Орех знаний тверд, но все же,

Мы не привыкли отступать.

Нам расколоть его поможет

Киножурнал «Хочу все знать».

 

 

Паяльник с регулировкой температуры

 

 

Посвящается технической этике и культуре.

 

О пайке

 

При правильной пайке припой (оловянно-свинцовый ПОС-61, олова 61 %):

1. блестит;
2. гладко и обтекаемо лежит на контактной площадке (КП) печатной платы и выводе детали;
3. его количество и вытекшего, но не испарившегося, флюса минимально.

 

При плохой пайке припой:

1. не блестит, что свидетельствует либо о непрогреве места спая (припой липнет), либо о его перегреве, при котором флюс испарился раньше времени (припой, как каша);
2. лежит комками, капельками, «крылом ласточки» – все это говорит, что мало флюса и много припоя;
3. его количество большое (плохая дозировка припоя) и грязь от флюса (плохая дозировка флюса и нет чистки жала паяльника от нагара).

 

Для правильной пайки надо:

1. паяльник с регулировкой температуры (термостатированием около 270 °С);
2. жало с покрытием;
3. припой с флюсом (не совсем канифоль) диаметром 0,5 мм (можно и 0,8 мм) для пайки SMD (поверхностно-монтируемых) деталей, для остальных – 0,8 мм, для крупных модулей и разъемов – 1,0 мм (припой лучше брать импортный, например, 63 % 8PK-033);
4. нагреватель жала – низковольтный, например, 24 в.

 

Помните, что у обычного паяльника (без регулировки температуры) 40 вт 220 в и стеклотканевой изоляции жала ток в цепи «жало-деталь-рука» может составить несколько ма, которые легко могут повредить полупроводники (сопротивление тела человека около 1 ком).

 

Поэтому:

1. понижают напряжение питания с помощью трансформатора 220 в/18 в с двумя обмотками (человеческое тело при этом имеет сопротивление на несколько порядков выше);
2. чтобы уже такой паяльник не перегревался, температуру его жала контролируют термопарой (устанавливаемой ближе к концу жала) и с помощью простой электронной схемы периодически подключают его нагреватель к мощному нестабилизированному источнику питания на 24 в;
3. чтобы жало паяльника не изнашивалось, и им было удобно паять все детали, применяют обычно острое конусное медное жало с покрытием (при этом грязь теперь будет только от флюса, а не от меди);
4. чистку жала делают периодически во время пайки, вытирая жало о кусочек специальной губки (смоченной в воде);
5. в радиотехнических целях применяют паяльники мощностью 30-50 вт.

 

Правильную пайку делают так:

1. на чистое жало наносят немного свежего припоя для увеличения площади последующего теплового контакта в месте спая;
2. жалом одновременно касаются и вывода детали и его КП на плате, прогревая их;
3. затем касаются проволокой припоя (с флюсом) нужного диаметра места спая, дозируют растекающийся припой, быстро убирают проволоку, а затем жало от места спая;
4. при пайке SMD компонентов их предварительно закрепляют на плате припоем;

 

Например, для пайки корпуса SO-8 (малогабаритного 8-ми выводного) предварительно на КП вывода 1 наносят припой. Затем с помощью пинцета ставят корпус на плату и припаивают его за 1-й вывод, при необходимости юстируют. Так поступают со всеми аналогичными (легкими) планарными деталями, а затем припаивают потоком все неприпаянные выводы.

 

5. при передозировке припоя, лишнее с КП убирают, облуживая на ней многожильный тонкий провод, например, от гибкого шлейфа или оплетку от экранированного кабеля (возможно, для этого понадобится обычная сосновая канифоль).

 

 

 

О паяльнике

 

Применяется импортный типа SL-20 мощностью 48 вт с нагревателем 12 ом и термопарой (около 30 мкв/ °С). Паяльник должен лежать горизонтально, а не положением жалом вниз (как это делают зарубежные товарищи), при котором сильно греется ручка. Практически, такая тонкая конструкция нагревателя паяльника не выдержит, постоянно потребляя 50 вт, он просто сгорит. А 50 вт эти нужны лишь для быстрого подогрева жала паяльника при пайке. При касании жалом места спая, температура жала падает, т.к. энергия уходит на нагрев места спая. Поэтому для правильной и удобной пайки температура жала должна быть около 270 °С (при комнатных условиях), т.е. всегда немного выше температуры плавления припоя (260 °С для ПОС-61). При пайке крупных разъемов и демонтаже деталей, температура жала должна быть значительно выше – около 350 °С. При этом видно, что модуль нагревателя и жало темнеют и потрескивают от большой температуры. В таком режиме паяльник долго не проживет. Поэтому всегда, как только закончили эту «тяжелую» пайку, уменьшайте температуру до 270 °С. В таком режиме, паяльник работает целый день, а закрытый блок управления практически не греется.

 

 

 

Техническое задание (ТЗ)

 

Исходные данные:

паяльник на 48 вт с нагревателем 12 ом и с термопарой, имеющей характеристику приблизительно десятки мкв/ °С), предназначенный для монтажа печатных плат (т.е. климатические условия – комнатные).

 

Требуется блок управления таким паяльником, работающий от сети 220 в.

В качестве управления (задания температуры жала) необходим один регулятор, а также необходимы две индикации: сетевого напряжения и нагрева паяльника. Для удобства пользования блоком, необходим сетевой выключатель, расположенный на задней стенке корпуса. Корпус – прямоугольной формы, с подставкой для паяльника и креплением чистящей губки.

Учитесь грамотно составлять ТЗ. И помните, что творческая работа должна быть обязательно на заказ (как при грамотной плановой экономике), дабы не плодить на рынке никому ненужные вещи – низкокачественный ширпотреб, и еще хуже. После буржуазной (т.е. отчуждения природных богатств от народа) революции (государственного переворота) в 1991–1993 г.г., с последующим превращением всех сфер народного хозяйства в частную собственность (более 50 % эта зарубежная), наша страна является источником природного сырья (нефть, газ) мировой буржуазии и огромным рынком сбыта низкокачественной, в том числе, и радиотехнической «продукции», т.к. своя радиотехническая промышленность (учебные институты, НИИ, «почтовые ящики», заводы, КБ) была окончательно и успешно разрушена за последние 13 лет, а люди были превращены в зомби-электорат, управляемый жадностью и равнодушием. Помните, что богат не тот, у кого много денег, а тот, кто мало тратит. Тратьте свою энергию и время с умом (художник Леонардо да-Винчи всегда работал под заказ, получая немалые деньги, но при этом создавал мировые шедевры).

 

 

 

О блоке управления

 

 

Принцип работы устройства

 

Напряжение от термопары паяльника уровнем десятка милливольт усиливается в 100 раз усилителем напряжения блока управления до единиц вольт. Затем подается на один вход компаратора, а на другой его вход подается постоянное регулируемое напряжение с резистивного делителя напряжения (задатчика температуры). Если температура жала начнет падать, то напряжение с термопары уменьшится, с выхода усилителя тоже уменьшится. И как только напряжение на неинвертирующем (выв. 5, +) входе компаратора станет выше, чем на инвертирующем (выв. 6, –), компаратор переключится и на его выходе напряжение станет +5 в. Транзистор ключа откроется, и через нагреватель паяльника пойдет ток около 2 а. Через несколько секунд, рост температуры вызовет обратную ситуацию – напряжение на выходе компаратора станет 0 в, и ключ разомкнет цепь питания нагревателя.

 

 

 

Конструкция

 

В блоке питания применяется тороидальный силовой трансформатор (Ø 80 х 35 мм), который практически не нагревается на холостом ходу. Т.к. ток через нагреватель паяльника идет около 20 % времени (паяльник греется только в начале, а после редко подогревается до заданной температуры), то диодный мост (16 х 16 х 7 мм) и трансформатор устанавливаются без радиатора, а корпус делается закрытым.

Стабилизатор напряжения, собранный на типовой интегральной микросхеме (ИМС), и силовой n-канальный МДП-транзистор (структуры металл-диэлектрик-полупроводник, с сопротивлением канала 0,02 ом) взяты в корпусах ТО-220 и тоже, практически, не нагреваются.

Электронный модуль управления собран на сдвоенном ОУ, а блок питания выдает напряжения нестабилизированные +24 в и стабилизированные +5 в.

Все детали монтируются на печатной плате размером 40 х 80 мм из одностороннего фольгированного гетинакса (ГФ) или стеклотекстолита (СФ, FR-4) толщиной 1,5 мм (толщина меди 35 мкм).

 

Помните, что в большинстве радиотехнических конструкций в качестве материала печатной платы можно использовать односторонний фольгированный гетинакс. Конечно, встречается и разная «экзотика»: гибкие печатные платы, где в качестве подложки (ламинанта) используется гибкий полимер, а также алюминиевый печатные платы, где алюминий используется, в качестве радиатора.

 

Помните, что если количество перемычек получается более 10 % от количества всех монтируемых на плате деталей (которые, в данном случае при односторонне фольгированной печатной плате и двухстороннем монтаже, имеет смысл брать не только планарные, но и выводные), то можно рассмотреть вариант применения двусторонней печатной платы (ДПП), все зависит от общего числа деталей. Многослойные печатные платы (МПП), в основном составленные из двух тонких двухслойных с промежуточным тонким препрегом, т.е. 4-хслойные печатные платы (это 4-й класс точности) применяют либо там, где много трассировки и плотный монтаж, либо при работе схем на высоких частотах (более 30 мгц), где важны длины связей. Толщину подложки одно- и двухсторонних плат из гетинакса и стеклотекстолита для большинства применений выбирают около 1,5 мм, а толщину медной фольги – 35 мкм.

 

При толщине медной фольги 18 мкм можно получить (при стандартных технологиях изготовления – 3-й класс точности) гарантированную минимальную ширину проводников и зазор ними (вообще между металлизацией, т.е. гальванически разными цепями) не 0,25 мм (как при меди в 35 мкм), а 0,20 мм. Но при этом следует помнить, что при перегреве места спая тонкая медь на маленькой КП может и отклеиться от подложки. Разного рода «экзотику» предлагают зарубежные изготовители печатных плат (более 4-х слоев, толщина/зазор=0,1/0,1 мм, даже разные цвета масок и т.д.). Платы 5-го класса точности, естественно, будут стоить еще дороже, как и вообще платы изготовленные не вами.

 

Выключатель (отечественный, типа Т1) и выводные светодиоды (Ø 3 х 5 мм) устанавливаются, соответственно, на заднюю и переднюю стенки корпуса. Светодиоды выбраны диффузионные (т.е. цветные, а не прозрачные сверх яркие), имеющие угол обзора 60°.

 

Помните, что органы управления и индикации должны быть удобны при работе с устройством, особенно, когда: требуется быстрота действий, слабое освещение, монотонность в ответственной работе и т.д. Очень желательно избегать двойного назначения, например, кнопок управления. Должно быть так: одна кнопка – одно конкретное действие. Если получается много кнопок, то они должны быть разными по виду, чтобы человек (оператор, диспетчер) не нажал «не ту кнопку». Кнопки должны быть нажимаемыми, возможно, и в сильный мороз, поэтому должны иметь размеры «не менее» чем, а не «не более» чем. Например, для многих немолодых уже людей, сотовый телефон нужен в качестве именно телефона, а не в качестве «ста встроенных в него функций», которыми капиталистически настроенный изготовитель (с целой армией рекламных агентов) «держится» на рынке.

 

Предохранитель (Ø 5 х 20 мм) изолируют на проводе в кусочке термоусадочной трубки.

 

Термоусадку лучше брать низкотемпературную (на ней нанесена маркировка), т.к. ее можно усаживать теплом от жала паяльника. Обычная термоусадка, при нагреве, уменьшается в диаметре в 2 раза.

