Izdelaj svoje vezje!

Avtor: Jaka Waldhütter waldhutter.jaka@gmail.com 030 360 285

Labbook, ki ga držite v rokah, je zbirka navodil in priporočil, ki vas vodijo skozi praktično delavnico Izdelaj svoje vezje. Izpostavlja nekaj zanimivih dejstev o tiskanih vezjih v umetnosti in znanosti ter hkrati ponuja informacije in povezave do zanimivih projektov. Udeleženke/ci na delavnici izdelujejo načrt in skico za lastno vezje, ki jo s pomočjo mentorjev jedkajo in nato spajkajo elemente.

Stopnje težavnosti: 1. RADOVEDNEŽ Primerno za vsakogar 2. RAZISKOVALEC Ne poznam področja, ampak bom zmogel z malo razmišljanja 3. POZNAVALEC Imam dovolj znanja za samostojno delo 4. MOJSTER Sem kar vešč, vstopam v polje poglobljenega razumevanja umetniških in znanstvenih trikov 5. RAZVIJALEC Znam že toliko, da lahko vodim druge iz kategorij od ena do tri. 6. MENTOR Razumem vsebine, obvladam tehnologije, razvijam in posredujem znanje samostojno.

Kaj je tiskano vezje? (kaj pravi tehnologija?)

Tiskana vezja so sestavni del vsake električne naprave. Če odprete vrtalnik, TV, likalnik ali pa kaj drugega, vas bo pozdravila zelena barva tiskanih vezij. So najboljši način, s pomočjo katerega lahko povežemo elektronske elemente tako, da bodo ostali povezani in da bodo ostali na svojem mestu. Tiskana vezja izdelujemo tako, da imamo na ploščici iz nekega ne-prevodnega materiala nanešeno plast bakra. Nato s posebnimi stroji ali pa kislino tiste dele bakra, ki ne povezujejo nobenih elementov,odstranimo. Tako so nam ostale le pomembne in uporabne povezave, s katerimi lahko električno povezujemo elemente, ki jih bomo v vezju uporabili. Te sledi bakra nam služijo kot žice. Kljub temu, da so vezja najpogosteje iz trdne ploščice, se v zadnjem času pojavljajo tudi takšna, ki se lahko zvijajo. Bakrena plast je lahko samo na eni strani ploščice – to je najpogosteje v preprostih napravah, kot npr. v daljincu, lahko pa ima več plasti.

Slika 1: Tiskano vezje z zaščitno plastjo (Vir: https://www.indiamart.com/modifiedussolutions/services.html) Tiskana vezja so značilne zelene barve - zelena barva je namreč zaščitni premaz, s katerim so premazana tiskana vezja, da jih zavaruje pred umazanijo, napakami zaradi spajkanja, vlago in oksidiranjem.

Zanimivost: Zaščitna plast ne rabi biti zelena, ampak je lahko kakršnekoli druge barve npr. črne ali pa vijolične. Mi bomo delali z navadno vitro ploščo brez zaščitnega premaza, zato bo naše končno vezje bakrene barve.

Vezja v instalacijah (kaj pravi umetnost?)

Tehnologija se z umetnostjo vedno bolj prepleta. Kot medij so temelj marsikaterega novodobnega umetniškega projekta in brez njih si težjih projektov sploh ne moremo predstavljati. ChipArt je posebna vrsta umetnosti, ki deluje tako, da s pomočjo naprav, ki izdelujejo tiskana vezja, v vezje dodamo še kakšno sliko, ki se lahko zraven povezav nariše na vezje. To so nekateri delali tudi v vezjih, ki so se nato pojavila v pravih napravah.

Slika 2: ChipArt na čipu analizatorja(Vir:https://en.wikipedia.org/wiki/Chip_art#/media/File:Buffalo_chip.jpg)

Za primer bi še izpostavili umetnika Peter McFarlana, ki ustvarja iz zavrženih tiskanih vezij. Navdih za izdelavo kipov je dobil potem, ko je delal kot računalniški svetovalec in iz prve roke opazoval hitrost, s katero so računalniki zastareli in bili zavrženi. Zavržene predmete skrbno analizira glede na stanje škode in izbere samo tiste, ki se jih ne da popravit.

