Как и ранее, при покупке инструментов и оборудования откройте главу 6 и загляните в раздел «Приобретаемые инструменты и оборудование». Если вам нужен готовый набор компонентов и расходных материалов, смотрите раздел «Наборы». Если вы предпочитаете покупать компоненты самостоятельно в интернет- магазинах, смотрите раздел «Компоненты». Для выбора расходных материалов смотрите раздел «Расходные материалы».

 

Блок питания

Вы могли бы по-прежнему использовать 9-вольтовые батареи для всех устройств, описанных в этой книге, но теперь я рекомендую обзавестись сетевым адаптером, потому что он гораздо удобнее. Также я думаю, что в итоге это окажется дешевле, чем постоянно покупать новые батареи, когда вы начинаете собирать схемы, потребляющие больше энергии.

Возможны три способа преобразовать переменный ток из сетевой розетки в вашем доме для питания низковольтных устройств.

Универсальный адаптер, например, как на рис. 3.1 — самый практичный вариант, обеспечивающий требуемый диапазон напряжений на выходе. Как правило, подобный адаптер выдает ряд фиксированных значений напряжения: 3, 4,5 или 5 В, 6, 9 и 12 В. Универсальные адаптеры предназначены для питания небольших устройств, таких как диктофоны, телефоны или медиаплееры. Они не способны обеспечить идеально сглаженный и стабильный постоянный ток, но вы сможете сгладить его самостоятельно с помощью пары конденсаторов, как я покажу, когда мы доберемся до применения адаптера.

Как вариант, можно приобрести сетевой адаптер переменного тока на одно напряжение, подобный показанному на рис. 3.2, чтобы обеспечить постоянное напряжение 9 В. Когда вы начнете работать с цифровыми логическими микросхемами, которые требуют напряжение 5 В, то можете преобразовать 9 В с помощью хорошо известного компонента под названием стабилизатор напряжения. (Такой стабилизатор можно подключить также и к батарее на 9 В.)

Третий вариант — потратить больше денег на приличный настольный блок питания, который обеспечивает различные значения выходного напряжения: от О В до +15 В и от О В до -15 В, а также имеет фиксированный выход на 5.

Рис. 3.1. Этот адаптер вставляется в сетевую розетку и позволяет вам выбирать значение постоянного напряжения с помощью небольшого переключателя

Рис. 3.2. Сетевой адаптер, обеспечивающий одно фиксированное напряжение 9 В

В комплект к такому блоку может входить несколько макетных плат, установленных сверху на корпусе. Вне всяких сомнений, лабораторный источник питания пригодится, если вы продолжите заниматься электроникой, но пока еще вы в этом, наверное, не вполне уверены.

Если вы решили купить универсальный адаптер, то сможете найти необходимые инструкции в разделе «Другие компоненты» главы 6.

Какой бы из вариантов вы ни выбрали, источник питания должен иметь следующие характеристики:

• На выходе должен быть постоянный ток, а не переменный. Почти все сетевые адаптеры обеспечивают на выходе постоянный ток, но бывают и исключения.

• Выходной ток должен быть не менее 500 мА (что может быть обозначено как 0,5 А).

• Тип разъема, расположенного на конце выходного провода постоянного тока, не имеет значения, потому что вам все равно придется его отрезать.

• Если универсальный адаптер снабжен различными выходными разъемами, это не имеет значения, поскольку для наших экспериментов они не понадобятся.

• Очень дешевые сетевые адаптеры могут оказаться ненадежными, особенно при работе на предельном токе. Качественные изделия в США маркируют символом «UL», указывающим на наличие сертификата лаборатории по технике безопасности Underwriters Laboratories.

 

Маломощный паяльник

Макетная плата незаменима при быстрой сборке схемы для изучения ее работы и отладки, а паяльник необходим для создания постоянных электрических соединений в завершенном устройстве, которое вы хотите многократно использовать. Паяльник нагревает припой, изготовленный из специального сплава, пока не образуется расплавленная капля, обволакивающая место стыковки медных проводов или каких-либо компонентов, которые вы хотите соединить. После остывания припоя соединение становится прочным.

Вам вовсе не обязательно иметь паяльник. Можно собрать все устройства, описанные в этой книге, на макетной плате. Тем не менее, всегда приятно изготовить что-либо более долговечное, а умение паять — полезный навык. По этой причине я отнес паяльник к числу необходимого.

Лично я предпочитаю иметь специальный маломощный паяльник для мелких деталей, которые чувствительны к перегреву, и обычный паяльник «общего применения» для более сложных задач (описан далее). Некоторые используют для всех работ только один паяльник с регулируемой температурой, но маленький инструмент не всегда сможет обеспечить необходимую в некоторых случаях степень нагрева, а паяльник среднего размера не очень удобен для деликатных работ. К тому же, устройства с регулируемой температурой могут стоить недешево.

Рис. 3.3. Маломощный паяльник, предназначенный для тонкой работы с электронными компонентами

Маломощный паяльник может иметь мощность 15 Вт, и чем он меньше по габаритам, тем легче им работать. Жало должно постепенно сужаться до тонкого, но закругленного кончика, как у только что заточенного карандаша. Жало с покрытием предпочтительнее, хотя производитель может и не упомянуть о наличии покрытия. Бывший в употреблении паяльник мощностью 15 Вт показан на рис. 3.3. Изменение цвета металлических частей паяльника — это нормальное последствие нагрева, оно не ухудшает работоспособности.

 

Обычный паяльник

Теплоемкость 15-ваттного паяльника будет недостаточной, если вам потребуется соединить более толстые провода или такие компоненты, как мощные выключатели, у которых контакты предназначены для коммутации значительных токов. Массивные контакты так быстро поглощают тепло, что маломощный паяльник не сможет создать достаточно высокую температуру для расплавления припоя. Вы можете столкнуться с подобной ситуацией, даже когда попытаетесь припаять провод к лепестку стандартного потенциометра.

Для таких работ вам понадобится паяльник мощностью от 30 до 40 Вт. Хотя он и не требуется для большинства проектов этой книги, я все же рекомендую приобрести его для обучения пайке, потому что большая теплоемкость жала облегчит создание ваших самых первых паяных соединений. К тому же 30-ваттный паяльник обычно дешевле, чем паяльник на 15 Вт, и дополнительные затраты будут невелики. Я рекомендую приобрести паяльник с обычным долотообразным жалом, которое обеспечивает лучший подвод тепла, а поскольку вы не будете использовать этот инструмент для тонких работ, то зауженное жало здесь не нужно.

 

Приспособления для пайки

Некоторые паяльники имеют встроенный отсос для припоя, который помогает вам демонтировать паяное соединение. Это поршень, который вы тянете пальцами, чтобы всосать немного воздуха через жало паяльника. Я не думаю, что это приспособление вам понадобится. В любом случае, я видел его только у паяльников мощностью 30 Вт, которые не подходят для большинства работ с электронными компонентами.

В описании паяльника может употребляться термин «сварка». Это не должно вводить вас в заблуждение, потому что паяльники не выполняют сварку в обычном смысле данного слова.

Некоторые паяльники идут в комплекте с держателем, который может фиксировать мелкие детали, пока вы работаете с ними. Это заслуживает внимания, потому что такой комплект может стоить дешевле, чем покупка принадлежностей порознь. Держатель будет описан далее.

Если к паяльнику прилагается какой-либо припой, покупайте его только в том случае, если он назван трубчатым припоем с канифолью.

Многие паяльники описываются как инструмент карандашного типа. Этот термин не очень информативен, т. к. он может быть применен и к паяльнику на 15 Вт, и к паяльнику на 30 Вт.

Рис. 3.4. Паяльник Weller Therma-Boost мощностью 30 Вт может быть полезен при работе с более толстыми проводами и крупными компонентами

Паяльники с рукояткой пистолетного типа, например, модель Weller Therma-Boost, изображенная на рис. 3.4, внешне заметно отличаются от обычных. Некоторые предпочитают эргономичность инструментов такого типа, а модель Therma-Boost имеет полезную функцию быстрого нагрева, которая позволяет достичь рабочей температуры менее чем за минуту, что делает его идеальным выбором для тех, кто не привык ждать. Тем не менее, все паяльники с рукояткой пистолетного типа рассчитаны на 30 Вт или выше и, как правило, дороже обычных устройств карандашного типа.

 

Держатель

Так называемый держатель (известный также как захват или «третья рука») снабжен двумя зажимами типа «крокодил», которые могут фиксировать компоненты или отрезки провода в заданном положении, пока вы их паяете. Некоторые приспособления оснащены также лупой, проволочной спиралью, в которой вы можете оставить паяльник, и небольшой губкой для очистки жала паяльника от загрязнения. Эти дополнительные аксессуары полезны, но не обязательны (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Держатель с дополнительными аксессуарами

 

Лупа

Независимо от того, насколько острое у вас зрение, необходимо компактное, переносное и мощное увеличительное стекло для проверки паяных соединений на перфорированной плате.

Рис. 3.6. Миниатюрная лупа незаменима для проверки паяных соединений

Набор из трех линз (рис. 3.6) очень удобен для визуального контроля качества пайки и дает большее увеличение, чем обычная лупа в оправе с ручкой, которую я считаю не очень полезной.

Настольные лупы (рис. 3.7) занимают немного места, зато высвобождают руки для работы. Оба варианта вы можете найти в магазинах «Умелые руки» или в интернет-магазинах. Пластиковые линзы вполне подойдут, если вы будете бережно с ними обращаться.

 

Провода для измерительного прибора

В предыдущих экспериментах вы соединяли один из щупов мультиметра с зажимом «крокодил» тестового провода и использовали такой же «крокодил» на другом конце, чтобы захватить провод или компонент.

Рис. 3.7. Складная лупа такого типа может стоять на вашем столе

Рис. 3.8. Эти миниатюрные зажимы надежно крепятся к проводам или выводам компонентов

Более элегантный вариант — купить пару специальных щупов с подпружиненными миникрючками на концах. На рис. 3.8 изображен один из примеров — модель Pomona 6244-48-0, которая подойдет лучше всего. Но учтите, что это сравнительно дорогой вариант. Можно поискать более дешевые провода с небольшими зажимами типа «крокодил», как на рис. 3.9. Разумеется, вполне годятся и обычные тестовые провода, которые я предлагал ранее (см. рис. 1.10).

Рис. 3.9. Измерительные провода, которые заканчиваются миниатюрными зажимами типа «крокодил»

 

Термофен

Рис. 3.10. Термофен для усадки трубки позволяет создать плотное изолирующее покрытие вокруг оголенного провода

Рис. 3.11. Миниатюрным термофеном проще работать, чем полноразмерным инструментом

Если вы соединяете два провода с помощью припоя, то часто их следует изолировать. Если для этого использовать электроизоляционную ленту (иногда называемую изолентой), то она может открепиться. Вариант лучше — термоусадочная трубка, которая образует стойкую защитную оболочку вокруг оголенного металлического соединения. Для фиксации подобной трубки предназначен термофен, который похож на очень мощный фен для сушки волос (рис. 3.10). Этот инструмент можно найти у любого поставщика оборудования, и я полагаю, что подойдет самый дешевый.

Для особо точной работы предпочтительнее будет миниатюрный термофен, подобный показанному на рис. 3.11.

 

Оборудование для демонтажа

Отсос припоя предназначен для удаления горячего расплавленного припоя при демонтаже паяного соединения, которое вы сделали в неправильном месте (рис. 3.12). Некоторые из моих читателей настаивают, что это необходимое, а не второстепенное приспособление, однако решать вам. Лично я при совершении ошибки в пайке предпочитаю вырезать ее и переделать заново.

Оплетка для удаления припоя, также известная как оплетка для выпаши, в сочетании с отсосом припоя предназначена для впитывания припоя (рис. 3.13).

Рис. 3.12. Приспособление для отсоса припоя

Рис. 3.13. Еще один способ удаления расплавленного припоя — впитать его с помощью медной оплетки

 

Подставка для паяльника

В перерывах между пайкой удобно положить горячий паяльник на подставку, точно так же, как и кухонный нож после нарезки продуктов (рис. 3.14). Если вы не хотите тратиться на приобретение подобной подставки, ее можно смастерить самостоятельно, например, из куска стального электротехнического короба или дажеиз старой жестяной банки, прибитой к деревянному бруску. В конце концов, можно оставлять паяльник на углу стола и постоянно соблюдать осторожность, чтобы не уронить его. (Плавали, знаем...) Когда паяльник падает на пол, он портит синтетический ковер или напольное покрытие. Помня об этом, вы, конечно, пытаетесь поймать паяльник, когда заметите, что он падает. Если вы схватитесь за горячее жало, то, разумеется, тут же отдерните руку и паяльник все же упадет на пол (зато вы не получите ожог руки).