 

Конечно, лучше для этого применить недорогой специальный фен, дающий горячую воздушную струю нужной температуры (более 120 °С) и интенсивности. Но помните, что горячий воздух нагревает провода, поэтому применяйте провода с термостойкой изоляцией, т.к. нетермостойкая изоляция может расплавиться, что может вызвать короткое замыкание, например, в косе из таких проводов. Также такая изоляция при нагреве слезает с медной жилы провода, особенно в месте его изгиба.

 

Трансформатор крепится на винт к верхней крышке корпуса, а плата устанавливается на 3-4 упора, приклеенные к корпусу, и крепится саморезами.

 

Стоит заметить, что конструкцию желательно проектировать собираемую (человеком) и ремонтно-пригодную. Это снизит трудоемкость и технологические требования при сборке устройства и продлит срок его службы на многие десятки лет.

 

Корпус изготавливают из фанеры толщиной 6 мм.

 

Замечу, что корпус из дерева в десятки раз дешевле (это особенно заметно при больших размерах корпуса, более 300 мм) пластмассового, надежнее, кроме того, вы можете сделать его нужного вам размера и конструкции:

1. подставку для паяльника делают, приклеив (справа к верхней крышке корпуса) два деревянных брусочка с полукруглыми вырезами радиусом 10 мм и 15 мм (этот с упором из тонкой деревянной пластинки, для упора паяльника);
2. крепление пластмассовой крышечки (например, от пластиковой баночки из-под витаминов, диаметром 40 мм) под губку (слева) делают, приклеив два деревянных брусочка с вырезами в четверть круга;
3. после склейки и маркировки всю конструкцию снаружи покрывают лаком;
4. для крепления печатной платы и нижней крышки корпуса, внутри корпуса приклеивают кусочки дерева (или фанеры) нужного размера.

 

В процессе (итерационном) разработки конструкции, расположение крупных деталей на плате, трассировку критических связей, геометрию корпуса, дополнительные требования к деталям (например, работа в разряженном воздухе (выше 5 км) снизит реальные рабочие напряжения деталей) и к устройству в целом (например, потребуется влагозащита, виброустойчивось) – все это взаимоувязывают с ТЗ, техническими и технологическими возможностями реализации и получают эскизный проект устройства, который, вероятно, будет еще несколько раз меняться.

 

 

 

Работа устройства

 

Блок управления паяльником включают сетевым выключателем с надписью «Вкл» вверх на задней стенке корпуса, при этом на передней панели загорается зеленый индикатор с надписью «Сеть». Регулировочную ручку устанавливают на основную риску на корпусе, соответствующую 270 °С, и паяльник (холодный) включается и начинает нагреваться, при этом загорается красный индикатор «Нагрев». Нагревшись до заданной температуры примерно через 1 минуту (при комнатной окружающей температуре) паяльник отключается, при этом красный индикатор гаснет. В дальнейшем паяльник периодически (через полминуты) подогревается, включаясь на несколько секунд (зависит от интенсивности пайки и окружающей температуры). Пайку производят нагретым паяльником при погасшем красном индикаторе, либо при установке температуры чуть выше заданной, т.к. температура жала паяльника изменяется в небольших пределах (есть небольшой гистерезис).

 

 

 

Монтаж и сборка

 

1. Так как при пайке флюс всегда капает и липнет, то пайку производят на чистом листе бумаги (А4). Монтаж (сборку) печатной платы (точнее, электронного модуля на печатной плате) производят по монтажной схеме. Резисторы R4 и R6 не устанавливаем.

 

При промышленном изготовлении печатной платы, ее желательно покрывать (слои металлизации) защитной маской. Это будет удобно для монтажа платы человеком, а при машинной сборке наличие маски обязательно. При конденсации влаги на плате с паяльной маской, количество потенциально возможных коротких замыканий, естественно, будет меньше, чем, если бы маски не было. Полную влагозащиту дает покрытие платы лаком (компаундом).

 

Для получения монтажной схемы (в программах по разводке плат) контуры всех деталей (по их установочным размерам), а также контуры самой платы, крепежные отверстия, порядковые номера и номиналы (названия) деталей и другую необходимую информацию располагают в слоях AST и ASB (от слова ассемблер, или сборка, соответственно, верхнего слоя TOP и нижнего слоя BOT печатной платы).

 

 

При серийном производстве для монтажа планарных компонентов с одной стороны платы применяют специальные позиционирующие программно-управляемые машины, для работы которых понадобится информация о координатах центра и угле поворота (эта информация выводится в текстовый файл по команде) устанавливаемых планарных компонентов, которые сами должны предоставляться в производственной упаковке (в бобинах и поддонах). Перед установкой деталей, на КП через металлические трафареты наносят паяльную пасту. Трафареты делают с помощью лазерной резки или химическим способом с помощью фотошаблона, а в качестве рисунка трафарета берут слои металлизации без разводки, где есть графика только КП планарных компонентов (т.е. гербер-файл планарных КП). Далее плату, с установленными на ней компонентами, помещают в паяльную печь, где припой, из газовой фазы, осаждается на пасту.

 

Стоит заметить, что для успешной пайки в печи (когда все выводы припаялись к своим КП, а не остались висеть в воздухе), все выводы деталей должны одинаково касаться металлизации на плате. Например, при покрытии платы ПОС (горячее лужение) получаются неровности на КП, которые нежелательны, т.к. в печке припой растечется по КП и вывод детали, приподнятый им ранее, останется висеть неприпаянный в воздухе (из фазы осаждается припоя очень немного). Поэтому, для плат, идущих под автоматический монтаж, в качестве «финишного» (внешнего) покрытия КП применяют (желательно) золочение.

 

Для распознавания «начала» текущей платы оптикой станка (при установки на нее компонентов), на каждой плате должны быть нанесены два маркера-точки (диаметром 1 мм открытые от маски при золочении и скрытые – при покрытии ПОС) с максимальным расхождением друг от друга по вертикали и горизонтали (расстояние от маркера до края платы и любой металлизации, надписей должно быть не менее 10 мм). Таких одинаковых плат может быть несколько, объединенных в одну мультиплату, которую зажимают в рабочем поле станка (размер поля, например, 200 х 200 мм). В любом случае для прижима платы (мультиплаты), она должна иметь размеры «не менее чем».

 

При машинном монтаже платы в печи обязательно (при ручной пайке тоже желательно) иметь правильно рассчитанные прямоугольные контактные площадки. При неправильных геометрических размерах, может произойти, например, перетягивание припоем корпуса детали. Например, если КП корпуса 0603 (легкий корпус) разные, то (при пайке в печи) к большей КП корпус будет припаян, а у меньшей КП – может оказаться висящим в воздухе. При длинных КП, могут появиться наплывы припоем типа «крыло ласточки», при коротких – отклеивание металлизации при перегреве КП. Размеры корпусов (в том числе планарных) и их посадочные места (на печатную плату) стандартизованы (например, стандарт JEDEC), их можно найти, например, в справочных программах, изготовители ИМС также предоставляют эту информацию.

 

2. Для монтажа на печатной плате слаботочных перемычек (со стороны печатных проводников) используют медный эмалированный одножильный провод диаметром, например, 0,3 мм. Изоляция с его концов снимается (сгорает) в капле свежего припоя с флюсом на жале паяльника.

 

При промышленном изготовлении модулей на односторонних печатных платах (ОПП) для этого используют детали-перемычки нужной длины, а для SMD-перемычек (например, для жесткого выбора настроек системы) – резисторы с сопротивление 0 ом.

 

 

3. После монтажа деталей на плате, очистите ее с помощью обычной зубной щетки, смоченной в этиловом спирте. Грязную и липкую от флюса щетку периодически чистите о ветошь (хлопковую ткань), смоченную в спирте. Визуально проверьте печатный модуль на замыкания, особенно у выводов ИМС (т.к. припой может скатываться в маленькие шарики).

 

Помните: грязь – это не только неэстетично, но она снижает поверхностное сопротивление подложки платы (возможно, появятся утечки тока, паразитные связи на высоких частотах).

 

При большом количестве спаянных (особенно вручную) плат для их очистки можно применить ультразвуковые ванны со специальным чистящим раствором. При такой чистке, плата не должна быть очень грязной, когда на ней много вытекшего и затвердевшего флюса. Также не стоит забывать о недопустимости помещения в раствор деталей, не допускающих мойку (негерметичных, например, ЖК-дисплеев), поэтому монтаж таких деталей производят после мойки. Чистящий раствор (по мере загрязнения) необходимо менять, поэтому (для продления срока службы раствора) предварительную очистку плат осуществляют щеткой и спиртом.

 

4. Для монтажа выносных светодиодов и подстроечного резистора можно взять гибкий шлейф с шагом 2,54 мм. К безвыводному предохранителю припаивают (ставят повышенную температуру и операцию делают быстро) один гибкий провод (например, отрезок провода от сетевого кабеля) другой от трансформатора.

Выводы подстроечного резистора R5 подключаем к общему проводу схемы и шине +5 в. Чтобы временно управлять затвором транзистора ключа вручную, используем простой переключатель «0 в» – «откл» – «+5 в», сделанный из трех контактов однорядного штыревого разъема типа PLS с шагом 2,54 мм, перемычки (джампера) и отрезка гибкого шлейфа.

 

Для удобства последующего монтажа, не забывайте о запасе длины проводов.

 

Чтобы не повредить токоведущие жилы проводов используют простую механическую нож-зачистку с полукруглыми отверстиями подходящих диаметров.

 

При большом количестве одинаковых проводов производят их обязательную маркировку (в соответствии с монтажной схемой устройства) с обоих концов, надевая на них подписанные заранее кусочки гибкой ПВХ (поливинилхлоридной) трубки. Провода для пайки к плате не только вставляют в отверстия, а механически закрепляют: изгиб провода всегда должен приходиться в месте, где на нем есть амортизирующая изоляция. Шлейф можно закрепить под общий прижим из припаянной к плате толстой проволоки, а для отдельного провода использовать еще одно отверстие в плате для механического крепления (это отверстие можно сделать общим для нескольких таких проводов). Для выносных выводных элементов наличие амортизирующего (и изолирующего тоже) кембрика на соединении вывод-провод обязательно.

 

Для понимания (визуального объемного восприятия) конструкции печатного модуля (например, другими людьми), а также при проектировании устройства в целом, особенно в сложном (по геометрии) корпусе, необходим сборочный чертеж печатного модуля (для этого можно использовать и программы объемного моделирования, например, SolidWorks). На сборочном чертеже печатного модуля, показывают основные (крупные, критические детали, а маленькие (SMD) показывают просто общим пунктиром) детали, крепежные отверстия. Для сборки печатного модуля, в принципе, будет достаточно одной «монтажки».

 

5. Зачистку окислившихся контактов выводных деталей делают обычной канцелярской стирательной резинкой (красно-синей).

6. Для электробезопасности на оголенные выводы навесных деталей (особенно, где есть высокое напряжение, более 50 в) надевают термоусадку нужного диаметра и длины и усаживают. Для надежного механического крепления и амортизации провода, кембрик из термоусадки или ПВХ должен находить на изоляцию провода на 5-10 мм.

7. Светодиоды плотно вставляют в отверстия и приклеивают (можно на силикон, клеевым пистолетом).

 

Помните, что силикон должен быть хорошо нагрет. На этот «клей» можно «сажать» легкие детали. Охлаждаясь, силикон опять быстро твердеет. При приклеивании к гладким поверхностям (из пластмассы) в условиях отрицательных температур может произойти отклеивание. Поэтому применяют, хотя и медленно сохнущие (полимеризующиеся) клеи, но обеспечивающие надежность радиоаппаратуры (механически- и температурно-устойчивые).

