В мастерской любого радиолюбителя имеется один, а может и сразу несколько паяльников. Но вот паяльная станция, особенно инфракрасная – для многих лишь мечта.
Дело в том, что это профессиональное оборудование, применяемое для качественной пайки таких сложных элементов, как чипы BGA (от английской аббревиатуры Ball grid array, что в переводе может звучать как "Массив шариков", полный русский аналог – "поверхностно-монтируемые интегральные схемы").
Чтобы было понятнее – картинка.
Рис. 1. Пример чипа BGA
Припаять или даже отпаять такой чип обычным паяльником невозможно. С определенной долей вероятности может помочь паяльный фен, но только для отпайки и только если микросхему можно потом выбросить…
Дело в том, что в данном случае требуется:
1.Нагрев сразу с двух сторон;
2.Равномерное проникновение тепла сквозь тело микросхемы (такое делает возможным ИК-излучение);
3.Точный контроль температуры в процессе работ.
А все это напрямую связано со сложной логикой работы устройства и дорогостоящими нагревателями и датчиками.
Наверное, поэтому готовые ИК паяльные станции стоят от 30 тыс.р. (даже при заказе из Китая).
Даже если собрать все необходимые детали для ИК станции, их совокупная стоимость получится ненамного ниже готового варианта. А значит, если у вас ограниченный бюджет, материал ниже – для вас.
На форумах такое устройство ласково прозвали "прикуяльником", так как оно представляет из себя паяльник с прикуривателем вместо жала.
Выглядит он приблизительно так:
Рис. 2. Инфракрасная паяльная станция из прикуривателя
На самом деле, паяльник используется скорее просто как держатель (внутри уже нет нагревательного элемента, развязка меди и стали сделана специально).
Схема управления нагревателем строится на базе простых и недорогих элементов. Выглядит она так.
Рис. 3. Схема управления нагревателем
Если под рукой нет таймера 555, можно взять серию UC384x. Тогда схема будет иметь следующий вид.
Блок питания +12В можно сделать из трансформатора и диодного моста (самый элементарный, диоды лучше всего смонтировать на радиаторе).
Как видно из схемы – контроля температуры нет.
При таком количестве элементов можно обойтись и без печатной платы. Отлично справится макетная, а при определенной сноровке и наличии свободного пространства в корпусе – подойдет монтаж на весу.
Рис. 5. Монтаж платы
Нижний подогрев должен обеспечивать правильный термопрофиль для припоя. Графики для свинецсодержащих и безсвинцовых припоев приведены ниже.
Рис. 6. Графики для свинецсодержащих и безсвинцовых припоев
Конечно, регулирование температуры и поддержание ее на заданном уровне – сложная задача (в норме требуется термопара, логика обработки данных с нее и т.д.).
Но сделаем простой ход – нагрев будем регулировать обычным димером (от осветительных приборов), а в качестве источника тепла используем готовую галогеновую лампу на 150 Вт.
Температуру можно выставить по внешнему термометру, или "на глаз" (экспериментальным путем).
Рис. 7. Вариант нижнего нагревателя
Здесь в качестве платформы используется старая печатная плата с медной фольгой (чистым текстолитом повернута вверх).
Таким образом, в качестве конечного результата:
1.Подогрев снизу осуществляется галогеновой лампой, включенной в сеть 220В. Ее мощность регулируется димером.
2.Пайка осуществляется с помощью прикуривателя. Его мощность нагрева регулируется переменным резистором (смотри схему).
Процесс выглядит так.
Рис. 8. Процесс пайки
Конечно, для обычных микросхем пайка может осуществляться и без нижнего подогрева.
Можно работать и только с нижней платформой (например, если нужно демонтировать большое количество радиоэлементов сразу), но следует проявлять особую осторожность, так как при излишнем перегреве дорожки могут отслоиться от текстолита.
Такая паяльная станция подойдет только для кратковременной работы в быту.
