История Электрического паяльника

Один из интересных способов выбора оборудования – разобраться, как оно устроено, и сравнить его с конкурентами. Если вам интересно, почему паяльник паяет, и почему одна паяльная станция стоит 2 тысячи рублей, а другая 90 тысяч, почему стоит быть в курсе новейших технологий, то вот вам краткий экскурс в историю паяльника.

Фабричный паяльник XIX века, нагреваемый на огне.

Паяльник и пайка известны более 4 тысяч лет, еще с Древней Греции. Археологи находили топорики, которые разогревались на углях. И использовался такой инструмент успешно, но приходилось всегда иметь 2 штуки. В то время, когда мастер паяет одним, второй подогревал на огне его помощник. Похоже на кузнечные дела. В таком виде он просуществовал до самого XIX века до изобретения газовой горелки, которая несколько автоматизировала процесс. Горелкой проще пользоваться и греть топорик возможно прямо во время пайки. Это был первый шаг от труда человека к труду механизмов в пайке.

Электрические паяльники Эрнста Сакса на выставке в 1921 году.

Еще больше помогло изобретение электрических нагревателей. И в XX веке топорик сменился известным каждому классическим электрическим паяльником. Такое устройство впервые показала и выпустила в продажу компания «American Beauty», существующая и в настоящее время. Затем появились редкие модели других производителей. А узнаваемую форму паяльник получил только в сороковых годах, и снова это сделала компания «American Beauty».

Электрический паяльник American Beauty 1947 год.

Паяльники с электрическим нагревателем оказались удачным инструментом для изготовления металлических изделий и быстро распространились. Появились компании ERSA и Weller. Такой паяльник был настолько удобен в производстве, насколько это было возможно. Температура паяльника непрерывно поддерживалась электрическим нагревателем и ограничивалась рассеянием тепла в воздух. Для лужения кастрюль лучше не придумаешь. Второй шаг на пути облегчения труда человека был пройден.

Иллюстрация из патента Weller на электропаяльник с регулировкой температуры 1958 года.

А третьим шагом могли стать устройства регулировки температуры паяльника. Но в те времена они не имели обратной связи по температуре и просто изменяли мощность нагревателя. Однако в 1960 году Weller показали паяльник с автоматической системой поддержания температуры. Они работали схоже с утюгами и их биметаллической пластиной. Но уже в это время уже существовали паяльные станции, контролирующие температуру паяльника по датчику температуры в нагревателе. Паяльник мог контролировать свою температуру, и это было частью третьего серьезного скачка в развитии электроники. Печатные платы с компонентами, впаянными своими выводами в контактные площадки металлическим оловянным припоем стали нормой. Культура или технологии производства и ремонта электроники уже устоялись к 70-м годам.

Ремонтная система PACE PRC-350 была центральной частью программы NAVAIR по усовершенствованию ремонта модулей авионики в середине 70-х годов.

Типовая паяльная станция состояла из блока станции с размещенными в ней блоком питания с массивным трансформатором. Внутри - управляющая электроника. Снаружи - органы управления, рукоятка изменения температуры и выключатель. К станции подключался паяльник. Нагреватель у него был в виде медного цилиндра с намоткой из нихромовой проволоки. В паяльнике присутствовал датчик температуры, зачастую, обыкновенная термопара. Но мог быть и платиновый резистивный датчик, очень стабильный и высокоточный. Монтажнику больше не нужно было делать регулярную поверку станции. 

Паяльная станция Weller c цифровым дисплеем и электронной регулировкой температуры.

Одной из типовых и самых удачных была модель паяльника PACE IR-70, позднее PS-80 и PS-90. Паяльник имел пластиковый корпус с накладкой из термоизоляционной вспененной резины. С одной стороны был разъем для нагревателя, с другой кабель для подключения к станции. Напряжение питания паяльника равнялось 21 вольту. Паяльник был безопасен как персонала, так и чувствительных электронных компонентов. В этих же целях корпус нагревателя и наконечник были заземлены. Паяльник стал легким удобным инструментом. А все тяжелые компоненты и управляющую электронику содержал в себе блок станции. Это немного скрасило ручной труд обыкновенного монтажника на сборочной линии.

Устройство паяльника PACE PS-80 80-е годы XX века.

Нагреватель IR-70 имел традиционную нихромовую спираль внутри и платиновый термодатчик, расположенный в месте прижима сменного медного жала с непрогораемым железо-хром-никелевым покрытием. Мощность составляла всего 37 ватт, но ее хватало для абсолютно любой задачи в то время. Наконечник фиксировался в цилиндре нагревателя винтом. Такая конструкция позже атаковалась маркетологами, как не вполне эффективная. Появлялись различные конструкции нагревателей с различными креплениями жала. Но в итоге оказалось, что прижим винтом – это надежное во всех отношениях решение.  Подобные паяльники выпускаются до сих пор. 

