Настоящая Handmade электроника для начинающих: делаем печатную плату, паяем, настраиваем

Пролог

Все мы являемся потребителями электронных приборов: телефонов, планшетов, телевизоров и т.п. Но лишь один из тысячи примерно представляет себе, как это всё устроено «изнутри», а уж создать электронную конструкцию «с нуля» своими руками способны поистине лишь избранные. Предлагаем и вам вступить в клуб избранных. Прочтите этот материал, и, если он вас заинтересует, попробуйте свои силы в освоении рукотворной электроники!

В статье рассказывается о некоторых этапах ручного производства электроники, а особенно подробно о первом этапе: изготовлении печатной платы. Подробные фотоиллюстрации процесса помогут разобраться в деталях. А «на десерт» для закрепления теоретического материала мы соберём простое электронное устройство – простейшее электронное пианино на интегральном таймере NE555.

Тот из вас, кто найдёт в себе силы прочесть статью до конца, может гордо заявить о себе «я что-то понимаю в производстве электроники», а уж тот, кто совершит подвиг и осилит сборку предлагаемой конструкции, вполне достоин присвоения звания «настоящий электронщик-профи» (ну, почти :).      

Данный мастер-класс базируется на наборе Мастер Кит NN201, в который входят детали и материалы,  необходимые для изготовления печатной платы и электронного пианино. Конечно, при желании все материалы и инструменты можно приобрести самостоятельно, только придётся потратить время и побегать, а надо ли вам это?

Необходимый теоретический минимум

Любая электронная конструкция содержит десятки, а то и сотни и тысячи компонентов: резисторы, конденсаторы, диоды, микросхемы и т.п. Все эти компоненты должны определённым образом электрически и механически соединяться между собой.

Самые простые схемы можно паять «на коленке» навесным монтажом, но такая конструкция получается некрасивой, запутанной, имеет сомнительную механическую жёсткость. Поэтому в любой серьёзной электронной конструкции должно быть что-то вроде шасси, на котором и монтируются все детали. В разные годы шасси изготавливались и из металла, из картона или фанеры, но в последние 20-30 лет технологическим стандартом шасси является печатная плата.

Печатная плата – это лист диэлектрического материала, на поверхности которого в определённой конфигурации нанесены полосы проводящего материала (обычно фольги).   В качестве основы чаще всего применяют стеклотекстолит: он не горюч, обладает высокими диэлектрическими свойствами, недорог. В стеклотекстолите сверлят отверстия, в которые пропускают выводы деталей. С обратной стороны платы выводы припаивают к медным токопроводящим проводникам, которые определённым образом сконфигурированы. Благодаря пайке осуществляется механическая фиксация компонентов к плате, а благодаря медным токопроводящим дорожкам выводы деталей электрически соединяются между собой.

Конечно, медные дорожки-проводники можно в необходимых местах приклеить к плате стеклотекстолита. Но технологически проще сделать наоборот: взять лист текстолита с уже приклеенным сплошным слоем фольги и удалить фольгу с ненужных мест.

 Удалить фольгу с ненужных участков можно механическим способом: сделав острым ножом прорези в необходимых участках. Однако этот способ трудоёмкий, травмоопасный, и подходит в первую очередь для самых несложных схем.

Фольгу можно удалить и химическим способом: достаточно погрузить плату в раствор, разъедающий медь (чаше всего применяется раствор хлорного железа). Только предварительно нужно защитить от воздействия растворителя те участки меди (будущие токоведущие проводники), которые необходимо сохранить. В качестве такого защитного средства иногда применяют лак, но удобнее рисовать дорожки специальным маркером.  Также в практике электронщиков широкое распространение получила так называемая лазерно-утюжная технология (ЛУТ). При этом методе рисунок будущих токоведущих проводников печатается на лазерном принтере на специальной бумаге. Затем бумагу прикладывают к заготовке стеклотекстолита и проглаживают этот «бутерброд» утюгом: в результате частицы тонера остаются на заготовке и в последующем не будут протравлены растворителем.