Другие способы реализации
В сети можно найти много других вариаций на тему создания ИК-станции своими руками, но все они имеют бюджет 10 тыс. р.+, что сводит на нет все усилия.
То есть, если учесть возможность ошибки в процессе монтажа (по неосторожности или по неопытности) или поставки некачественной детали (что случается часто при взаимодействии с зарубежными продавцами), а также другие нюансы, то проще и надежнее приобрести готовое решение.
Дата публикации: 23.02.2018
Мнения читателей
- Юрий
/ 31.10.2018 - 11:26
Попробуйте на эту станцию поставить контроллер типа IR101 http://tehnostation.ru/kontroller/ или IR102 от и получится полноценная паяльная станция с регулируемыми профилями.
Ремонт ноутбуков и видеокарт, реболлинг (демонтаж и монтаж чипа с восстановлением шариков припоя) без инфракрасной паяльной станции, как правило, не обходится. Сервисные центры за такую работу либо не берутся, либо взимают довольно большие деньги за такой ремонт. Между тем подобные поломки – явление довольно частое.
ИК станция заводского исполнения – устройство довольно дорогое, поэтому экономичнее сделать ее своими руками. Инфракрасную паяльную станцию можно сделать за один, максимум два дня, предварительно заказав через интернет и получив по почте комплектующие детали к ней.
Немного теории
При нормальной температуре пик электромагнитного излучения происходит в инфракрасной области. Вещи, которые горят, излучают как более интенсивное, так и более энергичное (более короткое) инфракрасное излучение. Когда становится очень жарко, они начинают светиться красным. Чем они горячее становятся, тем приобретают больше оранжевого и желтого цветов, затем синего.
Многие органические молекулы интенсивно поглощают инфракрасное излучение, это заставляет объект нагреваться. Тепло – это кинетическая энергия поступательного движения атомов и молекул. Излучаемый атомом свет имеет длину волны. В итоге нагретое тело тоже излучает свет, и чем сильнее нагрето тело, тем короче волна излучаемого света.
Для информации. Согласно закону смещения Вина, бывает так, что тепловое излучение объектов вблизи комнатной температуры находится в инфракрасной области. Сюда относятся лампочки и даже люди.
Итак, инфракрасное излучение – это не тепло, и оно (непосредственно) не вызывает тепло. Оно испускается теплом объекта при определенном диапазоне температур.
Зрительные оттенки света обуславливаются длиной волны и ее направленностью, начиная с инфракрасного, потом красного, оранжевого, желтого…. фиолетового и кончая длиной волны ультрафиолетового излучения. И обратно тоже. Облучение тела светом вызывает усиление движения его молекул, любым светом, но инфракрасным, как самым длинноволновым, эффективнее всего.
ИК паяльная станция своими руками – это инфракрасный обогреватель, отдающий тепло в окружающую среду посредством инфракрасного излучения.
Инфракрасная паяльная станция своими руками
Нижний подогрев
Корпус подогрева можно изготовить из старого советского чемодана, сделанного из алюминия, или из системного блока компьютера. Но чемоданчик подойдет лучше, потому что его рабочее положение – горизонтальное. В крайнем случае, можно присмотреть подобный корпус на ближайшей барахолке.
В корпусе необходимо прорезать болгаркой отверстие для керамических нагревателей. Из алюминиевой вырезки сделать подложку для нагревателей с ножками из обычных болтов с гайками. На подложке вся конструкция и будет держаться.
Нижний подогрев состоит из четырех керамических нагревателей, купленных на AliExpress. Цена на них приемлемая, продавец обеспечивает быструю доставку.
Каждый нагреватель (размерами: длина – 24 см, ширина – 6 см) имеет мощность по 600 Вт. Четыре нагревателя составляют нагревательную панель 24х24 см2. Этого достаточно для того, чтобы нагреть материнскую плату компьютера, не говоря уже о материнской плате ноутбука, размеры которой еще меньше. Помещаются на такой подогрев даже большие топовые видеокарты. Для сравнения, у стандартной заводской китайской станции такой подогрев площадью 150х150 см2, при этом стоит она недешево.
