Глава 3 ОБРАЩЕНИЕ К БОЛЕЕ СЕРЬЕЗНЫМ ВЕЩАМ
Я не знаю насколько глубоко вы хотите погрузиться в область электроники, но знаю, что я вам открою все, что смогу, с использованием всего лишь нескольких компонентов, некоторого количества проводов, макетной платы и небольшого количества приборов и инструментов. Чтобы продолжить, вам понадобятся:
• несколько большее количество инструментов и материалов;
• основные навыки в пайке;
• дополнительные знания о:
— интегральных микросхемах;
— цифровой электронике;
— микроконтроллерах;
— двигателях.
Инструменты не относятся к чему-либо экзотическому или очень дорогому, а навыки пайки приобретаются достаточно легко. Научиться соединять провода с помощью пайки намного проще, чем освоить высокоуровневые ремесла такие, например, как создание ювелирных или сварных изделий.
Что касается дополнительных областей знаний об электронике, то они ничем не сложнее тех, которые уже обсуждались ранее.
В конце данной главы вы должны будете перенести все компоненты с макетной платы на перфорированную печатную плату, на которой их надо будет соединить между собой с помощью пайки, а затем эту плату с переключателями, светодиодами и клеммами окончательно установить в небольшой корпус для последующего повседневного использования.
СПИСОК НЕОБХОДИМЫХ ПОКУПОК ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ С 12 ПО 15
Оборудование и инструменты
Все последующее оборудование и инструменты разделены на три классификационные группы, которые помечены как «основное», «рекомендуемое» и «необязательное». Все основное оборудование и инструменты будут обязательно использоваться в данной главе. Если же вы приобретете их вместе с «рекомендуемыми» инструментами, то их будет вполне достаточно, чтобы добраться до конца книги. Необязательное (вспомогательное) оборудование и инструменты, безусловно, упростят вашу работу, но стоит ли тратить на них деньги — это ваше решение. Напомню, что адреса веб-сайтов, а также соответствующие наименования производителей и поставщиков приведены в приложении.
Я полагаю, что вы уже имеете некоторые основные навыки работы в мастерской, знаете, например, как обращаться с электродрелью.
Основное
Миниатюрный паяльник-карандаш мощностью 15 Вт
Примерами могут служить RadioShack компонент 64–2051, McMaster-Carr, позиция в каталоге № 7016A34 или Xytronic модель 252 (рис. 3.1).
Рис. 3.1. Низкая мощность этого миниатюрного паяльника-карандаша дает возможность применять его без риска повреждения чувствительных компонентов, а тонкое его ж ало помогает осуществлять выборочный разогрев
Паяльники мощностью 15 Вт используются реже, чем паяльники мощностью 25 Вт или более мощные. Хотя паяльник мощностью 15 Вт желательно использовать только для выполнения работ, связанных с пайкой деталей малого размера, он значительно снижает риск повреждения деталей за счет их перегрева.
При сравнении цен следует помнить, что паяльник с гальванически покрытым жалом, который стоит несколько дороже, будет служить вам дольше и его легче будет очистить; кроме этого, он более надежно подает тепло, чем паяльник с обычным медным жалом. Если же технические характеристики производителя не содержат упоминания о долговечном жале, то скорее всего паяльник его не имеет.
Паяльник общего назначения мощностью 30–40 Вт
Хотя большинство экспериментов в данной книге требуют использования термочувствительных компонентов малого размера и тонких проводов, в некоторых случаях вам может понадобиться сделать пайку больших компонентов и/или толстых проводов. Паяльник с мощностью 15 Вт в этом случае не сможет подать требуемое количество тепла. Поэтому для работы вам следует иметь паяльники и большей мощности, тем более что их цена не слишком высока.
Лично я предпочитаю паяльник Weller Therma-Boost, показанный на рис. 3.2, поскольку он имеет дополнительную кнопку, которая дает возможность увеличить подачу тепла. Это очень полезно, когда вы хотите быстро разогреть паяльник или пытаетесь спаять очень толстый провод с большим теплоотводом.
Рис. 3.2. Этот паяльник достаточно большой мощности создает дополнительный разогрев, который необходим для пайки толстых проводов и компонентов большого размера. При постоянном использовании паяльника он со временем теряет свой первоначальный вид, что никоим образом не сказывается на его эксплуатационных характеристиках, если поддерживать его жало в чистом состоянии
Если вы не можете найти или не хотите использовать такой паяльник, то вам может подойти почти любой мощностью 30 или 40 Вт. Зайдите на интернет-аукцион eBay или в ближайший хозяйственный магазин.
Держатель
Так называемый держатель (или «третья рука») имеет два зажима типа «крокодил», которые предназначены для удерживания компонентов или проводов точно в том положении, в котором вам требуется их спаять. Некоторые модели держателей дополнительно оснащены увеличительной линзой (лупой), спиральной подставкой для паяльника и небольшим куском губки, которую следует использовать для очистки жала паяльника, когда оно загрязняется (рис. 3.3). Все эти дополнительные элементы крайне желательны. Держатели можно найти в Интернете в ресурсах, посвященных электронике, как хобби. Примерами могут служить позиция в каталоге № HH55 компании Elenco или модель 64–2991 компании RadioShack.
Рис. 3.3. Держатель оснащен двумя «крокодилами» для фиксации вашего изделия. Металлическая спираль это держатель для фиксации вашего разогретого паяльника, а губка предназначена для очистки его жала
Увеличительные линзы
Вне зависимости от качества вашего зрения небольшие, удобные, мощные увеличительные линзы имеют важное значение, когда вы проверяете паяные соединения на перфорированной печатной плате. Набор из трех линз, приведенный на рис. 3.4, спроектирован так, чтобы располагаться вблизи вашего глаза, и он обладает гораздо более мощными линзами (лупами), чем линзы на держателе. Линзы с подставкой на рис. 3.5 могут быть установлены на рабочий стол и ими можно пользоваться, не применяя рук. Оба типа устройств можно приобрести у компании RadioShack, а аналогичные устройства можно приобрести в магазинах для художественного творчества и хобби. Следует отметить, что при условии правильного использования пластмассовые линзы более удобны.
Рис. 3.4. Набор дешевых пластиковых увеличительных линз великолепно выполняет свои функции при правильном их использовании. Ручная увеличительная линза очень важна при проверке качества пайки соединений, которые вы будете выполнять на перфорированной печатной плате
Рис. 3.5. Этот тип увеличительной линзы с держателем можно устанавливать на рабочем столе, и он очень удобен для проверки номиналов компонентов маленького размера
Измерительные провода для мультиметра с клипсами
Наконечники измерительных проводов, которые имеются в комплекте вашего мультиметра, при считывании показаний прибора требуют постоянного их удерживания в контакте со схемой. Это предполагает использование обеих рук, что не дает вам возможности делать еще что-либо одновременно.
Когда же вы используете измерительные провода со специальными клипсами (или иначе «мини-захватами») с небольшими подпружиненными наконечниками на концах провода, то вы можете присоединить общий провод (обычно черного цвета) вашего мультиметра к отрицательному выводу вашей цепи и оставить его в таком состоянии, и в этот же момент можете другим наконечником измерительного щупа касаться любой другой точки схемы, или же присоединить другую клипсу к любой другой точке схемы.
Модель Pomona 6244–48–0 (показана рис. 3.6) от компании Meter Superstore и некоторых других поставщиков это именно то, что вам нужно.
Рис. 3.6. Эти клипсы (мини-захваты) измерительных проводов мультиметра значительно упрощают процесс измерения. Нажатие подпружиненной кнопки клипсы будет приводить к выдвижению небольшого медного контактирующего крючка. После подключения им к оголенному выводу или проводу надо отпустить кнопку. После этого руки освобождаются для выполнения других задач. Для меня это какая-то загадка, почему мультиметры изначально не поставляются с измерительными проводами с этими клипсами в качестве стандартного оборудования
Если же у вас возникли проблемы с поиском или для вас имеет значение стоимость используемых измерительных проводов, то вы можете сами выбрать штырьковые вилки типа «банан» (например такие, как деталь 274–721 от компании RadioShack), которые соответствуют гнездам вашего мультиметра, а затем использовать многожильный провод 16 AWG (1,43 мм2) или более толстый провод с плетеной жилой для того, чтобы подсоединить зажимы для контрольных проводов, предназначенных для проверки интегральных схем, как например, Kobiconn 13IC331 или RadioShack «мини», деталь № 270–372C (рис. 3.7 и 3.8).
Рис. 3.7. Чтобы изготовить собственные измерительные провода для мультиметра с клипсами, сначала следует присоединить вилку типа «банан» к проводу, протянув его через пластмассовый корпус вилки
Рис. 3.8. Затем другой конец провода вставьте в боковое отверстие снятого пластмассового колпачка клипсы. Зачищенный конец провода нужно припаять к контактам клипсы. После этого завинтите колпачок клипсы
Специальный промышленный фен
После того как вы соединили два провода паяльником, вам часто необходимо изолировать место соединения. Изоляционная лента, которую часто называют просто изолентой, в этой ситуации не очень эффективна и часто в такой изоляции образуются разрывы. Вы будете использовать термоусадочную трубку, которая формирует оболочку вокруг оголенного металлического соединения.
Чтобы заставить трубку сжиматься, следует использовать специальный промышленный фен, который представляет собой очень мощный вариант фена для волос. Его можно приобрести в любом хозяйственном супермаркете, и я полагаю, что вы приобретете для себя самую дешевую версию, которую найдете (рис. 3.9).
Рис. 3.9. Похожий на мощный фен для волос промышленный фен используется для теплового воздействия на термоусадочную трубку, за счет которой создается прочная изолированная оболочка вокруг оголенного провода
Отсос для припоя
Это небольшое простое устройство отсасывает горячий, расплавленный припой, когда вам необходимо очистить паяное соединение, которое вы сделали в ненужном месте. Доступно среди изделий от All Electronics (позиция в каталоге № SSR-1) или можно выбрать RadioShack 64–2086 (рис. 3.10).
Рис. 3.10. Чтобы очистить паяное соединение, вы можете нагреть припой до тех пор, пока он не станет жидким, а затем с помощью резиновой груши (этого простейшего устройства) отсосать его
Лента для удаления припоя
Также известна, как оплетка для удаления припоя (англ. desoldering braid) (рис. 3.11). Вы можете использовать это средство для удаления припоя вместе с отсосом для очистки места пайки от припоя. Доступна среди изделий компании All Electronics (позиция в каталоге SWK) или можно приобрести RadioShack (компонент 64–2090).
Рис. 3.11. Дополнительной возможностью для удаления припоя является его сбор с помощью этой медной оплетки
Набор миниатюрных отверток
Небольшие электронные изделия и детали часто имеют такие же миниатюрные винты, и в том случае, когда вы попытаетесь использовать отвертку неправильного размера, то можете испортить шлиц головки винта. Я предпочитаю использовать набор прецизионных отверток Stanley, компонент № 66–052, показанный на рис. 3.12. Но любой набор будет полезен только в том случае, если в нем есть одновременно крестообразные отвертки и наборы с плоским жалом.
Рис. 3.12. Набор отверток малого размера относится к числу очень важных инструментов
Рекомендуемое
Подставка для паяльника
Подобно пистолету, помещаемому в кобуру, вы можете вставить паяльник в эту подставку, когда паяльник разогрет, но в данный момент вам не нужен (рис. 3.13). Примерами могут служить позиция № 50B-205 в каталоге компании All Electronics, RadioShack модель 64–2078 или можно поискать аналогичные на интернет-аукционе eBay. Эта поставка может быть встроена в держатель (см. рис. 3.3), но вам может понадобиться еще одна дополнительная подставка для вашего второго паяльника.
Рис. 3.13. Безопасная и простая подставка для паяльника
Миниатюрная ручная пилка
Я полагаю, что вы наверняка захотите выполнять монтаж законченных электронных устройств в корпусах достаточно «профессионального» вида. Соответственно вам, вероятно, понадобится инструмент для того, чтобы резать и обрабатывать тонкую пластмассу или пластик. Например, вам может понадобиться вырезать квадратное отверстие таким образом, чтобы в этом корпусе можно было установить прямоугольный переключатель.
Мощный инструмент для выполнения этой деликатной работы не подойдет. Миниатюрная ручная пилка (иначе называемая «пилка для хобби») является идеальным инструментом для выполнения такого рода работ. Компания X-Acto предлагает набор маленьких полотен для пилок. Я предлагаю полотно размером № 15, вставленное в ручку, как это показано на рис. 3.14. Этот инструмент можно приобрести через Интернет на сайтах компаний Tower Hobbies, Hobbylinc, ArtCity, а также на многих других источниках инструментов для художественных работ и хобби. Также следует обратить внимание на полотна X-Acto под номерами 234 и 239, которые можно использовать для разрезания перфорированной печатной платы.
Рис. 3.14. Компания X-Acto предлагает диапазон полотен малого размера, которые идеальны для вырезания квадратных отверстий и для установки компонентов на пластмассовые панели
Миниатюрные тиски
Миниатюрные тиски предоставляют возможность выполнять такие работы, которые нельзя сделать с помощью держателя для плат и элементов (см. рис. 3.3). Я, например, использую свои тиски, когда отрезаю маленькие кусочки пластика и когда фиксирую перфорированную печатную плату во время работы (рис. 3.15).
Поискать чугунные тиски, которые имеют размер 1'' или несколько больший, можно в Интернете на Megahobby, eBay и других сайтах с инструментами для художественных работ и хобби.
Также можно подумать о тисках компании PanaVise, которые имеют наклонную головку, что позволяет поворачивать объект обработки под любым углом.
Рис. 3.15. Эти тиски размером 1'' можно заказать по каталогу компании McMaster-Carr
Инструмент для удаления заусениц
Инструмент для удаления заусениц скругляет острые грани и делает фаски на любом грубом краю (когда вы прорезали или просверлили отверстие в пластике, например) и также дает возможность несколько увеличить отверстия. Этот инструмент может оказаться необходимым, поскольку некоторые компоненты изготавливаются с использованием метрических размеров, которые не входят в отверстия, просверленные американскими сверлами. Ваш небольшой местный хозяйственный магазин может не иметь инструментов для удаления заусениц, но их можно очень недорого приобрести в Интернете на таких ресурсах, как Sears, McMaster-Carr, KVM Tools или Amazon (рис. 3.16).
Рис. 3.16. Это небольшой режущий инструмент оригинальной конструкции с закруглением в целях безопасности и с изгибом на конце может помочь увеличить отверстия, которые достаточно большие по размеру, но их не совсем хватает для установки компонентов
Необязательное
Ручная коническая зенковка
Вам понадобится зенковка для выполнения фасок на краях отверстий для винтов, чтобы они подходили для винтов с плоскими головками. Если вы будете использовать зенковку, установленную в электрическую дрель, то у вас не будет возможности точно контролировать выполнение этой процедуры, когда будете работать с тонким мягким пластиком.
Ручную зенковку, которую можно удерживать в руках и поворачивать как отвертку, найти легче, но компания McMaster-Carr (позиция в каталоге № 28775A61) это единственный источник, где я нашел ручной инструмент, который намного легче использовать. Он продается вместе с набором зенковок, которые показаны на рис. 3.17.
Рис. 3.17. Вы должны вращать этот инструмент для раззенковки отверстия, подобно ручному инструменту для выполнения фаски, чтобы в него вошел винт с плоской головкой заподлицо
Набор крючков и шил
Изготовленный компанией Stanley набор, позиция № 82–115, доступен в интернет-магазине Amazon и хозяйственных магазинах. Вы можете найти похожие импортные изделия, которые будут на несколько долларов дешевле (рис. 3.18).
Рис. 3.18. Набор шил и крючков очень полезен в самых разнообразных и даже неожиданных ситуациях
Штангенциркули
Это может показаться некоторой роскошью, но это очень полезный инструмент для измерения наружных диаметров круглых объектов (например, резьбы винта на переключателе или потенциометре) или внутренних диаметров отверстий (в которые вы может быть захотите установить переключатель или потенциометр).
Мне нравятся штангенциркули компании Mitutoyo, а недорогая модель 505–611 (рис. 3.19) выполняет все, что мне требуется.
Рис. 3.19. Штангенциркули могут быть цифровыми, которые автоматически преобразовывают миллиметры в доли дюймов от 1/64 до 1/1000, или аналоговыми как тот, который приведен на фотографии. В этом случае вам, разумеется, не придется беспокоиться о замене батарейки
Вы можете найти более дешевые бренды, но экономия на измерительных инструментах может оказаться не слишком мудрым решением при использовании этого устройства длительное время. На веб-сайте производителя представлены все имеющиеся модели; кроме этого, вы можете использовать поисковик Google для выполнения поиска «Mitutoyo», чтобы найти розничного продавца этих изделий.
Расходуемые материалы
Припой
Это такой легкоплавкий сплав, который вы должны будете расплавить, чтобы затем соединить между собой нужные компоненты схемы. Вам потребуется очень тонкий припой диаметром 0,022'' (0,6 мм) для очень маленьких компонентов и толстый припой диаметром 0,05'' (1,27 мм) для больших. Надо следить за тем, чтобы не купить припой, который предназначен для сантехнических или художественных работ, например ювелирного дела. Несколько катушек с припоем различной толщины показаны на рис. 3.20. Вам следует убедиться, что вы купили, припой без примеси свинца.
Рис. 3.20. Катушки с припоем различной толщины
Припой для электроники внутри прутка содержит сердцевину из безкислотной канифоли, которая пригодна для электронных компонентов. Катушки припоя можно приобрести на ресурсах «электроника, как хобби», включая такие ресурсы, как All Electronics, RadioShack и Jameco, или выполнить поиск «припой для электроники» в интернет-магазине Amazon.
Провода
Вам потребуется некоторое количество многожильного провода, чтобы сделать внешние соединения для монтирования схемы. Надо найти многожильный провод 22 AWG (0,76 мм) с изоляцией красного, черного и зеленого цвета длиной минимум 10 футов (3 м) каждого цвета.
Если вы хотите смонтировать сигнализацию для защиты от проникновения после завершения эксперимента 15, то вам потребуется двужильный телефонный провод с белой изоляцией такого типа, который используется для дверных звонков. Его можно найти в таких магазинах, как Lowe's, Home Depot, Ace Hardware и аналогичных.
