У статті розповідається про деякі етапи власноручного виготовлення електронних пристроїв, а особливо докладно по першому етапу: виготовлення друкованої плати. Докладні фото процесу допоможуть розібратися в нюансах. А «на десерт», для закріплення теоретичного матеріалу, ми зберемо найпростіше електронне піаніно на інтегральному таймері NE555.

 

Handmade 1

Пролог

Всі ми є споживачами електронних приладів: телефонів, планшетів, телевізорів і т.п. Але лише один з тисячі приблизно уявляє собі, як це все влаштовано «зсередини», а вже створити електронну конструкцію «з нуля» своїми руками здатні воістину лише обрані. Пропонуємо і вам вступити в клуб обраних. Прочитайте цей матеріал і, якщо він вас зацікавить, спробуйте свої сили в освоєнні рукотворної електроніки!

Той з вас, хто знайде в собі сили прочитати статтю до кінця, може гордо заявити про себе «я щось розумію у виробництві електроніки», а вже той, хто зробить подвиг і подужає збірку пропонованої конструкції, цілком гідний присвоєння звання «справжній електронник»(ну, майже).

Даний майстер-клас базується на наборі NN201, до якого входять деталі і матеріали, необхідні для виготовлення друкованої плати та електронного піаніно. Звичайно, при бажанні всі матеріали та інструменти можна придбати самостійно, тільки доведеться витратити час на пошук і купівлю необхідних компонентів.

Необхідний теоретичний мінімум

Будь-яка електронна конструкція містить десятки, а то й сотні і тисячі компонентів: резистори, конденсатори, діоди, мікросхеми тощо. Всі ці компоненти повинні певним чином електрично і механічно з'єднуватися між собою.

Найпростіші схеми можна паяти «на коліні» навісним монтажем, але така конструкція виходить негарною, заплутаною, має сумнівну механічну жорсткість. Тому в будь серйозної електронної конструкції повинно бути щось на зразок шасі, на якому і монтуються всі деталі. У різні роки шасі виготовлялися і з металу, з картону або фанери, але в останні 20-30 років технологічним стандартом шасі є друкована плата.

Друкована плата - це лист діелектричного матеріалу, на поверхні якого в певної конфігурації нанесені смуги провідного матеріалу (зазвичай фольги). В якості основи найчастіше застосовують склотекстоліт: він не горючий, володіє високими діелектричними властивостями, недорогий. У склотекстоліті свердлять отвори, в які пропускають виводи деталей. На звороті плати виводи припаюють до мідних струмопровідних провідників, які певним чином сконфігуровані. Завдяки пайки здійснюється механічна фіксація компонентів до плати, а завдяки мідним струмопровідним доріжкам виводи деталей електрично з'єднуються між собою.

Звичайно, мідні доріжки-провідники можна в необхідних місцях приклеїти до плати склотекстоліту. Але технологічно простіше зробити навпаки: взяти аркуш текстоліту з вже приклеєним суцільним шаром фольги і видалити фольгу з непотрібних місць.
Видалити фольгу з непотрібних ділянок можна механічним засобом: зробивши гострим ножем прорізи в необхідних ділянках. Однак цей спосіб трудомісткий, травмонебезпечний, і підходить в першу чергу для самих нескладних схем.

Фольгу можна видалити і хімічним способом: достатньо завантажити плату в розчин, який роз'їдає мідь (частіше всього застосовується розчин хлористого заліза). Тільки попередньо потрібно захистити від впливу розчинника ті ділянки міді (майбутні струмоведучі провідники), які необхідно зберегти. В якості такого захисного засобу іноді застосовують лак, але зручніше малювати доріжки спеціальним маркером. Також в практиці електронників широке поширення набула так звана лазерно-прасувальна технологія (ЛПТ). У цьому методі малюнок майбутніх струмоведучих провідників друкується на лазерному принтері на спеціальному папері. Потім папір прикладають до заготівлі склотекстоліти і пропрасовують цей «бутерброд» праскою: в результаті частки тонера (фарби) залишаються на заготівці і в подальшому не будуть протравлені розчинником.

