PCB и схемотехника

Современные технологические линии фотолитографии для печатных плат адаптированы под плёночный фоторезист с автоматическим ламинированием и прямым лазерным экспонированием без использования фотошаблонов - иначе платы 7 класса точности не сделать. Однако, сначала необходимо разработать топологию сигнальных слоёв, которая должна учитывать рекомендации производителя каждого установленного на ней элемента, не противоречить технологическим возможностям монтажной линий, и при всём этом необходимо минимизировать себестоимость изготовления. И вот что из этого получается...

Одиночные печатные платы

Такой формат производства используется при разработке опытных образцов электроники, новизна эксплуатационных характеристик которой не позволяет определить возможные издержки при совместной работе с другим оборудованием. Другими словами: заказчик «созрел» для автоматизации конкретного технологического этапа производства, но изготавливать сразу большую партию устройств не хочет - ограничены финансы, электромагнитная совместимость, производственный «вдруг» и др.

Одна из таких экспериментальных печатных плат Ethernet-реле представлена на фото: устройство размещается около промышленного оборудования и оператор удалённо по сети может переключать два электромеханических реле, тем самым управляя питанием целевого потребителя. Основные характеристики: внешнее питание 12 вольт, уникальный сетевой адрес на базе EUI-48^TM, коммутация нагрузки в момент изменения полярности сетевого напряжения, встроенная web-страница. 

Структура задуманного:

• sva172301 - печатная плата Ethernet-контроллера для удаленного доступа;
• G436 - корпус из ударопрочного ABS-пластика, размеры 120 х 60 х 30 мм, производитель Gainta;
• PIC18F67J60 - микроконтроллер Microchip со встроенным модулем Ethernet 10Base-T (10 Мбит/с + IEEE 802.3);
• 24AA02E48 - память EEPROM с интерфейсом I²C, содержащая EUI-48^TM (для адресации TCP/IP);
• MOC3061M - оптопара с симисторным выходом и контролем перехода через ноль;
• NRP05 - моностабильное реле с 1 контактным набором SPST-NO, максимальная нагрузка 5А/250В.

Двухпроводная токовая петля с диапазоном 4..20 мА является одним из стандартов взаимодействия устройств промышленной автоматики, а задатчик тока, печатная плата которого представлена на фото, используется для эмуляции аналогового сигнала на базе этого стандарта.

Методика применения: для проверки или калибровки системы автоматического регулирования вместо настоящего датчика с унифицированным выходом «токовая петля» подключается задатчик тока, регулируемый выходной сигнал которого в реальном времени может имитировать изменения параметров технологической среды. Основные характеристики: напряжение питания 12..24 вольт, установка выходного тока в диапазоне 4..20 мА, ручная регулировка потенциометрами «ГРУБО» и «ТОЧНО»,

Структура задуманного:

• sva123001 - печатная плата задатчика тока в диапазоне 4..20 мА;
• «Адаптивный» - корпус из ударопрочного полистирола УПС-825, размеры 83,5 х 57,5 х 24 мм, сделано в Омске;
• LM258 - сдвоенный операционный усилитель общего применения;
• RK1112N - потенциометр 10 кОм, угол поворота 300 градусов.

Комплект печатных плат

Иногда приходится разрабатывать электронные модули, состоящие из нескольких печатных плат - две, три и более. Если заказывать каждую по отдельности, то увеличивается итоговая стоимость производства, потому что приходится оплачивать несколько однотипных технологических этапов: обработку карты заказа, производство фотошаблонов, настройку монтажного робота и др.

Исключительно в целях экономии: на фото несколько плат программируемого реле собраны в один комплект - себестоимость опытного образца уменьшается кратно. Основные характеристики: корпус на DIN-рейку, коммутация постоянного и переменного тока, класс USB-CDC, часы реального времени и память EEPROM для работы в автономном режиме (более одного месяца).

