Уважаемые друзья, эта статья по сравнению с одноименной, опубликованной ранее в журнале "Радиолюбитель" №3 за 1994 год, слегка подкорректирована и дополнена!
Да, да, именно конструируем!
Много лет занимаюсь радиоконструированием и пришел к выводу, что разработка и изготовление печатных плат требует не только знаний, опыта, но и еще чего-то, о чем нельзя сказать одним словом, а именно: интуиции, знания маленьких секретов, некоторых конструкторских хитростей. Ведь даже не соблюдение последовательности технологических операций, особенно при изготовлении сложных плат, может привести к браку.
Перед тем, как приступить к разработке печатной платы выбранной схемы, нужно осуществить подбор радиодеталей из имеющихся в наличии. Каждую подобранную по номиналу деталь необходимо проверить на исправность, даже если она совершенно новая (и - особенно, если она новая, ибо уже работавшая деталь как минимум - была исправна во время работы, а новая - даже такого испытания на "работоспособность" ещё не имела!). Если на плате предполагается устанавливать нестандартные, крупногабаритные детали, то нужно изготовить макеты их проекций (начертить на ватмане в масштабе 1:1 и вырезать).
Рисовать эскиз печатной платы в первоначальном виде нужно простым карандашом средней твердости (ТМ) на полупрозрачной бумаге, имеющей клетчатую разметку (кальке, миллиметровке, листе ученической тетради в клеточку). Конечно, при наличии достаточного опыта, можно обойтись и чистым листом бумаги - без разметки, но это несколько усложнит решение поставленной задачи. На лицевой стороне эскиза печатной платы будут изображены радиодетали, а на обратной - печатные проводники. Сначала на бумаге необходимо наметить желаемое расположение блоков, узлов, каскадов и крупных радиодеталей, используя их вырезанные проекции.
Затем определяют примерный (приемлемый) маршрут прохождения сигналов. Усилительные каскады желательно вытянуть в линию, максимально удалив входные цепи от выходных и от силового трансформатора. С целью исключения возможного появления гармонических составляющих, гетеродины следует разместить так, чтобы они находились на минимальном расстоянии от обслуживаемых ими каскадов и на максимальном расстоянии друг от друга. При невозможности достижения последнего необходимо предусмотреть установку экранов между гетеродинами.
Далее приступают к составлению уточненного маршрута прохождения основного сигнала. Он должен иметь кратчайший путь и не иметь пересечений. Согласно выбранному маршруту, приступают к размещению радиодеталей от каскада к каскаду, начиная с входного (можно, конечно, начать и с последнего каскада и двигаться к входному, но в этом случае, почему-то, чаще всего все получается, как говорится - через ... "одно место"). Для этой операции желательно иметь прозрачную линейку-трафарет, имеющую размеры хотя бы наиболее часто применяемых деталей. Радиодетали необходимо располагать так, чтобы базовые (затворные) цепи были максимально удалены от эмиттерных (коллекторных, стоковых, истоковых) цепей. Выводы резисторов, конденсаторов, дросселей, имеющих (по принципиальной схеме) электрический контакт с корпусом, желательно располагать ближе к краю платы, а выводы, на которые подается питающее напряжение или напряжение АРУ - к центру платы и как можно ближе друг к другу. Следует учесть, что один из проводников питающей шины необходимо подвести в одном месте к краю платы и обеспечить в этом месте контактную площадку для подвода электропитания.
С целью повышения плотности монтажа (для уменьшения размеров печатной платы) желательно не оставлять на плате пустых мест, а если таковые все же получаются, использовать их для разделения входных и выходных цепей. Вокруг каждой детали должно быть оставлено небольшое свободное пространство (по возможности сведенное к минимуму, для достижения максимально возможной плотности монтажа деталей), позволяющее производить монтаж и демонтаж детали. Катушки, применяемые в схеме, устанавливать так, чтобы их экраны служили одновременно для экранировки одного каскада от другого. На каждой детали (или рядом с ней) пишут присвоенный ей номер, согласно принципиальной схеме. Каждая деталь должна быть расположена так, чтобы идущие к ней соединительные проводники имели минимальную длину и не имели (по возможности) пересечений с другими проводниками ( обратите внимание: это очень ответственный момент при конструировании печатной платы, я бы даже сказал - самый трудный, именно здесь приходится много думать).