Процес видалення фольги називається травленням. Травлення триває, залежно від концентрації і температури розчину, від декількох хвилин до години. Після закінчення процесу плату промивають водою і видаляють захисний розчин, під яким повинні залишитися мідні провідники.
Потім проводиться свердління отворів під виводи компонентів. Зазвичай використовуються мікродрелі і свердла діаметром 0.8 ... 1 мм. Мідь швидко окислюється на повітрі, і це ускладнює її пайку. Тому безпосередньо перед паянням плату необхідно як мінімум зачистити дрібною шкіркою, знявши тим самим шар окислів. Але найкраще покрити мідні провідники захисним складом - шаром припою. Такий процес називається лудінням, і це дозволяє зберегти високу ступінь придатності плати до пайки протягом декількох років.

У виробничих умовах поверх струмоведучих доріжок наноситься також так звана паяльна маска - шар захисного матеріалу. Цей шар захищає струмоведучі доріжки від випадкових замикань і пошкоджень. Тільки контактні площадки залишаються вільними від маски, що дозволяє легко проводити їх пайку.

Ще один техпроцес - шовкографія – мається на увазі нанесення на «лицьову» сторону плати спеціальною фарбою позначень і написів. Це спрощує життя монтажникам і фахівцям з її ремонту.
Але в домашніх умовах здійснити процеси нанесення паяльної маски і шовкографії складно, тому ми цього робити не будемо.

Все, друкована плата готова. Після цього на плату монтуються всі компоненти, а потім припаюються. Потім виготовлена конструкція настроюється і тестується. На сучасних фабриках більшість цих процесів виконують промислові роботи, але ми - люди, тому все будемо робити своїми руками.

Довгоочікувана практика

Набагато цікавіше робити не просто нудну друковану плату, а плату, на основі якої можна зібрати практичний і корисний пристрій. Ми робитимемо найпростіший електромузичний інструмент - іграшкове піаніно з 8 клавішами.

Матеріали і компоненти, які нам знадобляться:

  • заготівка фольгованого склотекстоліту розмірами не менш 10 × 15 см;
  • маркер (краще лаковий) або лак для нігтів для захисту струмоведучих доріжок (маркер можна знайти в магазинах канцтоварах, а лак запозичити у мами / подруги / дружини);
  • хлорне залізо - порошку вагою 100 грам вистачить позаочі;
  • дриль і свердла діаметром 0.8, 1.0 і 1.2 мм;
  • неметалічна ванночка (глибока миска) - у неї повинна поміститися наша заготівка. Краще знайти якусь стару непотрібну ємність, тому що після наших експериментів її напевно припаде викинути або продовжувати використовувати для травлення;
  • гумові рукавички для захисту наших рук від розчину.

Відзначимо, що в набір NN201 входить заготівка з вже просвердленими отворами, спеціальний фломастер і красива червона баночка з хлорним залізом вагою 100г. Набір поставляється в пластиковому блістері, який служить відмінною ванночкою для травлення!
Для пайки потрібні:

  • паяльник, бокорізи, припій, флюс;
  • радіодеталі, список яких наводиться нижче.

Все необхідне можна відшукати в магазинах радіотоварів або госптоварів.

Схема-шаблон розташування струмоведучих провідників друкованої плати (вигляд з боку фольги):

Handmade 2

Підготовка друкованої плати до травленню

Зачищаємо плату з боку шару міді дрібнозернистим наждачним папером (в крайньому випадку, підійде грубий чорнильний ластик) і знежирюємо спиртом або бензином;
Прикладаємо шаблон до друкованої плати і свердлимо в необхідних точках отвори;
Наносимо маркером малюнок провідників і майданчиків для пайки деталей, орієнтуючись на монтажну схему і просвердлені отвори, намагаючись не надто сильно «заляпати» руками фольгу (тому бажано працювати в капронових рукавичках). У разі помилок маркер легко змивається спиртовими розчинами. Розміри контактних майданчиків під виводи деталей можна зробити побільше (там, де дозволяє місце).
Зручно наносити малюнки за допомогою лінійки, у два шари. Після нанесення малюнків треба дати платі просохнути протягом 10 хвилин, потім оглянути плату і виправити можливі помилки: домалювати там, де шар вийшов тонкий, і пошкребти шилом або товстою голкою місця помилкового злиття доріжок або контактних майданчиків.

