Serwis Edukacyjny
Nauczycieli
w I-LO w Tarnowie

Do strony głównej I LO w Tarnowie

Materiały dla uczniów liceum

  Wyjście       Spis treści       Poprzedni       Następny  

©2017 mgr Jerzy Wałaszek
I LO w Tarnowie

Autor artykułu: mgr Jerzy Wałaszek
Konsultacje: Wojciech Grodowski, mgr inż. Janusz Wałaszek

 

Elektronika jest dziedziną praktyczną i zajmowanie się nią wymaga odpowiednich narzędzi, w które musisz się zaopatrzyć (nie wszystko będzie ci potrzebne natychmiast, możesz te elementy kompletować stopniowo w miarę potrzeb i możliwości finansowych), aby mieć możliwość konstruowania różnych urządzeń. Poniżej znajdziesz małą listę niezbędników wraz z krótkim opisem.

 

 Warsztat elektronika 

Rozdziały artykułu:
Wstęp
Teoria
Warsztat
    Instalacje oprogramowania
    Kurs podstaw języka C
    Kurs GIMP'a

    Kurs Inkscape'a
    Kurs Eagle

 

Narzędzia i materiały


W elektronice spotkasz wiele bardzo drobnych elementów, szczególnie dotyczy to elementów SMD (ang. Surface Mounted Device – Element Montowany Powierzchniowo). Aby dobrze je uchwycić, np. przy lutowaniu, potrzebujesz pincety. Najlepiej zaopatrzyć się w pincety o różnych końcówkach (spiczaste, zaokrąglone, płaskie).  Pincety nie kosztują wiele, a ja nie wyobrażam sobie pracy bez ich pomocy.


Do przycinania końcówek przylutowanych do płytki drukowanej elementów bardzo przydają się małe szczypce. Nie stosuj do tego nożyczek, bo nie są wygodne i pozostawiają zbyt wiele drutu nieobciętego. Odpady druciane, jeśli nie zawierają uszkodzeń, chowaj sobie na przyszłość. Przydadzą się do różnych zworek, które czasami są konieczne na płytkach drukowanych. Poza tym taka działalność da ci poczucie ekologicznej współpracy z ochroną środowiska.


Często zdarza się, że musisz coś przyciąć, ściągnąć izolację z przewodu, itp. Zaopatrz się zatem w kilka nożyków z odłamywanymi ostrzami. Bardzo dobrą firmą produkującą tego typu narzędzia jest Olfa (kupisz je w serwisie Allegro). Lecz zwykłe nożyki też się znakomicie przydają.


W elektronice elementy łączy się ze sobą przez lutowanie cyną. Do wykonywania tej operacji potrzebna jest lutownica. Na początek wystarczy ci zwykła lutownica żarowa o koszcie około 12...20 zł (zbyt tanich lutownic nie kupuj, bo są nic niewarte). Wybierz taką, której grot (ta ostra, metalowa końcówka) posiada od 3 do 5 mm średnicy. Moc lutownicy nie powinna przekraczać 40W (np. moja lutownica, którą bardzo dobrze mi się lutuje, ma moc 30W), inaczej będzie się bardzo rozgrzewała.

Lutowanie za pomocą lutownicy żarowej jest bardzo proste, lecz wymaga nieco ćwiczeń. Jeśli nigdy tego nie robiłeś, to oglądnij sobie filmiki instruktażowe na YouTube (jest tego mnóstwo). Kilka wskazówek znajdziesz w ćwiczeniach, które opiszemy w dalszej części kursu.

Pamiętaj, aby nie zostawiać włączonej lutownicy żarowej po skończonej pracy, bo możesz spowodować pożar. Również podczas lutowania zwróć uwagę na to, za co chwytasz lutownicę (w przeciwnym razie zaopatrz się w krem na oparzenia, przyda ci się...).

