Elementy

Urządzenia elektroniczne powstają z elementów, które są ze sobą w odpowiedni sposób połączone, tak aby mógł przepływać pomiędzy nimi prąd elektryczny. W dalszej części kursu omówimy te elementy, które najczęściej wykorzystuje się przy budowie urządzeń sterowanych przez mikrokontrolery.

Ponieważ do elementów elektronicznych musi być doprowadzany (i odprowadzany) prąd elektryczny, posiadają one końcówki, które służą do tego celu. Elementy można łączyć bezpośrednio przewodami lub ich końcówkami (tak często się robi w prostych układach, np. dioda LED + opornik). Dawniej powstawały takie potworki:

Obecnie do połączeń wykorzystuje się tzw. płytki drukowane (ang. PCB = Printed Circuit Board). Płytka drukowana (obwód drukowany) odpowiada przewodom, które łączą ze sobą wyprowadzenia elementów. Różnica jest tylko taka, że przewody te posiadają formę ścieżek miedziowych na płytce i wykonuje się je przemysłowo za pomocą metod drukowania, stąd taka nazwa.

Na szczęście płytki drukowane możesz wykonać we własnym zakresie lub wykonanie zlecić profesjonalnej firmie elektronicznej (ogłoszenia znajdziesz w sieci).

Ze względu na sposób montażu na płytce drukowanej rozróżniamy dwa podstawowe typy elementów elektronicznych:

Elementy przewlekane (ang. THT = Through Hole Technology)

Tego typu elementy posiadają wyprowadzenia w postaci drucików (nóżek, końcówek, pinów). W płytce drukowanej wykonuje się otwory, poprzez które przewleka się wyprowadzenia i lutuje z drugiej strony do ścieżek. Całość daje bardzo stabilną i mocną konstrukcję.

Elementy przewlekane są dosyć duże, dzięki czemu łatwo się je lutuje. Jednakże wymagają wiercenia otworów w płytkach, co z kolei utrudnia wykonanie samej płytki drukowanej (przy skomplikowanych obwodach na płytce potrzebne są czasami setki otworków i ręka cię nieraz zaboli przy ich wierceniu). Elementy przewlekane będziemy często używać do budowy prototypu obwodu elektronicznego na płytce stykowej.

Elementy montowane powierzchniowo (ang. SMT = Surface Mount Technology)

Elementy przewlekane nie pozwalają na dużą gęstość upakowania na płytce drukowanej. Poza tym w montażu automatycznym są dosyć kłopotliwe. Dlatego wymyślono ich odmianę, która jest lutowana bezpośrednio do ścieżek na płytce drukowanej, bez pośrednictwa otworów. Tego typu elementy noszą miano SMD (ang. SMD = Surface Mounted Device). Istnieją dokładne odpowiedniki SMD elementów przewlekanych, co więcej, można je stosować wraz z elementami przewlekanymi na tej samej płytce drukowanej. Dodatkowo elementy SMD są zwykle tańsze.

Elementy SMD są bardzo małe, dzięki czemu budowane z nich układy również mogą być małe. Wbrew pozorom montaż SMD jest dosyć prosty pod warunkiem, że opanowałeś lutowanie. Do tego celu powinieneś posiadać dobrą lutownicę oporową lub jeszcze lepiej stację lutowniczą z elektronicznie regulowaną temperaturą grota, lupę, ostro zakończoną pincetę do chwytania elementów, topnik RF800 oraz cienki drut cynowy (o średnicy 0,56mm, dostępny w każdym sklepie elektronicznym). Sposób lutowania opisujemy dalej w tym rozdziale.

Budując urządzenia elektroniczne, będziesz musiał projektować i wykonywać płytki drukowane (ang. PCB – printed circuit boards) ze ścieżkami, do których będą przylutowywane elementy elektroniczne. Omówimy teraz podstawowe sposoby tworzenia takich płytek.

Płytka PCB powstaje z płytki laminatowej pokrytej warstwą miedzi. W sklepach elektronicznych możesz bez problemu dostać takie płytki za grosze. Istnieją dwa typy: jednostronne oraz dwustronne. Te drugie pozwalają na prowadzenie ścieżek po obu stronach płytki, lecz są trudniejsze w wykonaniu.