Slika 3: Skulptura ptičjega gnezda iz starih elektronskih elementov in vezij (vir:https://www.petermcfarlane.com/circuitboard-sculp)

Prvo vezje

Vas je kdaj zanimalo kaj se skriva v vseh električnih napravah tega sveta in kako delujejo? Na naslednjih straneh bomo spoznali osnove električnih in tiskanih vezij. Ustvarili bomo svojo lastno vezje, ki bo prižgalo eno ali dve lučki! Kaj potrebujemo?

• Aligatorske žice
• Držalo za gumbno 3V baterijo
• 3V gumbno baterijo
• Stikalo ali gumb
• LED (svetlečo diodo) poljubne barve
      • Upor 100 ohm
• Vitro plošča
• Solna kislina
• Vodikov peroksid (v delavnici je uporabljen 30%)
• Dve plastični posodi ali škatli
• Vrtalnik
• Gumijaste rokavice
      • Zaščitna očala
• Alkoholni flomaster
• Škarje ali klešče
• Multimeter
• Cin
• Spajkalnik

Na začetku bomo naredili nekaj primerov z žicami in elementi, in sicer zato, da lahko boljše razumemo, kako načrtovati vezje in kako povezave delujejo. Z žicami lahko vedno preizkusimo tudi delovanje izdelka v primerih, če bi želeli povezati več elementov ali pa če želimo dodati kakšen drug element (npr. piskač). Za naše prvo vezje bomo potrebovali baterijo z držalom, LED in dve aligatorski žici. Naredili bomo osnoven tokokrog. Pozor: LED dioda ima dve nogici. Daljša je plus, krajša pa minus. Paziti moramo, da se plus nogica poveže na plus stran baterije, minus pa na minus. Na vrhu baterije je narisan plus, ta stran pa je tudi bolj gladka, kot spodnja (minus) stran. Povežite tako, kot vidite na sliki! Plus baterije povežite na daljšo nogico, minus pa na krajšo. Svetleča dioda mora svetiti. Če se LED ne sveti, poskusi zamenjati žice, ki so povezane na nogice, morda si zamenjal plus in minus.

Slika 4: Vezje z LED diodo in baterijo sestavljeno z aligatorskimi žicami

Osnoven električen tokokrog predstavljajo porabnik (v našem primeru svetleča dioda oz. LED), vir elektrike (baterija) in vodnik (žice). Vsak električni element ima dva priključka in v čisto vsaki električni napravi je prisotna neka oblika električnega tokokroga. Zdaj bomo v vezje dodali stikalo. Če bi imeli shemo tega vezja, bi izgledala tako, kot vidite na spodnji sliki.

Slika 5: Shema vezja s stikalom

Stikalo je električni element s tremi priključki, ki lahko povezavo sklene ali razklene. Deluje enako, kot če bi mi iz LED žice fizično umaknili – povezave ne bi bilo in LED ne bi svetila. Stikalo ima tri priključke – sredinski mora biti vedno povezan, na enega izmed stranskih pa povežemo drugo žico. Za to vezavo si izberemo eno žico prejšnjega vezja (najpogosteje izberemo žico, ki povezuje dva plusa baterije in LED, lahko pa izberemo tudi minus). Iz svetleče diode odstranimo žico, ki pa naj ostane povezana na baterijo. Namesto na LED plus baterije povežemo na sredinski priključek stikala. Potem vzamemo novo žico in povežemo enega izmed stranskih priključkov stikala na nogico od katere smo prej odstranili žico. Vezava bi morala izgledati tako, kot je videti na sliki.

