Listopad 2023 - "Pájení blikače"

17.12.2023

Na setkání jsme si spájeli jednoduchý blikač. Ten pro nás připravil kolega z Úžasného divadla fyziky Mgr. Vojtěch Procházka. Pájeli jsme ho tehdy přímo na přichystaný plošný spoj, který se dá případně u nás v divadle zakoupit včetně součástek. Návod níže popisuje ale i přípravu plošného spoje tak, jak se dá udělat podomácku.

Pokud si tedy chtete přečíst návd, kde už jen osazujeme plošný spoj, přeskočte k odstavci "Osazování plošného spoje".

Součástky (na jeden blikač)

2x rezistor 100 Ohmů
2x rezistor 47 kOhmů
2x kondenzátor 10 miroF
2x červená LED 5 mm
2x tranzistor 2N3904
1x posuvný přepínač
1x držák na baterii
1x lithiová baterie CR2032

Materiál

jednostranný kuprextit 44,8x24,5 mm (na jeden blikač)
červený nebo černý tenký lihový fix
roztok chloridu železitého
trubičková cínoolověná pájka Sn60Pb40 (průměr 1 mm)
kalafuna
(líh)
(ochranný lak na osazené plošné spoje)

Nářadí

důlčík (např. naostřený nastřelovací hřebík)
kladivo
mikrovrtačka a dostatek vrtáků průměru 0,8 a 1 mm
dřevěná podložka pro vrtání (tloušťka alespoň 1,5 cm)
plastová pinzeta
podložka pro pájení (karton)
transformátorová páječka s věčným hrotem nebo s náhradními hroty a šroubovákem pro výměnu
stranové štípací kleště
(plastová miska a zubní kartáček)

Kde nakoupit součástky a cena

Všechny součástky včetně kuprextitu jsou na českém trhu běžně k dostání v elektro obchodech typu GM electronic. Jde o dražší variantu. Mimo český trh je možné nakoupit součástky přes e-bay, kde součástky vyjdou levněji.
Cena součástek na jeden blikač vyjde v českém elektru na 35,- Kč (rok 2023) bez baterky včetně plošného spoje.
Pokud budete vyrábět blikač podle tohoto návodu, zkontrolujte si, že vaše součástky se do předchystaného výkresu plošného spoje hodí. Náš blikač je dělaný ze součástek z e-bay a nemusí být kompatibilní a je třeba jej přizpůsobit. Na výrobu vašeho vlastního blikače můžete použít libovolné červené nebo žluté LED, libovolný typ rezistorů daného odporu a libovolné NPN tranzistory, u kterých je potřeba jenom pohlídat pořadí vývodů.
Na stránkách ÚDiFu www.udif.cz je případně možné kompletní součástky včetně plošných spojů objednat. Cena kompletní sady je 100,- Kč, při větším množství nad 5 ks není problém domluvit slevu.

Výroba desek plošných spojů

Přibližně od doby vzniku prvních tranzistorů se většina elektronických součástek osazuje na desky s plošnými spoji, které zajišťují jak mechanické, tak elektrické propojení jednotlivých součástek.
V dnešní době se jako materiál pro výrobu desek plošných spojů používá kuprextit. Jde o laminátovou desku potaženou z jedné nebo obou stran tenkou měděnou fólií. Z ní je třeba nejdříve vytvořit obrazec plošných spojů. To se zpravidla provádí nanesením laku odolného vůči leptacímu roztoku a následným vyleptání měděné vrstvy, nejčastěji v roztoku FeCl3.
Při výrobě větších množství spojů se často používá světlocitlivého laku, který se po osvícení přes masku s obrazcem vyvolá a následně opláchne se z míst, která mají být vyleptána.
Při malovýrobě jednoduchých vzorů je nejjednodušší nakreslit obrazec plošných spojů přímo na měděnou vrstvu a to buď speciálním lakem (např. asfaltem rozpuštěným v benzinu), nebo i obyčejným červeným nebo černým lihovým fixem.
Jednotlivé kroky výroby desek plošných spojů jsou popsány níže.