Рис. 3.14. Безопасная и простая подставка для паяльника в комплекте с губкой для очистки жала

Наверное, подставку для паяльника следует отнести к числу необходимого...

 

Миниатюрная пила

Рано или поздно вам потребуется вмонтировать готовое электронное устройство в приличный на вид корпус. Для этого, вероятно, понадобятся инструменты для резки, формовки и обработки тонкого пластика. Например, вы захотите вырезать квадратное отверстие так, чтобы вмонтировать в него выключатель электропитания.

Мощные электроинструменты не годятся для такой тонкой работы. А вот миниатюрная ручная пила идеально подходит для подгонки деталей. К такому инструменту, например, от компании X-Acto (рис. 3.15) прилагается целый ряд различных лезвий.

Рис. 3.15. Пила для вырезания небольших отверстий при монтаже компонентов в пластиковом корпусе

 

Инструмент для снятия заусенцев

 Резец для снятия заусенцев (рис. 3.16) быстро разглаживает и формует любые грубо отпиленные края пластмассы и алюминия, а также способен слегка расширять отверстия. Это может быть необходимо, потому что размеры некоторых компонентов соответствуют метрической системе и не совпадают с отверстиями, просверленными американскими сверлами.

Рис. 3.16. Резец для снятия заусенцев

 

Штангенциркуль

Рис. 3.17. Штангенциркуль может измерять внутренний и наружный диаметры

Этот инструмент может показаться не самым необходимым, но он будет очень полезен для измерения наружного диаметра круглого предмета (например, резьбы на переключателе или на потенциометре) или внутреннего диаметра отверстия (в которое вы хотите вставить переключатель или потенциометр). Один из примеров иллюстрирует рис. 3.17. Если вы выберете инструмент, в котором есть цифровой индикатор с питанием от миниатюрной батареи, то он может переключаться с метрической системы измерения на дюймы.

 

Расходные материалы

Хотя многие представленные мной инструменты необязательны, указанные далее расходные материалы понадобятся вам непременно, если только вы не ограничитесь сборкой устройств на макетной плате и никогда не перейдете к созданию настоящих законченных изделий. Инструменты и материалы для изготовления готовых устройств обойдутся вам примерно как месячная плата за кабельное телевидение. Думаю, это стоящая инвестиция.

 

Припой

Рис. 3.18. Припой различной толщины

Это вещество, которое необходимо для прочного и надежного соединения компонентов в процессе пайки. Хорошо иметь очень тонкий припой (диаметром 0,5-1 мм) для очень мелких компонентов. Припой различной толщины изображен на рис. 3.18. Для устройств из этой книги будет достаточно минимального количества припоя (15 граммов или около 1 метра тонкой проволоки).

Не покупайте припой, который предназначен для сантехники или, например, для ювелирных работ. В техническом описании подходящего для наших целей припоя присутствует слово «электроника».

Существуют различные мнения по поводу использования припоя, который содержит свинец. Опытный мастер уверял меня, что этот старый тип припоя позволяет сделать соединения лучше, к тому же им легче работать при более низкой температуре, а риск для здоровья при осторожном использовании сведен к минимуму. Кроме того, припой без свинца содержит больше канифоли, которая сильнее дымит. Эта проблема широко обсуждается онлайн, в чем можно убедиться, если выполнить запрос:

 

Вред свинцового припоя

У меня нет достаточных знаний, чтобы разрешить этот спор. Однако я знаю, что если вы живете в Европейском союзе, то не должны использовать припой, содержащий свинец, по экологическим причинам.

Вам определенно понадобится трубчатый припой с канифолью, предназначенный для пайки электронных компонентов. Со свинцом или без него — выбор за вами.

 

Термоусадочные трубки

Рис. 3.19. Ассортимент термоусадочных трубок

Если вы приобрели термофен, то понадобятся и термоусадочные трубки. Неплохо будет запастись трубками разного размера и цвета (рис. 3.19). Вы натягиваете термоусадочную трубку на паяное соединение, а затем нагреваете ее термофеном. Трубка плотно облегает соединение, надежно изолируя его. Диаметр после усадки обычно вполовину меньше первоначального, но некоторые трубки имеют более высокий коэффициент усадки. Различные материалы обеспечивают различные характеристики изоляции, устойчивости к стиранию и другим факторам. Широкий ассортимент термоусадочных трубок с детальным описанием различных их свойств можно найти на сайте поставщика McMaster-Carr (http://bit.ly/mm-hst). Для наших целей подойдут самые дешевые трубки, если они рассчитаны на 240 В (или выше). Одного пакета или коробки с ассортиментом 5-6 диаметров будет достаточно. Чаще потребуются трубки меньшого размера, нежели большего.

 

Медные зажимы «крокодил»

Они поглощают тепло, когда вы паяете чувствительные компоненты. Не перепутайте их со стальными зажимами с медным покрытием: вам необходимы именно цельные медные зажимы. Неплохо приобрести сразу несколько зажимов, поскольку вы сможете использовать их повторно и долго. Но и двух будет достаточно для наших целей.

Рис. 3.20. Медные зажимы поглощают тепло и защищают компоненты во время пайки

 

Перфорированная плата

Когда вы будете готовы перенести вашу схему с макетной платы на более постоянное место, то проще всего спаять ее на перфорированной плате, часто называемой «платой для прототипирования».

Рис. 3.21. Расположение дорожек на этой плате такое же, как и проводников внутри макетной платы

Рис. 3.22. Плата с равномерно расположенными отверстиями (без медных дорожек)

Рекомендую вам для начала приобрести плату с медными дорожками на обратной стороне, расположенными так же, как и внутренние проводники макетной платы. Это позволит вам свести ошибки к минимуму, сохранив такое же расположение компонентов, когда вы переносите их на перфорированную плату (рис. 3.21). На первое время достаточно будет одной такой платы.

Недостаток расположения компонентов на макетной плате — неэффективность использования пространства. Чтобы уменьшить размер готового устройства, вы можете попробовать разместить компоненты на плате с готовыми отверстиями — я покажу, как это сделать в эксперименте 14. Для наших целей понадобится плата небольшого размера, но вы можете купить большой лист и отрезать от него части по мере надобности (рис. 3.22).

Другой вариант — выбрать перфорированную плату с отличающимся рисунком медных дорожек. Например, существуют монтажные платы с параллельными дорожками, которые вы можете разрезать ножом в тех местах, где требуется разорвать соединение. У каждого, кто много паяет, есть предпочитаемый тип конфигурации платы, но я думаю, что прежде вам следует познакомиться с процессом пайки, а потом уже рассматривать варианты.

 

Фанера

В процессе пайки капли расплавленного припоя могут падать на стол или рабочую поверхность. Припой застывает практически мгновенно, его трудно удалить и после него остаются следы. Кусок фанеры 50x50 см толщиной 1 см обеспечит подходящую защиту. Сто'ящий кусок фанеры можно приобрести в любом строительном супермаркете.

 

Мелкие крепежные винты

Для крепления компонентов с обратной стороны приборной панели вам понадобятся мелкие крепежные винты. Они смотрятся красиво, когда их плоские головки расположены вровень с поверхностью панели, при условии что вы сделали зенковку отверстий. Я рекомендую приобрести крепежные винты М4 длиной 9,5-13 мм из нержавеющей стали, с контргайками М4, которые снабжены нейлоновыми вставками и таким образом не развинчиваются.

 

Корпуса для устройств

Обычно корпус — это просто небольшой отсек (чаще всего из пластика) со съемной крышкой. Как следует из названия, он предназначен для размещения одного из ваших электронных устройств. В просверленные отверстия на крышке вы можете встроить переключатели, потенциометры и светодиоды, а внутри корпуса поместить схему, смонтированную на плате. Небольшой динамик также можно поместить в подходящий корпус.

Например, для охранной сигнализации, описанной в эксперименте 15, подойдет корпус размером 15 см в длину, 7,5 см в ширину и 5 см в высоту.

 

Разъемы питания

Закончив изготовление устройства и поместив его в корпус, вам понадобится обеспечить удобный способ подачи питания. Можно купить пару штепсельных соединителей низкого напряжения постоянного тока, показанных на рис. 3.23. Их также называют «круглыми разъемами» и «круглыми гнездами», или же описывают как «разъем на 6 В постоянного тока» или «гнездо на 6 В постоянного тока». Они бывают разных размеров, но это неважно, главное, чтобы ваши соединительные элементы были одинаковыми по размеру.

 

Колодки

Спаяв схему на перфорированной плате, вам потребуется подключить к ней внешние переключатели или кнопки. Разъемное соединение предпочтительнее на тот случай, если вам понадобится выявить какую-то неисправность на плате.

Иногда такие соединительные компоненты называют однорядными гнездами и колодками, а также встраиваемыми гнездами и штекерными колодками. Они поставляются в лентах по 36 штук и более, и вы можете отломать столько, сколько нужно.

На рис. 3.24 изображены колодки до и после разделения на маленькие секции. Убедитесь в том, что соединения имеют контакты на расстоянии 2,5 мм для соответствия шагу отверстий в плате.

Рис. 3.23. Гнездо (справа) можно вмонтировать в корпус, чтобы подать питание от разъема (слева), соединенного с кабелем сетевого адаптера

Рис. 3.24. Миниатюрные соединители часто называют «колодками»

 

Компоненты

Еще раз напоминаю, что выпускаются готовые наборы компонентов. Откройте главу 6 и ознакомьтесь с разделом «Наборы». Если вы предпочитаете покупать компоненты самостоятельно в интернет-магазинах, смотрите раздел «Компоненты». Далее я перечислю компоненты, которые потребуются в дополнение к указанным в начале второй главы (см. раздел «Компоненты» главы 2).

 

Диоды

Диоды пропускают электрический ток в одном направлении и препятствуют его протеканию в обратном. Вывод диода, который должен быть отрицательным, называется катодом. Он обозначен меткой, как показано на рис. 3.25. На этой фотографии диод справа — это модель 1N4001, предназначенная для чуть более сильного тока, чем модель 1N4148, которая изображена слева. Эти компоненты недорогие и пригодятся вам в будущем, поэтому купите по 10 шт. каждого типа. Производитель не имеет значения.

Рис. 3.25. Внешний вид диодов. Метка обозначает вывод катода

 

Теперь вы готовы приступить к работе. И первый инструмент, с которого мы начнем, — это паяльник.

Ваше путешествие в мир пайки начинается с простого задания — соединения одного провода с другим, но очень скоро вы научитесь монтировать настоящие электронные устройства на перфорированной плате. Поэтому не теряйте времени!

 

Что вам понадобится

• Монтажный провод, кусачки, инструмент для зачистки проводов

• Паяльник мощностью 30 или 40 Вт

• Паяльник мощностью 15 Вт

• Тонкий припой

• Необязательно: средний припой

• Держатель

• Необязательно: комплект термоусадочных трубок

• Необязательно: термофен

• Необязательно: кусок плотного картона или фанеры, чтобы защитить рабочее место от капель припоя

 

Соблюдайте осторожность с паяльником!

Пожалуйста, внимательно прочтите и примите к сведению приведенные далее основные меры предосторожности.

• При работе всегда кладите нагретый паяльник на соответствующую подставку. Не оставляйте паяльник лежащим на рабочей поверхности.

• Если рядом есть маленькие дети или домашние животные, помните, что они могут играючи схватить или зацепить провод паяльника и травмировать себя (или вас).

• Никогда не оставляйте горячее жало паяльника близко к проводу, который подводит питание к нему. Пластмассовая изоляция может быстро расплавиться и произойдет короткое замыкание.

• Не пытайтесь поймать падающий паяльник, который вы нечаянно задели.

• Большинство паяльников не имеют индикаторов включения. Поэтому возьмите за правило всегда считать, что паяльник горячий, даже если он отключен от сети. Паяльник остывает не мгновенно и может обжечь вас сильнее, чем вы ожидаете.

 

Ваша первая пайка

Начнем тренировку с универсального паяльника мощностью 30 или 40 Вт. Включите его в сеть, аккуратно положите на подставку и займитесь чем-то в течение пяти минут. Если не дать паяльнику полностью нагреться, то хорошие соединения не получатся, потому что припой может не расплавиться полностью.