Slika 6: Vezje s stikalom sestavljeno z aligatorskimi žicami

Izdelava vezja

Za izdelavo vezja se moramo najprej odločiti, katere in koliko elementov bomo uporabili. Za namene tega labbook-a, bomo izbrali prvo vajo (tisto z eno baterijo in eno svetlečo diodo). Izdelava se začne tako, da iz bakrene plošče izrežemo manjšo ploščico – če bo ploščica imela preveč bakra, se ta morda ne bo dovolj dobro raztopil v kislini. Ploščico nato na listu papirja obrišemo in najprej skiciramo vezje s svinčnikom. (Najprej naredimo vezje na listu papirja, da lahko po potrebi vezje spreminjamo, šele nato ga prerišemo na vitro ploščico z alkoholnim flomastrom.) Izdelava se začne tako, da razumemo, da za vsak element potrebujemo dovolj velike pikice, da lahko v krog izvrtamo luknjo in skoznjo potisnemo nogico elementa, okoli pa nam mora ostati še vedno dovolj bakra, da lahko nanj prispajkamo element. Za mlajše otroke se priporoča veliko večja pikica. Uporabimo elemente in jih postavimo na vezje, tako, kot si jih želimo postaviti, nato pa pod nogice elementov narišemo pike. Ko naredimo vse pikice, jih povežemo s črtami. Črte predstavljajo naše žice, tako da moramo paziti, da se med seboj ne dotikajo.

Slika 7: Skiciranje vezja na papir

Ko je vezje končano lahko nanj narišemo še kakšno obliko ali pa se podpišete. Paziti morate, da se črt, ki ste jih narisali prej, ne dotikate.

Ko smo z našim vezjem zadovoljni, ga lahko prerišemo na bakreno stran ploščice. Na ploščico rišemo samo z alkoholnim flomastrom (najboljše s črnim)! Katerikoli drugi flomaster (še posebej, tisti za bele table) ne bo deloval. Ponovno preverite kakšne so razdalje med posameznimi nogicami elementov.

Slika 8: Risanje vezja na vitroplast

Na vezje lahko narišemo karkoli, vendar moramo paziti, da je črta dovolj debela. Pazljivi morate biti, da na bakreno stran narišete debele črte, skozi katere se baker ne bo videl (glej levo sliko). Če se bo skozi črte videl baker, se bo le ta raztopil v kislini in vaša povezava bo pokvarjena. (glej desno sliko).

Slika 9: Risba vezja pred in po jedkanju

Slika 10: Različne risbe na ploščah pred jedkanjem

Ko smo pripravili vezje, lahko pripravimo kislino. V eno plastično škatlo (ali posodo) nalijemo vodo, v drugo pa bomo naredili mešanico za jedkanje. Pripravimo kemikalije za jedkanje: formula: ⅓ voda (H2O), ⅓ solna kislina (HCL), ⅓ vodikov peroksid (H2O2). Če uporabljate vodikov peroksid, ki ima manj kot 30%, lahko v mešanico dodamo manj vode. Prva mešanica bo prozorna, ko pa damo noter prvo bakreno ploščico, se bo mešanica obarvala modro. Ob uporabi moramo biti zelo previdni! Uporabljati moramo zaščitna očala in gumijaste rokavice.

Slika 11: Priprava jedkanice

      • Banja za vodo(leva) banja za jedkanico.
      • V banjo za jedkanico nalijemo 1/3 vode od skupnega volumna (npr. če je skupaj za eno delavnico: 100ml, torej 33 ml vode).
      • Dodamo ⅓ solne kisline (npr.33 ml).
      • Peroksid odmerimo ⅓  (npr.33 ml).
      • Peroksid počasi dodajamo v jedkanico, po občutku dokler se ne pojavijo mehurčki.

Slika 12: Jedkanje

Ko ploščico damo v jedkanico se bodo na površini ploščice začeli pojavljati mehurčki. Posodo moramo rahlo majati, tako da se mešanica preliva preko ploščice. Če uporabljate ploščico, ki ima na dveh straneh bakreno plast, sproti obračajte. Ko mehurčki več ne nastajajo, lahko (z rokavico!) iz jedkanice vzamemo vezje, in ga premaknemo v posodo z vodo. Voda prekine reakcijo.

Slika 13: Narisano vezje po jedkanju

Tukaj lahko v vodi preverimo ali se je ves baker odstranil iz vezja. Črni deli morajo ostati, vse ostalo pa je odveč. Če na vezju ostane še kaj bakra, lahko ploščico damo nazaj v jedkanico. Ko ploščico položimo v vodo, se je lahko dotikamo brez rokavic. Da odstranimo črno barvo in izpostavimo baker, lahko na vezje špricnemo lak za lase ali aceton. Nato obrišemo z vlažno papirnato brisačo.

