Продолжение переводов руководства для начинающих от SparkFun [1]. Читатель, который не умеет обращаться с паяльником (среди программистов это бывает!), получит из этой статьи общие базовые сведения по пайке радиолюбительских конструкций. Если пайка для Вас не новость, то можете эту статью пропустить.
Скажите вместе со мной - "да, Я действительно могу спаять это". И на самом деле, Вы действительно можете сами спаять Ваш первый макет на микроконтроллере и многое другое. Для начала поучимся паять обычную плату со сквозными отверстиями, куда вставляются выводы радиодеталей. Перед тем, как начать, следует усвоить основные правила пайки:
• Правило 1: Паяльники (очень!) горячие. Не тыкайте паяльником в соседа по лаборатории, и не брызгайте в его глаза расплавленным припоем (совсем без шуток - я был свидетелем печального несчастного случая, когда пришлось вызывать скорую помощь, чтобы увезти парня в глазное отделение больницы. Это опасно, так что будьте внимательны!). • Правило 2: Понадобится влажная губка. Пусть это покажется парадоксальным, но просто сделайте это (прим. переводчика: хммм... за многолетнюю радиолюбительскую практику никогда не использовал ничего подобного, для очистки жала мне было достаточно сухой тряпки. Похоже, что я был неправ). Терпеть не могу смотреть на то, как люди портят свой паяльник, потому что они слишком ленивы, чтобы смочить губку. Эта мокрая губка используется для очистки нагара, который образуется на жале паяльника. Сухая губка повреждает нагретое жало. Каждый раз, когда Вы вынимаете паяльник из держателя паяльной станции, хорошей идеей будет провести жалом паяльника по губке и получить чистое блестящее жало - это позволит паять намного быстрее и чище. • Правило 3: Кончик жала паяльника - не самая горячая его часть. Это требует некоторой практики, но старайтесь при пайке использовать боковую сторону жала паяльника. Это нужно для того, чтобы тепло быстрее перетекало от паяльника в место пайки, и припой расплавлялся быстрее. Если делать операцию пайки медленно, то это может повредить плату (может отслоиться дорожка) или перегреть чувствительный к нагреву радиокомпонент. Старайтесь по возможности использовать жало подходящего диаметра, не пытайтесь паять крупные точки пайки тонким жалом, предназначенным для мелких деталей SMD. Если держите жало паяльника в точке пайки несколько секунд, но припой не плавится и не течет, вернитесь обратно - очистите жало паяльника, смочите место пайки жидким неактивным флюсом, добавьте на жало паяльника немного припоя и попробуйте сделать пайку снова. • Правило 4: В момент пайки паяльник должен касаться деталей только для их нагрева, а не для того, чтобы их облудить. Звучит несколько парадоксально. На самом деле это значит две вещи - во-первых, паяемые поверхности должны иметь качественное лужение, чтобы расплавленный припой мог хорошо смочить паяемые детали, и пайка получилась качественной. Во вторых, пайку лучше всего делать следующим образом - сначала нужно поместить в место пайки жало и нагреть паяемые детали, затем добавить припой к нагретым частям, и затем убрать жало паяльника. Не добавляйте припой на жало паяльника, и не трите жалом те места, которые паяете. Не прилагайте при пайке никаких механических усилий. И еще раз - старайтесь использовать для нагрева боковую сторону жала (вовсе не его кончик). • Правило 5: Отбросьте перфекционизм как зло. Если Вы запаяли соединение на печатной плате, и оно выглядит качественным, то оставьте его таким, как есть. Не нагревайте повторно место пайки, не перепаивайте соединения на печатной плате по несколько раз. Циклы нагрева и охлаждения являются для печатной платы PCB (printed circuit board) дополнительными стрессовыми нагрузками. Если перепаивать плату, то Вы расслоите плату, испортите маску, у Вас отслоятся токоведущие дорожки и контактные площадки, в результате Вы уничтожите печатную плату. Делайте это только для забавы в свободное время. • Правило 6: Возможно это правило прозвучит поначалу для Вас непонятно, но постарайтесь его запомнить. Когда паяете детали, которые имеют значительную тепловую емкость (имеют массивные металлические поверхности, например пайка касается заливки медью или среднего вывод стабилизатора 7805 в корпусе TO-220), то нагрейте сначала место пайки в течение дополнительных 5..10 секунд. Когда Вы паяете массивную деталь или контактную площадку, которая окружена медью (чаще всего бывает с соединениями шины GND), эти дополнительные секунды требуются для распространения тепла от жала паяльника в место пайки, чтобы паяемые поверхности получили нужную температуру, и хорошо сформировалось паяное соединение. Если Вы замечаете, что жало паяльника "прилипает", и припой не плавится, а образует кашицу или собирается в капли, вместо того чтобы растечься по соединению, то это вызвано тем, что какая-то из поверхностей пайки недостаточно горячая. Удержите паяльник в месте пайки на несколько дополнительных секунд, и позвольте припою хорошо растечься.