Снизу нижнего подогрева каждый нагреватель подключается к клеммной колодке желательно еще советского производства. Колодка сделана из специального материала, который не плавится при высоких температурах. Подключение нагревателей последовательно-параллельное:
- первый и третий соединены последовательно;
- второй и четвертый – тоже последовательно;
- первый и третий со вторым и четвертым – параллельно.
Такая схема применяется для того, чтобы немножко разгрузить проводку. Если подключить все нагреватели параллельно, то итоговая нагрузка будет составлять 2850 Вт:
- нижний подогрев – 600х4=2400 Вт;
- верхний нагреватель при максимальной нагрузке – 450 Вт.
Если в комнате работает еще электротехника (несколько лампочек, компьютер, паяльник, чайник), то защитный автомат на 16 ампер выбьет.
Высчитывается последовательное сопротивление нагрузки по специальной формуле. В итоге нижний подогрев представляет собой нагрузку 1210 Вт. Несложно посчитать, что вся ИК станция будет потреблять 1660 Вт. Для такого оборудования это немного. По времени плата греется нижним подогревом до 100 0 примерно 10 минут.
Сверху, когда выполняется работа, на корпус с нагревателем можно поставить металлическую решетку от холодильника. Но лучше использовать стеклокерамику по размеру корпуса, и сделать удобный термостол для ремонта платы.
Верхний подогрев
Верхний подогрев можно сделать из советского фотоувеличителя УПА-60. Модель подходит для самодельной паяльной станции. Керамический нагреватель размерами 80х8 см идеально крепится к фотоувеличителю. При этом можно регулировать высоту нагревателя и двигатель в любую сторону. Штатив удобно прикрепить к самому столу, а нижний подогрев двигать при необходимости. Размеров нагревателей достаточно, чтобы прогревать большие чипы и сокеты для процессорных разъемов.
Все б/у детали можно купить в интернете через доску объявлений, керамический нагреватель – на AliExpress.
Блок управления
Готовый пластиковый бокс можно приобрести в специальном магазине для самостоятельного изготовления электроники, или сделать корпус из обычного компьютерного блока питания. На панели управления размещают:
- выключатели для нижнего и верхнего подогрева;
- диммер 2 кВт.
Надо отметить, что внутренних проводов в корпусе довольно много, поэтому бокс нужно выбирать немаленьких размеров.
Отверстия для вывода элементов управления на лицевую панель вырезаются электролобзиком со специальной пилочкой по металлу. Обычно это трудностей не вызывает при наличии практики с подобным инструментом.
PID контроллер REX-C100 можно также заказать на AliExpress. В комплекте с ним продавец поставляет твердотельное реле и термопару. То есть контроллер считывает, какой температуры достигает керамический нагреватель. Пока температура не достигнет нужной величины, твердотельное реле находится в открытом состоянии и пропускает электрический ток на керамический нагреватель.
При достижении устройством необходимой температуры срабатывает твердотельное реле и отключает подачу тока на керамический нагреватель. Диммер управляется вручную. Обычно его устанавливают на максимуме, чтобы быстрее подогревался верх.
Тестер
Данный прибор нужен для работы, чтобы считывать информацию о температуре, которая возле чипа. К нему подключена обычная термопара, конец которой ставят возле чипа. На дисплее тестера будет отображена температура непосредственно возле чипа.
Важно! Провод от термопары заматывают термостойким скотчем, потому что оплетка проводов горит при высокой температуре.
В итоге собранная на скорую руку самодельная ИК паяльная станция порядка десяти раз будет дешевле стоить, нежели готовое изделие. Устройство можно дорабатывать и постепенно улучшать.
Работа на практике
Работа устройства будет описана на примере починки платы от ноутбука. Одной из неисправностей платы является поломка видеочипа. Бывает достаточно прогреть его термофеном, и изображение на экране появляется. Скорее всего, в этом случае происходит отвал кристалла от текстолита. Менять чип довольно дорого. Но если прогреть его, то срок службы ноутбука этим можно продлить. На примере такого банального прогрева и может применяться самодельная инфракрасная паяльная станция.
