Семь шагов в электронику

Однако к таким «крошкам» уже не подлезешь с обычным паяльником: впаять такие детали достаточно сложно, а выпаять — еще сложнее, ведь при этом нужно еще не нарушить формовку выводов!

Для работы с такими деталями используется новый способ пайки — пайка горячим воздухом. Для этого промышленность выпускает паяльные станции с термофенами. Суть пайки проста — струя горячего воздуха заданной температуры направляется на заранее установленные на плате компоненты. В качестве припоя используется специальная пастообразная смесь припоя и флюса, которой смазываются места соединений.

Под влиянием высокой температуры припой расплавляется, и несколько сотен соединений на плате пропаиваются в течение одной-двух минут. Таким же способом выпаиваются из устройства микросхемы с несколькими десятками ножек. Термофен — устройство достаточно дорогое, поэтому выбирать его следует исходя, в первую очередь, из собственных финансовых возможностей. Автор может подсказать только два критерия:

♦ верхний предел температуры воздуха на выходе из термофена желательно иметь не ниже 350 градусов;

♦ автор имеет крайне негативный опыт работы с отечественными, с позволения сказать, «изделиями». Возможно, Вам, уважаемый читатель, повезет больше.

Преимущества групповой пайки с помощью термофена столь неоспоримы, что автор в свое время придумал собственную технологию пайки SMD-компонент, главной составляющей которой является… обыкновенный утюг. Описание ее приведено в конце книги.

Печатные платы как они есть

Печатный монтаж — настолько привычная для всех нас технология, что даже не верится, что когда-то ее не было. Когда у Микеланджело Буонаротти (1475–1564) спросили, как он создает свои несравненные статуи, он ответил, что нет ничего проще — берешь кусок мрамора и отрубаешь все лишнее. Это — почти точное описание технологии печатного монтажа: вместо того, чтобы соединять необходимые выводы проводниками, вначале нужно соединить вместе все выводы (эту функцию выполняет наклеенная на плату медная фольга), а затем удалить ненужные соединения химическим или механическим способом.

«Дедовский способ» изготовления печатных плат заключался в том, что на листке специальной бумаги, расчерченной миллиметровой сеткой (да-да, продавалась когда-то такая бумага, чтобы школьники рисовали на ней графики) расставить по клеточкам все детали. Затем расчертить ручкой соединения, наклеить бумагу на будущую печатную плату, накернить и насверлить отверстия в местах будущих соединений, а затем с помощью медицинской иглы (страшный дефицит!) перевести краской или лаком рисунок на плату.

С тех пор утекло много воды, и в радиолюбительскую практику, вместе с компьютерами, прочно вошли два новых способа — фотоспособ и ЛУТ.

Первый способ достаточно очевиден — нужно нарисовать (на компьютере, естественно) требуемую печатную плату, распечатать ее на лазерном принтере, а затем приобрести в радиолюбительских магазинах специальный светочувствительный лак. Рассказывать дальнейшее в силу очевидности нет смысла, хочется только добавить, что попытки изготавливать платы фотоспособом делались и во времена миллиметровой бумаги и медицинских игл, только вместо светочувствительного лака в те времена использовался яичный белок и фотохимикаты, ибо цифровая фотография тогда еще не была изобретена.

Вторая же технология — это всецело порождение компьютеризации, потому что она в принципе не могла появиться до появления лазерного принтера.

Что такое ЛУТ? ЛУТ — это аббревиатура фразы «лазерно-утюжная технология». Кто это сокращение придумал, вряд ли уже удастся установить, но суть технологии она отражает полностью. Родилась эта технология в конце 90-х годов прошлого века, и автор гордится тем, что был в свое время одним из первых, кто ее описал (Радио № 9 2001 г., с. 35). Суть ее проста — рисунок будущей печатной платы выводится в зеркальном изображении на лазерном принтере, а затем прикладывается к будущей печатной плате и проглаживается горячим утюгом. Тонер при этом плавится и прилипает к поверхности платы.

Далее бросают будущую печатную плату с прилипшим рисунком в воду, бумага при этом размокает и легко отделяется от рисунка, который, естественно, остается на плате. Сейчас существуют, пожалуй, сотни вариантов этой технологии, отличающиеся тем, сколько времени греть рисунок, какую бумагу использовать и т. д. Как видите, даже в радиолюбительской среде прогресс не стоит на месте — что уж говорить об электронной промышленности!

После того, как рисунок нанесен на будущую печатную плату, необходимо химическим путем удалить с нее все «излишки» меди, чтобы на Печатной плате остались только нужные проводники. Самый правильный способ — использовать для этого раствор хлорного железа.