Прим: переводчика: иногда для дополнительного нагрева при пайке массивных деталей используют второй паяльник, или даже нижний подогрев платы с помощью специальной печки.
Вот еще правила, которые ИМХО стоит добавить:
• Правило 7: поддерживайте нужную температуру жала паяльника, соответствующую температуре плавки припоя. Недогретое жало приводит к некачественной пайке, перегретое жало чревато порчей платы и паяемых деталей, повышенным выделением дыма и быстрым износом жала паяльника. Лучше всего пользоваться паяльником с регулятором температуры, или купить недорогую паяльную станцию - Вы получите удовольствие от процесса пайки! • Правило 8: пары свинца от припоя и дым от канифоли или флюса не прибавят Вам здоровья. Устройте рядом с местом пайки небольшую вытяжку дыма с вентилятором - это совсем несложно.
Ниже в коротком видео показано, как очищать жало паяльника, как запаивать компонент со штыревыми выводами, и как отрезать лишние части выводов компонента.
[Паяльное оборудование]
На фото показана дешевая паяльная станция Sunkko, которая стоит меньше $100. Она позволяет качественно паять даже бессвинцовым припоем, и в комплекте есть дополнительные сменные жала разного размера. На этой паяльной станции нет цифровой индикации температуры жала, но для домашних целей простой ручки регулятора температуры вполне достаточно. Для пайки свинцовым припоем я ставлю температуру жала около 350oC. Обратите внимание, что моя губка для очистки жала влажная!
На этом фото Вы видите холодное жало паяльника. Часть, которая выходит из нагревательного элемента, окислилась из-за сильного нагрева, но это не мешает пайке, поскольку рабочая часть жала остается облуженной. Это жало я применяю для пайки радиодеталей SMD, и оно работает очень хорошо!
А это моя катушка с трубчатым оловянно-свинцовым припоем (внутри трубки припоя содержится канифольный флюс). Я принес его с работы, потому что:
1. Этот припой содержит свинец, а в производстве мы используем бессвинцовые припои. 2. Трубчатый припой диаметром 0.020 дюйма слишком тонкий для использования на производстве. Из-за тонкого припоя сборщики вынуждены при пайке крупных соединений (наподобие проводов и контактов разъемов DB9) тратить больше усилий и отмерять для каждой пайки больше припоя.
Чем припой тоньше, тем проще контролировать его количество при пайке мелких соединений. Однако толщина припоя для домашней пайки радиосхем не имеет большого значения, подойдет практически любой легкоплавкий припой. Просто не покупайте припой в хозяйственном магазине, который предназначен для механического ремонта - этот припой слишком толстый.
Припой на фото марки SN63PB37. Это означает, что он на 63% состоит из олова и на 37% из свинца. Внутри трубки припоя находится канифольный флюс, который при пайке плавится вместе с припоем, заливает паяемые поверхности, растворяет окислы и способствует качественному смачиванию припоем мест пайки. Во время пайки флюс интенсивно испаряется и получается дым, который в небольших количествах безвреден. Я часто видел, что канифольный дым раздражает некоторых людей, но я ни разу не слышал, чтобы от него были проблемы. Если сомневаетесь, то откройте окно, когда паяете, или приспособьте сбоку вентилятор или вытяжку.
Внимание: помните, что свинец и его пары канцерогенны, поэтому не ешьте припой. Перед едой тщательно мойте руки, и с Вами ничего не случится.