Приготування розчину і запобіжні заходи

Тепер слід приготувати розчин хлорного заліза. Для цього 100 грамів хлорного заліза треба розмішати приблизно в 200-250 грамах (один стакан) теплої води. Не обов'язково відміряти все з точністю до грама: процес піде і при дещо іншому співвідношенні хлорного заліза і води, треба тільки врахувати, що від концентрації розчину і його температури залежить час травлення плати.
Під час приготування розчину треба дотримуватися основних правил безпеки:

  • працювати в гумових рукавичках в провітрюваному приміщенні!;
  • не нахилятися близько до розчину: виділяються шкідливі пари!;
  • потрапляючи на предмети, розчин залишає незмивні іржаві плями, тому слід вжити заходів, щоб порошок або розчин не потрапляли на навколишні предмети!;
  • готувати розчин слід в скляному або пластиковому посуді, але тільки не в металевому, його розчин буде роз'їдати!;
  • розмішувати розчин слід пластиковими (дуже зручні одноразові ложки) або дерев'яними предметами (непотрібний олівець);
  • оптимальна температура розчину - 45-50 градусів;

Тепер все готово до процесу травлення плати.

Травлення плати

  • Заливаємо в ємність розчин хлорного заліза;
  • обережно розташовуємо плату фольгою догори в розчин таким чином, щоб розчин із запасом 5-7 мм покривав всю плату;
  • тривалість процесу залежить від температури і концентрації розчину і займає від 10 до 30 хвилин. Бажано для зменшення часу травлення похитувати блістер, щоб розчин перемішувався і був свіжим в місцях контакту з фольгою;
  • візуально спостерігаємо за процесом травлення: спочатку починають стравлюватись ділянки фольги на краях плати та біля просвердлених отворів за рахунок того, що розчин в цих місцях контактує з фольгою не тільки на площині, а й на зрізі фольги;
  • коли вся зайва фольга стравилась, обережно зливаємо розчин в ємність для подальшого використання або утилізації;
  • блістер з фольгою поміщаємо під струмінь теплої води і ретельно промиваємо (в рукавичках!) блістер і плату. Стежимо за тим, щоб залишки розчину активно розводились водою, перш ніж потрапити в раковину, інакше залишаться жовті плями! Можна для початку помістити блістер в нехарчову ємність з водою і почати в ній промивку;
  • промивати плату потрібно в розчині будь-якого миючого засобу або мила, для цього можна використовувати поролонову губку, змочену водою і миючим засобом;
  • остаточно промиваємо плату теплою водою, потім сушимо її паперовими серветками;
  • видаляємо захисний шар, нанесений фломастером, за допомогою спиртового розчину, нанесеного на губку або ганчірку: протираємо плату кілька разів, поки захисний шар не буде видалений повністю;
  • ще раз ретельно промиваємо плату з миючим засобом і висушуємо (див. вище). Якщо є сумніви, чи потрапив на плату жир з рук або звідки не будь ще, слід ще раз зачистити і знежирити плату. Після цього не потрібно торкатися фольги руками. Плата майже готова!

Лудіння провідників плати (необов'язковий, але бажаний процес)

  • Покриваємо провідники плати шаром спирто-каніфольного флюсу (СКФ) або нейтральним флюсом ЛТИ-120;
  • лудіння проводиться добре прогрітим паяльником з плоским жалом;
  • занурюємо жало паяльника в каніфоль, потім беремо на нього трохи припою і прикладаємо жало до доріжки;
  • тримаємо жало кілька секунд - так, щоб припій почав стікати з жала і розтікатися по прогрітому провіднику, і повільно просуваємо жало уздовж провідника, під час цього припій повинен тягнутися за жалом і покривати доріжку. Не треба втирати припій в доріжку: він розтікається по ній сам, якщо доріжка досить прогріта. Швидкість руху жала підбирається дослідним шляхом.
  • Не слід тримати жало паяльника на одній і тій же ділянці плати довше декількох секунд: бо мідний провідник може відклеїтися від плати;
  • отвори повинні залишатися вільними від припою. Якщо припій закрив отвір, треба очистити жалом паяльника, занурити його в каніфоль і прикласти жало до такого отвору;
  • подібним чином треба залудить всі доріжки на платі.

Перевіряємо, чи правильно вийшли доріжки. Якщо помилки все ж є, їх можна виправити, перерізавши непотрібні доріжки гострим ножем або напаяти замість відсутніх шматочки дроту.

Тепер плата готова до установки і пайку компонентів.