 

8. Чтобы провода не вылезали из корпуса, на них делают утолщения из десятка витков обычной, например, белой нитки типа 45 ЛЛ (лавсан-лавсан), прихваченной клеем, например, спиртовым БФ-6 (медицинским).

 

Помните, что бандаж для проводов из десятка витков обычной нитки, пропитанной клеем, намного надежнее габаритных и высыхающих (теряющих прочность) пластмассовых стяжек. Там где много проводов (блоки, стойки) провода вяжут в жгуты прочной ниткой, обеспечивающей не только механическую прочность, но и технологическое удобство, эстетичность самого монтажа таких «кос из проводов» (что не скажешь о «быстрых» пластиковых стяжках).

 

9. Сетевой провод берут нужной длины (1-2 м) типа ШВВП 2 х 0,5 мм², вилку сетевую –  на 250 в 2,5 а.

Не забывайте облуживать концы провода в крепление под винт. Это проще и надежнее использования новомодных алюминиевых наконечников, для обжима которых желательно использовать соответствующий инструмент.

 

Не забывайте надежно закреплять провод за изоляцию в сетевых вилках (используйте бандаж из куска внешней ПВХ изоляции самого кабеля).

 

10. Отверстие под провод паяльника делают диаметром 5 мм, под сетевой – прямоугольно-скругленное, полученное из соединения двух отверстий диаметром 3 мм.

 

Не забывайте снимать фаску с острых краев у отверстий для проводов (сгладить можно и наждачкой). При необходимости утолщите изоляцию провода, закрепив на месте изгиба отрезок ПВХ трубки.

 

11. Чтобы резиновая трубка на ручке паяльника постоянно не съезжала, закрепите ее ниткой и проклейте.

12. Плату правильно расположить выводными деталями вверх, чтобы тепло от них не грело плату.

 

Стоит отметить тот факт, что при внесении платы (вообще чего-либо) с мороза (улицы) в тепло (комнату), на ней будет образовываться конденсат (капельки воды из окружающего воздуха). Поэтому электронику термостатируют в корпусе. Если это бескорпусный модуль, то его покрывают слоем лака (компаундом) на эпоксидной основе. Компаунд наносят кистью на вымытую от флюса и грязи плату так, чтобы не образовывалось пузырей, непрокрашенных мест, подтеков, затем сушат в нагретой (50 °С) печке около суток. Понятно, что ремонтопригодность такого модуля несколько снизится, зато возрастет влагозащита.

 

В данном случае, плату можно покрыть бесцветным цапон-лаком (он сохнет около часа) после проведения всех технологических операций (настройки).

 

При необходимости охлаждения детали (например, в корпусе ТО-220), корпус крепят на винт М3, с применением изолирующей шайбы и теплопроводящей подложки (из силикона), к алюминиевому радиатору, вынесенному за пределы корпуса (естественное охлаждение). Если нет необходимости в гальванической развязке (например, радиатор расположен внутри корпуса устройства), то деталь крепят к радиатору напрямую, но используя при этом теплопроводящую пасту (КПТ-8), уменьшающую температурное сопротивление такого «жесткого» механического контакта). Радиаторы обычно применяю пластинчатые (лучше черненые, которые, как любое абсолютно черное тело, хорошо излучают энергию). Если радиатор устанавливается внутри корпуса, то, при необходимости, делают принудительное охлаждение (применяя вентиляторы на 5, 12, 24 в со встроенной транзисторной схемой управления), в любом случае корпус делают с вентиляционными отверстиями (в нужных местах для эффективного отвода тепла). Тепло должно именно отводиться, а не греть при этом детали устройства. Для этого оценивают возможные пути движения воздушного потока, например, пластинчатые радиаторы на задней стенке корпуса располагают вертикально при естественном охлаждении (по ходу воздушного потока) для уменьшения теплового сопротивления радиатор-среда.

 

 

 

Измерительный прибор

 

Для проверки напряжений и подбора сопротивлений резисторов здесь понадобится электрический тестер постоянного и переменного тока (самый недорогой). Подойдет как аналоговый стрелочный (с «зайчиком»), так и 3-х разрядный цифровой (он с обязательным питанием от батарейки). В любом случае, если вы будете постоянно пользоваться тестером, то правильно будет  заменить батарейку на аккумулятор, который будет стоить всего лишь в несколько раз дороже, а заменит сотню таких батареек.

 

Помните, что любой разряженный аккумулятор (NiMn, NiCd, Li-Ion) емкостью сотни ма·ч всегда просто зарядить током около 10 % от номинального с помощью резистора и источника постоянного напряжения в течение примерно 12 часов, при этом нагрев аккумулятора будет свидетельствовать о конце зарядки. Ток может быть и плавно уменьшающийся в процессе зарядки от 15 % до 5 % (при близких значениях напряжениях источника питания и аккумулятора, что, кстати, не потребует мощного резистора).

 

При пользовании стрелочным прибором необходимо помнить, что его входное сопротивление будет очень небольшим, около десятка ком. Это не даст возможность измерять напряжения в  высокоомных цепях. А при измерении сопротивлений, нужно не только устанавливать стрелку на «0» подстроечником, но и чистить электрический контакт в нем и переключателе диапазонов (для этого просто несколько раз покрутите их).

 

Помните, что при большом количестве контролируемых приборов с точки зрения удобства,  быстроты восприятия и анализа информации цифровая индикация уступает место аналоговой. Стоит заметить тот факт, что аналоговые устройства в большинстве случаев проще и надежнее, чем избыточные по количеству интегральных деталей цифровые контроллеры, которые без прошивки управляющей программы во flash-память или прошивки в память EEPROM (электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)), особенно внешнюю, являются просто нагрузкой источника питания. Так же стоит помнить о возможных ошибках, встречающихся в микроконтроллерах (МК), – это вызывает сбой при правильно написанной и откомпилированной программе (эти ошибки описаны изготовителем для уже выпущенных серий и находятся постепенно). А также об ошибках, встречающихся в компиляторах, которые вполне могут транслировать две разные команды одним и тем же кодом (эти ошибки находятся вообще случайно). И, конечно же, об ошибках в самих программах, которые для МК в основном пишут на языке С, часто без использования блок-схем (эти ошибки ищутся с трудом).

 

В аналоговой технике можно припомнить разве что защелкивание ОУ, да и то в прошлом. Правда, стоит учитывать факт старения деталей – изменение их параметров, например, номинальных значений емкости, внутреннего сопротивления и рабочего напряжения электролитического конденсатора, а также ошибки в схемах (по аналогии с программами). В любом случае, аналоговое устройство можно собирать без большой и малой ЭВМ (компьютера и МК), а также обязательных программ: операционная система, компилятор, программатор (может встраиваться в компилятор), и сама программа для МК. Компилятор для С, скорее всего, будет платный (бесплатный можно найти для ассемблера, а также программатор) и придется поступить не очень честно. В общем, ситуация с ЭВМ выглядит не сильно благополучной.

 

Также стоит отметить рост интеграции и в аналоговых ИМС, зачастую спровоцированный обычной модой и желанием производителя попасть на рынок, а не заботой о надежности разрабатываемых ИМС и, тем более, о покупателях. Далеко не всегда есть возможность достать пусть даже и не «новинку», а нужное количество нужных ИМС к сроку. Поэтому старайтесь меньше зависеть от современных ИМС, помня, что многие схемы вполне можно реализовать на дискретных компонентах и ИМС, как аналоговых, так и цифровых небольшой степени интеграции (классических). Ведь многое уже давно было изобретено.

 

Для большинства измерений 3-х разрядов (это 3,5 разрядные приборы, т.е. всего 3 разряда, а в старшем – может быть только «1») будет вполне достаточно, а зачастую, хватит и 2-х.

 

Помните, что большинство ваших практических измерений и теоретических расчетов – это только оценка, для которой будет достаточно зачастую 2-х значащих цифр, если дело не касается исследовательской работы. Тем более что в тех же расчетах будут фигурировать лишь номиналы сопротивлений, напряжений, а реально будет отклонение от номинала как минимум в единицы процентов (из-за неточности при изготовлении), а в реальных условиях добавится еще изменение самой физической величины (как правило, из-за температуры).

 

Желательно, чтобы концы щупов любого измерительного прибора имели покрытие (не окислялись).

 

Стоит заметить, что соотношение качество/цена (фактически, те возможности, которые вам вообще когда-либо понадобятся) дорогих приборов (вообще оборудования) сильно нелинейно. Поэтому выбирайте «линейный участок», зная, что очень многие вещи можно сделать, имея желание, элементарный инструмент и находчивость.

 

 

 

Настройка

 

При настройке воспользуемся аналоговым прибором с ценой деления 0,2 в, 1 в и 0,5 ком.

 

1. Отключаем нагреватель паяльника от питания, замыкая затвор транзистора VT1 (выв. 1) на общий провод схемы.

 

Временно управлять затвором транзистора ключа вручную можно, используя простой переключатель «0 в» – «откл» – «+5 в», сделанный из трех контактов однорядного штыревого разъема типа PLS с шагом 2,54 мм и перемычки (джампера).

 

2. Включаем питание 220 в. Должен загореться зеленый светодиод «Сеть».

3. Проверяем без нагрузки напряжения в контрольных точках схемы: «~18 в», «+24 в» и «+5 в». Получаем ~20 в (норма), +26 в (норма) и +5 в (норма). 26 в получается при отсутствии пульсаций на конденсаторе C5, расчетное значение которых около 6 в (±3 в).

4. Убеждаемся в линейности выходного напряжения ОУ.

 

Смотрим технические характеристики (ТХ) ОУ AD8542: при питании 5 в, температуре 25 °С и выходном вытекающем токе 200 мка выходное напряжение должно быть не менее 7 мв. Т.е. при уменьшении напряжения на входе ОУ его выходное будет постоянным не менее 7 мв, что фактически является падением напряжения на транзисторе, включенном между выходом ОУ и шиной отрицательного питания (выв. 4). Аналогичная ситуация и с транзистором между выходом ОУ и шиной положительного питания (выв. 8). Естественно, это все ориентировочные значения, а линейному участку будет предшествовать зона перехода. Предположим (из практики), что линейный участок у нас начинается со 100 мв.

 

Измеряем напряжение на выв. 1 DA1.1, получилось 0,7 в при холодной термопаре – значит, мы находимся на линейном участке, а так много получилось из-за входного напряжения смещения (далее убедимся, что вклад термопары при 25 °С здесь не более 7 %).

 

В ТХ входное напряжение смещения приводят для тестовой схемы, когда резисторы R1 и R2 подсоединены к общему источнику напряжения 2,5 в, и ОУ – без нагрузки, в том числе и без обратной связи (ОС). Из основной таблицы понимаем, что этот 1 мв – типовое значение, а максимальное может доходить до 7 мв. У нас получилось смещение 0,7 в/100=7 мв.

 

Учтем тот факт, что напряжение смещения стабильно (это самое главное), а оставшегося диапазона выходных напряжений усилителя нам будет предостаточно.

4. Резисторы R4 и R6 не устанавливаем, а выводы подстроечного резистора R5 подключаем к общему проводу схемы и шине +5 в. Уменьшаем напряжение с задатчика температуры до минимума.

 

Помните, что необходимо отключать сетевое питание (как и вообще, обесточить цепи) при монтаже (в том числе, при пайке на плате).

 

5. Подключаем нагреватель, замыкая затвор VT1 на +5 в, при этом загорится красный светодиод «Нагрев». Проверяем при нагрузке напряжение в контрольных точках схемы «~18 в» и «+24 в», получаем ~19 в (норма) и +22 в (норма). Размыкаем затвор VT1 (убираем перемычку вообще).

 

Паяльник за 1 минуту успевает нагреться выше 200 °С,  поэтому для следующей операции ждем пока он остынет. Помните о необходимости делать технические перерывы и подвигаться.