Вам надо рассчитать общее количество провода, которое нужно покупать, после измерения расстояния до герконов, которые вы решите установить.
Термоусадочная трубка
Термоусадочная трубка предназначена для использования вместе с промышленным феном, который был описан ранее. Вам потребуется некоторое количество этих трубок разного цвета и разных диаметров (рис. 3.21). Посмотрите на сайте RadioShack позицию 278–1627, у других поставщиков электронных компонентов и в хозяйственных магазинах. Цены будут различаться в достаточно широких пределах. Вы можете покупать самые дешевые.
Рис. 3.21. Наденьте отрезок термоусадочной трубки на место соединения проводов без изоляции и, чтобы сделать прочную изоляцию вокруг этого соединения, прогрейте его с помощью промышленного фена
Медные зажимы типа «крокодил»
Эти зажимы могут отводить тепло, когда вам надо будет спаять очень маленькие компоненты. Зажимы Mueller BU-3 °C представляют собой полноразмерные «крокодилы», предназначенные для максимального отвода тепла. Компания RadioShack предлагает зажимы малого размера (позиция № 270–373, приведена на рис. 3.22), которые можно использовать при спайке деталей малого размера.
Рис. 3.22. Эти маленькие зажимы отводят тепло, защищая компоненты во время их припаивания
Перфорированная печатная плата
Когда вы будете готовы перенести вашу схему с макетной платы на более постоянное место расположения, то вам может понадобиться припаять практически все компоненты схемы к перфорированной печатной плате, которую часто называют «печатной макетной платой», а также «печатной макетной платой с контактными отверстиями».
Вам нужен такой тип платы, в которой медные соединительные проводники вытравлены на задней поверхности таким образом, что расположение компонентов будет аналогично расположению элементов при их компоновке на макетной плате.
Проводники скрыты внутри макетной платы, а вы должны перенести ту же компоновку компонентов, которую вы использовали, припаивая их на место в перфорированную печатную плату.
Примером может служить плата 276–150 компании RadioShack, показанная на рис. 3.23, для небольших проектов, и плата 276–170 (рис. 3.24) для относительно больших схем, как это показано в эксперименте 15.
Рис. 3.23. Эта перфорированная печатная плата имеет расположение медных соединительных проводников, похожее на расположение проводников внутри ранее используемой макетной платы. Поэтому вы можете расположить все компоненты на перфорированной печатной плате с минимальным риском появления ошибок при выполнении соединений
Рис. 3.24. Пример перфорированной печатной платы большего размера, которая имеет геометрию расположения проводников как на макетной плате
Для очень маленьких проектов, в которых вы будете соединять компоненты, используя только их выводы, вам потребуется монтажная плата, которая не имеет протравленных печатных проводников. Я лично предпочитаю плату 7100 компании Twin Industries, доступную на сайте Mouser.com и показанную на рис. 3.25.
Рис. 3.25. Обычная перфорированная плата (без медных соединительных проводников) может быть использована для крепления компонентов, когда вы хотите выполнить соединение навесным монтажом
Вы можете использовать пилку для вырезания малых отверстий такой величины, которая вам будет необходима. Более дешевые это платы 276–147 от компании RadioShack, показанные на рис. 3.26, или PC-1 от компании All Electronics. Они имеют небольшие медные проводящие кружочки вокруг каждого отверстия, которые не являются необходимыми для наших задач, но в любом случае они не создают каких-либо проблем.
Рис. 3.26. Небольшая перфорированная печатная плата с отдельными медными контактными площадками для припаивания компонентов
Фанера
Когда вы будете использовать паяльник, то горячие капли припоя могут упасть на ваш стол или верстак. При этом припой будет застывать почти мгновенно, а затем у вас возникнут трудности при его удалении, а на рабочем месте в любом случае будут оставаться следы. Поэтому надо позаботиться о применении куска фанеры площадью, равной примерно половине квадратного метра, и толщиной примерно 0,5'' (12 мм), чтобы обеспечить защиту. Вы можете приобрести предварительно нарезанный кусок фанеры в магазине Home Depot или Low.
Мелкие крепежные винты
Для крепления платы и некоторых компонентов в корпусе устройства вам понадобятся мелкие крепежные винты. Они будут выглядеть более прилично, если будут иметь плоские головки, которые будут находиться заподлицо с поверхностью платы. Я предлагаю использовать крепежные винты из нержавеющей стали размера M4 длиной 0,5'' (12 мм), 5/8'' (16 мм), 3/4'' (19 мм) и 1'' (25,4 мм). Вам потребуется 100 штук каждого вида плюс 400 шайб и 400 контргаек размером под винты М4. Для приобретения винтов по разумной цене можно обратиться к компании McMaster-Carr или какой-либо другой, торгующей крепежом.
Корпус для устройства
Корпусом для устройства может быть небольшая коробка (обычно из пластмассы) со съемной крышкой. Вы можете установить ваши переключатели, потенциометры и светодиоды в отверстия, которые будут просверлены в крышке корпуса, и установить вашу перфорированную плату внутрь корпуса. Для поиска корпуса можно обратиться к компании All Electronics или RadioShack.
Вам может понадобиться корпус размером примерно 6'' (125 мм) длиной, 3'' (76 мм) шириной и 2'' (50 мм) высотой, например, позиция 270–1805 на сайте компании RadioShack или что-либо аналогичное этому. Я предлагаю вам сразу же купить пару корпусов другого размера, если вы серьезно решили заняться электроникой, и они вам понадобятся в будущем.
Компоненты
Сетевые разъемы, монтажные колодки и клеммы
После завершения проекта и реализации схемы в корпусе вам может понадобиться некоторый удобный способ для подачи внутрь этого корпуса напряжения питания. Купите пару изолированных клемм, например, в компании RadioShack это компоненты с номером 274–661, которые показаны на рис. 3.27. Также посмотрите гнездо для установки на панели, размер N, например, компонент номер 274–1583 в компании RadioShack, и штекер для подключения постоянного напряжения, размера N, например, компонент 274–1573.
Рис. 3.27. Эти клеммы позволяют выполнять подключение с помощью проводов с оголенными концами без использования пайки. Клеммы могут быть красного и черного цвета
Пара из соответствующего штекера и гнезда приведена рис. 3.28.
Рис. 3.28. Гнездо справа может быть вмонтировано в корпус проектируемого устройства для подачи напряжения питания от штекера, показанного на рисунке слева
И наконец, вам понадобятся внутренние соединители, которые по размеру будут соответствовать перфорированной плате, в которой отверстия выполнены с шагом 0,1'' (2,54 мм). Иногда их называют «монтажными многоконтактными колодками», также они известны как «штыревые линейками», которые предлагаются блоками по 36 контактов или более. Вы можете отделять от блока столько групп, сколько вам необходимо. В качестве примера можно привести компоненты с номерами 800–10–064–10–001000 и 801–93–050–10–001000 от компании Mill-Max или компоненты 929974–01–36-RK и 929834–01–36-RK компании 3M. Вы можете приобрести эти изделия и у обычных поставщиков электронных компонентов. На рис. 3.29 показаны монтажные колодки до и после отделения маленьких секций.
Следует убедиться, что эти внутренние соединители имеют расстояние между выводами 0,1'' (2,54 мм).
Рис. 3.29. Монтажная многоконтактная колодка с гнездами (вверху) и штырьками (в середине) дает возможность выполнять очень компактные соединения. Их можно распилить или разрезать, разделив на маленькие секции (внизу). Расстояние между контактами 0,1'' (2,54 мм)
Батарейка
После завершения эксперимента 15 в конце этой главы книги, если вы захотите использовать этот проект на практике, то вам понадобится батарейка напряжением 12 В. Выполните поиск в Интернете «батарейка 12 В» и вы найдете много герметичных, аккумуляторных, свинцово-кислотных батареек, которые спроектированы для систем охранной сигнализации, которые имеют небольшие размеры, например, 1''х2''х3'' (25х50х75 мм) и стоят менее $10 (около 300 руб). Вам понадобится еще и зарядное устройство, которое тоже стоит порядка $10 (300 руб).
Переключатели и реле
Вам потребуется такое же двухполюсное двухпозиционное реле и такой же однополюсный однопозиционный тумблер, который был упомянут в списке необходимых закупок в главе 2.
Для эксперимента 15 вам понадобятся герконы (магнитные переключатели), которые можно установить на окна или двери, например такие, как модель 8601 производства компании Directed Electronics, которые можно найти в Интернете и на десятках других сайтов.
Вам также потребуется кнопочный двухполюсный двухпозиционный переключатель, типа Вкл.-(Вкл.) с выводами для пайки. Примерами могут служить кнопка MPG206R04 от компании Tyco или кнопка MB2061SS1W01-RO компании NKK switches (колпачком по заказу). Кроме того, кнопку можно поискать и на интернет-аукционе eBay по запросу «DPDT pushbutton» (Кнопка двухполюсная двухпозиционная).
Диоды
Купите, по меньшей мере, полдюжины красных светодиодов диаметром 5 мм с прямым напряжением приблизительно 2 В, как например, компонент № OVLFR3C7 компании Optek, компонент № SSL–LX-5093IT компании Lumex или светодиод HLMP-D155 компании Avago. Одновременно надо купить столько же зеленых светодиодов такого же типа.
Дополнительно вам потребуется импульсный диод 1N4001 (подойдет любой производитель). На рис. 3.30 приведен пример диода с большим увеличением. Эти диоды довольно дешевые и наверняка вам еще потребуются в будущем, поэтому купите их сразу 10 шт.
Рис. 3.30. Этот диод 1N4001 длиной примерно 0,25'' (6,35 мм) в состоянии выдерживать напряжение до 50 В
Динамик
Чтобы завершить проект в эксперименте 15 вам понадобится динамик небольшого размера, чтобы он вошел в ваш корпус, но существенно более мощный, чем динамик диаметром 1'' (25,4 мм), который вы уже использовали ранее. Динамик должен быть диаметром 2'' или 2,5'' (от 50 до 60 мм). Если же вы сможете найти динамик с внутренним сопротивлением 100 Ом, то это будет вполне достаточно по мощности, но больше все же подойдет более мощный динамик с сопротивлением 8 Ом.
Эксперимент 12. СОЕДИНЕНИЕ ДВУХ ПРОВОДОВ ВМЕСТЕ
Ваши приключения с пайкой начинаются с прозаической задачи — соединить два провода друг с другом, но потом мы быстро перейдем к созданию полной электронной схемы на перфорированной плате. Итак, начнем.
Вам понадобятся:
1. Паяльник мощностью 30 или 40 Вт.
2. Паяльник-карандаш мощностью 15 Вт.
3. Тонкий припой диаметром 0,022'' (0,56 мм) или около того.
4. Средний припой диаметром 0,05'' (1,3 мм) или около того.
5. Инструмент для снятия изоляции и кусачки для проводов.
6. Держатель типа «третья рука», предназначенный для удерживания ваших компонентов.
7. Термоусадочные трубки в ассортименте.
8. Специальный промышленный фен.
9. Что-нибудь, что позволит защитить вашу рабочую зону от капель расплавленного припоя.
Ваше первое паяное соединение
Мы начнем работать с паяльником общего назначения, мощность которого 30 или 40 Вт. Включите его в сеть, установите его на подставку для паяльника и найдите себе занятие на пять минут до тех пор, пока паяльник не разогреется. Если же вы не дадите паяльнику разогреться до максимальной температуры, то в результате вам не удастся сделать хорошее соединение.
Снимите изоляцию с концов двух кусков одножильного провода 22 AWG (0,64 мм) и соедините их так, чтобы они пересекали друг друга и находились в контакте друг с другом, как это показано на рис. 3.31.
Рис. 3.31. На рисунке показан держатель типа «третья рука», когда в нем зафиксированы два провода с касающимися друг друга оголенными проводами. Увеличительное стекло должно быть убрано в сторону в течение всего процесса выполнения пайки
Чтобы убедиться, что паяльник готов, нужно попробовать расплавить кусочек тонкого припоя кончиком жала паяльника.
Паяльник должен выполнить это моментально. Если же процесс расплавления происходит медленно, то это значит, что паяльник еще не готов.
Паяльник разогрелся!
Пожалуйста, соблюдайте приведенные здесь основные предосторожности.
Используйте подходящую подставку для паяльника (как например, ту, которая имеется в подставке типа «третья рука»). Не оставляйте его лежащим на рабочем столе!
Если у вас дома есть дети или домашние животные, то помните, что они могут захотеть поиграть с проводом вашего паяльника или попытаться схватить и потянуть за него. Они могут нанести травму себе или вам.
Будьте внимательны и не касайтесь разогретым жалом паяльника его сетевого шнура. Он может вмиг расплавить изоляцию провода и это может привести к серьезному короткому замыканию!
Если вы выронили паяльник, не делайте из себя героя, не пытайтесь его поймать на лету. Велика вероятность того, что вы ухватитесь за разогретую его часть, что приведет к травме. (Я это говорю из собственного горького опыта.) Если же вы обожжете руку, то инстинктивно бросите его, поэтому лучше предоставить паяльнику падать свободно, без промежуточной стадии, которая будет состоять в нанесении вам ожога на пути его падения на пол. Естественно, вы должны поднять паяльник сразу же после его падения на пол, но при этом вы должны сделать необходимую паузу, чтобы осознанно определить, как его взять за холодную часть.
Всегда следует иметь в виду, что любые люди, которые находятся в вашем доме, в большей степени подвержены риску получения травмы от горячего паяльника, чем вы, поскольку они не знают, что паяльник разогрет. В большинстве паяльников нет контрольной лампочки, которая предупреждает, что вы подключили паяльник к сети. Общим правилом для вас должно стать утверждение, что паяльник всегда находится в разогретом состоянии, даже в том случае, когда его сетевой шнур отключен от розетки. Он может сохранять тепло достаточно долго, чтобы стать причиной ожога, в значительно более длительное время, чем вы ожидаете.
Теперь выполните следующие действия (показаны на рис. 3.32–3.33):
Рис. 3.32. На этом рисунке показаны четыре этапа выполнения паяного соединения проводов: разогрев проводов (а), подача припоя с одновременным поддерживанием тепла (б), ожидание момента пока припой не начнет расплавляться (в) и когда сформируется полностью расплавленный шарик припоя (г). Весь процесс должен занять от 4 до 6 сек
Рис. 3.33. Правильно выполненное соединение должно быть блестящим, равномерным и круглым по форме
1. Убедитесь, что жало паяльника находится в чистом состоянии (протрите его смоченной губкой, которая имеется в основании вашего держателя типа «третья рука», если это необходимо), затем снова коснитесь пересечения проводов и сохраняйте этот контакт в течение трех секунд, чтобы разогреть его. Если у вас в водопроводе жесткая вода, то следует использовать дистиллированную воду, чтобы избежать накопления минеральных отложений на жале вашего паяльника.
2. Удерживая паяльник в этом положении, добавьте небольшое количество припоя на пересечение проводов, одновременно касаясь этого пересечения жалом паяльника. Таким образом, два провода, припой и жало паяльника должны встретиться вместе в одной точке. При этом припой должен распределиться по проводам в течение двух секунд.
3. Удалите паяльник и припой. Подуйте на соединение, чтобы охладить его. В течение 10 сек место соединения остынет вполне достаточно, чтобы его можно было касаться.
4. Освободите провода из «крокодилов» держателя и попытайтесь разъединить их. Соединение должно быть прочным!
Если они выдерживают все ваши попытки разделить их, то провода соединены с сохранением электрического контакта и этот контакт будет обеспечен. Если вы не сделаете качественного соединения, то вы относительно легко разъедините проволочки, что может произойти, если вы недостаточно сильно разогрели провода или не добавили достаточное количество припоя, чтобы соединить их.
Причина, из-за которой я попросил вас использовать паяльник большей мощности, заключается в том, что он отдает гораздо большее количество тепла, что упрощает процесс выполнения пайки.
Мифы о пайке
Миф № 1: Выполнять пайку очень трудная задача
Миллионы людей освоили это дело и очень маловероятно с точки зрения статистики, что у вас хуже координация и способности, чем у большинства из них. У меня в течение всей моей жизни имелась и имеется проблема с дрожанием моих рук, которое создает для меня проблему с неподвижным удержанием мелких предметов. Я также не способен выполнять повторяющуюся скрупулезную работу. Поэтому, если уж я могу соединять пайкой компоненты, то практически любой другой человек это сделать сможет.
Миф № 2: В процессе пайки выделяются ядовитые химические вещества
Современный припой не содержит свинца. Вы должны избегать вдыхания паров в течение продолжительных периодов, но это также относится к другим продуктам повседневного использования, таких как отбеливатель и краска. Если бы пайка создавала значительную угрозу для здоровья, то мы должны были бы видеть в течение десятков лет высокий уровень смертей среди людей, хобби которых является электроника.
Миф № 3: Пайка является опасным занятием
Паяльник менее опасен, чем утюг, который используется при глажении рубашек, поскольку он выделяет меньшее количество тепла. На практике, по моему опыту, пайка более безопасна, чем типичные домашние работы или работы в мастерской. Однако это не означает, что вы должны быть беззаботны!
Альтернативы пайки
В начале 1950-х годов соединения внутри электронных изделий, таких, как например, радиоприемники, выполнялись с помощью ручной пайки рабочими на производственных линиях. Но рост телефонных коммутаторов создал необходимость использования более быстрого способа надежного соединения проводов типа навесного монтажа, а вот «монтаж проводов накруткой» был действенной альтернативой.
В электронных устройствах, компоненты которых при установке на печатную плату имели длинные покрытые золотом заостренные штырьковые выводы прямоугольного сечения, выступающие на задней поверхности платы, использовался монтаж накруткой. В случае монтажа накруткой используется специальная проволока, покрытая серебром, со снятой изоляцией примерно на 1'' (25,4 мм) от концов. Ручное или автоматизированное устройство скручивает концы выводов проводом вокруг одной из ножек, прилагая достаточное усилие. Чтобы выполнить «холодную сварку» нужна достаточно мягкая, покрытая серебром проволока. В процессе скрутки нужно приложить достаточное усилие, чтобы выполнить очень надежное соединение, особенно если используется от 7 до 9 оборотов проволоки, причем каждый виток касается всех четырех углов ножки.
