Sposoby na budowę układów elektronicznych

Genialny pomysł na urządzenie! Tylko jakim sposobem je zbudować?

Wyobraźcie sobie sytuację, że wpadliście na genialny pomysł zbudowania urządzenia elektronicznego, które pomoże usprawnić Wam jakąś część waszego życia. Może być to urządzenie, które będzie badało wilgotność ziemi w Waszych kwiatkach i automatycznie je podlewało, kiedy zajdzie taka potrzeba. Albo układ wysyłający Wam SMS’a, kiedy ktoś otworzy drzwi do Waszego pomieszczenia, kiedy Was nie będzie w pobliżu.

Przygotowaliście już schemat, wybraliście dostępne układy i elementy, ale zastanawiacie się jaki sposób będzie najlepszy w Waszym przypadku do jego budowy.

Poniższy poradnik przeznaczony jest dla osób, które zaczynają przygodę z elektroniką i poza samą nauką chcą w końcu zbudować coś praktycznego.

Znajdziecie w nim najpopularniejsze sposoby na budowę urządzeń oraz wady i zalety każdego z nich, co pomoże Wam wybrać najlepsze rozwiązanie do Waszego projektu.

---

1. Płytka stykowa (prototypowa)

Płytka prototypowa (ang. breadboard) została stworzona, aby ułatwić początkującym elektronikom naukę lub (jak sama nazwa wskazuję) do prototypowania układów elektronicznych, gdyż pozwala ona przyspieszyć budowę układów (nie wymaga lutowania) oraz pozwala na łatwe wprowadzanie zmian.

Nie zaleca się jednak używania jej jako rozwiązania docelowego, ze względu na brak sztywnych połączeniem między elementami.

Może być jednak dobrym wyborem jako rozwiązanie tymczasowe, np. to przetestowania czy układ spełnia wasze wymagania zanim go zlutujecie.

---

2. Lutowanie „na pająka” (ang. freeform method)

Metoda ta polega na łączeniu odpowiednich wyprowadzeń elementów „w powietrzu”, tworząc sieć połączeń przypominającą pajęczynę.

Może być dobrym wyborem w przypadku, gdy elementów w naszym układzie jest maksymalnie kilka. Należy jednak pamiętać, że niezabezpieczony układ zmontowany w ten sposób narażony jest na przypadkowe zwarcia, gdy zbyt mocno go ściśniemy lub nam upadnie.

---

3. Płytka uniwersalna

Płytka uniwersalna to wybór chętnie stosowany zarówno przez hobbystów jak i profesjonalnych elektroników.

Lutowanie na niej się sprawdza w przypadku, gdy chcemy zmontować niezbyt skomplikowany układ, którego nie mamy zamiaru powielać lub, gdy chcemy przetestować nasz układ przed zaprojektowaniem płytki drukowanej.

Wybór ten może jednak okazać się nieodpowiedni, gdy układ, który montujemy zawiera więcej niż kilkanaście elementów. Czas poświęcony na lutowaniu takiego układu może być dłuższy niż czas włożony w zaprojektowanie płytki.

Dodatkowo w bardziej złożonych układach łatwo o pominięcie któregoś z połączeń, a pod płytką pojawi się plątanina przewodów, których musieliśmy użyć, aby zrealizować wszystkie wymagane połączenia.

Warto wtedy zastanowić się nad wyborem najpopularniejszej metody montowania układów – czyli z użyciem płytek drukowanych.

---

4. Płytka drukowana

Jeżeli rozbieraliście kiedyś urządzenie elektroniczne to na pewno natknęliście się na najczęściej zielone płytki z rozmieszczonymi elementami, wyglądające jak futurystyczne miasta. Jest to właśnie płytka drukowana, inaczej PCB.

Aby stworzyć taką płytkę należy najpierw ją za modelować w wyspecjalizowanym do tego programie.

Popularniejsze programy do projektowania obwodów drukowanych, z którymi mogliśmy się spotkać to KiCad, Eagle czy Altium. Co prawda zaprojektowanie takiej płytki wiążę się z włożeniem dodatkowej pracy do naszego projektu, ale takie rozwiązanie ma wiele zalet, których pozbawione są wcześniejsze metody.

Łatwość powielania

Najważniejszą zaletą stosowania płytek PCB jest łatwość w powielaniu naszego projektu.

Wyobraźmy sobie, że chcemy uruchomić seryjną produkcję naszych urządzeń i oprócz zamieszczenia układu tylko u nas w domu chcemy podarować nimi naszych znajomych i rodzinę. Albo chcemy zacząć zarabiać na naszych urządzeniach i sprzedawać setki, o ile nie dziesiątki sztuk.