 

6. Медленно увеличиваем напряжение с задатчика температуры (т.к. имеет место небольшой первоначальный перегрев). Как только оно превысит 0,7 в, паяльник включится. Продолжаем увеличивать напряжение и одновременно держим на жале проволоку припоя. Как только припой стал плавиться, останавливаем увеличение напряжения на задатчике и измеряем его. Получилось 1,3 в (аналогичное значение должно быть и на другом входе компаратора).

 

Помните о полярности подключения термопары. Если напряжение на выв. 1 микросхемы DA1.1 уменьшается, то поменяйте местами провода от термопары.

 

Если есть трехразрядный цифровой вольтметр (со шкалой 2 в), то можно определить начальную характеристику термопары. При температуре жала 25 °С получилось 0,68 в, при 60 °С (это когда жало уже трудно удержать в руках) – 0,74 в. Т.о. получаем (0,74 в–0,68 в)/(60 °С–25 °С)=17 мкв/ °С. Если это значение сравнить с дальнейшими исследованиями, то нетрудно догадаться, что характеристика термопары здесь занижена  и нелинейна.

 

7. Определяем характеристику термопары с предположением, что она линейна (нелинейность имеет место ниже 150 °С). Напряжение термопары соответствующее 260 °С равно (1,3 в–0,7 в)/100=6 мв, следовательно, получаем (6 мв/ 260 °С)=23 мкв/ °C.

 

Из более точного исследования приходим, что характеристика термопары в точке 260 °С равна (1,34 в–0,74 в)/[(260 °С–60 °С)*100]=30 мкв/ °С.

 

8. Определяемся с верхним температурным пределом паяльника. Достаточно будет, взять значение 400 °С. Ему будет соответствовать усиленное напряжение термопары равное (400 °С*23 мкв/ °С)*100=0,92 в. Т.о. опорное напряжение для 400°С будет равно 0,7 в+0,92 в=1,62 в.

 

Более точное расчетное значение определим из учета нагрева паяльника на необходимые 400 °С–260 °С=140 °С. Т.о. ему будет соответствовать напряжение 30 мкв/ °С*140 °С=0,52 в, а опорное напряжение при 400 °С будет равно 1,34 в+0,52 в=1,86 в.

 

Далее в расчетах Uмакс=1,86 в.

9. Определяемся с номиналами резисторов R4 и R6 задатчика температуры при известном сопротивлении R5 (с учетом использования всего диапазона изменения подстроечника).

 

Т.к. температуру при монтаже меняют редко или в небольших пределах, то в качестве регулировочного резистора можно использовать подстроечный небольших размеров (а не переменный). В данном случае используется подстроечный резистор СП-4-1 номиналом 2,2 ком. Сопротивление R5 желательно иметь от 1 до 20 ком (для снижения уровня наводок).

 

В данном случае угол поворота подстроечника, в принципе, большого значения не имеет, например, около 270°. Но если есть желание сделать калибровку по температуре, то можно прикинуть, что при полном обороте (электрическом, т.к. механический оборот будет несколько большим) потенциометра в 270°, 1 °С будет соответствовать 0,7° оборота потенциометра (270°/400 °С), т.е. цене деления в 50 °С соответствует 35° оборота ручки, которые вполне различаются глазом при диаметре ручки не менее 10 мм. Диаметр ручки выбирают таким образом, чтобы надписи (читаемой высоты) стояли рядом с соответствующими короткими рисками и не сливались в «кашу» (если нет места, то деления подписывают через одно).

 

Составляем (по закону Ома) линейную систему из 3-х уравнений с 3-мя неизвестными (R5 известно), решая которую приходим к следующим соотношениям:

 

R4*I=Uмин

(R4+R5)*I=Uмакс

(R4+R5+R6)*I= Uпит

 

R6=R5*( [Uмин/(Uмакс–Uмин)] * [Uпит/Uмин – 1] –1 )

 

R4=R5*Uмин/(Uмакс–Uмин)

 

Измеряем полное сопротивление R5. Для выбранного подстроечника R5=2,2 ком, при взятом ОУ Uмин=0,7 в, при взятом паяльнике Uмакс=1,86 в, при взятом напряжении питания Uпит=5 в получаем, что R4=2,2 ком*0,7 в/(1,86 в–0,7 в)=1,33 ком и R6=2,2 ком*( [0,7 в/(1,86 в–0,7 в)] * [5 в/0,7 в – 1] – 1)=5,96 ком. Выбираем резисторы ближайшего номинала, т.о. ±1 % (±5 %) R4=1,33 (1,3) ком и R6=5,9 (6,2) ком.

 

Помним, что напряжению ±0,05 в на входе компаратора будет соответствовать ±17 °С (0,05 в/[100*30 мкв/ °C]) температурного диапазона. Это будет определять точность установки диапазона в ±4,2 % (0,05 в/[1,86 в–0,7 в]) и потребует точности резисторов ±2,1 % (±4,2 %/2) (в данном случае, подойдут и ±1 % (F) и ±5 % (J) резисторы размера 1206).

 

10. Впаиваем резисторы R4 и R6 на плату и делаем проверку: измеряем напряжения на делителе, и, исходя из них, определяем полученный температурный диапазон паяльника.

 

Если необходимо, можно подкорректировать номиналы. Но главное в другом – температура паяльника должна доходить до 300-350 °С, необходимых при монтаже крупных деталей и демонтаже, но не превышать максимум – 400-420 °С (как с точки зрения данной конструкции нагревателя, так и с точки зрения практики монтажа и техники безопасности).

 

Нижняя граница температурного диапазона паяльника может начинаться и не с самого начала при кручении подстроечника. Ее можно сделать и со 150 °С, сделав дополнительное смещение на компараторе: к собственному смещению ОУ прибавить еще напряжение равное (150 °С*23 мкв/ °С)*100=0,35 в и пересчитать номиналы резисторов делителя при Uмин=0,7 в+0,35 в=1,05в. Т.о. диапазон регулируемых температур уменьшится на 150 °С, а точность позиционирования регулировочной ручки увеличится. Т.о., 1 °С теперь будет соответствовать 270°/(400 °С–150 °С)=1,1° поворота подстроечника, т.е. цене деления в 50 °С будет соответствовать не 35°, а 55° оборота ручки. Стоит отметить, что если необходимо паять легкоплавкими припоями: сплавы Вуда (60°С), Розе, то нижнюю границу температурного диапазона лучше не менять.

 

Все измеренные значения полезно будет сравнить с расчетными данными.

Другой настройки схема не требует.

 

 

 

Калибровка

 

1. Регулировочную ручку ставят до упора влево, включают сеть (при остывшем паяльнике). Плавно крутят ручку по часовой стрелке. Как только загорелся индикатор «Нагрев», делают риску на корпусе – это будет минимум температуры;
2. затем медленно крутят ручку дальше на увеличение и одновременно держат на жале проволоку припоя;
3. как только припой начнет плавиться – делают на корпусе метку 260 °С;
4. температура жала, удобная для пайки типовых корпусов (1206, SO, DIP, TQFP), будет немного выше, определите ее сами и поставьте «главную» метку – 270 °С.

 

Задатчик температуры всегда должен быть на ней (если нет необходимости в более высокой температуре).

 

5. выкручивают ручку до упора вправо и ставят риску на корпусе – это максимум температуры.

 

Для тех, кто хочет сделать более точную калибровку (с ценой деления в 20-50 °С), то она делается чисто графическим способом. Для проверки соответствия температурных рисок на корпусе напряжению с задатчика температуры понадобится 3-х разрядный измеритель постоянного тока. Калибровку ниже 150°С лучше не делать ввиду нелинейности термопары.

 

 

 

Маркировка, упаковка

 

Всю маркировку наносят, в данном варианте маркером (от руки), и покрывают слоем лака, чтобы она не стиралась.

 

Помните, что маркировка (надписи) должна быть технически и интуитивно понятной для  человека: выбран (в данном случае) русский язык, грамотные технические сокращения, шрифт (не у всех может быть хорошее зрение) читаемой высоты (минимум 5 мм и максимум 2-3 шрифта), риски, выноски, функционально общие органы управления и индикации должны быть графически объединены. Не злоупотребляйте и количеством цветов (максимум 2-3 цвета постельных тонов).

 

При промышленном производстве рисунок на передние и задние панели приборов наносят либо красками шелкографическим методом, либо применяют пленочные шильды, особенно в сочетании с кнопками, т.е. пленочные клавиатуры (для которых, помимо графики, рисуется разводка схемы подключения кнопок) с гибкими шлейфами для подсоединения к печатному модулю, например, какого-нибудь портативного прибора. Стоит заметить, что клей, наносимый изготовителем на клавиатуру, имеет срок годности. Кнопки на таких клавиатурах могут быть в виде металлических мембран, так и просто пленкой (выпуклой или нет). В последнем случае необходимы воздушные каналы в пленочном «бутерброде», чтобы при нажатии на одну кнопку не срабатывала другая. Стоит отметить, что если вам необходима панель с подсветкой (например, черная панель с белой подсветкой), то световод делают из оргстекла (толщиной около 5 мм), с полной механической обработкой заготовки лазером, а также нанесением надписей по краске тоже лазером (для описанного варианта: лазером по черной, которая просто сгорает, а белая остается). В качестве материала шильда применяют также анодированный алюминий, допускающий лазерную механическую обработку (толщина заготовки до 2 мм) и нанесение графической информации (можно в цвете).

 

 

Т.к. этот паяльник вам может понадобиться не только на рабочем месте, то для его переноски несложно сшить простой чехол на молнии.

 

Раскрой чехла получается совсем несложным, на ваш вкус. А современную простую (два вида шва: прямой и зигзаг) швейную машинку приобрести можно совсем недорого, тем более что сейчас есть большой выбор недорогих прочных синтетических тканей, молний, ниток. В качестве амортизирующей подкладки можно применить синтепон. При промышленном производстве будет необходима упаковка, которая нужна лишь для транспортировки, после чего ее утилизируют. Поэтому для нее применяют обычный гофрированный картон с наклеенной небольшой этикеткой, грамотно и без лишней рекламы, говорящей о товаре и изготовителе (помните, что глупо платить деньги за красивую упаковку и бесконечную рекламу, которая потом пойдет в ведро, а вывоз мусора на свалку также стоит немалых денег).

 

 

 

Рабочее место

 

1. Не забывайте о правильной высоте рабочего стола, стула и хорошего освещения на рабочем месте, особенно необходимого при монтаже маленьких деталей.

 

Поверхность стола желательно иметь светлую (из белого пластика). Неплохо было бы, чтобы над монтажным столом была полка, на которую можно поставить, например, измерительное оборудование, источники питания. Ящики для инструмента, также не помешают. Лучше всего иметь два стола: монтажный и «бумажный», где можно, в том числе, поставить ЭВМ.

 

Для освещения монтажного стола подойдут ртутные газоразрядные лампы, выпускаемые для стандартного патрона Е27 или Е14 мощностью до 25 вт теплого света (цветовая температура 2700 °С). Это не только экономит электроэнергию в 4 раза за те же потраченные средства (срок службы лампы накаливания 1000 ч при стоимости в 14 руб., а ртутной – 10000 ч при стоимости в 140 руб.), но дает желаемое для монтажа мелких деталей освещение. Помните, что для утилизации у населения бесплатно принимают (должны) ртутно-содержащие устройства.

 

2. Контроль пайки удобно делать с помощью маленькой увеличительной лупы «часовщика» (Ø 20 мм 5^х). Ее можно крепить на лице, что особенно удобно при монтаже SMD деталей с шагом выводов 0,65 и 0,5 мм (корпуса TQFP и uSOIC).

3. Не забывайте, что лучше иметь необходимый недорогой инструмент и оборудование, чем мучиться, что-то сделать, без него.

