Урок 3. Выбор нагревательных элементов для станции.

При создании станции безусловно происходит момент выбора нагревательных элементов. Возникают вопросы какой лучше ? Какой мощности ? Каких размеров ? Постараемся ответить на эти вопросы.
Нагревательные элементы для станции условно можно разделить на две группы. Для нижнего ПОДОГРЕВА (именно подогрева) и для верхнего нагревателя. Давайте сначала рассмотрим нижний нагреватель. В принципе основное обсуждение на форумах и крутиться вокруг нагревательных элементов именно нижнего нагревателя.

• Первый и у многих основной вопрос – площадь нагревателя, его размер. Далее следует наиболее распространённый ответ на любом форуме, от любого гуру – нижний подогрев должен быть большим. Маленький подогрев завернёт Вашу плату «винтом». Это пишется как аксиома. Однако вопрос это спорный. Мы уже несколько лет выпускаем станцию Микро имеющую весьма малый нагревательный элемент снизу. Но все таки на ней паять можно и вполне успешно. Видео на нашем канале Mkvadrat  имеются. Но безусловно есть сложности с пайкой на маленьком нижнем нагревателе. Очень большую роль играет управление нагревателем в ходе пайки. Поэтому если Вы хотите более просто построить и схему управления , и упростить саму пайку , то лучше все таки использовать нижний нагревательный элемент большей площади. Еще хотелось бы отметить один момент – платы заворачивает «винтом» не от площади нижнего нагревателя, а от перегрева нижней стороны платы от нижнего нагревателя. Это и есть основная причина. Безусловно что когда у Вас нижний нагреватель маленького размера, а плата большая по размерам и если в добавок микросхема стоит примерно по центру паяемой платы, то для прогрева места пайки приходиться греть снизу сильнее. Вот в этот момент и происходит термическое повреждение платы. Правда в случае с Микро плату не завернет «винтом» она может просесть в месте пайки. У Микро слишком мал нагреватель для образования «винта». Вот если нижний нагреватель будет иметь размер чуть более чем 100 на 100 мм (распространено у многих недорогих китайских паяльных станций), то тогда есть все возможности для образования именно «винта». Образование его происходит в принципе по причине начинающегося оплавления пластика платы и переход его из твердого состояния в вязкое. Далее неравномерность отвода тепла  по причине разного количества меди в слоях и «винт» готов. Поэтому первая профилактика от «винта» - необходимо понизить температуру низа .  Да верхнему нагревателю будет тяжело при снятии/установке паяемой микросхемы и может быть перегрев сверху, но тут и нужно правильно настроить профиль.
  Все таки какой размер нижнего нагревателя нужен ? Исходя из опыта практического производства паяльных станций – классика это примерно 250Х250 мм. Обычно это 4 стандартных нагревательных элемента с размерами 60Х240 мм. Такой размер подойдет для подавляющего числа плат (ноутбуков, компьютеров , игровых приставок, телевизоров и т.д.). С таким размером Вам будет проще выстроить систему управления нагревательными элементами (например использовать примитивные промышленные контроллеры RX-100). В принципе китайские станции (весьма многие) именно так и делаются. 
  Мы сами выпускали станции и выпускаем с чуть меньшим размером – 200Х250 мм. И на данном размере без проблем можно выполнять все работы по пайке плат. Есть у нас станции и чуть большого размера нижнего нагревателя – 300Х250 мм. На них можно паять уже весьма большие платы в подавляющем случае специализированные.
  Однако в случае начинающей пайки я бы все-таки рекомендовал схему 250Х250. В случае использования 4-х нагревательных элементов – с возможностью отключения 2-х наружных элементов.
• Мощность нижнего нагревателя. Исходя из нашего опыта 1600 ВАТТ вполне достаточно для решения любых задач по пайке. Исходите из того что при меньшей мощности Вы можете либо не выйти на заданную температуру  и как результат не догрев. Либо будете долго прогревать плату. Это правда не проблема, но Вы будете весьма чувствительны к сквознякам ))). Большую мощность нижнего нагревателя можно использовать , но в разумных пределах. Мы выпускали станции и выпускаем с мощностью нижнего нагревателя  2000 ВАТТ. Большей мощности мы станции не делали. Нужно исходить из возможности питающей сети. Как-то не банально звучит – экономии электроэнергии. В противном случае будете просто греть воздух. В классической схеме это 4 нагревательных элемента по 400 ВАТТ каждый. Можно и по 500 ВАТТ. В принципе тоже нет проблем. Большую мощность мы в своих проектах не использовали. От мощности зависит скорость и температура нагрева элемента. Но во всем есть разумность.

