Ик паяльная станция на arduino. общие вопросы.

Снова уточню, у меня готовый относительно простой контроллер на две термопары, но не ардуино. По задумке разработчика контроллера, одна термопара НИ должна контролировать температуру края платы, вторая термопара ВИ контролирует температуру зоны пайки на плате. Я провел много экспериментов и пришел к выводу, что термопара НИ на краю платы - это довольно сомнительный вариант и решил от этого варианта отказаться. Сейчас для ВИ и для НИ термопара одна на двоих, расположена на плате в зоне пайки. И теперь работает это по одной термопаре таким образом(пока не совсем корректно) - контроллер включает НИ и нагревает плату с заданной в настройках скоростью, до заданной температуры, например до 120°С; далее включается ВИ, при этом контроллер подает на НИ постоянную мощность, ограниченную в настройках; далее ВИ нагревает зону пайки по термопрофилю до заданной температуры в настройках; при достижении заданной температуры в зоне пайки, контроллер пытается стабилизировать эту температуру заданное время, отключая или снижая мощность и ВИ, и НИ. Обычно я мониторю процесс посадки чипа визуально и завершаю его вручную. И вы можете даже посмотреть как это работает на данный момент без блока термостатов.

В процессе тестирования станции заметил, что НИ нагревается слишком неравномерно, и на некоторых платах это особенно усложняет процесс пайки. Для решения этой проблемы требуется устройство, которое будет выравнивать температуры нагревателей НИ в диапазоне 100 - 350°С с возможностью регулировки верхнего предела на каждом нагревателе НИ. Такое устройство я не в силах разработать, т.к. нужны навыки программирования которых нет, поэтому выше предложил аналоговый вариант на ОУ AD8571. Да, устройство имеет недостатки, но работу НИ и станции в целом это устройство должно улучшить. Нарисовал схему одного канала термостата.

Спойлер: см.фото

Без термостатов, при старте, нагреватели НИ изначально греются +- вровень, но в какой то момент центральный нагреватель становится горячее от влияния соседних боковых нагревателей, а также от того, что плата расположенная на НИ неравномерно препятствует остыванию этих нагревателей. Выше я уже выкладывал фото, как неравномерно греются нагреватели НИ, разница температуры нагревателей достигла 30°С. С термостатом же в начале процесса, нагрев НИ происходит как обычно, т.е. симисторы блока термостатов открыты, но при достижении на нагревателях НИ 300°C или другой заданной температуры, симисторы закрываются. Возьмём для простоты эксперимента три керам.нагревателя НИ. Допустим через 5 минут на плате будет 120°С, при этом центральный нагреватель достиг заданной температуры 300°C, а боковые допустим по 270°C, термостат разомкнет цепь центрального нагревателя, а боковые наберут с 270 до 300°C примерно за 30 сек.. Напомню, что в моем случае контроллер после включения ВИ, подает на НИ постоянную мощность(ограниченную в настройках контроллера), поэтому все нагреватели НИ гарантированно наберут 300°С(или другую температуру) на каждом нагревателе, и эта температура НИ будет держаться до момента стабилизации заданной температуры на плате в зоне пайки. Да, НИ будет нагреваться до 300°С на всех профилях пайки, температуру по термопрофилю в зоне пайки для Pb- или Pb+ будет корректировать ВИ, и лишь только в конце, контроллер будет отключать или снижать мощность и НИ, и ВИ для стабилизации температуры пайки, например 220°С. Термостат нужно откалибровать один раз, экспериментально выставив температуру НИ, например 300°С, температура будет настраиваться с помощью подстроечных резисторов, на корпусе НИ будут проделаны отверстия для доступа к ним.

На промышленные варианты обращал внимание. В станциях по дороже, зону пайки разогревают термовоздушные нагреватели, а керамика греет плату по бокам, и это на мой взгляд самый правильный вариант, но это уже другой уровень, не мой явно. Также нравится конструкция НИ у Martin Expert 10.6 HV. Можно расположить нагреватели НИ, как на Jetronix-Eco, но для этого мне нужно конструкцию капитально переделывать, и как оно будет работать в моем случае с моими нагревателями и снова это всё без стабилизации температуры НИ. Кто нибудь тестировал равномерность нагрева НИ Jetronix-Eco на платах разной формы и размеров? Затратно и сомнительно это, так-то и моя станция тоже работает, а вот равномерность нагрева так себе. Предполагаю, что НИ с большими расстояниями между нагревателями, равномерно греют большие прямоугольные платы, а если взять плату неправильной формы от ноута, то тогда уже будет другая картина. Вот алюм.плита +- равномерно нагревает плату, но на данный момент по финансам не потяну её. С фазовым регулятором на МК хорошая идея, но я в программировании 0, мне проще 5 диммеров собрать, и здесь снова нет стабилизации температуры НИ, как это будет работать на разных платах нужно проверять.

