Nagyfrekvenciás indukciós forrasztás

Occam borotvája filozófiai elv, amely szerint két, az adott jelenséget egyformán jól leíró magyarázat közül azt kell választani, amelyik az egyszerűbb. (…) Ez az elv, melyet latinul „lex parsimoniae”-nek („takarékosság elve” vagy „tömörség elve”) neveznek, a következőképpen hangzik:„Pluralitas non est ponenda sine necessitate” magyarul: „A sokaság szükségtelenül nem tételezendő” (Forrás: wikipédia)

Műszaki területen edzett olvasóink bizonyára egyetértenek, hogy ez az elv a műszaki megoldások területén is érvényes. Egy feladat lehetséges megoldásai közül általában a legegyszerűbb a leghatékonyabb. Ha a kézi forrasztás területére összpontosítunk, a feladat, hogy a pákahegyet folyamatosan olyan hőmérsékleten tartsuk, amely megfelel a forrasztott kötés kialakításának, de nem károsítja a forrasztott alkatrészt és az a körüli területet. Első látásra ez nem tűnik bonyolult feladatnak, egy hőérzékelő elemet helyezünk el a hegy közelében, amely egy visszacsatoló jelet küld a szabályozó automatika részére. A gondok ott kezdődnek, ahol megnyilvánulnak a visszacsatoló hurok gyenge pontjai, a lassú reakcióidő és a nagy hiszterézis, amelyek miatt terhelés alatt a pákahegy hőmérséklete akár több tíz fokot is csökkenhet és jelentős energiatöbbletet és időt igényel, hogy ismét elérje a kívánt szintet. A gyártók többsége a szabályozó automatika szintjén kívánja orvosolni ezt a megoldást, egyre bonyolultabb logikai áramkörökkel bővítve a rendszert, amelyek némelyike tagadhatatlanul látványos eredményeket biztosított. Azonban azt sem szabad figyelmen kívül hagyni, hogy a bonyolultság egyik velejárója a megbízhatóság csökkenése. És itt lép a képbe Occam borotvája: miért a bonyolultság irányába induljunk, ahol egyszerűsíteni is lehet? Az egyik elegáns megoldást a fizikai szabályozással működő indukciós forrasztás kínálja.

A kaliforniai Metcal cég 1989-ben szabadalmaztatta a nagyfrekvenciás indukciós fűtéssel működő, SmartHeat néven forgalmazott forrasztórendszerét, amelyben a melegítőhatást a közvetlenül a hegy fémtömbjében gerjesztett örvényáramok fejtik ki. Mivel a gerjesztés nagyfrekvenciás árammal történik, a  skin-hatás révén a fém ellenállása viszonylag magas és ezen az ellenálláson az örvényáramok teljesítménye hővé alakul. Amint a fém elér egy, az adott ötvözetre jellemző hőmérsékletet, amelyet Curie-hőmérsékletnek nevezünk, a mágneses tulajdonságai megváltoznak, ez a skin-hatás megszűnéséhez vezet és az áramokat így már a fémtömb teljes tömege vezeti. Ezzel az ellenállása gyakorlatilag nullává válik. A szabályozó elektronika feladata, hogy állandó áramerősséget biztosítson a kimeneten, azaz, más szavakkal, biztosítja, hogy a kimenet áramgenerátorként működjön. Az pedig már az alapfokú elektromosságtanból ismert, hogy az áramgenerátor a rövidzárlaton, azaz a nulla ellenállású terhelésen nem ad le teljesítményt, így a melegítő hatás megszűnik. Amint a fém hőmérséklete csökken, ismét fellép a skin-hatás és a folyamat megismétlődik. A fentiekből következik, hogy nagyfrekvenciával gerjesztett örvényáramokkal egy fémtömböt, kizárólag csak egy adott, a fizikai jellemzők által meghatározott hőmérsékletre – a Curie-hőmérsékletre – lehet felmelegíteni. A folyamat hiszterézise nagyon alacsony, így -ha más hőelvonás nem történik, a fémtömb ±1,1°C ingadozással a Curie-hőmérsékleten marad. Összevetve az elektronikus hőmérséklet-szabályozással működő pákák legalább ±5°C  üresjárati ingadozásával, láthatjuk, hogy ebből  szempontból az indukciós forrasztás sokkal stabilabb.

(Zárójelben megjegyezném, hogy egy nagyjából negyedszázaddal idősebb rendszer is, bár nem indukciós fűtéssel működik, de a Curie-hőmérséklet alapján szabályozza a fűtést: a Weller közismert Magnastat rendszerében a hegy mágnesességének változását egy mágneskapcsoló érzékeli, és annak megfelelően kapcsolja ki- és be az fűtőbetét tápfeszültségét.)

