Základy elektrotechniky (IV)

Na většině středních škol se zaměřením elektro je tento předmět chápán spíše jako strojařský. Obvykle jej učí odborníci se zaměřením na strojírenství nebo stavebnictví. Tomu odpovídá i většina pro něj vydaných učebnic, které studenty důkladně seznamují se základy těchto oborů, s kreslením převodovek, schodišť, apod.

Znalost technického kreslení je důležitou dovedností každého pracovníka v oboru elektro

V následujícím článku se chci proto více zaměřit na jiné aspekty tohoto oboru, především na tvorbu elektrotechnické dokumentace. Většinou není potřeba, aby pracovník v oboru elektro uměl kreslit složité výkresy mechanických částí. Jeho hlavním úkolem je práce s elektrotechnickými schématy, návrhy plošných spojů, práce s další elektrotechnickou dokumentací, s výkresy rozložení součástek, vrtacími a osazovacími plány, vytváření nastavovacích předpisů.

Při studiu technického kreslení bychom se měli zaměřit na znalost několika základních témat:

1. Správně číst technickou dokumentaci. To znamená porozumět výkresům mechanických částí elektrotechnických výrobků. Tyto výkresy kreslí obvykle pracovníci, kteří studovali strojní SPŠ nebo VŠ. Od pracovníků s elektrotechnickou kvalifikací se očekává spíše pasivní než aktivní znalost technického kreslení. Je ale nutné umět zhotovit náčrt nebo technický výkres jednodušších mechanických dílů. K tomu je nutné si procvičit prostorovou představivost.
   
   
2. Naučit se kreslit elektrotechnická schémata a umět je správně číst. Procvičit hlavní zásady vedoucí k vytvoření přehledného schématu. Nakreslit schéma, které je po formální stránce v pořádku, zvládne i nekvalifikovaný pracovník. Nakreslit kvalitní a přehledné schéma, ve kterém se každý rychle a správně zorientuje, je umění. Vyžaduje inteligenci a samostatné myšlení. Je nutné správně zvolit vhodný postup. To znamená podle okolností se správně rozhodnout, zda nakreslit celé schéma na jeden výkres nebo zda jej rozdělit na několik částí. Důležité je rovnoměrné využití prostoru a dodržování určitých pravidel (např. vstupy vlevo, výstupy vpravo).
   
   
3. Naučit se navrhovat plošné spoje.
   
   
4. Naučit se zpracovávat úplnou dokumentaci k elektrotechnickým výrobkům. Uvědomit si, co elektrotechnická dokumentace musí obsahovat, jak ji vytvořit. Naučit se postup při změnách v dokumentaci, zásady při tvorbě montážních a nastavovacích předpisů.
   
   

   V souvislosti se zaváděním systému řízení kvality ISO 9000 je toto velmi důležité. Dá se předpokládat, že stále větší počet pracovníků bude pracovat ve firmách, které tento systém používají.

Tuš je minulostí - PC a vhodný software nutností

Při kreslení technických výkresů (ať už mechanických částí, schémat nebo plošných spojů) je hlavním pomocníkem PC s vhodným softwarem. Kreslení tuší pomocí rýsovací soupravy je již dávnou minulostí. Stejně jako při kancelářské práci nikdo nepoužívá psací stroj, protože práce s PC je mnohem efektivnější. Hlavní výhodou je, že výsledky své práce nemusíme při dalších úpravách celé přepisovat nebo překreslovat. Počítač při kreslení zbaví člověka otrocké práce (aby byly čáry rovnoběžné a stejně silné, kolečka kulatá, apod.). Co se nepodaří napoprvé, dá se snadno opravit.

Druhou základní dovedností je kreslení kvalitních náčrtků tužkou. Ty mohou v některých případech sloužit i jako výrobní výkresy. Nebo jsou podkladem pro jejich kreslení.

Prvního cíle dosáhneme studiem běžných učebnic Technického kreslení pro střední školy. Ty obsahují základní doporučení pro tvorbu výkresů (správný postoj, čisté ruce, správná volba tužky, volba tloušťky čar, volba měřítka, formáty výkresů, typy čar a jejich význam. Dále obsahují doporučený postup pro kreslení náčrtků. Věnují se způsobům zobrazení mechanických dílů (pravoúhlé, kosoúhlé promítání), kreslení nárysů, půdorysů a bokorysů. Dále se zabývají názorným zobrazováním předmětů v kosoúhlém promítání (dimetrie, izomerie), procvičováním zobrazování jednoduchých a složitějších těles. Obsahují výkresy mechanických dílů, které umožňuje trénovat prostorovou představivost. Najdeme v nich rovněž zásady pro kreslení řezů a průřezů, zjednodušování a přerušování obrazů součástí, zásady kótování a tvorby mechanických výkresů (na výrobní výkresy se kreslí součásti vždy v konečném stavu, tj. po všech výrobních operacích provedených před konečnou montáží).

Dále se budeme zabývat tvorbou elektrotechnické dokumentace.