Снимите изоляцию с концов двух отрезков одножильного провода 22-го калибра (диаметр 0,64 мм) и закрепите их в держателе так, чтобы они пересекаясь касались друг друга, как показано на рис. 3.26.

Рис. 3.26. Подготовка к вашей первой пайке

Чтобы убедиться, что паяльник готов к работе, прикоснитесь жалом к небольшому кусочку припоя. Припой должен мгновенно расплавиться. Если он плавится медленно, значит, паяльник еще недостаточно разогрет.

Если кончик паяльника загрязнился, следует его очистить. Обычно рекомендуют смочить губку, которая предусмотрена в стойке паяльника, и вытереть об нее кончик жала паяльника. Лично я предпочитаю этого не делать, поскольку считаю, что влага на кончике вызывает тепловую деформацию, которая может привести к появлению небольших трещин в покрытии жала. Я вытираю горячий конец паяльника смятой бумагой, достаточно быстро, чтобы она не загорелась. Затем я наношу небольшое количество припоя и вытираю снова, до тех пор, пока жало не станет равномерно блестящим.

Очистив жало паяльника, выполните пайку за пять шагов, как показано на рис. 3.27-3.31.

Шаг 1. На три секунды плотно прижмите горячее жало паяльника к пересечению проводов, чтобы нагреть их.

Рис. 3.27. Пайка: шаг 1

Шаг 2. Удерживая паяльник в этом положении, подведите немного припоя к пересечению проводов и к жалу паяльника. Таким образом, два провода, припой и жало паяльника должны пересекаться в одной точке.

Рис. 3.28. Пайка: шаг 2

Шаг 3. Если в первый момент припой плавится медленно, проявите терпение.

Рис. 3.29. Пайка: шаг 3

Шаг 4. Расплавленный припой образует красивую круглую каплю.

Рис. 3.30. Пайка: шаг 4

Шаг 5. Уберите паяльник и припой. Слегка подуйте на соединение, чтобы охладить его. Примерно через 10 секунд пайка остынет настолько, что к ней можно прикоснуться рукой. Правильно выполненное паяное соединение должно быть блестящим, ровным и закругленным по форме.

Когда пайка остыла, высвободите провода и попробуйте растянуть их в стороны (рис. 3.32).

Рис. 3.31. Пайка: шаг 5

Тяните сильно! Если все ваши попытки разорвать провода тщетны, значит, вам удалось создать надежное электрическое соединение. При плохой пайке провода легко отделяются. Причиной может быть недостаточный нагрев или малое количество припоя.

Рис. 3.32. Отличить плохую пайку (слева) от хорошей (справа) не так уж сложно

Почему я рекомендую начать с более мощного паяльника? Дело в том, что он обеспечивает сильный нагрев, и пайку выполнить проще.

Подведем итог. Последовательность пайки такова: нагрейте провода, добавьте припой, продолжая нагрев, дождитесь пока припой начнет плавиться, подождите еще немного, пока он не образует полностью расплавленный шарик, а затем прекратите нагрев. Весь процесс должен занимать 4-6 секунд.

 

Мифы пайки

Миф № 1. Пайка — это очень сложно. Миллионы людей научились паять, и вряд ли они были более компетентными, чем вы. Например, у меня иногда дрожат руки, и это сильно мешает держать маленькие предметы неподвижно. Меня также выводит из себя монотонная работа с деталями. Но даже если мне удается паять компоненты, то практически любой сможет справиться с этой работой.

Миф №2. Ядовитые вещества при пайке угрожают вашему здоровью. Разумеется, не следует вдыхать дым от пайки, но это также относится к таким бытовым веществам, как отбеливатель или краска. На самом деле достаточно тщательно вымыть руки после работы с припоем. Если бы пайка была очень опасна для здоровья, то смертность среди любителей электроники тоже оказалась бы слишком высокой.

Миф №3. Паяльники опасны. Паяльник менее опасен, чем утюг для белья, потому что он выделяет намного меньше тепла. Исходя из моего опыта, пайка оказывается безопаснее, чем большинство работ по дому или в подвале. Конечно, никогда нельзя забывать об осторожности. Паяльник нагревается достаточно сильно, чтобы вызвать ожог, если вы прикоснетесь к жалу.

 

Восемь ошибок пайки

1. Низкая температура паяльника. Внешне соединение может выглядеть хорошо, но поскольку вы не прогрели его как следует, припой не расплавился достаточно и его внутренняя молекулярная структура не перестроилась. Она остается рыхлой и зернистой, а не плотной и равномерной, и в конечном итоге вы получаете так называемую холодную пайку, которая разорвется, как только вы потянете провода в разные стороны. Чтобы исправить ситуацию, тщательно нагрейте соединение повторно и добавьте новый припой.

2. Недостаточный предварительный нагрев. Основной причиной холодной пайки является искушение расплавить небольшое количество припоя только на паяльнике, а затем перенести его на место пайки. Иными словами, вы будете наносить припой на холодные провода. Вначале нужно коснуться проводов паяльником, чтобы предварительно нагреть их, а затем уже добавить припой. В результате провода будут горячими и помогут расплавить припой.

Совет

Поскольку слишком многие совершают эту ошибку, я повторю еще раз. Нельзя наносить горячий припой на холодную поверхность соединяемых деталей. Следует наносить холодный припой на предварительно нагретую поверхность.

3. Перегрев места пайки. Такая пайка может повредить все вокруг. Виниловая изоляция оплавится, слишком оголив провод и увеличив риск короткого замыкания. Вы можете легко испортить полупроводниковые компоненты и даже расплавить пластиковые детали переключателей и разъемов. Поврежденные компоненты придется снова выпаять и заменить, что займет время и создаст неудобства. Если ваша пайка оказалась неудачной, подождите, сделайте паузу, пусть все немного остынет, прежде чем вы попытаетесь снова.

4. Недостаток припоя. Такое соединение двух проводников может быть недостаточно прочным. При пайке всегда стремитесь, чтобы припой целиком охватил место соединения и проник во все зазоры.

5. Смещение соединяемых деталей до того, как припой затвердел. Следствием этого часто бывает внутренняя трещина, которую вы можете не заметить. Устройство по- прежнему будет работать, но в какой-либо момент, вследствие вибрации или тепловой нагрузки, трещина может увеличиться и разорвать электрический контакт. Выявить подобный дефект довольно сложно. Если вы жестко зафиксируете компоненты перед пайкой или правильно смонтируете все детали на подходящей плате, то сможете избежать этой проблемы.

6. Загрязненные поверхности. Припой для пайки электронных компонентов содержит канифоль для очистки металла, с которым вы работаете, но если поверхность сильно загрязнена, то контакт будет непрочным из- за плохого прилипания припоя. Если вывод какого-либо компонента выглядит слишком грязным, перед пайкой зачистите его наждачной бумагой.

7. Нагар на жале паяльника. По мере использования на острие паяльника постепенно накапливаются частички нагара, которые могут препятствовать передаче тепла. Перед работой очищайте жало, как было описано ранее.

8. Неподходящие материалы. Рекомендованный припой предназначен для пайки электронных компонентов. Он не подходит для алюминия, нержавеющей стали и многих других металлов. С его помощью, возможно, удастся спаять хромированные детали, но с большим трудом.

Совет

Качество пайки нельзя оценить, просто взглянув на соединение. Всегда проверяйте пайку под нагрузкой. Если вы сомневаетесь, просуньте под компонент наконечник отвертки и немного отогните его, или же используйте небольшие плоскогубцы, чтобы попытаться разъединить пайку. Не беспокойтесь о том, что вы испортите свою работу. Если ваше соединение не выдерживает серьезного испытания, то оно плохое.

Из перечисленных восьми ошибок холодная пайка — наихудший случай, потому что ее легко допустить и не заметить.

 

Альтернативные способы монтажа

В 50-х годах прошлого столетия монтажники вручную паяли все соединения внутри электронных устройств, например таких, как радиоприемники. Но рост объемов производства электронной аппаратуры обусловил необходимость поиска автоматизированного способа создания многочисленных надежных соединений при последовательном монтаже компонентов, и тогда появилась альтернатива — монтаж проводов накруткой.

В электронных устройствах с монтажом накруткой компоненты устанавливаются на плату с длинными позолоченными заостренными штырьками квадратного сечения, которые выступают с обратной стороны платы. Использовались особые посеребренные провода с оголенными примерно на 2,5 см концами. Вручную или с помощью электрического инструмента для монтажа накруткой конец провода наматывался вокруг одного из штырьков, создавая достаточное натяжение для «холодной сварки» мягкого серебряного покрытия провода со штырьком. В процессе намотки прикладывается значительное усилие для создания надежного соединения, особенно если число витков провода достигает семи-девяти, и каждый виток касается всех четырех ребер штырька.

В 70-х и 80-х годах этот способ переняли любители, которые создавали компьютеры у себя дома. Плата самодельного компьютера с монтажом проводов накруткой показана рис. 3.33. Эта технология использовалась агентством NASA для создания электрической схемы компьютера на космическом корабле Apollo, который отправился на Луну, но сегодня такой монтаж имеет ограниченное коммерческое применение.

Широкое промышленное применение компонентов со штырьковыми выводами, например, микросхем ранних серий, послужило толчком для развития способа пайки волной припоя, при которой «волна» расплавленного припоя наносится на обратную сторону предварительно нагретой монтажной платы со вставленными компонентами. Технология маскирования позволяет избежать налипания припоя там, где этого не требуется.

Сегодня компоненты для поверхностного монтажа (которые значительно меньше, чем их аналоги для монтажа в сквозные отверстия) приклеивают к монтажной плате паяльной пастой, а затем всю сборку нагревают, расплавляя пасту, чтобы создать прочное соединение.

Рис. 3.33. Монтаж накруткой в самодельном компьютере Стива Чемберлина (Steve Chamberlin). Соединение такой сети проводов при помощи пайки вручную заняло бы слишком много времени и, безусловно, привело бы к ошибкам. Фото предоставлено Стивом Чемберлином

 

Совершенствуем мастерство пайки

Теперь пришло время использовать паяльник на 15 Вт. И снова, вы должны оставить его включенным хотя бы на пять минут, чтобы он хорошо разогрелся. Тем временем не забудьте отключить другой паяльник и поместить в безопасное место для остывания.

Для второго нашего соединения возьмите припой потоньше. Он будет потреблять меньше тепла от маломощного паяльника.

На этот раз мне хотелось бы, чтобы вы расположили провода параллельно друг другу. Соединить их таким способом немного сложнее, чем при пересечении, но этому важно научиться. Иначе вы не сможете надеть термоусадочную трубку на готовое соединение, чтобы изолировать его.

Пять шагов по созданию этого соединения показаны на рис. 3.34-3.38. В исходном положении провода могут прилегать друг к другу не идеально плотно, припой заполнит любые маленькие зазоры. Но, как и прежде, место пайки должно быть достаточно горячим для растекания припоя, а когда вы используете маломощный паяльник, на предварительный нагрев потребуется больше времени.

Старайтесь подавать припой так, как показано на рисунках. Помните: не следует переносить припой к месту пайки на жале паяльника. Вначале разогрейте провода, а затем прикоснитесь припоем к ним и к жалу паяльника, при этом сохраняя контакт с проводами. Подождите, пока припой станет жидким, и вы увидите, как он с готовностью перетечет на провода, равномерно обволакивая их. Если этого не происходит, проявите терпение и продлите нагрев.

Рис. 3.34. Шаг 1: выровняйте провода

Рис. 3.35. Шаг 2: нагрейте место пайки

Рис. 3.36. Шаг 3: продолжая нагревать провода, нанесите припой. Подождите, пока он начнет плавиться. Проявите терпение

Рис. 3.37. Шаг 4: расплавленный припой находится прямо в точке соединения

Рис. 3.38. Шаг 5: готовое соединение блестит, припой равномерно распределен вдоль проводов

В итоге припоя должно быть достаточно, чтобы обеспечить прочность пайки, но не слишком много, чтобы не помешать надеванию термоусадочной трубки. Мы скоро перейдем к этому.

 

Передача тепла

Чем лучше вы понимаете процесс пайки, тем лучше у вас будут получаться паяные соединения.

Допустим, жало паяльника хорошо разогрето, и вы собираетесь передать это тепло соединению, которое необходимо сделать. Для улучшения теплопередачи можно отрегулировать угол наклона паяльника таким образом, чтобы по возможности увеличить площадь контакта (рис. 3.39 и 3.40).