Примечание: показанная на фото катушка припоя имеет гарантийный срок хранения до 2020 г., и стоит $18.95. Наличие срока годности должно говорить мне, что после некоторого времени припой может прийти в негодность по какой-то неведомой причине. Почему так на самом деле - у меня нет никаких идей. Возможно, что качество флюса может как-то пострадать, но мне кажется этот припой будет служит верой и правдой еще очень и очень много лет вперед.
На этом фото показано разогретое жало паяльника, на котором находится окисленная капля припоя. Таким жалом лучше не паять.
Если быстро дважды провести горячим жалом паяльника по влажной губке, то оно очистится и станет блестящим. Это именно то, что нужно для качественной пайки! Держите конец Вашего паяльника чистым и блестящим. Очищайте его как можно чаще, возьмите за привычку вытирать его об губку каждый раз, когда снимаете паяльник с держателя паяльной станции. Добавьте на кончик жала немного припоя, чтобы увеличить скорость распространения тепла от жала до нагреваемых поверхностей пайки. Прим. переводчика: ускоренному нагреву места пайки способствует смачивание паяемых поверхностей жидким флюсом (неактивным спиртоканифольным или флюсом типа 'no-clean').
Это базовые принципы. Но пайка требует практики! Давайте рассмотрим процесс пайки на конкретном примере.
[Пайка на примере платы RS232 Shifter board]
Чтобы попрактиковаться, соберем вот такую плату:
Эта платка функционально является эквивалентом MAX232, используя для преобразования уровней (перевод уровней RS-232 в TTL и обратно) грязные трюки, не предусмотренные стандартом RS232. Это может сэкономить несколько центов по сравнению с использованием полноценной микросхемы MAX232. Прим. переводчика: другие варианты подключения микроконтроллера к компьютерному RS-232 без использования MAX232 (даже гальванической с оптронной развязкой!) см. по ссылке [2].
RS232 Shifter board лучше стандартной микросхемы MAX232 в корпусе DIP только потому, что она немного дешевле, и может работать при напряжении питания от 2.5V (сравните с MAX232, она работает только от 5V). Недостатки RS232 Shifter board:
• RS232 Shifter board не предоставляет стандартных уровней RS232 +/-12V (shifter board дает выходные сигналы только уровней от -3V до +5V). На современных компьютерах эта проблема скорее всего не проявится, потому что современные драйверы RS232 разработаны так, что будут работать даже с самой некачественной аппаратурой. Поэтому несмотря на то, что RS232 Shifter не предоставляет стандартные уровни RS232 +/-12V, компьютер все равно сможет нормально принять и передать данные. • RS232 Shifter board не может работать на скоростях выше 115200 bps (некоторые микросхемы MAX232 могут работать со скоростями до 1 мегабит в секунду). Это нельзя считать серьезным недостатком, потому что Windows не может качественно обрабатывать скорости передачи выше 115200 bps. • RS232 Shifter board обеспечивает прохождение только сигналов TX и RX, тогда как MAX232 может пропускать через себя 4 сигнала TX, RX, CTS, RTS (CTS и RTS дополнительные сигналы, которые иногда применяются для управления потоком данных, так называемый hardware flow control). По поводу этого недостатка можно сказать, что аппаратное управление потоком CTS/RTS встречается довольно редко, и Вы скорее всего не будете это использовать. Если же сигналы CTS и RTS нужны, то можно использовать схему RS232 Shifter дважды, поскольку она очень простая.
Набор для сборки RS232 Shifter board содержит все необходимые детали, остается только правильно их спаять.
Резисторы со штыревыми выводами обычно имеют для маркировки номинала цветовое кодирование с помощью полосок на корпусе. Резисторы для поверхностного монтажа (Surface Mount Device, SMD) имеют на корпусе читаемую текстовую маркировку номинала. Я не люблю расшифровывать цветные полоски на резисторах, и вместо этого для определения номинала резистора использую тестер. В наборе 4 резистора на 10 кОм, и 2 резистора на 220 Ом. Печатная плата RS232 Shifter board имеет соответствующую маркировку белой шелкографией, которая позволяет легко найти места установки резисторов.