Различное оформление керамических нагревателей современных паяльников.

Отдельной эпохой стали керамические нагреватели. Это белый керамический цилиндр с тонкими пленочными проводниками внутри. Такой нагреватель мог быть легче, мощнее и надежнее обыкновенного нихромового. Керамический нагреватель хоть и выглядел передовым решением, однако он имел большой недостаток. Как сильно не повышалась бы его мощность, такой нагреватель не позволял обеспечить плотный механический и тепловой контакт c медным паяльным жалом. Тепло от нагревателя не могло передаваться в жало и в точку пайки быстро.  Некоторые паяльники с керамическими жалами на 100 Ватт проигрывали традиционным в скорости пайки. Попытки реабилитировать керамику породили множество замысловатых конструкций. Жало вставлялось внутрь цилиндрического керамического нагревателя, прижималось к нему торцом, керамический корпус нагревателя помещался в металлическую обойму, жала имели форму длинного цилиндра, чтобы тепло передавалось без плотного контакта «по воздуху», но на большой площади... жала прижимались гайками, кольцами, внатяг, с помощью специальных пружинок … Полностью раскрыть свой потенциал такой нагреватель смог сравнительно недавно.

Поддельный нихромовый нагреватель в керамическом корпусе, замазанном цементом с торца.

Ситуацию ухудшили и наводнившие рынок подделки под керамические нагреватели. Дорогие в производстве пленочные проводники заменяла проволочная спираль. А материал поддельной керамики плохо проводил тепло. Некоторые китайские паяльные станции собрали все недостатки: псевдокерамический нагреватель на 150 Ватт, отсутствие обратной связи по температуре, отвратительное качество изготовления. Но за то они были дешевы и оснащены большим красивым дисплеем.  Их было полно на рынках. Такие станции так же взяли на вооружение некоторые отечественные бренды, наклеив на них свой шильдик с логотипом. Опасайтесь таких изделий. 

Рекламные пиктограммы на фоне зелёных цветов и надпись RoHS, условно обозначающие «бессвинцовые» паяльные станции.

Маркетинговые отделы производителей паяльных станций придумывали сомнительные классификации своим продуктам. Так, например, появились станции для пайки бессвинцовым припоем. А остальные обычные станции по задумке маркетологов автоматически стали для этой задачи непригодны. Этот ход можно описать лозунгом: "Новые кукурузные хлопья! Теперь без асбеста!". В действительности такие станции ничем не отличались от обычных качественных станций. Может быть немного повысили мощность. Эта идея казалась вполне правдоподобной из-за стереотипов о мощности старых паяльников без терморегуляции. Для пайки электроники рекомендовали выбирать паяльник мощностью 30-50Вт. Но паяльные станции такого разделения не имели. Владельцы банально подняли температуру пайки на 40 градусов и продолжили работать. Но честным компаниям пришлось так же «озеленить» свои паяльники.

Паяльная станция METCAL MX-5210 имеет в наборе запасную рукоятку паяльника зеленого цвета, обозначающего «пригодность для бессвинцового припоя».

Тем временем компоненты и электроника становились миниатюрными, а потом и микроскопическими. А печатные платы наоборот, толстыми с множеством слоев и массивными полигонами для надежного теплоотвода. Паяльные инструменты тоже становились миниатюрными и более эргономичными, в том числе и для работы под микроскопом.

И наконец керамический нагреватель удалось элегантно вписать в по-настоящему эффективный паяльник. Эти паяльники – самые современные. Они настолько удачные, что у каждого именитого производителя есть в арсенале подобные инструменты. Чтобы понять, насколько технологичную конструкцию нам предложило начало XXI века, сначала нужно рассмотреть параллельный вид паяльных инструментов. Вид развивался особняком и завоевал свою армию поклонников. Это индукционные паяльные станции.

Паяльная станция METCAL MX-500 – остается популярной среди мастеров сервиса до сих пор (слева). Станция MFR-1110 – сравнительно недорогой и полноценный индукционный паяльник (справа).

