Základy elektrotechniky (V)

Důležitou dovedností je i zjednodušování schémat. Ve schématu nemusíme rozkreslit vzájemné propojení všech součástek, pokud by to snížilo přehlednost a srozumitelnost schématu. K tomu využíváme následující postupy.

1. Funkční celky, které se ve schématu vícekrát opakují (stereofonní, zesilovač, mixážní pult, zapojení sedmisegmentových zobrazovacích jednotek, spínacích obvodů, LED, apod.) nakreslíme pouze jednou podrobně. Ostatní obvody nakreslíme pouze blokově, vyznačíme u nich vstup, výstup a napájení.
   
   
2. Nekreslíme všechny spoje. Téměř u všech schémat, která obsahují více než 1 integrovaný obvod, kreslíme zemní (společný) vodič schématickou značkou pro zem. Přehlednost schématu se tím výrazně zvýší. Z estetických důvodů doporučuji, aby dle možností byly tyto značky v jedné rovině.

   Pokud je schéma složitější, je vhodnější nerozkreslovat napájecí napětí, ale samostatně nakreslit zdroje. Napájení jednotlivých součástek, nejčastěji integrovaných obvodů zakončíme bodem (kolečkem) a popíšeme (např. +5 V). Napájení často obsahuje velký počet blokovacích kondenzátorů (obvykle 100 nF). Pro snadnější orientaci umístíme ve schématu tyto kondenzátory do blízkosti příslušných integrovaných obvodů, na plošném spoji je tomu také tak.

   Pokud ani tato opatření nestačí, nakreslíme stejným způsobem některé pomocné signály, které jsou rozvedeny k většímu počtu integrovaných obvodů (např. CLOCK, RESET).

   
   Obrázek č. 2 - Příklad zjednodušeného kreslení schémat

   Větší skupiny propojovacích vodičů (od 3 výše, např. datové, adresové nebo řídící signály) se vyplatí kreslit jako sběrnici. Přitom se snažíme cestu hlavního signálu zbytečně nepřerušovat.

   
   
3. Popis a hodnoty součástek, které se vícekrát blízko sebe opakují, sloučíme. Týká se to např. předřadných rezistorů před LED a před zobrazovací jednotkou, rezistory u sběrnic s otevřeným kolektorem. Ve schématu například napíšeme: R₁ - R₇ 7x2k7.

   Pro snadnější oživování a servis můžeme přímo do schémat napsat hodnoty napětí v měřicích bodech, případně orientačně nakreslit průběh napětí (sinusový, obdélníkový, pilovitý, derivační impulsy, apod.). Měřicí body ve schématu musí přesně odpovídat měřicím bodům na výkresu plošného spoje a na osazovacím plánu. Pokud se jedná o složitější průběhy (sejmuté z obrazovky osciloskopu) nebo pokud je nutné u hodnot napětí napsat i tolerance, uvedeme tyto údaje v příloze schématu.

   
   
   

Kvalitní schéma je vizitkou výrobce

Kvalitně nakreslené schéma je dobrou vizitkou každého výrobce a výrazně usnadňuje servisní činnost. Nestačí, aby bylo jenom správné a úplné, což je samozřejmostí. Dodržení výše uvedených zásad je známkou kvality. Schéma by měl kreslit ten, kdo obvod navrhl a kdo jeho činnosti dobře rozumí. Pokud tuto činnost vykonávají méně kvalifikovaní pracovníci, kteří činnost obvodu neznají, výsledky jsou obvykle horší.

V seznamu součástek musí být uvedeny hodnoty všech součástek uvedených ve schématu včetně všech specifikací, aby bylo možné součástky pro výrobu správně připravit. To znamená uvést typ součástky (z něj je možné v katalogu najít další údaje).

