Nepájivé polia a dosky plošných spojov pre Arduino
Vitajte v seriáli, v ktorom sa spoločne zoznámime s Arduinom - nástrojom na tvorbu mikropočítačov. V nasledujúcich dieloch sa naučíme vyrábať vlastné plošné spoje, ktoré následne využijeme pri vlastnej práci s týmto jednodoskovým počítačom.
V tejto kapitole sa budeme zaoberať niečím, čo je dôležité pre každého, kto sa chce presunúť z virtuálnej konštrukcie obvodov cez počítač do ich reálnej výroby a zapájania. Vysvetlíme si pojmy nepájivé pole a dosky plošných spojov. Povieme si, na čo slúži a tiež ako s nimi efektívne pracovať. Vysvetlíme si tiež proces výroby plošného spoja, a to so všetkým, čo je na tento účel potrebné mať.
Nepájivé pole
Nespájivé pole (anglicky breadboard) je pomôcka slúžiaca na navrhovanie prototypov elektrických obvodov (zapojenie súčiastok). Obrovská výhoda nepájivého poľa spočíva v tom, že súčiastky nemusíme fyzicky letovať (spájkovať), teda nie sú v obvode prirobené napevno, takže ich v prípade potreby môžeme veľmi pohodlne vymeniť za iné, alebo ich odobrať. Nespájivé pole sa často využíva v procese pred vlastným zhotovením plošného spoja na obvod (prirobenie súčiastok napevno), alebo pri teste funkčnosti súčiastok, či celého elektrického obvodu.
Zloženie, zhotovenie a funkčnosť nepájivého poľa
Nespájkovacie pole tvorí plastová izolačná doska (nevedie elektrický prúd) s otvormi o veľkosti 2,54 mm, do ktorých komponenty vkladáme. Uchytenie samotných súčiastok zaisťujú kontaktné klince s pružinkami. Ako už bolo spomenuté, v prípade potreby je možné súčiastku z otvoru vytiahnuť a vymeniť za inú.
Pokiaľ by nám pri niektorom zapojení klince nestačili, môžeme namiesto nich použiť akýkoľvek prepojovací drôtik z vodivého materiálu, ktorý sa zmestí do otvoru a otvory ním prepojiť. Drôtky samozrejme môžeme rovnako ako súčiastky kedykoľvek vytiahnuť a odstrániť.
Kontakty nepájivého poľa sú prepojené vždy v stĺpci (teda vždy vertikálne) - zelené pole. Naopak plus a mínus, sú prepojené v rade (teda horizontálne) - červené a čierne pole. Pre to, aby sme mohli využívať celé nepájivé pole, stačí vziať kúsok vodiča a prepojiť jednotlivé strany (viď. označenie písmenami E a F na obrázku nižšie).
Nespájkujúce pole má však aj svoje nevýhody. Jednou z nich je nestabilita zapojenia, čo v praxi znamená, že ak by sme takto zostavený obvod chceli prakticky použiť, musíme ho zapojiť „napevno“ – ideálne na dosku plošného spoja. Ďalšou nevýhodou, ktorú nepájivé pole má, je neschopnosť prototypov zapojenia SMD súčiastok, pretože nemajú vývody, ktoré nepájivé pole má. Na obrázku nižšie je zobrazené SMD (červené) a THT (čierne) pole súčiastok a možno tak dobre vidieť spomínaný rozdiel:
Viac o týchto súčiastkach a celkovo tejto téme sa budeme venovať v niektorej z nasledujúcich lekcií.
Dosky plošných spojov
Teraz, keď už vieme, čo je to nepájivé pole a ako funguje, sa môžeme posunúť o krok vpred – na dosky plošných spojov.
