Jak získat nejlepší tepelný profil

V první článku o problematice „jak získat nejlepší teplotní profil“ vysvětlím základní specifikace a připojování termočlánků pro vytvoření tepelného profilu elektronických sestav v pájecích procesech.

Klíčovými přínosy jsou funkce termočlánků a jejich konstrukce, význam dimenzování termočlánku a barevného kódování a to, jak určit vhodné termočlánky pro konkrétní aplikaci a jak je správně připevnit.

Termočlánky jsou zhotoveny ze dvou vodičů (drátů) z různých kovů (slitin) spojených dohromady. Tento spoj mezi dvěma vodiči je zpravidla vytvořen spájením dvou vodičů pomocí hořáku nebo svařováním natupo. Velikost termočlánku je obvykle dána rozměry dvou vodičů namísto velikosti spoje vzniklého v bodě spájení vodičů. Velikost spoje zpravidla odpovídá 2,5násobku průměru drátu. Spoj se může do jisté míry měnit, takže specifikovat rozměr termočlánku není nejlepší nápad. Nejlepším určujícím prvkem je rozměr drátu. Nejobvyklejší způsoby specifikace velikosti termočlánku jsou „AWG“ a průměr drátu.

Ve své praxi jste se jistě už setkali s pojmem AWG. Jednotka AWG znamená American wire gauge = Americká kabelová míra. Jedná se o americkou normu, která se používá od 19. století a v podstatě značila počet průchodů strojem při tažení drátu, tj. vyšší číslo AWG určuje menší průměr drátu. Technologie se změnily, ale jednotky zůstaly, a tak se dráty měří v AWG.

I když to vypadá složitě, AWG slouží ke zjištění rozměrů drátu termočlánku. Drát termočlánku se určuje rovněž průměrem vodičů. Průměr obou vodičů musí být stejný. Průměr vodiče je plocha kruhu vytvořeného vodičem při pohledu na průřez nebo „konec“ vodiče. Plocha kruhu se vypočítá známým vzorcem π × poloměr2. V tabulce 1 jsou uvedeny některé velikosti měrek a jejich průměry v palcích a v dalším sloupečku průměry v mm2:

Nejčastější rozměry drátu termočlánku používané pro pájení přetavením nebo pájení vlnou ve Spojených státech jsou: 30 a 36 AWG, někdy 40 AWG. V jiných zemích je nejčastějším rozměrem 0,03 mm2, což podle tabulky 1 není ani 30, ani 36, ale spíše 32 AWG. Metoda specifikace rozměru termočlánku skutečně závisí na tom, kde (ve které zemi) byl zakoupen. I když převod je jednoduchý a většina výrobců vyrábí ekvivalentní velikosti, je dobré pochopit, že rozměr AWG se bude používat v USA, zatímco plocha v milimetrech se bude používat téměř ve všech ostatních zemích světa.

Izolace termočlánku

Jak již bylo řečeno, termočlánky se skládají ze dvou vodičů, z nichž každý je vyroben z jiné kovové slitiny. Tyto dva vodiče musejí zůstat vzájemně elektricky oddělené, dokud nedosáhnou „horkého spojení“. V tomto spoji se měří teplota, napětí (zpravidla méně než 50 mV), jež spoj generuje, je funkcí této teploty. Je velmi důležité, aby tyto dva vodiče zůstaly vzájemně oddělené, jak se vrátí zpět do měřicího přístroje, stejně jako každý elektrický obvod. A tady právě vstupuje do hry izolace. Pokud by v zařízení byla použita tato dvojice drátů dosahující pouze normální pokojové teploty většina standardních izolací na drátu by stačila. Tyto dva vodiče jsou však v mnoha pájecích procesech obvykle vystaveny teplotám kolem 300 °C, takže je nutno použít izolaci pro podstatně vyšší teplotu.

Jak je zřejmé z tohoto obrázku, termočlánky mají izolaci na vodičích a na vnějším plášti.

Izolace je použita na třech místech: izolovaný je každý vodič a izolace obaluje dva izolované vodiče dohromady. Izolace je často popisována jako jeden materiál na druhém materiálu. Jsou-li tedy vodiče izolovány teflonem a plášť je rovněž teflonový, je izolace drátu termočlánku nazývána teflon na teflonu. Drát termočlánku může mít na vodičích jiný plášť, avšak tyto dva vodiče jsou téměř vždy izolovány stejným materiálem, i když nemají vždy stejnou barvu.

Barvy izolace mají svůj význam a existují normy barev vodičů termočlánku, celkového pláště a konektorů specifické pro danou zemi. Nicméně protože většina zařízení k profilování pájecího procesu používá termočlánky typu „K“, barvy podle normy ANSI ISA-MC96.1-1982 běžně používané v USA jsou: žlutá pro kladný vodič a červená pro vodič záporný. Stejný význam má barva pláště. Hnědá zpravidla odkazuje na „termočlánkovou kvalitu“ materiálu slitinového vodiče, což znamená, že jej lze použít jako termočlánek v libovolném bodě jeho délky prostým odříznutím a svařením dvou vodičů dohromady. Je-li v USA plášť žlutý (u typu „K“), dráty mají pravděpodobně prodlužovací kvalitu“, což znamená, že jsou vhodné pouze k prodloužení drátu termočlánkové kvality v dlouhých délkách při pokojové teplotě. Nikdy nepoužívejte drát termočlánku prodlužovací kvality k vytvoření horkého spoje, k horkému spoji termočlánku je třeba použít pouze slitinové páry termočlánkové kvality.

Společnost ECD pro své teplotní profiloměry používá sklolaminátovou izolaci. Jestliže termočlánky nejsou vystavovány zauzlení nebo ohybům, měly by vydržet dlouhou dobu. Sklolaminát snese vysoké teploty – i teploty vyžadované pro bezolovnaté pájení – bez jakýchkoliv problémů.

Nejtrvanlivější a nejpřesnější způsob připevňování při profilování pájených spojů je vysokoteplotní pájka. Nejtrvanlivější prostředek k profilování nekovových součástek je epoxid.

V dalších vydáních budeme pokračovat v problematice tepelných profilů.