Archiv rubriky: Bastlení obecné

Mé zkušenosti s průmyslovou výrobou desek plošných spojů

V tomto článku nebudu popisovat žádnou konstrukci. Bude mít trochu jiné zaměření než většina ostatních na tomto webu. Jak již z názvu vyplývá, zaměřím se na praktické zkušenosti s výrobou desek plošných spojů.

Na start s centrofixem

Leptuvzdorný lakJako snad každý elektronik jsem kdysi začínal kreslením centrofixem. Po zjištění, že centrofix neodolává leptacímu roztoku, jsem přešel na „Leptuvzdorný lak“. Ten je k dostání v prodejnách s logem mamuta nebo v ostatních elektropotřebách pro kutily. Kreslení s lakem přes historické redispero mělo v sobě kouzlo historie, daly se s tím však dělat jen široké spoje. Na integrované obvody velikosti větší než 555 mohl člověk rázem zapomenout.

Hledal jsem další možnosti a v knize „Poznáváme elektroniku I.“ od Václava Maliny (Kopp, 1995) jsem našel různé možnosti postupu kreslení předlohy na desku. Od prehistorického Propisotu až po fotocestu. Propisot pro DPS už pravděpodobně není k dostání (nezkoumal jsem to) a centrofixy a laky jsem už zkusil. Proto jsem se rozhodl, že zkusím fotocestu. Tím začala dlouhá etapa mého života spočívající v experimentování s délkou osvitu, délkou vyvolávání a nadávání nad nedostatečně osvícenou deskou nebo odplavaným fotolakem ve vyvolávacím roztoku.

Fotocesta

Zpočátku jsem pro fotocestu kupoval desky již s naneseným fotolakem u Mamuta. Občas se stalo, že výsledek byl trochu děrovaný (přesvícený) nebo naopak při leptání nešla dolů skoro žádná měď, ale většinou se to jakž-takž povedlo a výsledek byl obstojný. Na obrázku vlevo (nebo vpravo) jsou vidět ty povedené desky. Po určité době však nastala potřeba vyrábět desky většího formátu, oboustranné nebo použít darovanou hromadu cuprextitu. Zakoupil jsem si tedy sprej s fotolakem „Positiv 20“ a začal zkoušet.

Fotolak Positiv 20Když se teď ohlédnu nad etapou s názvem „Positiv 20“, musím konstatovat, že toto je slepá ulička domácí výroby DPS. Měď musí být před nástřikem dokonale odmaštěná, čistá a nástřik musí probíhat téměř ve tmě nebo s minimem světla, aby nedošlo ke zbytečné expozici. Ovšem jak zkontrolovat rovnoměrnost vrstvy nastříkaného laku ve tmě? Po několika experimentech jsem zjistil, že tma při nástřiku není tak kritická a pokud se nepoužívá světelný zdroj s vyšším obsahem UV (tedy svítí např. obyčejná žárovka, nikoliv zářivka), vůbec to Positivu nevadí. Nástřik je nutno provádět na jedno stlačení spreje. Jakékoliv přerušení znamená vlnu. Vlna znamená nerovnoměrnou vrstvu a z toho vyplývající nerovnoměrnou dobu potřebnou k expozici. Dobrý nástřik se mi tedy povedl většinou až na podruhé. Mezitím mě tedy čekalo vždy martyrium s lihem a kartáčkem na zuby k očištění mědi. Po nějaké době mi jeden známý s dlouhou praxí v oblasti elektroniky ukázal možnost použití gramofonu pro rovnoměrné rozlití vrstvy. Lak se otáčením desky odstředí a uprostřed se vytvoří rovnoměrná vrstva. Na krajích se sice udělají vlny, které se neprosvětlí, tyto části se však po vyleptání oříznou (je tedy nutné zvolit větší rozměr desky, než který budu leptat).

