре U1. В моём блоке управления применён трансформаторный БП.
Блок питания. Можно применить как импульсный БП с выходными напряжениями +5В и +12В, так и трансформаторный с интегральными стабилизаторами 7805 и 7812, включенных по типовой схеме. В трансформаторном БП делается доработка в виде дополнительного диода (VD6) сразу после диодного моста и перед фильтрующим конденсатором (см. схему обведённую пунктиром). Блок питания должен обеспечивать ток порядка 1А по обоим каналам.
Силовая часть состоит из двух одинаковых каналов на симисторах VS1 и VS2. Имеется два варианта управления ими, это через оптосимисторы (схема показана пунктиром) и через импульсные трансформаторы (их параметры указаны на схеме). Распиновка симисторов так же показана на схеме. Допускается применение симисторов импортного производства. Симисторы необходимо устанавливать на радиаторы т.к. выделяемая мощность составляет примерно 5-10 Вт. Неоновая лампа HL1 устанавливается вне блока управления поближе к нижнему нагревателю (в корпусе установки) и сигнализирует о включении нижнего подогрева. Для работы с оптосимисторами или трансформаторами прошивки РАЗЛИЧАЮТСЯ.
Так же к силовой части можно отнести схему управления вентилятором, на фото выше этого вентилятора не видно, он выполнен в виде отдельного «фена» и предназначен для охлаждения места пайки, это позволяет сделать пайку более качественной.
В данной схеме применяется метод «беспомехового» регулирования мощности, то есть путём «пропускания» полупериодов сетевого напряжения, количество пропускаемых полупериодов определяет мощность. Данный метод хорош тем, что он не даёт импульсных помех на электросеть, но при работе с лампами накаливания есть недостаток — это мерцание. В принципе это не критично и работе не мешает.
В программе для автоматического регулирования температуры используется алгоритм ПИД-регулятора.
Немного фотографий моего варианта блока управления:

Кстати, на фотографиях печатной платы присутствует кварцевый резонатор, и разводка несколько отличается, связано это с тем, что это первый вариант и в нём присутствует порт RS-232 для соединения с компьютером. Он требовался для отладки программы в процесс её написания. Для работы самой программы точность тактового генератора не требуется, т.к. для отсчёта времени (секунд) используется частота сетевого напряжения, чего вполне достаточно.
Глядя на схему и программу, можно подумать, что она еще на стадии разработки, что не далеко от истины, дело в том что задумывалось больше чем реально сделано, но как показала практика текущих функций хватает для многих задач и что бы понять чего бы еще такого доделать, требуется какое-то время поэксплуатировать устройство: Так же я надеюсь на Вас уважаемый читатель, что вы подскажете, каким образом можно улучшить функциональность и удобство работы с этим инструментом.
Несколько фото того что получилось:

Блок питания, оптосимисторы и выходные симисторы располагаются отдельно. Изначально на основной плате присутствовали транзисторы VT1 и VT2, теперь их нет т.к. удалось достать оптосимисторы. Решение с импульсными трансформаторами считаю не очень надёжным и красивым, т.к. есть некоторые сложности в их намотке — требуется хорошая изоляция первичной и вторичной обмоток, а кольца имеют предел по количеству намотанного на них изолятора. Но если достать оптосисмисторы не удаётся, всегда есть вариант с трансформаторами.
ВНИМАНИЕ: При монтаже выходных симисторов и их радиаторов (особенно применяя болтовые TC122, которые имеют электрический контакт с радиатором) помните, что они находятся под высоким напряжением и их требуется располагать, так что бы они ГАРАНТИРОВАНО, не могли замкнуть на корпус (если он металлический) и другие проводники схемы. Провода силовых цепей должны быть рассчитаны на ток порядка 10А.
В моём случае в корпусе блока управления установлен вентилятор, в принципе на практике нагрев симисторов не такой сильный, как мне казалось при разработке, но всё же рекомендую установить, при длительной работе возможен перегрев.
Вот фото процесса работы (верхний нагреватель выключен и сдвинут в сторону):

На фото происходит пропайка видеочипа компьютерной видеокарты (частая их неисправность заключается в повреждении пайки из-за перегрева), фольга используется для ограничения площади воздействия верхнего нагревателя.
Для соединения нагревателей с блоком управления у меня используются провода от старых утюгов, они в данном случае подходят наилучшим образом, т.к. имеют подходящее сечение проводников и термостойкую изоляцию.
В конструкции применяются термопары K-типа от недорогих мультиметров, удалось достать отдельно небольшое количество у продавцов таких мультиметров, т.к. приборы оказались бракованными. Термопары при работе располагаются в зоне пайки и должны прижиматься к плате, для нижнего нагревателя снизу, для верхнего непосредственно в зоне пайки. Прижим обеспечивается очень легко, это связано с тем, что провода термопар, как правило, гибкие и в тоже время достаточно упругие.
Теперь о процесс сборки блока управления. После монтажа всех элементов на плате (включая МК) тщательно проверяется качество монтажа. Затем можно перейти к прошивке МК, для этого лучше и безопаснее использовать лабораторный (не штатный источник питания) или питать от компьютера через программатор. Для прошивки я использую программатор PonyProg (https://www.lancos.com/prog.html). Напомню, что при работе с PonyProg сначала нужно откалибровать программу, затем прочитать (!) фьюзы, загрузить прошивку (HEX), загрузить данные для EEPROM (EEP) (для этого в окне проводника меняем тип файла), прошить (Write Device), опять открыть вкладку с фьюзами, установить их (как именно см. ниже), записать. Для удачной прошивки МК советую следовать этой последовательности.
BootLock12 = 1 (галки нет)
BootLock11 = 1 (галки нет)
BootLock02 = 1 (галки нет)
BootLock01 = 1 (галки нет)
Lock2 = 0 (галка есть)
Lock1 = 0 (галка есть)

OCDEN = 1 (галки нет)
JTAGEN = 1 (галки нет)
SPIEN = 0 (галка есть)
CKOPT = 1 (галки нет)
EESAVE = 1 (галки нет)
BOOTSZ1 = 1 (галки нет)
BOOTSZ0 = 1 (галки нет)
BOOTRST = 1 (галки нет)

BODLEVEL = 0 (галка есть)
BODEN = 0 (галка есть)
SUT1 = 0 (галка есть)
SUT0 = 0 (галка есть)
CKSEL3 = 0 (галка есть)
CKSEL2 = 1 (галки нет)
CKSEL1 = 0 (галка есть)
CKSEL0 = 0 (галка есть)

Далее, проверяем работоспособность подачей питания, на дисплее должно отобразиться приветствие (с коротким звуковым сигналом) и затем появиться сообщение об ошибке. Это нормально, так и должно быть. Далее следуйте Инструкции по настройке и эксплуатации паяльной станции (находится в приложении).
Подробно о сборке моего варианта можно прочесть в Инструкции по сборке установки, но это лишь один из многих вариантов, и далеко не самый идеальный, поэтому имеет лишь рекомендательный характер. Например, проще и быстрее для нижнего подогрева использовать готовый галогеновый прожектор, он конечно имеет более малую площадь, но за то ничего мастерить не нужно. Или наоборот использовать сверху и снизу кварцевые ИК излучатели с высокой эффективностью, но с ними уже сложнее.
Еще одно немаловажное замечание, при работе с галогеновыми лампами помните, что их нельзя включать со следами жира на колбе (от этого они могут расплавиться или взорваться), поэтому перед включением тщательно обезжириваем бензином или ацетоном. И еще при работе очень рекомендую обзавестись хорошими очками от солнца, они вам очень пригодятся! Удачи!