 

@Hobby Electronics , про один датчик было понятно сразу. Я ни чего не писал и не имею против. Принцип использования одного датчика, имеет место для рассмотрения, как и любой другой способ. По месту установки датчика НИ много обсуждений есть, так что опустим эту тему. С написанного понятно, что программа взята где-то и изменить её возможности не будет.
Что касается термостатов, то боле-мение понятно. Придется, конечно сильно постараться настроить их работу. На разных платах будет всё по разному и равномерность нагрева платы в каждом случае будет гулять.
Интересно было бы посмотреть равномерность нагрева самих нагревателей, на сколько они качественные. Заказывал на алике верх 60х60, посмотрев на нагрев отказался от установки, другой не решился заказывать.

 

Я понимаю, что правильнее всего использовать термовоздушные нагреватели в качестве ВИ и НИ. С керамикой на НИ мне никогда не уложиться в профиль пайки по стандарту IPC/JEDEC J-STD-020. Но есть же вроде бы неплохая всем известная станция ИК650, можно на неё ориентироваться, в ней тоже инерционные нагреватели, но работает же неплохо.
@Vladimir71 Да, контроллер был куплен готовый, изменить программу нет возможности. Почему вы думаете, что равномерность нагрева платы в каждом случае будет гулять? Ведь я для этого и задумал этот термостат, чтобы плата любого размера и формы грелась равномерно. Да, равномерность нагрева нагревателей не идеальная, но для НИ думаю пойдет. Тепловизора нет к сожалению, замерял пирометром, в центре холодная зона на каждом нагревателе, по краям +- одинаковая температура и у каждого нагревателя отличается интенсивность ИК излучения. Но пять таки я думаю, что с помощью термостата как раз таки и удастся выровнять равномерность нагрева НИ, а значит и равномерность платы.

 

Не знаю насколько корректный тест на равномерность нагрева НИ, грел обычную бумагу получился такой узор

 

В другом эксперименте, я нагревал каждый нагреватель до красного свечения и в темноте фотографировал каждый нагреватель по отдельности, делал так из-за слабой проводки, потом склеил всё в одно фото. Камера телефона не передает полноты всей картины, и слишком затемняет некоторые области, глазам видно немного иначе, но свечение действительно не равномерное.

 

SOLOway, ну заводская печь все таки разогревает всю плату до плавления припоя, нам это совсем не требуется. В нашем случае нужно нагреть плату так, чтобы со всех сторон в зоне пайке была равная температура плавления, по сути нам нужно нагреть припой под чипом так, чтобы все BGA шарики под чипом расплавились одновременно со всех сторон, при этом нужно уложиться во временной интервал. Нужен контроль по углам чипа, в центре чипа, а также по углам и в центре на обратной стороне платы под чипом. А чтобы идеально реализовать это, нужен минимум четырехзонный термовоздушный ВИ, и четырехзонный термовоздушный НИ снизу под чипом, ну и общий нижний преднагреватель по периметру платы. Такая станция будет сложная, дорогая, и пользоваться ей будет неудобно, 10 термопар на плате это слишком.
Для простых смертных будет достаточно равномерно нагревающего плату НИ и такого же ВИ. Важна равномерность именно в зоне пайки, а не во всех точках по плате. Т.е. если положить плату на НИ, она должна нагреться так равномерно, что по углам любого чипа на плате разница температур не превысит например 1-3°С в зависимости от размера чипа, и соответственно такие же требования для ВИ.
Здесь есть другой момент, можно управлять НИ пассивно, как в моём случае, он тупо поддерживает заданную температуру почти весь процесс пайки. Я думаю это вариант рабочий, но “колхозный”. По хорошему НИ должен активно участвовать при нагреве зоны пайки. Ниже приведу пример работы станции с активным НИ.

Спойлер: Профиль температур при пайке чипа на плате LA-5839P

Спойлер: Профиль температур при пайке чипа на плате видеокарты gtx670

На графиках видно, что температура нагревателей постоянно меняется в зависимости от температуры в зоне пайки. Кроме этого, температура нагревателей не просто идет по заданному профилю, но и может выйти за его пределы или наоборот быть ниже, если это необходимо для удержания температуры зоны пайки в рамках термопрофиля. Видел здесь человек уже делал похожий алгоритм, но как я понял он его забросил.

