Паяльные станции ‘Техно-203’ и ‘Техно-204’. Прорыв в пайке или правильная техническая реалиазция?

Первые промышленные электрические паяльники состояли из нагревателя в виде спирали из материала с большим удельным сопротивлением (константан, нихром), намотанной слоями через слой диэлектрика (слюды). Внутри нагревательного элемента размещался хвостовик жала паяльника, на который передавалось тепло от нагретой проволоки. Жало изготавливалось из меди, как из материала, обладающего наибольшей теплопроводностью. Очень скоро стало ясно, что температура наконечника жала, а следовательно, и области пайки, не поддается регулированию. Мощность проволочного нагревателя можно регулировать с помощью, например, тиристорного блока управления, однако температура жала не поддавалась регулировке. Для обеспечения хотя бы кратковременной стабилизации температуры приходилось делать жало очень массивным, чтобы предварительно прогретое, оно запасало необходимую тепловую мощность и передавало ее в область пайки. Соответственно, паяльник обладал очень большими массо-габаритными показателями и совсем не устраивал монтажников ЭРА по удобству пайки. Получалось, что каждый из монтажников должен был приспосабливаться к паяльнику, учитывая скорость нагрева и охлаждения жала экспериментальным путем. Процент брака собранных плат и готовых приборов сильно зависел от «человеческого фактора».

Производители паяльного оборудования, следуя потребностям радиоэлектронной промышленности, вынуждены были искать пути миниатюризации жала паяльника при обеспечении требуемого постоянства температуры. Появляются первые паяльные станции. Главное их достоинство состоит в том, что они дают возможность оценивать температуру жала паяльника, пусть даже с небольшой точностью, и обеспечивать регулирование мощности нагревателя. Такой способ поддержания оказался очень удобен, но имел много недостатков. К недостаткам прежде всего можно отнести большое тепловое сопротивление между нагревателем и наконечником, большую рассеиваемую мощность паяльника, малую точность поддержания заданной температуры. Процент брака вновь собираемых изделий значительно уменьшился, однако по-прежнему качество пайки определялось индивидуальными особенностями монтажника, который был вынужден постоянно оценивать надежность паяного соединения, основываясь на собственной интуиции.

В дальнейшем производители паяльного оборудования предложили новый способ изготовления нагревательного элемента — керамический нагреватель. Главным достоинством такого нагревателя является намного меньшее время разогрева по сравнению с проволочным нагревателем. Оно измеряется уже не единицами минут, а десятками секунд при нагреве наконечника от комнатной температуры (25 °С) до рабочей температуры пайки (220-240 °С). Опыт применения таких станций убедительно доказал, что качество ручной пайки существенно выше и намного меньше зависит от индивидуальных свойств монтажника. Появляются станции с цифровым отсчетом и регулировкой температуры, дающие гораздо более высокие показатели по точности поддержанию температуры.

Нерешенным вопросом по-прежнему остается один: как обеспечить заданную точность поддержания температуры на самом жале паяльника, ведь управлять в станциях можно только подводимой мощностью к нагревателю, а поддерживать температуру надо на жале, электрически не связанном с нагревателем. В станциях с нихромовым или керамическим нагревателем приходилось идти на перерегулирование нагрева жала паяльника при включении и включать нагреватель до достижения минимальной заданной температуры пайки в процессе паяния.

Современная миниатюризация и микроминиатюризация используемых компонентов требует от разработчиков паяльного оборудования новых решений, обеспечивающих целый комплекс требований. Среди многих факторов наиболее важными являются такие, как:

1. Возможность локального прогрева платы или вывода микросхемы именно в планируемом месте соединения компонентов при минимизации теплового удара на корпусе микросхемы и печатной плате.
2. Достаточно большая подводимая мощность в зону пайки (не менее 50 Вт) для обеспечения требуемой характеристики оплавления припоя и надежного его затекания между соединяемыми плоскостями проводников.
3. Требования по антистатической защите монтируемых компонентов аппаратуры во избежание выхода из строя компонентов схемы, чувствительных к статическому электричеству.
4. Простота, удобство и надежность нагревательного оборудования с точки зрения монтажника (эргономичность ручки).

Новейшим решением в области ручной пайки можно считать паяльные станции серии «Техно-203» (рис. 1) и «Техно-204» (рис. 2).