Во времена всеобщего дефицита был придуман и другой раствор — смесь медного купороса и поваренной соли в отношении 1:2. Он хорош тем, что медный купорос легко приобрести в магазинах для садоводов, а поваренную соль — вообще везде, тогда как за хлорным железом придется идти в специализированные магазины или заказывать его через Интернет.

 Примечание.

В принципе, оба раствора позволяют получить нужный результат, хотя второй раствор действует несколько менее эффективно, чем первый.

Сразу хочется предупредить, что существует еще один эффективный раствор для травления, которым ни в коем случае нельзя пользоваться дома. Это — азотная кислота.

 Внимание.

Пользоваться же им нельзя потому, что выделяющаяся при травлении двуокись азота — сильнейший дыхательный яд!

Процесс травления как таковой достаточно несложен — нужно просто опустить заготовку в раствор, и через некоторое время извлечь ее оттуда. Дьявол, как всегда, кроется в деталях:

♦ на заготовке ни в коем случае не должны присутствовать следы жира (в том числе отпечатки ваших пальцев);

♦ на заготовке не должны оставаться пузырьки воздуха и другие посторонние включения;

♦ заготовку нельзя передерживать в растворе дольше необходимого.

Первое требование достаточно очевидно — вода жир не смачивает, поэтому медь в этом месте либо не протравится вовсе, либо процесс травления на ней закончится гораздо позднее. Поэтому перед тем, как опустить заготовку в травильный раствор, не поленитесь вымыть ее с жидким мылом.

Второе требование тоже достаточно очевидно, не очевидно только, откуда на заготовке возьмутся пузырьки воздуха и посторонние включения. Увы, на поверхности травильного раствора всегда присутствует пленка соединений железа (кстати, она достаточно хорошо заметна глазу как блестящее зеркало на поверхности раствора). Причин ее появления мы касаться не будем, нам важнее, как с этим явлением бороться. Способов борьбы с ним два:

♦ механическое удаление пленки;

♦ «свежая» вода.

Механически пленка удаляется с поверхности с помощью широкой лопаточки (автор обычно использует для этого ненужный кусок стеклотекстолита). Пленку нужно сгрести с поверхности раствора, затем подцепить этой же лопаточкой и смыть водой. Заготовку же платы перед тем, как опустить ее в раствор, нужно обязательно сполоснуть водой. Вода, во-первых, смочит всю поверхность платы, не позволяя закрепиться на ней пузырькам воздуха, и, во-вторых, вода имеет свойство «отгонять» пленку от заготовки.

Как не «передержать» заготовку в растворе и чем это опасно?

Опасность одна — «подтравленные» дорожки. Случаи, когда заготовку забывают в растворе, не так часты, но результат всегда один — «растворившиеся» дорожки. Рисунок, нанесенный на плату, вовсе не гарантирует, что дорожки обязательно останутся в неприкосновенности, он только гарантирует, что окружающая дорожку медь «растворится» быстрее, чем сама будущая дорожка.

По этой причине явления «подтравливания» дорожки сильно зависит от состояния раствора — свежий (особенно только что приготовленный) раствор гораздо менее склонен к подтравливанию, потому что он гораздо быстрее удаляет с платы медь, поэтому плату из раствора можно извлекать гораздо раньше, чем из раствора, долго бывшего в употреблении.

Если на плате есть дорожки шириной менее 0,3 мм, травить такую плату можно только в свежем растворе, и никакая «жаба» не должна помешать вам вылить старый раствор и приготовить для нее новый.

Для того, чтобы определить, когда закончится процесс травления, заготовку платы необходимо время от времени, извлекать из раствора, чтобы визуально определить, вся ли лишняя медь перешла в раствор. Занятие это довольно утомительное, поэтому радиолюбители и здесь придумали маленькую хитрость.

Если Вы травите одностороннюю плату (а в подавляющем большинстве случаев именно так оно и бывает), нужно перед тем, как погрузить ее в раствор, слегка подогреть ее на газовой плите, и натереть стеариновой свечой. В результате такой операции верхняя поверхность платы становится не смачиваемой водой, и ее при определенном навыке можно положить в раствор так, чтобы она плавала по его поверхности. Несмотря на то, что материал платы непрозрачен, сквозь него прекрасно видно, в каком состоянии сейчас поверхность меди. Теперь вместо того, чтобы каждый раз извлекать плату, достаточно бросить орлиный взгляд на ее поверхность. С двухсторонними платами такой номер, естественно, не проходит, ну да они не так часто и встречаются.

Итак, плата протравлена, лишняя медь ушла в раствор. Теперь плату необходимо извлечь из раствора и вымыть под струей воды.