 

Поэтому не экономьте время на изготовление различного рода приспособлений, например, для монтажа («третья рука»), простеньких устройств с необходимым вам, как бы сейчас выразились, набором функций. Не поленитесь сделать их не просто на плате, а по-настоящему (в корпусе), т.к. они понадобятся, скорее всего, не только на вашем рабочем месте.

 

4. Не стоит забывать о порядке на рабочем месте.

 

При необходимости используйте стеллажи с кассами для временного хранения деталей (комплектации).

 

Понадобятся стеллажи и под документацию, возможно, и под некоторую техническую литературу. К сожалению, отечественная техническая, впрочем, как и вообще вся отраслевая литература народного хозяйства: грамотная, практическая, написанная доходчивым русским языком, осталась в далеком прошлом. Такие хорошие и добрые книжки, выпускала, например, до конца 70-х годов типография журнала «Радио», под главной редакцией академика Берга. Практические вещи можно встретить в отечественных изданиях 50-х – 60-х годов. Их авторы, а также замечательные отечественные конструкторы были людьми (большинство их из провинции, например конструктор космических кораблей С.П. Королев) творческими, которые, благодаря реорганизации страны (свержению самовластья знати, богачей и буржуазии, и установлению власти Советов), смогли реализовать свои возможности. Это была эпоха атлантов, требовавшая немалых сил, средств и самоотдачи. После невиданной в нашей стране массовой пропаганды коллективного и частного эгоизма, секса и насилия, закончившейся растаскиванием народного хозяйства Советского Союза его гражданами, таких людей практически не стало. В 70-е годы можно отметить хорошие переводы зарубежных книг (например, по применению ОУ, аналоговой схемотехнике, помехоустойчивости, профессиональным КВ-радиоприемникам, расчету фильтров по номограммам, эргономике). Из современной литературы также можно отметить интересные зарубежные переводы (по проектированию различных  устройств с компьютерным управлением, расчету и конструированию импульсных источников питания, а также есть замечательные справочники по электронике). Из хорошей современной отечественной литературы (которую печатают), можно отметить разве что некоторые описания по какому-нибудь зарубежному МК, которые, в сущности, является переработанным переводом.

 

Удобочитаемую и понятную теоретическую учебную литературу (например, теория электрических цепей, радиотехнические цепи и сигналы, техническая электродинамика и распространение радиоволн и др.) также можно отнести к 70-м годам. Основные теоретико-практические вещи (которые в последствии, к сожалению, ответвились в отдельные дисциплины, что привело к серьезному разрыву общей картины понимания электро-и радиотехники) можно найти в изданной в СССР еще до Великой Отечественной войны книге по радиотехнике, написанной классиком-практиком М. Бонч-Бруевичем.

 

5. Также помните о культуре производства и грамотном ведении технических проектов: от эскизного варианта, к экспериментальному, опытному и мелкосерийному (серийному) варианту.

 

Не ленитесь делать, хотя бы, в эскизах (от руки) конструкторскую документацию на ваши разработки. Помните, что основное в документации – это не слепое подражание ГОСТ, который с трудом можно назвать стандартом (как и государство, он очень много раз менялся и не к лучшему), а удобство (главное – она должна быть стандартна, в смысле единообразна) ее использования людьми на отдельных этапах разработки, производства и эксплуатации.

 

В данной статье взяты старые обозначения единиц измерения физических величин (маленькие буквы) и некоторые обозначения на принципиальной схеме, которые были приняты в 70-е года (пик развития отечественной радиотехники и электроники, как и вообще всего народного хозяйства страны) до повальной и порой глупой машинной (ЭВМ) англо-американизации (обозначения на кириллице до сих пор считаются обозначениями второго сорта). Стоит отметить, что за рубежом немало условных графических обозначений (УГО) элементов используют классического вида (как это было в начале 20-го века, например, для резисторов – в виде пилы, для трансформаторов – обмотки в виде заштрихованных прямоугольников). В конце 70-х годов, на смену «старой гвардии» зачастую стали приходить самовластные, бездарные  разрушители – капиталисты-формалисты. В отечественном ГОСТ – это бесконечные изменения, унификации для повального единообразия, которые зачастую затуманивают смысл УГО, что ведет к менее интуитивно-понятным для отечественного человека схемам. Также это касается и практической для радиотехники (и не только) системы единиц измерения СГС (сантиметр-грамм-секунда), а не формальной СИ (система интернациональная), спешно принятой на заре «перестройки» (мало кто помнит, что дело дошло даже до того, что атмосферное давление стали передавать в паскалях, а не в мм ртутного столба).

 

Помните, что разрабатываемые вами устройства, возможно, будет делать или использовать кто-то еще. Например, на производстве – изготовители печатных плат, столяры (слесари), монтажники, отделы комплектации и сбыта, да и сами заказчики.  Чтобы на производстве устройство получалось именно то, каким вы его задумали, необходимо заранее озаботится о технических возможностях производства (оборудование, инструмент, квалификация работников) и для правильного понимания (людьми и машинами) подготовить эскизные проекты конструкторской (в том числе технологической) и технической (эксплуатационной) документации, в соответствии с общими и частными требованиям. Лучше всего, если вопросы по конструкции, монтажу и сборке вы решите с непосредственными исполнителями, а то и сами попробуете что-то сделать своими руками. А вот вопросы по техническому заданию (ТЗ) лучше решить с непосредственным заказчиком.

 

Стоит заметить, что устройство должно быть удобно именно в использовании человеком. Поэтому уделяйте внимание эргономике: грамотному расположению органов управления и индикации, их внешнему виду и виду самого оборудования.

 

Стоит отметить прекрасный уровень дизайнерского образования в СССР и за рубежом в 60–70-е годы, воплощенный в таких шедеврах форм (как у Леонардо да-Винчи) отечественной авиации: Ту-134, Ту-154, Ми-8; автомобилестроения: «Волга» ГАЗ-24, Раф-977, «Чайка» ГАЗ-13, «Нива» 1977 г., автобусы «Экарус» конца 70-х; железнодорожные пассажирские вагоны завода Аммендорф ГДР, старые вагоны советского метрополитена; атомный ледокол «ЛЕНИН», суда на подводных крыльях «Метеор» и «Ракета»; космические корабли «Союз» (не стоит забывать и о легендах ВОВ, таких как танк Т-34 1942 г., ракетная установка К-13 «Катюша», простых, надежных и бессменных полуторках ГАЗ АА). К сожалению, уровень образования, в том числе и дизайнерского (художественного), современного инженера-конструктора и любителя оставляет желать лучшего. Стоит заметить, что не нужно изобретать велосипед, если есть возможности повторить предыдущие шедевры, возможно, что-то в них и заменив (для снижения расхода электроэнергии, топлива, т.е. для повышения КПД, снижения стоимости, трудоемкости и т.д.). Это настоящие и, самое главное, реально выполнимые практические задачи. Но т.к. их не хотят решать, то создают новое, очень далекое от совершенства, менее надежное и долговечное (ведь те задачи так и не были решены, либо «заменяют шило на мыло»), зачастую менее удобное и стоящее колоссальных затрат, которые оплачиваются из карманов загипнотизированных покупателей (которых уверяют, что этот «выкидыш мирового гиганта» – суперновинка). Например, ситуация с операционными системами «Окна», которые по мере роста технических возможностей ЭВМ (электронно-вычислительных машин), требовали все больше и больше ресурсов, т.к. был неоправданный рост новых требований к системе (лишние «возможности», которые наплодили много-много разных и ненужных связей; а ведь без них обходились в классической, дисковой операционной системе DOS), так и решение реальных задач было сведено в пользу лени.

 

Не забывайте об удобочитаемой и интуитивно понятной, а также износоустойчивой (возможно, будет достаточно пройтись по ней прозрачным лаком) маркировке (надписях). Обязательно учитывайте, при разработке, реальные условия эксплуатации оборудования (например, может потребоваться принудительное охлаждение, а если у вас стойки с оборудованием, то понадобятся механически прочные соединительные разъемы и кабели).

 

Чтобы разработанное вами оборудование работало долго и надежно (имело срок службы не менее 15-20 лет), то (с точки зрения эксплуатации и ремонта) устройство должно быть простым и понятным по его функционированию, а также ремонтно-пригодным. Поэтому не усложняйте принципиальную схему «возможностями» (которые, скорее всего, мало кому будут действительно нужны и потребуют только затрат) и применяйте в устройствах детали, которые можно будет найти в продаже (будут выпускаться заводами) и через 20 лет.

 

Не стоит перегружать проектируемое устройство и массой требований, как бы сейчас выразились: «для удобства пользования человеком». Это, как правило, ведет к деградации технического и, вообще, интеллектуального развития и осознания человека, а также является причиной таких заболеваний, как лень и сильнейшая зависимость, ведущая к неспособности людей решить порой элементарную задачу. Помните, что только социалистический труд (а не работа, т.к. это и разнокоренные слова русского языка, и слова, имеющие разное лексическое значение) делает человека свободным. Большинство людей не помнят о поставленной перед ними изначальной задаче: человек должен учиться, учиться и еще раз учиться. К сожалению, капиталистические процессы, происходящие в обществе (описанные еще в 19-ом веке К. Марксом в «Манифесте коммунистической партии»), сильно определили и техническую сторону людей, и сами технические устройства (машины). Поэтому человек забыл, что вечно он жить не будет (такова диалектика – без ограничений нет развития осознания, а только эгоизм, рефлексия и безволие), также как и материального (деньги) на «тот свет» он ничего не возьмет. Современный человек, как правило, имеет очень низкую техническую (и не только) культуру (пусть даже он суперпрограммист  С++), но вполне достаточную, чтобы быть «маленьким винтиком» в «большой машине» капиталистического процесса производства-потребления. Буржуазная массовая пропаганда того, что человек человеку – волк, а машина (желательно дорогая) человеку – друг, является ложью. Старайтесь конструировать полезные именно для человека устройства (пусть они станут для него верными помощниками и  «лекарством против страха»): чтобы машина была для человека, а не человек – для машины. Помните, что человек может делать очень многие (даже фантастические) вещи, которые, по мере его взросления, просто не имеют практического развития, т.к. представляют опасность для эгоцентричного капиталистически-миллитаристически настроенного глобального киндер-сообщества (Kinder – ребенок (с нем.), т.е. это общество с низким уровнем собственного осознания бытия). Поэтому делайте аппаратуру такой, какой вы ее видите интуитивно, а не гонитесь за модой, рынком, рекламой и выгодой (ведь можно быть как все, а можно быть и лучше). Помните, что от «добра – добра не ищут» (русские пословицы и поговорки) и что «добро остается добром, в прошлом, в будущем и в настоящем» (Вл. Высоцкий).

 

Помните, что хорошей вещи не нужна реклама и сертификация. А вот полная конструкторская документация на каждый печатный модуль, блок, стойку, весь комплекс (в сборе) не помешает. Это принципиальные электрические схемы, монтажные схемы и сборочные чертежи (в том числе и на печатные модули); на все необходимо сделать спецификации (в удобном для вас виде), а также производственные технологические карты для технологической документации. Вы готовите документацию на электронную часть, электрику, частично руководство по эксплуатации, а по корпусам, стойкам, механическим конструкциям документацию готовит конструктор по механике (часто используется программа AutoCAD). Неплохо было бы, чтобы чертежи несложных механических конструкций вы делали сами.

 

Технологическая документация будет включать в себя, например, информацию по изготовлению печатного модуля: для изготовления печатной платы (гербер-файлы фотошаблонов и файл сверловки), для автоматического монтажа печатного модуля (файл координатных центров и углов планарных деталей, гербер-файл трафарета), например из пакета программ OrCAD – Layout. Для изготовления передних панелей и нанесении на них маркировки – электронная информация (собственно сам рисунок) требуемого цветового формата из графических редакторов, поддерживающих векторную графику (Corel). Если вы используете контроллеры, то также добавится информация прошивок и исходные тексты программ для микро-ЭВМ, с обязательными блок-схемами и пояснительной запиской.

