Elektroniikka

Tälle sivulle kootaan perustietoa elektroniikasta ja muusta hyödyllisestä, mitä olen oppinut puuhailuissani. Rakentelut sivuilta löytyvät erilaiset "projektit", muut värkkäilyt ja tutkiskelut.

Tämän sivun tarkoituksena on opastaa vasta-alkajia elektroniikkaharrastuksen pariin, tai ainakin yrittää antaa joitain vinkkejä niitä kaipaaville. Tälle sivustolle kokoan yleisiä asioita harrastukseen ja harrastusvälineisiin liittyen. Täää sivulla ei kerrota syvällisemmin miten laitteet tai komponentit toimivat, vaan tarkoituksena on antaa yleinen käsitys mitä kaikkea harrastaminen tulee pitämään sisällään ennen pitkää.

Kaikki tieto on peräisin omista ajatuksista ja havainnoista tämän aiheen parissa. Syvällisempää tietoa löytyy googlaamalla sekä tältä sivustolta, mm. alasivuista. Sen kummempia jorinoita siirryn suoraan asiaan.

Mittalaitteet ja välineet

Oletettavasti elektroniikan harrastamiseen tarvitaan jonkinlaisia välineitä. Seuraavassa siis niistä.

Mittareista ainakin yleismittari on aluksi välttämätön ja sellainen tulisi mielestäni olla joka kodissa, mihin on sähköt vedetty. Sillä voi oikein käytettynä turvallisesti mitata sähköön liittyviä asioita ja harrastelijan alkutaipaleella se on enemmän kuin tarpeellista. Hanki siis kunnollinen mittari. Itselläni oli aluksi pitkään käytössä n. 15 euron hintainen halpis-mittari, minkä myöhemmin päivitin n. 40-50 euron hintaiseen mittariin ja siitä edelleen muutaman kympin kalliimpaan. Halpis mittarillakin siis pärjää, kun tarvitsee mitata vain virtaa, jännitettä ja resistanssia. Yleismittarin mukana tulee käyttöohjeita, joita selaamalla opit mittarin käyttöön ja löytyypä ohjeita täältä netistäkin. Esimerkiksi osoitteessa http://koti.mbnet.fi/~stinger/yleismit.php on eräs ohje mittarin käyttöön. Lisätietoa virran ja jännitteen mittaamisesta löydät täältä [LINKKI].

Muitakin mittareita on olemassa ja esimerkiksi LCR-mittari. Laite on mittari, joka mittaa induktanssia (kelat), kapasitanssia (kondensaattorit) ja resitanssia (vastukset). Mittari on todella hyödyllinen silloin, kun tarvitsee mittailla muutakin kuin vastuksia. Esimerkiksi jos haluaa tehdä käämejä/keloja itse, niin tällä mittarilla saa nopeasti aikaan tietynlaisen kelan. Toki niitä saa tehtyä ilman mittariakin, mutta mielestäni tarpeellinen.

Esimerkiksi pintaliitos kondensaattoreita on tällä mittarilla näppärä mitata. Kuvassa esiintyy omistamani LC-mittari, eli tämä mittaa vain induktanssia ja kapasitanssia. Resistanssin mittaamiseen käytän sinistä yleismittariani.

Muista mittalaitteista esimerkiksi oskilloskooppi tulee tarpeelliseksi silloin, kun kytkennässä esiintyy jonkin sortin resonanssia. Esimerkiksi oskillaattorikytkennät, RF-kytkennät (eli Radio Frequency = radioaallot), suodattimet yms. ovat hankalia selvitettäviä ilman kunnollista "skooppia". Alla on mm. kuva omistamastani analogisesta skoopista.

Kun puuhailee mikropiirien ja eri väylien kanssa, niin logiikka-analysaattori on myös hyvä työkalu. Logiikka-analysaattorilla voidaan lukea sähköiseltä väylältä tietoa ja näin tarkastella bittien liikettä. Alla olevassa kuvassa on omistamani Zeroplus logic Cube logiikka-analysaattori.

 

Mittalaitteiden turvallinen käyttö

Mittalaitteet ovat siis elektroniikkaharrastajan välttämättömiä apuvälineitä. Niillä on kuitenkin mahdollista saada tuhoa aikaiseksi, mikäli perusasiat eivät ole tiedossa ja hallussa. Seuraavassa muutama vinkki mittaamisen suorittamiseksi niin, että se on turvallista ja että mittaustulokset ovat mahdollisimman luotettavia.

