Читаем Семь шагов в электронику онлайн бесплатно

Итак, уважаемый читатель, Вы держите в руках книжку, которую, возможно, захотите купить. В книге есть много страниц текста, рисунки, фотографии, формулы, и повествует она об увлекательнейшей науке — электронике. Как быть? Ведь, помимо электроники, на свете существуют сотни других наук, — ничуть не хуже, — и каждая из них по-своему увлекательна, раз нашелся хотя бы один человек, который ей занимается.

Поэтому, прежде чем начать наш с Вами путь в электронику, давайте, уважаемый читатель, «присядем на дорожку», как поется в старой песне, и поговорим о том, что такое электроника и с чем ее едят.

Не будет большим преувеличением сказать, что электроника — это все, что нас окружает. Компьютер, сотовый телефон, телевизор, поющие и разговаривающие детские игрушки и сотни других привычных вещей вокруг нас. Все они содержат внутри электронные компоненты, разработанные и собранные людьми, для которых электроника — либо профессия, либо — хобби. Еще полвека назад человек, с легкостью управляющийся с электронными лампами, вызывал священный трепет у непосвященных. Сейчас же, глядя на внутренности современных электронных устройств, непосвященный испытывает, скорее, тяжкое удивление — «чего они тут понапихали»?

Электроника за эти годы стала и ближе к человеку, уютно устроившись в самых неожиданных местах, и в то же время отдалилась от него, потому что стала на несколько порядков сложнее. Кажется, что ее уже не постичь — такой гигантский путь прошла она всего на сотню лет. И очень часто кто-то, кто заинтересовался современными электронными внутренностями, просто опускает в отчаянии руки — кажется, что это путь вовек не осилить. Видеокурс: семь шагов в электронику Все не так плохо, уважаемый читатель! Конечно, электроника может оказаться просто «не вашей» наукой, и в жизни Вам уготован совсем иной путь. В этом случае Вы, конечно, зря потратите время с этой книжкой. Но если Вам очень хочется приобщиться к ее тайнам, но в душе у Вас страх — «а вдруг не осилю», — тогда эта книжка для Вас, уважаемый читатель. Потому что в ней есть то, чего нет во многих других книжках про электронику — в ней есть История. Как в электронных вычислительных машинах на смену лампам в свое время пришли транзисторы, затем микросхемы, а затем — микропроцессоры и микроконтроллеры, так и в этой книжке каждая конструкция будет описана на разной элементной базе — на транзисторах, на микросхемах, на микроконтроллерах, и даже — на лампах! И, прочитав ее, Вы сами увидите, что даже самый длинный путь в электронике состоит из небольшого числа шагов, и все их можно одолеть — было бы желание.

Что же нам с вами, уважаемый читатель, потребуется в пути?

Нужно хотя бы в самых общих чертах быть знакомым с терминологией. Слова «мультивибратор», «супергетеродин», «каскодная схема» не должны вызывать у Вас недоумение. Не обязательно уметь делать мультивибраторы и супергетеродины, но желательно знать, что это такое. Знания эти можно почерпнуть из книг, и неважно, как давно эти книги были написаны — принцип работы транзистора переживет любые катаклизмы истории. В этом плане одна из лучших книг — «Юный радиолюбитель» В. Г. Борисова.

Умение паять. Пайка — это особое искусство, которым любой посвященный в электронику должен владеть в совершенстве. Овладеть им непросто, поэтому вопросы качественной пайки автор выделил в отдельный раздел. Прочитайте его — не пожалеете.

Знание основных радиолюбительских технологий и владение ими. Минимальный «джентльменский» набор для «причастия» к миру электроники — умение изготавливать печатные платы. Этот вопрос автор также выделил в отдельный раздел.

Желание. Собственно говоря, эту строчку надо было бы поставить первой.

Итак, начнем собираться в дорогу…

Общие сведения о пайке. Пайкой называется процесс соединения двух материалов (не обязательно проводников — иногда спаивают вместе, например, металл и керамику) с помощью третьего, более легкоплавкого материала. Сам процесс пайки заключается в расплавлении третьего материала, соединении с помощью расплава двух первых материалов, и остывании расплава до твердого состояния, обеспечивающего необходимые механические и электрические характеристики спая.

Основное отличие пайки от сварки — первый и второй материалы при пайке остаются в твердом состоянии, а не расплавляются.

В качестве третьего материала в электронике обычно используют сплавы на основе олова. В терминах пайки сплав этот называется «припой». Припои на основе олова — не единственно возможные, например, в металлообработке для пайки резцов в качестве припоя широко используется… медь!

Основные требование к припоям, применяемым в электронике — достаточная механическая прочность соединения и низкое переходное сопротивление (иными словами, паяный контакт должен как можно лучше проводить ток). Для этого требуется выполнение двух условий:

♦ спаиваемые детали должны быть смачиваемыми припоем;

♦ сам припой должен застывать однородной массой и не претерпевать изменений в процессе эксплуатации устройства.

С явлением смачивания читатель должен был познакомиться еще в школе. Если одно вещество смачивается другим, оно плотно прилипает к его поверхности, если же нет — поверхности этих двух веществ отталкиваются друг от друга.

Например, для того, чтобы спаять две стеклянные или керамические детали, припой обязательно должен содержать в себе металл индий — никакой другой припой к керамике просто не прилипнет. Припои на основе олова смачивают большинство материалов, применяемых в электронике, однако на деле не все оказывается так просто.