Lutownicę żarową należy zawsze kłaść na specjalną podstawkę zapobiegającą jej kontaktowi z podłożem. Nie wspominam już, że lutowanie należy wykonywać na odpowiedniej płycie. Stół w pokoju gościnnym nie nadaje się do tych celów.


Oprócz lutownic żarowych spotkasz również lutownice transformatorowe (lub pistoletowe z uwagi na charakterystyczny kształt). Jeśli jesteś początkującym elektronikiem (a zaawansowanym moje rady raczej na nic się nie przydadzą), to odradzam ci kupno na początek takiej lutownicy. Po pierwsze jest ona dosyć droga (około 70 zł), a po drugie posługiwanie się nią wymaga nieco wprawy. Uwierz mi, lutownica żarowa jest o wiele łatwiejsza w obsłudze. Jeśli już musisz wydać na coś pieniądze, to zainwestuj w stację lutowniczą.

Działanie tej lutownicy polega na przepływie prądu o dosyć dużym natężeniu, który powoduje szybkie rozgrzanie grota do wysokiej temperatury. Po wyłączeniu grot szybko stygnie. Zaletą tych lutownic jest właśnie ta szybkość nagrzewania się grota. Dodatkowo lutownica nie pobiera energii elektrycznej, jeśli nie jest używana.

Lutownice transformatorowe posiadają zwykle lampkę, która oświetla dodatkowo obszar lutowania. Groty należy co jakiś czas wymieniać. Przy zakładaniu nowego grota należy się upewnić, że miejsce jego styku z szynami doprowadzającymi prąd jest czyste, inaczej lutownica może nie pracować prawidłowo.


Jeśli myślisz poważnie o zajęciu się elektroniką, to proponuję zakup stacji lutowniczej. Przyzwoite modele kosztują od 80 zł. W zasadzie stacja lutownicza jest lutownicą żarową. Różnica polega na tym, iż w stacji temperatura grota jest regulowana elektronicznie (lepsze modele dokonują pomiaru temperatury, tańsze regulują tylko prąd nagrzewający grot). Dzięki tej regulacji temperatura grota jest utrzymywana na wybranym poziomie. Pozwala to wykonywać precyzyjne lutowania, np. układów SMD.

Jednakże na początek wystarczy zwykła lutownica żarowa.


Jeśli korzystasz z lutownicy żarowej lub stacji lutowniczej, to musisz co jakiś czas czyścić grot. Wysoka temperatura powoduje utlenianie cyny na grocie. Taka warstwa tlenków utrudnia przepływ ciepła i jakość lutowania gwałtownie spada. Do czyszczenia grotów stosowane są specjalne gąbki, które kupisz w każdym sklepie elektronicznym za około 2 zł. Gąbkę należy zmoczyć i wycierać w nią grot. przed wytarciem dobrze jest zmoczyć grot w kalafonii, która rozpuszcza tlenki i ułatwi wyczyszczenie grota. Czysty grot powinien posiadać jednolitą srebrną barwę.


Do wykonywania połączeń lutowanych będziesz potrzebował cyny. Jest to miękki metal, który topi się w niskiej temperaturze. Cyna po roztopieniu łatwo przylega do miedzi, tworząc trwały lut, który zapewnia dobre połączenie elektryczne.

Cyna sprzedawana jest w różnej postaci. Dla ciebie najlepsze będą fiolki ze zwiniętym w sprężynkę drutem cynowym o średnicy 1 mm lub nieco mniejszej (koszt około 1,50 zł). W zatyczce takiej fiolki jest mały otworek, poprzez który wyciąga się odpowiedni kawałek drutu cynowego. Drut zawiera dodatkowo topik, który ułatwia przyleganie cyny do miedzi. Topik rozpuszcza tlenki, które w atmosferze zawsze pojawiają się na powierzchniach metalowych, co ułatwia kontakt cyny z miedzią. Dzięki temu cyna powinna ładnie rozpływać się na lutowanej powierzchni (tutaj będzie konieczne nieco ćwiczeń). Lutowanie należy wykonywać szybko, w ciągu 3...4 sekund. Zbyt długie nagrzewanie cyny spowoduje, że pokryje się ona tlenkami i utworzy niepewne połączenie (tzw. zimny lut). Dobry lut jest gładki, błyszczący. Lut przegrzany staje się matowy i szary. Po kilku minutach lutowania nauczysz się bezbłędnie rozpoznawać swoje dobre i złe luty.