 

@SOLOway, я работал на техноальянсовом творении, и с чипами размером 35х35мм с краю платы, точнее в 20-30мм от края платы, эта станция работает очень хорошо, проблем не возникало. А также с видеокартами, где чип 40х40мм и с одной стороны чипа до края платы 30мм с других больше, даже делал замеры по углам чипа на плате видеокарты - разность температур была +-2°С. На моём же керамическом НИ с подобной платой видеокарты, такой равномерности нет, вот думаю, что блок термостатов должен исправить этот момент.
А вот от второй термопары НИ расположенной на плате я решил отказаться по причине того, что плата - не только очень непростой объект для нагрева, но и работать приходится с платами разных форм и размеров. И если устанавливать термопару НИ каждый раз в разных местах на одной и той же плате, то НИ может отрабатывать по разному. А если плата не большая получается так, что чип впаивается только с помощью ВИ. Ну если только настраивать термопрофиль для конкретного расположения датчиков, индивидуально для каждой платы, то работать можно, но это меня не устраивает.
Как-то раз я менял чип AC82GM45 на плате la-4853p (станция ИК650), и решил замерить температуру на плате примерно в 50мм от чипа.

Спойлер: см.фото

Температура в этой точке постепенно поднималась весь процесс пайки и в конце достигла 175°С.
В моём случае, даже если греть всю плату до 175°С с помощью НИ, а потом включать ВИ, то скорее всего в этой же точке температура будет не 175°С, а уже 190°С и пайка снова пройдет преимущественно ВИ. В соседней ветке читал как решали эту проблему на ардуино, при превышении температуры платы заданной для НИ, контроллер не отключает НИ, а подает на НИ минимальную фиксированную мощность, которую можно задать в настройках, но это же тоже сомнительный контроль. Сомнительный потому, что в разных условиях, но при одной и той же мощности поданной на нагреватели, их температура может меняться в зависимости от условий - напряжение сети, комнатная температура, сквозняк, размер и теплоёмкость платы.
У меня есть одна единственная мысль как реализовать алгоритм работы контроллера с двумя термопарами, так чтобы НИ активно помогал ВИ, может быть уже подобное предлагали. Термопара ВИ расположена возле чипа или на чипе, термопара НИ расположена снизу на плате под чипом(уже неудобно). Предварительный нагрев до 120°С происходит с помощью только НИ, далее контроллер управляет НИ и ВИ отслеживая разность температур. Т.е. если температура термопары НИ отстаёт например на 2°С , то контроллер добавляет мощность на НИ, и если температура термопары ВИ отстаёт на 2°С, то соответственно контроллер добавляет мощность на ВИ, при этом снижая мощность или выключая НИ. При этом температура должна расти согласно заданного термопрофиля.

 

@SOLOway, cпасибо вам, лично из ваших постов много знаний уже почерпнул. Вообще не планировал заниматься разработкой ИК станции, кодить не умею, поэтому даже контроллер готовый приобрел, вот только конструкцию сам смог изготовить. Хотел для себя ИК станцию собрать, чтоб не уступала 650-ой, а тут вон оно как, все сложнее, чем ожидалось.
Не понял про какие +/-2°С вы имели ввиду. Если про предложенный выше алгоритм, то указанные 2°С это не данные для использования, это просто для примера. К тому же, если верить документу, АЦП max6675 при соблюдении указанных стандартных условий и питании 5 Вольт, может измерять температуру 0 - 700°С с погрешностью +- 9 LSB, в градусах это +- 2.25°С. Но нам нужно мерить всего до 230°С макс., так что погрешность будет даже меньше чем 2°С. Проверял лично и неоднократно на практике, если правильно установить термопару, расплющенный кусок олова собирается в шарик при 220°С +-1°С, думаю даже точнее, но незаметно из-за медленного контроллера, в общем точность неплохая получается у max6675.
Если про разность температур на плате видеокарты, то так и было, на алюм.плите НИ станции, плата прогрелась так, что температура на плате возле углов чипа была 128 - 130°С ,поэтому выше указал разность температуры +- 2°С, замерял платиновым датчиком станции. Возможно на более сложных платах картина будет иная, все таки плата видеокарты - это считай кусок меди. Но повторюсь, на данный момент, мой керам.НИ не может греть так равномерно, даже плату видеокарты.