Мы с Вами рассмотрели два основных вопроса по выбору размера и мощности нижнего нагревательного элемента. Теперь перейдем к вопросу который вызывает и споры , и «аксиомы» гуру пайки. Это вопрос о том – какие нагревательные элементы использовать в станции ?
Обзор и выбор нагревательных элементов.

На текущий момент наиболее обсуждаемые нагревательные элементы для нижнего нагревателя это :

• Инфракрасные керамические излучатели.
• Инфракрасные кварцевые излучатели.
• Толстоплёночные нагревательные элементы (в частности алюминиевые плиты)

Это то что наиболее часто находиться в обсуждении на разных форумах. Попробуем рассмотреть что это и чем отличается.
Керамические излучатели являются наиболее распространёнными элементами при изготовлении паяльных станций в особенности китайскими производителями. Действительно это наиболее бюджетное и простое решение. Тем более в силу определённой инертности ими вполне возможно управлять с помощью не дорогих промышленных контроллеров.

Выше приведена характеристика нагревательных элементов фирмы НОМАКОН. В принципе все остальные имеющие присутствие на рынке имеют примерно такие  же характеристики. Безусловно на форумах звучит волшебное слово – Эльштайн (немецкий производитель). Но тут вопрос уже денежных знаков. Вместе с тем цена не является панацеей. Опять таки есть разумность в подходе. Безусловно можно приобрести и самые дешёвые китайские нагреватели (по цене примерно в 1-2 доллара. Именно то, что стоит непосредственно в китайских станциях. Цена не как запчасть , а как нагревательный элемент с алибабы). Но в этом случае по приходу нагревателей имеет смысл замерить их внутреннее сопротивление, для того чтобы убедиться в мощности нагревателей. Иначе есть риск получить нагреватели разной мощности и как результатт неравномерность нагрева паяемой платы. Кстати я бы рекомендовал и тем кто приобрёл китайскую станцию проверить каждый элемент. В противном случае один из элементов (например в случае с большой мощностью) будет просто жечь плату (результат «винт» из платы) , а другой (в случае с меньшей мощностью) просто не догреет. С учётом того что термопара низа в китайских станция приложена (именно приложена) к одному элементу и соответственно замеряет именно его температуру в надежде, что все остальные элементы идентичны по характеристикам можно получить эффект «винта».
Как выглядят элементы и их графические характеристики. Это элементы нашего партнёра НОМАКОН

В наших первых станциях мы использовали в классической схеме именно такие элементы.

Мощность по 400 ВАТТ элемент. Кроме того НОМАКОН продаёт элементы со встроенной термопарой. В этом случае Вам нет необходимости делать приспособление для прижима термопары (для измерения температуры нижнего нагревателя). Так же мы использовали данные элементы для замены на китайских станциях и китайских нижних подогревах. 4 элемента – один со встроенной термопарой. Эффект по работе оборудования сразу изменялся. Кроме того элементы НОМАКОН более тонкие чем китайские.
Кварцевые нагреватели мало используются китайскими производителями станций. Фактически используются только на нижних подогревах  .

В своей основе кварцевые нагреватели используются фирмами производящими паяльные станции с собственными контроллерами. Кварцевые нагревательные элементы используем и мы в наших станциях. Мы используем  кварцевые нагреватели 400 ВАТТ  фирмы НОМАКОН.

Если внимательно посмотреть характеристики кварцевых и керамических нагревателей, то они во многом идентичны. Только скорость нагрева и охлаждения отличаются. Поэтому обсуждение о том что кварцевые нагреватели имеют некое  излучение , которое вызывает потемнение плат не имеют под собой основания. Потемнение происходит по причине перегрева , а не излучения. Потому что регулировать кварцевые нагреватели в своей основе лучше с помощью именно ШИМ регулирования, а не просто твердотельными реле.
Помимо показанных кварцевых элементов есть и другие. Например такие

Именно такие элементы используются в частности в станциях Martin (Германия).