Dodatkowym elementem wyposażenia stanowiska lutowniczego jest kalafonia, która pełni podobną rolę co topnik w cynie, tzn. rozpuszcza tlenki i ułatwia kontakt cyny z miedzią. Ja stosuję kalafonię do czyszczenia grota lutownicy – w trakcie lutowania co jakiś czas zanurzam grot w kalafonii i ściągam z niego cynę pocierając nim o jakiś przedmiot lub o gąbkę lutowniczą. Czystym grotem lutuje się dużo lepiej i szybciej topi on cynę. Kalafonię można zmyć z powierzchni lutów za pomocą rozpuszczalnika nitro lub denaturatu (ten drugi jest gorszy, ponieważ barwi na fioletowo, z kolei ten pierwszy śmierdzi i operację czyszczenia trzeba wykonywać gdzieś z dala od rodziny).


Gdy nabierzesz wprawy w lutowaniu zwykłych elementów elektronicznych, na pewno zechcesz spróbować swoich sił w technice SMD. Elementy SMD są lutowane bezpośrednio do ścieżek na płytce drukowanej. Posiadają przy tym małe wymiary, dzięki czemu oszczędzamy miejsce i cały układ staje się dużo mniejszy. Lutowanie elementów SMD wymaga dużej precyzji, lecz w sumie po nabraniu wprawy okazuje się, że jest ono nawet prostsze od lutowania zwykłych elementów elektronicznych (np. odpada wiercenie otworów na nóżki). Aby cyna dobrze rozpływała się na ścieżkach, stosujemy specjalne preparaty. Jednym z nich jest topnik RF800. Jego zaletą jest to, że po wyschnięciu staje się praktycznie niewidoczny i nie wymaga czyszczenia lutów.

Topnik nanosi się na powierzchnię do lutowania za pomocą małego pędzelka, który jest przytwierdzony od wewnątrz do nakrętki. Ponieważ wysycha dosyć szybko, lutowanie należy przeprowadzić sprawnie.


Czasem zdarza się i tak, że w trakcie lutowania popełnimy błąd lub musimy usunąć wadliwy element. Do pozbycia się cyny ze złącza służy odsysacz. Działa on na zasadzie wsysania cyny do wnętrza cylindra z ruchomym tłokiem. Najpierw należy naciągnąć tłok specjalnym przyciskiem z tyłu odsysacza. Następnie rozgrzewamy na złączu cynę lutownicą aż stanie się płynna. Wtedy szybko zbliżamy do niej końcówkę ssącą i naciskamy przycisk zwalniający tłok. Pod wpływem sprężyny tłok przesunie się szybko w cylindrze, wytwarzając podciśnienie, które zassie płynną cynę. Cynę znajdującą się w środku cylindra usuwa się kilkoma ruchami tłoka. Zwykle nie nadaje się ona do ponownego użytku. Operację tę należy kilkakrotnie przećwiczyć sobie na jakiś lutach.

Jeśli już zechcesz kupić sobie taki odsysacz, to nie kupuj tanich odsysaczy pochodzących z Chin, ponieważ same z siebie rozlatują się po 5 minutach pracy. Zainwestuj w coś porządnego, a będzie ci służyć latami.


Konstruując urządzenia elektroniczne, będziesz musiał wiercić dużo otworków pod nóżki elementów. Do tego celu pomocna stanie się miniwiertarka. Pokazany obok model to wiertarka firmy Velleman zasilana napięciem 12V. Kupując taką wiertarkę, kup również odpowiedni zasilacz do niej. Koszt wiertarki to około 20 zł.