Раствор необходимо перелить в банку с закрывающейся крышкой, чтобы Ваши домочадцы не дышали его парами. Особенно это касается смеси купороса с солью — помимо всего прочего, раствор в процессе высыхания имеет крайне неприятное свойство расползаться по любой поверхности как плесень.

Бывали случаи, что он буквально «вылезал» из банки на стол, пол и другие поверхности почище того горшочка с кашей из сказочки Андерсена. Если раствор пришел в негодность, его необходимо вылить в канализацию, и несколько раз смыть водой. Характерным признаком «старения» раствора, помимо того, что он перестает травить платы, является для хлорного железа изменение цвета с коричнево-желтого на зеленый и образование большого количества ржавчины на дне банки, а для смеси купороса с солью — изменение цвета с ярко-зеленого на беловатый.

В свое время существовало немало способов вернуть раствору «травительную силу», но теперь, как кажется автору, заниматься реанимацией раствора нет необходимости — все-таки в другие времена живем. При приготовлении свежего раствора хлорного железа необходимо, помимо обычных мер защиты (марлевая повязка и очки), соблюдать дополнительные — безводное хлорное железо при растворении очень сильно разогревается (бывали случаи — лопалась стеклянная посуда). По этой причине при приготовлении раствора лучше использовать пластмассовую кювету и добавлять воду очень небольшими порциями.

Готовую плату необходимо отмыть от рисунка. Для отмывки тонера от лазерных принтеров вполне подходит ацетон, отмывку светочувствительного лака нужно производить теми растворителями, которые рекомендованы его производителем. Зачищать плату шкуркой не следует — она после такой операции приобретает не слишком эстетичный вид. Зачищать плату шкуркой нужно до нанесения на нее рисунка, а не после травления — помимо всего прочего на зачищенной поверхности рисунок будет лучше держаться. После этого плату можно (а лучше — нужно) залудить, но предварительно необходимо просверлить в ней все необходимые отверстия.

Сверление отверстия — процесс достаточно трудоемкий и ответственный. Если в конструкции активно используются SMD-компоненты, количество отверстий на плате сравнительно невелико, а вот при использовании обычных деталей число отверстий в плате может достигать нескольких десятков, а то и сотен. Для сверления отверстий в плате необходимы две вещи — дрель и сверло.

Сверло — важный компонент процесса сверления, от качества его заточки напрямую будет зависеть качество получаемых отверстий.

Правильно заточенное сверло должно резать плату, а не раздвигать ее во все стороны, образуя «горку» вокруг отверстия. Эта «горка» — самый характерный признак неправильной заточки. Научиться правильно затачивать сверла — особый вид искусства, которому Вам придется обучаться самостоятельно. Присмотритесь к тем сверлам, которые правильно сверлят платы, и постарайтесь заточить свое сверло «по аналогии». Для заточки тонких сверл необходимо иметь алмазный надфиль или очень мелкий наждачный брусок, более толстые сверла лучше точить на наждачном круге — разоритесь хотя бы на круг с ручным приводом!

Затачивать сверла придется довольно часто — стеклотекстолит имеет в своем составе стеклянные нити, которые тупят сверла не хуже наждака. Большая удача, если Вам удастся приобрести т. н. твердосплавные сверла (обычно они имеют благородный темный цвет и хвостовую часть одинакового диаметра, независимо от диаметра сверла) — хотя стоят они заметно дороже стальных, зато режут платы как масло.

К сожалению, они также очень хрупкие, поэтому для работы с ними необходим определенный навык. Точить их практически не нужно.

Дрелей, как показывает практика, в хозяйстве нужно две:

♦ ручная дрель для сверления отверстий небольшого диаметра (до 2 мм);

♦ дрель (или шуруповерт) для сверления отверстий большего диаметра.

Ручная дрель в большинстве случаев требует низковольтного источника питания, в качестве которого очень удобно использовать аккумуляторные батареи. Иногда для получения нужно скорости вращения дрели требуется большее напряжение, чем могут дать 12-вольтовые аккумуляторы. В этом случае для питания дрели неплохо изготовить повышающий преобразователь напряжения. Как это сделать — мы с Вами узнаем на Шаге 7.

Ну вот, необходимые приготовления завершены, и мы с Вами, уважаемый читатель, теперь можем смело отправиться в путь! А любой, даже самый длинный, путь, как известно, начинается с первого шага.

Итак… создаем бегущие огни!

Шаг 1

«БЕГУЩИЕ ОГНИ»

Почему именно «бегущие огни»

Для нашего первого шага в электронику «бегущие огни» выбраны не случайно. Это «устройство» обладает главным для начинающего качеством — наглядностью. Радостно мигающие огоньки, как ничто другое, скажут вам, уважаемый радиолюбитель, что вы вполне способны осилить премудрости увлекательнейшей науки — электроники.