Fotocesta s gramofonem

Jenže s gramofonem to není úplně jednoduché. Po celou dobu schnutí laku je nutné ho chránit před expozicí. Jelikož Positiv 20 nevoní úplně jako Axe for men, není vhodné jej nanášet v obytných prostorech. Jenže ve sklepě zase není dokonalé sucho, bezprašno a v zimě taky odpovídající teplota. Občas tam taky chodí ostatní nájemníci a rozsvěcují světlo. A konec konců, ve sklepě není běžně k dispozici zásuvka 230 V pro můj gramofon. Po nějaké době a překonání všech obtíží se mi však povedlo vyvinout poměrně „úspěšnou“ technologii – s úspěšností asi 50 až 60 % při nanášení fotolaku a 70 až 80 % při vyvolávání a následném leptání. Oproti předchozím pokusům se zakoupenými deskami to bylo horší, ale pocitově levnější. Cuprextit byl můj vlastní a Positiv stál jen tři stovky.

Můj konec s leptáním desek doma však odstartovala potřeba oboustranných desek. Když jsem se pokusil nanášet Positiv na oboustrannou desku, první nanesená strana byla vždy dobrá. Ovšem druhá strana, kterou jsem mohl nanášet až po mírném zaschnutí té první, byla vždy necelistvá. Byly v ní mikrobublinky. Dodnes nevím, jak si to vysvětlit. Jestli měď na druhé straně během sušení první strany na vzduchu trochu zoxidovala a Positiv na ni potom nechytil? V každém případě se mi však ani jednou nepodařilo úspěšně nanést Positiv na obě strany při použití technologie s gramofonem. Hledal jsem tak dál, jak se dostat k oboustranným deskám. Na řadu tedy přišla průmyslová výroba u profesionálů. Tou se budu zabývat v samostatném článku…

První profi desky

Jako první jsem hledal firmu dostupnou z Ostravy, abych nemusel platit nemožně vysoké poštovné kvůli jedné, dvěma deskám. Oslovil jsem tak firmu MARPOS. Zpočátku jsem si chtěl ověřit kvalitu a cenu, takže jsem zadal jednostrannou desku pro digitální teploměr a digitální wattmetr.  Cena za desku teploměru bez masky byla dle mailu s nabídkou 300 Kč včetně vyrobení filmové předlohy a za desku wattmetru 290 Kč. Na kusovou výrobu docela drahé. Ale šel jsem do toho. Tou dobou jsem totiž připravoval projekt maturitní práce, kde jsem potřeboval pro LED matici prokovené desky a větší počet kusů.

Když jsem si desky teploměru, wattmetru a poté i maturitní práce nakonec vyzvednul, jejich provedení (ač bez nepájivé zelené masky) se mi tak líbilo, že v tu chvíli jsem byl skálopevně přesvědčen, že si doma již žádnou desku nikdy nevyleptám. Úplně do puntíku to pravda nebyla, přece jsem jenom nějaké dvě, tři desky od té doby vyrobil… Nicméně opravdu to byl zlomový okamžik.

Přesun mimo hranice EU

Po nějaké době mi spolužák poslal tip na výrobu DPS v Číně za rozumnou cenu. Tento server se jmenuje iMall – ITEAD Studio. Dá se tam koupit klon Arduina, různé vychytávky, převodníky, ale co hlavně – můžete si tam objednat výrobu desek plošných spojů. U větších sérií pak také s osazením, nákupem komponentů a dalšími službami. Desky o rozměrech do 5×5 cm nabízejí za 10 $, což je něco přes dvě stovky. V základu je deska oboustranná, prokovená, má nepájivou zelenou masku z obou stran a také bílý potisk z obou stran. V jedné dávce za tuto cenu dostanete minimálně 10 takových desek. To je hodně muziky za málo peněz, že? Poštovné je poměrně variabilní podle hmotnosti zásilky (při zvolení běžné pošty). Když jsem si nechal dělat jednu dávku desek, stálo poštovné asi 3 $. V jiné objednávce jsem si nechal poslat ještě hromadu dalších věcí, a tam se poštovné poměrně rychle vyšplhalo na vysokou částku 25 $. Ovšem pořád to bylo levnější než přes DHL.