Изменен сам принцип нагревательного элемента. В этих станциях нет нагревателя в прямом смысле этого слова. Нагревателем служит само тонкостенное жало паяльника. Паяльная станция преобразует напряжение питания сети в импульсное напряжение размахом 36 В с частотой переключения 400 кГц при нагреве. Это напряжение подводится к возбуждающей обмотке снаружи жала паяльника (рис. 3), которое является замыкающим для магнито-провода, состоящего из наружной оболочки обмотки возбуждения, внутренней упорной части жала паяльника и собственно жала. Если включать станцию без жала (что, конечно, не рекомендуется), то магнитопровод оказывается незамкнутым и подводимая мощность рассеивается только на активном сопротивлении обмотки паяльника, что составляет не более 30-35% от номинальной. Это обеспечивает существенное продление срока службы паяльной станции при неправильном включении. При установке в паяльник жала происходит замыкание линий магнитного поля и увеличение индуктивности конструкции в 100 раз с 0,5 мГн до 50 мГн. Материал жала подобран таким образом, что максимальное выделение тепла, существующее в любом магнитопроводе любого дроссельного элемента, производится именно внутри материала жала. Тестирование жала показало, что его основой является медь с толстым внешним слоем магнитомягкого материала, что обеспечивает две функции: с одной стороны, медь является хорошим теплопроводником, с другой стороны, она полностью защищена от воздействия окружающей среды толстым слоем магнитопроводника, передающего ей тепло и не подверженного окислению при нагреве. За счет этого получается, что вся мощность, передаваемая паяльной станцией паяльнику, на 80-85% передается самому наконечнику, включенному как дроссель с максимальными тепловыми потерями на жале. Однако оставшиеся 15-20% мощности тоже «не пропадают даром» — они разогревают обмотку возбуждения, которая находится снаружи хвостовика жала, нагревая его при этом по «классической» схеме нагрева жала паяльника. Такой же эффект дает небольшое постоянное напряжение на обмотке возбуждения, не влияющее на прочие свойства станции, так как обмотка гальванически развязана от нагревательного элемента.

Индуктивность и внутренняя емкость паяльной станции подобрана таким образом, что рабочая частота генератора совпадает с резонансной частотой LC-контура, обеспечивая тем самым максимальную добротность и минимальные потери на активных сопротивлениях. При этом используется еще одно свойство феррорезонансной системы. При потреблении от источника знакопеременного напряжения частотой 400 кГц контур обеспечивает подавление высокочастотных 3-й и 5-й гармоник (соответственно 1200 кГц и 2 МГц) не хуже 60 дБ. Для еще большего подавления паразитного излучения станции оборудуются внутренними LC-фильтрами 3-го порядка с частотой среза около 700 МГц.

Станции «Техно-203» и «Техно-204» обладают паразитным излучением на высоких частотах даже меньшим, чем обычные тиристорные схемы управления мощностью керамического и тем более нихромового нагревателя.

Такое включение паяльника определило способ управления нагревателем, состоящий из задающего маломощного генератора на частоту 400 кГц и MOSFET-ключа, управляемого от канала измерения температуры. Генератор и ключи заключены во внутренний экран внутри металлического заземленного корпуса станции, а управление для ключей организуется с помощью цифрового компаратора, сравнивающего текущее значение температуры с предустановленным.

Значительное уменьшение массы жала паяльника позволило сделать его пустотелым внутри (см. рис. 3) и завести внутрь жала температурный датчик, контролирующий температуру не всего наконечника, а только кончика жала, контактирующего со спаиваемыми материалами. Такое конструктивное решение обеспечивает измерение температуры именно в зоне контакта «жало — область пайки», исключая возможность перерегулирования температуры жала, как это было реализовано в станциях с нихромовыми и керамическими нагревателями.

Паяльные станции имеют в своем арсенале множество сменных наконечников (рис. 4), удовлетворяющих всем требованиям, предъявляемым к паяльным станциям ручного монтажа.

К дополнительным достоинствам предлагаемых станций следует отнести то, что они обладают свойствами ESD-станций, исключая возможность повреждения компонентов схемы статическим электричеством. Иногда инженеры и сервисанты забывают о том, что жало паяльника должно быть заземлено, что приводит к пробою высокочувствительных элементов, например, компонентов CMOS. В итоге получается, что ремонт платы, состоящий из замены одного элемента, приводит к уничтожению всей схемы целиком. Для этого жало паяльника через корпус паяльника электрически соединено с заземлением станции, что уже было реализовано в станциях с керамическими нагревательными элементами.

Станция «Техно-204» обладает еще одним преимуществом. В корпусе паяльника размещается датчик вибраций, на основании показаний которого станция автоматически переходит в режим пониженного энергопотребления, если паяльник не перемещается в пространстве более 10-15 минут и переходит в режим поддержания температуры 200 °С. Если паяльник вновь берут в руки, жало нагревается до заданной температуры за 2-2,5 секунды. Такое свойство станции обеспечивает значительное продление срока службы наконечников и паяльника.

Станция «Техно-203» оборудована цифровой температурной шкалой, «Техно-204» — проградуированным с точностью 1 °С потенциометром. При этом максимальное отклонение температуры жала паяльника от заданной не может превышать даже в самых жестких условиях работы максимум 20 °С, а в режиме поддержания температуры — 2 °С. Для сравнения на рис. 5 приведены типовые тепловые характеристики станций с керамическим и высокочастотным нагревателем.

Недорогие и очень практичные станции «Техно-203» и «Техно-204» должны понравиться монтажникам на любом участке монтажа компонентов, удовлетворяя самые изысканные запросы производителей радиоаппаратуры.