Резисторы не имеют полярности для подключения, и могут быть установлены на печатную плату в любом направлении. Перед установкой изогните выводы резисторов под прямым углом. После того, как установите выводы резисторов в отверстия платы, загните концы выводов резисторов с обратной стороны платы в разные стороны, чтобы резисторы хорошо держались. Затем с помощью паяльника выполните пайку выводов резисторов с обратной стороны платы.
Когда паяете вывод резистора, удерживайте жало паяльника в месте пайки (где вывод резистора выходит на обратную сторону платы), и затем поднесите к этому месту трубочку припоя. Припой должен оплавиться, и равномерно залить место пайки. Если это не так, переориентируйте жало паяльника, чтобы тепло эффективнее перетекало в место пайки. Паять совсем несложно, нужно просто немного попрактиковаться. После того, как запаяли два вывода резистора, откусите торчащие концы выводов бокорезами.
Обратите внимание, как небольшой горбик припоя перетек с обратной стороны платы на сторону установки деталей? Это показывает хорошее качество пайки. Было использовано достаточно припоя, чтобы он заполнил все полости сквозного металлизированного отверстия в месте пайки выводов компонента.
В наборе также имеется один диод, который нужно установить на плату в правильной полярности. Как показано на картинке выше, черная линия на диоде соответствует белой линии на маркировке шелкографией.
Некоторые компоненты, такие как транзисторы и микросхемы со штыревыми выводами, могут после монтажа возвышаться над поверхностью печатной платы. Но запаивать диод, когда он высоко стоит над платой - плохая идея. Удостоверьтесь, что диод практически лежит на поверхности платы, и припаяйте его. Запаяйте также все оставшиеся резисторы.
На фото показано, как все резисторы и диод должны быть запаяны, и лишние выступающие части выводов обрезаны. Обратите внимание, что возле мест пайки осталось некоторое количество флюса, который выплавился из трубчатого припоя в момент пайки. Это прозрачное вещество желтоватого цвета, слегка липкое на ощупь. На производстве после сборки эти остатки флюса счищаются специальной очищающей жидкостью или медицинским спиртом. Иногда флюс имеет в своем составе активный окислитель (который позволяет лучше смачивать припоем окисленные поверхности), поэтому оставлять флюс на плате нежелательно, потому что через несколько лет качество пайки может ухудшиться. Если сомневаетесь, какого типа применен флюс, то желательно остатки флюса удалить.
Припаивая электролитический конденсатор, следите за его правильной установкой - белая маркировочная полоса на корпусе конденсатора соответствует отрицательному полюсу конденсатора, и белой метке '-' шелкографии на плате.
Светодиоды установлены на плату. Обратите внимание, что светодиод тоже требует установки в нужной полярности. Плоский срез на прозрачном корпусе светодиода соответствует рисунку шелкографии.
Теперь нужно установить и припаять транзисторы 2N3904 и 2N2906. Плоская часть корпуса транзистора также соответствует шелкографии, что позволяет правильно ориентировать транзистор. Текстовые метки 3904 и 3906 позволяют идентифицировать нужные посадочные места для каждого транзистора.
На этих фотографиях показан установленный коннектор DB9. Поскольку коннектор довольно крупный, то он затрудняет доступ к печатной плате, поэтому его нужно устанавливать и припаивать последним.
Завершающий шаг - припаять разноцветные провода VCC, GND, TX и RX. Цветовая маркировка облегчает идентификацию проводов. Вы можете выбрать любую цветовую схему, однако я советую использовать для GND черный провод, а для VCC красный провод - это общепринятая цветовая маркировка для проводов питания.
Наша платка готова, как мы будем её проверять? Конечно же с помощью стандартного кольцевого теста loop-back! Подключите провода платы VCC и GND к соответствующим шинам на макете breadboard, провода TX и RX (желтый и белый) просто замкните друг на друга. Можно для этого их поместить в соседние гнезда одной свободной строки breadboard.
