Просмотр исходного текста страницы Разработка и изготовление инфракрасного нижнего подогрева для пайки

== Введение ==
В [[Год::2020|2020]]-м году участниками хакерспейса CADR принято решение оборудовать hardware-зону с рабочим местом для монтажа и ремонта. Для качественного монтажа в некоторых случаях необходимо использовать инструмент "нижний подогрев" обеспечивающий поддержание стабильной температуры поверхности платы и уменьшающий необходимое время нагрева припоя до температуры плавления.

== Постановка задачи, поиск исполнителей ==
Для сборки плат, имеющих двухсторонний монтаж элементов, не подходит нижний подогрев, который требует непосредственного контакта с поверхностью платы для передачи тепла. При двухстороннем монтаже используется подогрев работающий на ИК-излучателях, т.к. инфракрасное излучение обеспечивает нагрев <abbr title="Printed circuit board">PCB</abbr>, не имеющих ровной нижней поверхности в случае наличия смонтированных <abbr title="Surface-mounted device">SMD</abbr>-элементов.

Доступные в продаже готовые устройства имеют высокую стоимость в среднем 20т.р.

По ТЗ необходимо разработать бюджетное устройство обеспечивающее нагрев <abbr title="Printed circuit board">PCB</abbr> с использованием инфракрасного излучения. Устройство должно обеспечивать стабильный результат при известных недостатках.

Команда разработки включала в себя [[участник проекта::User:SergeyPRS|SergeyPRS]]

== Описание решения ==
В качестве основы изделия используется инфракрасная плита "Матрёна" МА-044.<ref>Плита МАТРЕНА МА-044 &mdash; https://www.maxidom.ru/catalog/plitki/1001308155/</ref>

[[Файл:Matryona.png]]

=== Преимущества решения ===
[[Файл:Коэффициент-пропускания-длин-волн.png|frame|Коэффициенты пропускания разных длин волн для разных материалов.]]

# Низкая исходная цена. Плита доступна в продаже по цене от 1700р.
# Устройство уже имеет корпус, нагревательный элемент и контроллер, это позволяет ускорить сборку и уменьшить затраты.
# Поверхность плиты покрыта стеклом, которое обеспечивает фильтрацию диапазона излучения и легко очищается после использования.
# Мощность нагрева регулируется от 100 Вт, что позволяет нагревать платы небольшого размера без риска перегрева.
# Низкий корпус позволяет использовать конструкцию совместно с микроскопом с подходящим по высоте штативом.

=== Необходимые доработки ===

# В исходном состоянии температура нагрева не стабилизируется и непрерывно растет при самой минимальной мощности нагрева. Для решения проблемы используется механический термостат<ref name="thermo">WYJ300A Термостат регулиремый для духовки, универсальный, 50-300°C &mdash; https://www.partsdirect.ru/goods/729293</ref>, используемый для стабилизации температуры духовки.
# Корпус не имеет креплений для надежной фиксации <abbr title="Printed circuit board">PCB</abbr> в процессе сборки. Для решения проблемы крепления собираются из доступных подходящих по форме и размеру профилей.

== Процесс сборки ==
=== Первые шаги ===
<center>
<gallery widths=480px heights=640px>
Файл:Pcb-preheater-0.png|<b>Шаг 0.</b><br/>Исходное состояние.
Файл:Pcb-preheater-1.png|<b>Шаг 1.</b><br/>Разбираем корпус плиты.
</gallery>
</center>