Kromě základního tvaru rozpisky, kde jsou součástky popsány podle pořadí (R₁, R₂, ....C₁, C₂, ....D₁, D₂, ...T₁, T₂.... IO₁, IO₂) je pro nákup součástek a přípravu výroby potřeba i rozpis v sumárním tvaru (BOM - Bild of Material). Zde jsou součástky seřazeny podle hodnot od nejmenších až po největší a podle typů. Rozpis v sumárním tvaru nám slouží nejen pro nákup materiálu ale i pro přípravu osazovacího automatu k osazování SMD součástek. Kvalitní program pro kreslení elektrotechnických schémat umí oba typy rozpisů automaticky vygenerovat. Zvláště u složitějších schémat to přináší značnou úsporu práce a zabraňuje zbytečným chybám. Pokud tuto činnost dělá člověk, je vždy nutná pečlivá kontrola.

Před návrhem plošného spoje je vhodné mít nakreslené úplné schéma zapojení ve vhodném programu (např. EAGLE), který se používá pro návrhy DPS. Z něj potom vygenerujeme podklad pro návrh plošného spoje. Součástky, které máme zakreslené ve schématu, se nám v něm zobrazí ve skutečné velikosti a se správnou roztečí vývodů. Na začátku jsou součástky na desce propojeny dle propojení ve schématu, tzn. vzdušnými spoji, které nám pomáhají správně rozmístit součástky. Zvláště u složitějších desek nám pomáhají se orientovat, chrání nás před chybami a zajišťují správné propojení.

Při návrhu plošného spoje nejdříve musíme zvolit vhodné rozměry desky (dle místa, které máme k dispozici) a správně rozmístit součástky. První rozmísťujeme součástky, které mají návaznost na mechanické uspořádání (potenciometry, přepínače). Pro rozmístění součástek uplatňujeme dle potřeby i další kritéria - minimální vzájemné rušení, co nejkratší cesty pro velké proudy, minimální vzájemné tepelné ovlivňování. Ostatní součástky rozmístíme rovnoměrně po desce tak, aby spoje byly co možná nejkratší. Snažíme se dodržovat určitá estetická hlediska, pokud to zbytečně neprodlužuje délku spojů. Součástky (zejména integrované obvody) by měly ležet v řadách, měly by pro snadnější kontrolu být stejně orientovány. Klasické rezistory, kondenzátory a diody orientujeme v určité oblasti DPS vždy stejným směrem, ušetří se tím místo.

U začátečníků rozložení součástek často kopíruje rozložení součástek ve schématu. Z hlediska využití místa to ale není ideální postup. Součástky umísťujeme vodorovně nebo kolmo, šikmé umístění používáme výjimečně. U SMD součástek jej osazovací automat často neumí použít.

Dále doporučuji určit si minimální šířku spoje a minimální vzdálenost mezi spoji. Podle těchto parametrů se desky dělí do konstrukčních tříd.

Pracovat s autorouterem není snadné

Je potřeba se rovněž rozhodnout, zda spoj bude jednovrstvý nebo dvouvrstvý. Jednovrstvý spoj je 2 až 4 krát levnější než dvouvrstvý. Při větší složitosti zapojení neumožňuje dostatečnou hustotu součástek, deska je zbytečně velká a vzrůstá počet drátových propojek. Pro dosažení maximální hustoty součástek a tím i minimálních rozměrů přístroje (součástky jsou potom osazeny z obou stran) jsou potřeba 4 až 6 vrstvé desky - např. u mobilních telefonů. Jejich výroba je velmi nákladná.

Návrh plošného spoje se provádí buď ručně nebo pomocí vhodného programu - autorouteru. Naučit se s autorouterem pracovat není snadné. Výsledky jeho práce navíc většinou nejsou příliš kvalitní. Pokud se používá, pak většinou jako podpůrný prostředek pro předběžný návrh. Ke kvalitnímu dokončení návrhu je vždy potřeba lidská inteligence a zkušenost. Plošné spoje kreslíme nejen vzájemně kolmé, ale také pod úhlem 45°. Tím se ušetří hodně místa. Některé kvalitní programy podporují i kreslení zaoblených spojů, které využívají prostor na desce ještě úsporněji. Zalomené spoje tak mohou být blíže sobě, aniž by snižovala jejich vzájemná vzdálenost.