Zatím jsem si u nich nechal vyrobit pouze dvě dávky desek, ale stojí to za to. Vychází to přibližně na 30 Kč/deska a to už je bezkonkurenční oproti opakovanému stříkání Positivu ve sklepě a čekání, jestli se to osvítilo dobře. Pohodlí s nepájivou maskou a označením součástek na potisku se nedá nahradit. Myslím si, že etapu výroby DPS v domácích podmínkách mám již beznadějně uzavřenou. Už několik let jsem doma nevyleptal žádnou desku a myslím si, že v dohledné době se to nezmění. Malou nevýhodou je čekání na doručení zásilky, které trvá většinou přibližně měsíc.

Po nějaké době jsem objevil jinou službu, JLCPCB. Ceny mají mnohem výhodnější, 2$ za 5ks desek 10×10 cm. Ne, opravdu to není vtip. Za 10ks chtějí 5$. To už se fakt nevyplatí ani u českých dodavatelů. Pokud desky potřebujete rychle, můžete si je poslat přes DHL nebo UPS, kterým bude doručení trvat do jednoho týdne (DHL 2-3 dny, UPS 3-5 dní). JLCPCB nabízí také výrobu nerezové masky pro pájecí pastu a nedávno zprovoznili také službu osazování.

Slovo na konec

A jak dělám prototypy a malé zařízení teď? Prototypy většinou postavím na nepájivé kontaktní pole. Mám jich doma dost i na velké věci. Na nepájivém poli se dobře oživuje program v procesoru a jednoduše se mění zapojení a hodnoty součástek. Pokud se jedná o zapojení malého rozsahu do 5×5 cm nebo 10×10 cm, pro tento účel používám univerzální desky, kam se dá všechno pohodlně připájet. Je s tím trochu práce, ale oproti práci s chloridem železitým v nově rekonstruované koupelně je univerzální deska opravdu slast. Větší jednokusovou desku jsem zatím vyrobit nepotřeboval a pokud by to bylo potřeba vyzkoušel bych službu Plošňáky.cz.

Tímto dlouhým a pro čtenáře jistě vyčerpávajícím článkem jsem nechtěl vystihnout detaily jednotlivých technologických postupů. Záměrem bylo shrnout praktické zkušenosti s jednotlivými technologiemi i nastínit historii výroby DPS v domácích podmínkách.  Byla to dlouhá cesta, ale nelituji toho. Opakované nanášení Positivu ve studených sklepních prostorách zocelilo trpělivost mou a trpělivost ostatních členů domácnosti díky blokování koupelny, nesmazatelným stopám chloridu železitého a dalším vychytávkám domácí chemičky.

Digitální teploměr venkovní teploty

Digitální venkovní teploměrV tomto příspěvku vám přiblížím teploměr s prehistorickým typem mikrokontroléru a stejně prehistorickým digitálním čidlem. I když je čidlo možná i starší než samotný mikrokontrolér, narozdíl od něj se stále vyrábí a těší se velké popularitě mezi bastlíři. Prozradím tedy použitý typ, jedná se o čidlo firmy Maxim-Dallas (dříve Dallas Semiconductors) typu DS18B20. Mikrokontrolér je typu PIC16F84A od firmy microchip.

Teoretický rozbor

Samotné teplotní čidlo je ryze digitální a komunikuje po speciální sběrnici 1-Wire vyvinuté v Dallasu. Sběrnice má několik výhod a pak hromadu nedostatků. Mezi výhody patří například možnost napájení podřízených zařízení z linky, použití jediného vodiče pro komunikaci, systém adres na principu sériových čísel, která se nemohou nikdy zopakovat a jsou vždy jedinečná. Mezi nevýhody patří právě systém adres, kdy při více zařízeních na sběrnici je mikrokontrolér nucen si ukládat 6bajtové sériové číslo a kritickým časováním, které nesmí být narušeno třeba přerušením, protože zařízení jsou ze sběrnice také napájena a úroveň log. 0 delší než předepsaný čas způsobí reset všech zařízení a návrat protokolu na začátek.