В течение 1970-х и 1980-х годов эта система была адаптирована любителями хобби, которые изготавливали самостоятельно домашние компьютеры. Печатная плата с соединением проводов накруткой в компьютере, изготовленном в домашних условиях, показана рис. 3.34 (ЦВ-рис. 3.34).
Рис. 3.34. На этом рисунке показаны соединения накруткой, которые были выполнены Стивом Чемберлином (Steve Chamberlin) в самодельной старой 8-битовой ОЗУ и компьютере. «Возвращение в старые времена», при использовании соединения такой массы проводов пайкой, занимало безумное количество времени и способствовало возникновению неисправностей.
Фото предоставлено Стивом Чемберлином (Steve Chamberlin)
Эта технология использовалась Американским космическим агентством NASA для подключения проводов компьютера в космическом корабле Аполло, который был послан к Луне, но в настоящее время соединение накруткой очень редко применяется в серийных изделиях.
Широкое промышленное использование компонентов, которым для установки требовались «сквозные отверстия», например, интегральных микросхем в ранних настольных компьютерах, способствовало развитию «пайки волной», когда предварительно нагретая печатная плата, в которую уже были вставлены микросхемы, проходила над волной или водопадом, касаясь расплавленного припоя. Использование масочной технологии помогла исключить прилипание припоя к тем местам, где он был не нужен.
Сегодня элементы с поверхностным монтажом (которые существенно меньше, чем их аналоги, которые вставляются в сквозные отверстия) приклеиваются к печатной плате пастой, которая содержит припой, а затем блок целиком нагревается, расплавляя пасту и создавая постоянное соединение.
Восемь наиболее распространенных ошибок при выполнении пайки
Можно назвать восемь следующих самых распространенных ошибок при выполнении пайки:
1. Недостаточный разогрев.
Соединение внешне выглядит прекрасно, но из-за того, что разогрев был недостаточным, припой не растворился достаточно, чтобы изменить его внутреннюю молекулярную структуру. Он остался гранулированным вместо того, чтобы стать сплошным блоком с равномерно распределенным веществом, и вы заканчиваете работу, создавая непропаянное соединение, которое также иногда называют «холодная пайка» и которое разваливается, если вы потянете провода друг от друга. Нужно снова тщательно прогреть соединение и нанести новый припой.
Основная причина возникновения недостаточно разогретого припоя — это искушение использовать паяльники для переноски припоя на соединение. Это приводит к тому, что холодные провода уменьшают треугольник припоя. То что вам нужно сделать, это сначала нагреть провода, а затем положить на них припой. В этом случае провода будут горячими и будут помогать разогреться припою, который будет к ним «прилипать».
Поскольку это достаточно универсальная проблема, я для себя повторяю:
Никогда не расплавляйте металл жалом паяльника, чтобы затем использовать этот припой для выполнения соединения. Вы не должны наносить горячий припой на холодные провода. Припой всегда надо помещать на горячие провода.
2. Слишком большой разогрев.
Возможно это не приведет к повреждению соединения, но разрушит все, что находится вокруг него. Виниловая изоляция будет расплавляться, обнажая провода, что в дальнейшем может быть причиной возникновения короткого замыкания. Сильный нагрев легко может вывести из строя полупроводниковые компоненты и даже расплавить внутренние части пластиковых переключателей и разъемов.
Поврежденные компоненты должны быть обязательно выпаяны и заменены, что требует времени и может создавать дополнительные трудности (см. далее разд. «Приборы и инструменты — Выпаивание», где описано, как это делать).
3. Недостаточное количество припоя.
Соединение двух проводников с малым количеством припоя может оказаться недостаточно прочным. При соединении проводов всегда проверяйте обратную сторону соединения, чтобы убедиться, что припой полностью заполнил соединение на другой стороне.
4. Перемещение компонентов соединения до того, как припой затвердел.
Так, вы можете создать микротрещину, которая может оказаться для вас незаметной. Это, может быть, и не приведет к нарушению контакта, но со временем из-за наличия вибрации или термического воздействия такая трещина может развиться и привести к нарушению электрического контакта. Поиск этой неисправности может оказаться достаточно нудной процедурой. Если же вы прижимали компоненты друг к другу еще до выполнения их соединения или использовали перфорированную плату для постоянной установки компонентов, то вы можете избежать этой проблемы.
5. Грязь или смазка.
Электрический припой содержит канифоль, которая очищает металл перед тем, как вы начинаете работать с ним, но загрязнения могут не давать «прилипать» припою. Поэтому, если какой-либо компонент выглядит загрязненным, то его надо очистить мелкой наждачной шкуркой еще перед выполнением соединения.
6. Нагар на жале вашего паяльника.
Паяльник в процессе эксплуатации постепенно покрывается крапинками черного нагара, а они в свою очередь могут создавать барьер при теплопередаче. Протирайте кончик паяльника небольшой губкой, установленной в основании держателя с подставкой для вашего паяльника.
7. Неподходящие материалы.
Припой для электроники создан специально для соединения электронных компонентов. Он не будет работать с алюминием, нержавеющей сталью или другими металлами. Вы можете попытаться соединить детали, покрытые хромом, но это вызовет значительные затруднения.
8. Забывчивость проверки места соединения.
Не следует заранее считать, что соединение выполнено правильно. Всегда следует проверять его, прикладывая небольшое усилие вручную, если это, конечно, возможно (рис. 3.35 и 3.36, где показано, как это должно быть), а если захватить соединение руками нельзя, то попробуйте поддеть его жалом отвертки и слегка сдвинуть его, или использовать маленькие плоскогубцы, чтобы попытаться вытащить присоединенный элемент. Не беспокойтесь о том, что вы можете испортить свою работу. Если же ваше соединение не пройдет жесткого контроля, то оно некачественное.
Рис. 3.35. Результат испытания некачественного паяного соединения
Рис. 3.36. Результат испытания качественного паяного соединения
Из всех восьми ошибок холодная пайка относится к наиболее распространенной, поскольку ее очень легко допустить и при этом соединение внешне будет выглядеть качественным.
Ваше второе паяное соединение
Теперь наступило время проверить в деле ваш паяльник-карандаш. Снова нужно оставить его на пять полных минут подключенным к сети, чтобы дать ему время достаточно разогреться. Одновременно не забудьте отсоединить от розетки другой ваш паяльник и положить его в какое-либо безопасное место после того, как он остынет.
Теперь я хочу совместить провода параллельно друг другу.
Соединение их таким образом несколько более сложная задача, чем соединение пересекающихся проводов; для этого нужно приобрести некоторый навык. В противном случае у вас не будет возможности надеть термоусадочную трубку на готовое соединение, чтобы выполнить его изоляцию.
На рис. 3.37–3.38 показано успешное выполнение соединения такого типа. Два провода при соприкосновении не имеют плотного контакта друг с другом; припой будет заполнять любые маленькие зазоры. Но провода должны разогреться до нужной температуры, чтобы создать условия для затекания припоя, а это может занять дополнительные несколько секунд при использовании маломощного паяльника-карандаша.
Рис. 3.37. Этот рисунок показывает четыре этапа соединения двух параллельно расположенных проводов, что сделать несколько большее сложно, а использование маломощного паяльника-карандаша потребует большего времени для достаточного разогрева и получения качественного соединения. В данном случае можно применить припой меньшего диаметра
Нужно проверить, что вы подаете припой именно так, как это показано на рисунках. Следует напомнить, чтобы вы не пытались переносить припой в выполняемое соединение на жале паяльника. Сначала прогрейте провода, а затем коснитесь припоем проводов и жала паяльника, удерживая их в контакте. Подождите пока припой не расплавится, и вы увидите, как быстро он проникает в соединение. Если это не происходит, то будьте терпеливыми и подольше прогрейте провода.
Рис. 3.38. Окончательное соединение имеет достаточно припоя для удерживания проводов, но его не слишком много, чтобы не дать надеть термоусадочную трубку
Теория пайки
Чем лучше вы понимаете процесс пайки, тем легче вам будет выполнять качественные паяные соединения.
Пусть жало паяльника разогрето, и вы хотите передать его тепло соединению, которое пытаетесь выполнить. В этой ситуации вы можете считать тепло в каком-то смысле жидкостью. Чем больше площадь контакта между паяльником и соединением, тем создается большее количество тепла в секунду, которое может перетечь от него.
По этой причине вам надо отрегулировать угол положения паяльника таким образом, чтобы площадь контакта была максимально большой. Если он касается проводов только в точке с малой площадью контакта, то вы будете ограничивать величину теплового потока. Этот принцип показан на рис. 3.39–3.40 (ЦВ-рис. 3.39–3.40). Как только припой начинает расплавляться, он увеличивает площадь контакта, что помогает передаче большего количества тепла и в свою очередь ускоряет этот процесс естественным образом. Инициирование этого процесса вещь более сложная.
Рис. 3.39. При небольшой поверхности контакта между паяльником и рабочей поверхностью будет передаваться недостаточное количество тепла
Рис. 3.40. Большая площадь контакта между паяльником и поверхностью пайки будет сильно увеличивать передачу тепла
Другое свойство теплового потока, которое вы должны учитывать, заключается в том, что этот поток может быть отведен от нужного вам места и направлен в те места, которые вы вовсе не хотите подвергать тепловому воздействию. Если вы попытаетесь припаять очень толстый кусок медного провода, соединение никогда не будет достаточно горячим, чтобы расплавить припой, поскольку толстые провода будут отводить тепло от места соединения. Вы можете обнаружить, что даже паяльник мощностью 40 Вт не обладает достаточной мощностью, чтобы решить эту проблему, и, если вам приходится выполнять работу по соединению массивных частей, то возможно вам потребуется более мощный паяльник.
В качестве общего правила следует помнить, что если вы не можете выполнить соединение пайкой в течение 10 сек, то у вас нет возможности разогреть соединение до нужной степени.
Выпаивание
Выпаивание деталей даже более трудная задача, чем их пайка. Для выполнения этого имеются два простых инструмента.
1. Отсос для припоя.
Сначала вам надо приложить паяльник, чтобы расплавить припой. Затем вы должны применить простое устройство для того, чтобы попытаться отсосать максимально возможное количество припоя (см. рис. 3.10). Как правило, после использования только этого отсоса не будет удалено такое большое количество припоя, чтобы можно было выполнить разъединение, и вам потребуется применить следующий инструмент.
2. Оплетка или лента для удаления припоя.
Оплетка для удаления припоя, которая предназначена для удаления припоя из соединения (см. рис. 3.11), но при этом следует понимать, что она тоже не может полностью очистить соединение, и вы окажетесь в неудобном положении, пытаясь использовать обе руки для разъединения компонентов и одновременно продолжать разогрев, чтобы не дать припою затвердеть.
У меня, к сожалению, нет больше советов по осуществлению выпаивания деталей. Это негативный опыт (по меньшей мере, я так думаю), и он вполне может привести к безвозвратному повреждению компонентов.
Добавление изоляции
После того как вы успешно выполнили пайку соединения двух, расположенных в линию, проводов, наступило время для выполнения более легкой задачи. Выберите термоусадочную трубку достаточно большого диаметра, чтобы можно было надеть ее на соединение, но при этом должно оставаться совсем небольшое пространство.
Наденьте трубку на выполненное соединение так, чтобы стык находился в середине трубки, удерживайте ее перед вашим промышленным феном, после чего включите его (держите ваши пальцы так, чтобы они не могли попасть под струю горячего воздуха).
Промышленный фен сильно разогревается, слишком сильно!
Обратите внимание на хромированную стальную трубку на рабочем конце вашего промышленного фена. Сталь стоит гораздо дороже пластмассы, а поэтому производители используют для этой детали именно сталь, наверное, по очень важной причине. И причина эта заключается в том, что воздух, который проходит сквозь трубку, разогревает ее настолько, что может просто расплавить, если она сделана из пластмассы.
Металлическая трубка остается достаточно горячей, чтобы стать причиной ожога в течение нескольких минут после использования фена. Как и в случае паяльника, все домашние (и животные тоже) очень уязвимы, поскольку они необязательно знают, что промышленной фен горячий. Прежде всего, надо убедиться, что никто в вашем доме никогда не сделает ошибки и не будет использовать ваш промышленный фен для сушки волос (рис. 3.41).
Это устройство несколько более опасно, чем может показаться сначала.
Рис. 3.41. Остальные члены вашей семьи должны понимать, что хотя промышленный фен и выглядит, как фен для укладки волос, внешний его вид может быть обманчив
Поверните провод таким образом, чтобы выполнить прогрев с обеих сторон. Трубка должна плотно обжать соединение в течение полминуты. Если трубку перегреть, то она может так сильно обжать провода, что это приведет к ее разрыву. После этого ее можно снять и начать процесс снова. Как только ваша трубка достаточно плотно обожмет провода, чтобы перестать вращаться, то это будет означать, что больше греть ее не нужно. На рис. 3.42–3.44 показаны необходимые этапы выполнения этого процесса. В данном случае я использовал трубку белого цвета, поскольку ее хорошо видно на фотографиях. Следует заметить, что трубки другого цвета действуют совершенно одинаково.
Рис. 3.42. Наденьте трубку на ваше соединение проводов
Рис. 3.43. С помощью промышленного фена начните разогрев трубки
Рис. 3.44. Продолжайте греть трубку до тех пор, пока она плотно не обожмет соединение
Я предлагаю продолжить повышение ваших навыков в пайке, выполнив несколько следующих практических устройств.
В первом случае вы сможете добавить одножильные цветные провода к проводу вашего сетевого адаптера, а во втором случае вы сможете укоротить сетевой шнур блока питания вашего ноутбука. Для выполнения обеих этих задач вы можете использовать ваш более мощный паяльник.
Модификация сетевого адаптера
В предыдущей главе я упоминал о раздражении, которое возникает из-за невозможности вставить провода от вашего сетевого адаптера в отверстия вашей макетной платы. Поэтому попробуем исправить это прямо сейчас.
1. Отрежьте два кусочка одножильного провода 22 AWG (0,64 мм) — один красного цвета, а другой черного или синего. Каждый должен быть длиной около 2'' (50 мм). Удалите изоляцию с обоих концов каждого провода на длину примерно 0,5'' (12,7 мм).
2. Снимите изоляцию и зачистите две жилы провода вашего сетевого адаптера. Вы должны хорошенько очистить медные провода, чтобы максимально повысить шансы хорошего «прилипания» к ним припоя.
Я предполагаю сделать одну жилу немного длиннее, чем другую, чтобы снизить возможность касания очищенных концов друг друга и возникновения из-за этого короткого замыкания. Следует использовать ваш мультиметр в режиме измерения постоянного напряжения, если у вас есть сомнения в том, какая из жил является положительной.
3. Спаяйте цветные провода с проводами сетевого адаптера и добавьте термоусадочную трубку, как это вы делали, когда тренировались пользоваться термоусадочной трубкой.
Учтите, что к положительной жиле следует припаять провод красного цвета, а к отрицательной — черного или синего. Результат должен быть таким, как это показано на рис. 3.45.
Рис. 3.45. Одножильные провода разного цвета, припаянные к проводам сетевого адаптера, для удобной подачи напряжения на макетную плату. Следует помнить, что они имеют разную длину, чтобы уменьшить риск касания друга в месте соединения
Уменьшение длины сетевого шнура
Когда я путешествую, мне нравится минимизировать все, что я беру с собой. Меня всегда раздражает, что сетевой шнур для блока питания моего ноутбука длиной более 1 м. Тонкий провод, который соединяет блок питания с компьютером, тоже длиной 1,25 м, а мне такой длинный провод не нужен.
После проведения основательного поиска я не смог найти сетевого шнура для ноутбука короче 1 м, поэтому я решил укоротить этот шнур самостоятельно. Если у вас нет необходимости это делать, то вы можете выполнить эту процедуру со старым удлинителем просто для тренировки. Вам нужно проделать эти шаги, чтобы приобрести некоторые навыки в пайке толстых одножильных проводов и в применении термоусадочной трубки.
1. С помощью кусачек укоротите сетевой шнур до необходимых размеров (рис. 3.46, а — в). Затем универсальным ножом разделите две жилы шнура между собой, а потом откусите их таким образом, чтобы одна жила была короче другой (рис. 3.46, г — д).
Рис. 3.46. Этот рисунок показывает последовательность подготовительных шагов при укорачивании сетевого шнура блока питания ноутбука
При сращивании сетевого шнура или аналогичного кабеля, который содержит две или более жил, следует избегать ситуации, когда места соединения двух жил будут находиться рядом. Провода лучше монтировать, если места соединений будут смещены относительно друг друга, к тому же при этом уменьшается риск короткого замыкания, если вдруг изоляция будет повреждена.
2. С концов проводов снимите минимальное количество изоляции — на 1/8'' (3 мм) будет вполне достаточно. Особенно удобны автоматические устройства для снятия изоляции, которые я приводил в списке необходимых покупок в главе 1, но и обычные устройства для снятия изоляции тоже отлично справятся с этой задачей.
3. Отрежьте два кусочка термоусадочной трубки, каждый длиной 1'' (25 мм), что по длине вполне достаточно для закрывания разделенных жил вашего шнура. Кроме того, отрежьте еще кусочек трубки большего диаметра длиной около 2'' (50 мм). Этого хватит, чтобы изолировать оба участка разрезанных проводов (рис. 3.46, е).
Рис. 3.46, е
Выбирайте подходящую термоусадочную трубку
Если вы используете термоусадочную трубку для сетевого шнура переменного напряжения 110 В[9], как это имеет место в настоящем эксперименте, то следует убедиться, что трубка, которую вы используете, имеет номинал, пригодный для создания изоляции напряжения 110 В.
4. Теперь нужно выполнить самую трудную часть — включить вашу память. Вы должны запомнить, что надо надеть трубку на провод до того, как будете выполнять пайку (рис. 3.46, ж), поскольку позднее вилки на концах проводов не дадут вам возможности надеть какую-либо термоусадочную трубку.
Если вы так же забывчивы, как и я, то для вас будет очень затруднительно вспоминать об этом каждый раз, когда в этом есть необходимость.