Закончив нанесение радиодеталей на лицевую сторону эскиза печатной платы, его переворачивают, укладывают на стеклянную пластину (или оргстекло), снизу подсвечивают светом настольной лампы и приступают к разводке печатных проводников. Сначала карандашом обозначают точки выводов радиодеталей, затем соединяют эти точки кратчайшим путем согласно принципиальной схеме. Первоначально проводники могут иметь пересечения, которые затем удаляют либо применением перемычек, либо применением обводов, либо путем использования двухстороннего печатного монтажа. Проводники должны быть короткими, прямыми, максимально удаленными друг от друга, иметь контактные площадки достаточной площади. Места подвода внешних проводников к плате также должны иметь контактные площадки и быть пронумерованы согласно принципиальной схеме.
Если плату предполагается использовать на УКВ частотах, следует обратить внимание на форму и длину печатного проводника. Каждый проводник на высоких частотах представляет собой контур с довольно высокой добротностью, обладает емкостью и индуктивностью. Любой изгиб печатного проводника или увеличение его длины увеличивает индуктивность этого контура. Уменьшая величину изгиба или длину проводника, можно уменьшить индуктивность, а удаляя проводники друг от друга или от корпуса, можно уменьшить емкость паразитного контура. И наоборот, произведя обратные действия, можно таким образом создать необходимый вам контур или фильтр.
По краю печатной платы желательно пустить корпусной печатный проводник. Им же можно заполнить и пустые площадки на плате, использовав как экран между проводниками.
Закончив нанесение печатных проводников, приступают к их оптимизации - маленькой ревизии с целью достижения оптимального расположения. Возможно, в результате этой операции придется несколько изменить расположение проводников, укоротить их или даже поменять местами, если это приведет к упрощению рисунка печатной платы. Далее приступают к проверке правильности разводки. На этой стадии, как правило, выявляются одна-две маленькие ошибки (огрехи). Под конец рисунок обводят тушью. Вообще то, перед этой операцией нужно сделать перерыв для отдыха на два-три дня (но не более, ибо большее время принесет не пользу, а вред!). За это время рисунок печатной платы окончательно "дозревает" в голове - додумываются некоторые оригинальные улучшения рисунка платы, "всплывают" случайно допущенные ошибки.
Изготовление печатной платы.
Эскиз печатной платы готов. Приступаем к ее изготовлению. Здесь особое значение имеет последовательность проведения технологических операций.
Эскиз печатной платы необходимо вырезать, оставив на каждой стороне по равностороннему треугольнику, получив тем самым развертку конверта (рис.1). Это делается с целью получения возможности закрепления бумажного эскиза платы на стеклотекстолитовой пластине, путем загиба треугольников. Можно поступить и по другому: обрезать плату по краям согласно ее контура (особенно так следует поступать, если очертания печатной платы непрямоугольной формы). В этом случае на куске стеклотекстолита плату следует закреплять с помощью маленьких кусочков пластилина, расположив их в углах печатной платы. Далее подбирают подходящий по размерам кусок стеклотекстолита толщиной 1...1,5 мм.
Если на плате будет размещен гетеродин, то с целью повышения стабильности вырабатываемой им частоты толщина стеклотекстолита должна быть не менее 2 мм.
Произведя разметку платы со стороны медной фольги, ее вырезают и обрабатывают края напильником. Затем фольгу зачищают мелкой наждачной шкуркой до блеска и протирают тряпочкой, смоченной в спирте, для обезжиривания и удаления остатков медной пыли. Некоторым индивидуумам эту операцию следует проводить очень осторожно, чтобы пары спирта не попали в нос, в противном случае они на некоторое время парализуют волю и напрочь отбивают желание дальнейшего продолжения изготовления печатной платы. Если поверхность фольги не обезжирена, то кислота травящего раствора, разъедая жировую пленку, попадает под нанесенную краску, подтравливая под ней медь. Это приводит к снижению качества печатной платы.
