ТОП-10 практических советов начинающему разработчику электронных устройств

Время чтения: 20 минут

Нужно выбрать направление, чем заниматься как радиолюбитель и разработчик электронных приборов.

Первое направление будет отражать ваши интересы: любителям связи будет интересна работа с радиосвязной аппаратурой; гитаристам — гитарные усилители и педали эффектов; компьютерщикам — дополнительные устройства для компьютера или модернизация промышленных изделий; любители качественного звука работают над отлично звучащими ламповыми усилителями и т. д.

Со временем и появлением опыта направление нередко меняется.

Не бойтесь экспериментировать и создавать нетипичные устройства: кто сказал, что ламповый усилитель нельзя сделать на компьютерном управлении?

Но чётко выбранное направление поможет вам сконцентрировать все силы и достигнуть опыта в проектировании конкретных устройств. Аналогичного подхода придерживаются крупные производители: нет компаний, одинаково хорошо проектирующих суперкомпьютеры (как, к примеру, IBM) и гитарные усилители (как, для примера, Fender).

Возможно, вы выберете направление копирования промышленных устройств, по разным причинам не доступных к приобретению. Это трудоёмкая, но увлекательнейшая область, где придётся влезть в шкуру оригинального разработчика, понять ход его мыслей и вновь изобрести то, что сделано им раньше. Только придётся действовать гораздо быстрее. Значит и навыки нужно держать на высоте.

Какой бы оригинальной не была идея устройства, она родилась до вас. Это не значит, что невозможно разработать новую, свежую и улучшенную версию. Всё новое — это хорошо переработанное старое.

Новые технологии появляются ежедневно. Появляются новые электронные компоненты. И разработка устройств «вновь» (разработанные годы или десятилетия назад), но уже с учётом современных требований и материальной базы — это выигрышное направление.

Ищите и используйте уже созданные кем-то конструкции. «Не изобретайте велосипед» как говорится в расхожем выражении. Неэффективно проектировать что-то с нуля, если это уже было разработано другими. Однако вы должны быть уверены, что не нарушаете чьих-то авторских прав.

Мощный компьютер, дорогое установленное программное обеспечение для моделирования не всегда решает. Я рекомендую эскиз принципиальной схемы выполнять на бумаге. Хотя бы тех узлов, с которыми работаете прямо сейчас. Эскизирование на бумаге позволит сверхбыстро произвести набросок, выполнить корректирование схемы и номиналов деталей без компьютера. А ещё бумажный эскиз будет «вторым монитором» вашего компьютера: на реальном мониторе вы держите открытой документацию, а на бумаге производите эскизирование принципиальной схемы. Схему на бумаге «не напугать» отключением электроэнергии или поломкой жёсткого диска или SSD-накопителя, где хранились все ваши наработки.

Простые схемотехнические решения оптимально сразу создавать в «железе». Но сложные, капризные схемы и те, где требуется подбор компонентов перед прототипированием, рекомендуем моделировать в специальных программах. А при проектировании высокочастотных устройств, требующих серьёзных расчётов, имеющих волноводы, микрополосковые линии и подобные компоненты, без моделирования просто не обойтись.

Моделирование и отладка электронной модели схемы позволит провести всестороннее исследование без вмешательства в аппаратную часть.

Моделирование позволит методом подбора определить номиналы компонентов для конкретного придуманного устройства.

В качестве бесплатных сервисов для моделирования электронных схем я рекомендую falstad.com и easyeda.com. Последний, помимо онлайн-сервиса, имеет и полноценный клиент для установки на компьютере.

Прототип должен быть доведён до совершенства. Или до полностью рабочего состояния. Не прекращайте отладку прототипа, пока он не заработает так, как должен. Не думайте: если на этапе прототипирования что-то не получается, то в готовом устройстве вы легко устраните все недоработки. Нет! Устраняйте их на этапе прототипирования, прежде чем двигаться дальше.

Используйте определённую цветовую маркировку проводников при сборке прототипа. К примеру, красные для положительного вывода питания, чёрные для отрицательного, жёлтый и зелёный для цифровых шин, синий и белый для аналоговых сигналов и т. д. Придумайте такую цветовую маркировку, чтобы при устранении неисправности видеть какие сигналы куда приходят.