Рис. 3.46, ж
5. Используйте ваш держатель с «крокодилами» для совмещения проводов первого соединения. Совместите два провода вместе таким образом, чтобы многожильные провода жил переплелись друг с другом, а затем сдавите их сильно большим и указательным пальцами, чтобы они не торчали в разные стороны. Выступающие концы проводков жил могут впоследствии проколоть термоусадочную изоляцию, когда трубка разогрета и находится в размягченном состоянии, а затем сжимается вокруг соединения.
6. Провод, который вы сейчас соединяете, намного толще одножильного провода 22 AWG (0,64 мм), с которым вы имели дело ранее, поэтому он отводит гораздо больше тепла. Именно по этой причине при выполнении пайки следует держать разогретый паяльник в соприкосновении с проводом более продолжительное время. Надо убедиться, что расплав затекает на всю длину соединения, а затем после охлаждения соединения проверить наличие припоя с другой стороны. Велика вероятность того, что вы обнаружите там оголенные концы медных проводков жилы. Соединение должно быть сплошным, закругленным и представлять собой блестящий шарик.
Нужно следить за тем, чтобы термоусадочная трубка находилась как можно дальше от места пайки соединения, когда вы используете паяльник, таким образом, чтобы нагрев паяльника не вызвал преждевременную усадку трубки, что может позднее помешать при ее надевании на место соединения.
Когда соединение остынет, на него надо надеть термоусадочную трубку, а затем нагреть промышленным феном. После этого следует повторить этот процесс и с другой жилой.
Наконец нужно надеть трубку большего размера на оба эти соединения. Вы ведь не забыли надеть трубку большего диаметра на провод в начале работы, не так ли?
На рис. 3.47 показан весь процесс выполнения соединения укороченного сетевого шнура.
Рис. 3.47. Завершающие этапы соединения укороченного сетевого шнура для блока питания ноутбука
7. Если вы успешно завершили упражнения с пайкой, то теперь у вас достаточно навыков для того, чтобы спаять вашу первую электронную схему. Но сначала я хочу проверить устойчивость используемых компонентов к нагреву.
Эксперимент 13. СЖИГАНИЕ СВЕТОДИОДА
В главе 1 вы видели, каким образом может быть поврежден светодиод, если через него протекает слишком большой ток.
Электрический ток выделяет тепло, которое расплавляет светодиод. Неудивительно, что вы можете очень легко вывести его из строя, нагревая слишком сильно один из его выводов паяльником. Вопрос только в том, какой же нагрев будет избыточным?
Давайте выясним это.
Вам понадобятся:
1. Паяльник мощностью 30 или 40 Вт.
2. Паяльник-карандаш мощностью 15 Вт.
3. Пара светодиодов, которые в ходе эксперимента будут выведены из строя.
4. Резистор с сопротивлением 680 Ом.
5. Кусачки для проводов и тонкогубцы.
6. Держатель с зажимами типа «крокодил», предназначенный для удерживания ваших компонентов.
Я не хочу использовать зажимы типа «крокодил» для подключения светодиодов к источнику питания, поскольку «крокодилы» будут отводить и поглощать некоторое количество тепла от паяльника. Вместо этого, пожалуйста, используйте тонкогубцы для изгиба выводов светодиода, чтобы сделать на их концах небольшие крючки, а затем такую же операцию выполните с нагрузочным резистором сопротивлением 680 Ом. Наконец, надо таким же образом согнуть новые провода вашего сетевого адаптера, чтобы их концы тоже были в форме небольших крючков.
Теперь можно соединить крючки вместе, как звенья цепочки, как это показано рис. 3.48.
Рис. 3.48. За счет зацепления проводов резистора и светодиода белого цвета мы минимизируем пути отвода тепла при выполнении последующего испытания
Захватите корпус светодиода «крокодилом» вашего держателя. Пластик не обладает хорошей теплопроводностью, поэтому держатель не будет отводить слишком много тепла от выводов нашего светодиода. Для создания контакта резистор может быть подвешен на крючке одного из выводов светодиода, а выходной провод сетевого адаптера может быть подвешен на другом выводе. Силы тяжести будет вполне достаточно, чтобы выполнить эту работу (создание контакта). Установите на вашем сетевом адаптере выходное напряжение 12 В перед тем, как включить его в сеть, после чего светодиод должен загореться ярким светом.
В этом эксперименте я использовал белый светодиод, потому что его легче фотографировать.
Следует убедиться, что два паяльника по-настоящему разогрелись. Они могут быть включены, по меньшей мере, в течение пяти минут. Теперь нужно взять паяльник-карандаш и, прочно удерживая его жало у одного из выводов светящегося светодиода, по часам вести отсчет времени. На рис. 3.49 показано, каким в этом случае должно быть расположение элементов.
Рис. 3.49. Разогрев вывода светодиода паяльником мощностью 15 Вт. Стандартный светодиод должен выдерживать такое воздействие в течение 2–3 мин, но если вы поменяете паяльник на 30-ваттный, то вероятнее всего светодиод сгорит уже через 15 сек
Я готов поспорить, что вы сможете продолжать такой нагрев в течение полных трех минут без каких-либо последствий для светодиода, именно поэтому-то я использую паяльник мощностью 15 Вт для тонких работ с электроникой, поскольку он не представляет опасности для электронных компонентов.
Дайте светодиоду остыть, а затем приложите более мощный паяльник к той же части вывода, что и ранее. Перед этим, разумеется, надо убедиться, что паяльник разогрет до максимума.
В итоге вы обнаружите, что ваш светодиод продержится не более 10 сек (замечу, что некоторые светодиоды более устойчивы к высоким температурам, чем другие). Именно поэтому-то я и не использую 30-ваттный паяльник для выполнения деликатных работ с электронными компонентами.
Паяльник большего размера необязательно при разогреве достигает более высокой температуры, чем паяльник меньшего размера. Он просто за тот же промежуток времени отдает больше тепла. Другими словами, большее количество тепла и с большей скоростью может быть им отдано.
Выбросите ваш перегоревший светодиод, замените его новым и подключите точно так же, как и предыдущий, но дополнительно подсоедините медный «крокодил» к одному из выводов светодиода возле его корпуса, как это показано на рис. 3.50.
Рис. 3.50. Когда используется зажим типа «крокодил» в качестве теплоотвода, вы смело можете пользоваться 30-ваттным паяльником (установленным ниже зажима) не опасаясь повредить светодиод
Приложите жало вашего паяльника мощность 30 или 40 Вт к этому выводу несколько ниже «крокодила». На этот раз вы сможете удерживать паяльник на этом месте не менее двух минут без каких-либо последствий для светодиода.
Представьте себе тепловой поток, который отходит от жала вашего паяльника и поступает по выводу к светодиоду. Только теперь на его пути будет медный зажим типа «крокодил», как это показано на рис. 3.51.
Рис. 3.51. Теплоотвод ограничивает подачу тепла, отводя его и защищая светодиод от повреждения
Зажим ведет себя как пустая емкость, которая готова к заполнению. Он меньше «сопротивляется» поступлению тепла, чем оставшаяся часть вывода, которая идет к светодиоду, поэтому поток тепла «предпочитает» направиться в медный зажим, оставляя светодиод не поврежденным. В конце вашего эксперимента, если вы коснетесь зажима, то обнаружите, что он разогрелся, в то время как светодиод остался относительно холодным.
Зажим типа «крокодил», который известен, как теплоотвод. Он изготовлен из меди, потому что медь является одним из наилучших проводников.
Поскольку 15-ваттный паяльник не может повредить светодиод, то вы можете решить, что он полностью безопасен и при этом нет необходимости использовать теплоотвод. Что ж, это может быть и так. Проблема состоит в том, что вы на самом деле точно не знаете, является ли ваш полупроводник более термоустойчивым, чем светодиод. Поскольку последствия от перегорания компонента являются столь существенными, я полагаю, что вы должны следить за тем, чтобы они функционировали нормально и использовать теплоотводы в следующих обстоятельствах:
1. Если вы прикладываете 15-ваттный паяльник слишком близко к полупроводнику в течение 20 сек или более.
2. Если вы 30-ваттным паяльником касаетесь резистора или конденсатора в течение 10 сек или более. (Никогда не следует использовать его вблизи полупроводников.)
3. Если вы прикладываете 30-ваттный паяльник к чему-либо плавкому в течение 20 сек или более. К плавким деталям относятся изоляция проводов, пластиковые разъемы и компоненты внутри переключателей.
Правила для отвода тепла
1. Полноразмерные медные «крокодилы» будут «работать» лучше.
2. Устанавливать «крокодил» нужно как можно ближе к компоненту и как можно дальше от места соединения пайкой. (Вы не должны отводить слишком много тепла от места соединения.)
3. Следует убедиться, что между «крокодилом» и выводом компонента устанавливается соединение типа «металл — металл», чтобы обеспечить эффективный отвод тепла.
Все о перфорированных платах
В оставшейся части книги вы будете использовать только перфорированные платы, каждый раз, когда вам потребуется собирать действующую схему, соединяя ее элементы пайкой.
Существует три способа монтажа деталей на плате.
1. Навесной монтаж. В этом случае вы используете перфорированную плату, у которой нет соединений между отверстиями. Это может быть, когда плата не имеет медных контактов вообще, как это показано на рис. 3.52, а, либо когда на плате имеются небольшие медные кружки вокруг каждого отверстия, как на рис. 3.52, б. Эти печатные контакты не соединяются друг с другом, а используются только для прикрепления устанавливаемых компонентов схемы, которую вы собираете.
Рис. 3.52. Для навесного монтажа при выполнении эксперимента 14 может быть использована либо эта представленная здесь простая перфорированная плата (а), либо перфорированная плата с медными контактами (б)
Навесной монтаж дает возможность расположить компоненты в удобной компактной форме, которая будет очень похожа на расположение компонентов на электрической схеме. На другой стороне платы вы должны будете согнуть выводы компонентов для их соединения между собой, добавляя при необходимости соединительные провода нужной длины. Преимущество такого монтажа заключается в том, что он может быть выполнен очень компактно, а недостаток в том, что компоновка может быть очень сложной, и возможно приводящей к ошибкам.
2. Монтаж в стиле макетной платы. В этом случае следует использовать перфорированную печатную плату, на которой имеются медные проводящие дорожки с точно таким же расположением, что и проводники внутри макетной платы. Как только вы собрали работающую схему на макетной плате, вы перемещаете все ее компоненты на перфорированную плату один за другим, сохраняя то же самое их расположение относительно друг друга. Если вы правильно припаяли выводы компонентов к соответствующим медным проводящим дорожкам на плате, то вы завершили установку компонента. После этого надо откусить избыточные, торчащие концы выводов. Преимущество этого способа монтажа заключается в том, что он выполняется очень быстро, требует минимального планирования и минимизирует вероятность ошибки. Недостаток этого монтажа в том, что он имеет тенденцию к образованию неиспользуемого пространства. Пример недорогой перфорированной печатной платы для такого использования показан на рис. 3.53.
Рис. 3.53. Перфорированная плата с протравленными медными дорожками, расположенными таким же образом, как и на макетной плате. Это пример платы, которая может быть использована при выполнении эксперимента 15
3. Монтаж на специально разработанной перфорированной печатной плате. Вы можете с помощью травления изготовить свою собственную плату с медными проводящими дорожками, которые необходимы для соединения всех компонентов между собой. Это наиболее профессиональный способ завершения проекта, но требует больше времени, создает проблемы и требует наличия оборудования, описание которого выходит за рамки данной книги.
Навесной монтаж, описанный в первом пункте приведенного ранее списка, работает аналогично зажимам типа «крокодил», но по занимаемой площади имеет гораздо меньший размер. В первом проекте с использованием пайки мы будем использовать именно этот способ монтажа.
Эксперимент 14. ПУЛЬСИРУЮЩИЙ СВЕТ
Вам понадобятся:
1. Макетная плата.
2. Паяльник-карандаш мощностью 15 Вт.
3. Тонкий припой диаметром 0,022'' (0,6 мм) или около того.
4. Инструмент для снятия изоляции и кусачки.
5. Простая перфорированная плата (без медных протравленных проводящих соединений между отверстиями).
6. Небольшие тиски или струбцина для удерживания вашей перфорированной платы.
7. Резисторы различного номинала.
8. Конденсаторы электролитические емкостью 100 мкФ и 220 мкФ, по одному каждого номинала.
9. Красный светодиод диаметром 5 мм, с прямым напряжением около 2 В.
10. Программируемый однопереходный транзистор 2N6027.
В вашей первой схеме с использованием однопереходного транзистора для генератора низкой частоты, который заставлял мигать светодиод дважды каждую секунду. Мигания выглядели очень «электронными», под которыми я имею в виду то, что свечение светодиода было типа «включен/выключен» без постепенного перехода между этими состояниями. Мне кажется, что мы сможем модифицировать эту схему так, чтобы сделать мигания светодиода более плавными и интересными, как предупреждающее мигание компьютера Apple MacBook, когда он переходит в «спящий» режим. Мне кажется, что что-то подобное можно использовать в качестве украшения одежды, если оно будет достаточно небольшое и элегантное.
Я также думаю, что этот первый проект с использованием пайки будет служить трем другим целям. Это приведет к проверке и закреплению ваших навыков соединения проводов, научат вас выполнению навесного монтажа на перфорированной плате, а также даст вам некоторые дополнительные знания о том, каким образом могут быть использованы конденсаторы для настройки временных параметров.
Посмотрите снова на исходную монтажную схему эксперимента 11 (см. рис. 2.93). Освежите вашу память, вспомнив, каким образом она работает. Конденсатор C1 через резистор R1 заряжается до тех пор, пока не достигнет достаточного напряжения, которое преодолеет внутреннее сопротивление однопереходного транзистора Q1 и через него потечет ток. В результате через открытый транзистор Q1 конденсатор C1 разряжается, а светодиод вспыхнет.
Если вы нарисуете график зависимости изменения яркости свечения светодиода во времени, то увидите узкий прямоугольный импульс, такой как на рис. 3.54. Можем ли мы сделать его таким, чтобы он был похож на более пологую кривую (рис. 3.55), когда светодиод включался и выключался постепенно, подобно сердцебиению?
Рис. 3.54. График зависимости яркости свечения светодиода во времени
Рис. 3.55. Схема генератора на базе однопереходного транзистора в эксперименте 11 заставляет мигать светодиод короткими резкими вспышками. График на рис. 3.54 показывает, что мы могли бы получить, если провести измерения яркости светодиода во времени. На этом рисунке показано более плавное начало и окончание каждой вспышки. Для реализации этого эффекта могут быть использованы конденсаторы
Одна вещь является очевидной: в течение каждого цикла светодиод должен светить ярче. Поэтому нам потребуется более высокое напряжение питания. Это означает, что конденсатор, показанный на рис. 3.56, должен обладать большей емкостью.
Рис. 3.56. Первый шаг по направлению создания эффекта плавного мигания это использование в качестве конденсатора C1 большой емкости и его разряда через резистор R4. Для достаточно быстрого разряда конденсатора потребуется резистор с относительно небольшим сопротивлением.
R1 — резистор c сопротивлением 33 кОм; R2 — резистор c сопротивлением 1 кОм; R3 — резистор c сопротивлением 1 кОм; R4 — резистор c сопротивлением 1 кОм; C1 — электролитический конденсатор емкостью 100 мкФ; Q1 — однопереходный транзистор 2N6027
Когда мы будем использовать конденсатор большей емкости, то он будет заряжаться в течение большего времени. Чтобы увеличить частоту мигания светодиода, нам потребуется резистор R1 с меньшим сопротивлением, чтобы заряжать этот конденсатор достаточно быстро. Дополнительно мы должны уменьшить значения сопротивлений резисторов R2 и R3, чтобы однопереходный транзистор делал импульс более длительным.
Более важно то, что я хочу разряжать конденсатор через резистор таким образом, чтобы это происходило постепенно, а не одномоментно. Следует помнить, что, когда резистор подключен последовательно с конденсатором, конденсатор не только более медленно заряжается, но и разряжается более медленно.
На рис. 3.56 показаны все эти три особенности. Сравните их с рис. 2.98. Теперь сопротивление резистора R1 33 кОм вместо 470 кОм. Сопротивления резисторов R2 и R3 уменьшены до 1 кОм. Сопротивление резистора R4 также становится равным 1 кОм, что увеличивает время разряда конденсатора через него. Кроме этого, конденсатор C1 теперь становится 100 мкФ вместо прежних 2,2 мкФ.
Соберите эту схему на макетной плате и сравните результаты с теми, которые будут получены при включенном и при закороченном резисторе R4. Это несколько сглаживает импульс, но мы можем продолжить работу по его дальнейшему сглаживанию.
На выходе однопереходного транзистора мы можем добавить другой конденсатор. Он будет заряжаться от импульса, который возникает на выходе однопереходного транзистора Q1, а затем постепенно разряжаться через другой резистор R5, поэтому светодиод будет гаснуть более медленно.
На рис. 3.57 показана соответствующая электрическая схема. Конденсатор C2 имеет большую емкость — 220 мкФ, поэтому он относительно быстро заряжается от импульса, поступающего от транзистора Q1, а затем постепенно разряжается через резистор R5 с сопротивлением 330 Ом и светодиод.
Вы заметите, что поведение светодиода будет несколько другим. Он теперь вместо быстрого выключения будет постепенно гаснуть. Однако сопротивления, которые я добавил, приведут к тому, что свечение светодиода становится менее интенсивным, поэтому я должен увеличить напряжение источника питания с 6 до 9 В.
Рис. 3.57. Вторым шагом к достижению более плавного мигающего эффекта является использование дополнительного конденсатора C2, который быстро заряжается каждым импульсом от транзистора Q1, а потом медленно разряжается через резистор R5 и светодиод.
Те же самые компоненты, что и ранее, плюс: R5 — резистор с сопротивлением 330 Ом; C2 — электролитический конденсатор емкостью 220 мкФ. Напряжение питания увеличено до 9 В
Помните, что конденсатор создает эффект сглаживания только в том случае, если один из его выводов подключен к отрицательному выводу источника питания. Присутствие отрицательного заряда на этой обкладке конденсатора приводит к притягиванию положительного заряда к другой.