Процесс удаления фольги называется травлением. Травление продолжается в зависимости от концентрации и температуры раствора от нескольких минут до часа. После окончания процесса плату промывают водой и удаляют защитный состав, под которым должны остаться медные проводники.

Затем производится сверление отверстий под выводы компонентов. Обычно используются микродрели и свёрла диаметром 0.8…1 мм. Медь быстро окисляется на воздухе, и это усложняет её пайку. Поэтому непосредственно перед пайкой плату необходимо как минимум зачистить мелкой шкуркой, сняв тем самым слой окислов. Но лучше всего покрыть медные проводники защитным составом – слоем припоя. Такой процесс называется лужением, и это позволяет сохранить высокую степень пригодности платы к пайке в течение нескольких лет.

В производственных условиях поверх токоведущих дорожек наносится также так называемая паяльная маска – слой защитного материала. Этот слой защищает токоведущие дорожки от случайных замыканий и повреждений. Только контактные площадки остаются свободными от маски, что позволяет  легко производить их пайку.

Ещё один техпроцесс – шелкография – подразумевает нанесение на «лицевую» сторону платы специальной краской обозначений и надписей. Это упрощает жизнь монтажникам платы и специалистам по её ремонту.

Но в домашних условиях осуществить процессы нанесения паяльной маски и шелкографии сложно, поэтому мы этого делать не будем.

Всё, печатная плата готова. После этого на плату монтируются все компоненты, а потом припаиваются. Затем получившаяся конструкция настраивается и тестируется. На современных фабриках большинство этих процессов выполняют промышленные роботы, но мы – люди, поэтому всё будем делать своими руками.  

Долгожданная практика

Гораздо интереснее делать не просто скучную печатную плату, а плату, на основе которой можно собрать практически полезное устройство. Мы будем делать простейший электромузыкальный инструмент – игрушечное пианино с 8 клавишами.

Материалы и компоненты, которые нам потребуются:

- заготовка фольгированного стеклотекстолита размерами не менее 10х15 см;

- маркер (лучше лаковый) или лак для ногтей для защиты токоведущих дорожек (маркер можно найти в магазинах канцтоварах, а лак позаимствовать у мамы/подруги/жены);

- хлорное железо – порошка весом 100 грамм хватит за глаза;

- дрель и сверла диаметром 0.8, 1.0 и 1.2 мм;

- неметаллическая ванночка (глубокая миска) – в неё должна поместиться наша заготовка. Лучше найти какую-нибудь старую ненужную ёмкость, потому что после наших экспериментов её наверняка придётся выбросить или продолжать использовать для травления;

- резиновые перчатки для защиты наших рук от раствора.

Отметим, что в набор Мастер Кит NN201 входит заготовка с уже просверленными отверстиями, специальный фломастер и красивая красная баночка с хлорным железом весом 100г. Набор поставляется в пластиковом блистере, который служит отличной ванночкой для травления!

Для пайки потребуются:

- паяльник, бокорезы, припой, флюс;

- радиодетали, список которых приводится ниже.    

Всё необходимое можно отыскать в магазинах радиотоваров или хозтоваров.

Схема-шаблон расположения токоведущих проводников печатной платы (вид со стороны фольги):

Подготовка печатной платы к травлению

Зачищаем плату со стороны слоя меди мелкозернистой наждачной бумагой (в крайнем случае, подойдёт грубый чернильный ластик) и обезжириваем спиртом или бензином;

Прикладываем шаблон к печатной плате и сверлим в необходимых точках отверстия;

Наносим маркером рисунок проводников и площадок для пайки деталей, ориентируясь на монтажную схему и просверленные отверстия, стараясь не слишком сильно «заляпать» руками фольгу (поэтому желательно работать в нитяных перчатках). В случае ошибок маркер легко смывается спиртовыми растворами. Размеры контактных площадок под выводы деталей можно сделать побольше (там, где позволяет место).

Удобно наносить рисунки при помощи линейки, в два слоя. После нанесения рисунков надо дать плате просохнуть около 10 минут, затем осмотреть плату и исправить возможные ошибки: дорисовать там, где слой получился тонкий, и проскрести шилом или толстой иглой места ошибочного слияния дорожек или контактных площадок.