Не используйте длинные соединительные проводники, если применимы короткие. Так вы повысите лёгкость работы с прототипом (не будет «лапши» из постоянно перекручивающихся проводов). А ещё схемы, работающие с высокой частотой или имеющие высокую чувствительность, крайне требовательны к длине соединительных линий и их совместному расположению.

На прототипе используйте электронные компоненты, применяемые потом в готовом устройстве. Те компоненты и те номиналы сопротивления, мощности, ёмкости, индуктивности и пр. Так избежите проблем с готовым устройством, которое «почему-то» не работает как задумано.

Не используйте чрезмерное усилие при установке компонентов в макетную плату, чтобы не погнуть выводы и получить отсутствие контакта там, где он должен быть.

Не устанавливайте в макетную плату компоненты, выводы которых имеют большой диаметр. Такие компоненты раздвигают внутренние пружинные контактные пластины в макетной плате. Повторная установка компонентов в отверстия с повреждёнными контактами вынудит долго искать неисправности.

Обязательно используйте лабораторный источник питания! К примеру, универсальный MAISHENG MS-3010D. Использование лабораторного блока питания позволит с лёгкостью менять напряжение и следить за током потребления. Ещё такие блоки имеют защиту от короткого замыкания, которое в прототипах довольно часто возникает. А с помощью регулировки напряжения вы проверите надежность работы вашего устройства при запредельных уровнях питающего напряжения.

Поиск образовавшейся неисправности начинайте с наиболее очевидных компонентов. Нет питания? Проверьте предохранитель. Нет звука? Проверь динамик и т. д. Все это хорошо понимают, но часто не верят, что неисправность скрывается в совершенно элементарных вещах, и склонны начинать поиск совершенно не там.

Начните поиск с проверки тех компонентов и узлов, которые проверить проще и быстрее. Ведь действительно разумно сначала проверять то, что проверить легко и быстро. Придерживайтесь последовательности:

Используйте только хорошие инструменты! Часто радиолюбители обходятся доступными в моменте инструментами, но при устранении неполадок старые, неисправные измерительные приборы вызывают дополнительные проблемы. Найдите хороший современный мультиметр, к примеру ANENG M20, показаниям которого можно доверять. Ещё один обязательный инструмент — осциллограф. Осциллограф предназначен для визуального наблюдения формы электрического сигнала и его изменения во времени. Без осциллографа невозможна отладка устройств, в который имеются частотозадающие цепи или происходит работа с сигналами высокой частоты, к примеру, в цифровых устройствах.

Для отладки цифровых устройств так же рекомендую обзавестись логическим анализатором, позволяющим одновременно следить за множеством цифровых линий.

Когда вы произвели отладку прототипа, внесли все корректировки в принципиальную схему, нужно произвести перенос принципиальной схемы с бумаги в компьютер. То есть вы должны начертить принципиальную схему в специальном программном обеспечении для этих задач.

Популярным программным продуктом является KiKad. Среди бесплатных — упомянутая выше EasyEDA.

Помимо непосредственно чертежа электрической принципиальной схемы, одновременно вы подберёте электронные компоненты для будущего устройства. Схема и подобранные компоненты станут основой для проектирования печатной платы. Трассировка выполняется как в ручном, так и в (полу)автоматическом режиме.

Вы в трёхмерном виде увидите, как выглядит полностью готовая печатная плата. Электронную модель можно экспортировать для дальнейшей геометрической увязки с прототипом корпуса и другими узлами, входящими в состав изделия.

Спроектированная электрическая схема и модель печатной платы легко распечатываются на принтере, отправляются в облачное хранилище для проектов, таких как GitHub, а также передаются другим разработчикам, участвующим в проекте. К примеру, более опытным, которые смогут выявить ваши ошибки.

Отрассированная печатная плата производится разными способами; в условиях домашней мастерской: термотрафаретным, с помощью фоторезистивных материалов, прожиганием дорожек лазером или фрезерование на станке с программным управлением и рядом других. Но наиболее качественную печатную плату и недорого получают на специализированных сервисах. Среди популярных: jclpcb.com, pcbway.com и аналогичные, расположенные в Китае. С недавнего времени данные сервисы перестали принимать заказы из России. Удобной альтернативой становятся услуги отечественных компаний, а также посредников, множество которых присутствуют на торговой площадке AliExpress, например, этим. Все файлы и документы для изготовления можно сформировать в той программе, в которой вы производили трассировку (KiKad, EasyEDA и аналогичной).