Подсоедините плату кабелем к компьютеру, включите питание макета breadboard, запустите окно терминала, и проверьте прохождения эха через плату (как мы это делали в статье Введение во встраиваемую электронику, часть 4). При замкнутых друг на друга проводах TX и RX все, что Вы вводите на клавиатуре в окне терминала, должно отображаться. Если разомкнуть TX и RX, то эхо от введенных на клавиатуре символов не будет появляться в окне терминала. При вводе символов Вы можете заметить, что светодиоды будут подмаргивать, сигнализируя о прохождении информации через сигналы RX и TX. Поздравляю, Вы осуществили последовательное соединение с компьютером, которое можете использовать во всех своих будущих проектах! При этом освободили некоторое место на breadboard, которое было занято схемой на MAX232.
Плату RS232 Shifter board я использую во всех тестовых проектах, которые отлаживаю или макетирую, а схему на MAX3232 использую в готовых промышленных разработках, когда проектируется печатная плата конечного электронного устройства. В рабочих проектах схема на MAX3232 мне нравится больше, потому что она обеспечивает стандартные уровни сигналов, и в схеме MAX3232 меньше деталей, которые можно случайно повредить.
Прим. переводчика: остальные части "Введение во встраиваемую электронику" 7..11 я переводить не стал. Часть 7 рассказывает про пайку SMD деталей, причем не очень интересно, пайка поверхностного монтажа там практически не рассматривается. Части 8..10 посвящены базовым навыкам работы в системе проектирования печатных плат Eagle. Рисование принципиальной схемы (часть 8), печатной платы (часть 9) и создание компонента (часть 10) - эти все части мне тоже показались не очень интересными. Часть 11 очень короткая, в ней приведено несколько кратких советов, как не делать ошибки.
[Общие ошибки, и как их не делать]
1. Обратите особое внимание на шину GND - все её части должны быть накоротко соединены друг с другом. 3. Используйте для макетирования на breadboard провода минимальной длины: если достаточно провода длины 5 см, то не устанавливайте провод на 25 см. 4. При макетировании на breadboard старайтесь минимизировать вероятность коротких замыканий. Не зачищайте провода на 2 см, если достаточно зачистить на 0.6 см. На оголенные выводы деталей полезно одевать кембрики. 5. Научиться программировать лучше всего на простых рабочих проектах. Если учитесь программировать, не создавайте пока проектов типа "робот для ухаживания за щенком". 6. Google Ваш друг, не забывайте про него, попробуйте найти решение проблемы с помощью поиска в Интернет. Прим. переводчика: полезно хотя бы немного знать язык составления запросов Google. К примеру, очень полезная опция (которой сам часто пользуюсь) указать site:имя_домена в строке с ключевыми словами. Это ограничит поиск только одним сайтом. 7. Обратите внимание на тип переменной цикла. Если Вы используете for (x=0;x<400;x++), то когда x задано как unsigned char (8-битная переменная), цикл получится бесконечным, и никогда не завершится. 8. Не забывайте постоянно использовать при пайке влажную губку! 9. Не торопитесь, когда паяете массивные детали (например, которые запаиваются на полигон GND). Избегайте "холодной" пайки. 10. Когда развели плату PCB в Eagle, не думайте, что все хорошо. Распечатайте рисунок платы и сборочный чертеж в масштабе 1:1, и сверьте его с реальными размерами деталей. Все ли размещено на плате так, как Вы хотели? Прим. переводчика: если Вы освоили трехмерное моделирование [4] внешнего вида своей платы, то это поможет лучше представить конечный конструктив платы. 11. Проверьте, не перепутали ли Вы друг с другом сигналы TX и RX UART/RS232 (D+, D- USB). Эта ошибка встречается очень часто. 13. Максимально используйте шелкографию, чтобы сделать плату максимально информативной. Помните, что шелкография почти ничего не стоит! Но при этом следите, чтобы шелкография не попала на контактные площадки, это может затруднить пайку и ухудшить её качество. 14. Не забывайте нумеровать шелкографией выводы всех коннекторов на плате, и выделять квадратной контактной площадкой 1-й вывод коннекторов и корпусов DIP. Для микросхем SOIC, LQFP возле 1-го вывода ставьте хорошо заметную метку. Добавляйте информационные метки, обозначающие назначение коннекторов. 15. Используйте в Eagle только векторные шрифты! Прим. переводчика: и старайтесь не использовать кириллические буквы. 16. Перед отправкой на завод обязательно проверьте Gerber-файлы специальными программами.