  • Mitattaessa jännitettä, varmista että mittari on oikealla asteikolla.
  • Mitattaessa jännitettä, varmista että maapotentiaalin mittapää on oikeassa maassa. Yleismittari ei mittaa kytkennän maan ja kytkennän muun sähkön välistä jännite-eroa, vaan mittapäiden välistä jännite-eroa. Nämä mittapäät voivat olla missä potentiaalissa tahansa, riippuen mihin kohtaa kytkentää ne ovat kytketty. Ole siis tarkkana mitä mittaat ja mistä.
  • Älä katso muualle mittauksen aikana, äläkä ole huonossa asennossa! Todennäköisesti mittapäät tällöin lipsahtavat ja saattavat aiheuttaa tuhoa oikosulkiessaan virtapiirejä.
  • Mitattaessa jännitettä verkkokäyttöisestä laitteesta, varmistu siitä ettet itse ole kytkettynä verkkosähköön. Toisin sanoen, älä maadoita itseäsi mihinkään (myös positiiviseen käyttösähköön on mahdollista "maadoittaa" itsensä = virta ei katso mihin suuntaan se kulkee), kosketa aina vain mittapäiden suojattuihin osiin.
  • Virtaa mitattaessa varmista että mittari on oikealla asteikolla. (Ehkäiset tällä mittarin hajoamisen, jos kyseessä on halpa mittari)
  • Virtaa mitattaessa älä myöskään koske mittapäihin.
  • Jos mittaat resistanssia, diodeja tai johtavuutta, mittaa ne aina jännitteettömästä laitteesta! Varmista mittarilla että laite todella on jännitteetön.
  • Jos kopeloit verkkovirralla "kulkevaa" laitetta, varmista ettet missään vaiheessa ole osana virtapiiriä! Hengen lähtö on muuten lähellä. Tähän sopii hyvin ajattelumalli, missä ajattelet itsesi olevan pieni vastus. Jos pienen vastuksen laittaa suuren jännitteen kanssa rinnakkain, vastus palaa poroksi - niin myös sinä. (Ehkä vähän liioittelua mutta sähkön kanssa ei pidä leikkiä)
  • Muista, että mittalaitteiden ja virtalähteiden maat eivät aina ole samassa potentiaalissa! Jotkin laitteet eivät ole suojamaadoitettuja laitteita ja jotkin laitteet ovat ns. runkomaadoitettuja. Tällöin on mahdollista, että kahden eri laitteen maapotentiaaleissa on eroja ja virta pääsee kulkemaan aina kun kahden pisteen välillä on potentiaalieroa ja johtavaa materiaalia. Tämän voit tarkistaa yleismittarin jännitemittauksella.

Lisää turva-aiheista juttua löytyy osoitteesta: http://koti.mbnet.fi/huhtama/ele/index.php?si=art02.sis

Virtalähde

Elektroniikkapuuhissa tarvitaan yleensä aina sähköä, ei liene yllätys. Sähköä saadaan kyllä "seinästä", mutta järin turvallista se ei ainakaan suoraan sieltä otettuna ole. Tämän vuoksi kannattaa hankkia jonkin sortin virtalähde. Jos nurkissa ei satu lojumaan ylimääräisiä muuntajia, niin virtalähteenä voi käyttää esimerkiksi paristoja. 9 voltin paristot sopivat peruskytkentöihin, mutta IC-piirien käyttöjännitteeksi ne eivät suoraan käy. Tähän tarvitaan tarkka jännite joko regulaattorin avulla tai jotenkin muuten. Summa summarum, keinoja on monenlaisia eikä yhtä oikeaa vaihtoehtoa ole.

Paras vaihtoehto olisi tietenkin hommata oikea laboratoriovirtalähde, vaikka se ei halpa vaihtoehto olekaan. Itse päädyin rakentamaan vanhasta AT-virtalähteestä keinokuorman avulla oman "labra"-virtalähteen, mistä saadaan ulos 5,12, -5 ja -12 volttia. Lisäksi erilaisia muuntajia on kertynyt, joita voi hyödyntää kun tarvitsee jotain muutakin jännitettä.