Elektrotechnická dokumentace kromě schémat obsahuje: výkresy desek s plošnými spoji (dále DPS), výkresy rozložení součástek na desce s plošnými spoji ("pokládačka"), výkres nepájivé masky, výkres síta (používá se pro automatické nanášení pájecí pasty před osazením součástek v technologii SMT), výkres mechanických úprav DPS (např. frézování), výkres pro drážkování (pokud se jedná o tzv. kumul - větší množství menších DPS, které se společně vyrobí, odvrtají a osadí a nakonec rozdělí), vrtací předpis pro DPS, výkresy mechanických dílů, rozpis součástek, osazovací předpis pro DPS, montážní předpis, výkresy mechanických sestav, nastavovací předpis, naměřené hodnoty včetně tolerancí (udávané tabulkou nebo grafem), návod pro servisní činnost.

Schémata se kreslí na normalizované formáty výkresů. Je-li to možné, snažíme se používat formát A4. Je potom jednodušší tisk, manipulace s výkresem i archivování. Znamená to ale často rozdělit jeden funkční celek do několika výkresů při zachování přehlednosti a srozumitelnosti. Tloušťku čar volíme za účelem dosažení maximální srozumitelnosti. U většiny elektrotechnických schémat vystačíme s jednou přiměřeně tenkou čárou. Je třeba myslet na to, aby při případném zmenšení výkresu nebyla potom čára příliš tenká. Tlustší čáry používáme například pro kreslení sběrnic, silových spojů (v silnoproudé technice), signálových spojů vedených mikropáskovým vedením (ve vysokofrekvenční technice).

Při jednopólovém kreslení schémat znázorňujeme několik vodičů podobného významu jedinou čárou a několik funkčních částí jedinou značkou (počet musí být vyznačen). Takto se kreslí obvody se stejnou elektrickou funkcí nebo obvody vedené stejnou cestou. Používá se hlavně v silnoproudé technice, kde se elektrické zapojení často kreslí do stavebních výkresů.

Význam norem poklesl na minimum

Součástí učebnic technického kreslení pro elektrotechnické obory obvykle bývá vyčerpávající seznam všech schématických značek elektrotechnických součástek. Jejich přesné dodržování už dnes není ale tak podstatné. Před rokem 1989 bylo ve všech podnicích povinné dodržování státních i oborových norem, které měly platnost zákona. I přesto nebylo nikdy možné dosáhnout absolutní jednotnosti, nesoulad mezi různými normami vždy existoval. Po roce 1989 s rozvojem soukromého podnikání, globalizací výroby a s rozvojem výpočetní techniky význam těchto norem poklesl na minimum.

Zahraniční firmy často používají schématické značky odlišné od našich. Například v USA a Japonsku schématická značka rezistoru připomíná pružinu. Při kreslení schémat používáme téměř vždy PC. Schématické značky obvykle nevytváříme, ale vybíráme z knihovny. Vlastní značky vytváříme pouze výjimečně. Různé firmy mají různý software. Schématické značky nakreslené v různých programech se proto trochu liší. Dosáhnout jednotnosti není možné.

Způsob kreslení schémat je v kompetenci soukromých firem a podléhá určitým firemním zvyklostem. Při své praxi jsem se například setkal s označováním integrovaných obvodů písmenem D a tranzistorů a diod písmenem V. Nejednalo se o malou začínající firmu, ale o bývalý státní podnik s dlouholetou tradicí. Nastupující zaměstnanci si musí takové firemní zvyky osvojit. Jednotlivá schémata, návrhy plošných spojů i další dokumentace musí být uvnitř firmy vzájemně kompatibilní. Všichni vývojoví pracovníci zpravidla používají stejný software. Jeho jakákoliv změna přináší velké problémy. Ztrácí se tak kompatibilita se staršími výkresy. I na nich je totiž občas nutné udělat nějaké úpravy.

Že v kreslení schémat neexistuje jednotnost, uvidíme např. při prohlídce časopisu Amatérské rádio. Příspěvky od různých autorů jsou kresleny různým softwarem, schémata převzatá ze zahraniční literatury často používají jiné schématické značky. Pokoušet se v této oblasti o dosažení jednotnosti považuji za nesmyslné.

Pokud nemáme pro kreslení schémat zvláštní software, můžeme si tyto značky vytvořit v libovolném kreslícím programu. Pomocí jejich kopírování a propojení čárami můžeme vytvořit námi požadované schéma. Pokud by například problémem nakreslit správně schématickou značku cívky, můžeme vinutí nahradit tlustou čárou. Tak se to v mnoha případech běžně dělá, i já si tak pomáhám.