Je dobré vedieť, že dosku plošných spojov použijeme hlavne v prípade, keď sme otestovali náš prototyp zapojenia na nepájivom poli a vieme, že funguje. Zapojenie tým bude stabilné a pripravené na uloženie do čohokoľvek, čoho je vlastne súčasťou. Popíšeme si princíp plošných spojov, ich výrobu a tiež ako si navrhnúť náš vlastný. Plošný spoj je primárne zložený z izolačnej dosky (väčšinou sa jedná o sklolaminát). Táto doska je opatrená z jednej alebo z oboch strán medenou fóliou. Vyrobený plošný spoj môže vyzerať nasledovne:
Princíp plošných spojov
Princíp dosiek plošných spojov je pomerne jednoduchý. Zospodu plošného spoja sú všetky piny komponentov prepojené vodivým materiálom - najčastejšie media. Do vytvorených pinov sa vyvŕtajú otvory vrtákom tak, aby všetky súčiastky prešli cez. Keď sú súčiastky usadené v plošnom spoji, zaletujú sa vodivým materiálom (cín je používaný najčastejšie), čím sú napevno zapojené. Na spájkovanie súčiastok sa používa tzv. mikrospájka, ktorá môže vyzerať takto:
Návrh a výroba plošného spoja
Ak potrebujeme vlastný plošný spoj, jednou z možností je si ho nechať vyrobiť na zákazku. Táto možnosť je ale pomerne drahá a úprimne - celkom nudná 🙂 Preto si teraz popíšeme, ako taký plošný spoj navrhnúť a ako ho následne vyrobiť.
Návrh dosky plošného spoja
Prvým krokom pri výrobe dosky plošného spoja je návrh. Na tento účel je možné použiť špeciálny počítačový softvér ktorého názov je EAGLE. Ako sa v EAGLU detailne pohybovať je nad rámec tohto kurzu, avšak na internete je mnoho návodov a kníh, ktoré vám v tomto pomôžu.
Ako prvé navrhneme v EAGLU schému nášho plošného spoja, tzn. ako presne majú byť naše súčiastky zapojené a tiež aké komponenty chceme použiť. Príklad takejto schémy môže vyzerať napríklad takto:
Keď máme všetky súčiastky zapojené v schéme, môžeme z nej vytvoriť tzv. board. Board v softvéri EAGLE označuje presné rozmiestnenie súčiastok na plošnom spoji, určuje aj ako bude plošný spoj vyzerať (jeho veľkosť) a ako budú komponenty prepojené. Príklad rozmiestnenia boardu môže vyzerať nasledovne:
Ak máme hotovú celú schému zapojenia a pripravený board, nezostáva nič iné, než sa vrhnúť na samotnú výrobu plošného spoja.
Príprava a vybavenie priestoru na výrobu plošného spoja
Pred začatím akejkoľvek práce sa oplatí pripraviť si vhodný priestor. Pokiaľ chceme pracovať doma, pravdepodobne nemáme príliš veľký manévrovací priestor. Našu "dielňu" musíme umiestniť napr. v izbe, garáži alebo v pivnici. Stojí za to sa postarať o to, aby v miestnosti bola konštantná teplota a vlhkosť. Okrem toho podlaha by mala mať vlastnosti ESD alebo (aspoň) byť odolná voči kontaktu s korozívnymi látkami.
Práca s doskami PCB vyžaduje bezpochyby vhodné pracovisko. Stojí za to sa vybaviť pracovným stolom alebo profesionálnym dielenským stolom. Z bezpečnostných dôvodov by mali byť uzemnené. Pri organizácii pracoviska stojí za to postarať sa o úložný priestor – napr. ďalšie zásuvky a vhodné osvetlenie. Tu môžeme použiť lampy určené na tieto účely, ale pokiaľ má pracovisko ďalšiu policu nad pracovným priestorom, môžeme pod ňou tiež namontovať ďalší pruh LED diód, ktorý výrazne zlepší osvetlenie hlavnej pracovnej dosky.
Čo umiestniť na našom dielenskom stole? Prvým zariadením, ktoré nás napadne, keď uvažujeme o elektronickej dielni je samozrejme spájkovačka. To je bezpochyby najdôležitejšie zariadenie v dielni. Najoptimálnejší bude výber spájkovacej stanice s možnosťou regulácie teploty. Okrem toho stojí za to venovať pozornosť výkonu spájky. Zjednodušene povedané, čím je spájkovačka väčšia, tým rýchlejšie spájkovací hrot dosiahne nastavenú teplotu.