Dělení kuprextitu na potřebné rozměry

Kuprextit se prodává v různých tloušťkách a rozměrech. Nejběžnější je formát A5 nebo A4 desky o tloušťce 1–1,5 mm. Budeme potřebovat desku s měděnou vrstvou pouze z jedné strany.
Základem kuprextitu je skelný laminát, což je velmi houževnatý materiál. Malé díly lze poměrně snadno stříhat velkými pákovými nůžkami (nejlépe tak, aby bylo možno desku rozdělit jediným střihem, jinak dochází ke kroucení a trhání laminátu).
Další (a často dostupnější) možností je naříznutí několika horních vrstev laminátu z každé strany desky ostrým modelářským nožem (velmi rychle se tupí), nejlépe podle ocelového pravítka. Potom je možné desku na zúženém místě přelomit (např. přes hranu stolu). Tímto způsobem lze poměrně rychle vytvořit mřížku, která se na jednotlivé des\-tič\-ky naláme jako tabulka čokolády.
Po nařezání je třeba pečlivě umýt všechny značky a pokud možno destičky odmastit. Postačí houbička a prášek na nádobí.

Přenos pozic vrtaných děr

Zvláště u složitějších plošných spojů je nutné velmi přesně přenést pozice míst, kde budeme vrtat díry pro vývody elektronických součástek. Nejjednodušší možností je obalení destičky vytištěnou předlohou (aby přesně lícovala s hranami destičky a byla přiložená ze strany měděné vrstvy) a protlačení značek důlčíkem (vyrobeným např. z nabroušeného nastřelovacího hřebíku) jemným ťuknutím kladivem. Po vyznačení všech míst je vhodné např. proti světlu zkontrolovat, že žádné nechybí.

Vrtání otvorů pro vývody součástek

Většina běžných součástek má vývody o průměru cca 0,5 mm. Proto stačí vrtat díry v kuprextitové destičce vrtákem průměru 0,8 mm. Je třeba vrtat kolmo k destičce, pod kterou je dřevěná podložka tloušťky alespoň 1,5 cm. Destičku je nutné při vrtání dobře držet.
Některé otvory (na baterii a vypínač) je třeba vrtat vrtákem průměru 1 mm. Podélné otvory (upevňovací vývody vypínače) lze snadno rozšířit nakloněním destičky o cca 45° na každou stranu. Pozor, při namáhání vrtáku do strany velmi snadno dojde k jeho zlomení.
Vrtání otvorů je nejvhodnější provést ještě před nakreslením obrazce plošných spojů. Pro urychlení času je možné, aby někteří žáci vrtali až vyleptané spoje.

Kreslení obrazce plošných spojů

Máme-li vyznačené pozice děr, příp. jsou-li už vyvrtané, lze pomocí těchto "záchytných bodů" velmi snadno překreslit obrazec plošných spojů z předlohy na kuprextitovou destičku. Nejdříve je vhodné kolem všech vrtaných děr nakreslit tenkým (červeným nebo černým) lihovým fixem malý terčík a ty potom podle předlohy pospojovat. Z omylem spojených míst lze stopu fixu vyškrabat např. opět důlčíkem, při větší chybě bývá lepší celý obrazec důkladně umýt lihem, usušit a začít znovu.
Pozor, nevyleptané zůstanou pouze syté čáry (nelze používat téměř vypsaný fix). Nezapomeňte před leptáním provést kontrolu, že je obrazec překreslen správně.

Leptání v roztoku chloridu železitého

Leptání mědi chloridem železitým (FeCl3) popisuje následující dvoukroková redoxní reakce:
FeCl3 + Cu → FeCl2 + CuCl

FeCl3 + CuCl → FeCl2 + CuCl2

Pozor, kromě mědi leptá chlorid železitý i ostatní kovy a nejde vyprat z oblečení.

K nejrychlejšímu vyleptání (cca za 10–15 min.) dojde, položíme-li destičky měděnou stranou přímo na hladinu FeCl3 nalitého např. ve vaničce pro vyvolávání fotografií. Na hladině je udrží povrchové napětí, ale musíme dávat pozor, aby se pod destičky nedostaly vzduchové bubliny. Vyleptané obrazce lze velmi snadno poznat, protože přes místa s odleptanou mědí začne prosvítat tmavý leptací roztok.
Po vyleptání destičky opatrně vytáhneme (např. plastovou pinzetou) a opláchneme proudem vody. Lihový fix omyjeme lihem. Leptací roztok znovu přelijeme do lahve k příštímu použití.
Znovu zkontrolujeme, že nejsou spojena nežádoucí místa (např. akustickým měřičem zkratu v téměř každém multimetru) a případně měděnou vrstvu proškrábneme ostrým hrotem.