Czas włożony w zaprojektowanie płytki drukowanej zwróci się w momencie lutowania naszych układów, ponieważ zajmie to kilka razy mniej czasu niż w przypadku lutowania ich na płytkach uniwersalnych.

Dodatkowo jeżeli używamy elementów powierzchniowych, polutować płytkę może za nas maszyna. Warto rozważyć zlecenia lutowania maszynowego w jakiejś firmie w wypadku, gdy chcemy uruchomić produkcje seryjną.

Kształty i rozmiary

Projektując PCB to my ustalamy jaki jest kształt i rozmiar płytki, więc możemy zaprojektować urządzenie pod konkretną obudowę.

Umiejętność projektowania przyda nam się, jeżeli chcemy zbudować urządzenie o jak najmniejszych rozmiarach płytki. Przykładowo podczas budowy opaski na rękę typu MiBand, gdzie każdy milimetr ma znaczenie.


Płytka drukowana pozwala nam na użycie małych elementów do montażu powierzchniowego (SMD). Możemy zaprojektować również płytkę wieloma warstwami miedzi (płytka drukowana może mieć więcej niż 2 warstwy miedzi).

Umiejętność projektowania obwodów drukowanych pozwala nam na zmniejszenie rozmiaru naszego układu do wielkości których nie moglibyśmy osiągnąć w przypadku zastosowania wyżej wymienionych metod.

Duże projekty

Jeżeli chcemy zbudować własne skomplikowane urządzenie umiejętność projektowania obwodów drukowanych może okazać się niezbędna.

Jak by wyglądał komputer zbudowany na płytkach uniwersalnych? Lutowanie takiego układu zajęłoby wieczność a rozmiar takiego urządzenia dorównywałby ENIACowi.

Dodatkowo programy do projektowania obwodów drukowanych posiadają funkcję sprawdzania czy zaprojektowana przez nas płytka nie zawiera błędów i jest zgodna z narysowanym przez nas schematem. Program poinformuje nas, gdy zapomnieliśmy poprowadzić połączenia i ostrzeże nas, realizujemy połączanie, którego nie ma na schemacie.

Soldermaska, warstwa opisowa

Dodatkowo, jeżeli zlecamy produkcje PCB w zewnętrznej firmie, mamy możliwość uzyskania soldermaski oraz warstwy opisowej.

Soldermaska jest (najczęściej zieloną) wierzchnią warstwą na płytkach drukowanych. Chroni ona warstwę miedzi przed tlenem, a co za tym idzie zapobiega korozji, gdyż miedź ma tendencje do utleniania się. Dodatkowo zapobiega zwarciom ścieżek w przypadku, gdyby na płytkę dostał się opiłek metalu lub kropla wody.

Warstwa opisowa z kolei, to warstwa na której możemy umieścić nazwy elementów lub nasze logo. Jest ona zazwyczaj koloru białego.

Jeżeli nie chcemy nie musimy koniecznie zaprojektowanych płytek wysyłać do wyspecjalizowanej firmy produkującej PCB. Możemy taką płytkę wytrawić ręcznie. Najpopularniejszą metodą jest tzw. metoda żelazkowa, polegająca na odbiciu „przeprasowaniu” toneru wydrukowanego projektu płytki z kartki na miedziany laminat, a następnie zanurzeniu tak przygotowanej płytki do wytrawiacza. Wytrawiacz usunie miedz w miejscach gdzie tego toneru nie ma, pozostawiając tylko ścieżki i miejsca na elementy.

Polecam każdemu spróbować chociaż raz wytrawić własną płytkę. Jest trochę zabawy, ale też sporo satysfakcji 🙂

Innym sposobem jest wygrawerowanie płytki. Na rynku dostępne są grawerki CNC w cenach nie przekraczających tysiąca złotych, które mogą nam dosłownie wyciąć ścieżki naszej płytki.

Praca

Jeżeli planujecie w przyszłości zaaplikować na stanowisko elektronika do jakiejś firmy produkującej urządzenia elektroniczne, umiejętność projektowania PCB może być bardzo przydatna o ile nie niezbędna.

Zawodowe projektowanie obwodów drukowanych to ogromna satysfakcja. Zwłaszcza gdy widzi się zaprojektowaną przez nas płytkę w urządzeniu, które niedługo wyjdzie do seryjnej produkcji i ułatwi życie tysiącom ludzi.

Dajcie znać w komentarzach jaka jest wasza ulubiona metoda montowania układów elektronicznych! 🙂

Bartek

---