 

 

Техника безопасности

 

Всю пайку можно осуществить обычным паяльником 40 вт 220 в, который желательно отключать от сети, особенно при пайке микросхем и транзистора, либо монтаж на плате сделать тем же паяльником с термопарой, периодически подключая его к трансформатору.

 

Не забывайте о хорошем соединении общих проводов совместно используемых устройств («заземление» корпусов), особенно при работе с чувствительными к статическому (и любому другому) электричеству полупроводниками, например полевыми транзисторами (проанализируйте величины потенциально возможных токов, например, в цепи «жало паяльника – ИМС – рука»).

 

Обязательно необходима антистатическая одежда (обычный белый хлопковый халат, обувь), можно использовать заземление монтажника, естественно, через сопротивление (антистатический браслет).

 

Помните, что токи более 50 ма могут для вас закончится печально. При высоком напряжении (220 в) человеческое тело можно заменить эквивалентным сопротивлением в 1 ком. При таком «пробивном» (для биологических тканей) напряжении, токи в несколько ма обязательно чувствуются, но не смертельны. Поэтому сопротивление антистатического браслета должно быть не менее полусотни ком. Хорошее заземление и резиновый коврик тоже никогда не помешают.

 

 

 

Меры предосторожности

 

Не забывайте проветривать помещение после работ с растворителем (особенно 646), клеем, лаком, хлорным железом, флюсом, свинцом, а также мыть с мылом руки и лицо.

 

Помните, что хорошая вентиляция при пайке, а так же, особенно, при лакокрасочных работах, никогда не помешает. Для производства лучше иметь как минимум три отдельных помещения: монтажное, слесарно-столярное и покрасочное.

 

Не забывайте о необходимой спецодежде (халат, защитные очки, маска) для слесарных и покрасочных работ, а также о мерах предосторожности с острым, режущим, вращающимся инструментом, который должен быть исправен. Стоит напомнить, что освещение у станков с вращающимися деталями должно иметь постоянную величину, т.е. применяют лампы накаливания, а не «моргающие» с частотой 50 гц газоразрядные лампы дневного света, т.к. с последними, вы визуально можете и не определить – вращается вал станка или нет.

 

 

 

 

Мастеру-конструктору

 

 

 

О принципиальной схеме (пояснительная записка)

 

Все узлы блока управления собраны по типовым схемам.

 

Помните, что идеальный вариант в каждом конкретном случае получается из нужной комбинации обычных (типовых по принципу работы) вещей (разработанных ранее схем, возможно еще в 50–60-е годы) переложенных на настоящий момент. Для этого надо, всего лишь, увидеть их необычные (нетривиальные) способности (особенности применения, с учетом современной элементной базы кремниевых полупроводников и планарных технологий).

 

Питание нагревателя паяльника осуществляется от источника питания с нестабилизированным напряжением 24 в. Трансформатор Тр1 выбираем тороидальный, типа ТТП с выходной номинальной мощностью 50 ва. Небольшой (Ø 80 х 35 мм) ТТП практически не греется, как на холостом ходу, так и при данной (периодической) нагрузке. Т.к. в схеме применен мостовой выпрямитель, то Uном.вых.тр1 =(24 в + 2 в {падение напряжение на двух диодах моста})/ √2=18,3 в. В качестве Тр1 выбран ТТП-50 220 в/18 в 2,8 а.

Мост выбираем по прямому току не менее 2,5 а, максимальное обратное напряжение диодов моста равно выходному напряжению Тр1. В качестве VD1 выбран мост BR310 (16 х 16 х 7 мм) на 3 а 1000 в, который вполне выдерживает без радиатора минутный прогрев паяльника при включении. Мост рассеивает (1+1) в*2 а=4 вт, а в процессе работы около 4 вт*20 %=0,8 вт, поэтому оставляем длину выводов от корпуса не менее 1 см и делаем КП на плате не менее 12 х 12 мм (для отвода тепла).

Выбираем емкость конденсатора С5 из расчета, что напряжение пульсаций (100 гц) на С5 около 20%. Используя соотношение для конденсатора i=Cdu/dt, получаем С(мкф)=Iвых(ма)*50/Uвых(в)=2000*50/24=4200 мкф. В качестве С5 был взят алюминиевый электролитический конденсатор ECR 3300 мкф ±20% 50 в (с аксиальным расположением выводов), при этом расчетное значение пульсаций составит около 6 в (±3 в). С учетом снижения рабочего напряжения такого конденсатора при старении, а также возможном превышении сетевого напряжения на 20%, правильнее брать конденсаторы не на 35 в, а на 50 в, т.к. Uc5макс=(24 в+3 в {пульсации})*1,2=32 в.

 

Уровень сетевого напряжения в течение дня обычно меняется в допустимых пределах ±10%, что, возможно, окажет влияние на получаемые в каждом конкретном случае (время, местности) значения напряжения. Также не стоит забывать, что сетевое напряжение может быть ±20%, например, при перекосе фаз, а также что оно может быть источником нано- и микросекундных импульсных помех (тестовые пачки импульсов 1 кв для нано- и 0,5 кв для микросекундных помех), как, впрочем, оно вообще может пропадать на несколько секунд. К стабильности выходного напряжения источника питания на 24 в особых требований не предъявляется. Питание нагревателя от нестабилизированного источника питания будет давать наводки в несколько раз меньшие, чем при питании нагревателя просто пониженным синусоидальным напряжением.

 

Стабилизированное напряжение 5 в необходимо для резистивного задатчика температуры, а также для питания ОУ, поэтому его стабильность должна быть не хуже ±5 мв, что соответствует изменению температуры жала ±1,7°С. Из характеристик стандартной ИМС стабилизатора напряжения 7805 находим, что коэффициент подавления пульсаций частотой 100 гц около 60 дб, т.е. в 1000 раз (10^[60/20]). Т.о. пульсации на резистивном делителе задатчика температуры будут в пределах нормы ±3 мв. Нагрев корпуса ИМС 7805 составит (26 в–5 в)*(8 ма {7805}+3 ма {HL2}+ 1 ма{остальное})=0,25 вт, что вполне допустимо.

 

Применяя ИМС не забываем ставить керамические конденсаторы емкостью 0,1 мкф по питанию на ножки микросхем, что обеспечит их правильную и устойчивую работу в идеальных условиях, а также при наличии присутствующих всегда разрядов статического электричества. Емкость по питанию 10 мкф реализуют или алюминиевыми или танталовыми конденсаторами с необходимым (как минимум 20% при стабилизированном питании) запасом по номинальному рабочему напряжению.

 

Максимальное входное напряжение для ИМС 7805 (т.е. в корпусе ТО-220) – 35 в, что допустимо в данном случае (стоит напомнить, что у аналогичных ИМС в меньших корпусах этот параметр хуже).

 

Решающая схема собрана на сдвоенном дешевом малопотребляющем низкочастотном ОУ на комплементарных (n- и p-канальных) МДП-транзисторах с питанием от 5 в (AD8542AR в корпусе SOIC-8). Стандартный неинвертирующий усилитель с ООС (отрицательной обратной связью) на DA1.1 с коэффициентом усиления напряжения 101 (R3/R1 +1=10 ком/100 ом +1). Цепь С1–R3 определяет снижение коэффициента усиления ОУ в высокочастотной области c частотой среза=1/2πR3C1=1/2π*10 ком*0,1 мкф=160 гц (С1 шунтирует R3), а фильтр НЧ (низкой частоты) R2–C2 ограничивает полосу частот входных сигналов до 16 гц (частота среза=1/2πR2C2=1/2π*10 ком*10 мкф=16 гц), что вполне достаточно для правильной работы устройства. Резистор R2 также ограничивает потенциально возможные токи (выв.3 полевой ИМС DA1.1 соединяется с жалом паяльника через резистор R2).

 

Номиналы здесь могут быть любыми ближайшими и не только (важны отношения номиналов). Резисторы обычно выбирают с точки зрения снижения наводок, т.е. в таких схемах (ИМС, 5 в питания) это от сотни ом до десятков ком. Резисторы в сотни ком и единицы Мом в зависимости от места в схеме будут давать больше наводок, например, от рук. При выборе номинала резистора необходимо не забывать рассчитать мощность, которая на нем будет рассеиваться. Также не забывать, что маломощные резисторы (0,25 вт) в не зависимости от номинала не выдерживают высокого напряжения. Стабильные емкости (для фильтров) реализуют на керамических конденсаторах с диэлектриком NP0 (до десятка нф), менее стабильные на хорошем диэлектрике типа X7R (можно выбирать вплоть до нескольких мкф), а большие емкости (по питанию) реализуют менее точными и стабильными (от температуры, времени, рабочего напряжения) керамическими и электролитическими конденсаторами. Резисторы и конденсаторы применены для поверхностного монтажа (SMD) паяемого человеком размера – 1206 (длина и ширина детали в сотых долях дюйма).

Единственно немного греющийся резистор в схеме – R10 (Pr10=[24 в – 2 в {падение напряжения на красном светодиоде}]^2/r10=484 /10 к=0,05 вт, что допустимо для корпуса 1206 рассчитанного на 0,25 вт).

 

В качестве ключа VT1 выбран силовой МДП-транзистор (с защитным диодом Шоттки) типа IRFZ44N с сопротивлением канала 0,02 ом на ток 49 а напряжением сток-исток 55 в (нагрев корпуса 2²*0,02 ом=0,08 вт). Резистор R8=1 ком необходим при настройке для развязки VT1 от DA1.2, а также для уверенного управления затвором полевого транзистора, имеющего значительную входную емкость около 1500 пф. R9=100 ком необходим для протекания выходного тока ОУ, т.к. входное сопротивление VT1 очень велико.

 

Помните, что для правильной работы ИМС в схеме необходимы минимальные выходные или токи нагрузок. Для 7805 это обязательно несколько ма, которые реализуются потреблением зеленого светодиода (около 3 ма). Также необходимы цепи для протекания входных токов, например, ОУ.

 

Для нормального свечения светодиодов через них необходимо пропустить ток в 3-5 ма.

Выключатель сетевой выбран отечественный типа Т1 на 250 в 3 а, устанавливаемый в отверстие.

 

Помните, что сетевой выключатель должен быть, в том числе, механически надежен, иметь необходимое усилие нажатия (не менее чем), а также иметь различимые угловые положения (наклон не менее чем) для визуального определения включено устройство или нет.

 

Сетевой предохранитель стандартный на 250 в. Т.к. есть некоторый бросок тока при включении, то предохранитель взят на 1 а (а не на расчетные удвоенные 0,5 а=2*50 ва/220 в).

 

Помните, что обычный предохранитель перегорает через 3 секунды после протекания через него номинального (указанного на нем) тока. Т.о., номинальный ток предохранителя должен быть в 2 раза выше рабочего тока (т.е. фактически протекающего через него).

 

Возможно, что схема будет работать и при меньшем количестве деталей, а, возможно, и при большем. Помните: схема должна работать устойчиво в реальных условиях эксплуатации, и каждая деталь должна выполнять свою маленькую функцию, необходимую для работы всего устройства (т.о. выполняется условие «золотой середины» – в нужное время и в нужном месте).

 

 

Разводка платы

 

1. Такие простые схемы можно быстро и легко разводить вручную прямо на плате, тем более что эта плата будет сделана вами, скорее всего, в единственном экземпляре и варианте.