Pierwszy problem z płytkami PCB to ich przycinanie. Wykonujemy to za pomocą ostrego nożyka i linijki metalowej (cięcie wykonuj na macie lub na jakiejś deseczce, aby nie zniszczyć rodzinie pamiątkowych mebli). Linijkę przykładamy do płytki i zarysowujemy ją kilkakrotnie z obu stron, po czym płytkę przełamujemy – powinna pęknąć wzdłuż nacięcia. Jeśli tak się nie stało, to naciąłeś zbyt płytko.

 

Krawędzie płytki wyrównujesz papierem ściernym – połóż go na płaskiej powierzchni i przeciągaj po nim krawędź płytki aż będzie równa. Dalszy tok postępowania zależy od wybranej metody wykonania ścieżek. Zacznijmy od metody najprostszej.

Wykonanie ścieżek metodą ręcznego rysowania

Załóżmy, że posiadasz obrazki płytki PCB (jak je otrzymać, opisujemy w kursie Eagle).

Na obrazkach widoczne są ścieżki oraz otwory do wykonania w płytce. Na dowolnej drukarce drukujesz obraz otworów wraz z obrysem krawędzi płytki.

Wycinasz z kartki rysunek otworów z odpowiednio dużym marginesem. Następnie przycinasz odpowiedni kawałek płytki miedziowanej, wykorzystując wydrukowany obrys płytki.

Płytkę owijasz ciasno papierem z rysunkiem otworów. Strona miedziowa powinna znaleźć się pod otworami. Rysunek krawędzi płytki pomoże ci ją odpowiednio ustawić. Po owinięciu papierem płytka nie powinna się wewnątrz przesuwać.

Małą wiertarką ręczną wiercisz zaznaczone otworki o średnicy 0,7mm. Jeśli na płytce będą montowane jakieś gniazda lub goldpiny, to otworki do ich końcówek rozwiercasz wiertłem 0,9mm. Aby wiertło nie "tańczyło" po płytce, dobrze jest każdy otwór lekko napunktować gwoździem i młotkiem. Wiertarka powinna równo prowadzić wiertło, bez bicia (jeśli masz pieniądze, to nie oszczędzaj i kup porządną wiertarkę, np. Dremel lub Proxxon – oszczędzisz sobie nerwów i frustracji). W przeciwnym razie nie uda ci się równo wywiercić wszystkich otworów. Wiertła o tej średnicy szybko się tępią. Można kupić wiertła widiowe, lecz są bardzo kruche i trzeba niezmiernie uważać, aby ich nie złamać przy wierceniu ręcznym. Wiercąc otworki nie naciskaj mocno wiertarki i trzymaj ją pionowo pod katem prostym do płytki PCB.

Ściągnij papier z płytki. Płytkę dokładnie przetrzyj drobnym papierem ściernym. Z otworów mają zniknąć wszelkie zadziory, które powstały w trakcie wiercenia. Następnie wymyj ją środkiem do naczyń (np. Ludwik) w letniej wodzie, dokładnie opłucz i wytrzyj czystą szmatką do sucha. Dalej staraj się unikać dotykania miedzi palcami, ponieważ zostawisz w tych miejscach odciski i będą kłopoty w czasie trawienia.

Do rysowania ścieżek na płytce użyj pisaka niezmywalnego Edding 141F, kolor czarny.

Rysowanie zacznij od obrysowania kółeczkiem każdego otworu. Uważaj, aby przypadkowo nie połączyć ze sobą tych kółeczek. Następnie dorysuj ścieżki. Linia powinna być ciągnięta delikatnie (mocne dociskanie pisaka zdziera tusz i powstaje później wytrawiona kreska), lecz kilkakrotnie. Grubość około 1mm. Dobrze jest powtórzyć rysowanie, gdy pierwsza warstwa wyschnie. Tutaj przyda ci się rysunek ścieżek. Przy dłuższych ścieżkach skorzystaj z pomocy linijki. Płytki dwustronne wykonujemy podobnie – po narysowaniu pisakiem ścieżek na jednej stronie płytki, odwracamy ją i rysujemy ścieżki po drugiej stronie.

Po narysowaniu ścieżek płytkę należy wytrawić. W sklepie elektronicznym kup środek trawiący, nadsiarczan sodowy B327. Będzie również potrzebna kuweta, w której wytrawisz swoją płytkę – nie podkradaj naczyń rodzicom, bo twoja przygoda z elektroniką stanie się drogą usłaną cierniami.