Проблема при пайке сплавами олова заключается в том, что сами спаиваемые проводники находятся в атмосферном воздухе, а он — отнюдь не нейтральное вещество. Достаточно напомнить, что в воздухе присутствует 21 % кислорода, а он — второй по химической активности элемент после фтора. Поэтому спаиваемые металлические проводники неизбежно содержат на поверхности пленку различных химических соединений (чаще всего — окислов).

А будет ли смачивать эти окислы припой — очень большой вопрос. Поэтому перед пайкой эти химические соединения с поверхности проводника нужно удалить — не столько даже для обеспечения механической прочности, сколько для хорошего электрического контакта. Удаляются эти соединения либо механическим путем (зачистка поверхности проводника), либо химическим — путем воздействия на проводник соответствующего химического вещества, который в терминах пайки называется «флюсом».

К флюсу, применяемому при пайке, предъявляется ряд определенных требований. Каждый флюс имеет свою оптимальную температуру, при которой он наиболее эффективно очищает поверхность проводника.

Например, наиболее популярная канифоль (и флюсы на ее основе), имеет оптимальную температуру около 180–250 градусов. При более низкой температуре она не зачищает поверхность проводника, а при более высокой — начинает гореть.

Совершенно особые условия пайки и специальные флюсы необходимы для такого известного металла, как алюминий — пленка окиси на его поверхности не удаляется никакой механической обработкой, так так тут же образуется вновь (алюминий — химически очень активный металл). Если бы не совершенно особые свойства этой пленки (окись алюминия имеет твердость, близкую к твердости алмаза, температуру плавления около 2000 градусов, и в самом прямом смысле «спасает» металл от кислорода воздуха), то любая алюминиевая деталь за несколько минут рассыпалась бы в порошок.

Увы, то, что сделало алюминий незаменимым в машиностроении, напрочь закрыло ему дорогу в электронику — в электронных устройствах используются только медные провода.

Для обеспечения стабильных свойств паяного соединения используются сложные сплавы на основе олова. Чаще всего, второй компонент сплава — это свинец. Такой сплав, во-первых, имеет более низкую температуру плавления (например, сплав ПОС-60 плавится при температуре около 190 градусов, тогда как чистое олово — около 240, а свинец — около 320 градусов), а, во-вторых, чистое олово при низкой температуре изменяет свою структуру, постепенно рассыпаясь в порошок (это явление получило название «оловянная чума», и наиболее заметно при температуре -33 градуса).

В сплаве со свинцом этого эффекта нет, но есть другая проблема — свинец ядовит. За рубежом сейчас широко применяются бессвинцовые припои (в основном с добавлением небольшого процента серебра). Эти припои, как правило, имеют еще более низкую температуру плавления, а переходное сопротивление паяного контакта у них значительно меньше (серебро, как известно — самый лучший проводник электрического тока). Кроме олова и свинца, в припоях могут присутствовать и другие элементы (обычно от долей до нескольких процентов), придающие им особые механические свойства.

Итак, в общих чертах процесс пайки выглядит следующим образом:

♦ приводим в соприкосновение два (или более) проводника, которые необходимо спаять

♦ наносим на них флюс, чтобы обеспечить химическую очистку поверхности проводников от посторонних химических соединений

♦ наносим на них расплавленный припой

♦ ждем остывания припоя

Ну а теперь — разберем каждую их этих стадий подробно, ибо, как известно, дьявол кроется в деталях.

Приводим в соприкосновение проводники. Специфическая особенность пайки в электронных устройствах заключается в той цели, с которой выполняется пайка, а цель здесь одна — обеспечить электрический контакт.

Если бы нам нужно было просто механическое соединение, проводники можно было бы и склеить!

Если в детали предусмотрен контакт с «ушком», обязательно пропустите в «ушко» провод и плотно оберните его вокруг контакта (даже если лень выпаивать весь тот мусор, что уже натыкан в «ушке»).

Крайне нежелательно, чтобы соединение двух проводников происходило через каплю припоя. Особенно это касается, как ни странно, сигнальных цепей — на медной поверхности всегда присутствует тонкий слой закиси меди, который являются полупроводником, и при некачественной пайке такой контакт может давать удивительнейшие эффекты, про которые потом долго рассказывают бывалые электронщики.

Нанесение флюса. Нельзя сказать, что на протяжении всей истории электроники культура пайки оставалась неизменной. «Дедовский способ», когда жало паяльника с каплей припоя тыкается в банку с канифолью, и затем уже несется к месту пайки, сейчас практически вышел из употребления — помимо того, что паяющий кадит, как служитель культа перед алтарем, требуется изрядное умение, чтобы донести хоть часть флюса до цели. Твердый флюс сейчас практически не применяется.

Наиболее популярные флюсы для меди — спиртовой раствор сосновой канифоли и флюс ЛТИ-120. На место пайки их необходимо наносить тонкой кисточкой, оптимальная температура пайки для них около 200 градусов. Стальные детали лучше паяются «паяльной кислотой» (хлорид цинка), температура пайки — около 280 градусов.

В радиолюбительской среде одно время предлагалось разводить канифоль ацетоном — на взгляд автора, такой рецепт хорош разве что для токсикомана, и, вдобавок, весьма пожароопасен (температура вспышки ацетона всего -19 градусов). Кстати, в качестве флюса для меди прекрасно подходит обыкновенная сосновая смола.

Флюс должен обладать еще одним свойством — легко удаляться после пайки, в том числе потому, что многие флюсы обладают неприятным свойством притягивать из воздуха пары воды и различных соединений, что неблагоприятно сказывается на работе конструкции (вплоть до выхода ее из строя).