 

Если вы будете делать не одну печатную плату (более нескольких штук), то можно воспользоваться программами для рисования принципиальных схем и разводки печатных плат (например, пакетом программ OrCAD). Для получения фотошаблонов для печатных плат, чертить принципиальную схему, в принципе, не обязательно. Но если схема сложная (более двух десятков связей), то стоит воспользоваться редакторами схем, которые могут дать, в последующем, необходимую информацию для разводки. Это текстовый файл связей (net-лист) со всеми пронумерованными связями и с указаниями номеров выводов деталей, подключенных к этим связям. Эту информацию тоже желательно проверить самому, на всякий случай, а также все связи в процессе разводки платы.

 

Помните, что электронный модуль на печатной плате – это такое же устройство, как резистор, ИМС, т.е. он должен иметь свою техническую документацию (описание: название, назначение, принцип работы, входные и выходные характеристики (например, уровни напряжений), условия эксплуатации; схемы, чертежи).

 

2. Подойдите к разводке творчески, компактно и грамотно расположите детали, нарисовав на бумаге контуры платы. В данном случае, при односторонней печатной плате, SMD детали располагают со стороны меди, а выводные – с другой стороны.

 

Помните, что слаботочный общий вывод термопары подключается прямо к резистору R1, так же как и силовые общие выводы транзистора VT1 и конденсатора С5 подключаются напрямую. Это связано с тем, что медные трассы имеют реальные сопротивления, на которых (особенно при прохождении больших токов) будет падение напряжения, которое, будучи поданным на вход ОУ (из-за гальванически общих сигнальных и силовых цепей), даст ошибку или наводку на выходе ОУ. Поэтому рекомендуется сигнальные и силовые «земли» (планы) объединять только в одной точке, имеющей наименьший импеданс (конденсатор блока питания). А на более сложных схемах силовые и сигнальные «земли» показывают как разные.

 

Для снятия размеров деталей, диаметров выводов используют штангенциркуль с ценой деления 0,05 мм (можно советский). Лучше иметь как чертеж самих деталей (из документации на них), так и не забывать измерить все самому.

 

В программах всю разводку (металлизацию) делают в слоях TOP и BOT (для двусторонней платы, для односторонней, в принципе, по желанию). Защитная маска, реализуемая практически в виде температурно- и механически-прочного с высоким удельным электрическим сопротивлением материала (резиста) (обычно зеленого цвета), получается автоматически в слоях MST и MSB (от слова maska). При создании библиотечного компонента, ее делают на 0,1 мм больше металлизации КП, т.е технологический зазор (обводок), где нет маски, равен 0,1 мм. Это необходимые слои для печатного модуля.

 

Графическую информацию на плату наносят аналогичным резистом, например, белого цвета с отступом от металлизации КП также 0,1 мм. Ее делают методом шелкографии (с минимальной высотой шрифта 1,5 мм и минимальной толщиной линий 0,15 мм) и располагают в слоях SST и SSB (при создании библиотечного компонента). Т.к. монтаж может быть очень «плотным», то все позиционные обозначения могут и не поместиться рядом с соответствующими элементами, поэтому делают выноски. Если учесть при этом малую высоту шрифта, а также наличие монтажной схемы с позиционными обозначениями, номиналами и названиями элементов, то эту графику можно и не делать. А название платы, изготовителя, дату можно расположить в слоях металлизации или маски (последнее менее желательно).

 

Отступ от контура (края) платы (его рисуют толщиной 0,5 мм) слоев металлизации, графики при грубой механической обработке (гильотиной или скрайбированием, т.е. надрезанием с двух сторон платы фрезой с последующим разламыванием подложки, которое лучше делать не в руках, а с использованием прижимов) должен быть не менее 1 мм, при обработке фрезой  – 0,5 мм.

 

Стоит отметить, что при срочном изготовлении печатных плат (около недели) изготовители принимают и мультиплаты, составленные вами из разных плат (проектов), дабы снизить стоимость заказа. Если платы разных геометрических размеров (форм), то они крепятся на мультиплате с помощью перемычек, получаемых фрезеровкой (например, производитель применяет фрезу диаметром 2 мм), расстояние между которыми определяется необходимостью жесткости всей конструкции (мультиплаты), т.е. плата, входящая в такую заготовку, крепится в ней как минимум в 3-4-х точках. Если платы одинаковых прямолинейных размеров, то технологически целесообразно применить обработку скрайбированием. Для правильного понимания вашего заказа, изготовителю печатных плат необходимо еще два гербер-файла: слой фрезеровки (назовите его, например, FRZ) и слой скрайбирования (SKR), где вы нарисуете линии фрезеровки (толщина в данном примере 2 мм) и линии скрайбирования (толщиной 1 мм).

 

Не забывайте о надежном креплении платы и при разводке отводите около 1 см² под одно крепежное место. Определитесь с конфигурацией и размером платы.

 

Помните, что соотношение сторон для платы толщиной 1,5 мм должно быть близким к 1 : 2, а расстояние между крепежными отверстиями – не более 10 см.

 

При компоновке деталей на плате, необходимо учитывать не только требования электромагнитной совместимости частей схемы, но и удобство (вообще возможность) монтажа деталей на плату, в том числе, человеком. Поэтому детали располагают под углами 0° и 90° (для машин; для человека можно расположить деталь и под любым «экзотическим» углом, но это все будет очень неудобно, особенно при большом количестве таких деталей даже при штучном производстве). Схожие по типу, размеру, номиналу детали желательно группировать в ряды, а детали однотипных частей схемы (например, несколько одинаковых усилительных каскадов) располагать одинаково.

 

Не забывайте об установочных допусках на креплении платы, например, под винт М 3 делайте отверстие диаметром 4 мм. Если устройство будет носимое, возимое, то при винтовом креплении платы (для надежности) устанавливайте не просто винт и гайку, а винт и шайбу с одной стороны, а шайбу, шайбу-гровер и гайку с другой, и можете капнуть на резьбу нитрокраской (быстросохнущей), чтобы гайка не скрутилась. Помните: безопасность полетов куется здесь – на земле.

 

 

3. Сделайте эскиз трассировки соединений на бумаге.

 

В системах сквозного проектирования печатных плат создают рабочий файл разводки, используя информацию из: 1) файла шаблона (это информация об  используемых слоях (их тип, свойства, цвет на экране, шаг сетки, минимальные зазоры, параметры переходных отверстий и т.п.), 2) информацию из файла net-листа (связи всех выводов и названия корпусов) и, 3)  естественно, библиотеки с графикой самих корпусов компонентов, указанных в файле связей.

 

Можно воспользоваться подпрограммами по расстановки компонентов и трассировке связей, для этого необходимо задать ЭВМ десяток другой параметров для этих операций, а также промоделировать эти процессы, меняя условия задачи для машины, чтобы получить приемлемый вариант. А можно все это сделать вручную, возможно, что это займет меньше времени. В любом случае, думать и делать все равно придется, т.к. будут критические по расположению компоненты: конденсаторы 0,1 мкф по питанию ИМС, дроссели или индуктивно-содержащие модули (например, DC-DC модули питания), габаритные детали, греющиеся детали, разъемы и т.д.; а также критические по длине связи: от того же конденсатора 0,1 мкф к выводам питания ИМС, обратные связи, особенно высокоомные (например, в ОУ), высокочастотные цепи.

 

Помните: рисунок печатной платы – это такой же элемент схемы, как, например конденсатор емкостью 0,1 мкф, с тем отличием, что на схеме этот конденсатор указан, а рисунок нет. Рисунок на схеме образует дополнительные неучтенные распределенные: сопротивления (удельное сопротивление меди 35 мом/мм²·м, поверхностное сопротивление материала платы), емкости (между двумя трассами на плате образуется емкость) и индуктивности (на высоких частотах их просто делаю самими, но замысловато нарисованными, печатными проводниками). Толщину медной фольги вы знаете, например, 35 мкм, а диэлектрическая проницаемость стеклотекстолита – 4, толщина подложки около 1,5 мм. И, если внимательно присмотреться, то вы обнаружите основные «неучтенные» элементы схемы. Можно даже прикинуть их расчетные значения и понять повлияет ли этот распределенный элемент на работу схемы или нет (в принципе такими расчетами занимаются сами программы по разводке ВЧ и СВЧ плат). Контуры металлизации на плате, например, могут оказаться антеннами. Поэтому старайтесь делать меньше ненужных линий (связей), как на грамотно вычерченной принципиальной схеме. Помните, что индуктивные вещи желательно ставить друг к другу под углом 90° и разносить по плате (например, DC-DC модули питания).

 

4. Сделайте эскиз разводки на плате сначала тонким карандашом (ТМ), а потом обведите водонесмываемым маркером. Краска маркера сразу же высыхает. Маленькие ошибки соскребайте небольшим лезвием, чтобы не разводить грязь. При необходимости используйте тонкую прозрачную линейку: простую короткую или «офицерскую», с отверстиями.

 

 

Толщину линии и зазор при данной технологии берут не менее 0,5-1 мм. Неиспользуемую медь закрашивают, чтобы ее меньше уходило в раствор. Но не делайте «массивных» медных полигонов у выводов деталей, т.к. их потом будет трудно паять, а высокая температура вызовет их перегрев. Обводок у отверстий под выводные детали и внешние провода делайте побольше.

 

Возможно, вы когда-нибудь сделаете себе трафареты для разводки типовых корпусов, аналогичные шрифтовым, которые в Советском Союзе выпускала Всесоюзная фирма грампластинок «Мелодия».

 

Толщину линий (включая минимальный обводок металлизации у отверстия) и зазор между ними (гальванически разными цепям) выбирают обычно 0,25 мм (3-й класс точности). Для подключения КП к медному плану (например, общей цепи схемы) используют термальные барьеры, т.е. КП соединяют с планом через четыре одинаковых медных перемычки, определенной ширины и длины. Для двухсторонних плат переходные (не путать с просто отверстиями под выводы компонента) отверстия (обычно диаметром 0,5 мм с обводком лучше 0,3 мм, т.к. отверстие получается не всегда по центру металлизации из-за технологии изготовления) на плане делают без термального барьера и закрытыми маской. Для снижения переходного сопротивления такого отверстия на высоких частотах, его диаметр берут побольше (например, 1 мм).

 

 

 

Изготовление печатной платы

 

1. Плату выпиливают ножовкой, торцы зашлифовывают (уменьшают пористость материала) наждачной бумагой шероховатостью не ниже 150.

2. Медь очищают канцелярской резинкой до идеального состояния (при необходимости полируют наждачкой 1000) и обезжиривают спиртом.

3. Наносят рисунок, например, водонесмываемым тонким маркером. Желательно, чтобы медь не просвечивала под защитным (стойким к водному раствору хлорного железа) слоем маркера.

 

В домашних условиях изготовления, печатную плату также рисуют в программе-разводчике, где, выбрав команду предварительного просмотра конкретного слоя (естественно металлизации, контур платы располагают тоже в этом слое), делают печать рисунка на лазерном принтере на глянцевую бумагу. Лучше использовать фотобумагу, где запеченный тонер ляжет на слой фотоэмульсии, который скреплен с бумагой желатиновой основой. Стоит помнить, что если вы распечатываете нижний слой металлизации BOT, то в задании условий предпросмотра необходимо указывать пункт «зеркалить». Далее, по контуру рисунка вырезают такой «фотошаблон», совмещают его со стеклотекстолитом, кладя на подготовленную (идеально гладкую, зеркально-блестящую и обезжиренную) медную поверхность. Под низ платы кладут десяток листов обычной бумаги (А4) для теплоизоляции, и столько же сверху на «фотошаблон» – для его хорошего прижима к стеклотекстолиту и для амортизации с основанием небольшого бытового утюга. Утюг нагревают до температуры плавления тонера и «проглаживают» эту неподвижную конструкцию (белая бумага от температуры слегка изменит цвет). Не стоит сильно нагревать стеклотекстолит и двигать конструкцию, т.к. тонер будет растекаться по меди и линии металлизации получатся расплывчатыми, а при малейшем движении конструкции – смазанными. Если так получится и это вас не устроит по параметрам (есть замыкания, зазор недопустимо мал), то придется все переделывать. В течение около 5-10 минут такой «глажки» проверяют – приклеился ли «фотошаблон» к стеклотекстолиту. Если видно, что по периметру бумаги, она вся приклеилась к меди, и время истекло, то утюг выключают, а плату помещают в ванночку с теплой водой на 5-10 минут для разбухания желатина. Стоит отметить, что тонер держится не очень прочно в воде. Фотобумага вся намокнет, появятся пузыри, где она отстала от платы. Концы бумаги тоже начнут немного отставать. Поместив плату под небольшую струю нагретой воды (около 50 °С), бумагу медленно и постепенно снимают, используя давление падающей струи. Таким образом, получают плату с рисунком для дальнейшего травления (при необходимости делают коррекцию рисунка маркером и лезвием).