Мне нравится внешний вид такого пульсирующего свечения светодиода. Я могу себе представить небольшое электронное ювелирное украшение для одежды, которое будет пульсировать таким чувственным образом (рис. 3.58), сильно отличающимся от резко обрывающегося и возникающего на короткое время свечения, вызываемого схемой простого генератора. Единственная проблема, которая здесь возникает — это компактная упаковка всех компонентов схемы, такая, чтобы корпус устройства мог быть достаточно мал для того, чтобы можно было его носить.
Рис. 3.58. Такое мигающее устройство с частотой сердцебиения ночью в сельской местности может быть непредсказуемо привлекательным
Изменение размеров схемы
В качестве первого шага для этого следует взглянуть на физические размеры всех компонентов схемы и представить, как их можно разместить в небольшом объеме. На рис. 3.59 показан пример трехмерного изображения компактного расположения компонентов. Тщательно проверьте эту компоновку, определив все пути соединений, и вы увидите, что все здесь выполнено в соответствии со схемой. Проблема состоит в том, что, если компоненты спаять представленным образом, то они не будут достаточно прочно зафиксированы. Все соединительные провода могут легко сгибаться, и поэтому не существует очень простого способа для монтажа схемы.
Рис. 3.59. Такая компоновка компонентов полностью повторяет их подключение на изображении схемы, и при этом они размещены в очень малом объеме
Ответ состоит в том, чтобы разместить все компоненты на некоторой основе, которая является одним из тех элементов, которыми предпочитают пользоваться люди, занятые в электронике, возможно потому, что тогда монтаж выглядит более солидно, чем «макетная плата». Перфорированная плата это именно то, что нам нужно. На рис. 3.60 показаны компоненты, перенесенные на кусок такой платы размером всего лишь 25х10 мм.
Рис. 3.60. Перфорированная плата может быть использована для крепления и компоновки компонентов. Для создания работающей схемы выводы компонентов под платой припаиваются друг к другу. На рисунке в середине пунктирными линиями показано расположение выводов элементов на обратной стороне платы. На рисунке внизу представлена обратная сторона платы после переворачивания ее слева направо. Небольшие кружки показывают те места, где должны быть выполнены соединения пайкой
На центральном варианте изображения платы штриховыми линиями показано каким образом компоненты будут соединены друг с другом. Большинство выводов компонентов схемы, которые выходят на нижнюю сторону перфорированной платы, по своей длине достаточны для выполнения таких соединений.
Наконец на нижнем изображении показана перфорированная плата после ее переворота обратной стороной слева направо (следует заметить, что для изображения обратной стороны платы я использовал более темные цвета). Небольшие кружки на этом изображении показывают те места, где должны быть выполнены соединения пайкой.
Светодиод должен быть легко отсоединяем, поскольку вы можете захотеть сделать так, чтобы светодиод находился на некотором расстоянии от платы. Точно также должен легко отсоединяться и источник питания. К счастью, мы имеем возможность купить миниатюрные разъемы, которые устанавливаются прямо в перфорированную плату. Вы можете обратиться к одному из крупных розничных поставщиков в Интернете, например к компании Mouser Еlectronics, для приобретения таких разъемов. Некоторые производители называют их «однорядными линейками гнезд и штырьков», в то время как другие называют «однорядной многоконтактной колодкой гнезд или штырьков для установки на плату». Посмотрите на приведенный ранее рис. 3.29 и проверьте список необходимых закупок компонентов для выполнения экспериментов в данной главе.
Это достаточно компактное размещение элементов схемы, которое требует внимательной работы, исполняемой с помощью паяльника-карандаша. Поскольку отрезок перфорированной платы настолько мал, что ее будет трудно удержать, я предлагаю вам использовать миниатюрные тиски, чтобы зафиксировать в них плату, которую тем не менее можно будет легко поворачивать.
Когда выполняются такого рода проекты, я люблю устанавливать плату (с присоединенными тисками) на мягкий кусок полиуретановой губки — это тип уплотнения, который обычно используется в качестве набивки для мягких кресел. Губка защищает компоненты от повреждения, когда плата находится в перевернутом состоянии, а также помогает предотвратить перемещение платы непредсказуемым образом.
Шаг за шагом
Далее приведена последовательность изготовления и монтажа схемы на приведенной плате.
1. Отрежьте небольшой кусок перфорированной платы от листа, на котором нет медных контактирующих дорожек. Вы можете отрезать такой кусок платы, используя пилку для ручного творчества, или попробовать сломать плату вдоль линии перфорированных отверстий, если будете при этом очень аккуратны. В качестве альтернативы следует использовать готовую к изготовлению перфорированную плату с медными контактными кружками на ней, которые однако не имеют между собой соединений. В этом проекте вы можете использовать простейшую перфорированную плату даже без медных контактных кружков. (В следующем эксперименте вы будете иметь дело с дополнительной возможностью выбора в изготовлении соединений между компонентами и медными перемычками на перфорированной плате.)
2. Подберите все компоненты и аккуратно вставьте их через отверстия на плату, подсчитывая отверстия, чтобы убедиться, что все компоненты установлены правильно (рис. 3.61).
Переверните плату и загните выводы компонентов, чтобы закрепить их таким образом на плате и создать линии соединения, которые показаны на рисунке (рис. 3.62). Если некоторые из выводов компонентов недостаточно длинные, то вы можете удлинить их, чтобы добавить дополнительный отрезок одножильного провода 22 AWG (0,64 мм). Вы можете снять с провода всю изоляцию, поскольку он будет установлен на перфорированную плату в той части, где находится пластик, т. е. изолятор.
3. С помощью кусачек откусите лишние части выводов и провода.
Летающие куски провода
Губки ваших кусачек, сдавливая провода или выводы компонентов, создают значительное усилие, которое нарастает, а затем внезапно уменьшается до нуля, когда провод перекусывается. Это усилие может быть трансформировано в неожиданные отскакивания отрезанного куска провода или вывода. Некоторые из них являются относительно мягкими и не представляют особой опасности, но более жесткие, твердые провода могут улетать в непредсказуемом направлении с высокой скоростью и, следовательно, могут повредить ваши глаза. В этом отношении особенно опасны выводы транзисторов.
Я думаю, что при откусывании выводов и проводов было бы неплохой идеей одевать защитные очки.
4. Выполните все соединения паяльником-карандашом. Нужно помнить, что это схема, в которой вы всего лишь соединяете выводы друг с другом. Компоненты находятся так близко друг к другу, что у них нет возможности перемещаться вблизи места установки. Если вы используете плату с медными площадками (что в данном примере делал и я), то некоторые паяные соединения с ними будут обеспечивать нормальное крепление компонентов, не приводя к пересечению выводов друг с другом и не создавая короткое замыкание между ближайшими компонентами.
5. Проверьте соединения путем их осмотра с помощью увеличительной лупы, а затем попробуйте их прочность тонкогубцами. Если припоя недостаточно для выполнения по настоящему прочного соединения, то надо подогреть соединение и добавить еще припоя. Если припой создал контакт, которого в данном месте быть не должно, то следует использовать универсальный нож для того, чтобы сделать параллельные разрезы в припое, чтобы убрать небольшую часть припоя между ними.
Обычно я устанавливаю три или четыре компонента, откусываю выводы, оставляя примерно необходимую их длину, затем припаиваю выводы друг к другу, откусываю выводы окончательно, затем делают паузу, чтобы проверить прочность соединения и место его расположения. В случае последовательного припаивания большого количества компонентов возникает большая вероятность пропуска плохого соединения, и, если я делаю ошибку при установке какого-либо компонента, то возвращение ситуации в исходное состояние будет гораздо более проблематичным, если я уже добавил много компонентов вокруг него.
На рис. 3.61 и 3.62 показан пример реализации данного проекта, который я выполнял до того, как обрезал плату до минимального размера.
Рис. 3.61. Компоненты, установленные на отрезке перфорированной платы
Рис. 3.62. Собранная схема на плате — вид с обратной стороны. Медные контактные кружки вокруг каждого отверстия платы не являются обязательными для данного проекта. На некоторые из них попадает какое-то количество припоя, но это не имеет значения, поскольку при этом не создаются неумышленные короткие замыкания
Завершение работы
Я всегда пользуюсь сильным освещением; это не дань роскоши, это необходимость. Купите дешевую настольную лампу, если у вас еще нет такой. Я использую флуоресцентную лампу со спектром, который близок к спектру дневного освещения, поскольку это помогает мне лучше идентифицировать цветные полоски на транзисторах. Следует помнить, что такого типа лампы излучают достаточно сильно ультрафиолетовые лучи, которые не очень хороши для хрусталиков ваших глаз. Следует избегать смотреть на лампу прямо и с близкого расстояния, и если вы наденете очки, то только они будут обеспечивать дополнительную защиту.
Вне зависимости от того, насколько у вас хорошее зрение на близком расстоянии, вам все равно для проверки понадобится рассмотреть каждое соединение с помощью увеличительной линзы. Вы будете удивлены, насколько несовершенны эти соединения. Удерживайте увеличительное стекло максимально близко вблизи вашего глаза, затем направьте его на объект, который надо изучить, а затем приближайтесь к объекту, чтобы сфокусироваться на нем.
В конце концов, вы должны закончить монтаж рабочей схемы. Вы должны вставить провода от вашего источника питания в два маленьких гнезда разъема, которые предназначены для подачи питающего напряжения, а затем установить красный светодиод в оставшихся два гнезда. Помните, что два центральных гнезда имеют отрицательный потенциал, а два наружных гнезда положительный, они расположены так, поскольку в этом случае компоненты схемы легче соединить проводами. Вы должны выполнить цветную кодировку проводов, чтобы избежать ошибок.
Итак, вы наконец собрали небольшую схему, которая генерирует световые импульсы с частотой, подобной пульсациям сердца. Или нет? Если у вас появились трудности при выполнении этой работы, то надо проверить правильность всех соединений и сравнить их со схемой. Если вы не найдете ошибки, то на схему надо подать напряжение питания, затем присоединить черный общий провод вашего мультиметра к отрицательному выводу источника питания, а затем другим измерительным щупом красного цвета проверить напряжение в разных точках схемы. При работающей схеме на каждом ее компоненте должно наблюдаться хотя бы минимальное падение напряжения. Если вы найдете обесточенное соединение (когда на разных выводах компонента имеется одинаковое значение напряжения), то может быть вы сделали плохую пайку или не выполнили ее вообще.
Наконец-то вы все сделали, что дальше? Хорошо, теперь вы можете прекратить свое пребывание в образе любителя электронных схем и заняться художественным промыслом. Вы можете попытаться придумать каким образом сделать так, чтобы это устройство можно было бы носить.
Сначала вы должны подумать об источнике питания. Поскольку вы применяли компоненты, которые использовал и я, то вам также понадобится источник с напряжением питания 9 В. Итак, требуемое напряжение питания можно получить от достаточно объемной 9-вольтовой батарейки, а как же тогда носить такое громоздкое устройство? Я думаю, что на этот вопрос имеется три ответа.
1. Вы можете положить батарейку в карман и установить «мигалку» за пределами вашего кармана, соединив их тонким проводом под одеждой. Следует помнить, что небольшой разъем для подачи напряжения на перфорированную плату пригоден для подключения с помощью проводов 22 AWG, если они имеют одну или множество плетеных жил (как провода, идущие от разъема для батарейки 9 В), но при этом покрытых тонким слоем припоя.
2. Вы можете установить батарейку внутри верхней части бейсболки, но с «мигалкой» на козырьке.
3. Вы можете соединить вместе три 3-вольтовые пальчиковые батарейки в один блок, закрепив их пластиковой стяжкой.
Если вы попробуете таким образом решить проблему, то это не слишком хорошее решение, поскольку придется припаивать провода к батарейке. Вам нужно будет подогревать химические реактивы внутри батарейки, что может оказаться не слишком полезным для них, а также не слишком полезным для вас, если эти реактивы закипят и батарейка взорвется. Кроме того, припой плохо скрепляется с металлическими выводами батареек.
Большинство светодиодов создают четко очерченный пучок света, который вы можете захотеть сделать более размытым для более предпочтительного внешнего вида. В качестве одного из способов можно использовать кусок акрилового пластика толщиной не менее 6,5 мм, как это показано на рис. 3.63.
Рис. 3.63. Это поперечное сечение листа прозрачного акрилового пластика, в котором просверлено несквозное отверстие с обратной стороны. Поскольку сверло создает дно конической формы, а светодиод имеет закругленный корпус, то перед установкой светодиода в отверстие следует добавить немного прозрачного эпоксидного клея или силиконового герметика
Обработка наждачной бумагой лицевой поверхности акрила с помощью шлифовальной машинки не будет оставлять заметных следов.
Обработка наждачной бумагой сделает акрил более замутненным, чем прозрачным.
Высверлите полость с обратной стороны акрила сверлом, диаметр которого несколько больше диаметра светодиода. Будьте аккуратны, не следует просверливать пластик насквозь. Удалите все фрагменты и пыль из полости сжатым воздухом или промойте эту полость, если у вас нет компрессора. После того как полость полностью высушена внесите в нее немного силиконового герметика или некоторое количество прозрачного эпоксидного клея, который затвердевает в течение 5 мин. Затем вставьте светодиод, вдавив его таким образом, чтобы клей несколько выступил наружу, сделав герметичное соединение (см. рис. 3.63).
Попробуйте включить светодиод и, если это потребуется, дополнительно обработайте поверхность шкуркой. В заключение вы можете решить куда установить схему — на заднюю часть акрилового пластика или протянуть провод куда-либо еще.
Поскольку светодиод будет мигать примерно с частотой сердцебиения человека, во время его отдыха, то это может выглядеть, как измерение пульса, особенно, если вы установите его в середине груди или на запястье. Если вам нравится вводить людей в заблуждение, то вы можете продемонстрировать, что находитесь в отличной форме, поскольку частота вашего пульса будет оставаться постоянной даже при энергичном выполнении физических упражнений.
Чтобы сделать привлекательный внешний вид корпуса для схемы, я могу предложить варианты от заливки всей схемы эпоксидной смолой до поиска соответствующего медальона Викторианской эпохи. Я оставляю вам возможность поразмышлять над альтернативными вариантами, поскольку эта книга посвящена электронике, а не художественным промыслам.
Однако я хочу задать вам один заключительный вопрос: «как же долго будет мигать ваше устройство?»
Если вы обратитесь к следующему разд. «Важные сведения — Срок службы батарейки», то обнаружите, что обычная 9-вольтовая батарейка должна поддерживать мигание светодиода в течение примерно 50 час.
Срок службы батарейки
Каждый раз при завершении схемы, питание которой вы собираетесь осуществлять от батарейки, вам может понадобиться расчет вероятного срока службы батарейки. Сделать это достаточно легко, поскольку производители указывают емкость батареек в соответствии с «ампер-часами», которые они могут выдавать. Имейте в виду следующее:
• сокращением для ампер-часов является Ah (А∙час), иногда его сокращают до AH (англ. AH — Ampere∙hour). Соответственно для миллиампер-часов — mAh (мА∙час);
• емкость батарейки в ампер-часах равна току в амперах, умноженному на количество часов, в течение которых батарейка в состоянии его поддерживать.
Таким образом теоретически 1 А∙час означает, что батарейка может выдавать ток в 1 А в течение 1 часа или ток 0,1 А в течение 10 часов или 0,01 А в течение 100 часов и т. д. На практике все не так просто, как кажется, поскольку химические вещества внутри батарейки расходуются гораздо быстрее, когда они выдают больший по величине ток, особенно, если батарейка при этом нагревается. Вы будете ограничены предельными значениями, которые определяются физическими размерами батарейки.
Например, если у вас есть маленькая батарейка на 0,5 А∙час, то вы не можете ожидать получить от нее ток величиной 30 А в течение даже одной минуты. Но будете в состоянии получить 0,005 А (т. е. 5 мА) в течение 100 часов без проблем. При этом следует помнить, что напряжение, которое выдает батарейка, будет несколько больше номинального значения, когда она свежая, но по мере использования оно будет уменьшаться и в конце концов станет меньше номинального значения.
В соответствии с некоторыми данными испытаний, которым я доверяю (я думаю, они несколько более реалистичны, чем оценки производителей батареек), для типичных батареек справедливы следующие цифры.
• Типичная щелочная батарейка 9 В — емкость 0,3 А∙час, при выдаче тока 100 мА.
• Типичная щелочная батарейка размера AA на напряжение 1,5 В — емкость 2,2 А∙час, при выдаче тока 100 мА.
• Аккумуляторная никель-кадмиевая гидридная батарейка — служит примерно в два раза больше по сравнению со щелочной батарейкой такого же размера.
• Литиевая батарейка — может служить примерно в три раза больше, чем щелочная батарейка.
Измерения, от которых можно сойти с ума
В большей части материала этой книги я использовал измерения в дюймах, хотя некоторые цифры я приводил в метрической системе, например, когда указывал «светодиод диаметром 5 мм». Это не является проявлением непоследовательности с моей стороны; это отражение конфликтного состояния в электронной промышленности, когда можно встретить дюймы и миллиметры одновременно, часто в одном и том же листе технических данных.
США остается единственной большой страной, в которой все еще используется старая система измерений, которая была создана в Англии. (Есть еще две страны — это Либерия и Бирма, согласно справочнику ЦРУ World Factbook («Мир в фактах»)).
Поскольку США все еще сохраняют лидирующие позиции в электронике, особенно в производстве кремниевых микросхем, которые имеют расстояния между контактами 1/10'' (2,54 мм), эти стандарты являются постоянно действующими, и нет никаких признаков, что они будут отменены.
Дальнейшее усложнение предмета заключается в том, что даже в США вы можете найти две разные системы для выражения долей дюймов. Например, сверла измеряются в значениях, кратных 1/64'' (0,4 мм), в то время, как толщины металлических листов измеряются в десятичных дробях, таких как 0,06'' (1,5 мм), что примерно равно 1/16''.
Метрическая система не обязательно является более удобной, чем система мер США. Изначально, когда система была официально представлена в 1875 г., было определено, что метр является 1/10 000 000 расстояния от Северного Полюса до экватора по меридиану, который проходит через Париж — типичное французское зазнайство. После этого значение метра было переопределено трижды в ходе последовательных усилий достижения более высокой точности при использовании в науке.