Jeśli płytka jest nieduża, to do naczynia wsyp nieco proszku B327 (trudno powiedzieć ile, sam musisz do tego dojść lub przeczytać instrukcję na opakowaniu) i zalej wodą o temperaturze około 50...60ºC. Dokładnie wymieszaj, aby kryształki nadsiarczanu sodu całkowicie rozpuściły się w wodzie. Wrzuć płytkę i obserwuj, jak znika z niej miedź. Pomieszczenie, w którym trawisz, powinno być dobrze wentylowane. Staraj się nie wdychać oparów unoszących się znad naczynia. Płytkę w roztworze nadsiarczanu sodu chwytaj pincetą, nie palcami. Staraj się również nie ochlapać tym płynem (podobno nie jest żrący, co nie znaczy, że nie niszczy ubrań). Całość wykonuj na odpowiedniej macie, aby na stole rodzinnym nie pozostały jakieś niezmywalne później plamy.

Gdy cała miedź zostanie wytrawiona, płytkę wyjmij pincetą z roztworu trawiącego i dokładnie wypłucz w letniej wodzie. Ścieżek namalowanych pisakiem edding pozbędziesz się łatwo za pomocą denaturatu lub rozpuszczalnika nitro (uwaga na smrodliwy zapach!) i szmatki. Płytkę po wyczyszczeniu pokryj roztworem kalafonii w denaturacie. Powstanie warstewka chroniąca miedź przed utlenianiem i cyna lepiej będzie rozpływać się po ścieżkach w czasie lutowania.

Widoczne na ścieżkach podtrawienia są raczej normalne przy tej metodzie tworzenia płytek. Podobno nie powstają przy malowaniu pisakiem olejowym. Nie sprawdziłem tego.

Metoda termotransferu

Metoda ręczna jest prosta, lecz przy bardziej skomplikowanych płytkach staje się niezmiernie uciążliwa. Dużo lepszym rozwiązaniem jest metoda termotransferu. Do jej stosowania potrzebna jest drukarka laserowa oraz cienki papier kredowy (na kursie Eagle omawiam więcej metod tworzenia płytek drukowanych). Drukarkę da się kupić za niewielkie pieniądze na Allegro (ja za swojego Lexmarka 360d zapłaciłem około 120 zł z przesyłką). Papier kredowy kupisz w sklepie papierniczym, jednak musi być dobrej jakości i cienki. Taki papier również możesz kupić w serwisie Allegro (czytałem o wykorzystaniu kartek z czasopism kolorowych o gładkim papierze). Oprócz papieru i drukarki laserowej potrzebne jest jeszcze zwykłe żelazko elektryczne (lepiej, aby nie było to żelazko siostry lub matki!).

Na papierze kredowym drukujemy drukarką laserową obraz ścieżek. Jeśli płytka jest dwustronna, to drukujemy symetrycznie obok siebie oba obrazy ścieżek dla jednej i dla drugiej strony płytki PCB w odstępie kilku centymetrów. Obraz góry płytki ma być odbity lustrzanie.

Obrazy ścieżek wycinamy z marginesem kilku centymetrów. Jeśli płytka jest dwustronna, to kartki zaginamy wzdłuż linii symetrii biegnącej pomiędzy oboma obrazami. Linię taką można umieścić na drukowanej grafice. Dokładne zagięcie kartki ułatwi przeciągnięcie rylcem po linii symetrii.

Kartki zginamy wydrukiem do środka, pozycjonujemy dokładnie patrząc pod światło, po czym zszywamy zszywką. Z płytkami jednostronnymi jest prościej. Wystarczy przyłożyć do wydruku kawałek zwykłej kartki i spiąć obie dwoma zszywkami. Powstanie w ten sposób coś w rodzaju koperty.

Następnie przycinamy kawałek płytki na rozmiar płytki PCB. Zostaw margines 4mm z każdej strony.

Przyciętą płytkę wyrównujemy dokładnie papierem ściernym, wygładzamy krawędzie oraz polerujemy powierzchnię. Następnie płytkę należy dokładnie umyć oraz wyczyścić rozpuszczalnikiem nitro lub benzyną. Kluczem do sukcesu jest idealna wręcz czystość płytki. Po wysuszeniu płytkę wkłada się do koperty z wydrukiem ścieżek, tak aby strona miedziowa była skierowana ku wydrukowi i pokrywała się z wydrukiem. Patrząc pod światło, płytkę dokładnie pozycjonujemy wewnątrz za pomocą pincety, po czym unieruchamiamy dwoma zszywkami. Papier należy dokładnie docisnąć wokół płytki, aby się nie przemieszczał. Zszywki należy spłaszczyć, aby nie rysowały spodu żelazka.