Použité přístroje

Tolik k samotné sběrnici, teď se trochu zaměřím na senzor. Ten poskytuje až 12bitovou přesnost teploty v rozmezí -55 až +125 °C. Přesnost si uživatel může zvolit v rozmezí 9 až 12 bitů. Větší přesnost znamená delší převod. Teplota je po dokončení převodu k dispozici ve dvojkovém doplňku (tedy ve formátu signed char) a desetinné místo s rozlišením až 0,0625. Více informací lze nalézt v datasheetu integrovaného obvodu.

Mikrokontrolér je typu PIC16F84A, už v roce 2010, kdy jsem teploměr navrhoval, to byl výběhový typ s minimem paměti a bez jakýchkoli periferií. Nemá ani sériový port. Pyšní se „obrovskou“ programovou pamětí – 1024 instrukcí a ještě větší RAM – 68 bajtů.  Použil jsem jej jen proto, že se mi nechtělo kupovat nový a chtěl jsem najít „odbytiště“ pro takové historické monstrum.

Schéma zapojení

Schéma zapojení teploměruZapojení se zobrazí po kliknutí na obrázek. Myslím si, že snad ani není co popisovat. Mikrokontrolér, displej, tranzistory, čidlo a stabilizátor. Všechno potřebné tam je, nic víc. Teploměr je napájen z 9 V baterie, která mimo stadium 100 % nabití dává napětí kolem 7 V, takže byl zvolen nízkoúbytkový stabilizátor LF50.

Displej je „co šuplík dal“, tedy VQE se společnou anodou od soudruhů z NDR. Sežere strašně moc proudu, ale má příjemnou barvu. Díky velké spotřebě jsem nakonec musel vynechat zakreslené omezovací rezistory v katodách, aby bylo aspoň něco vidět. Nepočítá se tedy s trvalým chodem, protože mikrokontrolér musí dodávat proudy až 200 mA, což je na hranici maximálních hodnot daných výrobcem.

Osazená deska teploměruTranzistory ovládající společné anody displeje pro multiplexování jsou typu BS250, což je MOSFET s kanálem P. V tomto zapojení funguje jako tranzistor PNP. Tehdy jsem byl MOSFET tranzistory okouzlen a chtěl jsem je použít všude. V této konstrukci jsem však zjistil, že pro tyto účely jsou tranzistory MOSFET nevhodné. Jejich cena je oproti běžně používaným typům bipolárních tranzistorů příliš vysoká a parametry nejsou nějaké oslňující. Navíc se na ně musíte pořád usmívat, jinak se prorazí izolační vrstvička malým nábojem statické elektřiny.

Konstrukce

Rozmístění komponentů v krabičce teploměruSamotná konstrukce a umístění teploměru je patrné z obrázků kolem textu. Při výměně oken za plastová jsme umístili husí krk do omítky a připravili jsme tak cestu pro kabel k čidlu. Ten je třížilový (není využito napájení po sběrnici) běžného typu CYSY 3×0.75. Teploměr je v elektroinstalační krabici na omítku, čemuž je také přizpůsoben tvar desky plošného spoje. Nahoře je tlačítko, kterým se připojuje napájení z baterie. Některé součástky jsou přiletovány ze strany spojů, protože by se nevešly mezi kryt krabičky a DPS.

Desku plošného spoje jsem nechal vyrobit ve firmě MARPOS, kde byli moc ochotní a mám s nimi dobré zkušenosti. Jejich pracovní doba se kryje s normální pracovní dobou, takže byl trošku oříšek vyzvednout zakázku osobně, nakonec se to však povedlo. Desky jsou v dobré kvalitě i bez masky, viz fotky. To byl počátek konce výroby desek plošných spojů na koleně. O výrobě DPS se ještě zmíním v samostatném článku.