Приготовление раствора и меры предосторожности

Теперь следует приготовить раствор хлорного железа. Для этого 100 граммов хлорного железа надо размешать примерно в 200-250 граммах (один стакан) тёплой воды.  Не обязательно отмерять всё с точностью до грамма: процесс пойдёт и при несколько ином соотношении хлорного железа и воды,  надо только учесть, что от концентрации раствора и его температуры зависит время травления платы.

При приготовлении раствора надо соблюдать основные правила безопасности:

• работать в резиновых перчатках в проветриваемом помещении!;
• не наклоняться близко к раствору: выделяются вредные пары!;
• попадая на предметы, раствор оставляет несмываемые ржавые пятна, поэтому следует принять меры, чтобы порошок или раствор не попадали на окружающие предметы!;
• готовить раствор следует в стеклянной или пластиковой посуде, но только не в металлической, ее раствор будет разъедать!;
• размешивать раствор следует пластиковыми (очень удобны одноразовые ложки) или деревянными предметами (ненужный карандаш);
• оптимальная температура раствора – 45-50 градусов;

 Теперь всё готово к процессу травления платы.

 Травление платы

• Заливаем в ёмкость раствор хлорного железа;
• аккуратно помещаем плату фольгой вверх в раствор таким образом, чтобы раствор с запасом 5-7 мм покрывал всю плату;
• длительность процесса зависит от температуры и концентрации раствора и занимает от 10 до 30 минут. Желательно для уменьшения времени травления покачивать блистер, чтобы раствор перемешивался и был свежим в местах контакта с фольгой;
• визуально наблюдаем за процессом травления: сначала начинают стравливаться участки фольги на краях платы и возле просверленных отверстий за счет того, что раствор в этих местах контактирует с фольгой не только на плоскости, но и на срезе фольги;
• когда вся лишняя фольга стравится, аккуратно сливаем раствор в емкость для последующего использования или утилизации;
• блистер с фольгой помещаем под струю теплой воды и тщательно промываем (в перчатках!) блистер и плату. Следим за тем, чтобы остатки раствора активно разбавлялись водой, прежде чем попасть в раковину, иначе останутся желтые пятна! Можно для начала поместить блистер в непищевую емкость с водой и начать в ней промывку;
• промывать плату нужно в растворе любого моющего средства или мыла, для этого можно использовать поролоновую губку, смоченную водой и моющим средством;
• окончательно промываем плату теплой водой, затем сушим ее бумажными салфетками;
• удаляем защитный слой, нанесенный фломастером, с помощью спиртового раствора, нанесенного на губку или тряпку: протираем плату несколько раз, пока защитный слой не будет удален полностью;
• еще раз тщательно промываем плату с моющим средством и высуши (см. выше). Если есть сомнения, попал ли на плату жир с рук или откуда либо еще, следует еще раз зачистить и обезжирить плату. После этого не нужно касаться фольги руками.  Плата почти готова!

 Лужение проводников платы (необязательный, но желательный процесс)

• Покрываем проводники платы слоем спиртоканифольного флюса (СКФ) или нейтрального флюса ЛТИ-120;
• лужение производится хорошо прогретым паяльником с плоским жалом;
• погружаем жало паяльника в канифоль, затем берём на него немного припоя и прикладываем жало к дорожке;
• держим жало несколько секунд – так, чтобы припой начал стекать с жала и растекаться по прогретому проводнику, и медленно продвигаем жало вдоль проводника, при этом припой должен тянуться за жалом и покрывать дорожку. Не надо втирать припой в дорожку: он растекается по ней сам, если дорожка достаточно прогрета. Скорость движения жала подбирается опытным путем.
• Не следует держать жало паяльника на одном и том же участке платы дольше нескольких секунд: в противном случае медный проводник может отклеиться от платы;
• отверстия должны оставаться свободными от припоя. Если припой закрыл отверстие, надо очистить жало паяльника, окунуть его в канифоль и приложить жало к такому отверстию;
• подобным образом надо облудить все дорожки на плате.