Tässä kuitenkin pari vinkkiä jos sähköstä on pula:

Tietokoneen USB-liittimestä saa +5 V sähköä (tarkka alue: 4,75 - 5,25 V). Maksimissaan 100 mA voi siitä (ilman kättelyitä) peräti ottaa virtaakin, joten se on varsin riittävä tavallisiin pieniin kytkentöihin ja ledien vilkutuksiin (käytännössä USB:stä saadaan enemmänkin virtaa, riippuu hieman laitteen toteutuksesta). Alla olevassa kuvassa näkyy kaapelin ja vastaliittimen (joka sijaitsee mm. PC:ssä tai HUB:issa) kytkentä:

Jos otat virtaa USB:stä, muista rajoittaa virtaa ensin pienellä vastuksella VCC eli + johtimessa. Tämä siksi, että jos kytkennässä on vikaa, niin mitään ei hajoa ja suojaat samalla sekä virtalähdettä (tietokone, HUB) että kytkentää ja mahdollisesti kallisarvoisia komponenttejasi. Esimerkiksi 100 ohmin vastus rajoittaa virran maksimissaan 50:een milliampeeriin. Alla esimerkki virranrajoitusvastuksen kytkemisestä:

HUOM! Johtimien värit eivät aina välttämättä ole punainen (+5V), valkoinen (D-), vihreä (D+) ja musta (GND). Myös muita värejä saattaa esiintyä, mutta näitä yleensä käytetään. Pinnijärjestys on kuitenkin aina sama.

Juotin, tinat, juoksute ja imusukka

Juottimia on markkinoilla monia erilaisia ja tässäkin asiassa halvalla pärjää aluksi, mutta kun kokemusta karttuu ja asioita oppii, niin väistämättä joutuu hankkimaan paremman ja ikävä kyllä kalliimman juotosaseman. Ainakaan itselläni ei ollut aluksi varaa hankkia kovin kallista juotosasemaa. Siihen kuluikin aluksi 20 euroa ja käyttöiäksi kertyi pari-kolme vuotta. Nykyinen onkin hieman kalliimpi ja digitaalisesti säädettävä lämpötila-antureineen. Tästä kuva alla.

Nykyisin myydään lyijytöntä juotoslankaa tai "tinaa", eivätkä nämä kovin kalliita yleensä ole. Näissäkin on laatueroja ja käyttökohteen mukaan on hyvä valita oikeanlaista tinaa jolla on sopiva sulamislämpötila. Tavalliselle koekytkentälevylle voi tietenkin juottaa millä tinalla tahansa, mutta jos alat väsäämään omia piirilevyjä ja kasaat niille pintaliitos komponentteja, tulee tinan laadulla olemaan merkitystä. Lyijyllinen tina sulaa hieman alemmassa lämpötilassa ja kestää mielestäni paremmin uudelleensulatusta eikä kovetu lämpösyklien myötä. Lyijyttömät ovat ympäristöystävällisempiä, mutta harrastusjutuissa tällä ei taida olla merkitystä, mikäli syntyvät jätteet hävitetään asianmukaisesti. Juotoksessa syntyviä höyryjä on syytä välttää hengittämästä ja ilmanvaihdosta kannattaa huolehtia. Pitkään juotoshuuruissa oleminen ei ole hyväksi terveydelle.

Juoksute eli flux (purkissa) auttaa juotosten tekemisessä, sillä se puhdistaa juotospintoja ja auttaa lämmön siirtymisessä juottimen kärjestä. Tämä ei kuitenkaan ole välttämätöntä hankkia heti, sillä monissa myytävissä juotoslangoissa on juoksutetta jo langassa itsessään, mikä helpottaa juotosprosessia.

Imusukalla (purkin päällä) saat juotokset siistittyä ja ylimääräiset tinat "imutettua" pois. Myös tinaimureita (kuvassa vasemmalla) löytyy ja kalliimmista juotosasemista löytyy sitten ihan oikeita imureita, jotka toimivat sähköisesti.

Kuvassa olen fluxin laittanut muovipurkkiin, sillä ostaessani se oli aluksi metallirasiassa, mikä ajan myötä alkoi syöpyä ja ruostua fluxin ympäriltä.

Komponentit ja varastoiminen

Komponentteja saa helposti esimerkiksi naapureiden vanhoista laitteista purkamalla. Hidastahan tämä tietenkin on, mutta ainakin se on halpaa. Komponentteja voi myös ostaa ja hyviä nettikauppoja on mm. http://www.digikey.fi, http://www.kouluelektroniikka.fi/http://www.elfa.fi vain pari mainitakseni. Näistä voi tilata pieniä tai suuria määriä mitä erilaisimpia elektroniikkaosia. Digikey on mielestäni halvin, mutta sieltä ei kannata alle 60 euron ostoksia tilata, muuten joutuu maksamaan lähetyksen (jopa 35 euroa). Huono puoli Digikeyltä tilatessa on alv, joka pitää maksaa koska Digikey toimii yhdysvalloissa. Digikeystä voi kuitenkin tehdä kimppatilauksen, jolloin yksittäisiäkin osia voidaan tilata suhteellisen kivuttomasti. Lisätietoa tästä osoitteesta: Digikeyn kimppatilaukset.