Program

Původní program z roku 2010 je napsán v assembleru a zabral přibližně čtvrtinu paměti (něco kolem 300 instrukcí). V květnu 2015 jsem program inovoval již v C a program fungující úplně stejně zabíral po přeložení přibližně 62 % paměti. Samozřejmě ve free překladači bez optimalizace. Po optimalizaci by byl kód samozřejmě menší ale ne o moc. Protože se v Cčku mnohem snadněji dělají psí kusy, vymyslel jsem progress bar a jinou indikaci chyb při komunikaci s čidlem. Nakonec program zabral 72 % paměti a byl jsem rád, že se mi to tam všechno vešlo. Ovšem naprogramované a oživené to bylo během jednoho odpoledne narozdíl od assembleru, kde bych každou chybu hledal týden.

V předchozí verzi programu v assembleru mikrokontrolér čekal na dokončení převodu, zatímco na displeji byla „tma“ a do zobrazení výsledku (teploty) tedy nikdo nevěděl, jestli je napájení zapnuto, nebo jestli je baterie vybitá atd. Proto jsem v nové verzi programu vymyslel „progress bar“, který na displeji během převodu zobrazí běhající pomlčku. Uživatel tak vidí, že teploměr je v činnosti a probíhá měření teploty. Pokud se čidlo neozve (např. z důvodu přerušeného vodiče), zobrazuje se střídavě nápis Err a rES jako zkratka názvů Error – Reset pulz bez odezvy. Pokud došlo k chybě při komunikaci a je zjištěn nesprávný kontrolní součet (jiskření tlačítka, elmag. rušení, …), zobrazuje se střídavě Err a CrC jako zkratka Error při výpočtu CRC.

Závěr

Teploměr v provozuTeploměr je v každodenním provozu a zcela úspěšně odolává útokům všech členů domácnosti, kteří dychtí po venkovní teplotě. S přesností jsem spokojen, čidlo je umístěno kousek od omítky, takže asi není ovlivňováno teplem sálajícím přes zdi (v zimě) a po většinu dne je ve stínu. Změřená teplota tedy v naprosté většině případů odpovídá tomu, jak venku je a je proto cenným ukazatelem, jak moc se na zimu (vedro) venku psychicky i fyzicky připravit.

Přibližně po pěti letech mačkání přestalo fungovat tlačítko, takže nejspíš byl vyčerpán počet spínacích cyklů. Baterii je nutné vyměnit přibližně jednou za rok, možná méně, protože si nepamatuji, kdy jsem ji naposledy měnil.

Výroba dálkového ovladače pro zrcadlovky Pentax

Celkový pohled na krabičku dálkového ovládáníKamarád vlastní zrcadlovku této značky a chtěl pořizovat snímky aniž by stál u fotoaparátu a mačkal spoušť. Jeho fotoaparát umožňuje jak připojení externí spouště kabelem, tak použití infračerveného ovladače. Pro daný účel bylo vhodnější vyrobit bezdrátový ovladač.

IR protokol PentaxInfračervený ovladač pracuje na principu modulování nosné frekvence (obvykle kolem 36kHz a se střídou 50%) vysílanými daty. Proto bylo nutno zjistit dvě věci. Jak frekvenci nosné, tak vysílanou sekvenci. Na jednom internetovém fóru byl nalezen obrázek, na kterém je uvedeno vše potřebné. Pro zvětšení na něj klikněte. Po několika pokusech bylo rozhodnuto, že tato posloupnost se bude neustále opakovat z důvodu možného použití režimu „Bulb“, tedy „jak dlouho držíš spoušť, tak dlouho se snímek exponuje“. Když se neopakovala, fotoaparát v režimu Bulb jen krátce cvakl závěrkou.

