Инфракрасная паяльная станция своими руками

Бабай_МазайТемы / Ремонт, модернизацияСамодельная печь для фьюзинга из электрической конфорки хороша многим, но в имеющейся конфигурации были два очень серьезных недостатка. Печь, даже в утепленном варианте имела довольно большие потери излучением (при высоких температурах), это не позволяло делать правильный отжиг спекшихся деталей – стекло после печи имело значительные внутренние напряжения. Это приводило к повышенному браку. Часто детали лопались при пайке (монтаже их средствами витражной техники Тиффани). Второй момент – большое неудобство, впрочем, сугубо организационного смысла. Управление ходом сплавления вручную по таймеру. При этом, оператор был привязан к печи часами. Пропустив важный момент, можно было запросто испортить ценную заготовку. Применение недорогого программируемого промышленного контроллера китайского производства позволило нейтрализовать оба недостатка и сделать работу максимально простой и технологичной, вида – положил-включил-завтра забрал готовое.Фото 1Фото 2Фото 3. Пример деталей выполненных в технике фьюзинг, в описываемой печи. Фото 1,2 – заготовки; фото 3 – готовые детали, установленные в витражный абажур светильника.В целом, весь процесс сплавления стекол должен подчиняться определенной сложной зависимости время-температура. Часто ее называют термопрофилем.Экспериментально выстраданный термопрофиль стекла для фьюзинга Spektrum, получившийся в авторской печи, где: r – скорость изменения температуры. Нарисован несколько не в масштабе. Рассмотрим первую причину предыдущих периодических неудач – плохой отжиг. Здесь виновата низкая тепловая инерционность печи – легкие огнеупоры ограждения рабочей камеры быстро нагреваются и быстро же остывают, в то время как для снятия напряжений в стекле, нужна не только выдержка при определенной, зависящей от сорта стекла, температуре, но и очень низкий темп остывания. Не менее чем (градусов/сек). А при выключении нагревателей печи, получалось более чем (тех же градусов/сек). Потому и частый брак. То есть, регулирование осуществлялось вручную – включить/выключить печь, включил – она нагревается со своим, ей угодным темпом, выключил – так же остывает. И если темп нагрева (тоже важно) можно замедлить, включив последовательно с нагревателем печи дополнительное сопротивление (разумно снизить мощность нагревателя внутри рабочей камеры), то снизить темп остывания, можно только изменив конструкцию печи. Утяжелив нагреваемую массу. Простой термоконтроллер занят только скорейшим достижением и точным поддержанием выбранной температуры и только. Все эти ваши темпы, не его задача. Вот и оставались напряжения внутри готовой детали – иногда чуть тронь и а-га. Более того, даже если сделать толстый муфель, остывание не будет равномерным – от 550 до ~300°С все равно печь будет остывать быстрее, чем от тех же 300 до комнатной температуры – потери на излучение.Простой температурный ПИД-контроллер задействованный в первой ипостаси печи. Умеет только точно удерживать выбранную температуру. Делает он это хорошо, молодец, но в данном применении этого мало. Применение программируемого термоконтроллера, способного самостоятельно поддерживать внутри печи нужный термопрофиль, кроме полной автоматизации – смены температур в нужный момент, вполне решает и описанную задачу. То есть, скорость изменения температур (и ее постоянство) задается и очень точно контролируется. По крайней мере, те, которые способна обеспечить печь. Наши две главные скорости – первоначального нагрева и остывания в конце процесса удается задавать и регулировать в нужных пределах в полной мере. То есть в простой, легкой (масса) и недорогой печи из современных огнеупорных материалов, например «керамического одеяла», можно создать условия остывания как в массивной из сплошного шамота. Более того, в течение одного непрерывного процесса, можно запрограммировать их разными (например — r2 и r3, см. термопрофиль выше). Это упрощает, удешевляет, облегчает и в то же время расширяет. Очень. Что было использовано при работеКроме собственно, улучшаемой печи и нового контроллера, пригодились – набор инструментов для электромонтажа, в том числе паяльник с принадлежностями, мелкий слесарный инструмент. Для настройки и опытов — таймер-секундомер, ИК пирометр, самодельный полярископ (стрессомер). Опыты производились с образцами художественного стекла для фьюзинга. Новый контроллерТермоконтроллер Altec-pc410, способен обеспечивать сложный температурный процесс по заданному термопрофилю. Применяется в основном в паяльных станциях для монтажа BGA микросхем. В качестве «Большого Брата» выбран термоконтроллер Altec-pc410 китайского производства. Его основная специализация – применение в BGA паяльных станциях. Микросхемы такого типа имеют контактные площадки для пайки, на дне и микросхема при монтаже греется насвозь. Сверху. Это обуславливает точное слежение за температурами и контролируемую скорость их нарастания во избежание термоудара. В отличие от множества аналогов, например популярного «печного» ОВЕНа-251, здесь задается не время на каждый шаг программы, а именно скорость нарастания, как параметр более значимый и информативный для помянутой пайки. Но для работы со стеклом это также удобнее! К тому же Altec имеет больше памяти (программ) и стоит, более чем в два раза дешевле отечественного. К минусам его, следует отнести менее наглядную индикацию, без вычерченной кривой со светодиодиками, передняя панель Altec кажется более сложной, без мнемосхем, а поскольку пользуются фьюзинг-печами в основном барышни, это серьезное препятствие. Впрочем, программируется элементарно. Пользоваться еще проще.ПодключениеЗдесь, термоконтроллер, для проверки был подключен на живую нитку к старому блоку управления. Вместо контроллера обычного, однотемпературного, не программного. Контроллер не установлен в корпус как положено – это только проверка работоспособности прибора и идеи. В дальнейшем, контроллер будет работать с новой, несколько большей печью, в своей коробке, с трехфазной нагрузкой. Управляющий выход прибора подключен к имеющемуся тиристорному ключу, на вход подан сигнал с заделанной в печь термопары К-типа (хромель-алюмель). Устройство дополнительно требует две внешних кнопки «Пуск» и «Стоп». Причем, контакты «Пуск» должны быть замкнуты все время выполнения программы. В предыдущем варианте для некоторого снижения темпа нагрева, последовательно с нагревателем печи было включено внешнее сопротивление – масляный нагреватель 2кВт. Теперь его можно не использовать – на задней стенке блока удалена розетка для его подключения, изменена коммутация. При этом повышается, и изрядно, КПД печи – убираются потери электричества на радиаторе. Всё в дом.