Kun tilaat komponentteja, kannattaa tilata läpivietäviä komponentteja, eli sellaisia joilla on ns. "jalat" ja pintaliitos komponentteja. Alkuun on helpompi rakentaa kytkentöjä jalallisilla komponenteilla koekytkentälevylle (eli näkkärille). Kun tulee tarve toistaa kytkentä uudestaan, on siitä melkein järkevintä tehdä piirilevy ja kasata kytkentä pienempään tilaan mahtuvilla pintaliitoskomponenteilla.

Komponentit joita aluksi tarvitsee

En tietenkään voi kaikkien puolesta sanoa mitä tarvitsee ja mitä ei, mutta tässä minun mielestäni aluksi tarpeelliset hankinnat:

  • Kondensaattoreita, arvoltaan 1nF - 470 uF.
  • Vastuksia, jokin E-sarja esimerkiksi. E12 tai E24 on alkuun hyvä. Myös 1 ohmin ja alle 1 ohmin vastuksia kannattaa varata.
  • Keloja, jokin sarja tai yksittäin, 1 uH - 1 mH on hyvä väli mistä kannattaa etsiä.
  • Transistoreita (NPN, PNP, Tehotransistorit, Darlington, FETit) esimerkiksi 2N2222, BC547, BC557, TIP31... Kouluelektroniikan sivuilta löytyy mm. erilaisia sarjoja, jotka sisältävät tavallisimmat transistorit joita kytkennöissä usein tarvitaan.
  • Operaatiovahvistimia, komparaattoreita.
  • CMOS/TTL-piirejä, 74XX sarjaa tai 4000-sarjalaisia (= logiikkapiirejä yms).
  • LEDejä tarvitsee aina, kannattaa hankkia eri värisiä.
  • Diodeja, 1N4148 sekä vähän suuremman virran kestäviä.
  • Zener-diodeja, eri arvoisia sekä schottcky-diodeja
  • Kiteitä 32,768 kHz - 16 MHz
  • Kytkimiä, painonappeja.
  • Banaaniliittimiä ja johtimia.
  • Hyppylankoja.
  • Mikropiirejä, logiikkapiirit, operaatiovahvistimet + muut IC:t (IC = integrated circuit).

Komponentit on syytä myös säilyttää jossakin paikassa. Muovilaatikot eivät ole kaikista parhaimpia säilytyspaikkoja (itse asiassa pahimpia jos eivät ole ESD-suojattuja), mutta ainahan laatikon pohjalle voi laittaa jotakin eristettä, esimerkiksi paperia taikka ESD-muovia, mitä tahansa tähän sopivaa.

Aluksi varsinkin komponenteista on pula, joten jos kaikki joutuu ostamaan yksittäin niin kalliiksi tulee... Itselleni on kertynyt jo muutama komponentti varastoon ajan myötä, kuten kuvasta näkyy. Säilytyslaatikot eivät ole ESD-suojattuja, joten tämä ei ole paras menetelmä näiden säilyttämiseen, mutta on ainakin tähän asti toiminut. Oikein herkät komponentit on syytä säilyttää niiden suojapusseissa. Komponentit kannattaa myös pitää järjestyksessä ja lajitella vastukset, kondensaattorit, IC:t, transistori, kelat, kytkimet, ledit, diodit yms omiin lokeroihinsa.

Koekytkentälevy ja verolevy

Komponentit täytyy kytkennän tekemiseksi joko juottaa yhteen jaloistaan (jos sellaisia on) tai johdinten avulla. Tämä kuulostaa aika haastavalta ja ikävältä joten suosittelenkin ostamaan aiemminkin mainittua koekytkentälevyä ja nauhakuparoitua koekytkentälevyä eli näkkäriä. Alla kuva verolevystä eli nauhakuparoidusta koekytkentälevystä ja muovisesta koekytkentälevystä.