Структура задуманного:

• sva182401 - печатная плата реле времени на базе USB микроконтроллера;
• D1MG - корпус пластиковый на DIN-рейку, размеры 18,1 х 90,2 х 57,5 мм, производитель Gainta;
• PIC18F2550 - микроконтроллер Microchip со встроенным модулем USB 2.0;
• AT24CM01 - память EEPROM 1Мбит, интерфейс I²C;
• DS1307 - часы реального времени, интерфейс I²C;
• TS-A4PV - кнопка тактовая угловая;
• PE014005 - моностабильное реле с 1 контактным набором, максимальная нагрузка 5А/250В.

Панель печатных плат

Такой метод используется для серийного производства: на опытном образце испытана электрическая схема, отлажены технология производства и монтаж, учтены конструктивные особенности печатной платы - теперь нужно много плат по минимальной цене. На фото панель печатных плат программируемого USB-контроллера, при производстве которой изготавливается один комплект фотошаблонов, вырезается один трафарет для нанесения паяльной пасты, разрабатывается одна программа для установщика SMD-компонентов, но в результате технологического цикла получается десять готовых модулей - себестоимость наше всё.

Основные характеристики: питание от USB, класс USB-HID, часы реального времени и память EEPROM для работы в автономном режиме (без подключения к ПК), восемь двунаправленных каналов с возможностью индивидуальной настройки каждого (вход - выход, цифровой - аналоговый и др.).

Структура задуманного:

• sva173401 - печатная плата многофункционального USB контроллера;
• «Адаптивный Мини» - корпус из ударопрочного полистирола УПС-825, размеры 55 х 50 х 22,5 мм, сделано в Омске;
• PIC18F14K50 - микроконтроллер Microchip со встроенным модулем USB 2.0;
• DS3231 - часы реального времени со встроенным кварцевым генератором и температурной компенсацией, интерфейс I²C;
• AT24CM01 - память EEPROM 1Мбит, интерфейс I²C;
• USB-B mini - разъем USB 2.0 в исполнении для поверхностного монтажа.

Эхо минувшего

При внедрении разработанных устройств в технологические процессы часто появляются «силы тёмные» в виде скачков напряжения, брызг рабочих жидкостей, механических воздействий, которые не сказываются положительным образом на работе микросхем. С целью обеспечения ремонтопригодности и, как следствие, максимальной эксплуатационной и отладочной стойкости, иногда для этапов первичных проверок создаются «выводные» аналоги разрабатываемых устройств: никаких TQFP, SOIC, chip0805 - только DIP и только в панелях! Можно осциллографом «присесть» на вывод, впаять что-нибудь вдруг понадобившееся, а после прихода электростатического киловольта с помощью отвёртки заменить «усопший» чип.

После проверки и отладки электроники на реальном оборудовании такие печатные платы  уменьшаются в размерах и приобретают SMD-вид.

При постановке задач случаются формулировки вида «... вот это нужно точно, но потом мы вот это или вон то впаяем на месте ...», для которых разрабатываются платы с зоной свободного монтажа. Микроконтроллер «прошивается» под согласованный алгоритм, но в процессе самостоятельной доработки заказчик в указанной зоне экспериментирует паяльником, своего рода «мазок мастера», который потом торжественно переходит в SMD вариант конечного изделия под лозунгом: «Это мы сами!».

В большинстве случаев печатные платы делаю с паяльной маской - это норма, уменьшающая риск повреждения электроники при эксплуатации. Иногда же заказчик требует плату без маски, только лужение. Причины таких решений самые разные, но результат выглядит вот так.

Если предполагается ручной монтаж платы или установка не всей спецификации, тогда целесообразно изготовление топологии с шелкографией, где нарисованы габариты посадочных мест электронных компонентов.

К счастью, миновали времена в моей практике, когда фотошаблоны печатных плат можно было потрогать: комплект из двух таких на рисунках ниже, соответственно, для верхнего сигнального слоя

и нижнего.