METCAL – это пионеры и лидеры индукционных паяльных станций. В конце 90-х и начале 2000-х годов это была революционная и самая передовая технология. Она основана на простом законе электромагнитной индукции, благодаря которому возможно нагревать поверхность жала наконечника высокочастотным магнитным полем миниатюрной катушки-индуктора. Жало наконечника нагревается непосредственно, и барьера для передачи тепла в него нет. В точку пайки получается передать столько энергии, сколько нужно, а как только будет достигнута температура размагничивания ферромагнитного напыления на хвостовике жала, нагрев прекратится. Таким образом удалось достичь очень высокой мощности в очень удобном маленьком инструменте. Наконечник такой станции – это картридж, где нагреватель и жало – одно целое, рукоятка паяльника не нагревается. Жало маленькое и тонкое и не дает теплового удара по маленьким компонентам так, что им можно безопасно паять керамические конденсаторы, трескающиеся от классических паяльников.

Схема индукционного наконечника-картриджа и примеры миниатюрных термоинструментов.

В первое десятилетие индукционные станции не имели себе равных. Несмотря на то, что температуру жала нельзя было менять, передовой паяльник был крайне удобен, а в некоторых случаях незаменим. Точка Кюри картриджей была разная, и выпускали три, четыре, а потом и пять серий жал с разными температурами от 260 до 420 градусов. Конструктив картриджа подразумевал довольно высокую начальную температуру холостого хода для того, чтобы все работало как надо в любой ситуации, особенно с особо теплоемкими платами и компонентами. Это не являлось практической проблемой, так как жала были очень легкие и никогда не провоцировали тепловой удар. Но мастера, привыкшие постоянно видеть температуру на дисплее цифровой паяльной станции и держать все под контролем, с недоверием относились к черному корпусу станции без кнопок и экрана. В последнее время это уже не так, но что было бы, если бы в индукционной станции можно было поменять температуру?

Популярные в интернете паяльные станции с жалами, объединенными с нагревателями с одном картридже.

Первыми на помощь пришли китайские производители, назвавшие некоторые свои модели индукционными. А потом и именитые производители подтянулись и сделали гибридные, композитные, активные жала и т.п. и паяльные станции к ним. Они объединяли в себе плюсы индукционного паяльника в виде миниатюрного жала, совмещенного с таким же миниатюрным керамическим нагревателем в одном корпусе, и традиционной схемы с датчиком температуры. Таким образом получился мощный компактный и удобный инструмент, с быстрой обратной связью и возможностью менять температуру!

Устройство наконечника паяльной станции с неразъемными жалом и нагревателем в одном корпусе

В настоящее время такие паяльники имеют максимальную эффективность с точки зрения конструкции, так как теплопроводность между нагревателем, наконечником и точкой пайки в них минимальна. А разница между моделями определяется качеством исполнения, мощностью нагревателя и расположением термопары внутри. В некоторых паяльниках термопара располагается очень близко к кончику жала прямо в его теле, обратная связь в таком случае будет очень точная, особенно для тонких жал. Теплопередача таких паяльников максимальна для неиндукционной технологии нагрева, но практически ничем не уступает индукционкам, такие паяльники универсальны как для больших контактных площадок, так и для маленьких. То есть ими можно быстро разогреть большую деталь, но при этом не перегревать маленькие.

Различные места расположения термодатчика на разных расстояниях от идеального места в точке пайки.

На этом история такоги интересного инструмента, как паяльная станция закончилась. Мы описали именно исторически важные особенности, которые уже устоялись, и споров о которых уже не ведется. Но среди других нововведений, которые не распространены повсеместно среди большинства моделей паяльных инструментов можно отметить:

Индукционный нагреватель с термопарой.

Используется в некоторых китайских паяльных станциях. При этом жала и нагреватели все еще остаются довольно массивными, что отрицательно сказывается на работе с такими моделями. Практически такой прием делает паяльник неполноценным с точки зрения скорости и точности терморегуляции.

Индукционный нагрев с раздельными индуктором и жалом.

Жала таких паяльников дешевле, но имеют большие размеры. Такие паяльники вполне подходят на замену классическим, но поспорить с обычными индукционками не могут.

Термопрофиль для паяльника.

Температура жала паяльника изменяется согласно графику, заданному пользователем, аналогично конвекционной печи оплавления на сборочном конвейере. Эта функция может пригодиться, если требуется работа с большими микросхемами или очень нежными компонентами, а также если вам нравятся графики.

Контроль времени пайки.

Еще одна функция, запускающая таймер, как только припой расплавится. Время таймера рассчитывается автоматически на основе косвенных данных о теплоемкости контакта. Функция нацелена на то, чтобы толщина диффузионного слоя паяного соединения была оптимальной.

Совмещенный паяльник и термофен.

Многообещающая простая конструкция, благодаря которой повышается эффективность паяльника благодаря дополнительному прогреву делали, печатной платы или компонента горячим воздухом. Для термофена используется тот же нагреватель, что и для паяльника, вся конструкция получается легкой и компактной.