ПрограммированиеСледует понимать, что существует не один вариант описываемого прибора – т.н. «исполнения», вполне могущие отличаться в незначительных деталях. Общий принцип, однако, един. Первоначальное конфигурированиеПрибор в принципе универсальный и перед работой следует его сконфигурировать — включить нужные функции, ограничить их в нужных пределах, отключить ненужные, изменить некоторые параметры для удобной работы в конкретном применении. Прибор предназначен для работы в составе паяльного оборудования. Максимальная температура при этом — 400°С. В фабричной конфигурации контроллер работает в этих пределах. Итак. Для входа в меню параметров конфигурации следует нажать и удерживать более 3 сек. клавишу PAR/SET, найти параметр SP h и установить его нужное значение. В данном случае, хотя бы 800°С. Программирование термопрофиляЗдесь все очень просто. Приведу наглядную памятку, с лицевой панели разрабатываемого блока управления. То есть программа состоит из нескольких шагов, каждому шагу соответствует три параметра: L- нужная температура; d – время ее удержания; r – скорость ее нарастания. Ага – раз-два-три, раз-два-три, раз-два-три… Остальное очевидно.ВыводыПолучилось чудо как хорошо! Однажды настроенная печь работает исключительно без малейшей мороки и вполовину экономнее. Спекание превратилось в удовольствие. Передняя панель при некоторой привычке показалась вполне информативной и понятной. Даже при беглом взгляде легко понять, какой момент отрабатывает программа. Очень хотелось связать контроллер с компьютером. Возможность такая есть, но оказалось – совершенно незачем. Блажь и только. Легко программируется и без компьютера. Один раз. Потом только вызывается нужная программа из памяти. Более того, все программное обеспечение (есть несколько вариантов) для РС-шника, тоже для пайки – до 400°С. Ну да и черт с ним.Babay Mazay, ноябрь, 2019 г. Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь.