 Проверяем, правильно ли получились дорожки.  Если ошибки все же есть, их можно исправить, перерезав ненужные дорожки острым ножом или напаяв вместо отсутствующих кусочки провода.

Теперь плата готова к установке и пайке компонентов.

Описание работы схемы

Рассмотрим схему нашей конструкции.

Схема построена на базе известной микросхемы NE555. Микросхема включена по классической схеме генератора, частота которого определяется ёмкостью С1 и сопротивлением между выводом «2» микросхемы и «+» питания. При нажатии кнопок SW1…SW8 в частотозадающую цепь микросхемы включаются разные подстроечные сопротивления – соответственно, динамик BA1 издаёт звуки различной тональности. В результате даже на таком элементарном музыкальном инструменте можно исполнить многие простые мелодии.

Настройка инструмента производится подстроечными резисторами VR1…VR8.

Схема электрическая принципиальная:

Монтажная схема (вид со стороны деталей):

 Нам потребуются следующие детали, которые можно приобрести в магазине радиотоваров; все эти детали входят в состав набора NN201:

Монтаж и пайка платы

• устанавливаем на плату все компоненты, ориентируясь на список и монтажную схему;
• обращаем внимание на правильную ориентацию микросхемы (ключ в виде полукруглой выемки в верхней части микросхемы должен быть ориентирован так, как указано на монтажной схеме) и электролитического конденсатора (минусовой вывод отмечен на его корпусе серой полосой и знаком «-»; на монтажной же схеме указан вывод «+» конденсатора);
• чтобы детали не выпадали из печатной платы, загнём их выводы со стороны токоведущих дорожек;
• обрезаем выводы компонентов. В идеале вывод не должен выступать более чем на 2-3 мм от оси отверстия.
• припаиваем все выводы;
• проверяем качество пайки: отсутствие непропаяных выводов и паразитных замыканий, при необходимости устраняем замеченные ошибки.

Включение и настройка

Подключаем к схеме динамическую головку и батарею типа «Крона». Если плата изготовлена верно, и пайка произведена безошибочно, то при нажатии на каждую из кнопок динамик должен воспроизводить звук. Теперь осталось настроить подстроечными резисторами VR1-VR8 тональность звучания каждой из восьми кнопок, ориентируясь на настоящее пианино или синтезатор (можно установить на телефон или планшет соответствующую программу) или собственный слух.

Настройку следует начинать с резистора VR8. Он соответствует самому высокому тону. Нажимаем кнопку SW8 и вращаем тонкой отверткой резистор VR8. Звук из динамика должен соответствовать какой-нибудь ноте второй октавы, например До. Следующая нота должна быть полутоном ниже – Си первой октавы. Нажимаем кнопку SW7 и вращаем резистор SW7, следующая нота – ниже на тон, и так далее с каждой кнопкой. После настройки всех восьми нот получится полная октава.

Теперь можно насладиться результатом работы и попробовать сыграть несколько простых мелодий!

Приложение: фотогалерея процесса травления платы

1. Зачищенная плата с отверстиями.

2. Плата с нанесенным фломастером рисунком проводников.

3. Плата в блистере с раствором хлорного железа сразу после погружения. Температура раствора около 45 градусов.

4. Начало процесса травления - первыми подтравливаются края платы и плата вокруг отверстий (примерно через 5 мин.).

5. Продолжение процесса - примерно через 10 мин. Не забываем покачивать блистер для ускорения травления.

6. Травление почти закончено, остались небольшие участки с тонким слоем фольги. Примерно через 15 мин.

7. Травление закончено. Примерно через 20 мин.

8. Отмытая плата до удаления следов фломастера

9. Следы фломастера удалены, проводники еще не луженые.

10. На проводники нанесен флюс, после чего они облужены.

11. Проводники облужены, флюс отмыт. Плата готова к установке и пайке компонентов.

12. Вид со стороны пайки после установки компонентов.

13. Устройство собрано.