Далее эскиз печатной платы накладывают на пластину стеклотекстолита (фольга к эскизу) и заворачивают треугольники эскиза через край стеклотекстолитовой пластины. Пластина оказывается как будто в конверте. Вершины треугольников склеивают каплей клея, но даже если этого не делать, то все равно наложенный таким образом эскиз печатной платы никогда не сдвинется с пластины. Если очертания печатной платы имеют сложную форму (отличные от прямоугольной), то в этом случае вырезанный рисунок печатной платы закрепляют на стеклотекстолитовой пластине несколькими небольшими кусочками пластилина (по углам или краям). Так можно закреплять и прямоугольные платы. Приклеивать бумажный рисунок к стеклотекстолитовой пластине не стоит во избежание получения дополнительных проблем.
Следующий этап - разметку отверстий - производят шилом путем прокалывания через бумагу. Именно шилом, так как использование для этой цели керна в дальнейшем приводит к отслаиванию контактных площадок из-за удара керном. Эту операцию нужно производить сразу после зачистки и промывки спиртом платы, пока зеркало медной фольги не успело окислиться.
Далее эскиз снимают и сразу же, не теряя времени на окисление, приступают к нанесению рисунка печатной платы. Он наносится ацетоновой краской любого цвета, "редисным" пером подходящего размера, вставленным в простую ученическую ручку, или стеклянным рейсфедером. Густоту краски подбирают опытным путем. С целью предотвращения испарения ацетона краску для макания пера следует небольшими порциями наливать в крышку от баночки, периодически подливая новые порции краски, а саму банку с краской прикрыть листом плотной бумаги. Нанесение рисунка на медную фольгу следует, по возможности, производить в один прием. Ибо после продолжительного перерыва происходит окисление зеркала фольги и качество медных проводников понижается.
Для нанесения прямых линий используют деревянную линейку с приклеенными по краям резинками (рис.2 - используются резинки, применяемые для стирания карандаша). Такая линейка находится на высоте нескольких миллиметров над платой и не смазывает уже нарисованные проводники. Если кое-где допущены ошибки или подтеки краски - не обращайте на это внимания и ни в коем случае не пытайтесь исправлять сразу же, пока не высохла краска. Закончив нанесение рисунка, краске дают просохнуть 15...20 минут.
После этого сразу (если это сделать через 2...3 часа, то краска при исправлениях будет растрескиваться) приступают к устранению подтеков и ошибок путем удаления краски с помощью хорошо отточенного шила (шилом под линейку проводят необходимые линии, а затем соскребают лишнюю краску). Недостающие проводники дорисовывают свежей краской. Ну и, конечно, плату необходимо еще раз внимательно (пока окончательно не высохла краска) проверить на отсутствие ошибок, тщательно сверив с оригиналом рисунка.
Плату с готовым рисунком кладут в кислотоупорную ванночку ( это можно делать примерно после 30 минутной просушки, в этом случае после травления краска легко удаляется с платы, а можно это делать и позже, например, через несколько дней, но в этом случае краска с платы удаляется гораздо труднее) рисунком вверх, заливают раствором хлорного железа и оставляют на открытом воздухе, в проветриваемом помещении или вытяжном шкафу. С целью обеспечения безопасности (кислота все-таки!) ванночку накрывают куском стекла, оставляя небольшие щели для выхода газов. Время травления обычно составляет 2...3 часа и зависит от свежести раствора, его температуры (чем горячее, тем быстрее) и от интенсивности перемешивания раствора (быстрее покачиваешь ванночку - быстрее травится). Я применял ванночки, используемые для печатания фотографий. Травление можно производить и азотной кислотой. При этом время травления резко сокращается (в зависимости от концентрации кислоты), но образуемые при этом газы более ядовиты (требуется тщательная вентиляция). Из-за высокой скорости травления следует внимательно контролировать процесс травления (особенно при окончании травления) для предотвращения возможности подтравливания фольги под краской. Травление можно производить и раствором медного купороса. Процесс травления при этом растягивается по времени (на часы). Однако, газы выделяемые при этом процессе не так вонючи, но это ни в коем случае не отменяет процесс проветривания. Подробно о способах травления печатных плат можно прочитать в книге "Практические советы радиолюбителю". Автор: Ерлыкин Л.А. Воениздат 1974 г. Стр. 144...154.