=== Установка термостата ===
<center>
<gallery widths=480px heights=640px>
Файл:Pcb-preheater-2.png|<b>Шаг 2.</b><br/>Подготовка механического термостата
Файл:Pcb-preheater-3.png|<b>Шаг 3.</b><br/>С помощью мультиметра ищем контакты замкнутые в исходном состоянии. Можно провести тест работоспособности термостата, нагрев колбу паяльным феном.
Файл:Pcb-preheater-4.png|<b>Шаг 4.</b><br/>На передней панели плиты сделать подходящие по размеру отверстия для фиксации термостата.
Файл:Pcb-preheater-5.png|<b>Шаг 5.</b><br/>Используя kapton tape изолируем витки трубки, чтобы избежать короткого замыкания элементов на плате.
Файл:Pcb-preheater-6.png|<b>Шаг 5 (продолжение).</b><br/>Используя kapton tape изолируем витки трубки, чтобы избежать короткого замыкания элементов на плате.
Файл:Pcb-preheater-7.png|<b>Шаг 6.</b><br/>Впаиваем термостат в разрыв красного провода идущего к нагревательному элементу.
Файл:Pcb-preheater-8.png|<b>Шаг 7.</b><br/>Располагаем баллон термостата над нагревательным элементом по центру, для этого аккуратно чтобы не повредить разгибаем тонкую трубку
Файл:Pcb-preheater-9.png|<b>Шаг 8.</b><br/>Собираем корпус плиты и фиксируем ручку термостата.
</gallery>
</center>

=== Первое тестовое включение плиты ===
<b>Шаг 9.</b> Устанавливаем на термостате температуру нагрева. Нажимаем кнопку включения питания. Выставляем мощность нагрева кнопками панели в соответствии с инструкцией к плите. Конфорка включается, при нагреве начинает светиться, черная полоса на фоне конфорки &mdash; колба термостата под стеклом над конфоркой. В момент нагрева до установленной температуры термостат отключается со звуком щелчка. Плита при этом работает независимо от состояния термостата т.к. в этой бюджетной модели доступность нагревательного элемента не проверяется и отключения не происходит, для задачи это преимущество, т.к. упрощает конструкцию.
<center>
<gallery widths=480px heights=640px>
Файл:Pcb-preheater-10.png|<b>Шаг 9.</b>
</gallery>
</center>

=== Сборка крепления для фиксации платы из профилей  ===
<center>
<gallery widths=480px heights=480px>
Файл:Pcb-preheater-11.png|<b>Шаг 10.</b><br/>Сборка крепления для фиксации платы из профилей.<br/>На фото: П-образный профиль.<ref>Профиль алюминиевый П-обр серебро 20х20х20х1,5х1000мм &mdash; https://www.maxidom.ru/catalog/profili-p-obraznye/1000894499/</ref>
Файл:Pcb-preheater-12.png|<b>Шаг 10 (продолжение).</b><br/>Плоский профиль 15х2х1000мм.<ref>Полоса алюминиевая серебро 15х2х1000мм &mdash; https://www.maxidom.ru/catalog/polosy/1000134095/</ref>
</gallery>
</center>

<b>Шаг 11.</b> Из П образного профиля необходимо нарезать 4 П-образных крепления, шириной равной ширине плоского профила &mdash; 15мм. Используя сверло по металлу 3,5мм нужно сделать в заготовке 4 отверстия. Винт DIN 965<ref>Винт DIN965 с потайн гол М4х16 &mdash; https://www.maxidom.ru/catalog/bolty-gayki-vinty-shayby/1000836190/</ref> вкрутить в полученные отверстия нарезая резьбу. Диаметр винта меньше диаметра отверстия и алюминий достаточно мягкий, чтобы не использовать метчик.

<center>
<gallery widths=480px heights=640px>
Файл:Pcb-preheater-13.png
Файл:Pcb-preheater-14.png
</gallery>
</center>

Разделить заготовку на 4 сегмента по 15мм шириной.

Из плоского профиля нарезать полосы на отрезки по 28,5мм используя ножовку по металлу. Используя сверло по металлу 6,5мм сделать в каждой заготовке по 2 отверстия. Отверстия с запасом по диаметру для подгонки в зависимости от поверхности платы.