Как только припой начал плавиться, он расширяет площадь контакта, что позволяет передать больше тепла, и поэтому процесс ускоряется естественным образом. Сложно лишь начать.

Другой аспект теплопередачи, который следует учитывать, заключается в том, что тепло может отводиться от необходимого места и поступать туда, куда не надо. Если вы пытаетесь припаять очень толстый отрезок медного провода, нагрев будет недостаточным, чтобы расплавить припой, потому что провод большого сечения отводит тепло от соединения. Вы обнаружите, что даже паяльник в 40 Вт не в состоянйи справиться с этой проблемой. С другой стороны, хотя медь не становится достаточно нагретой для плавления припоя, но тепла вполне хватает, чтобы оплавить изоляцию провода.

Рис. 3.39. Маленькая площадь контакта между паяльником и рабочей поверхностью не обеспечивает передачу тепла

Рис. 3.40. Большая площадь контакта увеличивает передачу тепла

Запомните правило: если вам не удается завершить пайку за 10 секунд, значит, подводимого тепла недостаточно.

 

Изоляция пайки

После того как вы сумели сделать хорошее ровное паяное соединение двух проводников, пора приступить к более легкой операции. Выберите термоусадочную трубку, которая имеет достаточный диаметр, чтобы ее можно было надеть на соединение, и при этом остается небольшой запас пространства.

Безусловно, вам необходимо заранее все спланировать. Обычно требуется натянуть трубку на один из проводов до того, как вы их соедините. Далее я подробно проиллюстрирую весь процесс.

Предположим, термоусадочная трубка уже надета на одном из проводов, сдвиньте ее вдоль провода, чтобы паяное соединение оказалось по центру трубки. Установите соединение перед термофеном и включите его (держите ваши пальцы вдали от потока нагретого воздуха). Переверните провод, чтобы прогреть его с обеих сторон. Трубка должна плотно обхватить соединение за полминуты. Если вы перегреете трубку, она может растрескаться, при этом вам придется снять ее и начать заново. Как только трубка станет плотно прилегать, ваше задание выполнено, прогревать ее дальше нет никакого смысла. Заметьте, что при нагреве не только уменьшается диаметр трубки, но и небольшая усадка происходит по длине.

На рис. 3.41-3.43 показано, как достичь желаемого результата. Я использовал белую трубку, потому что ее хорошо видно на фотографиях. На самом деле цвет термоусадочных трубок не влияет на результат.

Рис. 3.41. Натяните трубку на соединение проводов

Рис. 3.42. Нагрейте трубку

Рис. 3.43. Нагревайте трубку до тех пор, пока она не сожмется, плотно охватив соединение

 

Термофен сильно разогревается!

Обратите внимание на хромированную стальную трубу рабочего конца стандартного термофена. Сталь стоит дороже пластика, и производители выбрали ее неспроста — поток воздуха нагревается настолько, что он может расплавить пластиковую трубу.

Металлическая труба остается достаточно горячей, чтобы обжечь даже спустя несколько минут после выключения инструмента. Как от паяльника, так и от термофена могут пострадать другие люди (и животные), потому что они не знают, что эти предметы опасны. Не оставляйте инструменты где попало, чтобы никто из ваших домашних не совершил ошибку, использовав термофен для сушки волос (рис. 3.44).

Обычный термофен выглядит вполне безобидно, но может привести к большим неприятностям. Миниатюрный термофен менее опасен, но и с ним необходимо обращаться осторожно.

Рис. 3.44. Термофен — это совсем не то же, что фен для сушки волос

 

Переделка проводов питания

Следующее применение вашим навыкам пайки будет более практичным. Вы присоедините к сетевому адаптеру разные по цвету одножильные провода. Если у вас нет адаптера, то можно просто удлинить провода разъема для 9-вольтовой батареи. В любом случае, переделанные провода питания будет удобно вставлять прямо в макетную плату.

Для работы можно взять большой паяльник, поскольку термочувствительные компоненты не будут затронуты.

Приобретенный вами сетевой адаптер, скорее всего, представляет собой небольшой пластмассовый модуль, который вставляется прямо в розетку на стене. На выходящей из адаптера паре проводов присутствует необходимое вам постоянное напряжение, а на конце кабеля смонтирована какая-либо миниатюрная вилка. Этот разъем подходит для таких устройств, как медиаплеер или телефон, которые имеют соответствующее гнездо, но для наших целей такая вилка бесполезна, потому что вам необходимо подавать питание прямо на макетную плату.

Что делать дальше? Объясняю.

 

Шаг первый: отрежьте и измерьте

Вначале давайте убедимся, что сетевой адаптер делает то, для чего он предназначен.

Не включайте пока адаптер в сетевую розетку. Обрежьте маленькую вилку на конце низковольтного провода, как показано на рис. 3.45. (Вы можете заметить, что это фотография адаптера RadioShack. Как давно это было.)

Разделите два проводника с помощью кусачек или универсального ножа и удалите по полсантиметра изоляции с каждого конца (рис. 3.46). Провода должны быть разной длины, чтобы уменьшить риск их замыкания.

Если зачищенные концы коснутся друг друга, когда адаптер подключен к сети, они могут вызвать перегрузку или пережечь внутренний предохранитель. Вы также можете увидеть искрение, которое испугает, но вряд ли навредит.

Рис. 3.45. Первый этап переделки сетевого адаптера: вилка отрезана

Рис. 3.46. Второй этап: концы проводов зачищены

Ничего страшного, всего лишь небольшая неприятность.

Теперь настройте ваш мультиметр на измерение постоянного напряжения и подключите его к двум проводам сетевого адаптера, желательно с помощью тестовых проводов с «крокодилами», чтобы держать все под контролем. После тщательной проверки того, что красный провод мультиметра находится в гнезде, обозначенном «вольты», а не «миллиамперы», вставьте адаптер в розетку и измерьте, какое напряжение он выдает.

Если измеренное значение оказалось на удивление большим, то обычно это обусловлено тем, что напряжение, выдаваемое сетевыми адаптерами, часто выше, если они работают вхолостую. Внутреннее сопротивление вашего мультиметра настолько высокое, что адаптер будет вести себя так, словно нагрузка отсутствует.

Для реальной проверки возьмите резистор номиналом 680 Ом и подключите его к выходу адаптера параллельно мультиметру. Это снизит напряжение до более адекватного уровня. Теперь вы должны получить значение, близкое к ожидаемому.

Не рекомендую вам использовать резистор с номиналом намного меньше 680 Ом, поскольку резисторы в нашем списке рассчитаны на мощность 0,25 Вт, и если превысить рассеиваемую мощность, они перегреются. Если резистор 680 Ом подключен к источнику питания 9 В, то по закону Ома сила тока будет около 13 мА, и поэтому рассеиваемая мощность составит около 120 мВт или 0,12 Вт, что не превышает допустимый максимум в 0,25 Вт.

Если вы захотите посмотреть, как меняется напряжение на выходе вашего сетевого адаптера при подключении нагрузки с меньшим сопротивлением, то можете параллельно соединить несколько резисторов по 680 Ом. Этот эксперимент весьма познавателен, но давайте вернемся к основной цели — получить источник питания для макетной платы.

 

Шаг второй: пайка

Проверьте полярность напряжения на проводах сетевого адаптера с помощью мультиметра. Когда красный провод мультиметра подключен к положительному полюсу источника, а черный — к отрицательному, перед значением напряжения на экране отсутствует знак минус. Если он есть, поменяйте местами провода адаптера.

Если показания мультиметра положительные, то вы уверены, что красный провод прибора прикреплен к положительному выводу сетевого адаптера. Это важно, поскольку при неправильной полярности источника питания компоненты устройства на макетной плате выйдут из строя.

Следующие этапы будут одинаковыми, независимо от того, удлиняете ли вы провода сетевого адаптера или разъема для 9-вольтовой батареи.

Отрежьте два куска одножильного провода калибра 22 (диаметр 0,64 мм), один — красного цвета, а другой — черного или синего. Длина каждого из них должна быть около 5 см. Снимите по полсантиметра изоляции с обоих концов каждого провода.

Припаяйте подготовленные провода к концам проводов сетевого адаптера (или разъема для 9-вольтовой батареи). Естественно, следует присоединить красный провод к положительному полюсу источника питания.

Рис. 3.47. Теперь адаптер подойдет для подачи питания на макетную плату

Если у вас есть термоусадочная трубка и термофен, используйте их, как делали во время тренировки. Результат должен выглядеть так, как на рис. 3.47. Еще раз повторю, что провода должны быть разной длины, чтобы уменьшить риск их замыкания. Теперь можно вставить концы проводов в вашу макетную плату.

 

Укорачивание сетевого шнура

Где еще можно применить только что полученные навыки пайки? Вот практичное предложение. У тех, кто не использует продукцию компании Apple, может оказаться источник питания для ноутбука со съемным шнуром переменного тока, вставляемым в розетку, и еще одним низковольтным кабелем, который присоединяется к компьютеру. Типичный сетевой шнур изображен на рис. 3.48.

А если вы поклонник продукции Apple? Возможно, у вас найдутся сетевые шнуры от других устройств, например от принтера или от сканера. Цель этого упражнения — уменьшить длину сетевого шнура до желаемого размера, чтобы он не спутывался в клубок. И если у вас, как и у меня, сетевой шнур длиннее, чем нужно, а вы любите путешествовать налегке, то это задание будет полезным.

Рис. 3.48. Пример сетевого шнура с разъемом

 

Двенадцать шагов по укорачиванию шнура

На рис. 3.49 мы видим первый шаг, где вы смело обрезаете сетевой шнур кусачками. Естественно, при работе со шнуром он должен быть отключен от сетевой розетки.

Рис. 3.49. Укорачивание сетевого шнура, шаг 1

На рис. 3.50 показаны концы, которые необходимо оставить. Средняя часть сетевого шнура может пригодиться вам в будущем.

Рис. 3.50. Укорачивание сетевого шнура, шаг 2

Разделите два проводника в каждом отрезке сетевого шнура универсальным ножом, как показано на рис. 3.51.

Рис. 3.51. Укорачивание сетевого шнура, шаг 3

Далее концы сетевого шнура нужно обрезать так, чтобы проводники оказались разными по длине, но стыковались бы друг с другом (рис. 3.52). Так они займут меньше места, когда вы соедините их снова, а также уменьшится риск короткого замыкания, если одно из соединений по какой- либо причине нарушится.

Заметьте, что на одном из проводников всегда есть либо напечатанный текст, либо прессованные выступы. Убедитесь в том, что при соединении помеченные проводники совпадают.

Рис. 3.52. Укорачивание сетевого шнура, шаг 4

Удалите минимальное количество изоляции  (3 мм будет достаточно). Затем отрежьте три кусочка термоусадочной трубки (если она у вас есть). Длина двух тонких кусочков трубки должна быть достаточной, чтобы их можно было натянуть на отдельный проводник, а толстый кусок длиной около 5 см будет закрывать все соединение (рис. 3.53).

Обратите внимание на то, что некоторые термоусадочные трубки предназначены только для низкого напряжения, не используйте их.

Рис. 3.53. Укорачивание сетевого шнура, шаг 5

Теперь самое трудное — вспомнить о необходимости натянуть трубку на провод перед тем, как выполнить пайку, поскольку разъемы на концах шнура не позволят надеть трубку позже. Если вы так же нетерпеливы, как я, то вам будет сложно не забывать делать это каждый раз перед пайкой (рис. 3.54).

Рис. 3.54. Укорачивание сетевого шнура, шаг 6

Выпрямите провод и закрепите концы в держателе. Соедините два отрезка провода так, чтобы их жилы переплелись, а затем сожмите их слегка между указательным и большим пальцами, чтобы сгладить выступающие фрагменты. Торчащая жилка может проткнуть термоусадочную трубку при ее нагреве, размягчении и усадке вокруг соединения (рис. 3.55).

Рис. 3.55. Укорачивание сетевого шнура, шаг 7

Провод, который вы сейчас соединяете, гораздо толще, чем все предыдущие, с которым вы работали раньше. Он поглощает больше тепла и вам придется прогревать его паяльником дольше. Убедитесь в том, что припой растекся по всему соединению, а также проверьте обратную сторону после того, как пайка остынет. Вероятнее всего, вы обнаружите здесь оголенные медные жилы. Соединение должно быть ровным, округлым, в виде блестящей капли (рис. 3.56).