Для начала плату подготавливают к прогреву, снимают детали:
- пленки, потому что они при высокой температуре начинают плавиться;
- процессор;
- память.
Компаунд лучше снимать пинцетом после предварительного подогрева термофеном. Фен ставят при этом на температуру 1800, средний поток воздуха.
Важно! Всю окружающую область вокруг чипа необходимо обклеить фольгой, чтобы не греть элементы платы. На всякий случай следует закрыть и пластиковые разъемы для памяти.
Для информации. Использование флюсов облегчает процесс пайки и предотвращает окисление металла спаиваемых элементов.
Плату в таком виде устанавливают на решетку нижнего подогрева паяльной станции. Возле чипа располагают термопару. Другая термопара находится вблизи с нагревателями, её задача считывать температуру их нагрева. Включают нижний подогрев на блоке управления. На тестере и PID контроллере появляются рабочие параметры.
Когда низ прогреется, нужно дождаться, чтобы температура вокруг чипа была не менее 1000, в зависимости от материала припоя. Если припой бессвинцовый, то желательно прогреть до 1100.
Расстояние между чипом и верхним нагревателем должно быть около 5 см. Центр чипа должен быть строго под центром верхнего нагревателя, потому что максимальная температура идет от центра в стороны. Верхний нагреватель включают, когда температура возле чипа поднимется до 1100. Низ обычно прогревается 10 минут, затем включается верх, который должен нагреться до 2300. На PID контроллере верхнее значение показывает текущую температуру, нижнее – температуру, которую необходимо достичь.
При достижении нужной температуры включают верхний нагреватель, который управляется диммером. Когда температура подойдёт ближе к 2300, мощность диммером нужно уменьшить. Это делается для того, чтобы нагрев слишком быстрый не был. Рекомендуется выдержать минуту при температуре 2300 и затем выключить устройство. Температура пойдет на спад.
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;
- Кварцевые.
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:
- Печатную плату помещают на платформу станции.
- Её фиксируют боковыми упорами и дополнительными рейками.
- Вокруг монтажного участка пластиковые элементы закрывают клейкой фольгой.
- На высоте 3-4 см от микросхемы устанавливают инфракрасный излучатель.
- Термопару на гибкой трубке подводят непосредственно к месту пайки.
- С помощью кнопок на интерфейсах термоконтроллеров задаются режимы работы верхнего и нижнего нагревателя.
- К месту пайки подводят светильник на стальном гибком шнуре.
- Включают станцию нажатием стартовой кнопки.
- По истечении заданного времени микропроцессор снимают с платы с помощью пинцета.
- 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:
- Рабочий стол представляет собой углублённую платформу из ряда ТЭНов, закрытую металлической сеткой.
- Параллельные упоры с фиксаторами передвигаются по направляющим. Ими с обеих сторон зажимают печатную платформу.
- Поперечные борта оснащены винтовыми опорами, которые поддерживают плату на нужной высоте.
- В комплекте есть рейки, которыми дополнительно крепят плату.
- На вертикальной опоре установлен поворотный механизм, на котором закреплен инфракрасный нагреватель.
- ИК излучатель может передвигаться в прямолинейном направлении по направляющим штатива. Одновременно паяльник может поворачиваться вокруг вертикальной опоры.
- 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:
- Термостол;
- Инфракрасный нагреватель;
- 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
- 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.
- Проём закрывают металлической сеткой. Чтобы она не прогибалась, над сеткой протягивают металлические прутки в поперечном и продольном направлениях.
- Старый галогеновый светильник разбирают, освобождая отражатель от ламп. Его обрезают по внутреннему периметру корпуса.
- 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:
- Керамическая пластина в корпусе.
- 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 - это устройство для пайки микросхем в корпусе BGA. Если прочитанное ничего вам не говорит, вряд-ли вам стоит заходить под кат. Там ардуины, графики, программирование, амперметры, саморезы и синяя изолента.