Опис роботи схеми

Розглянемо схему нашої конструкції.
Схема побудована на базі відомої мікросхеми NE555. Мікросхема включена за класичною схемою генератора, частота якого визначається ємністю С1 і опором між виводом «2» мікросхеми та «+» живлення. У разі натисканні кнопок SW1 ... SW8 в частотнозадаючий ланцюг мікросхеми вмикається різні змінні опори - відповідно, динамік BA1 видає звуки різної тональності. У результаті навіть на такому елементарному музичному інструменті можна виконати багато простих мелодій.
Налаштування інструменту проводиться налаштуванням резисторів VR1 ... VR8.
Схема електрична принципова:
Handmade 3

Монтажна схема (вигляд з боку деталей):
Handmade 4

Нам потрібні наступні деталі, які можна придбати в магазині радіотоварів:

1. IC1 (мікросхема) NE555P - 1 шт.
2. C1 (конденсатор електролітичний) 10 мкФ - 1 шт.
3. C2 (конденсатор керамічний) 0.1 мкФ - 1 шт.
4. R1, R2 (резистори постійні) 10 кОм 0.25 Вт - 2 шт.
5. SW1-SW8 (кнопки) B3F4005 - 8 шт.
6. R3-R10 (резистори змінні) 3362P-1-103LF - 8 шт.
7. SP1 (динамік) 0.5 Вт 8 Ом - 1 шт.
8. B1 (клеми батареї) - 1 шт.

Монтаж і пайка плати

  • встановлюємо на плату всі компоненти, орієнтуючись на перелік і монтажну схему;
  • звертаємо увагу на правильну орієнтацію мікросхеми (ключ у вигляді напівкруглої виїмки у верхній частині мікросхеми повинен бути орієнтований так, як зазначено на монтажній схемі) і електролітичного конденсатора (мінусовій вивід позначений на його корпусі сірою смугою і знаком «-»; на монтажній ж схемою вказаний висновок «+» конденсатора);
  • щоб деталі не випадали з друкованої плати, загинаємо їх виводи з боку струмоведучих доріжок;
  • обрізаємо виводи компонентів. В ідеалі вивід не повинен виступати більше ніж на 2-3 мм від осі отвору.
  • припаюємо всі виводи;
  • перевіряємо якість пайки: відсутність не запаяних виводів і паразитних замикань, за необхідності усуваємо помічені помилки.

Включає і настроює

Підключаємо до схеми динамічну головку і батарею типу «Крона». Якщо плата виготовлена вірно, й пайка проведена безпомилково, то при натисканні на кожну з кнопок динамік має відтворювати звук. Тепер залишилось налаштувати змінні резистори VR1-VR8 тональність звучання кожної з восьми кнопок, орієнтуючись на даний піаніно або синтезатор (можна встановити на телефон або планшет відповідну програму) або власний слух.
Налагодження слід починати з резистора VR8. Він відповідає найвищому тону. Натискаємо кнопку SW8 і обертаємо тонкою викруткою резистор VR8. Звук з динаміка повинен відповідати який-небудь ноті другої октави, наприклад До. Наступна нота повинна бути півтону нижче - Сі першої октави. Натискаємо кнопку SW7 і обертаємо резистор SW7, наступна нота - нижче на тон, і так далі з кожною кнопкою. Після налаштування всіх восьми нот вийде повна октава.
Тепер можна насолодитися результатом роботи і спробувати зіграти кілька простих мелодій!

Додаток: фотогалерея процесу травлення плати

1. Зачищена плата з отворами.
Handmade 5

2. Плата з нанесеним фломастером малюнком провідників.
Handmade 6

3. Плата у блістері з розчином хлорного заліза відразу після занурення. Температура розчину близько 45 градусів.
Handmade 7

4. Початок процесу травлення - першими затруює краї плати та плата навколо отворів (приблизно через 5 хв.).
Handmade 8

5. Продовження процесу - приблизно через 10 хв. Не забуваємо похитувати блістер для прискорення травлення.
Handmade 9

6. Травлення майже закінчено, залишилися невеликі ділянки з тонким шаром фольги. Приблизно через 15 хв.
Handmade 10

7. Травлення закінчено. Приблизно через 20 хв.
Handmade 11

8. відмита плата до видалення слідів фломастера
Handmade 12

9. Сліди фломастера видалені, провідники ще не залужені.
Handmade 13

10. На провідники нанесено флюс, після чого вони залужені.
Handmade 14

11. Провідники залужені, флюс відмитий. Плата готова до установки й пайки компонентів.
Handmade 15

12. Вид з боку пайки після установки компонентів.
Handmade 16

13. Пристрій зібрано.

Handmade 17