Вытравленную плату промывают сначала проточной водой (под струей из крана), затем водой с содой и протирают сухой, чистой ветошью. Далее ацетоном снимают краску с проводников и сразу же (не давая окислиться) покрывают канифольным лаком (канифоль, растворенная в спирте). Лаку дают высохнуть 2...3 часа (плата, покрытая канифольным лаком может сохраняться в хорошем состоянии довольно продолжительное время - годы) и приступают к рассверловке печатной платы. Если плата имеет двухсторонний печатный монтаж, то процесс рассверловки нужно производить перед нанесением рисунка ацетоновой краской.
Рассверловку производят сверлами подходящего диаметра. Самый ходовой диаметр сверла - 0,8 мм. Отверстия в контактных площадках для присоединения внешних проводников сверлят сверлом диаметром 1,5 мм с целью установки в них пистонов. В качестве дрели удобно использовать маломощный электродвигатель постоянного тока с концевичком на торце (рис.3). Если нет заводских пистонов (пустотелых заклепок), то их можно изготовить самостоятельно из полоски латуни, консервной банки (металл на них хорошо пролужен) или установить медные заклепки, пропаять их со стороны печатных проводников, а затем просверлить отверстия.
Изготовление пистонов начинают с обрезания полоски, ширина которой должна быть больше толщины печатной платы на 2 мм. Затем край полоски сворачивают в трубочку, отрезают и с помощью шила вставляют в просверленное в плате отверстие. Далее керном слегка формируют пистон с обоих сторон. Затем укладывают плату проводниками на наковальню и керном производят окончательное формирование пистона (легким ударом молотка).
Пистоны можно заменить стойками из медной проволоки диаметром 1,5 мм. Их изготавливают с помощью двух наковален, в которых просверлено по углублению диаметром 1,5 мм, глубиной 5 мм в одной и 8 мм в другой. Углубления имеют небольшую фаску. В качестве заготовки используют медную проволоку диаметром 1,5 мм и длиной 15 мм. Ее вставляют одновременно в оба углубления наковален и легким ударом молотка формируют фаску стойки (рис.4). Наковаленку, имеющую меньшее углубление, снимают. Стойку вставляют в гнездо платы, расклепывают и снимают вторую наковаленку.
Итак, печатная плата готова. Можно приступать к установке радиодеталей. Первыми устанавливают радиодетали, имеющие малую высоту (сначала перемычки, потом резисторы, диоды и т. д.). Последними устанавливают полевые транзисторы, не забыв закоротить их выводы между собой отрезком проволоки. После пропайки выводов не забудьте удалить этот закорачивающий провод. Перед установкой радиодетали ее выводы нужно сформировать так, чтобы после установки, при случайном нажатии на деталь сверху, не происходило отслаивание печатного проводника. Канифольный лак после пропайки выводов можно не удалять. Он многие годы предохраняет проводники от окисления. Однако грязные места следует удалить, так как под ними могут образоваться скрытые потеки припоя, приводящие к замыканию токопроводящих дорожек. При пайке резисторов следует пользоваться приспособлением, делающем этот процесс безопасным. При их установке на плату мне не раз приходилось обжигать пальцы. Чтобы предотвратить это, я использую фторопластовый (тефлоновый) кубик с проточенными в его боках канавками (рис.5) под различные размеры резисторов. Комфорт и удобство при пайке (рис.6) налицо. Как там говорят - просто и сердито?! Да, именно так! Несколько слов хочу сказать и о старых трубчатых конденсаторах. Не выбрасывайте ставшие ненужными вам крупногабаритные конденсаторы КТ (на 500 вольт). Если внутрь вставить геркон, а сверху намотать катушку, то получится малогабаритное герконовое реле, а если вместо геркона вставить сердечник от СБ-9А (с тонкой резинкой), то получится малогабаритный контур (рис.7).