Наконец-то появилась возможность рассказать о чем-то действительно интересном. Около полугода тому назад появилась потребность в инфракрасной паяльной станции, для замены чипов и процессоров в корпусе BGA. Конечно, проще всего собрать средства и приобрести готовое решение, но так как гость с отвалом чипа не такой уж и частый, и стоимость данного станка зашкаливает за 100000 рублей, было решено постепенно и не торопясь собрать собственный экземпляр ИК паяльной станции. 

Внимание! Я не профессионал в построении электроники. Данная информация не является инструкцией по изготовлению ИК паяльной станции. Все расчёты и узлы были изготовлены по личному навыку. Будьте максимально осторожны и внимательны при работе с электричеством!

Список деталей и компонентов для ИК станции

• Корпус от стоечного сервера (б.у.), или любой другой – 1 шт.,
• Фотоувеличитель УПА-2 1959 г.в. – 1 шт.,
• Керамический ИК нагреватель 600w, 245×65 мм – 4 шт.,
• Керамический нагреватель 450w, 80×80 мм – 1шт.,
• PID контроллер температуры REX-C100 – 1 шт.,
• PID контроллер температуры PC-410 – 1 шт.,
• Твердотельное реле FOTEK SSR-40 – 2 шт.,
• Термопара типа К для предварительного нагревателя (нижнего) – 1 шт.,
• Термопара для верхнего нагревателя типа К с трубкой – 1 шт.,
• Автомат электрический 16А – 2 шт.,
• Керамическая колодка для подключения нагревателей – 3 шт.,
• Мощная колодка для подключения всей электроники (10 контактов) – 1 шт.,
• Кнопка старт-стоп (общая) – 1 шт.,
• Кнопка с фиксацией – 1 шт.,
• Кнопка без фиксации – 1 шт.,
• Блок питания 12V – 1 шт., 
• Кулер 90х90 мм – 4 шт.,
• Монитор.,
• Кронштейн для монитора.,
• Тонкий клиент на жестком диске или компьютер.,
• Разъем RS-232 мама (COM) для подключения PC-410 к ПК – 1 шт.,
• Кабель, термоусадка, клеймы, болты, гайки, саморезы, стяжки, свёрла и т.д.,
• Стол для крепления печатных плат – 1 шт.

С чего начался весь проект

Около 2 месяцев назад, в предприятии по соседству, началась распродажа ненужного IT оборудования, мимо которого я не мог пройти. Первым же делом я ухватил стоечный серверный корпус, идеально подходивший по размерам и с защитой от несанкционированного управления. Благо я не первый и не последний желающий создать бюджетную но ничем не уступающую заводскому аналогу паяльную станцию. Найдя в просторах интернета единомышленников, которые поделились опытом разработки самодельной станции, я собрал всю необходимую информацию и приступил к работе.

Приступаем к работе над проектом

Первым делом необходимо подготовить корпус для будущей ИК станции. Освобождаем корпус от всех комплектующих, оставляем только разъём для подключения питания в 220V, и систему охлаждения. Далее, измеряем площадь будущего проёма для крепления керамических нагревателей и делаем разметку учитывая количество нижних нагревателей, в моём случае их 4, размером 245х65 мм. При помощи дрели сверлим несколько крупных отверстий, для дальнейшего вырезания проёма электро-лобзиком. Следующим этапом идёт сверление отверстия для стойки верхнего нагревателя, располагающегося возле тыльной стороны корпуса, по центру изготовленного проёма, подберите оптимальное расстояние, советую сделать это после сборки верхнего нагревателя. 

Предварительный нижний нагреватель BGA

Предварительно заказал на алике 4 керамических нагревателя, размером 245х65 мм для ИК станции ACHI IR PRO, мощностью в 600W, PID контроллер температуры REX-C100, твердотельное реле FOTEK SSR-40, термопару типа К. Для рефлектора (отражателя) и крепежной платформой я выбрал дюралевую пластину размером 270х270х2 мм. Данный металл имеет отражающую поверхность, легкую теплопроводность, и простоту в обработке. Первым делом необходимо точно разметить поверхность согласно крепежным элементам нагревателей, фиксируются они при помощи стальных скоб и уплотняющей “пружины”. Далее при помощи дрели сверлим отверстия, затем потеем с надфилем и плоским напильником. Советую делать на 3 мм шире самого крепёжного выступа, так-как керамика очень хрупкая. Далее монтируем нижние нагреватели на посадочные места. Для подключения я выбрал две керамические колодки, они предназначены для высоких нагрузок и температуре, идеально подходят. Подключение нагревателей вы можете увидеть на фото. Провода для нагревателей я использовал от кабеля питания стиральной машины, очень мощные, плюс вся проводка на клеймах и термоусадке.