К тому же на первых порах это — едва ли не единственный девайс, который радиолюбитель сможет применить у себя дома. Повесить на елку, например! Для «бегущих огней» нам потребуется вышедшая из строя елочная гирлянда, что, по опыту автора, не представляет совершенно никакой проблемы. Все, без исключения, елочные гирлянды производства нашего дальневосточного соседа неизменно выходили из строя на второй день покупки. Заодно почините то, что у вас есть, уважаемый радиолюбитель! Первый вариант «бегущих огней», который мы сделаем, будет… на микросхемах.

Бегущие огни на микросхемах

Вы спросите, почему не на транзисторах? Ответ прост, уважаемый радиолюбитель. Транзисторные «бегущие огни», как и вся транзисторная «цифровая» электроника, отличается чрезвычайно плохой повторяемостью.

Ни одна из десятка, по крайней мере, транзисторных схем «бегущих огней» у автора не заработала «с полуоборота», все приходилось долго и нудно доводить до ума. Собрать же неработающую или полуживую конструкцию — лучший способ отбить охоту заниматься электроникой вообще, чего автор и сам не хочет, и вам не желает!

Принципиальная схема. Микросхемы по сравнению с транзисторами — это гигантский шаг вперед. И, конечно же, среди микросхем обязательно найдется такая, которая обеспечит нам «почти готовые» бегущие огни. Это микросхема типа К176ИЕ8, и называется она «десятичный счетчик с дешифратором». У нее есть два счетных входа, вход сброса и десять выходов. При поступлении импульсов соответствующей полярности на счетный вход микросхемы внутренний счетчик микросхемы увеличивает свое значение на единицу (в литературе для такого действия есть даже специальное название — инкремент).

Дешифратор, имеющийся внутри микросхемы, преобразует текущее значение счетчика в сигнал, близкий к напряжению питания микросхемы на одной из выходных линий. Обычно он называется сигналом «логической единицы», сокращенно — лог. 1. На всех остальных выходных линиях в это время будет сигнал, близкий к нулю, который называется «логическим нулем» или лог. 0).

При каждом новом счетном импульсе сигнал лог. 1 будет перемещаться с одной выходной линии на другую (удивительное совпадение — такой режим работы называется «бегущей единицей»).

Все, что нам остается — прибавить к этой микросхеме:

♦ генератор импульсов (чтоб считало);

♦ источник питания (чтоб питало);

♦ четыре мощных выходных каскада, управляющих лампочками (чтоб мигало).

Схема такого варианта «бегущих огней» приведена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Схема варианта «бегущих огней» на ИМС К176ИЕ8

Генератором здесь является микросхема DD1, конденсатор С1 и резистор R1, источник питания — диоды VD1—VD3, конденсаторы С2—С4 и резистор R4. Четыре одинаковых комплекта R2, R3, VT1 образуют цепи управления лампочками.

Печатная плата. Собрано устройство на печатной плате из одностороннего стеклотекстолита толщиной 1,5 мм размерами 62,5x50 мм.

Разводку печатной платы для «лазерного утюга» и схему расположения деталей можно скачать с диска, прилагаемого к книге («Видеоурок 1», файл 1.DXF) и посмотреть на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Разводка печатной платы устройства (62,5x50 мм, в зеркальном изображении)

Схема расположения деталей устройства приведена на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Схема расположения деталей устройства

Настройка. Настройки устройство не требует.

Аналоги. Если микросхемы К176ИЕ8 у вас не окажется, ее можно заменить зарубежным аналогом CD4017 или подобной ему. В серии К561 есть похожая по функциональности микросхема К561ИЕ9 (зарубежный аналог CD4022), но у нее несколько другое расположение выводов, и под нее придется переделывать плату.

Микросхему К176ЛА7 можно заменить микросхемой К561ЛА7 или зарубежным аналогом CD4011. Транзисторы — любые с рабочим напряжением не ниже 300 В и допустимым током не ниже тока потребления ламп. Стабилитрон VD1 — любой с напряжением стабилизации 8—10 В, диоды VD2, VD3 — любые импульсные, VD4 — любой выпрямительный с допустимым напряжением не ниже 600 В и допустимым током не ниже тока потребления ламп.

Конденсатор С2 обязательно должен быть керамическим. Конденсатор С4 — любой неэлектролитический (например, типа К73-17) с допустимым напряжением не ниже 250 В, конденсаторы С3 и С5 — электролитические с рабочим напряжением не ниже 10 В и 350 В, соответственно.

Все резисторы — SMD типоразмера 0805 (соответствуют резисторам МЛТ-0,125). К остальным деталям особых требований нет.

Внешний вид устройства приведен на рис. 1.4.