Предыстория первая.
Моя профессиональная деятельность некоторым образом связана с электроникой. Поэтому родственники и знакомые постоянно норовят притащить мне какую-нибудь не совсем исправную электронную штуку со словами «ну посмотри, может тут какой проводок отпаялся».
В тот раз такой штукой оказался 17" ноутбук eMachines G630. При нажатии на кнопку питания зажигался индикатор, шумел вентилятор, но дисплей был безжизненным, не было звуковых сигналов и активности жесткого диска. Вскрытие показало, что ноутбук построен на платформе AMD, а северный мост имеет маркировку 216-0752001. Беглое гугление показало, что у чипа весьма плохая репутация в части надежности, зато проблемы с ним легко диагностируются. Нужно лишь его прогреть. Выставил на паяльном фене 400 градусов и подул на чип секунд 20. Ноутбук запустился и показал картинку.
Диагноз поставлен. Казалось бы, дело за малым - перепаять чип. Вот тут меня ожидало первое откровение. После обзвона сервис-центров выяснилось, что минимальная сумма, за которую в Минске можно поменять чип - 80 долларов. 40 долларов за чип и 40 долларов за работу. Для ноутбука общей стоимостью хорошо если 150 долларов это было весьма не бюджетно. Дружественный сервис по знакомству предложил перепаять чип по себестоимости - за 20 долларов. Итоговый ценник снизился до 60 долларов. Верхняя граница психологически приемлемой цены. Чип был благополучно перепаян, ноутбук собран, отдан и я о нем благополучно забыл.
Предыстория вторая.
Через несколько месяцев после окончания первой предыстории мне позвонил родственник со словами «Ты же любишь разную электронику. Забери ноутбук на запчасти. Бесплатно. Или просто выкину в мусор. Сказали, вроде материнская плата. Отвал чипа. Ремонтировать экономически нецелесообразно». Так я стал обладателем ноутбука Lenovo G555 без жесткого диска, но со всем остальным, включая блок питания. Включение показало те же симптомы, что и в первой предыстории: кулер крутится, лампочки горят, больше признаков жизни нет. Вскрытие показало старого знакомого 216-0752001 со следами манипуляций.
После прогрева чипа ноутбук запустился как ни в чем не бывало, как и в первом случае.
Размышления.
Так я оказался владельцем ноутбука с неисправным северным мостом. Разобрать его на запчасти или попытаться починить? Если второе, то снова паять его на стороне, пусть даже за 60 долларов, а не за 80? Или купить собственную инфракрасную паяльную станцию? А может собрать своими руками? Хватит ли у меня сил и знаний?
После некоторых размышлений было решено попытаться починить, причем починить самостоятельно. Даже если попытка не увенчается успехом, разобрать его на запчасти это никак не помешает. А инфракрасная станция будет полезным подспорьем во многих работах, требующих предварительного подогрева.
Техническое задание.
Изучив цены на готовые промышленные инфракрасные станции (от $1000 до плюс бесконечности), перелопатив кучу топиков на профильных форумах и роликов на Youtube, окончательно сформировал техническое задание:
1. Буду изготавливать собственную паяльную станцию.
2. Бюджет конструкции - не более 80 долларов (две перепайки в сервис-центре без материалов).
Дополнительно в оффлайне были куплены:
Линейные галогенные лампы R7S J254 1500W - 9 шт.
Линейные галогенные лампы R7S J118 500W- 3 шт.
Патроны R7S - 12 шт.
Из хлама в гараже на свет божий были извлечены:
Док-станция от какого-то допотопного лэптопа Compaq - 1 шт.
Штатив от советского фотоувеличителя - 1 шт.
В домашнем складе были найдены силовые и сигнальные провода, Arduino Nano, клемники WAGO.
Нижний нагреватель.
Вооружаемся болгаркой и отрезаем от док-станции все лишнее.
К листу металла прикрепляем патроны.
