Lekce 1 - Arduino - Nepájivé pole a desky plošných spojů
Vítejte u prvního dílu Arduino tutoriálu, ve kterém si postupně představíme jednotlivé hardwarové komponenty a ukážeme si, jak je používat.
Dnes si vysvětlíme, co je nepájivé pole a deska plošných spojů. Řekneme si, k čemu slouží a jak s nimi efektivně pracovat. Nastíníme si rovněž, jak probíhá proces výroby plošného spoje. Dozvíme se, co všechno k tomuto účelu potřebujeme. A v neposlední řadě zmíníme, jaké by mělo být vybavení naší dílny pro pohodlnou a bezpečnou práci.
Než se ale pustíme do dnešního tématu, uveďme si základní požadavky k úspěšnému absolvování kurzu.
Minimální požadavky kurzu
Pro úspěšné zvládnutí tohoto kurzu doporučujeme absolvovat kurz Arduino - Programovací jazyk, kde si vysvětlujeme, jak programovat ve frameworku Wiring. Tyto znalosti se nám pak budou hodit k programování různého hardwaru, jako jsou například displeje, motory, různé senzory a další komponenty Arduina. Výhodou je také základní znalost elementární práce s hardwarem.
Nepájivé pole
Nepájivé pole (anglicky breadboard) je pomůcka sloužící k navrhování prototypů elektrických obvodů:
Obrovská výhoda nepájivého pole spočívá v tom, že součástky nemusíme fyzicky pájet. Jelikož nejsou v obvodu přidělané napevno, je možno je v případě potřeby pohodlně odebrat, nebo vyměnit za jiné. Nepájivé pole se často využívá při testu funkčnosti součástek, či celého elektrického obvodu. Teprve poté, co jsme si vše vyzkoušeli, můžeme přistoupit k zhotovení desky plošného spoje a přidělat v něm součástky napevno.
Konstrukce
Nepájivé pole tvoří plastová izolační deska s otvory o velikosti 2,54 mm, do nichž komponenty vkládáme. Uchycení součástek zajišťují kontaktní hřebíky s pružinkami. Jak bylo zmíněno, v případě potřeby je možné součástku z otvoru vytáhnout a vyměnit za jinou.
Pokud by nám u některého zapojení hřebíky nestačily, můžeme místo nich použít jakýkoliv propojovací drátek z vodivého materiálu, který se vejde do otvoru a otvory jím propojit. Drátky samozřejmě můžeme, stejně jako součástky, kdykoliv vytáhnout a odstranit.
Kontakty nepájivého pole jsou propojeny vždy vertikálně, tedy ve sloupci, který na obrázku níže označují zelená pole. Naopak plus a mínus, označené červenými a černými poli, jsou propojeny v řadě, tedy horizontálně:
Abychom mohli využívat celé nepájivé pole, stačí vzít kousek vodiče a propojit jím jednotlivé strany, které na obrázku označují písmena E a F.
Nevýhody
Nepájivé pole má ovšem také své nevýhody. Jednou z nich je nestabilita zapojení. Pokud bychom takto sestavený obvod chtěli prakticky použít, musíme jej zapojit "napevno", ideálně na desku plošného spoje.
Další nevýhodou nepájivého pole je jeho nekompatibilita se SMD součástkami. Ty totiž nemají vývody, které by bylo možné do nepájivého pole zapojit.
Na obrázku níže vidíme rozdíl mezi červeně označenými SMD součástkami a černou THT komponentu:
Více o těchto součástkách si povíme v některé z následujících lekcí.
Deska plošných spojů
Deska plošných spojů slouží k osazení elektronických součástek. Zespoda plošného spoje jsou všechny piny komponent propojeny vodivým materiálem, nejčastěji mědí. Do vytvořených pinů se vyvrtají otvory vrtákem tak, aby všechny součástky prošly skrz. Jakmile jsou součástky v plošném spoji usazeny, pájí se vodivým materiálem, nejčastěji cínem, čímž jsou napevno zapojeny. K pájení součástek se používá mikropájka, která může vypadat takto:
Konstrukce
Deska plošných spojů je vyrobena z izolačního materiálu a je z jedné či obou stran osazena plochými vodiči. Izolačním materiálem desky bývá obvykle laminát, vodiče jsou nejčastěji z mědi.
Použití
Desku plošných spojů použijeme až poté, co jsme otestovali náš prototyp zapojení na nepájivém poli a jsme si jisti, že funguje. Zapojení se tím stane stabilním a bude připraveno k integraci do výsledného produktu.
Výroba plošného spoje
Plošný spoj je primárně složen z izolační desky. Tato deska je opatřena z jedné nebo z obou stran měděnou fólií. Vyrobený plošný spoj může vypadat následovně:
Návrh
Prvním krokem při výrobě desky plošného spoje je návrh. K tomu účelu lze použít speciální počítačový software EAGLE.
Jako první navrhneme v EAGLU schéma našeho plošného spoje. V něm určíme, jak přesně mají být naše součástky zapojeny a jaké komponenty chceme použít.