Osazování plošného spoje

Na desku plošných spojů osazujeme součástky z opačné strany, než jsou měděné spoje, a to nejlépe tak, že jsou dotlačeny až k samotné destičce a opírají se o ni.
Ze strany spojů je potřeba stranovými štípacími kleštěmi zkrátit drátové vývody součástek tak, aby nad destičku přesahovaly cca 2 mm.
Nahřejeme hrot páječky a nabereme na něj přiměřené množství cínu. Páječku hned zase vypneme.
Páječku opět zapneme a lehce zahřátý hrot ponoříme na chvilku do kalíšku s kalafunou. Vytáhneme a opět ihned páječku vypneme.
Nyní přiložíme hrot s cínem a kalafunou na pájené místo, páječku zapneme a čekáme (cca 1-2 s), než se pájené místo prohřeje a cín vytvoří lesklou pravidelnou kapku přes celou pájenou plošku. Kalafuna rozteklá v okolí spoje není na škodu. Jenom v případě, že zateče do sousedních děr, je třeba je znovu provrtat nebo prošťouchnout zahřátým kouskem drátku.
Při pájení začínáme nejnižšími součástkami (rezistory), potom následují kondenzátory, tranzistory a LED a nakonec vypínač a držák na baterii. U většiny součástek (kromě rezistorů a vypínače) je třeba dodržovat správnou polaritu/orientaci:

U LED bývá anoda (kladný vývod) delší a na straně katody bývá zploštěná obruba plastového pouzdra.
Elektrolytické kondenzátory mají kladný vývod delší a záporná elektroda - bývá označena na pouzdře.
Tranzistory typu 2N3904 mají při pohledu zepředu vývody v pořadí emitor-báze-kolektor.
Kontakt na zápornou elektrodu baterie je vyroben z pružného plíšku a je třeba jej při pájení přitlačit směrem k destičce plošných spojů.

STÁHNOUT tranz...avod.pdf

\obrw{tranzistorovy_blikac_1navod.pdf}{Rozmístění součástek včetně označení vývodů některých z nich.}
\obrs{vyrobek-sviti.jpg}{Hotový výrobek.}{spoje-kalafuna.jpg}{Hotový výrobek ze strany spojů.}
\subsubsection{Oživování obvodu}

Pokud žáci neudělali při osazování chybu, měl by obvod po vložení baterie a sepnutí spínače začít blikat střídavě oběma LED. Pokud se tak neděje, je třeba odhalit příčinu. Zde je seznam nejčastějších:

Špatně sletované "studené" spoje, často vlivem nedostatku kalafuny. Tohoto je potřeba si všimnout nejlépe ze začátku. Opravu provádíme pouze hrotem namočeným do kalafuny.
Příliš mnoho cínu, zkratovaných několik vývodů. Taktéž je dobré tomu předcházet. Opravujeme opět nahřátým hrotem s kalafunou, rozehřejeme jím velkou kapku cínu a necháme ji odkápnout na podložku nebo přetéct na hrot páječky. \item Spoj pouze přilepený kalafunou. Znovu připájíme.
Záměna součástek, chybná polarita. Zkontrolujeme, zda jsou na správných místech správné rezistory, zda mají LED a kondenzátory správnou polaritu a nedošlo k jejich záměně, zda nejsou otočené tranzistory nebo držák na baterii.
Špatně viditelný zkrat. Odhalíme akustickým zkratoměrem (na multimetru) a proškrábneme ostrým hrotem nebo opravíme páječkou.
Špatně vyleptaný plošný spoj. Chybějící nebo přerušené cesty nahradíme kouskem drátku, přebytečné spoje proškrábneme ostrým hrotem. \item Jiná chyba. Nutné odhalit podle projevů nebo měřením napětí na klíčových místech. Vyžaduje znalost funkce jednotlivých součástek i celého obvodu.

Finální úpravy

Z hotových výrobků lze lihem umýt kalafunu (po několika minutách se rozpustí, proces se urychlí drhnutím zubním kartáčkem). Od lihu zbytky rozpuštěné kalafuny omyjeme pod tekoucí vodou (také si můžeme pomoci kartáčkem). Čištění provádíme samozřejmě bez baterie.
Po mytí nechte výrob zcela uschnout, abyste si obvod nezkratovali.
Umyté a vysušené výrobky můžeme ještě ze strany spojů natřít ochranným lakem.