Соединяем патроны по три штуки последовательно, получившиеся три цепочки в параллель. Устанавливаем лампы, прячем в корпус.
Поиск материала для отражателя занял продолжительное время. Использовать фольгу не хотелось из-за подозрения в ее недолговечности. Использовать более толстый листовой металл не получалось из-за сложностей с его обработкой. Опрос знакомых сотрудников промышленных предприятий и обход пунктов скупки цветмета результатов не дал.
В конце концов удалось найти листовой алюминий чуть толще фольги, идеально подходящий для меня.
Теперь я точно знаю, где такие листы искать - у полиграфистов. Они их крепят к барабанам в своих машинах, то ли для переноса краски, то ли еще для чего-то. Если кто в курсе, расскажите в комментариях.
Нижний нагреватель с установленным отражателем и решеткой. Вместо решетки правильнее использовать , но стоит он совершенно не бюджетно, как и все с наклейкой «Professional».
Светит красивым оранжевым светом. Глаза при этом не выжигает, смотреть на свет можно совершенно спокойно.
Потребляет порядка 2.3 кВт.
Верхний нагреватель
Идея конструкции та же самая. Патроны привернуты саморезами к крышке от компьютерного блока питания. К ней же прикреплен согнутый из алюминиевого листа отражатель. Три пятисотваттные галогенки соединены последовательно.
Тоже светит оранжевым.
Потребляет порядка 250 ватт.
Схема управления
Инфракрасная станция - суть автомат с двумя датчиками (термопара платы и термопара чипа) и двумя исполнительными механизмами (реле нижнего нагревателя и реле верхнего нагревателя).
Было решено, вся логика регулирования мощности нагрева будет реализована на ПК. Arduino будет только мостом между станцией и ПК. Получил с ПК параметры ШИМ-регулирования нагревателей - выставил их - отдал температуру термопар в ПК, и так по кругу.
Arduino ожидает на последовательном порту сообщения типа SETxxx*yyy*, где xxx - мощность верхнего нагревателя в процентах, yyy - мощность нижнего нагревателя в процентах. Если полученное сообщение соответствует шаблону, выставляются ШИМ-коэффициенты для нагревателей и возвращается сообщение OKaaabbbcccddd, где aaa и bbb - установленная мощность верхнего и нижнего нагревателей, ccc и ddd - температура, полученная с верхней и нижней термопары.
«Настоящий» аппаратный ШИМ микроконтроллера с частотой дискретизации несколько килогерц в нашем случае неприменим, так как твердотельное реле не может отключиться в произвольный момент времени, а только при прохождении переменного напряжения через 0. Было решено реализовать собственный алгоритм ШИМ с частотой порядка 5 герц. Лампы при этом полностью гаснуть не успевают, хоть и заметно мерцают. При этом минимальным коэффициентом заполнения, при котором еще есть шансы захватить один период сетевого напряжения, оказывается 10%, чего вполне достаточно.
При написании скетча была поставлена задача отказаться от задания задержек фунцией delay(), так как есть подозрение, что в момент задержек возможна потеря данных с последовательного порта. Алгоритм получился следующий: в бесконечном цикле проверяется наличие данных из последовательного порта и значение счетчиков времени программного ШИМ. Если есть данные из последовательного порта, обрабатываем их, если счетчик времени достиг значений переключения ШИМ, проводим действия по включению-выключению нагревателей.
#include
Приложение для компьютера.
Написано на языке Object Pascal в среде Delphi. Отображает состояние нагревателей, рисует график температуры и имеет встроенный примитивный язык моделирования, больше по философии напоминающий какой-нибудь Verilog, нежели к примеру Pascal. «Программа» состоит из набора пар «условие - действие». К примеру «при достижении нижней термопарой температуры 120 градусов установить мощность нижнего нагревателя 10%, а верхнего - 80%». Таким набором условий реализуется требуемый термопрофиль - скорость нагрева, температура удержания и т. п.