Jak se v EAGLU detailně pohybovat, je nad rámec tohoto kurzu, avšak na internetu je mnoho návodů a knih, které nám mohou pomoci.
Vytvořené schéma může vypadat například takto:
Board
Když máme všechny součástky zapojeny ve schématu, můžeme z něj vytvořit tzv. board. Board v softwaru EAGLE označuje přesné rozmístění součástek na plošném spoji, určuje také, jak bude plošný spoj veliký a jak budou komponenty propojeny. Ukažme si opět příklad hotového boardu:
Máme-li hotové celé schéma zapojení a připravený board, můžeme se vrhnout na samotnou výrobu plošného spoje.
Rozmístění vodivých cest
V závislosti na tom, zda chceme jen pájet již hotovou desku, nebo ji připravit od samotného návrhu, musíme podniknout příslušné kroky. Máme-li čistý laminát, musíme nějakým způsobem rozmístit všechny cesty a pájecí pole na desce plošných spojů. Pro tento účel se používá tzv. proces leptání desky. Ten zahrnuje také aplikaci ochranné vrstvy, aby nedošlo k narušení mědi umístěné pod ní.
Existuje mnoho způsobů, jak narýsovat cestičky. Nejjednodušší bude nakreslit je fixem nebo vytisknout obraz cestiček na křídový papír a pak je otisknout na destičce.
Leptání desky
Máme-li cesty naneseny, můžeme přejít k samotnému leptání. Desku je třeba vyleptat. K tomuto účelu slouží roztok B327 nebo chlorid železitý. Po ponoření desky do jedné z uvedených látek tato látka odstraní měď ve všech místech, kde jsme neumístili cesty. Jakmile je spoj připraven, musí být řádně chráněn. Za tímto účelem na desku naneseme vrstvu cínu na vrstvu mědi. To lze provést ručně, případně můžeme použít hotové chemické přípravky.
Čerstvě vyrobenou desku je vhodné pokrýt tzv. nepájivou maskou. Jedná se o elektricky inertní chemickou vrstvu, která chrání spoj nejen před oxidací, ale i před náhodným zkratem.
Když je naše deska úspěšně vyrobena, můžeme se pustit do výše popsaného osazování. Při správném osazení součástek podle našeho boardu na nás čeká funkční plošný spoj. V tuto chvíli je použitelný pro jakékoliv osobní, či profesionální účely.
Vybavení prostoru pro výrobu
Před započetím práce se vyplatí připravit si vhodný prostor. Pokud chceme pracovat doma, postaráme se v první řadě o to, aby v místnosti byla konstantní teplota a vlhkost. Podlaha pracovny by měla být antistatická a odolná vůči kontaktu s korozivními látkami.
Stojí za to vybavit se pracovním či profesionálním dílenským stolem, který by z bezpečnostních důvodů měl být uzemněn. Při organizaci pracoviště bychom měli myslet také na úložný prostor a vhodné osvětlení. Pro tyto účely můžeme použít speciální lampy nebo třeba na polici nad pracovním prostorem, namontovat pruh LED diod, který výrazně zlepší osvětlení hlavní pracovní desky.
Co umístit na našem dílenském stole? Prvním zařízením, které nás napadne, bude zřejmě páječka. Vybírat budeme pájecí stanice s možností regulace teploty.
Speciální pozornost věnujeme především výkonu, čím je výkon páječky větší, tím rychleji pájecí hrot dosáhne nastavené teploty.
Doporučujeme také pájecí rohože, které pokládáme na pracovní desku dílenského stolu. Někdy jsou vybaveny malými přihrádkami, které výrazně usnadňují udržování pořádku při pájení a odpájení spojů, s nimiž pracujeme.
U procesu odpájení, kdy z desky plošných spojů odstraňujeme libovolné komponenty, bude užitečný také odsavač cínu a odpájecí páska, běžně nazývaná pletencem. Díky nim budeme schopni snadno odstranit přebytečný cín z pájecího pole, což usnadní demontáž elektronického prvku. Typická a také nejčastěji používaná odsávačka vypadá následovně:
K vytvoření vlastního plošného spoje se může ještě hodit minivrtačka. Chceme-li totiž na desku umístit komponenty s otvory (THT montáž), musíme v je ní nejprve vytvořit. Jejich průměr je obvykle velmi malý, navíc jsou často poměrně hustě rozmístěny, takže je k jejich vyvrtání zapotřebí přesné zařízení. Ruku v ruce s pořízením minivrtačky jde samozřejmě vybavení sadou malých a přesných vrtáků.
Pokud chceme postavit opravdu profesionální dílnu, měli bychom uvažovat spíše o odpájecí stanici. Je však třeba mít na paměti, že taková stanice vyžaduje pravidelné čištění.
V následující lekci, Arduino - Pasivní elektronické součástky, si řekneme, co je to rezistor a kondenzátor. Jde o dvě základní elektronické součástky, jež využijeme v každém elektrickém obvodu. Naučíme se také několik jednoduchých výpočtů, které jsou pro práci s nimi nezbytné.