В принципе можно использовать и 4 таких нагревателя. Безусловно в этом случае нужно использовать зеркальную нержавейку в качестве подложки для более эффективного использования. Естественно возникает вопрос о равномерности нагрева в данном случае. В качестве проверки равномерности нагрева на форумах рекомендуют класть бумагу на поверхность нижнего нагревателя и смотреть места потемнения. Тем самым определяя равномерность нагрева. Компания Мартин следуя из фото вообще это не соблюдает. Вместе с тем нужно заметить, что у самого Мартина сверху кладётся термостойкая керамика (тёмная или полупрозрачная).  Безусловно это все даёт равномерность нагрева. Кроме того между паяемой платой и нижним нагревателем имеется расстояние (в случае с Мартином 40 мм) и на этом расстоянии происходит смешивание горячих воздушных потоков идущих от нижнего нагревателя к плате. И прогрев приобретает уже полную равномерность. И как можно заметить , что компанию Мартин не пугает излучение идущее от кварцевых нагревателей. Однако если у нас в России используют кварцевые нагреватели , то на форумах гуру тут же указывают на излучение и неравномерность нагрева и прочее. Но естественно перед Мартином снимают шляпу. Ну немцы все таки. Вот так вот по кварцевым нагревателям.
Толстоплёночные нагревательные элементы (в частности алюминиевые плиты) Данные элементы у нас особо любимы в обсуждениях на форумах. Что это такое попробуем объяснить. Данные нагревательные элементы на территории России производят две фирмы (из тех что мне известны) это Зеленоградская компания Аксель и Ярославская Оникс. Кому интересны данные элементы могут сходить на сайты данных компаний и почитать.

С моей точки зрения выигрыш получается только в толщине нагревательного элемента. Толщина таких нагревательных элементов меньше. Обе компании делают нагревательные элементы на заказ и разного вида. Мы в свое время рассматривали возможность использования данных нагревателях в наших станциях в качестве нижнего нагревателя. Но отказались в пользу кварцевых кассет.  Мы планировали использовать толщину самого нагревателя в 5 мм, но при такой толщине производитель не гарантировал отсутствие деформаций при нагреве. Думаю по этой причине используются пластины толщиной в 10 мм.  Данные элементы никто не использует из иностранных производителей. В своей основе их используют только в России. В принципе оригинальное решение. Но считать это выигрышем не вижу причин. Кроме толщины элемента.
В принципе вот краткий обзор нагревателей , которые можно использовать для создания собственной станции. Хотелось бы отметить – если Вы планируете использовать для управления нижним нагревателем простые промышленные контроллеры без симисторной регулировки мощности, то отдавайте предпочтение керамическим нагревательным элементам. Это позволит Вам без особых сложностей создать нижний нагреватель.
Теперь обсудим ВЕРХНИЙ НАГРЕВАТЕЛЬ.
В качестве верхнего нагревателя наиболее распространены варианты :

• Керамический нагревательный элемент.
• Кварцевый нагревательный элемент.
• Инфракрасная лампа (желательно с фокусировкой).
• Горячий воздух.