В приложении раз в секунду тикает таймер. По тику таймера функция отправляет в контроллер текущие установки мощности, назад получает текущие значения температур, отрисовывает их в окне параметров и на графике, вызывает процедуру проверки логических состояний, после чего засыпает до следующего тика.
Сборка и пробный запуск.
Схему управления собрал на макетке. Не эстетично, зато дешево, быстро и практично.
Окончательно собранное и готовое к запуску устройство.
Прогон на тестовой плате выявил следующие наблюдения:
1. Мощь нижнего нагревателя невероятна. График температуры тонкой ноутбучной платы свечой взлетает вверх. Даже при 10% мощности плата уверенно греется до требуемых 140-160 градусов.
2. С мощностью верхнего нагревателя похуже. Догреть чип даже до температуры «низ+50 градусов» получается только на 100% мощности. То ли придется впоследствии переделывать, то ли пускай остается как защита от соблазна недогревать низ.
Покупка чипа на Aliexpress.
В продаже есть два вида мостов 216-0752001. Одни заявлены как новые и стоят от 20 долларов за штуку. Другие указаны как «бывшие в употреблении» и стоят 5-10 долларов за штуку.
Среди ремонтников много мнений относительно б/у чипов. От категорически отрицательных («бугага, приходи ко мне, у меня как раз под столом горка бэушных мостов насобиралась после перепайки, я тебе их недорого продам») до осторожно нейтральных («сажаю иногда, вроде нормально работают, возвраты если и бывают, то не намного чаще новых»).
Поскольку ремонт у меня ультрабюждетный, то было решено сажать чип бывший в употреблении. А чтобы перестраховаться на случай дрогнувшей руки или неисправного экземпляра, был найден лот «2 штуки за 14 долларов».
Демонтаж чипа
Устанавливаем плату на нижний подогрев, крепим одну термопару к чипу, вторую к плате подальше от чипа. Для уменьшения теплопотерь накрываем плату фольгой, за исключением окошка под чип. Ставим верхний нагреватель над чипом. Так как чип уже пересаживался, загружаем самостоятельно придуманный профиль для свинцового припоя (нагрев платы до 150 градусов, догрев чипа до 190 градусов).
Все готово для старта.
После достижения платой температуры 150 градусов автоматически включился верхний нагреватель. Внизу под платой видна разогретая нить накаливания нижней галогенки.
В районе 190 градусов чип «поплыл». Поскольку вакуумный пинцет в бюджет не уместился, цепляем его тонкой отверткой и переворачиваем.
График температур в процессе демонтажа:
На графике хорошо виден момент включения верхнего нагревателя, качество стабилизации температуры платы (желтая крупно волнистая линия) и температуры чипа (красная мелкая рябь). Красный длинный «зубец» вниз - падение термопары с чипа после его переворота.
Запаивание нового чипа
Ввиду ответственности процесса было не до фотосъемки и изготовления скриншотов. В принципе все то же самое: проходимся по пятакам паяльником, мажем флюсом, устанавливаем чип, устанавливаем термопары, отрабатываем профиль пайки, легким пошатыванием убеждаемся, что чип «поплыл».
Чип после установки:
Видно, что сел более-менее ровно, цвет не поменялся, текстолит не погнуло. Прогноз на жизнь - благоприятный.
Затаив дыхание включаем:
Да! Материнская плата запустилась. Я перепаял первый в жизни BGA. К тому же с первого раза успешно.
Ориентировочно смета затрат:
Лампа J254: $1.5*9=$13.5
Лампа J118: $1.5*3=$4.5
Патрон r7s: $1.0*12=$12.0
Термопара: $1.5*2=$3.0
MAX6675: $2.5*2=5.0
Реле: $4*2=$8.0
Чипы: $7*2=$14.0
Итого: $60 минус оставшийся запасной чип.
Ноутбук был собран, в него добавлен найденный в столе жесткий диск на 40 гигабайт, установлена операционная система. Для предотвращения в будущем подобных инцидентов с помощью k10stat напряжение питания ядра процессора понижено до 0.9В. Теперь при самом жестком использовании температура процессора не поднимается выше 55 градусов.