Рис. 3.56. Укорачивание сетевого шнура, шаг 8

При пайке оттяните термоусадочную трубку как можно дальше от жала паяльника, чтобы тепло от него преждевременно не вызвало усадку, что не позволит вам изолировать соединение позже.

Натяните кусочек термоусадочной трубки на готовое паяное соединение и прогрейте ее термофеном, как показано на рис. 3.57. Не допускайте попадания остальных кусочков термоусадочной трубки под поток тепла.

Рис. 3.57. Укорачивание сетевого шнура, шаг 9

На рис. 3.58 изображена сжатая термоусадочная трубка.

Рис. 3.58. Укорачивание сетевого шнура, шаг 10 из 12

Рис. 3.59. Укорачивание сетевого шнура, шаг 11

Рис. 3.60. Укорачивание сетевого шнура, шаг 12

Теперь подготовьте к пайке другую пару проводников (рис. 3.59). На рис. 3.60 показано второе готовое соединение. После того как вы его изолируете отдельным кусочком термоусадочной трубки, можно натянуть большую термоусадочную трубку на весь узел. Вы ведь не забыли заранее надеть толстую трубку на шнур, правда? Готовый шнур изображен на рис. 3.61.

Рис. 3.61. Готовый сетевой шнур

 

Что дальше?

Если вы потренировались паять и выполнили все предыдущие упражнения, значит, приобрели достаточные навыки для сборки своей первой настоящей электронной схемы. Но сначала мы должны кратко ознакомиться с последствиями перегрева при пайке. Мне не хотелось бы, чтобы вы обучились пайке, а затем всего лишь расплавили транзистор или светодиод. Испортить компонент всегда легче, чем потом заменять его исправным.

 

В эксперименте 4 вы уже поняли, как просто можно сжечь светодиод. На самом деле тогда произошло следующее: чрезмерный ток через светодиод привел к избытку тепла, которое и повредило компонент.

Если тепло, вызванное электрическим током, может вывести из строя светодиод, то не приведет ли перегрев компонента паяльником к тому же результату? Убедиться можно, только выполнив соответствующий эксперимент.

 

Что вам понадобится

• Батарея на 9 В и разъем или сетевой адаптер на 9 В

• Удлиненные или заостренные плоскогубцы

• Паяльник мощностью 30 или 40 Вт

• Паяльник мощностью 15 Вт

• Стандартные светодиоды (2 шт.)

• Резистор номиналом 470 Ом

• Держатель для компонентов

• Один большой или два маленьких зажима «крокодил» из чистой меди

Цель очередного нашего эксперимента — изучить эффекты нагревания, т. е. узнать, куда и как уходит тепло.

Макетная плата сейчас нам не понадобится, т. к. неизвестно, сколько тепла поглощают контакты внутри платы. Нежелательно также, чтобы вы пользовались тестовыми проводами, потому что они также будут поглощать тепло.

Рис. 3.62. Исследование стойкости светодиода к нагреву. Батарею можно заменить сетевым адаптером

Согните оба вывода светодиода и резистора с номиналом 470 Ом в виде маленького крючка. Аналогично изогните и провода питания от 9-вольтовой батареи (рис. 3.62). Чтобы придать проводам желаемую форму, вам может потребоваться снять чуть больше изоляции и добавить немного припоя.

Верхний (на рис. 3.62) вывод резистора подсоедините к аноду светодиода, а нижний вывод резистора подключите к положительному проводу источника питания.

Закрепите пластиковый корпус светодиода в держателе. Пластик плохо проводит тепло, поэтому держатель не повлияет на результат эксперимента.

Подайте напряжение питания 9 В, светодиод должен ярко загореться. Для этого эксперимента я выбрал белый светодиод, потому что его легче фотографировать.

Вам понадобятся оба паяльника: маломощный паяльник на 15 Вт, а также более мощный. Включите их и подождите как минимум 5 минут, чтобы паяльники хорошо нагрелись. Теперь сильно прижмите жало 15-ваттного паяльника к одному из выводов светящегося светодиода, как показано на рис. 3.63, и засеките время.

Держу пари, пройдет не менее трех минут, прежде чем светодиод погаснет. Теперь вам понятно, почему паяльник мощностью 15 Вт рекомендован для тонких работ с электронными компонентами.

Аналогичный эксперимент проделайте с более мощным паяльником. Нагревайте провод в том же месте, что и ранее. Я думаю, что ваш светодиод погаснет секунд через десять (обратите внимание на то, что некоторые светодиоды могут выдержать более высокую температуру, чем другие). Именно поэтому паяльник мощностью 30 Вт непригоден для тонких работ с электроникой.

Температура жала обоих паяльников может быть примерно одинаковой. Но мощный паяльник обладает большей теплоемкостью. Другими словами, он выделяет большее количество тепла за то же самое время.

Рис. 3.63. Нагрев вывода светодиода 15-ваттным паяльником

Рис. 3.64. Медный зажим «крокодил» поглощает тепло и защищает светодиод

Ваш светодиод стал жертвой науки и погиб смертью храбрых. Проводите его в последний путь в мусорное ведро и замените новым, который мы будем испытывать более аккуратно. Подключите его так же, как и раньше, но на этот раз прикрепите большой медный зажим «крокодил» (или два небольших зажима) к одному из выводов возле корпуса светодиода, как показано на рис. 3.64. Прижмите жало паяльника мощностью 30 или 40 Вт к этому выводу ниже зажима. На этот раз вы сможете удерживать мощный паяльник на месте целые две минуты, не уничтожив светодиод.

 

Куда уходит тепло

Если в конце эксперимента вы дотронетесь до зажима, то обнаружите, что он довольно горячий, в то время как светодиод остается не таким нагретым. Представьте, что тепло от жала паяльника проходит по проводу, который ведет к светодиоду, но встречает на своем пути зажим «крокодил», как показано на рис. 3.65. Зажим подобен пустой емкости, которая ждет, чтобы ее наполнили. Тепло предпочитает перетечь в медный зажим, оставляя светодиод невредимым.

Рис. 3.65. Медный зажим отводит тепло от светодиода

Зажим «крокодил» сыграл роль теплоотвода. Он работает лучше, чем обычный никелированный стальной зажим, потому что медь очень хорошо проводит тепло.

Вернемся к первой части этого эксперимента. Вы убедились, что паяльник мощностью 15 Вт не повредил светодиод даже при отсутствии теплоотвода. Означает ли это, что такой инструмент полностью безопасен? В нашем эксперименте это действительно так. Но вы ведь не знаете, являются ли другие полупроводниковые компоненты более чувствительными к теплу, чем светодиоды.

Поскольку последствия перегрева компонентов могут оказаться довольно печальными, я предлагаю избегать рискованных действий и использовать теплоотвод при таких условиях:

• Если вы держите паяльник мощностью 15 Вт очень близко к полупроводниковому прибору в течение 20 секунд и более.

• Если вы держите паяльник мощностью 30 Вт в сантиметре от резисторов или конденсаторов в течение 10 секунд и более. (Никогда не паяйте таким инструментом полупроводниковые компоненты).

• Если вы держите паяльник мощностью 30 Вт возле чего-либо легкоплавкого в течение 20 секунд и более. К плавким предметам относятся изоляция проводов, пластмассовые разъемы и пластиковые компоненты внутри переключателей.

 

Правила защиты от перегрева при пайке

• Лучше всего работают полноразмерные медные зажимы «крокодил», но их нельзя поместить в труднодоступных местах. В идеале у вас должны быть и маленькие зажимы.

• Прикрепляйте зажим «крокодил» как можно ближе к компоненту и как можно дальше от соединения, которое вы пытаетесь спаять. Не забывайте, что место пайки должно быть горячим. Отводите тепло от компонента, а не от пайки.

• Убедитесь в том, что между зажимом «крокодил» и выводом компонента обеспечивается тесный контакт для хорошего отвода тепла.

Теперь во всеоружии мы можем приступить к увлекательному процессу изготовления настоящего электронного устройства.

 

До сих пор вы сразу начинали сборку устройств, не углубляясь в теорию и не планируя ничего заранее. Именно так выглядит процесс обучения через открытие. Однако иногда план необходим, и сейчас наступил один из таких случаев. Вначале я собираюсь изложить все необходимые сведения, а затем мы приступим к поэтапному процессу сборки устройства.

 

Что вам понадобится

• Батарея на 9 В с разъемом или сетевой адаптер на 9 В

• Монтажный провод, кусачки, инструмент для зачистки проводов, мультиметр

• Паяльник мощностью 15 Вт

• Тонкий припой (0,5 мм)

• Плата с отверстиями (без медных дорожек)

• Держатель

• Резисторы: 470 Ом (2 шт.), 100 кОм (1 шт.), 4,7 кОм (2 шт.), 470 кОм (2 шт.)

• Конденсаторы емкостью 3,3 мкФ (2 шт.) и 220 мкФ (1 шт.)

• Транзисторы серии 2N2222 (3 шт.)

• Стандартный светодиод (1 шт.)

 

Возвращаемся к схеме генератора

Вернитесь к схеме генератора, изображенной на рис. 2.111. Теперь наша задача — сделать это устройство как можно компактнее, чтобы его можно было носить с собой.

Представьте, что выводы компонентов соединены между собой резинками, которые позволяют вам перемещать детали по поверхности без разрыва связей между ними. Можно так расположить компоненты, чтобы резинки были совсем не растянуты, в этом случае устройство окажется максимально компактным. Теперь вы можете закрепить детали на перфорированной плате и соединить их медными проводниками.

Рис. 3.66. Компоненты генератора занимают минимум пространства на перфорированной плате

Единственная проблема — медные проводники без изоляции не могут пересекаться. Идея заключается в том, что для проверки работоспособности вашей схемы вы можете отправить техническое задание в мастерскую, где занимаются изготовлением печатных плат.

Современные печатные платы являются, по меньшей мере, двусторонними, а многие имеют дополнительные промежуточные слои, обеспечивающие пересечение множества соединительных проводников, не создавая электрического контакта. Но лучше всего начать с самой простой, традиционной печатной платы, компоненты на которой расположены с одной стороны, а проводники — с другой. Компоненты, расположенные сверху, могут пересекать проводники, находящиеся снизу, поскольку они разделены изолирующим материалом платы. Но проводники на такой плате не могут пересекать друг друга.

Рис. 3.67. Темные линии — это провода на обратной стороне монтажной платы

Наиболее компактный вариант размещения компонентов, которого мне удалось добиться, показан на рис. 3.66. Размеры перфорированной платы составляют 23 на 33 мм. Если у вас получится устройство меньших размеров, пришлите чертежи мне. Вот некоторые идеи:

• Используйте резисторы, рассчитанные на 0,125 Вт, а не на 0,25 Вт.

• Устанавливайте резисторы вертикально.

• Если диаметр отверстий в плате позволяет, можно вставить два вывода в одно отверстие.

Рис. 3.68. На этом виде изображены только плата и проводники. Сквозные соединения показаны темным кружком

А где же соединения между компонентами? Они на другой стороне платы. Соединительные проводники отчетливо видны на рис. 3.67.

Если вы внимательно сравните рис. 3.67 со схемой, изображенной на рис. 2.111, то убедитесь, что все компоненты и соединения между ними идентичны, если только я не допустил ошибку. (Я надеюсь, что все правильно. Очень не хотелось бы перерисовывать.)

На рис. 3.68 показан еще один вид; на этот раз опущены компоненты, но обозначена плата, так что вы можете видеть, как соединения соответствуют сетке отверстий платы с шагом 2,5 мм.

И наконец, на рис. 3.69 изображена плата, перевернутая на обратную сторону, слева направо, так что вы смотрите на нее снизу. Это поможет вам соединить компоненты после их размещения на плате. Вы ведь попробуете, не так ли?

Рис. 3.69. Плата перевернута слева направо, это вид снизу

 

Согните провода, добавьте припой

План работ теперь ясен, осталось выполнить все запланированное. Перейдем к размещению компонентов на плате и пайке соединений.

Все не так уж сложно. Выводы компонентов, таких как резисторы, конденсаторы и транзисторы, обычно имеют длину не менее 1 см. Таким образом, вы можете просунуть их сквозь отверстия в плате, а затем согнуть так, чтобы они касались друг друга. После этого нужно спаять все соединения, а затем отрезать лишние концы. Остается подключить батарею питания — и дело сделано.