Odporúčame tiež spájkovacie rohože, ktoré pokladáme na pracovnú dosku dielenského stola. Niekedy sú vybavené malými priehradkami, ktoré výrazne uľahčujú udržiavanie poriadku pri spájkovaní a odpájaní spojov, s ktorými pracujeme.
Pri uvedenom procese odpájania, kedy môžeme z dosky plošných spojov odstrániť ľubovoľný komponent, bude užitočný aj odsávač cínu a odpájacia páska, bežne nazývaná pletencom. Vďaka nim budeme schopní ľahko odstrániť prebytočný cín zo spájkovacieho poľa, čo uľahčí demontáž elektronického prvku. Pokiaľ chceme postaviť naozaj profesionálnu dielňu, mali by sme uvažovať o odpájacej stanici. Je však potrebné mať na pamäti, že taká stanica vyžaduje pravidelné čistenie. Typická a tiež najčastejšie používaná odsávačka vyzerá nasledovne:
Na vytvorenie vlastného plošného spoja sa môže ešte hodiť minivŕtačka. Ak chcete na doske umiestniť komponenty s otvormi (THT montáž), musíte v nej príslušné otvory vytvoriť. Ich priemer je obvykle veľmi malý, navyše sú často pomerne husto rozmiestnené, takže na ich vyvŕtanie je potrebné presné zariadenie. Ak chceme pracovať s minivŕtačkou, mali by sme sa tiež vybaviť sadou malých a presných vrtákov.
Proces výroby plošného spoja
Pokiaľ je už naša dielňa vybavená základným vybavením, môžeme sa venovať samotnej doske plošných spojov. V závislosti na tom, či chceme len spájkovať už hotovú dosku, alebo ju pripraviť od samotného návrhu, musíme podniknúť príslušné kroky. Ak máme čistý laminát, musíme nejakým spôsobom rozmiestniť všetky cesty a spájkovacie polia na doske plošných spojov. Na tento účel sa používa tzv. proces leptania dosky. Tento proces spočíva v aplikácii ochrannej vrstvy, aby nedošlo k narušeniu medi umiestnenej pod ňou. Existuje mnoho spôsobov, ako narysovať cestičky. Najjednoduchšie bude nakresliť ich fixkou alebo vytlačiť obraz cestičiek na kriedový papier a potom ich odtlačiť na doštičke.
Ak máme cesty nanesené, môžeme prejsť k samotnému leptaniu. Dosku je treba vyleptať. Na tento účel slúži roztok B327, alebo chlorid železitý. Po ponorení dosky do jednej z uvedených látok táto látka odstráni meď vo všetkých miestach, kde sme neumiestnili cesty. Hneď ako je spoj pripravený, musí byť riadne chránený. Za týmto účelom je doska podrobená procesu cínovania, to znamená nanesenie vrstvy cínu na vrstvu medi. Toto je možné vykonať ručne, alebo použiť hotové chemické prípravky. Nakoniec ich odporúčam pokryť čerstvo vyrobenú dosku tzv. nepájivou maskou. Ide o elektricky inertnú chemickú vrstvu, ktorá okrem ochrany spoja pred oxidáciou ho chráni pred náhodným skratom.
Samozrejme, pokiaľ k vybaveniu nemáme prístup alebo priestor, nezostáva nič iné, než si nechať plošný spoj vyrobiť na mieru, alebo kúpiť univerzálny plošný spoj a následne ho upraviť.
Keď je naša doska úspešne vyrobená, môžeme sa pustiť do vyššie popísaného osadzovania. Pri správnom osadení súčiastok podľa nášho boardu na nás čaká funkčný plošný spoj. V tejto chvíli je použiteľný na akékoľvek osobné, či profesionálne účely. Gratulujeme!