W sumie dobrze jest zainwestować w wiertarkę z profesjonalnym uchwytem wiertarskim. Ja korzystam z miniwiertarki Proxxon. Dobra wiertarka pozwala precyzyjnie wiercić otwory, wiertło obraca się równo, bez bicia i drgań. Nie można tego powiedzieć o tanich modelach, jak opisana wyżej wiertarka Velleman. Jednakże dobra wiertarka to wydatek rzędu 150...250zł.

Będą ci również potrzebne wiertełka 0,7...0,8...0,9 mm. W zestawie z wiertarką powinieneś dostać jedno takie wiertełko, lecz szybko się stępi (starcza na około 100...200 otworków). Dlatego kup sobie kilka sztuk w sklepie elektronicznym. Warto również rozważyć zakup wierteł widiowych. Są dużo trwalsze, jednakże bardzo kruche i należy uważać przy wierceniu, aby ich szybko nie złamać.

Wiercenie miniwiertarką jest łatwe, lecz wymaga nieco ćwiczeń. Przede wszystkim musisz się nauczyć trzymać ją prostopadle do wierconych powierzchni. W trakcie wiercenia nie przechylaj wiertarki na bok, gdyż prowadzi to do złamania wiertła. Trafienie ruchomym wiertełkiem we właściwy punkt też może sprawiać początkowo nieco kłopotów. Pamiętaj, aby zawsze wiercić na jakiejś grubszej podkładce z miękkiego materiału.


Do trawienia płytek drukowanych będzie potrzebny nadsiarczan sodowy B327. Środek ten można bez problemu zakupić w każdym sklepie elektronicznym. Trawienia należy dokonywać w prostokątnej kuwecie lub w naczyniu szklanym. Środek B327 nie jest specjalnie żrący, jednak nie polecam wsadzania do niego palców. Najlepiej zakupić w sklepie chemicznym szklane pałeczki, którymi mieszamy roztwór.


W elektronice występują bardzo małe elementy. Często musimy odczytać jakiś napis na obudowie układu scalonego, który jest na tyle mały, że bez dobrego wzroku odczyt jest niemożliwy. Przynajmniej ja tego już nie potrafię. Dlatego prosta lupa jest idealną pomocą.

Rozważ zakup lupy na statywie – wtedy zwolnią ci się ręce i będziesz mógł w przyszłości wykorzystywać taką lupę do precyzyjnych prac, np. przy montażu elementów SMD, ponieważ zwykle posiada ona zaciski, w których można zamocować płytkę z elementami. Niektóre lupy oferują dodatkowo podświetlenie, co bardzo się czasem przydaje.

Prostą lupę kupisz w sklepie optycznym w cenie od 6zł.  Lupy na statywie są nieco droższe: 20...40zł, lecz warto je mieć (na początek nie będą ci potrzebne).


Z czasem będziesz posiadał coraz więcej różnych elementów elektronicznych oraz narzędzi. Wszystko to należy gdzieś przechowywać. W sklepach elektronicznych można zakupić tzw. organizer, czyli plastykowe pudełko z rączką, które w środku posiada przegródki na drobne części elektroniczne. Ja takich pudełek mam kilka. Pozwalają one utrzymać porządek przy pracach elektronicznych. Drugą ich zaletą jest to, że przechowywane w nich części rzadko giną i nie niszczą się.

Jeśli jesteś zdolnym majsterkowiczem, to możesz sobie coś takiego wykonać samodzielnie, np. ze sklejki lub z tworzyw sztucznych (dawniej takie organizery robiło się z pudełek po zapałkach, które były drewniane. Dzisiejsze pudełka z kartonu nie nadają się zbytnio, ponieważ są za miękkie. Chyba że je w jakiś sposób wzmocnisz...).