Три основных момента, на которые стоит обратить внимание:

• Чтобы плата оставалась неподвижной, пока вы с ней работаете, необходима аккуратность и терпение. Лучше всего закрепить плату в держателе.

• Компоненты и пайки окажутся очень близко друг к другу. Используйте медные зажимы «крокодилы», чтобы отвести тепло.

• Самое трудное — не перепутать выводы компонентов при переворачивании платы. Больше всего ошибок при монтаже возникает именно по этой причине. Будьте особенно внимательны и аккуратны.

Возможно, вы видели перфорированную плату, у которой вокруг каждого отверстия есть круглая медная площадка. Подходит ли она для этого устройства? Хотя медные площадки позволяют надежно закрепить компоненты, но могут также стать причиной короткого замыкания между близлежащими проводами. Я считаю, что в нашем случае лучше выбрать плату без излишеств, например такую, как изображена на рис. 3.22. Отверстия в некоторых перфорированных платах имеют больший диаметр, но для наших целей это несущественно.

 

Сборка шаг за шагом

Подробно шаг за шагом опишем процедуру сборки устройства.

Отрежьте от листа перфорированной платы кусок размером 23x33 мм. Вам не понадобится измерительная линейка. Просто посчитайте ряды отверстий платы. Можете воспользоваться миниатюрной пилкой или аккуратно разломить плату по линиям отверстий. Ножовка также подойдет. Я не рекомендую вам использовать пилу по дереву, потому что перфорированная плата часто содержит стекловолокно, которое может затупить инструмент.

Вставьте три или четыре компонента в отверстия платы, внимательно следя за тем, чтобы каждый из них оказался на своем месте. Переверните плату и подогните провода компонентов, чтобы закрепить их на плате и создать соединения, показанные на рис. 3.69. Если длина какого-либо проводника окажется недостаточной, вам потребуется добавить подходящий отрезок провода 22-го калибра (диаметр 0,64 мм) со снятой изоляцией.

Обрежьте лишние провода кусачками.

Спаяйте все соединения.

А теперь важный момент: проверьте каждую пайку с помощью увеличительного стекла и пошевелите провода удлиненными плоскогубцами. Если для надежного соединения не хватает припоя, заново нагрейте место пайки и добавьте припой. Если припой образовал соединение не там, где надо, ножом сделайте два параллельных надреза в припое и отскоблите небольшой участок между надрезами.

Как правило, я одновременно монтирую только три или четыре компонента, потому что если их становится больше, то возникает путаница. Если я припаял один компонент неправильно, то исправить такую ошибку несложно — при условии, что ошибка обнаружена раньше, чем припаяно еще много компонентов.

 

Разлетающиеся куски провода

При резке провода кусачками возникает большое давление, которое быстро достигает максимума, а потом прекращается. Это может привести к внезапному движению отрезанного куска провода. Одни провода довольно мягкие и не создают такого риска, но выводы транзисторов и светодиодов обычно более жесткие. Маленькие кусочки провода могут отскочить с высокой скоростью в непредсказуемом направлении, создавая реальную угрозу вашим глазам, когда вы находитесь слишком близко.

Обычные очки защитят вас при укорачивании выводов. Если вы не носите очки, то воспользуйтесь защитными пластиковыми очками.

 

Завершение работы

Для работы я всегда использую яркое освещение. При сборке и пайке это не роскошь, а необходимость. Купите настольную лампу, если у вас ее еще нет. Не обязательно выбирать дорогую лампу, подойдет и бывшая в употреблении.

Теперь я пользуюсь светодиодной настольной лампой дневного света, потому что она помогает мне надежнее определить цвет полосок резисторов. От люминесцентной настольной лампы я отказался, когда узнал о том, что любой незначительный дефект внутреннего покрытия лампы может пропускать ультрафиолетовое излучение. Когда вы работаете близко к такому источнику света, он представляет опасность.

Даже если у вас острое зрение, все равно рекомендую рассматривать каждое соединение под увеличительным стеклом. Вы будете удивлены, насколько неидеальны некоторые из них. Поднесите увеличительное стекло как можно ближе к глазу, а затем приблизьте плату, чтобы исследуемое соединение оказалось в фокусе.

В итоге у вас должна получиться работающая схема, которая выдает пульсирующий с частотой сердцебиения световой сигнал. Так и есть? Если с первого раза устройство не заработало, проверьте каждое соединение и сравните со схемой. Если ошибка так и не обнаружена, подайте питание, прикрепите черный провод мультиметра к отрицательной шине, а затем пройдитесь по схеме красным щупом, проверяя наличие напряжения. На каждом элементе схемы мультиметр должен показывать хоть какое-то рабочее напряжение. Если вы нашли «мертвый» участок, то, возможно, именно здесь плохая пайка или какая-то другая неисправность.

Теперь, когда вы все сделали, что дальше? А дальше вы перестаете быть любителем электроники и становитесь умельцем. Теперь подумайте, как сделать ваше устройство переносным.

Вначале нужно продумать питание. Для нормальной работы описанной схемы необходимо напряжение 9 В. Но все время носить с собой массивную 9-вольтовую батарею не слишком удобно.

Могу предложить три варианта:

• Можно положить батарейку в карман и прикрепить корпус устройства с наружной стороны кармана, пропустив провод через ткань.

• Можно прикрепить батарею внутри тульи бейсболки, а устройство поместить снаружи.

• Можно последовательно соединить три «пуговичных» элемента по 3 В, закрепив их каким-либо пластиковым зажимом. Однако я не уверен, что энергии такого источника хватит надолго.

Замечание

Должен отметить, что транзисторы серии 2N2222 в этом проекте не идеальны, поскольку они потребляют больше энергии, чем полевые транзисторы (МОП-транзисторы). Но в этой книге рассматриваются основы электроники, а биполярные n-p-n- транзисторы — самый распространенный полупроводниковый компонент.

Что касается выбора светодиода, то компоненты с прозрачной линзой создают узкий пучок света, который не подходит для наших целей. Компоненты в матовом корпусе создают более приятное свечение. Площадь свечения можно увеличить еще больше, поместив светодиод в рассеиватель из прозрачного акрилового пластика толщиной как минимум 6 мм, как показано на рис. 3.70. Наружную поверхность сделайте шероховатой с помощью мелкой наждачной бумаги или посредством ручной шлифовальной машинки, чтобы избежать появления царапин. В результате акрил станет полупрозрачным и свет будет еще сильнее рассеиваться.

С обратной стороны акриловой пластины просверлите глухое отверстие диаметром чуть больше, чем светодиод. Не сверлите пластик насквозь. Удалите из отверстия все остатки и пыль, продув его сжатым воздухом или промыв, если у вас нет воздушного компрессора. Хорошенько высушив полость, добавьте немного прозрачного силиконового уплотнителя или приготовьте некоторое количество прозрачной 5-минутной эпоксидной смолы и поместите каплю на дно углубления. Затем вставьте светодиод так, чтобы клей образовал надежное уплотнение.

Включите светодиод, оцените полученный результат и, если необходимо, зашкурьте акрил еще немного. И наконец, решите, как смонтировать остальную схему устройства: вплотную к рассеивателю или в стороне, соединив светодиод проводами.

Рис. 3.70. Рассеиватель для светодиода

Можно подобрать резисторы в схеме генератора так, чтобы светодиод мигал с частотой сердцебиения в состоянии покоя. Внешне будет казаться, будто приборчик измеряет пульс, особенно если вы прикрепите его на груди или ремешком на запястье. Если вы любите разыгрывать людей, то можете сказать, что вы в потрясающей форме, и частота вашего пульса постоянна, даже при физической нагрузке.

Могу предложить вам несколько вариантов корпуса для этого устройства, начиная от заливки прозрачной эпоксидной смолой и заканчивая поиском кулона в викторианском стиле. Я предлагаю вам проявить смекалку, поскольку эта книга об электронике, а не об изготовлении поделок. Тем не менее, есть одна тема, относящаяся к самоделкам, о которой я хочу упомянуть, и теперь самое время.

 

Измерения, которые сводят с ума

В электронной промышленности возникают противоречивые ситуации, когда в одном и том же техническом паспорте один параметр указан в миллиметрах, а другой в дюймах. Например, расстояние между штырьковыми выводами у современных микросхем для поверхностного монтажа измеряется в миллиметрах, а у старых микросхем для установки в монтажные отверстия это расстояние по-прежнему составляет 0,1 дюйма и, вероятно, таким и останется.

Ситуация усложняется еще и в связи с существованием двух различных систем единиц, кратных дюйму. Сверла, например, измеряются в значениях, кратных 1/64 доле дюйма. Металлические шайбы калибруются в 1/1000 долях дюйма (0,001 дюйма, 0,002 дюйма и т. д.). Чтобы еще больше усложнить жизнь, для толщины листов металла часто приводится «калибр»; например, сталь 16-го калибра подразумевает толщину в 1/16 дюйма.

Почему в США не перешли на метрическую систему, раз она намного более рациональна? Ее рациональность можно оспорить. Когда метрическая система была официально введена в 1875 году, метр определялся как одна десятимиллионная часть расстояния между северным полюсом и экватором, вдоль линии, проходящей через Париж. Почему Париж? Потому что идею предложили французы. С тех пор в серии попыток достичь большей точности при научных исследованиях определение метра пересматривалось три раза.

Что касается практичности десятичной системы, то перенос десятичной запятой определенно проще, чем выполнение вычислений с 1/64 долями дюйма, но единственная причина, по которой мы считаем десятками, — это возможность использовать пальцы рук для счета. Двенадцатеричная система была бы еще удобнее, поскольку числа делились бы нацело на 2 и 3.

Но все это относится к разряду гипотез. А реальность такова, что мы имеем дело с противоречивыми измерениями длины, и поэтому я предлагаю четыре диаграммы, которые помогут вам переводить единицы из одной системы в другую. Используя их, вы увидите, что для высверливания отверстия под светодиод диаметром 5 мм подойдет сверло диаметром 3/16 дюйма. (На самом деле, в результате получится более плотная подгонка по сравнению с отверстием, которое сделано при помощи сверла диаметром 5 мм.)

Пересчет между 1/64 и 1/100 долями дюйма поможет выполнить диаграмма, приведенная на рис. 3.71. Столбцы слева направо разделены на доли, кратные 8, 16, 32 и 64. На шкале справа указаны сотые доли дюйма. Как правило, если значение может быть точно выражено в более крупных единицах, мы используем этот вариант. Таким образом, вместо 8/64 дюйма можно выбрать вариант 1/8 дюйма. Это вызывает некоторую трудность, когда вы пытаетесь в уме прикинуть, какое из значений больше, например, больше ли 11/32 дюйма, чем 5/8? Здесь как раз и поможет предлагаемая диаграмма.

Поскольку в технических описаниях единицы измерений часто выражаются с помощью десятичных долей дюйма, вторая диаграмма (рис. 3.72) переводит значения между десятичными и 64-кратными долями дюйма. Если вам встретится такое значение, как 0,375 дюйма, то по диаграмме нетрудно определить, что оно равно 3/8 дюйма.

Во многих технических паспортах единицы указаны и в миллиметрах, и в дюймах, но в некоторых документах сейчас используют только миллиметры. Если вы пользуетесь дюймами и хотите узнать, поместится ли компонент в отверстие диаметром 1 /10 дюйма в макетной или перфорированной плате, то полезно помнить, что 1/10 часть дюйма равна 2,54 мм. Если компонент маленький, то расстояние между штырьковыми выводами в 2,5 мм приемлемо. Но когда расстояние между контактами составляет 25 мм и более, они могут не подойти к отверстиям, расстояние между которыми 25,4 мм (т. е. составляет дюйм или больше).

С помощью диаграммы на рис. 3.73 легко перевести миллиметры в сотые и 64-кратные доли дюйма. На рис. 3.74 приведена увеличенная версия предыдущей диаграммы, показывающая десятые доли миллиметра и тысячные доли дюйма.

За последние сорок лет в принятии метрической системы в США удалось добиться некоторого прогресса, однако должно пройти еще не одно десятилетие, чтобы переход завершился полностью. В то же время все, кто использует детали или инструменты, выпущенные или проданные в США, должны быть знакомыми с обеими системами. Другого пути нет.