Верхний нагреватель BGA ИК станции

Предварительно заказал на алике 1 керамический нагреватель фирмы Yarboly 80×80 мм, мощностью в 450W, PID контроллер температуры PC-410 фирмы Yarboly, твердотельное реле, термопару типа К. Далее нам понадобится советский фотоувеличитель УПА-2 1959 (ищем, покупаем), для изготовления кронштейна (держателя) верхнего нагревателя. Демонтируем все лишние детали, оставляем только посадочное место, стойку и функциональную часть. Откручиваем крепежное место увеличителя, отрезаем ножовкой нижнюю часть, затем переворачиваем и подгоняем деталь для большего градуса поворота. Для изготовления корпуса верхнего нагревателя нам понадобятся 5 монтажных уголков 90х90 мм из строительного магазина. 4 из них собираем в кубическую конструкцию при помощи стяжек, свариваем. Из листа металла 150х90 мм делаем П-образную деталь. Стороны детали 90х90 мм – верх, 25 мм загнутые стороны. Вырезаем отверстие для вентилятора, привариваем к кубической конструкции из уголков (подробнее на фото). Из пятого уголка изготавливаем крепление для верхнего нагревателя, вырезаем у одной из сторон паз, размером с крепежный выступ нагревателя. Собираем все в единую конструкцию, монтируем и подключаем охлаждение – 12V ( отдельный слаботочный кабель), нагреватель при помощи мощного кабеля и керамической колодки. Я использовал оплётку от блока питания PC, для эстетичности. Обжимаем концы проводников клеймами и изолируем термоусадкой. 

Электроника и начинка, подключение

Для удобства разборки устройства я подключил все узлы на одну мощную колодку, имеющую 10 ячеек. Подключение довольно простое и изображено на схемах в изображении. Для предварительного нагревателя я выбрал простой и надежный PID контроллер REX-C100, он лишь необходим для поддержки стабильной температуры. Для верхнего же нагревателя я установил более сложную PID контроллер PC-410 с термопрофилем в несколько шагов и 10 программами для любого вида пайки. Данный контроллер распространен во многих инфракрасных паяльных станциях. Имеет многочисленные настройки и подключение к компьютеру! Работает эта красота путём импульсной подачи тока на нагреватель при помощи твердотельных реле, тем самым поднимая, опуская или удерживая температуру. На компьютере мы можем загружать термопрофиль, контролировать работу паяльной станции. Температура измеряется термопарой, одну из которых мы помещаем непосредственно между нижними нагревателями контроллера REX-C100, а вторая термопара подключается к контроллеру PC-410, и размещается на самой плате, в области паяльных работ (не на самом верхнем нагревателе), делается это для точного определения температуры при пайке. Вырезаем необходимое отверстие для установки контроллеров, изготавливаем панель из пластика, монтируем на горячий клей.

Стол для монтажа печатных плат

Изготовил стол из подручных средств и сноровки. Было в наличии пару крепёжных реек от телекоммуникационного шкафа и метровая шпилька с резьбой. Разрезал рейку пополам, прикрутил болтами и гайками к верхней крышке корпуса. Поперечные сделал из шпильки, благодаря отверстиям шпильку легко переставить, тем самым регулировать стол под размер платы. Зажимается с двух сторон гайками. Платы размещаются любого размера, зажимаются на канцелярские прищепки (пока что).

Станцию протестировал, работает прекрасно! Плату не гнёт, не вздувает, довольно быстро чип готов к снятию. Товарищ продал вакуумный пинцет, чему я был очень рад! Его то мне и не хватало. 

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.

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:

Используемые источники:

• https://usamodelkina.ru/16280-modernizacija-samodelnoj-mini-pechi-dlja-fjuzinga-primenenie-programmiruemogo-termokontrollera-altec-rs410-programmirovanie.html
• https://victornight.ru/2018/12/19/bga-station/
• https://a-golubev.ru/instrument/infrakrasnaya-payalnaya-stanciya-svoimi-rukami.html