С точки зрения удобства десятичная система, в которой надо перемещать положение десятичной точки, определенно проще, чем выполнение вычислений в 64-х долях дюйма, но, по сути, есть всего лишь одна причина, по которой мы считаем в десятичной системе, это то, что число 10 совпадает с количеством пальцев на наших руках. Система, в основе которой лежит число 12, более удобна, поскольку числа в этой системе без остатка делятся на 2 и 3.
Раз уж мы остановились на таком экзотическом аспекте, как измерение длины, я привожу диаграммы на рис. 3.64–3.65, чтобы помочь вам выполнять переход из одной системы в другую. Из них вы можете заметить, что, когда вам надо просверлить отверстие для светодиода диаметром 5 мм, то подойдет сверло размером 3/16'' (4,8 мм). (Фактически результат будет лучше для такой более плотной установки, чем при выполнении отверстия диаметром точно 5 мм.)
Рис. 3.64. Поскольку единицы измерения в электронике не имеют одного стандарта, часто приходится выполнять преобразование. Диаграмма справа это увеличение в 5 раз нижней части диаграммы, представленной слева
Рис. 3.65. Эта диаграмма дает возможность преобразовать сотые доли дюйма, принятые в США, в доли дюйма, выраженные в тысячных долях дюйма
Эксперимент 15. ПЕРЕРАБОТАННАЯ СХЕМА ОХРАННОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ
Теперь наступило время, когда надо внести улучшения в охранную сигнализацию, о которой я рассуждал в конце эксперимента 11. Я собираюсь показать, как будет срабатывать сигнализация, если вы установите различные датчики на окна и двери в вашем доме. Я также покажу, как может быть подключена охранная сигнализация, чтобы она сама вставала на охрану и продолжала выдавать сигнал даже в том случае, когда дверь или окна закрыты.
В этом эксперименте будет приведена процедура переноса проекта с макетной платы на перфорированную плату, которая имеет медные проводящие соединительные дорожки, расположенные идентично перемычкам внутри макетной платы, и как было показано ранее на рис. 3.53. В конце главы вы установите законченную схему в корпус, разместив переключатели и разъемы на его переднюю панель.
Когда все вышесказанное будет проделано, вы будете готовы к сборке электронных схем в законченном виде. Пояснения в оставшейся части будут постепенно становиться короче, а темп усвоения материала будет возрастать.
Вам понадобятся:
1. Паяльник-карандаш мощностью 15 Вт.
2. Тонкий припой диаметром 0,022'' (0,6 мм) или около того.
3. Инструмент для снятия изоляции и кусачки для проводов.
4. Перфорированная плата с вытравленными проводящими дорожками, как на макетной плате.
5. Небольшие тиски или струбцина для удерживания вашей перфорированной платы.
6. Те же самые компоненты, которые вы использовали в эксперименте 11, плюс:
— биполярный n-p-n-транзистор 2N2222. Количество — 1 шт.;
— двухполюсное двухпозиционное реле. Количество — 1 шт.;
— однополюсный двухпозиционный тумблер. Количество — 1 шт.;
— диод 1N4001. Количество — 1 шт.;
— красный и зеленый светодиоды диаметром 5 мм. Количество — 1 шт. каждого типа;
— корпус для схемы размера 6''х3''х2'' (152х76х51 мм). Количество — 1 шт.;
— вилка для подключения напряжения питания, типа N и соответствующее ей гнездо;
— соединительные клеммы;
— многожильные провода 22 AWG (0,76 мм) трех различных цветов;
— магнитные переключатели (герконы), в количестве, необходимом для вашего дома;
— провода для сети охранной сигнализации, в количестве, необходимом для вашего дома.
Датчики охранной сигнализации
Типичный датчик системы охранной сигнализации состоит из двух частей: магнитного модуля и модуля магнитного переключателя (геркона), как это показано на рис. 3.66 и 3.67. Магнитный модуль состоит только из постоянного магнита в пластмассовом корпусе. Модуль магнитного переключателя состоит из герконового переключателя (геркона), который под действием магнита замыкает или размыкает контакты (аналогично контактам внутри реле). Когда вы перемещаете магнитный модуль вблизи магнитного переключателя, вы можете услышать едва различимый щелчок герконового переключателя, который переходит из одного состояния в другое.
Рис. 3.66. В этом простом датчике охранной сигнализации в нижнем модуле находится магнит, который замыкает и размыкает герконовый переключатель, расположенный в верхнем модуле датчика
Рис. 3.67. На этом рисунке в разрезе показан датчик охранной сигнализации с герконовым переключателем (внизу) и магнитом (вверху), который замыкает контакты переключателя. Переключатель содержит две упругих магнитных полоски, верхняя полоска с южным полюсом прикреплена к электрическому контакту, нижняя полоска с северным полюсом прикреплена к другому электрическому контакту. Когда южный полюс магнита приближается к переключателю, магнитная сила (показана пунктирными линиями) отталкивает южный контакт и прижимает северный контакт, сжимая их друг с другом. Два винта на наружной поверхности корпуса подключены к полоскам, расположенным внутри
Как и все переключатели, герконовые переключатели могут быть нормально разомкнутыми и нормально замкнутыми. Для данного устройства вам понадобится нормально разомкнутый переключатель, который замыкает контакт, когда магнит находится вблизи него.
Установите магнитный модуль на подвижной части двери или окна, а модуль переключателя на раме окна или дверном наличнике. Когда окно или дверь закрыты, магнитный модуль почти касается модуля переключателя. Магнит удерживает переключатель в замкнутом состоянии до тех пор, пока дверь или окно не будут открыты, после чего контакты переключателя разомкнутся.
У нас только один вопрос: как мы будем использовать этот компонент для срабатывания нашей сигнализации? Пока небольшой ток будет проходить через герконовый переключатель, сигнала тревоги быть не должно, но если цепь будет разомкнута, сигнал должен сработать.
Мы можем использовать реле, которое «всегда включено», когда сигнализация поставлена на охрану. Когда цепь разорвана, реле переходит в свободное состояние и другая пара его контактов замыкается, эти контакты могли бы подавать ток в устройство звуковой сигнализации.
Но мне эта идея не нравится. Постоянно работающее реле потребляет довольно большую мощность и разогревается. Поэтому в большинстве случаев таких схем с реле в состоянии «всегда включено» не проектируется. Я предпочитаю для этой цели использовать транзистор.
Разрыв в транзисторной цепи
Сначала надо вспомнить, как работает биполярный n-p-n-транзистор. Когда база имеет недостаточный по величине положительный потенциал, транзистор препятствует прохождению тока через его коллектор и эмиттер, но когда база становится более положительной, транзистор начинает пропускать ток.
Посмотрим на схему на рис. 3.68, которая построена на базе нашего старого друга — на биполярном n-p-n-транзисторе 2N2222.
Рис. 3.68. В этой цепи, которая предназначена для демонстрации, когда переключатель разомкнут, он прекращает подачу отрицательного потенциала на базу транзистора, заставляя транзистор уменьшить свое сопротивление, что приводит к увеличению тока, который проходит через светодиод. Таким образом, когда переключатель разомкнут, то он включает светодиод
Когда переключатель замкнут, база транзистора через резистор с сопротивлением 1 кОм подключается к отрицательному выводу блока питания. Кроме того, база транзистора через резистор 10 кОм подключена к положительному выводу блока питания. Из-за разности сопротивлений этих резисторов и относительно высокого напряжения включения светодиода база находится ниже порога включения, в результате транзистор будет пропускать небольшой ток. При этом светодиод, если и будет гореть, то в лучшем случае очень тускло.
Что же происходит, если переключатель размыкается?
База транзистора отсоединяется от отрицательного потенциала и остается подключенной только к положительном выводу блока питания. Это делает базу более положительной, в данном случае выше порога срабатывания транзистора, что заставляет транзистор уменьшить свое сопротивление и соответственно пропустить ток большей величины. Светодиод теперь загорится ярко. Таким образом, когда переключатель разрывает цепь, светодиод включается.
Это именно то, что нам и нужно. Теперь представим себе группу переключателей вместо одного, как это показано на рис. 3.69. Цепь будет продолжать работать точно так же, как если бы переключатели были расположены по всему вашему дому, поскольку сопротивление проводов, соединяющих переключатели, будет минимальным по сравнению с сопротивлением резистора 1 кОм.
Рис. 3.69. Группа переключателей, соединенных последовательно, может быть заменена одним переключателем, как это показано на рис. 3.68. Теперь любой переключатель может разорвать цепь и заставить сработать транзистор
Я показал все переключатели разомкнутыми, поскольку это тот способ, которым переключатель обычно изображается на схеме, но давайте представим, что они замкнуты. База транзистора тогда будет подключена к отрицательному потенциалу через длинный провод, соединяющий все замкнутые переключатели. В этом случае транзистор будет закрыт, а светодиод будет оставаться темным. Теперь, если размыкается хотя бы один переключатель или же кто-либо разрывает провод, соединяющий все переключатели со схемой, то база транзистора отключается от отрицательного потенциала, что приводит к созданию условий, при которых транзистор открывается и начинает проводить ток, а светодиод загорается.
Пока все переключатели остаются замкнутыми, цепь потребляет очень небольшой ток — примерно порядка 1,1 мА, поэтому в качестве источника питания можно использовать батарейку системы сигнализации с напряжением 12 В.
Теперь предположим, что мы удалили светодиод и установили вместо него электромагнитное реле, как это показано на рис. 3.70.
Рис. 3.70. Если удалить светодиод и резистор с сопротивлением 680 Ом, которые были показаны на рис. 3.69, и вместо диода подключить обмотку реле, то реле сработает, когда хотя бы один из переключателей в цепи датчиков будет разомкнут
Я не против использования реле в этом месте, поскольку оно не постоянно находится в состоянии «всегда включено».
В исходном состоянии контакты реле должны быть нормально разомкнуты и будут подавать напряжения питания на сигнал тревоги только тогда, когда сигнализация сработает.
Попробуем применить одно из реле на рабочее напряжение 12 В, которое мы использовали ранее. При этом вы обнаружите, что если разомкнуть хотя бы один переключатель, то по обмотке реле потечет ток, и реле сработает. Когда же вы замкнете переключатель, реле возвратится в исходное состояние ожидания.
Следует заметить, что я из схемы удалил резистор с сопротивлением 680 Ом, поскольку реле не нуждается в какой-либо защите от источника питания с напряжением 12 В.
Схема самофиксации реле в состоянии его срабатывания
Теперь осталась только одна проблема: мы хотим заставить охранную сигнализацию подавать предупреждающий сигнал даже после того, как кто-то открыл дверь или окно, а затем их быстро закрыл. Другими словами, когда реле сработало, то оно должно зафиксироваться в этом состоянии.
Один из способов — это реализовать схему с использованием реле без самовозврата в первоначальное состояние (с фиксацией) после срабатывания. При этом возникает только одна проблема, нам понадобится еще одна цепь, которая могла бы вернуть реле в первоначальное состояние. Я предпочитаю показать вам, как можно заставить обычное реле с самовозвратом (без фиксации) оставаться в состоянии срабатывания после того, как оно получило всего лишь один импульс напряжения питания. Идея и далее будет вам полезна при последующем изучении электроники и данной книги.
Секрет состоит в том, чтобы подавать напряжение питания на обмотку реле через два контакта реле, которые нормально разомкнуты. (Следует заметить, что это прямая противоположность релейному генератору, выполненному на основе реле, и который подает напряжение питания на обмотку реле через нормально замкнутые контакты. Такое подключение заставляет реле отключать себя почти так же же быстро, как оно себя включает.) Рассматриваемая далее схема позволяет обычному реле с самовозвратом контактов (без фиксации) после его первого же срабатывания поддерживать себя в этом состоянии.
На рис. 3.71 приведены четыре схемы, которые это иллюстрируют.
Рис. 3.71. Эта последовательность схем демонстрирует события, которые происходят до и после того, как реле будет запитано. Изначально переключатель разомкнут и на обмотку реле питание не поступает (а). Затем переключатель замкнут (б). Это приводит к срабатыванию реле, и оно запитывает себя через свои замкнутые контакты (в). В этом случае реле остается запитанным даже тогда, когда размыкается переключатель (г). Напряжение питания, которое включает реле, теперь может быть получено в точке «А»
Вы можете представить их, как кадры в фильме, сфотографированные в течение микросекунд. На первой картинке переключатель размокнут, реле не запитано и ничего не происходит. На второй — переключатель замкнут и напряжение питания подается на обмотку реле. На третьей — реле срабатывает, переключая контакты, поэтому напряжение питания поступает на обмотку двумя путями (через переключатель и замкнутые контакты реле). На четвертой — переключатель разомкнут, но реле продолжает подавать напряжение питание на обмотку через свои замкнутые контакты. Реле остается в этом состоянии до тех пор, пока не будет отключено напряжение питания.
Все, что нам нужно это использовать данную идею и заменить переключатель на транзистор, протянув провод к модулю звуковой сигнализации от точки «А».
На рис. 3.72 показано, как это может работать. Когда транзистор открывается после размыкания любого из переключателей датчиков, как это было описано ранее, транзистор начинает подавать напряжение питания на обмотку реле. Реле блокирует себя в состоянии срабатывания, независимо от состояния переключателей и, соответственно, транзистора.
Рис. 3.72. Эта схема самофиксации реле в состоянии его срабатывания может быть включена в схему охранной сигнализации таким образом, что, если после размыкания любого из переключателей датчиков сигнализации срабатывает реле R1, то оно будет продолжать подавать напряжение питания на устройство звуковой сигнализации даже тогда, когда переключатель будет снова замкнут
Поскольку я добавил некоторые детали к исходной схеме звуковой сигнализации, я обновил блок-схему, которая была приведена рис. 2.106, чтобы показать, что мы можем разделить всю эту задачу на отдельные модули с простыми функциями. Отредактированная блок-схема показана рис. 3.73.
Рис. 3.73. Это обновленная блок-схема с рис. 2.106. На ней добавлены магнитные переключатели датчиков охранной сигнализации и схема самофиксации реле в состоянии его срабатывания
Блокирование «плохого» напряжения
Остается одна маленькая проблема. В новой версии схемы при закрытом транзисторе Q1, когда реле R1 все еще будет находиться в состоянии срабатывания, ток от реле может потечь в обратную сторону, т. е. на эмиттер транзистора. Этот ток попытается пройти обратно через эмиттер транзистора на его базу, которая будет «более отрицательна», поскольку подключена через все замкнутые магнитные переключатели датчиков и резистор с сопротивлением 1 кОм к отрицательному выводу источника питания.
Подача напряжения питания в обратном направлении это неприятная вещь, которой следует избегать. Поэтому в окончательной схеме показан еще один компонент, который вы ранее не встречали — полупроводниковый диод, который на схеме имеет обозначение D1 (рис. 3.74).
Рис. 3.74. Диод D1 был добавлен для защиты эмиттера транзистора Q1 от положительного напряжения, когда обмотка реле подключена к источнику напряжения
Графическое условное обозначение диода выглядит почти как обозначение светодиода и во многом это действительно именно так, хотя некоторые диоды являются гораздо более надежными устройствами. Он дает возможность электрическому току протекать только в одном направлении от положительного к отрицательному потенциалу, как это показано на его условном графическом обозначении стрелкой.
Если ток пытается течь в противоположном направлении, то диод препятствует этому. Единственная цена, которую вы заплатите за такую услугу, это небольшое падение напряжения на диоде, когда ток будет протекать через него в прямом направлении.
Поэтому электрический ток от положительного вывода источника питания может пройти через транзистор, затем диод и обмотку реле, чтобы заставить его сработать. Когда реле сработает, оно через свои замкнутые контакты подает напряжение питания на свою же обмотку, а диод при этом предотвращает попадание положительного напряжения на транзистор в обратном направлении.
Может быть, более элегантным решением проблемы было бы подключение нормально разомкнутого контакта реле через резистор 10 кОм к базе транзистора. Когда реле не запитано, нормально разомкнутый контакт не имеет напряжения и ведет себя просто как небольшая паразитная емкость в данной точке. Когда же на реле подается напряжение питания, нормально разомкнутый контакт шунтирует напряжение +12 В через общую клемму и резистор 10 кОм на базу транзистора. В этой конфигурации цепи транзистор никогда не будет подвергнут воздействию опасного напряжения и не будет зависимости от токов утечки, возникающих из-за неидеальности элементов защиты.
Однако в данном случае мне нужно было познакомить вас с работой диодов. Чтобы узнать о них больше вы можете посмотреть следующий разд. «Важные сведения — Все о диодах».
Все о диодах
Диод относится к очень «старому» типу полупроводников. Он позволяет пропускать электрический ток только в одном направлении и препятствует его прохождению в противоположном направлении. (Светодиод это гораздо более позднее изобретение.) Как и светодиод, диод может быть поврежден напряжением другой полярности и избыточной амплитуды, но большинство диодов в состоянии выдерживать гораздо большие напряжения, чем светодиоды. Корпус диода со стороны вывода, который препятствует положительному напряжению (катод диода), маркируется круговой полоской, в то время как другой конец корпуса остается немаркированным. Диоды особенно полезны в логических схемах, а также могут преобразовывать переменный ток (AC) в постоянный ток (DC).
Стабилитрон — это диод специального типа, который в данной книге мы использовать не будем. Стабилитрон полностью препятствует прохождению тока в одном направлении, а также в другом направлении до тех пор, пока не будет достигнуто определенное пороговое значение, подобно тому, как это делает однопереходный транзистор.
Сигнальные диоды могут иметь различные номиналы по напряжению и мощности. Диод 1N4001, который я рекомендую для использования в схеме охранной сигнализации, в состоянии выдерживать гораздо большие нагрузки при гораздо более высоком напряжении, но я использую его потому, что он имеет низкое внутреннее сопротивление. Я хотел, чтобы на диоде падало минимальное напряжение, чтобы соответственно на реле поступало максимально возможное напряжение.
Практика использования диода при напряжениях, которые меньше их номинального значения, является разумной. Как и любой другой полупроводник, диоды могут перегреваться и сгорать, если их используют ненадлежащим образом.
Условное графическое обозначение диода может иметь только одно существенное изменение: иногда треугольник изображают линиями, а не закрашивают черным цветом (рис. 3.75).