Przygotowujemy żelazko: ustawiamy pokrętło pomiędzy dwoma a trzema kreskami. Stanowiskiem do termotransferu może być dowolna deska owinięta starym ręcznikiem.

Gdy żelazko się nagrzeje przeciągamy nim po naszych kopertach z płytkami, lekko je dociskając. Żelazko powinno być dociśnięte do każdej strony z miedzią przez około 2...3min. Chodzi o to, aby toner tworzący rysunek ścieżek rozgrzał się do odpowiednio wysokiej temperatury (180...200 stopni). Wtedy mięknie i przylega do warstwy miedzi. Dzięki temu rysunek ścieżek przejdzie z papieru na miedź płytki. To właśnie jest termotransfer, czyli przeniesienie za pomocą temperatury. Wzrokowo możemy kontrolować długość tego okresu - jeśli przez papier kredowy koperty zaczną prześwitywać wszystkie ścieżki, transfer jest zakończony.

Gdy płytki są ogrzewane przez żelazko, przygotowujemy naczynie z ciepłą wodą. Do wody dodajemy trochę płynu do mycia naczyń oraz trochę octu.

Płytki studzimy (wystarczy zostawić je na kilka minut), po czym wrzucamy do naczynia z letnią wodą i zostawiamy w spokoju na 15 minut. Papier powinien dobrze nasiąknąć, wtedy zrobi się miękki i łatwo usuniemy go z płytki.

Po usunięciu papieru na warstwie miedziowej płytki zobaczymy odbity rysunek ścieżek. Część papieru pozostanie na tonerze. Papier ten delikatnie zdrapujemy z płytki palcami lub miękką szczoteczką. Nie bój się, jeśli płytka była dobrze wyczyszczona, to toner trzyma się jej dosyć mocno i nie tak łatwo go usunąć. Dalej postępujemy tak, jak w poprzedniej metodzie – przygotowujemy roztwór nadsiarczanu sodowego B327 i wrzucamy do niego płytki.

Co pewien czas delikatnie poruszamy płytkami (pincetą, nie palcami!!!). Zwiększa to szybkość trawienia. Gdy miedź zostanie wytrawiona, płytki wyjmujemy i przemywamy dokładnie w letniej wodzie.

Toner usuniemy z płytki szmatką zamoczoną w denaturacie lub w rozpuszczalniku nitro. W płytce wiercimy otwory (0,7mm dla elementów przewlekanych, 0,9mm dla gniazdek i goldpinów). Przy płytkach dwustronnych otwory należy wiercić bardzo starannie i pionowo. Inaczej wylot otworu po drugiej stronie nie trafi w przydzielony mu punkt lutowniczy wśród ścieżek. Ja rozwiązuję ten problem projektując płytki dwustronne, tak aby punkty lutownicze po obu stronach płytki były dosyć duże. Gotowe płytki pokrywamy roztworem kalafonii w denaturacie lub w rozpuszczalniku nitro. Gotowe do lutowania.

Jak widzisz, metoda termotransferu jest dosyć prosta, a przy starannym wykonaniu umożliwia uzyskanie naprawdę dobrych płytek. Istnieją jeszcze inne metody wytwarzania płytek drukowanych (poza stosowanymi w przemyśle elektronicznym). Na przykład godna polecenia jest metoda fotochemiczna, która pozwala tworzyć wręcz profesjonalne płytki drukowane. Jednakże wymaga ona dużej wprawy i naświetlarki UV.

Aby uzyskać trwałe połączenie elementu elektronicznego ze ścieżkami na płytce PCB, należy zastosować lutowanie. Dla elektronika umiejętność lutowania jest bezwzględną koniecznością. Nie jest to trudne, lecz wymaga nieco ćwiczeń. Musisz przestrzegać kilka zasad:

Grot lutownicy należy często czyścić. Do tego celu stosuje się specjalną gąbkę zwilzoną w wodzie. W gąbkę wycieramy gorący grot, aż stanie się srebrzysto biały. Brudnym grotem źle się lutuje, poza tym warstwy tlenków, które osadzają się na grocie, źle przewodzą ciepło i efektywność lutowania spada.

Nigdy nie lutuj "na sucho". Zawsze pokrywaj punkt lutowniczy topnikiem. Taki prosty topnik możesz sobie zrobić samemu. Wystarczy rozpuścić w denaturacie kilka kawałków kalafonii i już go masz. Możesz również stosować profesjonalne topniki, np. RF800 do elementów SMD. Topnik rozpuszcza tlenki i czyści powierzchnię miedzi. Ułatwia to rozpływanie się cyny po punkcie lutowniczym. To absolutna konieczność.