 

При производстве печатных плат используют фотошаблоны, получаемые с применением гербер-файлов. Гербер-файлы в программах получают по команде, предварительно устанавливая нужные параметры для требуемых слоев: тип Gerber, а для слоев отверстий формат файла сверловки (это координаты отверстий и их диаметры) – Exelon.

При заказе печатных плат вы оплачиваете подготовку производства: фотошаблоны заготовки (т.е. большой) мультиплаты (ее делает конструктор изготовителя, исходя из общего количества заказываемых вами плат (мультиплат) и особенностей имеющегося технологического оборудования), настройку сверлильного станка. Здесь стоит сказать, что на одной заготовке (начиная с мелкосерийного производства) располагают только одинаковые (простые) платы (а не мультиплаты).

 

4. Приготавливают раствор или берут приготовленный ранее. В старый раствор можно добавить немного хлорного железа.

 

В банку (например, 0,2 л) наливают 0,1 л воды и разводят в ней небольшое количество (пол спичечного коробка) хлорного железа. Банка должна плотно закрываться пластмассовой крышкой (металлическая будет ржаветь).

 

На производстве для каждого слоя печатной платы (металлизации, маски, шелкографии) делают отдельные фотошаблоны, хранящиеся у производителя плат (срок годности фотошаблона  несколько лет). Технологических операций будет, естественно, больше, а фотошаблоны будут часто совмещать (с точностью не хуже 0,1 мм) с заготовкой мультиплаты, поэтому и необходимы эти технологические допуски, чтобы резист «не нашел» на металлизацию.

 

5. Травление производят в пластиковой ванночке, например, от пищевого контейнера (100 х 150 мм), которую помещают в другую, немного большего размера. В большую ванночку наливают подогретую воду, чтобы температура травящего раствора была около 40 °С.

5. Плата размером 40 х 80 мм травится в свежеприготовленном теплом растворе около 10-15 минут. Плату при травлении периодически вынимают, контролируя процесс. Чтобы его ускорить, можно немного покачивать ванночку.

 

Помните, что химический процесс травления происходит там, где есть медь. Т.к. медная фольга имеет толщину, то травление будет происходить и под защитным слоем (полученным маркером, тонером, лаком) – подтрава. Поэтому не стоит передерживать плату в растворе, особенно, имея на ней тонкие печатные проводники (собственно говоря, это надо учитывать при разводке – технологические возможности производства).

 

6. После травления платы, остатки раствора убирают салфеткой. Краску маркера смывают ваткой, смоченной в растворителе (646, уайт-спирит). Плату моют с мылом в воде и высушивают.

7. Сверлят плату со стороны меди. Для отверстий под все выводные детали можно взять сверло 1,0 мм. Если обводок у отверстия частично стравился или мал, то делайте отверстие не по центру КП, а с небольшим смещением.

 

Помните, что в сверлильный станок у изготовителя печатных плат обычно может устанавливаться до полдесятка разных сверл диаметром до 5-6 мм. Если разных диаметров на вашей плате больше, то это потребует технологическую замену сверл, что не очень удобно. Поэтому ограничивайтесь 5-ю разными диаметрами отверстий, что вполне возможно. Это делается при создании библиотечных элементов с отверстиями и файлов-шаблонов, где указываются диаметры переходных отверстий.

 

Помните, что отверстие под вывод детали обязательно должно быть немного больше диаметра вывода минимум на 0,2 мм (зазор 0,1 мм). Если используется неравномерное финишное покрытие платы (горячее лужение), то зазор желательно иметь еще больше чем 0,1 мм. В принципе этот фактор (покрытия КП) должен учитывать сам технолог изготовителя, т.к. по ходу технологического процесса получения переходного металлизированного отверстия (для ДПП) диаметр его будет уменьшаться.

 

Все диаметры должны указываться в мм, с шагом сетки 0,1 мм. При диаметре большем 6 мм, а также для выпилов произвольной формы, применяют фрезеровку, например, фрезой 2 мм.

 

8. Сторону меди, торцы и углы платы полируют наждачкой 1000 и протирают ее  спиртовой ваткой. Плата готова для монтажа. Если местами медные трассы сильно утончились, то их восстанавливают припоем.

 

 

 

Изготовление корпуса

 

1. Работы по механической обработке деревянных изделий лучше проводить в отдельном помещении, как минимум необходим пылесос. Для покраски необходима покрасочная или теплый балкон (в домашних условиях).

2. Стенки корпуса выпиливают из небольшого листа фанеры, помня, что склеиваемые торцы должны быть параллельными. Небольшие недочеты дорабатывают напильником.

 

Помните, чтобы деревянный корпус получился красивым, заготовку берут без сучков, трещин и расслоений.

 

Помните, что если слесарные и столярные работы будете делать не вы сами, то необходимо подготовить грамотные чертежи или эскизы от руки тех деталей, которые вы хотели бы получить. А также решить технологические вопросы (по обработке заготовки детали) и, при необходимости, скорректировать поставленную задачу.

 

3. Делают сверловку, затем шлифовку, соблюдая технику безопасности особенно при работе с фанерой (острые края корпуса сглаживают уже после его склейки).

 

Помните, что сверловку (как и распил) делают с лицевой стороны детали (заготовки), прижимая ее к деревянному бруску, и, при необходимости, последовательно увеличивают диаметр сверла.

 

4. Всю маркировку на корпус вначале наносят карандашом, после чего обводят маркером.

5. Склеивают корпус клеем ПВА (для мебели). Для временного скрепления конструкции используют маленькие (Ø 1,2 мм) гвозди.

 

Помните, что соединяемые на гвоздь детали из фанеры необходимо плотно прижимать друг к другу.

 

6. Ножки для корпуса прямоугольной формы делают из той же фанеры (6 мм), ручку для подстроечника, можно сделать из уже фрезерованного (сращенного) деревянного бруса диаметром 10–20 мм, плотно сажая на вал подстроечника. Приклеивать ножки лучше к материалу из фанеры, а к ДВП – на короткие саморезы.

 

Помните, что на ножках корпуса должны быть амортизирующие накладки, особенно, если применяется трансформатор. Для гашения вибраций от него, лучше использовать фетровые мебельные накладки (или ткань).

 

7. Приклеивание внутренних деревянных выступов и уголков для крепления платы и нижней крышки корпуса делают последовательно, если необходимо. Последовательная сушка займет некоторое время (около 2-3 часов), зато прочное крепление будет без гвоздей, а только на клею.

 

Помните, что размеры выступов и уголков из дерева делают не менее 5-10 мм, из фанеры их можно делать и тоньше.

 

8. Все деревянные детали и корпус снаружи покрывают двумя слоями лака. 1-й слой шлифуют суровой тканью (хлопок, лен) или наждачкой 1000, 2-й – можете нанести и алкидной краской нужного цвета.

 

 

Корпус

 

Размер (внутренний)                        140 х 60 х 85 мм

Материал                                            фанера 6 мм и 4 мм (для передней стенки)

Покрытие                                            лак (2 слоя)

Клей                                                      ПВА

Гвозди                                                  1,2 х 16 мм (для временного крепления конструкции при склейке) – 8 шт.

Винт                                                      Ø 5 х 50 мм, потайн. (для трансформатора) – 1 шт.

Гайка                                                    Ø 5 мм – 2 шт.

Шайба                                                  Ø 5 мм – 1 шт.

Саморезы                                            Ø 2,5 х 12 мм, потайн. (для платы) – 4 шт.

 

Нижняя съемная крышка

 

Размер                                                 140 х 85 мм (1 шт.)

Материал                                            ДВП 3,2 мм или фанера 4 мм

Саморезы                                            Ø 2,5 х 12 мм, потайн. – 4 шт.

Накладки на ножки фетровые        Ø 16 мм (амортизирующие вибропоглотительные) – 4 шт.

 

Верхняя крышка

 

Размер                                                 140 х 85 мм (1 шт.)

Материал                                            фанера 6 мм

 

Боковая стенка

 

Размер                                                  95 х 70 мм (2 шт.)

Материал                                            фанера 6 мм

 

Передняя стенка

 

Размер                                                  140 х 70 мм (1 шт.)

Материал                                            фанера 4 мм

 

Задняя стенка

 

Размер                                                  140 х 70 мм (1 шт.)

Материал                                            фанера 6 мм

 

 

Инструмент

 

Пила ручная по дереву с мелкими зубьями (350 мм)

Ножовка по металлу (150 мм)

Круговая пила по дереву 30, 38 мм (из набора коронок по дереву)

Напильник по дереву плоский (150 мм)

Напильник по дереву полукруглый (150 мм)

Молоток (400 г)

Кисть                     круглая 8 мм, плоская 20 мм

Отвертки (крестовая и плоская, большая и малая – 4 шт.)

Кусачки (120 мм)

Утконосы (120 мм)

Зачистка для снятия изоляции с проводов

Шуруповерт (самый недорогой)

Для точной сверловки приклейте на силикон к шуруповерту три уровневых цилиндра (Ø 10 х 30 мм, например, от дешевого строительного уровня) по трем взаимно-перпендикулярным плоскостям – это очень удобно.

Сверла по металлу            Ø 1,0; 1,5; 3; 5; 6; 8; 10 мм

Зенкер (12 мм)

Клеевой пистолет (самый дешевый)

Карандаш (ТМ)

Штангенциркуль (200 мм, точность 0,05 мм)

Линейка тонкая прозрачная

Резинка канцелярская (красно-синяя)

Маркер водонесмываемый тонкий

Ножик тонкий (130 мм)

Ванночки для травления плат (около 100 х 150 мм)

Пинцет (120 мм) для монтажа SMD деталей

Увеличительная лупа «часовщика» (Ø 20 мм 5^х)

Тестер электрический измерительный постоянного и переменного  тока (самый недорогой):

дес. мка – сот. ма;

дес. мв – дес. в (пост., перем.);

ед. ом – сот. ком.

 

 

Материалы

 

Фанера                                                 4; 6 мм

ДВП                                                      3,2 мм

Куски деревянного бруса               ель, сосна

Отрезок фрезерованного сращенный деревянного бруса    Ø 10–20 мм

Наждачная бумага                            150, 1000

Гетинакс (стеклотекстолит)            односторонний 1,5 мм (толщина медной фольги 35 мкм)

Хлорное железо (100 г)

Клей                                                      ПВА (для мебели), БФ-6, силикон (для пистолета)

Лак                                                        алкидный: глянцевый ПФ-283, полуматовый ПФ-157

Растворитель                                      646 или уайт-спирит

Спирт этиловый (100 г)

Провод                                                 медный эмалированный одножильный Ø 0,3 мм; ШВВП 2 х 0,5 мм²

Термоусадка

Припой с флюсом (100 г)                0,8 мм

Канифоль (20 г)                                  сосновая

Нитка                                                    белая 45 ЛЛ

Вата; хлопковая, льняная ткань