В отличие от нижнего нагревательного элемента верхний именно и дает возможность пайки по профилю. Именно с помощью верхнего нагревательного элемента Вы и снимаете/ставить паяемую микросхему. Безусловно это сразу отражается на управлении. Если посмотреть китайские станции , то у моделей которые позиционируются , как наиболее оптимальные для пайки управление верхним нагревателем осуществляется с помощью программируемых промышленных контроллеров. Наиболее типичным таким контроллером является PC-410. В нем можно задать до 8 ступеней. Но мы не будем останавливаться на управлении нагревателем. Это все мы уже рассмотрели в первом уроке. Непосредственно рассмотрим каждую позицию по нагревателям.
Керамические нагреватели для верхнего элемента. Размеры и мощность данных элементов варьируются от 250 до 450 ВАТТ и от 60Х60 мм до 124Х124 мм. В наиболее распространённых на нашем рынке китайских станциях стоят нагревательные элементы размером 80Х80 мм и мощностью от 350 до 450 ВАТТ. Лучше брать нагревательный элемент большей мощности. Это позволит Вам выдержать динамику пайки. Нагревательные элементы 60Х60 мм и мощностью 250 ВАТТ я бы не рекомендовал брать (независимо от производителя). При пайке микросхем размера больше чем 30х30 мм можно столкнуться с нехваткой мощности и как следствие затяжкой времени пайки, что не очень хорошо для паяемой микросхемы. В размер 60х60 мм вписать мощность 350-450 ВАТТ не получиться. Есть риск того что керамика от высокой температуры треснет. Поэтому китайские товарищи делают нагреватели чуть большего размера. При этом нужно учитывать такой момент. В нагревательных элементах 80х80 мм и мощностью 450 ВАТТ китайцы используют две параллельные спирали расположенные в двух половинках нагревателя. Весьма часто наблюдается , что примерно через год выходит из строя одна из спиралей. Итог нагреватель начинает греть не равномерно. В результате паяемая микросхема с одной сторны прогревается с другой нет. Как результат сорванные пятаки на плате. Определить это можно визуально. Посмотрев на нагреватель во включённом состоянии в темноте. Можно будет увидеть свечение либо всей площади, либо только половины. В случае неисправности замена.

Если Вы планируете делать станцию под управлением промышленных контроллеров , в частности PC-410, то рекомендую присмотреться именно к этим нагревательным элементам. Пока такой элемент находиться в исправном состоянии Вы сможете без проблем снимать и ставить любые микросхемы. Но не забывайте контролировать исправность элемента. Мы выпускали станции на таких элементах в 2012 году. Станции работают до сих пор. Элементы у всех менялись ))). Кроме станций на которых мы ставили нагревательные элементы 60х60 мм мощностью 250 ВАТТ фирмы НОМАКОН. Данные элементы работают до сих пор , но я бы сказал, что гранично по мощности. Для улучшения работы 250 ВАТТ нагревателей (даже если Вы решите поставить волшебный Эльштайн) я бы рекомендовал делать из зеркальной нержавейки отражатель. Это улучшит работу нагревателя и думаю даже 250 ВАТТ справиться с любой микросхемой.
Кварцевые нагревательные элементы. Данные элементы мы используем сами при производстве наших станций уже около 7 лет. За все время ни один элемент не вышел из строя. Нагреватели имеют размеры 62х62 мм и мощность 250 ВАТТ. Но в отличие от керамических нагревателей скорость нагрева у них более чем в 2 раза выше. Это позволяет выполнять  любой профиль. Кроме того используемые нами кварцевые нагреватели идут в корпусе из зеркальной нержавеющей стали , что позволяет очень эффективно направлять тепловое излучение. Единственно хотелось бы отметить то, что нам не удалось совместить работу кварцевых нагревателей с промышленным контроллером PC-410. Возможно это связано с тем , что данный контроллер не даёт возможность ШИМ регулирования. Вместе с тем с того момента как мы сделали собственный контроллер мы больше не возвращались к керамическим нагревателям. Если Вы будете планировать использовать в качестве верхнего нагревателя кварцевый , то смотрите в сторону контроллеров с ШИМ регулированием. Кварцевые нагревательные элементы для верхнего нагревателя использует в частности немецкая компания ERSA.
Инфракрасные лампы. Еще один из вариантов использования в качестве верхнего нагревателя. Мы сами в своей работе при проектировании станций не использовали данный вариант. Вместе с тем инфракрасные лампы использует английская  компания PDR. Я сам лично работал на данной станции. Очень интересное решение и весьма эффективная работа. Правда думаю стоимость достаточно высокая. В качестве оптики осуществляющей фокусировку используются стёклышки (не пластик) фирмы Цейс. Сама по себе верхняя голова очень массивная и тяжёлая. Лампа 125 мм в диаметре и мощность 150 ВАТТ. В принципе я не сталкивался со случаем нехватки мощности. Но все равно могу отметить, что нижний нагреватель должен нагреть плату до уровня 150 градусов, что я считаю критичным. Кроме PDR китайцы выпускают инфракрасные фонарики (так называю))).