SmartHeat páka

Alacsony ceruzafogás

Visszatérve az indukciós fűtéshez, az üresjárati hőstabilitás mellett a módszer az alábbi előnyökkel is jár:

  • Mivel az energia közvetlenül a hegy anyagában alakul át hővé, nem lépnek fel a különféle közegek (fűtőszál-kerámia szigetelő-pákahegy) közötti veszteségek, ezért az energia sokkal hatékonyabban kerül hasznosításra. Ennek köszönhetően a rendszer sokkal gyorsabban kompenzálja a forrasztás során jelentkező hőelvonást, így nem csak az üresjárati, de a munka közbeni hőstabilitás is lényegesen jobb, mint a hagyományos fűtéssel működő pákák esetén
  • A hegy hőmérséklete kizárólag egy fizikai állandótól függ, ezért egy ilyen fűtésrendszert nem kell és nem is lehet kalibrálni. Ha egy dolgozó a megfelelő pákahegyek kapja meg a feladata elvégzéséhez, biztosított, hogy a munkát az előírt hőmérsékleten fogja elvégezni, mivel nincs lehetősége azt bármilyen módon elállítani
  • A kis méretek és a hatékony hőátadás lehetővé teszik, hogy a melegítésben közvetlenül nem érintett részek, mint a például hegy szára, gyengén hővezető anyagból készüljenek, így a melegítő hatás tényleg csak a hegyre korlátozódik. Ez által a hegy mélyen behelyezhető a nyélbe és alacsony, a precíz munkához ajánlott ceruzafogással lehet vele huzamos ideig dolgozni, a nélkül, hogy a nyél átforrósodna.
indukciós forrasztás - metcal stss

Metcal STSS – az első indukciós fűtésű páka

A 2009-ig tartó szabadalmi védettség alatt a Metcalnak nem jelentkezett versenytársa. A 20 év során a Metcal számos változatot dobott piacra ezzel a fűtési rendszerrel. Néhány változatnál az üzemi frekvenciát lecsökkentették 13,56 MHz-ről 450 kHz-re, az újabb modellek egy inkább látványos, mintsem hasznos teljesítménykijelzőt is kaptak, de az alapelv nem változott. A védettség megszűnésével a piac elkezdett átrendeződni. A Metcal márkát birtokló OK International néhány volt vezető alkalmazottja új céget alapított Kínában, Thermaltronics néven. Az új cég nem sok energiát fordított a fejlesztésre, a Metcal modelljeit kezdték el klónozni, némileg módosított formatervvel. A Metcaléval teljesen azonos elven működő fűtésüket „Curie Heat Technology”-nak azaz Curie fűtéstechnikának nevezik. A Thermaltronics pákahegyei behelyezhetők a Metcal pákanyelekbe és a cég elsősorban a Metcal jelenlegi felhasználóit igyekszik megnyerni, az olcsóbb hegyárak segítségével.

indukciós forrasztás - Hakko FX-100

Hakko FX-100, a trónkövetelő

A Metcal jelentős versenytársai közül a japán Hakko jelentkezett elsőként indukciós forrasztórendszerrel. A Thermaltronicstól eltérően, a SmartHeat rendszer másolása helyett ők módosították a rendszer alapjait is: a korábbi állandó áramerősségű gerjesztés helyett bevezették -és szabadalmaztatták- a Power Assist néven hirdetett változó áramerősséggel történő gerjesztést. A vezérlőegység kimenete itt is áramgenerátorként működik, de az elektronika nyomon követi a terhelés által felvett teljesítményt és annak megfelelően módosítja a generátor által leadott áram erősségét. Nagy igénybevétel esetén, az áramot megnövelve, a rendszer nagyobb teljesítményt ad a pákának így akár a bekapcsolás utáni felfűtés, akár a forrasztás során leadott hőenergia kompenzálása sokkal gyorsabb lesz. A Hakko első ilyen rendszerű készüléke a 2013-ban bemutatott és 2014-ben piacra került FX-100, amelyet korábban már ismertettünk (lásd itt ). Ezen a készüléken a kijelző is több szerepet kapott – a pillanatnyilag felvett teljesítmény jelzése mellett megjeleníthetők a hegy használatára vonatkozó adatok, valamint – a leghasznosabb információként – a rendszer felismeri és megjeleníti a behelyezett hegy hőértékét. Ezt az első modellt a Hakkonál is kétségkívül újabb fejlesztések fogják követni és az is várható, hogy a többi jelentős gyártó is hamarosan jelentkezik majd ezekhez hasonló rendszerű készülékekkel.