Schéma ovladačeSamotné zapojení vysílače nepotřebuje téměř žádný komentář. Je to výhradně baterie, procesor, tlačítko a dvě LE diody. Tlačítko přímo spíná napájecí napětí, protože spotřeba procesoru v režimu SLEEP není zanedbatelná a zbytečně by baterii vybíjela. Předřadné odpory pro LED jsou zvoleny podle jejich typu, pro IR led jsem odpor zkoušel i s ohledem na dosah vysílače. Bylo třeba jej zmenšit, aby byl dosah větší. Blokovací kondenzátor připojený na napájení procesoru se neosvědčil, protože procesor se po vypnutí napájení tlačítkem nedostal ihned do resetu, ale až po určitém čase. Na fotkách je proto patrné, že na ploškách není připájen žádný kondenzátor.

Program v procesoru je jednoduchý a byl ve své době napsán v Assembleru. Dnes bych už to asi psal v Céčku, ale program je velmi jednoduchý díky použití interního modulu PWM. Tento modul je na začátku programu nastaven na frekvenci odpovídající 38kHz, což je kmitočet nosné. Dále se již pracuje pouze se nastavením střídy a to na 50% pro vysílání (na obrázku protokolu oblast znázorněná jako „ON“) a 0% pro tmu (oblast „OFF“). Program je zacyklen do nekonečné smyčky a běží dokud je procesor pod napětím. Vždy na konci jednoho cyklu zapne červenou LED, což je potvrzení odeslání kódu. Dioda se zapne jen na 13 ms a během vysílání je vypnutá. Pravděpodobně jsem to tak udělal jednak kvůli omezení proudové spotřeby (port procesoru má limit na součet proudů ve všech vývodech) a jednak pro možnost, že by se program „ztratil“ (např. zákmitem tlačítka se procesor nemusí resetovat, ale může začít dělat „nesmysly“ místo vysílání – těmto nepříjemnostem bylo nakonec zabráněno odebráním výše zmíněného blokovacího kondenzátoru, avšak kontrola běhu programu byla ponechána). Pro zajímavost jsem objevil v počítači i verzi v C, která je podobně jednoduchá, avšak je to jeden z mých prvních programů v C, a proto jsou např. čekací smyčky napsány ještě v Assembleru. Program je k dispozici v podobě HEX souboru připraveného pro procesor PIC12F683 a v zipu najdete také obě verze programu ve dvou jazycích pro porovnání.

Dálkový IR ovladačFyzické provedení ovladače můžete vidět na obrázcích. Byla zvolena krabička, jež je běžně k mání v prodejnách s logem mamuta (nebo slona, podle vkusu). Po zakoupení krabičky bylo zjištěno, že je opravdu malá a nevejde se tam držák na baterii. Proto je lithiová baterie CR2032 zapájena do desky plošného spoje. Aby se deska uvnitř nepohybovala a po stlačení tlačítka se nezatlačila dovnitř, je na desce vylitý kousek lepidla z tavné pistole. V krabičce je z výroby vyvrtaná díra pro indikační LED. Dálkový IR ovladačPro IR diodu bylo třeba vyvrtat příslušný otvor vhodně umístěný na boku, aby se ovladač pohodlně držel při míření na fotoaparát. Samotná deska plošného spoje byla vyrobena fotocestou a všechny součástky jsou na straně spojů. LE diody mají ohnuté nožičky těsně u desky a jsou tak jednoduše upraveny pro povrchovou montáž bez vrtání. Pouze baterie je připevněna z druhé strany a připájena improvizovanými drátky. U procesoru jsou prodloužené plošky k programovacím vývodům, aby bylo možné procesor naprogramovat. Desku jsem nakreslil v programu Eagle. Pokud máte zájem o layout desky, napište mi na mail admin zavináč martin-uhlik.eu.

Malá zajímavost na závěr… Na internetu můžete narazit na podobný ovladač, jež si můžete zakoupit za krásně kulatou částku – jeden dolar. Pokud se vám nechce investovat vaše úspory přímo do Číny, podpořte domácí překupníky součástek zakoupením jednotlivých dílů v naší vlasti a sestavením právě popsaného ovladače.