Lutowanie końcówki elementu do punktu lutowniczego na płytce PCB wykonywane jest następująco:

1. Czubkiem grotu lutownicy podgrzewasz wstępnie pole lutownicze (nie rób tego zbyt długo: 1...2 sekundy wystarczy). Pamiętaj o wcześniejszym pokryciu pola lutowniczego cienką warstwą topnika.
2. Następnie, trzymając w drugiej ręce drut cynowy, dotykasz nim czubka lutownicy, która cały czas podgrzewa pole lutownicze. Drut powinien się stopić, a cyna ma oblać ładnie dookoła pole lutownicze oraz końcówkę elementu. Dobrze wykonany lut ma kształt lekko wklęsłego stożka. Cała operacja nie powinna trwać zbyt długo, aby nie uszkodzić termicznie lutowanego elementu. Gdy nabierzesz wprawy, luty będziesz wykonywał błyskawicznie.
3. Lutowanie zawsze rozpoczynasz od elementów najniższych i wlutowujesz stopniowo te coraz wyższe. Dlaczego tak? Otóż dzięki temu, łatwo będziesz mógł dociskać lutowane elementy to podłoża z drugiej strony płytki i inne elementy już wlutowane ci w tym nie przeszkodzą.
4. Końcówki lutowanych elementów należy lekko rozgiąć. Dzięki temu element nie będzie miał tendencji do wypadania w trakcie lutowania.

Błędem jest nabieranie lutu na grot lutownicy i zachlapywanie nim pola lutowniczego.

Elementy SMD potrafią być bardzo małe, stąd przekonanie, że ich lutowanie jest niezmiernie trudne.

Czy to prawda? Nie dowiesz się, jeśli nie spróbujesz. Do lutowania SMD powinieneś posiadać dobrą lutownicę, a najlepiej stację lutowniczą z elektroniczną stabilizacją temperatury grota. Dalej przyda się lupa na statywie (bo ręce musisz mieć wolne) oraz pinceta z ostrymi końcówkami (najlepiej kilka rodzajów).

Najpierw pokrywamy punkty lutownicze topnikiem, który wyczyści z tlenków powierzchnię miedzi i polepszy kontakt z cyną.

Na jeden z punktów lutowniczych nanosimy nieco cyny. Drugi punkt zostawiamy wolny.

Element SMD przytrzymujemy pincetą i zbliżamy jedną końcówka do pola pokrytego cyną.

Delikatnie dociskamy element i grotem podgrzewamy punkt lutowniczy. Spowoduje to stopienie cyny, która przylgnie do boku elementu SMD.

Odwracamy płytkę o 180 stopni i zalewamy cyną drugie pole lutownicze.

Operacja zakończona.

Nieco trudniejsze jest lutowanie elementów SMD z końcówkami. Najpierw element odpowiednio mocujemy do płytki i ustawiamy jego końcówki, tak aby zgadzały się z polami lutowniczymi. Do mocowania elementu można użyć kropelki jakiegoś kleju (niektórzy przylutowują skrajną nóżkę do pierwszego pola lutowniczego). Chodzi o to, aby element się nie poruszył w trakcie lutowania.

Następnie nóżki i pola lutownicze pokrywamy topnikiem RF800. Nabieramy na grot lutownicy niewielką ilość cyny i dotykamy nim miejsca styku nóżki elementu z polem lutowniczym na płytce. Pod wpływem napięcia powierzchniowego cyna sama wejdzie na nóżkę układu i przylutuje ją do pola lutowniczego.

Jeśli zdarzy się, że cyna utworzy mostek na kilku nóżkach, nie panikuj. Posmaruj to miejsce dodatkową porcją topnika, a następnie szybkim ruchem grota lutownicy wzdłuż nóżek zlikwiduj powstały mostek.

W razie wątpliwości przeglądnij sobie materiały na temat lutowania SMD, które znajdziesz na YouTube. Jest tego mnóstwo. Oczywiście nie licz, że od razu wszystko ci wyjdzie bezbłędnie. Najważniejsze, aby się nie zniechęcać początkowymi trudnościami. Im więcej takich lutowań wykonasz, tym lepiej będzie ci szło z kolejnymi.

Więcej na temat wykonywania płytek drukowanych znajdziesz na Warsztacie w naszym kursie Eagle.