Ноутбук был установлен в столовой в качестве фильмотеки для самого младшего члена семьи, который отказывается принимать пищу без любимых мультиков.
Около двух лет назад я разместил статью . 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 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 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.
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 высоте5-6 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.
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Е1 | Энкодер | 1 | В блокнот | |||
| U1, U2 | Операционный усилитель | AD8495 | 2 | В блокнот | ||
| U3 | Операционный усилитель | LM358 | 1 | В блокнот | ||
| U4 | Линейный регулятор | LM7805 | 1 | В блокнот | ||
| U5 | МК PIC 8-бит | PIC16F876A | 1 | В блокнот | ||
| U6 | МК PIC 8-бит | PIC12F683 | 1 | Допустима замена на PIC12F675, но не рекомендуется | В блокнот | |
| U7, U8 | Оптопара | PC817 | 2 | В блокнот | ||
| U9 | Оптопара | MOC3052M | 1 | В блокнот | ||
| LCD1 | LCD дисплей | VC20x4C-GIY-C1 | 1 | 20x4 на основе KS0066 (HD44780) | В блокнот | |
| Q1 | MOSFET-транзистор | TK20A60U | 1 | В блокнот | ||
| Z1 | Кварц | 16 МГц | 1 | В блокнот | ||
| VD1 | Выпрямительный диод | LL4148 | 1 | В блокнот | ||
| VD2 | Диодный мост | KBU1010 | 1 | В блокнот | ||
| VD3 | Стабилитрон | 24В | 1 | В блокнот | ||
| VD4 | Диодный мост | DB107 | 1 | В блокнот | ||
| T1 | Симистор | BTA41-600B | 1 | В блокнот | ||
| R9 | Платиновый терморезистор | PT100 | 1 | В блокнот | ||
| R2, R3, R6, R7, R26, R27 | Резистор | 10 кОм | 6 | В блокнот | ||
| R1, R5 | Резистор | 1 МОм | 2 | В блокнот | ||
| R4, R8 | Резистор | 100 кОм | 2 | В блокнот | ||
| R10, R11 | Резистор | 4.7 кОм | 2 | Допуск 1% или лучше | В блокнот | |
| R12 | Резистор | 51 Ом | 1 | В блокнот | ||
| R13, R32 | Подстроечный резистор | 100 Ом | 2 | Многооборотный | В блокнот | |
| R14, R15, R16, R17 | Резистор | 220 кОм | 5 | Допуск 1% или лучше | В блокнот | |
| R18 | Резистор | 1.5 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R19 | Подстроечный резистор | 100 кОм | 1 | Многооборотный | В блокнот | |
| R20 | Резистор | 100 Ом | 1 | В блокнот | ||
| R21 | Резистор | 20 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R22 | Резистор | 510 Ом | 1 | В блокнот | ||
| R23, R24 | Резистор | 47 кОм | 2 | Мощность 1Вт | В блокнот | |
| R25 | Резистор | 5.1 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R28 | Подстроечный резистор | 10 кОм | 1 | Многооборотный | В блокнот | |
| R29 | Резистор | 16 Ом | 1 | Мощность 2Вт | В блокнот | |
| R30, R31 | Резистор | 2.7 кОм | 2 | В блокнот | ||
| R33 | Резистор | 2.2 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R34 | Резистор | 100 кОм | 1 | Мощность 1Вт (возможно придется подобрать номинал при настройке детектора нуля) | В блокнот | |
| R35 | Резистор | 47 кОм | 1 | возможно придется подобрать номинал при настройке детектора нуля | В блокнот | |
| R36 | Резистор | 470 Ом | 1 | В блокнот | ||
| R37 | Резистор | 360 Ом | 1 | Мощность 1Вт | В блокнот | |
| R38 | Резистор | 330 Ом | 1 | Мощность 1Вт | В блокнот | |
| R39 | Резистор |