Slika 14: Čiščenje plošče

Ostala nam bo ploščica, ki je rumenkaste barve in je skoraj prozorna. Želja je, da z lakom odstranimo vso črno barvo.

Slika 15: Različne plošče po jedkanju

Napotki za spajkanje vezja

Pred začetkom spajkanja ploščo premažemo z fluksom. Ko se posuši, lahko elemente spajamo z jedkano ploščo. Pri spajkanju upoštevajmo naslednja navodila: 1. Pred vklopom preverimo, da je spajkalna konica pravilno vstavljena in vijak privit. Spajkalnika ne smemo vključiti brez vstavljene konice. 2. Vklopimo spajkalnik in nastavimo temperaturo na 300 - 400 stopinj Celzija. Pri delu se konica spajkalnika segreje do zelo visoke temperature, ki se ohranijo še nekaj časa po izklopu. Zato pred delom odmaknemo gorljive materiale na varno razdaljo in pazimo, da ne pridejo v bližino ali v kontakt s konico spajkalnika. Pri delu očistimo konico spajkalnika s posebno gobico. Po končani uporabi odložimo spajkalnik na podstavek. 3. Po končanem delu izključimo spajkalnik iz omrežja in pustimo, da se ohladi na zraku.

Pozor: če poškodujemo priključni kabel spajkalnika, ga takoj izključimo iz omrežja in ga prenehamo uporabljati.

Postopek Na zgornji strani plošče zvrtamo luknje kamor bomo vstavili elemente. Pred začetkom dela si nadenemo zaščitna očala in preden napravo vklopimo pazimo, da naše roke niso preblizu svedra.

Slika 16

Levo in desno nogo LED-diode zvijemo navzdol in položimo na zgornjo stran plošče. Pri postavljanju LED-diod bodimo pozorni na pravilen položaj! Krajšo nogo na (–) in daljšo nogo na (+).

Slika 17

LED-dioda med prevajanjem toka sveti, je majhna in porabi malo energije. Več o delovanju lahko prebereš tukaj: https://sl.wikipedia.org/wiki/Svetle%C4%8Da_dioda.

Segrejemo površino plošče in levo nogo upora s konico spajkalnika. Pazimo, da ne pregrejemo nobene strani.

Med spajkalno površino in levo nogo upora dodamo malo cina.

Odmaknemo žico cina in počakamo, da se razlije.

Odmaknemo spajkalnik in pazimo, da ne premaknemo povezave med ploščo in uporom. Končni spoj mora biti lepo zalit in sijoč.

Ostanek žice odščipnemo od spajke.

Slika 18

Pozor: če je temperatura konice spajkalnika prenizka ali če spajkanje prehitro končamo, dobimo hladen spoj. Pri hladnem spoju spajka samo oblije, vendar ne omoči kovinskih delov in ne tvori površinske zlitine s kovinami.

Stikalo uporabimo, ker hočemo imeti možnost vklopa in izklopa PikSLbroške, več: https://sl.wikipedia.org/wiki/Stikalo.

Slika 19

Na nastavku za baterijo poiščemo oznako (+) . Baterijo položimo na ploščo tako, da bo povezana s sredinsko nogo od stikala in (-) z drugo nogo LED diode. Vklopimo napravo.

Slika 20

Baterija je naprava, sestavljena iz več elektrokemičnih celic, v katerih potekajo kemijske reakcije, ki so pretvorjene v električno energijo, več: https://sl.wikipedia.org/wiki/Baterija_(elektrika)

Slika 21

Odpravljanje napak Deluje? Ne? 1. Odstranimo baterijo in preverimo vse elemente ter povezave na zgornji strani plošče. Preverimo povezave v naslednjem zaporedju, da preverimo če so elementi med seboj pravilno povezani. Baterija (+) ali (-) noga z sredinsko nogo stikala. Leva ali desna noga stikala z LED diodo (+) ali (-). Baterija (-) na krajšo nogo od LED diode (-) in (+) na daljšo nogo LED diode. 2. Če imamo pri roki multimeter, preverimo posamezne povezave.

Slika 22