Рис. 3.75. Для графического обозначения диода может использоваться любой из этих символов, но то изображение, которое справа, более распространено, чем то, которое слева
Завершение схемы охранной сигнализации на макетной плате
Теперь наступило время собрать устройство управления звуковой сигнализацией для охранной сигнализации на макетной плате. На рис. 3.76 показано, как это может быть сделано. Я полагаю, что у вас уже имеется устройство звуковой сигнализации, которое функционирует так, как это было указано ранее. Я полагаю, что мы имеем соответствующие ему компоненты, установленные в верхней половине макетной платы. Чтобы сохранить пространство, а я всего лишь собираюсь показать дополнительные компоненты, установленные в нижней половине той же самой макетной платы.
Рис. 3.76. Здесь показано как может быть выполнена монтажная схема устройства, разработанного на предыдущих страницах. S1 на схеме обозначено двухполюсное двухпозиционное реле. Кроме того, здесь показано куда должны быть добавлены провода, идущие к герконовым переключателям датчиков охранной сигнализации, куда следует подключить источник питания и схему звуковой сигнализации
Очень важно помнить, что вы не должны подавать напряжение питания напрямую на левую и правую вертикальные линии (шины питания) на макетной плате. Напряжение питания следует подать на ту часть схемы, где находятся реле, транзистор и диод, а уже реле будет подключать его к шинам питания звуковой сигнализации. Таким образом, отключите напряжение питания от шин питания на макетной плате и подключите его так, как показано на рис. 3.76.
Поскольку это двухполюсное реле, то я использую это реле для подключения как отрицательного, так и положительного вывода блока питания. Это означает, что когда контакты реле разомкнуты, то часть схемы, на которой выполнено устройство звуковой сигнализации, полностью отделена от остального мира.
Схема на макетной плате является точно такой же, как и схема, представленная на рис. 3.74. Все компоненты схемы были распределены в компактной форме таким образом, чтобы они были расположены вдоль реле. Два провода в нижнем левом углу ведут к герконовым переключателям датчиков, которые будут приводить к срабатыванию охранной сигнализации. Для проверки вы можете просто соединить два оголенных конца этих проводков вместе, чтобы смоделировать нормальное состояние датчика, и разделить их, чтобы смоделировать размыкание цепи.
Два провода, которые подают напряжение питание на плату, находятся с двух сторон от реле. Это именно то место, к которому нужно подключить напряжение питания во время тестирования. С помощью двух перемычек из проводов — одной вверху слева, а другой вверху справа — выход от реле через два его верхних контакта подключается к вертикальным шинам питания макетной платы. Не забудьте добавить их! Еще одна небольшая перемычка в нижнем левом углу (ее можно легко заметить) подключается к шине питания с левой стороны и к левому выводу обмотки реле. Поэтому когда это реле подает напряжение питания на схему звуковой сигнализации, оно также запитывает и свою обмотку.
Когда вы будете устанавливать диод, следует помнить, что тот его вывод, который на корпусе помечен круговой полоской, является выводом (катодом диода), который препятствует прохождению тока при подаче положительного напряжения. В монтажной схеме это нижний вывод диода.
Попробуйте убедиться, что схема работает. Закоротите провода, которые должны идти к датчикам, и затем подайте напряжение питания. Сигнализация должна оставаться безмолвной. Вы можете использовать свой мультиметр, чтобы проверить, что нет напряжения между двумя боковыми вертикальными шинами. Теперь надо разомкнуть провода, которые должны быть подключены к датчикам, при этом реле должно сработать (щелкнуть), подавая напряжение питания на боковые шины питания, которые активируют устройство звуковой сигнализации. После этого, даже если вы снова соедините вместе эти провода, реле все равно будет оставаться в состоянии срабатывания. Есть только один способ вернуть его в исходное состояние — это отключить напряжение питания.
Когда цепь будет в активном состоянии, транзистор с установленным за ним диодом будут создавать небольшое падение напряжения, но реле на рабочее напряжение 12 В должно продолжать работать.
В контрольной цепи попробуйте три различных реле, они могут срабатывать при различном значении тока от 27 до 30 мА при напряжении 9,6 В. Некоторое количество тока будет «уходить» на утечки через транзистор, когда он будет закрыт, но это всего лишь несколько миллиампер при напряжении 0,5 В. Это небольшое напряжение ниже порогового значения, которое необходимо для срабатывания реле.
Схема готова для печатной платы
Если схема работает, то следующим шагом надо «увековечить» это творение на перфорированной плате. Нужно использовать тот тип платы, у которой расположение вытравленных медных печатных проводников такое, как показано на рис. 3.53. Для определения наилучшего способа выполнения паяных соединений на такой плате обратитесь к следующему разд. «Важные сведения — Порядок выполнения паяных соединений на перфорированной плате» — и соответствующему разделу для решения наиболее общих проблем.
Порядок выполнения паяных соединений на перфорированной плате
На вашей макетной плате аккуратно заметьте положение компонента, а затем переместите его в то же самое относительное место на перфорированной плате, вставив его выводы в отверстия.
Переверните перфорированную плату обратной стороной, при этом следует убедиться, что компоненты установлены прочно, и проверьте отверстие, в которое вставлен вывод, как это показано на рис. 3.77, а. Вокруг этого отверстия будет круглая медная контактная площадка и ее соединение с другими площадками вокруг соседних отверстий. Ваша задача расплавить припой таким образом, чтобы он прилегал к меди и выводу, формируя сплошное, надежное соединение между ними.
Возьмите ваш паяльник-карандаш в одну руку и некоторое количество припоя в другую. Нужно удерживать паяльник у вывода компонента и медной дорожки, а затем поднести небольшое количество припоя на их пересечение. Через 2–4 сек припой расплавится и растечется.
Чтобы выполнить соединение между выводом компонента и медной контактной площадкой на перфорированной плате, вывод пропускается через отверстие и припой (для большей заметности показан белым цветом) завершает соединение. Лишняя часть вывода затем может быть отрезана. Припоя должно быть достаточное количество, чтобы в итоге сформировать круглый шарик, соединяющий вывод и медную контактную площадку, как это показано на рис. 3.77, б. Подождите, пока припой не затвердеет, а затем захватите контакт тонкогубцами и потрясите его, чтобы убедиться, что соединение выполнено прочно. Если все сделано хорошо, то кусачками отрежьте выступающий вывод (рис. 3.77, в).
Рис. 3.77. Чтобы выполнить соединение между выводом и медным печатным контактом на перфорированной плате, вывод вставляется в отверстие платы (а) и припой (на рисунке показан чисто белого цвета) завершает соединение (б). Вывод после выполнения пайки может быть укорочен (в)
Поскольку паяные соединения очень трудно сфотографировать, я использую рисунки, чтобы показать провода до и после выполнения достаточно надежных соединений, где они приведены белым цветом и обведены контурной черной линией.
Как выглядит реальная перфорированная плата с выполненными паяными соединениями можно увидеть на фотографиях на рис. 3.78 и 3.79.
Рис. 3.78. Эта фотография была сделана в процессе переноса компонентов с макетной платы на перфорированную. Два или три компонента последовательно вставляются в отверстия платы, а их выводы с обратной стороны платы загибаются для предотвращения выпадения компонентов
Рис. 3.79. После припаивания излишки выводов и проводов откусывают, а качество выполненных соединений проверяют с помощью увеличительного стекла. Затем могут быть вставлены следующие два или три компонента и процесс повторяется
Четыре наиболее часто встречающиеся ошибки при работе с перфорированными платами
1. Слишком много припоя
Вы можете столкнуться с этим, когда капли припоя, расползшиеся по плате, будут касаться соседних медных полосок как это, например, показано на рис. 3.80.
Рис. 3.80. Если вы использовали слишком много припоя, то это может создать некачественный вид и нежелательные соединения с другими проводниками
Когда это случится, вам надо подождать охлаждения припоя, а затем отрезать лишний припой универсальным ножом. Вы также можете попытаться удалить его простейшим отсосом для припоя с резиновой грушей или оплеткой для удаления припоя, но некоторое количество лишнего припоя все же может остаться. Даже микроскопические следы припоя вполне достаточны для создания короткого замыкания. Проверьте монтаж с помощью увеличительного стекла, перевернув плату таким образом, чтобы лучи света падали под разными углами (или используйте ваши инструменты для удаления лишнего припоя), чтобы разъединить замыкание.
2. Недостаточное количество припоя
Если соединение выполнено с недостаточным количеством припоя, то вывод может отделиться от припоя при охлаждении. Даже микроскопической трещины достаточно для того, чтобы сделать схему нерабочей. В крайнем случае припой присоединяется к выводу компонента, но не «липнет» к медной контактной площадке вокруг вывода, что не приводит к созданию надежного электрического соединения между элементами схемы, оставляя вывод компонента луженым, но фактически без контакта с платой, как это показано на рис. 3.81. Вы легко можете не заметить и пропустить эту неисправность, если не рассмотрите соединение под увеличительным стеклом. Вы можете добавить еще припоя к любому такому типу соединения с недостаточным количеством припоя, но при этом надо снова тщательно прогреть участок соединения.
Рис. 3.81. Слишком мало припоя (или недостаточный прогрев) может привести к покрытию вывода компонента припоем без соединения его с покрытой припоем медной площадкой на перфорированной плате. Даже зазор толщиной с человеческий волос достаточен для отсутствия электрического контакта
3. Неправильное расположение компонентов
При монтаже компонентов схемы на перфорированной плате очень просто можно ошибиться и вставить компонент не в то отверстие, в которое он должен быть вставлен. Также очень легко можно забыть сделать нужное соединение. Я предлагаю вам всегда делать копию схемы и каждый раз после выполнения соединения на перфорированной плате вычеркивать соответствующий элемент на вашей копии с помощью маркера.
4. Мусор обрезки
Когда вы откусываете лишние части выводов компонентов, небольшие фрагменты, которые вы откусываете, не исчезают бесследно. Они постепенно начинают засорять вашу рабочую зону, а один из них может легко попасть на перфорированную плату, создавая электрическое соединение в том месте, где оно совершенно не нужно. Это еще одна причина, по которой нужно выполнять работу на чем-нибудь мягком вроде полиуретановой губки, рекомендуемой мною для подкладывания ее под перфорированную плату. Это ведет к накоплению или удерживанию небольших откусываемых частей выводов, уменьшая риск их прилипания к вашей схеме.
Еще до подачи на схему напряжения питания с помощью старой (сухой) зубной щетки очистите нижнюю часть платы, а также содержите вашу рабочую область в максимальной чистоте. Чем большую щепетильность вы проявите в этом отношении, тем меньше проблем у вас будет в дальнейшем.
Итак, с помощью увеличительного стекла еще раз проверьте, что все ваши соединения выполнены правильно.
Перенос компонентов с макетной платы на перфорированную плату достаточно простая процедура, но только до тех пор, пока вы не будете пытаться переносить сразу много компонентов за один раз. Выполняйте все рекомендации, которые были приведены в предыдущем разд. «Важные сведения — Порядок выполнения паяных соединений на перфорированной плате», а также часто делайте паузы для проверки уже сделанных соединений. Невнимательность почти всегда приводит к ошибкам при выполнении такого вида работ.
На рис. 3.82 показана часть монтажной схемы с устройством звуковой сигнализации, выполненной на перфорированной плате таким образом, что компоненты для максимальной экономии пространства расположены на минимальном расстоянии друг от друга. На рис. 3.83 показана вся перфорированная плата с реле и подключенными к нему компонентами. Два черных скрученных провода в средней левой части платы будут подсоединены к динамику, а другая пара из черного и красного проводов (чуть правее первых двух проводов) будет подавать напряжение питания на плату. Два скрученных зеленых провода, показанные в левой нижней части платы, которые в дальнейшем должны быть подключены к герконовым переключателям датчиков. Каждый провод со снятой изоляцией с его конца, вставлен в соответствующее отверстие на перфорированной плате, а его конец припаян к медной контактной площадке с обратной стороны платы.
Рис. 3.82. Устройство звуковой сигнализации было перенесено с макетной платы на перфорированную без выполнения каких-либо дополнительных изменений
Рис. 3.83. Монтажная схема системы охранной сигнализации с добавленной схемой управления реле, выполненной на биполярном транзисторе. С концов проводов внешних устройств была снята изоляция, провода вставлены в перфорированную плату и затем припаяны к ней. Два зеленых скрученных между собой провода (показаны внизу слева) соединяют схему с датчиками, два черных скрученных провода (находятся в центре платы) подключены к динамику, а красный (припаян слева) и черный провод (припаян справа от реле) подключены к источнику питания
Теперь проверьте схему точно таким же образом, каким вы тестировали схему на макетной плате. Если она не работает, то выполните проверку руководствуясь положениями, приведенными в следующем разд. «Важные сведения — Выявление неисправностей на практике». Если же схема работает, то вы теперь готовы обрезать лишнюю часть платы и установить схему в корпус
Выявление неисправностей на практике
Здесь приведены практические инструкции по выявлению неисправностей.
После того как я собрал вариант схемы вместе с устройством звуковой сигнализации и реле на перфорированной плате, я проверил работу всего устройства в целом. Я подал напряжение питания — и, хотя реле срабатывало, не было слышно звука. Разумеется на макетной плате все работало безупречно.
Прежде всего, я проверил расположение компонентов на перфорированной плате, поскольку это самый простой способ проверки. Ошибок я не нашел. После этого я аккуратно изогнул плату, когда на нее было подано напряжение питания — и динамик выдал короткий звуковой сигнал. Каждый раз, когда такое случается, вы можете быть уверены, что в каком-либо вашем соединении есть небольшая трещина.
Следующим шагом было присоединение черного измерительного провода моего мультиметра к отрицательному выводу источника питания. Затем я включил напряжение питания, и с помощью красного измерительного провода моего мультиметра проверил каждую точку схемы сверху вниз, измеряя напряжение в каждой точке. В такой простой схеме, как эта, на выводах каждой детали должно присутствовать некоторое падение напряжения.
Но когда я добрался до второго транзистора 2N2222, через который подается напряжение питания на динамик, то на его выходе ничего не было. Либо я перегрел транзистор во время его припаивания (что маловероятно), либо я плохо выполнил соединение. Я проверил перфорированную плату под транзистором с помощью увеличительной лупы и обнаружил, что припой распределился вокруг вывода транзистора без фактического соединения с ним. Ширина зазора была меньше 0,001'' (0,025 мм), но все-таки этого было достаточно. Возможно, проблема была вызвана наличием грязи или жира.
Это один из видов тщательного исследования, который нужно провести, когда схема не работает. Проверьте, чтобы все ваши компоненты были размещены правильно, проверьте источник питания, проверьте напряжение на плате, проверьте напряжение в каждой точке. Если вы достаточно настойчивы, то вы обязательно найдете причину неисправности.
Переключатели и входы для сигнализации
Теперь вам нужно сделать так, чтобы вашу систему можно было легко, без каких-либо проблем использовать. Так, блок-схема, приведенная на рис. 3.84, имеет дополнительный блок в верхней ее части, внутри которого написано: «Пользовательские элементы управления». Это означает: те или иные переключатели, светодиоды и любые соединения с внешним миром. Чтобы выполнить планирование этой части работы, я, прежде всего, обобщил те требования, которые предъявляются к системе сигнализации на данном этапе ее разработки.
Рис. 3.84. Окончательная блок-схема для данной стадии проекта показывает, где должна быть добавлена соответствующая пользовательская функция управления
Система домашней охранной сигнализации с полным набором функций обычно имеет два режима: в доме и вне дома.
• При использовании системы в режиме «в доме» вы включаете ее таким образом, чтобы она предупредила вас, если непрошеный посетитель открыл дверь или окно.
• При использовании системы в режиме «вне дома» обычно вам нужно ввести некоторую кодовую комбинацию, после чего у вас будет около 30 сек, чтобы покинуть дом и закрыть за собой дверь. Когда вы возвратитесь, вы снова заставите систему сработать, но у вас будет примерно 30 сек, чтобы подойти к панели управления и ввести код снова, чтобы предотвратить включение устройства звуковой сигнализации.
Таким образом, система охранной сигнализации, которую вы разработали, может работать только в режиме «в доме». До сих пор достаточно много людей считают эту функцию полезной, которая обеспечивает спокойствие во время пребывания в доме. Позднее в этой книге я предложу вам способ, с помощью которого вы сможете встроить в эту систему режим «вне дома», но в настоящий момент будет вполне достаточной практическая реализация системы для режима «в доме».
Подумайте, как вы будете использовать ее повседневно. Естественно, что она должна иметь выключатель. Когда он включен, герконовые переключатели датчиков должны вставать на охрану. Но что случится, если вы включили систему, оставив окно открытым? В данный момент включение звуковой сигнализации нежелательно. Поэтому то, что вам будет нужно, это функция тестирования системы, которая подскажет вам, закрыты или нет ваши окна и двери. После этого вы сможете включать сигнализацию.
Я думаю, что для проверки системы сигнализации будет пригодна обычная кнопка без фиксации. Когда вы ее нажмете, то при закрытых дверях и окнах должен загораться зеленый светодиод. После того как зажегся зеленый свет, вы можете отпустить кнопку и включить напряжение питания, после чего должен загореться красный светодиод, который покажет, что система поставлена на охрану и готова к эксплуатации.
И еще одна дополнительная функция, которая будет очень полезной: функция подтверждения рабочего состояния устройства звуковой сигнализации, которая даст вам уверенность в том, что система будет выдавать звуковое предупреждение, когда сигнализация сработает.
Схема, которая показана рис. 3.85, обладает всеми этими функциями. S1 — это однополюсный двухпозиционный переключатель; S2 — это двухполюсная двухпозиционная кнопка без фиксации типа Вкл./Выкл. На схеме система показана в режиме «покоя», когда кнопка не была нажата.
Рис. 3.85. На этой схеме приведен удобный способ добавления переключателя «Вкл./Выкл.» (S1), функции тестирования охранной системы и проверки наличия звуковой сигнализации
D1 — это красный светодиод, D2 — зеленый, J1 — входное гнездо для подачи напряжения питания (должен быть подключен к внешнему источнику напряжения на 12 В) и R1 — резистор с сопротивлением 680 Ом для защиты светодиодов. Следует иметь в виду, что гнездо J1 в соответствии с обычной практикой исполнения имеет центральный контакт, подключенный к положительной клемме источника напряжения, а круглая оболочка вокруг центрального контакта подключена к отрицательной клемме источника напряжения.