 

Kuvien lähteet:
http://kompo2010.wikispaces.com/Verolevy
http://www.robomaa.com/images/bb8034.jpg 

Kuumailmapuhallin

Kuumailmapuhallin on moneen käyttötarkoitukseen sopiva apuväline. Sillä voi vanhoilta piirilevyiltä irroittaa kerralla suuria määriä erityisesti pintaliitoskomponentteja. Tämä onnistuu siten, että kuumailmapuhaltimella lämmitetään komponentteja ympäröivää levyä niin kauan, että tina alkaa sulamaan. Suoraan komponenttien koteloihin ei ole suositeltavaa puhaltaa kuumaa ilmaa, sillä kotelot saattavat sulaa. Toisaalta ajan kanssa tämänkin taidon oppii ja se käy leikiten.

Kutistesukat ja teippiä

Kun tulee (ja varmasti tuleekin) tarvetta tehdä esimerkiksi kaapeleita, niin niiden eristämiseen on hyvä olla sopivan kokoista kutistesukkaa. Kutistesukka pujotetaan eristettävän johtimen ympärille ja kuumalla ilmalla puhallatteassa sukka kutistuu ja kiristyy johtimen ympärille. Yksinkertaista ja siistiä.

Sähköteippiä on myös hyvä olla. Myös muut muoviset teipit kelpaavat, sillä teippiä tarvitaan aina. Pitäisi kuulua joka kodin varustukseen myös mielestäni.

Työskentelytila

Työskentelytilassa olisi hyvä kiinnittää huomiota hyvään ilmanvaihtoon ja siihen että valoa on tarjolla. Puuhastelu on usein aikaa vievää ja Suomen oloissa päivänvaloa on kesäaikaankin tarjolla rajoitetusti. Varsinkin sisätiloissa on sen verran hämärää että ilman valoa ei pärjää.

Jos on mahdollista, niin kannattaa hankkia puolijohtavaa tai puolieristävää alustamateriaalia, minkä päällä piirilevyjä käsitellään. Lisäksi maadoitusrannekkeen teko onnistuu vaikkapa vanhasta kellosta, missä on metallinen ranneke. Tähän kytketään 1 megaohmin vastus ja vastuksen toinen pää johtimen nokassa puolijohtavaan tai -eristävään alustaan. Laitteet joita käsitellään maadoitetaan alustaan johtimella jonka päässä on esimerkiksi hauenleuka. Alla olevassa kuvassa on minun työskentelytilani, siis tietokonepöydän lisäksi.

Jos kuvan kaltaista harmaata ESD-mattoa ei ole mahdollista saada tai ostaa, niin mikä tahansa puolijohtava pinta käy. ESD-suojauksen ideana on maadoittaa käsiteltävät laitteet ja käsittelijä samaan potentiaaliin, jottei sähköpurkauksia pääse syntymään. Rannekkeessa oleva 1 megaohmin vastus rajoittaa myös virran kulkua. Käsiteltävät laitteet voidaan kytkeä maajohdosta megaohmin vastuksen kautta puolijohtavaan alustaan (kannattaakin jos laite on herkkä). ESD-matto ei oikosulje piirejä, vaan sen vastusarvo pinnalla on suuri. Tämä purkaa siihen kertyneitä varauksia maadoituspisteeseen.

Työkalut

Työkaluista ensimmäisenä tulee mieleen kärkipihdit, sivuleikkurit (jotkut kutsuvat katkaisupihdeiksikin) ja erilaiset ruuvimeisselit sekä mattoveitsi. Nämä perustyökalut on hyvä olla. Myöhemmin voi hankkia lisää, esimerkiksi kuorintapihdit, erilaisia meisseleitä (taltta- ja ristipäät, torx [eli tähtipää], kuusiokolo..yms) ja mitä nyt kulloinkin eri projekteissa tarvitsee. Lisäksi pinsetit tai muut pienet ottimet ovat tarpeelliset.

Laatikostot

Työpöydälle kertyy aika ajoin myös pieniä osia ja johtimen pätkiä yms, joita ei heti kannata hävittää. Nämä on kätevä säilyttää pienessä laatikossa joka mahtuu pöydällä olemaan. Nämäkin olisi hyvä olla ESD-suojattuja, mutta aina ei voi voittaa. Itselläni on pari kappaletta tavallisia punaisia säilytyslaatikoita, joita esimerkiksi puutyöverstaista löytyy. En suosittele kuitenkaan sieltä ottamaan vaan hankkimaan kaupasta omat.


Tämän sivun alisivuja ovat: