За десятки лет существования индукционные паяльные системы получили широчайшее распространение в производстве и сервисе. Системы, построенные на индукционном методе нагрева, не раз доказали свое преимущество перед классическим резистивным нагревателем и прочно заняли свое место среди термоинструментов для ручной пайки. О новых моделях такого типа паяльных систем и их технических особенностях пойдет речь в этой статье.
Немного физики
Индукционный метод основан на нагреве проводника (в нашем случае — наконечника паяльника) переменным магнитным полем. Поле создается катушкой, намотанной на хвостовую часть наконечника. Сам наконечник выполнен из очищенной от кислорода меди — материала, обладающего максимальной тепло и электропроводностью, с защитным покрытием в его рабочей части и слоем ферромагнетика, покрывающим хвостовую часть (рис. 1).
Переменное магнитное поле наводит в наконечнике вихревые токи, которые распределяются не во всей толще металла, а благодаря экранирующему действию ферромагнитного покрытия с высоким магнитным сопротивлением — лишь в поверхностном слое, вызывая его интенсивный нагрев. Однако при достижении определенной для данного ферромагнетика температуры, известной как точка Кюри, магнитные свойства материала исчезают, в результате чего наведенные токи уходят с поверхности вглубь наконечника, где они уже практически не вызывают нагрева из-за низкого электрического сопротивления меди. При малейшем отклонении температуры от точки Кюри магнитные свойства покрытия мгновенно восстанавливаются, и нагрев возобновляется. В результате температура наконечника стабилизируется в точке Кюри.
Так работает самый простой, а вместе с тем самый точный и быстродействующий естественный терморегулятор. Какие же практические преимущества дает индукционный метод по сравнению с традиционным резистивным нагревателем? Для ответа на этот вопрос рассмотрим основные параметры, характеризующие паяльный инструмент.
Теплоотдача
Важнейшим требованием к современному паяльнику является его способность быстро передать тепло в точку пайки, в количестве, необходимом, чтобы обеспечить оптимальную скорость нагрева контакта и компенсировать теплоотвод в проводники многослойной платы. Классические паяльники с керамическим или нихромовым нагревателем не всегда в достаточной мере отвечают этому требованию по вине теплового барьера, в той или иной степени присутствующего между нагревателем и наконечником. В лучшем случае это только слой электроизоляции нагревателя, в худшем — воздушный зазор. Совсем по-другому работает индукционный инструмент. Здесь нагреву подвергается непосредственно сам наконечник. В результате при одинаковой электрической мощности КПД и теплоотдача индукционного паяльника могут быть вдвое выше, чем у классического, а сам инструмент при этом будет намного более легким и эргономичным (рис. 2).
Управление процессом нагрева
Для получения качественного паяного соединения нагрев контакта должен происходить с определенной скоростью до определенной температуры. Только в этом случае обеспечиваются нормальные условия для работы флюса и формирования правильной формы соединения в результате растекания припоя. И если максимальную температуру, до которой следует нагревать контакт, обеспечить достаточно легко, просто прекращая пайку в момент растекания припоя, то управлять скоростью нагрева гораздо сложнее. Практически все классические паяльные системы, кроме импульсных, управляют скоростью нагрева через промежуточный параметр — температуру холостого хода наконечника. Чем выше задана температура, тем больше энергии накоплено в наконечнике и тем больше градиент температур между наконечником и контактом, а следовательно, выше скорость нагрева контакта. Хорошо, если бы все контакты имели одинаковую теплоемкость. На практике же при одной и той же температуре наконечника тяжелые контакты могут нагреваться слишком медленно, а легкие контакты на этой же плате будут почти мгновенно перегреваться за счет лавинного схода тепла, накопленного в наконечнике.
Иную картину мы наблюдаем в работе индукционной системы. Температура холостого хода здесь также поддерживается. Она примерно равна температуре точки Кюри для ферромагнитного покрытия наконечника. Однако никакого практического значения эта температура не имеет. Дело в том, что наконечники индукционных паяльников имеют исключительно малый вес и, следовательно, пренебрежимо малую теплоемкость (рис. 3).
При прикосновении даже к легкому контакту наконечник теряет температуру, магнитные свойства покрытия наконечника мгновенно восстанавливаются, и происходит нагрев наконечника вместе с контактом. Ключевым моментом здесь является то, что чем больше теплоемкость паяемого соединения, тем больше будет отклонение температуры наконечника от точки Кюри, и тем больше энергии будет передавать индуктор в наконечник. Таким образом, в зависимости от теплоемкости контакта система индукционного нагрева сама «подбирает» необходимую мощность, так, что скорость нагрева тяжелых и легких контактов оказывается приблизительно одинаковой. Как видим, температура холостого хода наконечника является всего лишь фиксированной точкой отсчета, поэтому в индукционных паяльных системах нет привычного регулятора и индикатора температуры. Оператору не нужно подбирать оптимальную температуру для конкретной задачи. Вместо него процессом нагрева полностью управляют законы физики. Единственно, что требуется, это выбрать наконечник с правильной точкой Кюри. Все наконечники выпускаются в трех вариантах по скорости нагрева. Этого вполне достаточно, чтобы выбрать подходящий наконечник для плат любой теплоемкости, а также для припоев с разной температурой плавления, в том числе бессвинцовых.
Поверка и калибровка
Как правило, классические паяльные станции, в которых в качестве датчика температуры используются термопары, требуют периодической поверки и калибровки. Это связано с естественными процессами, происходящими в термопаре, в результате которых со временем меняются ее параметры. Системы, использующие платиновые термодатчики, как, например, паяльные станции РАСЕ, не требуют калибровки на весь срок эксплуатации. Тем не менее, на многих предприятиях ежегодные поверки обязательны: для выявления неисправностей в работе схем управления, которые могут привести к погрешности при поддержании требуемой температуры. Индукционные паяльные системы не требуют калибровки ни по одной из этих причин. В системах нет стареющих элементов и нет искусственных схем, а работают только законы физики, которые, естественно, не могут ошибаться.
Паяльная система класса Hi-End
Индукционный метод нагрева наконечника паяльника был запатентован американской компанией OK International (производитель станций METCAL) десятки лет назад. За это время индукционные паяльные системы непрерывно совершенствовались. В результате появился модельный ряд индукционных станций нового поколения, флагманом которого все еще является система Metcal MX-5000 — одна из самых совершенных систем для ручной пайки на данный момент (рис. 4).
MX-5000 — это двухканальная паяльная станция, которая, кроме паяльника, может быть укомплектована термопинцетом или вакуумным пистолетом. В зависимости от комплектации MX-5000 применяется для высококачественного монтажа или ремонта электроники. Огромный выбор наконечников для термоинструментов делает эту систему действительно универсальной (рис. 5).
Антистатический блок питания MX-5000 представляет собой высокочастотный генератор с интеллектуальной системой контроля заземления и индикатором мгновенной мощности. Блок заключен в защищенный алюминиевый корпус. Поскольку частота питания довольно высокая — 13 МГц, выходы прибора снабжены коаксиальными разъемами. Кстати, наличие источника высокой частоты в MX-5000 никак не влияет на окружающую среду. Все цепи системы надежно экранированы. Многочисленные сертификаты, в том силе и сертификат от РосТест, а также протоколы испытаний подтверждают отсутствие какого-либо влияния на чувствительные компоненты. Так, например, согласно протоколу испытаний напряженность электромагнитного поля в двух миллиметрах от наконечника находится в пределах естественного фона.
Индикатор мощности наглядно показывает оператору динамику нагрева наконечника в процессе пайки. Это позволяет дополнительно контролировать время пайки каждого контакта, а также правильность выбора серии наконечника. Индикатор мгновенной мощности является великолепной иллюстрацией работы системы индукционного нагрева. В режиме холостого хода он, как правило, показывает 10–15% мощности, при касании паяльником легкого контакта мощность увеличивается, скажем, до 20%, на более тяжелых — до 50% и т. д. (рис. 6).
Паяльник системы MX-5000 напоминает шариковую авторучку и по форме, и по весу.
Индуктор и наконечник объединены в картридж. Отсутствие нагревателя как такового позволило сделать эргономичный инструмент, сбалансированный в руке. Картридж — наконечник диаметром со стержень от той же шариковой ручки — может развивать мощность до 50 Вт, а учитывая то, что КПД индуктора вдвое выше резистивного нагревателя, то по теплоотдаче инструмент эквивалентен классическому паяльнику мощностью более 90 Вт (рис. 7).
Но если традиционный 90-Вт паяльник не рекомендуется использовать для легких контактов и чувствительных компонентов, то индукционный паяльник с миниатюрным наконечником для монтажа, как мы уже знаем, в режиме холостого хода имеет мощность не более 10–15%, то есть примерно 12 Вт. Очевидно, что 12-Вт паяльником, да еще с нулевым запасом тепла в наконечнике, что-либо перегреть невозможно.
Особого внимания заслуживает термопинцет MX-PTZ. Благодаря индукционному методу инструмент позволяет работать с чип-компонентами на толстых многослойных платах, для этого используются самые тонкие наконечники. Кроме того, в термопинцете предусмотрена точная регулировка положения наконечников, позволяющая свести их в одну точку и работать с мельчайшими компонентами. Отсутствие запаса тепла в наконечниках защищает керамические компоненты от термоудара в момент касания контактных площадок (рис. 8).
«Народный» паяльник
Наряду с представленной ранее паяльной станцией высшего уровня фирма OK International выпускает индукционные системы бюджетной серии METCAL PS-900. Это наиболее популярная система на предприятиях, где используется ручной монтаж. PS-900 работает на частоте всего 470 Гц, которая не требует дорогостоящего исполнения с коаксиальными соединителями. Тем не менее, система имеет защищенное от электростатики промышленное исполнение в алюминиевом корпусе (рис. 9).
Принципиальное отличие паяльника PS-900 заключается в том, что его наконечник является съемным, а индуктор постоянно установлен в рукоятке. Для сохранения такой же высокой теплоотдачи, как у модели высшего класса, в PS-900 пришлось увеличить диаметр индуктора до 7,5 мм и повысить мощность до 60 Вт. Эргономика при этом не сильно пострадала, поскольку в любом случае инструмент получился очень легким из-за отсутствия нагревателя (рис. 10).
Кроме того, есть возможность в эту же рукоятку установить индуктор меньшей мощности (35 Вт) диаметром 5 мм и использовать микронаконечники для деликатной работы. Существует огромный ассортимент как стандартных, так и микронаконечников. Одних только «мини-волн» — десяток вариантов.
Ресурс и без того долговечных наконечников существенно продлевается благодаря специальной подставке под инструмент с функцией автоматического отключения. Это не мешает работе, так как после съема с подставки инструмент выходит на рабочую температуру за пару секунд, зато в масштабах больших предприятий существенно экономится электроэнергия, а увеличенный ресурс наконечников делает систему идеальным инструментом для бессвинцовой технологии.
Модельный ряд индукционных систем не ограничивается паяльными станциями, представленными в данной статье. Также выпускаются многофункциональные системы для ремонта серии MFR, предназначенные специально для сервисных центров, современные станции серии CV, а так же индукционные паяльные станции с регулировкой температуры GT.
Евгений Аксенов
http://argus-x.ru/