Когда переключатель S1 находится в положении «Выкл.», он все еще продолжает подавать положительное напряжение через верхний контакт на кнопку S2. Если нажать на эту кнопку, то это приведет к переходу ее в положение «Проверка», полюс кнопки S2 подает напряжение питания и подключает его к герконовым переключателям датчиков на дверях и окнах. Провода от этих переключателей будут подсоединены с помощью пары соединительных клемм, которые на схеме показаны двумя незакрашенными кружками. Если все герконовые переключатели датчиков замкнуты и целы соединяющие их провода, то напряжение питания попадает на вторую клемму, а затем через нижний контакт переключателя S2 на светодиод D2 зеленого цвета, который при этом загорается.
Теперь, если переключатель S1 установлен в положение «Вкл.», то он подает напряжение питания на компоненты, установленные на перфорированной плате. Схема с транзистором подаст напряжение питания через зеленые провода на переключатель S2 и до тех пор, пока кнопка не будет нажата, напряжение питания через герконовые переключатели датчиков будет подаваться обратно на S2, далее на транзистор, что будет поддерживать потенциал на базе более отрицательным. При этом сигнализация будет оставаться безмолвной. Но как только какой-либо переключатель сработает, цепь будет разомкнута и раздастся предупреждающий звуковой сигнал. Единственный способ отключить ее это нажать на переключатель S1, установив его в положение «Выкл.».
Наконец, если вы нажмете кнопку S2, когда переключатель S1 находится в режиме «Вкл.», это приведет к отключению сети переключателей и к включению звуковой сигнализации. В этом случае кнопка S2 выполняет двойную функцию: когда переключатель S1 находится в положении «Выкл.», кнопка S2 выполняет проверку герконовых переключателей датчиков. Когда переключатель S1 находится в положении «Вкл.», кнопка S2 выполняет тестирование звука в устройстве звуковой сигнализации. Я считаю, что это самый простой из возможных способов реализации этих функций.
Установка переключателей
Если вы купили корпус для этого устройства в компании RadioShack, то он может быть в одном из двух вариантов исполнения передней панели: одна из металла, другая из пластика.
Я думаю, что вы приобрели модель с пластиковой крышкой, поскольку просверливание отверстий в металле более трудное занятие. Тип пластика, который использует компания RadioShack, называется ABS — его форму очень легко менять с помощью инструментов, которые я рекомендовал вам приобрести.
Вы должны определиться с расположением переключателей и других компонентов, которые надо разместить на передней панели вашего корпуса. Я предпочитаю четко определенную схему размещения, поэтому я озадачиваю себя изображением этого расположения с помощью графической компьютерной программы, но рисунок в реальном масштабе, выполненный вручную с помощью обычного карандаша, тоже будет неплохим выбором.
Только надо убедиться, что имеется достаточно места для установки всех компонентов, и попытаться разместить их аналогично их положению на схеме, чтобы снизить риск неправильного подключения.
Приклейте лентой ваш эскиз к внутренней стороне передней панели, как это показано на рис. 3.86, а затем острым инструментом, например шилом, сделайте наколы в нужных местах, где должен быть центр каждого отверстия. Эти метки помогут вам центрировать ваше сверло, когда вы будете просверливать отверстия. Не забудьте сделать много отверстий для прохода звука от динамика, который будет находиться под передней панелью вашего корпуса. Результат показан на рис. 3.87.
Рис. 3.86. Распечатанная схема компоновки переключателей, светодиодов и других компонентов, приложенная к обратной стороне передней панели корпуса. Следует использовать шило, чтобы сквозь бумагу наметить центры всех отверстий, которые надо будет просверлить
Рис. 3.87. Наружная часть передней панели после выполнения отверстий. Небольшая беспроводная дрель идеально справится с этой работой, если аккуратно была сделана разметка отверстий
Я разместил все компоненты на передней панели за исключением входного гнезда для подключения напряжения питания, которое я разместил на одной из боковых поверхностей корпуса.
Естественно каждое отверстие должно соответствовать размерам компонента, для которого оно предназначено, и вам для выбора сверла нужного диаметра следует использовать штангенциркуль, который очень полезен при выполнении такого рода измерений. В противном случае используйте сначала сверла меньшего диаметра, чтобы не сделать отверстие слишком большим. Инструмент для удаления заусениц это идеальное приспособление, которое поможет вам расширить отверстие таким образом, чтобы компонент входил в него достаточно плотно. Это может вам потребоваться, если вы просверлите отверстие сверлом 3/16'' (4,76 мм) для светодиода диаметром 5 мм. Постепенно увеличивайте каждое отверстие, и ваши светодиоды будут входить в отверстие очень плотно.
Если у вас имеется динамик, в котором нет отверстий для крепления, то вы можете его приклеить к месту установки. Я использовал для этого эпоксидный клей с затвердеванием в течение 5 мин. Будьте внимательны, не наносите избыточное количество клея, если вы не хотите, чтобы какая-та часть клея не попала на диффузор динамика.
Просверливание отверстий большого диаметра в тонком мягком пластике может оказаться трудной операцией. Сверло стремится сместиться и может повредить корпус. Вы можете решить эту проблему одним из трех способов:
1. Используйте сверло для дрели Forstner, если у вас оно есть. Это сверло делает отверстия очень хорошего качества.
2. Отверстия сверлите, последовательно постепенно увеличивая диаметр.
3. Просверлите отверстие меньшего диаметра, а затем расширьте его с помощью инструмента для удаления заусениц.
Вне зависимости от выбранного способа, вам потребуется закрепить или зафиксировать переднюю панель корпуса таким образом, чтобы внешняя поверхность была внизу и лежала на куске дерева. Затем вам надо будет выполнить сверление таким образом, чтобы сверла проходили через пластик и попадали в дерево.
Наконец, следует установить все компоненты на переднюю панель, как это показано на рис. 3.88, и обратить ваше внимание на нижнюю часть корпуса.
Рис. 3.88. Компоненты были установлены на передней панели корпуса (вид с обратной стороны). Динамик был приклеен к данному месту. Оставшийся клей был нанесен на светодиоды, но только на их корпуса. Однополюсный двухпозиционный переключатель типа «Вкл./Выкл.» находится справа вверху, двухполюсная двухпозиционная кнопка без фиксации — вверху слева и контактные клеммы, к которым будут подключены провода герконовых переключателей датчиков, установлены внизу
Плата будет устанавливаться на дне корпуса и закрепляться четырьмя крепежными винтами размера М4 с шайбами и нейлоновыми контршайбами. Вам придется использовать контршайбы, чтобы снизить риск ослабления шайб и их падения в места установки компонентов, что может привести к возникновению короткого замыкания.
Вам нужно обрезать перфорированную плату таким образом, чтобы не повредить какой-либо компонент, установленный на ней.
После разрезания платы следует проверить оборотную сторону перфорированной платы на наличие возможных повреждений медных дорожек. В углах перфорированной платы под крепежные винты просверлите отверстия, следя за тем, чтобы при этом не повредить компоненты. Затем нужно наметить отверстия на пластике на дне корпуса и просверлить в нем отверстия. С внешней стороны днища корпуса надо раззенковать все эти четыре отверстия (т. е. сделайте конусными края отверстий таким образом, чтобы винт с потайной головкой устанавливался заподлицо с поверхностью). Затем снизу вставьте винты и на них закрепите плату. Будьте очень внимательны, чтобы не присоединить перфорированную плату к днищу корпуса со слишком большим усилием. В результате могут возникнуть изгибающие напряжения, которые могут в свою очередь привести к повреждению соединений или медных дорожек на плате.
Для смягчения изгибающих напряжений я предпочитаю под плату устанавливать кусок мягкого пластика. Поскольку вы используете контршайбы, которые не ослабляются в процессе эксплуатации, вам не надо выполнять затяжку винтов слишком сильно.
После установки платы на место снова проверьте схему.
Припаивание переключателей
На рис. 3.89 (ЦВ-рис. 3.89) показано, каким образом могут быть подключены переключатель и кнопка. Следует напомнить, что S1 — это однополюсный тумблерный переключатель, а S2 это двухполюсная двухпозиционная кнопка без фиксации. Прежде всего, вам надо решить каким образом это следует выполнить. Для определения замкнутых выводов, когда кнопка не нажата, а какие выводы замыкаются при ее нажатии используйте ваш мультиметр.
Рис. 3.89. Компоненты могут быть соединены вместе таким образом, чтобы повторить схему, показанную на рис. 3.85. В центре показаны красный и зеленый светодиоды, а черными небольшими кружками обозначены паяные соединения типа «провод — провод»
Вы, наверное, захотите, чтобы переключатель был включен, когда тумблер перемещен вверх? Надо быть особенно внимательным при выборе ориентации кнопки, поскольку если вы ее перевернете, то схема в режиме «Проверка» будет постоянно выдавать звуковой сигнал, что не является тем, что бы нам хотелось иметь.
Следует напомнить, что центральный вывод любого двухпозиционного переключателя это почти всегда полюс переключателя, который подключается к выводам, расположенным под ним и над ним.
Для подключения перфорированной платы к компонентам на передней панели необходим многожильный провод, поскольку провод такого типа легко сгибается и создает меньше напряжений в паяных соединениях. Скрутка между собой каждой пары проводов помогает минимизировать беспорядок.
Не забудьте, что при подключении светодиодов их короткие выводы (катоды) должны быть соединены между собой и подключены к резистору с сопротивлением 680 Ом. Такое соединение типа «провод — провод» будет наиболее прочным. Чтобы минимизировать риск короткого замыкания при размещении всех деталей в корпус устройства, вы можете защитить некоторые оголенные выводы и соединения с помощью термоусадочной трубки.
При подключении проводов или компонентов к выводам переключателей ваш паяльник-карандаш не сможет обеспечить достаточный прогрев, чтобы выполнить хорошее соединение. Поэтому в этом случае вы можете использовать более мощный паяльник, но при этом должны организовать хороший теплоотвод, чтобы защитить светодиоды. Кроме того, когда вы будете паять, не допускайте перегрева проводов и компонентов более 10 сек. В противном случае это приведет к расплавлению изоляции и даже может повредить внутренние части переключателей.
В более сложных устройствах хорошим тоном является очень аккуратное присоединение передней панели к плате. Для выполнения этой задачи идеально подходят многоцветные жгуты проводов, соединенные с вилками, а ответные гнезда устанавливаются на плате. Для этого первого проекта я не считаю нужным делать такие соединения. Пары проводов хорошо бы скрутить между собой, как это показано на рис. 3.90.
Окончательная проверка
Когда вы завершили монтаж схемы, проверьте ее! Если у вас пока нет герконовых переключателей датчиков, то вы можете использовать обычный кусок провода для соединения двух клемм. Следует убедиться, что переключатель S1 находится в положении «Выкл.», затем надо припаять подходящую вилку к проводам источника питания с напряжением 12 В, а затем вставить эту вилку в гнездо устройства. Когда вы нажмете кнопку S2, должен загореться зеленый светодиод D2, показывая, что между двумя контактными клеммами нет разрыва цепи. Теперь отсоедините провод между этими клеммами, снова нажмите кнопку и зеленый светодиод при этом должен остаться темным.
Восстановите подключение к соединительным клеммам, а затем установите переключатель S1 в положение «Вкл.» — должен загореться красный светодиод. Нажмите кнопку, и вы должны будете услышать звуковой сигнал устройства охранной сигнализации. Отключите устройство, переведя переключатель S1 в положение «Выкл.», и затем включите его снова; после чего надо разъединить провод между соединительными клеммами. Снова будет слышен сигнал устройства звуковой сигнализации, который не прекратится даже, если вы снова соедините провода.
Если все работает именно таким образом, то наступает время привинтить переднюю панель корпуса на свое место, уложив провода внутрь корпуса. Поскольку вы используете корпус большого размера, то при этом может возникнуть опасность случайного касания оголенных частей проводов, поэтом следует соблюдать осторожность.
Рис. 3.90. Плата была установлена на дно корпуса, а гнездо для подачи напряжения питания было ввинчено в нижнюю стенку корпуса. Скрученные пары проводов были подсоединены по принципу прямого соединения, без всяких попыток сделать расположение проводов более компактным, поскольку данный проект относительно небольшой. В верхнем правом углу на передней панели показана белая термоусадочная трубка, которая защищает оголенные выводы резистора с сопротивлением 680 Ом и его соединение с проводами. Припаивание проводов к кнопке требует большой осторожности и точности, поскольку ее выводы расположены очень близко друг от друга
Установка охранной сигнализации
Перед тем, как начинать установку датчиков, вы должны проверить их по одному, перемещая магнитный модуль ближе к герконовому переключателю, а затем, отводя его, одновременно используя ваш мультиметр, чтобы проверять наличие сопротивления между двумя его выводами. Выводы герконового переключателя должны замыкаться, когда он находится недалеко от магнита, и размыкаться, когда магнит удаляется от него.
Теперь надо нарисовать эскиз, на котором будет изображено, как вы собираетесь соединять ваши герконовые переключатели между собой. Главное, что следует помнить, это то, что они соединяются последовательно, а не параллельно! На рис. 3.91 (ЦВ-рис. 3.91) изображен общий принцип. Два контакта слева это соединительные клеммы на передней панели пульта управления (выделена зеленым цветом), а темно-красными прямоугольниками выделены герконовые переключатели датчиков, установленных на окнах и дверях.
Рис. 3.91. Двухжильный провод с изоляцией (показан белым цветом) может быть использовать для подключения к клеммам пульта управления системы охранной сигнализации (корпусу устройства) всех герконовых переключателей датчиков (показаны темно-красными прямоугольниками). Поскольку датчики должны быть установлены последовательно, провод разрезается и соединяется в местах, которые выделены небольшими оранжевыми точками
Поскольку провода этого типа имеют две жилы, вы можете их прокладывать так, как я показал, но при этом разрезать и припаивать к ним ответвления. Паяные соединения на рисунке показаны оранжевыми точками. Обратите внимание, каким образом ток от клеммы протекает через все переключатели последовательно перед тем, как вернуться к другой клемме на пульте управления.
На рис. 3.92 (ЦВ-рис. 3.92) показана та же самая схема соединения датчиков, которую вы, возможно, установили на практике, но в ситуации, когда у вас только два окна и одна дверь. Синие прямоугольники (установленные на окнах и двери, показанные серым цветом) обозначают магнитные модули датчиков, которые заставляют срабатывать модули герконовых переключателей.
Рис. 3.92. Пример установленной системы охранной сигнализации, в которую входит пульт управления (зеленый параллелепипед), провода, герконовые переключатели (темно-красные прямоугольники) и магнитные модули датчиков (синие прямоугольники), установленные на два окна и дверь. Магнитные модули датчиков должны быть расположены параллельно и рядом с герконовыми переключателями
Разумеется, для такого подключения датчиков вам потребуется большое количество провода. Двужильный провод, который используется для установки дверных звонков или термостатов печей, отлично подходит для выполнения этой задачи. Обычно это провод 20 AWG.
После того как вы установили все герконовые переключатели, присоедините измерительные провода вашего мультиметра к проводам, которые должны быть присоединены к корпусу пульта управления устройства охранной сигнализации. Установите ваш прибор в режим прозвона (измерения сопротивления) и откройте по очереди каждое окно или дверь, чтобы проверить осуществляется ли разрыв цепи. Если все в порядке, то провода от датчиков можно присоединить к соединительным клеммам на вашем корпусе пульта управления.
Теперь давайте разберемся с источником питания. Используйте ваш сетевой адаптер, установите на нем выходное напряжение 12 В, присоедините к нему вилку типа N или же эту вилку подключите к батарее для сигнализации с таким же напряжением 12 В.
Если вы используете батарею питания, то будьте особенно внимательны, поскольку провод, который ведет к центральной клемме вашей вилки, должен быть положительным! Батарея с напряжением 12 В может обеспечить достаточный по величине ток, который в состоянии сжечь ваши компоненты, если вы неправильно выполнили подключение. Наверное, вы будете крайне недовольны, если приведете в негодность ваше устройство при выполнении самого последнего шага.
Остается только одна последняя задача — выполнить надписи на пульте управления системы сигнализации рядом с тумблером, кнопкой, гнездом для подключения напряжения питания и соединительными клеммами. Вы знаете, что тумблер включает и выключает напряжение питания, а кнопка выполняет тестирование цепи и устройства звуковой сигнализации, но больше никто об этом не знает, а вы можете захотеть, чтобы ваши гости тоже пользовались сигнализацией, когда вас нет дома. Также следует иметь в виду, что пройдут месяцы или годы, и вы можете забыть детали. Запомните ли вы надолго, что в этом устройстве напряжение питания 12 В?
Выполнение обозначающих надписей это отличная идея, но как вы можете видеть на рис. 3.93, я не позаботился об этом.
Рис. 3.93. Пульт управления охранной сигнализации завершен и собран в корпусе
Заключение
Проект создания охранной сигнализации дал вам возможность освоить основные шаги, которые вы обычно выполняете, когда начинаете что-то делать. Проект позволил вам:
1. Нарисовать электрическую схему и убедиться, что вы ее понимаете.
2. Модифицировать схему таким образом, чтобы использовать расположение проводников на макетной плате.
3. Установить компоненты на макетную плату и проверить основные функции.
4. Изменить или улучшить схему и повторно выполнить тестирование.
5. Перенести схему на перфорированную плату, протестировать, выявить неисправности, если возникла такая необходимость.
6. Добавить переключатели, кнопки, вилку для напряжения питания и вилки или гнезда для подключения схемы к внешнему миру.
7. Установить все в корпус (и добавить необходимые надписи).
При выполнении этой последовательности, я надеюсь, вы изучили основы электричества вместе с некоторыми основами теории электричества, а также познакомились с основными электронными компонентами. Эти знания должны вам дать возможность перейти к гораздо более сложной сфере — интегральным схемам — это именно то, что я собираюсь изложить в следующей главе 4.