Výkres by měl být rovnoměrně využit

Schéma složitějšího přístroje se obvykle skládá z blokového schématu a dílčích schémat jednotlivých funkčních celků. Ta by měla pro přehlednost odpovídat jednotlivým DPS. Blokové schéma obvykle zobrazuje vzájemné propojení jednotlivých DPS. Každé schéma by mělo být maximálně přehledné a zároveň by mělo rovnoměrně využít celou plochu výkresu. Oba požadavky se někdy současně plní obtížně. U schémat publikovaných v knížkách a časopisech je potřeba více šetřit místem. Schéma má mít tvar obdélníku. Také u výrobní a servisní dokumentace není praktické, aby schéma bylo zbytečně velké. Kreslení schémat podléhá určitým zvyklostem, které doporučuji dodržovat. Vstupy jsou obvykle vlevo, výstupy vpravo. Signál prochází zleva doprava, tak jako čteme. Ve spodní části je zem nebo záporné napájení. Nahoře je kladné napájení. U napájecích zdrojů je vlevo síť, vpravo výstupy (obr.1a).Kreslení schématu začínáme výběrem vhodných součástek z knihovny. Součástky vybíráme už s ohledem na jejich velikost (např. rozteč vývodů u rezistorů a kondenzátorů), která je důležitá pro návrh plošného spoje. Netypické součástky, které nejsou v knihovnách (nové typy integrovaných obvodů, přepínače, apod.), si musíme při jejich prvním použití nakreslit (vytvořit schématickou značku, popsat vývody, nakreslit tvar pouzdra, vytvořit vývody nebo kontaktní plošky).

Součástky rozmístíme na výkrese tak, aby spojovací čáry byly co možná nejkratší a aby se zbytečně nekřížily. Spojovací čáry kreslíme vodorovné nebo svislé, šikmé pouze výjimečně. Součástky umísťujeme tak, aby propojovací čáry nemusely být zbytečně lomeny (viz obr 1b).

Křížení vodičů bývá častým zdrojem chyb. Pokud jsou vodiče spolu spojeny, kreslíme v místě jejich spojení plné kolečko. Uzel, kde se stýkají 4 vodiče, může být snadno zaměněn s křížícími se vodiči, které nejsou spolu spojeny (obr.1c). Doporučuji raději používat uzly, kde se stýkají pouze 3 vodiče. Při ručním kreslení vodičů, které se kříží a nejsou spolu spojeny, doporučuji pro jistotu křížení vodičů provést pomocí malého půlkruhu (obr.1d).

Obrázek č. 1 - a/ Zvyklosti kreslení schémat; b/ Vhodné a nevhodné rozmístění součástek;
c/ Křížení vodičů, které jsou spojeny; d/ Křížení vodičů, které nejsou spojeny

Součástky číslujeme (R1, R2, R3, atd.). Přitom postupujeme podle určitého systému, např. zleva doprava. Snažíme se, aby bylo i ve složitějším schématu jednotlivé součástky snadné najít. Pokud schéma později upravujeme a přidáváme další součástky, nelze tento požadavek již snadno dodržet. Některý software umožňuje i automatickou kontrolu schématu. Kontroluje se, jestli spolu nejsou přímo spojeny dva různé výstupy, jestli není výstup zkratován na zem nebo na napájecí napětí.

U složitějších schémat se snažíme vytvořit si pro číslování součástek určitý systém. Např. u stereofonního zesilovače číslujeme ekvivalentní součástky druhého kanálu vždy indexem o 50 nebo 100 vyšším (rezistoru R1 v levém kanálu odpovídá v pravém kanálu rezistor R51 nebo R101). Obdobně doporučuji postupovat u všech zařízení, která obsahují několik stejných funkčních bloků (např. mixážní pult). Pokud jedno schéma obsahuje několik autonomních funkčních celků, můžeme je pomocí vhodného číslování součástek rozlišit a schéma zpřehlednit.

Součástí schématu je označení hodnot součástek. Není povinné, aby ve schématu byly hodnoty součástek uvedeny, ale je to praktičtější. Schéma sice trochu ztrácí přehlednost, ale zase odpadá neustálé vyhledávání hodnot součástek v rozpisce. Hodnoty součástek (rezistorů a kondenzátorů) píšeme do těsné blízkosti schématických značek, aby nemohlo dojít k záměně. Hodnoty součástek píšeme tak, aby byly co možná nejkratší. Většinu hodnot součástek jsme schopni vyjádřit pomocí tří znaků. Např. j22 = R22 = 0,22 Ω, 6j8 = 6R8 = 6,8 Ω, 4k7 = 4,7 kΩ, M15 = 150 kΩ, 2M7 = 2,7 MΩ, 100 = 100 pF, 3n3 = 3,3 nF, M22 = 220 nF, 10M = 10 u = 10 μF. Nemáme-li k dispozici písmeno μ, použijeme písmeno u. Vyhýbáme se desetinné čárce, kterou je možné snadno přehlédnout, podobně jako na součástkách.

Hodnoty součástek, které osazujeme až při oživení a jejichž hodnoty se mohou měnit, do schématu nemusíme uvádět.

Ve schématech většinou používáme pouze vodorovné a svislé propojovací čáry. Schématické značky součástek jsou umístěny vodorovně nebo svisle. Šikmé umístění schématických značek a propojovacích vodičů (vždy pod úhlem 45°) se používá méně často, pokud to zpřehlední schéma a odpovídá ustáleným zvyklostem (můstkový usměrňovač, měřicí můstky, maticové zapojení diod).