Zemní spoje kreslíme až na konec, protože působí jako stínění, omezují vyzařování a příjem rušivých signálů (zajišťují elektromagnetickou kompatibilitu). Snažíme se jimi vyplnit všechna zbylá volná místa na desce.

Při návrhu jednovrstvého plošného spoje začínáme nejkratšími spoji mezi nožičkami jednotlivých integrovaných obvodů a k součástkám, které jsou k nim připojeny. Postupně kreslíme stále delší spoje, které se těm kratším musí vyhýbat. Součástky, které jsou zapojeny mezi jednotlivé integrované obvody delšími spoji, umístíme jako poslední. Jejich polohu vybereme tak, aby pod nimi mohly vést další plošné spoje. Tam, kde se spoje musí křížit, použijeme drátové propojky, případně rezistory s nulovou hodnotou. Drátové propojky navrhujeme co možná nejkratší a hlavně rovné. Jejich případné ohýbání by nemuselo vypadat esteticky. Při jejich návrhu je třeba si uvědomit, že výrazně ovlivňují vzhled výrobku. Doporučuji nepoužívat drátové propojky u zemního vodiče, ale spíše u napájení a u signálových vodičů.

Při návrhu dvouvrstvého spoje můžeme použít také výše uvedenou strategii. Jako výchozí vrstvu použijeme u klasických součástek spodní vrstvu, u SMD součástek horní vrstvu. Spoje, které bychom museli vést drátovými propojkami, vedeme přes prokovené otvory druhou stranou desky. U složitějších desek ale často zjišťujeme, že ani druhá strana spoje nestačí. Spoje musíme potom dále upravovat a přemísťovat z jedné vrstvy do druhé. Při nejčastěji používané strategii vedeme vodorovné spoje spodní vrstvou a svislé spoje horní vrstvou (nebo naopak). Tato metoda vede vždy k cíli, každé dva body na desce můžeme takto spojit. Mechanická aplikace tohoto postupu, jak ji provádí autorouter, vede k nárůstu počtu prokovených otvorů. Zapojení je potom méně přehledné. Vzrůstá počet děr, které je třeba odvrtat, prokovené otvory mohou být zdrojem poruch.

Optimální návrhová strategie je kombinací obou výše uvedených postupů. Krátké spoje vedeme po jedné straně desky, delší spoje dle potřeby přecházejí z jedné strany desky na druhou.

Při kvalitním návrhu má být výtěžnost desky (plocha, kterou pokrývají součástky) minimálně 60 až 70 %. K tomu je zapotřebí správně rozmístit součástky. U dvouvrstvých desek je sice vyšší výrobní jednotková cena, ale na druhou stranu lze desku lépe využít, zmenšit její rozměry a tím i rozměry celého přístroje. U amatérských konstrukcí nedoporučuji za každou cenu šetřit místem, osazování a oživování je potom obtížnější. Moderní programy pro návrh DPS umí generovat z navrženého plošného spoje všechny potřebné výstupních souborů: rozložení součástek, soubor nepájivé masky, předlohy pro sítotisk, vrtací předpis, osazovací předpis (partlist).

Součástí výrobní dokumentace elektrotechnického výrobku je také montážní předpis mechanických dílů (výkresy mechanických sestav). V něm uvádíme všechny zvláštní výrobní operace: ruční osazování některých součástek, ohýbání vývodů, apod. Za účelem oživování, kontroly a oprav zpracováváme nastavovací předpis.

Každý výrobek v průběhu výroby podléhá drobným změnám. Výrobní dokumentace musí být dle potřeby průběžně aktualizována. Při tom se musí postupovat tak, aby nedocházelo k omylům, aby někteří pracovníci nepracovali podle starších verzí dokumentace.

Bližší informace najdete v mojí publikaci Základy elektrotechniky (k dostání v prodejnách technické literatury). Do jejího 3. vydání jsem zařadil i výše uvedenou problematiku technického kreslení.