<center>
<gallery widths=480px heights=640px>
Файл:Pcb-preheater-15.png
</gallery>
</center>

Получаем набор крепежа:

<center>
<gallery widths=480px heights=640px>
Файл:Pcb-preheater-16.png
</gallery>
</center>

== Применение ==
Для создания защитного экрана используется фольга для запекания, желательно использовать фольгу повышенной прочности.<ref>фольга GRIFON Grill 10м 29см 20мкм алюминиевая &mdash; https://www.maxidom.ru/catalog/folga-pischevaya/1001272937/</ref>


Экран применяется для ограничения площади нагрева только нижней поверхностью платы для защиты рук от нагрева ИК-излучением.

Экран также защищает плату от загрязнения в процессе пайки. К экрану можно подключить антистатик, если им оборудована паяльная станция.

Вырезаем лист из фольги по размерам верхней поверхности плиты:
<center>
<gallery widths=480px heights=640px>
Файл:Pcb-preheater-17.png
</gallery>
</center>

Помещаем плату на поверхность листа и вырезаем по контуру канцелярским ножом:
<center>
<gallery widths=480px heights=480px>
Файл:Pcb-preheater-18.png
Файл:Pcb-preheater-19.png
</gallery>
</center>

Помещаем края платы на крепеж собранный ранее из профилей. Между поверхностью платы и плиты расстояние около 3мм. Это позволяет выполнить нагрев плат на которых применяется двухсторонний монтаж.
<center>
<gallery widths=480px heights=480px>
Файл:Pcb-preheater-20.png
</gallery>
</center>

Фиксируем плату используя второй ряд профилей и гайки-барашки.<ref>Гайка барашек DIN315 M4 5 шт &mdash; https://www.maxidom.ru/catalog/bolty-gayki-vinty-shayby/16010303521/</ref>

Выставляем мощность нагрева в зависимости от размера платы. Для плат небольшого размера 100, 500Вт. 

Выставляем температуру стабилизации ручкой механического термостата. Температура выставляется приблизительно т.к. итоговая температура в зоне пайки зависит от размера платы, наличия теплоемких элементов, расстояния до поверхности плиты.

С помощью kapton tape фиксируем термопару k-типа<ref>Датчик температуры Rexant K-1 &mdash; https://nn.vseinstrumenti.ru/rashodnie-materialy/instrument/izmeritelnyi/ostalnoy/prisposobleniya/dopolnitelnye-aksessuary/rexant/k-1-dlya-izmeritelnyh-priborov-13-3048/</ref> в зоне пайки на поверхности платы. Т.е. итоговую температуру и в процессе пайки нужно контролировать используя мультиметр с функцией измерения температуры.
<center>
<gallery widths=480px heights=480px>
Файл:Pcb-preheater-21.png
</gallery>
</center>


== Тест стабильности нагрева ==
Выставлена целевая температура нагрева 150*, мощность нагрева 500Вт. Замеры проводились мультиметром с термопарой к-типа зафиксированной kapton tape.

Результат с указанием времени замера на фото:
<center>
<gallery widths=640px heights=480px>
Файл:Pcb-preheater-22.png
</gallery>
</center>

== Возможные доработки инструмента ==
# Оборудование электронным термостатом -- например rex c-100. При этом контроль температуры осуществляется термопарой термостата, которую можно разместить непосредственно в зоне нагрева и исключить использование мультиметра. При этом получить более гибкие возможности настройки температурного режима. При использовании более продвинутой модели термостата возможно применение термопрофилей для пайки.
# Оборудование медной плитой по размеру верхней поверхности плиты. В этом случае необходим непосредственный контакт поверхности платы и плиты для эффективного нагрева, но при этом получаем большую полезную площадь нагрева и стабильный нагрев по всей поверхности плиты за счет толщины, теплоемкости и материала.

== Ссылки ==
<references/>

[[Категория:Статьи]]
[[Категория:Инструменты]]
[[Категория:Пайка]]