Koszt organizera zależy od jego wielkości: od 5zł w górę. Polecam zakup.


Do cięcia oraz różnych innych prac montażowych doskonale nadają się maty firmy Olfa. Sam taką posiadam i korzystam z niej podczas budowy modeli. Mata jest pokryta specjalnym tworzywem, które trudno przeciąć. Dzięki niej oszczędzamy powierzchnię blatu biurka czy stołu. Powinna ci wystarczyć mata o formacie A4/A3. Koszt jest nieco duży: 30...50zł, lecz opłaca się. Jeśli nie stać cię na taką matę, to postaraj się o kawałek równej deski o grubości ok. 1...2cm.

Na matach są zwykle narysowane linie pomocnicze, które znakomicie ułatwiają przecinanie prostopadłe różnych przedmiotów. Zdobądź jeszcze dobrą linijkę metalową. Zamiast niej możesz wykorzystać aluminiowy próg, który stosuje się w budownictwie do mocowania linoleum w przejściach – do kupienia w każdym sklepie z materiałami wykończeniowymi.

Uwaga: nie używaj maty do wiercenia otworów, bo ją zniszczysz. Stosuj deseczkę drewnianą o grubości 2cm.

 

Przyrządy


Do montażu prototypów urządzeń elektronicznych i cyfrowych (jak również do nauki elektroniki) idealną pomocą jest płytka stykowa z kompletem przewodów. Na takich płytkach będziemy uruchamiali nasze układy zanim utworzymy dla nich wersję na płytce drukowanej. Koszt płytki stykowej to około 10zł.

Płytka stykowa posiada wiele otworków, w które wciskamy wyprowadzenia elementów elektronicznych. Wewnętrznie otworki te są połączone ze sobą elektrycznie w odpowiedni sposób (linie górne i dolne służą do zasilania reszty obwodu):

Wraz z płytką stykową należy nabyć komplet giętkich przewodów z wtyczkami męskimi, które pasują do otworków w płytce. Komplet taki kosztuje około 7zł na Allegro. Połączenia można również wykonywać w prosty sposób z drucików pochodzących np. z typowego kabla sieciowego UTP lub telefonicznego. Drucik przycinamy na odpowiednią długość, z końców ściągamy izolację na długości 7mm, po czym końce te zaginamy pod katem 90 stopni.


Multimetr (multi oznacza wiele) jest przyrządem, który umożliwia pomiar napięcia elektrycznego, prądu oraz oporności (niektóre multimetry mierzą również pojemność, indukcyjność oraz parametry tranzystorów). Jest absolutnie niezbędnym narzędziem dla elektronika. Nie musi to być model z górnej półki (w miarę przyzwoity multimetr da się kupić za około 15...20zł). Jeśli będziesz dbał o niego, to posłuży ci wiele lat.

Multimetr posiada pokrętło, którym wybierasz funkcję pomiarową. Są również dwie elektrody: jedna w kolorze czarnym (podłączamy ją do gniazdka oznaczonego COM, od angielskiego słówka common, czyli wspólny) oraz druga w kolorze czerwonym. Wynik pomiaru jest wyświetlany w okienku u góry przyrządu. Pamiętaj o ustawianiu pokrętła na pozycję OFF po zakończeniu pomiarów. W przeciwnym razie miernik będzie zużywał baterię, która znajduje się w środku i po pewnym czasie przestanie mierzyć cokolwiek.

Zasady wykonywania pomiarów za pomocą multimetru przedstawimy w ćwiczeniach, które zalecamy wykonać, aby w przyszłości nie uszkodzić swojego multimetru. Zawsze obowiązuje tutaj zasada: trzy razy pomyśl, zanim zaczniesz coś mierzyć. Pośpiech jest najgorszym doradcą. Widziałem już wiele nadtopionych multimetrów przez uczniów (a jeden załatwił nawet nauczyciel fizyki z dużym doświadczeniem: pomiar napięcia sieci na zakresie µA!!!). Ostrożności nigdy za wiele, o ile nie jesteś bardzo bogaty.