Примерно в 2009 году я собрал станцию на таком инфракрасном фонарике. Замена не больших микросхем проблем не вызывала, но столкновение с микросхемами размера больше 30х30 мм было уже проблемой. Для снятия приходилось повышать температуру прогрева платы, что не желательно. Часть плат получали «винт». Кроме того у таких фонариков нет фокусировки. В общем я отказался от такой вариации в пользу на тот момент керамических нагревателей (китайских).
Горячий воздух. Одно из самых первых решений производителей паяльных станций для пайки БГА микросхем. На моем личном опыте – первая станция собранная мною в 2005-2006 годах была с использованием в качестве верхнего нагревателя обычного фена для ремонта сотовых телефонов. Нижний нагреватель я использовал кварцевые кассеты. Отремонтировано было весьма большое количество плат. Вместе с тем из-за недостаточной мощности фена приходилось повышать температуру прогрева плат. Но думаю что на тот момент не было еще достаточно опыта работы с БГА микросхемами. Возможно сейчас все было бы по другому. Сами мы не проектировали  и не производили станций с верхним воздушным нагревательным элементом . Возможно в будущем мы в этом направлении поработаем. На текущий момент станции с горячим воздухом выпускают, как китайцы, так и известные европейцы (в частности Weller, Martin). Безусловно есть большая разница в подходе к горячему воздуху между китайцами и Мартином например. В китайских станциях для управления верхним элементом используется все тот же PC-410, поток регулируется руками. Как работают датчики и все остальное в китайских станциях дя меня не постижимо. Ибо малейшее изменение например потока воздуха из станции вызовет полное изменение профиля. Для меня слишком много переменных. Именные производители используют собственные контроллеры, собственные сопла и размещения датчиков. Там более менее понятно, основную нагрузку на себя берет софт. В случае же с китайскими вариантами софта фактически нет.
Вот в принципе мы рассмотрели самые распространённые решения для верхнего нагревателя. Подведём небольшой итог.
Если Вы создаёте собственную станцию и собираетесь использовать промышленные контроллер (китайские, отечественные), то лучше остановиться на керамических нагревательных элементах в частности на элементе 80х80 мм мощностью 450 ВАТТ. Конечно есть высокая вероятность выхода его из строя, но в принципе стоят они не дорого и можно заказать их например сразу 2 шт. Использование кварцевого нагревателя рекомендую тем , кто будет использовать контроллер управления с ШИМ регулировкой. Инфракрасные лампы все таки больше экзотика, чем то с помощью чего можно бюджетно и эффективно построить станцию. Воздушный фен лучше использовать как-то не странно звучит – строительный. Почему ? Во первых мощность более высокая чем у обычного, во вторых сопло более большое (что хорошо при снятии микросхем большого размера), в третьих многие строительные фены известных марок вполне хорошо оснащены контролем температуры и потока. Конечно сделать удобным управление и  размещение такого фена сложнее чем использовать ту же керамику, но в качестве ручного использования можно. При хорошем нижнем нагревателе вполне даже можно работать.

Общий итог.

Надеюсь что краткий обзор нагревательных элементов позволит Вам выбрать наиболее оптимальный вариант для Вас. Повторюсь – если Вы планируете использовать для управления станцией промышленные контроллеры (RX-100, PC-410), то наиболее разумным будет использование схемы – 4 нижних керамических нагревателя (один со встроенной термопарой) мощностью 60Х240 мм 400-500 ВАТТ каждый для нижнего нагревателя и керамический нагреватель 80Х80 мм мощностью 450 ВАТТ для верхнего нагревателя. Как вариант можно в качестве нижних использовать кварцевые нагреватели аналогичной мощности , либо не кассеты а одиночные трубки , но при этом использовать сверху термостойкую керамику толщиной 4 мм.
Если Вы планируете использовать контроллеры с ШИМ регулировкой, то рекомендую использовать кварцевые нагреватели снизу (можно даже без термостойкой керамики ) и однозначно сверху.
По использованию нагревательных элементов для нижнего нагревателя от фирм Аксель и Оникс к сожалению подсказать точно не получиться. Опыта работы у меня с ними на практике небыло.
По управлению нагревательными элементами написано в Уроке 1.
Надеюсь что данная статья поможет Вам в создании собственной станции.

С уважением Вылегжанин О.Ю.