 

Да, согласен с вами, печка Игоря - это прямо идеальное решение.
По поводу АЦП MAX6675 и термопары, да вы правы всё так, но не всё так грустно, все эти нюансы можно свести к минимуму. Погрешность самой термопары можно просто учитывать даже в голове. Погрешность АЦП зависит от конструкции устройства, т.е. если обеспечить стабилизированное питание, грамотно развести земли и расположение плат(изолировать от силовой части), блок управления должен быть отдельно от нагревателей, длинна провода термопары не более 1м, провода термопары желательно скрученные в витую пару, а также термопару нужно подключать на плате MAX6675 без всяких дополнительных разъёмов. Лучше использовать термопару из тонкого провода, я использую Omega K-Type длинна 1м, да, есть ещё некоторые особенности при установке термопары в зоне нагрева, но учитывая их можно нормально пользоваться. Например, при установке на плату, нужно согнуть кончик провода термопары так, чтобы спай термопары и часть отходящих от него проводков(хотя бы 2мм) были прижаты к плате, и нужно всегда использовать термопасту. Помимо этого, показания будут отличаться при некоторых условиях, нужно это иметь в виду. Я проделал эксперимент, на нагревателе я установил термопару по вышеуказанным правилам, а рядом положил расплющенный кусочек олова с температурой плавления 220°С, шарик образовался при температуре 217°С. Далее я проделал тоже самое, но прикрыл термопару и кусочек олова фольгой, и оловянный шарик сформировался уже при температуре 220°С. При реальной пайке с задействованными НИ и ВИ, показания термопары могут немного завышаться в зависимости от расположения провода термопары, например когда под ВИ находится не только кончик, но и значительная часть провода термопары, происходит температурное влияние ВИ на провод термопары, а уже по проводу передается на г.спай и показания немного завышаютя - это решается с помощью корректной установки термопары или с помощью фольги. Зная эти нюансы можно избежать неверных показаний или просто учитывать их. Но я на любой станции, визуально контролирую процесс паки, поэтому погрешность +-2°С не критична.
Ну да ладно, пока будут пробовать доводить до ума своё творение с помощью блока термостатов. Спасибо за полезную информацию.

 

Я думаю так, что не надо сильно заморачиваться по равномерности нагревателей. Стоит одна задача, это перепаять чип, при этом не навредить чипу и плате. Что может пойти не так? Первое, это можно не до греть область под чипом, что чревато отрывом пятаков. При перегреве может вздуться плата или сам чип. Это основная задача при нагреве. Всё это относится к месту пайки, которое не на много больше посадки чипа. Кто-то перепаивает чипы и местным нагревом низа и верха. Из этого получается, что нам важно нагреть равномерно шарики под чипом. Не думаю что разница нагрева в пару градусов сильно повлияет на неравномерное расплавление шаров. Получается равномерность нам важна в районе пайки, а это и не такая большая площадь.
Теперь по равномерности нагрева всей платы. На сколько я понимаю, всю плату греют для того, что бы плату не покрутило. При скручивании платы могут быть отрывы переходных отверстий с дорожками или отрыв дорожки. Не думаю, что при разнице даже в 10 градусов плату будет крутить, тем более если это разница на большом расстоянии. Если большая плата подвешена за края, а центр греем и он висит над нагревателем, то при большой разнице под своим весом плата может быть и прогнется. Если же плата стоит на стойках и стойки близко к месту пайки, то как же надо нагреть место пайки, что бы оно прогнулось.
Так вот, может не стоит заморачиваться с такой точность нагрева всей платы? Нам главная задача, это правильный профиль в области пайки.

 

Неравномерный нагрев НИ, как в моем случае, иногда дает критично большую разницу температур на плате в области пайки. На углах чипа может быть разная температура в зависимости от расположения чипа на плате, его габаритов и от размера самой платы, а также расположения на плате дополнительных теплоемких элементов. К примеру, если чип удачно расположен в середине платы, то нагрев будет относительно равномерный и пайка пройдет удачно. Вот другой пример, где разница температур на углах чипа достигала минимум 12°C.

Спойлер: см.видео

Что происходит при такой неравномерности температур? В зависимости от расположения термопары, чип будет частично перегрет или частично не донагрет. При монтаже, современные прямоугольные BGA чипы Intel будет выгибать, а старые чипы Nvidia с большой вероятностью будут щелкать. Если НИ не равномерно прогревает плату, то более холодные участки платы неизбежно будут забирать тепло из зоны пайки, и даже идеальный по равномерности нагрева ВИ не спасет ситуацию.

 

У меня нагреватели не китай вроде бы, но согласен качество так себе, судя по фото выше. На мой взгляд одно из решений - контроль температуры каждого нагревателя, это должно улучшить ситуацию, без применения стеклокерам.плиты и увеличения расстояния до платы. Посмотрите на скрин. из видео Intel(ссылка выше)

Спойлер: см.фото

Видно, что к плите НИ помимо силовых, подходит пучок тонких проводов, возможно это термопары. Предполагаю, что НИ имеет несколько активных зон, благодаря этому плата прогревается более равномерно.

 

Я думаю для равномерного прогрева надо, делать маленькую скорость нагрева, чем медленней нагревается плата,
тем более равномерней она должна прогреться, для сложных плат 0,5 Градуса в сек, у термопро.
Для прямоугольных чипов intel, есть металлические рамки, которые ставят на чип перед запайкой.