Na pewno zechcesz samodzielnie tworzyć własne układy elektroniczne. Wymagają one utworzenia tzw. płytki drukowanej. Jest to płytka z laminatu, na której znajdują się ścieżki z miedzi, którymi płynie prąd. Istnieje kilka technik wykonania płytek drukowanych. Najprostsza z nich polega po prostu na narysowaniu ścieżek za pomocą pisaka edding. Jednakże w ten sposób nie daje się wykonać precyzyjnych płytek drukowanych. O wiele lepsza jest tzw. metoda termotransferu, w której obraz ścieżek przenosimy z papieru na płytkę za pomocą docisku i wysokiej temperatury. Ścieżki muszą być wydrukowane na papierze kredowym za pomocą drukarki laserowej (atramentowa się nie nadaje). Zatem, jeśli chcesz wykonywać dokładne płytki drukowane, musisz zaopatrzyć się w drukarkę laserową. Nie jest to wcale drogie. Na Allegro znajdziesz takie drukarki w cenie od około 80 zł. Nie są nowe, ale dla naszych potrzeb zupełnie wystarczające. Jedynym warunkiem jest to, aby drukarka była sprawna i wiernie odwzorowywała rysunki ścieżek bez smug.

http://www.mixmedia.pl/temp/aktualnosci/czyszczenie%20%C5%BCelazka.jpg


Do przenoszenia tonera z papieru na płytkę miedziowaną w metodzie termotransferu potrzebne jest żelazko. Nie musi być z górnej półki. Wystarczy najprostsze z regulacją temperatury. Takie żelazko można kupić na Allegro za 30 zł (lepiej, aby nie było to żelazko rodzinne). Wraz z żelazkiem zaopatrz się jeszcze w deskę oraz stary ręcznik, na których będziesz wykonywał termotransfer.


Do programowania mikrokontrolerów AVR potrzebny jest programator. Jest to urządzenie, które łączymy z komputerem PC za pomocą kabla USB oraz z mikrokontrolerem za pomocą złącza KANDA (lub innego). Programator pozwala przesłać program skompilowany na komputerze PC do pamięci mikrokontrolera. Nie kupuj programatora, zanim dokładnie nie określisz swojego środowiska programowania. Opisujemy to dokładnie w dalszej części artykułu.

Programatory proste (USBasp) kosztują od 10 zł, programatory bardziej zaawansowane (mkII) kosztują od około 70 zł. Dla mikrokontrolerów PIC należy zakupić inne programatory niż dla mikrokontrolerów AVR. Również oprogramowanie jest inne.


Moduł Arduino UNO. Jest to płytka bazowa z mikrokontrolerem, który programuje się w środowisku Arduino. W artykule opisujemy podstawy programowania tego urządzenia. Arduino nie wymaga osobnego programatora (chyba że zechcesz przeprogramować główny mikrokontroler, czego raczej nie polecam nowicjuszom) i komunikuje się z komputerem PC za pomocą złącza USB.

Istnieje bardzo wiele modeli Arduino o różnych możliwościach. Jednym z popularniejszych jest Arduino Uno. Oryginalne kosztuje około 80 zł. Klon można jednak już nabyć za 20...30zł.

 

 

Zespół Przedmiotowy
Chemii-Fizyki-Informatyki

w I Liceum Ogólnokształcącym
im. Kazimierza Brodzińskiego
w Tarnowie
ul. Piłsudskiego 4
©2017 mgr Jerzy Wałaszek

Materiały tylko do użytku dydaktycznego. Ich kopiowanie i powielanie jest dozwolone
pod warunkiem podania źródła oraz niepobierania za to pieniędzy.

Pytania proszę przesyłać na adres email: i-lo@eduinf.waw.pl