Рис. 3.71. Диаграмма для перевода между 64-кратными и сотыми долями дюйма 

Рис. 3.72. Диаграмма для перевода между десятичными и 64-кратными долями дюйма

Рис. 3.73. Диаграмма для перевода между американскими и метрическими величинами (в миллиметрах)

Рис. 3.74. Диаграмма для перевода между небольшими величинами в американской системе метрическими (в десятых и долях миллиметра)

 

Теперь пришло время для эксперимента, который позволит применить полученные вами знания для создания простого, но работоспособного продукта для бытового применения. Возможно, лично вам не нужна охранная сигнализация, однако ее разработка и сборка станет отличным введением в процесс создания схем для выполнения реальных практических задач.

Должен сразу предупредить, что создание схемы с нуля, как правило, приводит к непредвиденным проблемам и ошибкам. Было бы чересчур самонадеянно рассчитывать иначе. Поэтому в последовательности описанных далее шагов вы обнаружите как минимум одну заминку и переделку — пока наконец не получим надежную работающую систему.

 

Что вам понадобится

• Батарея на 9 В и разъем или сетевой адаптер на 9 В (на ваш выбор)

• Макетная плата, монтажный провод, кусачки, инструмент для зачистки проводов, мультиметр

• Стандартный светодиод (1 шт.)

• Транзистор серии 2N2222 (1 шт.)

• Двухполюсное реле на два направления с напряжением срабатывания 9 В (1 шт.)

• Диод серии 1N4001 (1 шт.)

• Резисторы: 470 Ом (1 шт), 1 кОм (1 шт.), 10 кОм (1 шт.)

 

Техническое задание

Этот эксперимент довольно сложный и требует планирования. Но прежде чем я выработаю план, мне нужно знать, чего я хочу. Это приведет к написанию так называемого «технического задания». Попутно я также попытаюсь представить, как реализовать каждое требование с помощью компонентов, которые упоминались в предыдущих экспериментах.

Итак, что необходимо для охранной сигнализации?

1. Система обнаружения. Устройство должно определять проникновение кого-либо в помещение. Было бы здорово создать замысловатую систему с лазерными лучами и ультразвуком, но пока это слишком сложно. Поскольку это наша первая разработка, выберем широко распространенные магнитные датчики для окон и дверей (герконы).

2. Звуковое оповещение. Сигнализация должна издавать громкий, привлекающий внимание звуковой сигнал.

3. Устойчивость к взлому. Никто не должен иметь возможность отключить сигнализацию, перерезав провода. Иначе говоря, взлом должен приводить к срабатыванию сигнализации.

4. Последовательно соединенные датчики. Чтобы сделать систему устойчивой к взлому, можно соединить последовательно несколько нормально замкнутых переключателей и пропустить через них небольшой ток. Если любой из переключателей разомкнется, или если повредится провод, это прервет цепь, и устройство начнет подавать сигнал. Я думаю, что большинство проводных сигнальных систем создано по этому принципу.

5. Вариант с реле. Если датчики соединены последовательно, то размыкание переключателя или разрыв цепи должны включить сигнализацию. Задачу можно решить с помощью реле на два направления. Ток, проходящий через катушку реле, удерживает пару контактов в разомкнутом состоянии, пока не прекратится подача тока и в этот момент контакты замыкаются. Но чтобы удерживать контакты разомкнутыми, реле должно потреблять существенную мощность. Мне бы хотелось, чтобы в режиме ожидания моя сигнализация потребляла очень мало тока, чтобы ее можно было питать от батареи. Системы сигнализации никогда не должны полностью зависеть от домашней сети переменного тока.

6. Может быть, использовать транзистор?

Если отказаться от реле, то в качестве переключателя, вероятно, подойдет транзистор. Он смог бы включать сигнализацию, когда цепь датчиков прервется. Пока все датчики замкнуты, на базе транзистора можно поддерживать сравнительно низкое напряжение. Когда цепь разомкнется, напряжение возрастет и транзистор включится.

7. Постановка на охрану. Потребуется небольшой источник света, который загорается, когда все двери и окна закрыты. Это подскажет мне, что сигнализация готова к использованию. Затем я нажму кнопку, которая запустит обратный отсчет и даст мне минуту времени, чтобы уйти. Спустя минуту сигнализация будет поставлена на охрану.

8. Автономность. Мне не хотелось бы, чтобы при попытке взлома сигнализация быстро выключалась. Если кто-то откроет окно, сигнализация должна продолжать издавать звук, даже если окно сразу же будет снова закрыто. Может, транзистор запустит реле, а когда реле включится, оно автоматически будет поддерживать свое электропитание? Или это может сделать транзистор?

9. Первоначальная задержка. Я не хочу, чтобы сигнализация поднимала шум сразу же, лишь только я зашел в охраняемое пространство. Мне необходимо немного времени, чтобы добраться до устройства и снять объект с охраны. Если я не успею отключить сигнализацию за этот промежуток времени, тогда она должна начать издавать сигнал тревоги.

10. Отключение с помощью кода. Хорошо бы отключать сигнализацию с помощью какой-либо панели для ввода секретного кода.

 

Реализация технического задания

Приведенный список требований выглядит достаточно амбициозно, учитывая, что единственная вещь, которую вы создали к настоящему моменту, — это небольшой генератор на трех транзисторах. Но на самом деле большинство функций можно реализовать достаточно легко. Сложные задачи я отложил на потом, когда мы получим соответствующие знания. В итоге мы справимся со всеми требованиями технического задания, а все компоненты устройства поместятся на одной макетной плате (за исключением схемы генератора звукового сигнала, которая будет необязательной).

 

Датчики

Давайте начнем с компонентов, которые служат датчиками и запускают сигнализацию. Обычный геркон состоит из двух модулей: магнитного и переключающего (рис. 3.75).

В магнитном модуле находится постоянный магнит и больше ничего. Модуль переключателя содержит геркон, который под влиянием магнита замыкается или размыкается (как контакт внутри реле).

Рис. 3.75. Датчик сигнализации состоит из магнита в пластиковом корпусе (внизу слева) и активируемого магнитом геркона в аналогичном корпусе (вверху справа)

Рис. 3.76. Устройство датчика системы сигнализации: геркон (внизу) и магнит, который его активирует (вверху)

Магнитный модуль прикрепляется к подвижной части двери или окна, а модуль переключателя — к оконной или дверной раме. Когда окно или дверь закрыты, магнитный модуль почти касается модуля переключателя. Магнит удерживает переключатель замкнутым, пока не будет открыта дверь или окно, после чего переключатель разомкнется. На рис. 3.76 приведен разрез комбинации «магнит-геркон».

Геркон состоит из двух гибких намагниченных полос, которые заканчиваются электрическими контактами. Каждая полоска соединяется с наружным винтом, к которому можно прикрепить провод.

Когда магнит приближается к переключателю, он намагничивает гибкие полосы, побуждая их притягиваться друг к другу, и контакт замыкается.

Из моего описания ясно, что геркон является нормально разомкнутым, но замыкается магнитным полем. При покупке датчиков для сигнализации следует помнить о том, что некоторые из них содержат герконы, работающие наоборот. Они нормально замкнуты, а при воздействии магнитного поля размыкаются. Такие датчики для наших целей не подходят.

 

Устройство управления на транзисторе

Итак, как мы можем включить часть системы сигнализации, которая генерирует сигнал тревоги? Вспомните о том, что у нас будут последовательно соединенные переключатели, которые нормально замкнуты, а когда один из них размыкается, то происходит срабатывание сигнализации.

Вспомним, как работает транзистор n-p-n-типа. Пока потенциал базы ниже определенного значения, транзистор закрыт и ток между коллектором и эмиттером отсутствует. Когда база становится более положительной, транзистор открывается и начинает проводить ток.

Взгляните на рис. 3.77, схема построена на основе нашего старого приятеля — транзистора серии 2N2222. Чтобы продемонстрировать принцип действия, я добавил нормально замкнутую кнопку, которая представляет датчик сигнализации. Я знаю, что в вашем наборе деталей нет нормально замкнутой кнопки, но задействуйте свое воображение, пока мы не будем готовы перенести эту схему на макетную плату.

Пока кнопка остается замкнутой, она соединяет базу транзистора с отрицательной шиной источника питания через резистор 1 кОм. В то же время база соединена с положительной шиной питания через резистор номиналом 10 кОм. Из-за различия сопротивлений напряжение на базе ближе к нулю, чем к 9 В, что удерживает транзистор ниже его порога включения.

Рис. 3.77. Схема, в которой светодиод включается при размыкании нормально замкнутой кнопки

В результате ток через транзистор практически не течет, а светодиод не горит.

Что же произойдет, если разомкнуть кнопку? База транзистора окажется подключенной только к положительной шине питания. Она станет более положительной, в результате сопротивление транзистора снизится, и ток через него резко возрастет. Светодиод теперь ярко сияет. Таким образом, когда кнопка разрывает соединение, светодиод зажигается.

Похоже, эта схема нам подойдет. Хотя для разных дверей и окон понадобится несколько датчиков, но мы сможем подключить их столько, сколько нужно, как показано на рис. 3.78, где датчик сигнализации условно показан в виде кнопки. Провода можно проложить по всему дому, а их общее сопротивление должно быть меньше, чем сопротивление резистора номиналом 10 кОм.

Пока все датчики остаются замкнутыми, транзистор потребляет крайне малый ток — около 1 мА. Для демонстрации вы можете запустить описанную схему с помощью батареи на 9 В. Для практического использования вам понадобился бы аккумулятор на 12 В, который будет автоматически заряжаться от специального устройства. Это выходит за рамки данной книги, но примите к сведению то, что аккумуляторы и зарядные устройства для сигнализации широко доступны, и вы легко при необходимости их найдете.

Рис. 3.78. Если любой из последовательно соединенных датчиков разомкнется, то транзистор включится

Теперь предположим, что мы заменили светодиод на реле, как показано на рис. 3.79. (Я изобразил двухполюсное реле, хотя второй полюс пока нам не понадобится.) Пока все кнопки остаются замкнутыми, на базе транзистора присутствует относительно низкий потенциал, поэтому транзистор закрыт, ток в обмотке реле отсутствует, и его контакты остаются в исходном состоянии.

Когда любой из датчиков размыкается, более высокое напряжение на базе транзистора вызовет подачу тока на катушку реле, которое запустит сигнализацию, как на рис. 3.80.

Замечание

Работа реле в таком режиме вполне допустима, потому что оно не будет «всегда включено». Для него нормальное состояние — выключенное, а мощность потребляется только при срабатывании сигнализации.

Рис. 3.79. В этой схеме реле срабатывает, когда размыкается любой из датчиков

Обратите внимание на то, что я изъял резистор 470 Ом из схемы, потому что реле не нуждается в какой-либо защите от источника питания.

Если хотите, то можете самостоятельно собрать эту схему с тем же реле, как и в эксперименте 7 (см. раздел «Эксперимент 7. Исследование реле» главы 2). Но, возможно, следует подождать, пока я доработаю ее.

Рис. 3.80. Теперь, когда датчик в цепи разомкнут, транзистор включает реле

Рис. 3.81. Датчик снова замкнут. Транзистор выключен, но сигнал тревоги выдается

Вам следует выяснить два обстоятельства:

• Будет ли реле перегружать транзистор? Вы найдете ответ, заглянув в технические описания этих двух компонентов.

• Помните, что во включенном состоянии на транзисторе имеется небольшое падение напряжения. Хватит ли оставшегося напряжения для надежного срабатывания 9-воль- тового реле? В техническом паспорте реле указано минимальное рабочее напряжение его обмотки. Вы можете проверить эти сведения опытным путем.

 

Самоблокирующееся реле

Схема, которая разработана на данный момент, будет активировать сигнализацию, когда происходит размыкание любого датчика. Это хорошо, но что случится, если Датчик вернется в замкнутое состояние? На базу транзистора вновь будет подано низкое напряжение, поэтому он отключит сигнализацию. А вот это уже плохо.

В соответствии с пунктом 8 из моего технического задания сигнализация должна продолжать выдавать сигнал тревоги, даже после того как кто-то открыл дверь или окно и быстро закрыл его. Поэтому реле должно каким-то образом блокировать себя.

Один из способов это сделать — использовать реле с блокировкой, которое остается в одном из двух положений и требует электропитания только для переключения из одной позиции в другую. Но у реле с блокировкой две катушки, и для возврата его в исходное состояние потребуется дополнительное схемное решение, чтобы вы смогли отключить сигнализацию. На самом деле, проще использовать реле без блокировки, и придумать способ удержания реле включенным на неопределенное время, после того как на него лишь один раз было подано питание.