Рис.5, рис.6. Фторопластовый кубик для пайки резисторов.
Рис.7. Вторая жизнь старого трубчатого конденсатора.
Настройка печатной платы.
Итак, печатная плата полностью готова. Перед установкой на шасси ее желательно предварительно настроить. Процесс настройки можно условно разделить на три этапа:
1. Визуальная проверка правильности выполненного монтажа.
2. Проверка и настройка режимов по постоянному току.
3. Проверка и настройка режимов по переменному току.
Для настройки "новоиспеченной" платы желательно приготовить следующие приборы: тестер, генератор стандартных сигналов (ГСС), осциллограф, частотомер. Это только необходимый минимум, и это как раз те самые электронные "глаза и уши" радиолюбителя, без которых обеспечить более или менее приемлемое качество настройки будет весьма сложно.
После тщательного осмотра первым делом необходимо тестером проверить настраиваемые платы на короткое замыкание по питающим проводам (между корпусом и питающими шинами). Если таковое обнаружится, надо найти и устранить причину до подачи питающего напряжения. Затем проверяют блок питания на холостом ходу. Регулировкой подстроечного элемента устанавливают необходимое напряжение на выходе стабилизатора и только после этого подключают нагрузку (настраиваемую плату). Если после подключения питающее напряжение слегка изменилось, то небольшой подстройкой его возвращают к норме. Проверяют потребляемый платой ток (в статике - при отсутствии входных сигналов), включив амперметр в разрыв питающего провода между платой и стабилизатором (последовательно). Он должен быть близок к расчетному (плюс/минус 20%).
Если при первом подключении "новоиспеченной" платы она окажется неработоспособной, не огорчайтесь - это нормально! И даже наоборот: если она сразу заработает, то это не к добру! Как минимум, Вы лишитесь удовольствия, которое могли бы получить от ее настройки!
Далее приступаем к проверке режимов каскадов по постоянному току согласно принципиальной схеме используя тестер. Необходимо выставить их (согласно указанным на схеме или в описании значениям) путем подстройки соответствующими элементами (или подбором их номиналов), если они отличаются от требуемых более чем на 20%.
Если проверяемая плата является гетеродином, то к ее выходу необходимо подключить осциллограф и частотомер, а если усилителем - на вход еще дополнительно и ГСС с требуемой частотой и необходимой амплитудой пилотного (тестирующего) сигнала.
Регулируя подстроечные элементы платы, необходимо добиться на выходе сигнала требуемой формы, амплитуды и частоты. Настройку усилительных каскадов желательно вести покаскадно, начиная с последнего, постепенно переходя к входному (поочередно сдвигая подключение выхода ГСС к самому первому в схеме каскаду и постепенно уменьшая амплитуду пилот-сигнала). Контроль вести постоянно на выходе последнего каскада (осциллографом, частотомером, высокоомным вольтметром). Далее производят замеры чувствительности и контролируют другие параметры (например, снимают частотную характеристику, измеряют динамический диапазон и т.д.). При настройке гетеродинов на его выходе контролируют наличие требуемого сигнала и его параметров (форма сигнала, частота, амплитуда, отсутствие искажений и побочных продуктов, диапазон вырабатываемых частот и др.) и при отклонении параметров производят корректировку путем подстройки соответствующих элементов. Затем в гетеродинах производят термокомпенсацию, подбирая (заменяя другим или комбинацией из нескольких конденсаторов с разными ТКЕ) конденсаторы в задающих контурах по цвету (с разным ТКЕ - температурным коэффициентом емкости).
Сделав соответствующие замеры и убедившись в получении требуемых параметров, можно считать платы (предварительно!) настроенными. Остается приступить к установке плат на шасси, подвести питающие, сигнальные и управляющие линии и начать уже окончательную настройку всего устройства в целом (что-то вроде нивелировки!).
Рубцов В.П. UN7BV. Казахстан, Астана.
73!