Рис. 3.82. Объяснение принципа самоблокировки реле

Секрет раскрывается на рис. 3.81. В данном случае крайняя справа кнопка снова замкнулась после размыкания, и поэтому транзистор выключился, но реле по-прежнему включено, т. к. теперь на обмотку подается питание через дополнительно подключенный провод. Когда реле включает сигнализацию, оно также блокирует само себя.

На рис. 3.82 показаны цепи, по которым протекает электрический ток. Поскольку контакты реле замкнуты, катушка получает питание через собственные контакты. Таким образом, реле остается включенным.

 

Блокировка несоответствующего напряжения

Полученная схема выглядит многообещающей, но есть одна проблема. Не все процессы, происходящие в данной схеме, отображены на рис. 3.81. Взгляните на рис. ЦВ-3.83. В верхней части этого рисунка крупным планом показана цепь управления реле. Когда сигнализация блокирует себя, а транзистор выключен, электрический ток может поступать с катушки реле на эмиттер транзистора. Я обозначил эти провода красным цветом, поскольку они будут относительно положительными.

Подача обратного напряжения на транзистор — довольно неприятная ситуация. При этом можно вывести компонент из строя. Как же этого избежать? Нужно как-то предотвратить протекание обратного тока, например, добавив выпрямительный диод. Измененная часть схемы показана внизу на рис. ЦВ-3.83.

Новый вариант схемы сигнализации с блокирующим диодом изображен на рис. 3.84.

Рис. ЦВ-3.83. Диод предотвращает обратный ток через транзистор, когда реле заблокировано

Рис. 3.84. Схема сигнализации с блокирующим диодом

Но что на самом деле представляет собой диод? То же самое, что и светодиод? И да, и нет.

 

Все о диодах

Диод — это давно известный полупроводниковый прибор. Электрический ток через диод протекает в одном (прямом) направлении и не протекает в обратном направлении. Как и его более поздний «родственник» — светодиод, диод можно вывести из строя чрезмерным обратным напряжением и слишком большой силой тока, но большинство обычных диодов гораздо более устойчивы к перегрузкам, чем светодиоды. Фактически они выдерживают обратное напряжение до максимального значения, указанного производителем.

Отрицательный вывод диода всегда маркируется, обычно круговой полосой, как показано на рис. 3.25. Этот вывод называется катодом. Другой вывод — это анод, он не помечается. Иногда диоды очень полезны в логических схемах, они также способны преобразовывать переменный ток в постоянный. Выпускаются диоды разных типономиналов. Если максимальный ток или напряжение какого-либо диода недостаточны для ваших целей, замените его на более мощный.

Я рекомендую выбирать диоды, рассчитанные на напряжение не меньше, чем у источника питания. Как и любой полупроводниковый компонент, при неправильном использовании диод может перегреться и выйти из строя.

Три варианта условного обозначения диода приведены на рис. 3.85.

Рис. 3.85. Три варианта условного обозначения диода. Они функционально идентичны

 

Одна проблема создает другую

Решив проблему самоблокировки реле во включенном состоянии добавлением дополнительного провода, мы создали новую проблему — электрический ток может пойти обратно к транзистору. Мы добавили диод, но при этом возникла еще одна проблема.

Работа диода тоже чего-то стоит, как и работа транзистора. На самом деле, поскольку оба компонента содержат р-я-переход, то затраты оказываются сравнимы. Эффект заключается в снижении напряжения.

Ток поступает в обмотку реле, проходя сначала через транзистор, а затем через диод. После того как реле включится, оно само поддерживает автономную работу, и это не проблема. Но транзистор накладывает «штраф» размером около 0,7 В, а диод накладывает дополнительный «штраф», тоже около 0,7 В, и в сумме потери получаются 1,4 В. Это падение напряжения является фиксированным и не зависит от напряжения источника питания.

Я думаю, что наше реле, рассчитанное на 9 В, должно надежно работать при напряжении 7,6 В. В техническом паспорте компании Ошгоп указано, что для срабатывания рекомендованного мною реле серии G5V-2 достаточно 75% от подаваемого напряжения, что составляет всего 6,75 В. Похоже, это указанный тип реле подойдет для наших целей.

А как быть с другими реле? Некоторые компоненты имеют более жесткие параметры, чем другие. А если напряжение батареи окажется ниже 9 В? Проектировщик всегда должен учитывать все факторы, и, как правило, следует по возможности выбирать компоненты, номиналы которых наиболее близки к расчетным.

Кое-кто из читателей сообщил мне о проблеме падения напряжения, когда эта схема появилась в первом издании книги. (Да, я уделяю внимание откликам читателей.) Тогда я рекомендовал источник питания напряжением 12 В и считал, что потери в размере 1,4 В на транзисторе и диоде приемлемы. Но для этого издания я решил, что все устройства должны работать от источника питания напряжением 9 В, чтобы не пришлось покупать сетевой адаптер и вы могли бы использовать только батареи на 9 В, если вам так нравится. К сожалению, изъятие 1,4 В из 9 В может привести к неприятностям.

Вы убедились, что любое решение приводит к разным последствиям. Теперь, когда выбран источник питания на 9 В, я думаю, что необходим лучший способ самоблокировки реле.

 

Решение проблемы

Первый этап решения проблемы — четко понять, в чем ее суть.

Задачу управления сигнализацией осуществляют одновременно два компонента: транзистор и реле. Транзистор обеспечивает срабатывание сигнализации. После этого транзистор не делает ничего. Он выключен, а самоблокировку обеспечивает только реле. Слабым местом в этой системе является то, что задача разделена между двумя компонентами, и они могут конфликтовать друг с другом. Лучшим решением мог бы стать один компонент, отвечающий за все. Мне хотелось бы сохранить контролирующую роль за транзистором. Он должен поддерживать себя во включенном состоянии неограниченное время, а пока он будет включен, то и реле останется включенным.

Рис. 3.86. Цепь датчиков теперь заземлена через правые контакты реле, которые нормально замкнуты

И вот теперь я понимаю, как решить проблему. Все, что нужно, — это задействовать второй полюс реле (это то же самое реле, которое вы исследовали в эксперименте 7). С помощью второй пары контактов реле, которые нормально замкнуты, можно заземлить цепь датчиков, как показано на рис. 3.86.

Вот как это будет работать теперь. База транзистора сейчас подключена к отрицательной шине источника питания через цепочку датчиков, резистор 1 кОм и контакты с правой стороны реле (которые нормально замкнуты). Поскольку эта цепь соединений не нарушена, база транзистора находится под достаточно низким напряжением, чтобы предотвратить протекание тока.

Пусть теперь кто-то вызвал срабатывание датчика. База транзистора больше не заземлена, и таким образом транзистор включает реле. Контакты с левой стороны замыкаются и запускают сигнализацию. Но одновременно контакты реле, обозначенные справа, размыкаются.

Рис. 3.87. Теперь после размыкания датчика транзистор остается включенным, даже если датчик впоследствии будет замкнут

Если кто-то теперь снова вернет датчик в замкнутое состояние, то это ни к чему не приведет, потому что контакты реле, изображенные справа, разомкнуты и соединение базы транзистора с отрицательной шиной источника питания по- прежнему отсутствует. Транзистор продолжает пропускать ток, а реле остается включенным (рис. 3.87). Проблема решена.

 

Защитный диод

Как вы, наверное, заметили, я удалил диод из схемы. Но если вы взглянете на рис. 3.88 (я обещаю, что это последняя версия, по крайней мере, на данный момент), то увидите, что диод появился снова, хотя теперь он работает совсем иначе. Здесь он подключен параллельно к обмотке реле. Что же он тут делает?

Рис. 3.88. Теперь диод защищает транзистор от противоЭДС обмотки реле

Далее в этой книге мы подробнее рассмотрим свойства катушки. Но кое-что я расскажу вам прямо сейчас — обмотка из проводов сохраняет энергию, при подаче питания и высвобождает ее, когда питание отключается. Высвобождение энергии создает всплеск тока, который может повредить некоторые компоненты, особенно полупроводниковые приборы.

Поэтому подключение защитного диода параллельно обмотке реле — это стандартное решение. Диод должен быть включен так, чтобы нормальный рабочий ток протекал через катушку, а после снятия напряжения с обмотки выброс обратного тока гасился бы на диоде, защищая остальные компоненты схемы. Именно так все и происходит в нашей схеме.

Если у вас небольшое реле с маленькой катушкой, то можно в принципе обойтись без защитного диода. Но в любом случае защитный диод здесь не повредит.

 

Пора заняться макетом

В предыдущем разделе я привел множество объяснений, хотя обычно это мне не свойственно. Но мне захотелось продемонстрировать вам, как можно «с нуля» создать новую схему, имея только техническое задание. Теперь, наконец- то, пришло время собрать реальное устройство. А как же еще убедиться, что все наши идеи были правильными?

На рис. 3.89 показана компоновка макетной платы. Дорожки, соединяющие компоненты, показаны на рис. 3.90. Вместо источника звука для сигнализации, для наглядности, я использовал светодиод. Вскоре мы обсудим возможные варианты генерации звука.

Когда я сам собирал это устройство, то сымитировал датчики сигнализации, взяв нормально замкнутые кнопки. Просто мне хотелось сэкономить на компонентах, но если вы действительно решитесь использовать эту схему сигнализации, то вам понадобятся настоящие магнитные датчики, а не обычные кнопки. На экспериментальном макете устройства датчики заменены на два нормально замкнутых отрезка провода. Этого достаточно для тестирования устройства. Далее я буду называть их «провода датчика». На рис. 3.89 эти два скрещенных провода находятся в самой нижней части платы.

Перед подачей питания убедитесь в том, что скрещенные провода замкнуты друг с другом. Вначале ничего не должно происходить.

Теперь разъедините провода датчика. Сразу же загорится светодиод, а если вы в дальнейшем соберете следующий вариант схемы, то раздастся звук, оповещая о том, что сигнализация сработала.

Рис. 3.89. Окончательный вариант макета сигнализации

Теперь заново соедините провода, имитируя ситуацию, когда злоумышленник открывает окно, слышит сигнализацию и быстро закрывает окно. Если вы все собрали правильно, то светодиод будет продолжать гореть.

Пока все идет нормально. Наша схема работает. Сигнализация сама себя блокирует. Но в таком случае как же ее теперь выключить?

Нет проблем. Просто отключите питание. Реле вернется в исходное положение и, когда вы в следующий раз подадите питание, устройство снова окажется в режиме ожидания. В заключительном варианте этого проекта для выключения сигнализации вам потребуется ввести секретный код на клавишной панели. В эксперименте 21 я подскажу способ создать систему защиты с цифровым паролем. Вам понадобятся логические микросхемы, с которыми мы пока не имели дела.

 Рис. 3.90. Макет сигнализации с показанными внутренними соединительными дорожками

 

Добавляем звук

Чтобы сигнализация подавала звуковой сигнал, можно использовать схему генератора и динамик из эксперимента 11. Хотя на самом деле есть и другие способы. Интегральная микросхема, известная как таймер 555, лучше подойдет для этой работы, но так уж получилось, что она будет следующей темой, о которой я расскажу вам в эксперименте 16.

Таймер 555 способен также удовлетворить пунктам 7 и 9 из технического задания, которые подразумевают задержку перед срабатыванием сигнализации. Поэтому отложим пока проект сигнализации, чтобы полностью завершить его в эксперименте 18.

 

Итоги

Хотя проект сигнализации еще не завершен, он затронул несколько важных моментов. Я резюмирую их здесь, чтобы ссылаться на них в дальнейшем.

• Транзистор способен обеспечивать высокий выходной сигнал в ответ на низкий входной, и наоборот.

• Реле может блокироваться во включенном состоянии при подаче напряжения на обмотку.

• Диод может препятствовать протеканию тока в тех цепях, где ток не нужен.

• При протекании через диод прямого тока напряжение снижается примерно на 0,7 В.

• Открытый транзистор также снижает напряжение примерно на 0,7 В.

• Падение напряжения на полупроводниковом приборе остается постоянным независимо от величины подаваемого напряжения. Следовательно, эффект более существенен, если подаваемое напряжение низкое.

• Катушка реле при выключении может создавать противоЭДС (выброс обратного тока).

• Защитный диод, подключенный параллельно обмотке реле, способен подавить противоЭДС. Диод должен быть закрыт при нормальном направлении тока и пропускать обратный импульс, созданный катушкой.