После изготовления или приобретения печатных плат предстоит монтаж электронных компонентов. Нужно соответствующее паяльное оборудование. Рекомендую хорошую паяльную станцию с паяльником и феном, например Yihua 852D+ или другую. На первых этапах хватит и паяльной станции без фена или хорошего паяльника.

Категорически не рекомендую использовать паяльники устаревших типов, не имеющие регулятора температуры. Для новичка работа с таким паяльником будет сродни пытке.

Следите за жалом паяльника. Не допускайте перегрева, так как это сокращает срок службы жала и паяльника в целом.

Следите за температурой. Чрезмерная температура повреждает электронные компоненты, а низкая становится причиной некачественного паяного соединения, которое внешне будет выглядеть достойно, но иметь нестабильный электрический контакт.

Имейте несколько паяльных жал разного размера для пайки как мелких, так и крупных электронных компонентов.

Учитесь быстро паять. Множество компонентов чувствительны к перегреву.

Используйте качественные флюс и припой. Сегодня доступно немало хороших вариантов, так что дедушкина канифоль и припой для пайки самоваров пусть так и остаются у дедушки на антресоли.

Постоянно учитесь пайке. Пробуйте новые материалы. Научитесь работать с феном. А затем уже присмотритесь к термостолу для пайки, с которым на один этап запаяете множество компонентов.

После пайки всегда удаляйте остатки паяльного флюса.Часть их электропроводны и способны нарушить работу устройства. Да и просто чистые печатные платы выглядят опрятнее. Если планируете выпускать изделия серийно, приобретайте ультразвуковую ванну для очистки печатных плат, которая позволит упростить этот процесс.

Всегда используйте антистатический браслет, если вы выполняете монтаж чувствительных к статическому электричеству электронных компонентов. Вы же не хотите в один миг лишиться микросхемы за несколько тысяч рублей стоимостью, пожалев 500 рублей на браслет?

Также используйте антистатический коврик. Он защитит как чувствительные компоненты от статического электричества, так и поверхность стола от флюса и расплавленного припоя.

Используйте системы дымоуловления, которые будут отводить дым и пары флюса и припоя из зоны пайки. Пары свинца, содержащегося в припое, очень опасны. Берегите своё здоровье.

Не пренебрегайте электробезопасностью и следите за щупами мультиметра и осциллографа. Без сожалений меняйте аксессуары с повреждённой изоляцией.

Используйте только подходящие для конкретной задачи инструменты. Да, раскаленным жалом паяльника легко проделать отверстие в пластиковом корпусе, вместо бормашины. Но вы профессионал. А профессионалы пользуются хорошим и правильным инструментом. Использование инструмента не по назначению часто приводит к травме.

Применяйте повышенные меры безопасности при наладке устройств, работающих с сетевым напряжением. Всегда обесточивайте устройство при любых манипуляциях.

Подключайте устройство, работающее с сетевым напряжением через разделительный трансформатор (смотри статью «Гальваническая развязка цифрового осциллографа»).

Следите за включённым режимом работы мультиметра. Очень часто происходит так, что после измерения силы тока выполняется измерение напряжения по невнимательности без предварительного переключения мультиметра в другой режим и переподключения щупов в соответствующие гнёзда. Это приводит к выходу мультиметра из строя, и, нередко, повреждению исследуемого устройства.

Соблюдайте экологические нормы при работе с агрессивными химикатами. Не выливайте в канализацию отработавшие растворы для травления печатных плат, растворители и т. п. Также и отработанные химические источники тока утилизируйте по законодательству. Берегите своё здоровье и здоровье будущих поколений.

Только в книгах есть глубокие знания. Видеоролики на YouTube, статьи и аналогичные источники информации дают лишь ответ на какой-то конкретный вопрос. «Что такое микроконтроллер?» или «Расчёт резистивного делителя». И любой подобный. Но подробное освещение широкой области знаний возможно только с использованием информации из книг. Вспомните, любой учебник из колледжа или университета, в котором вы учились. Информации столько, что, казалось, жизни не хватит, чтобы всё изучить.

Возьмите за привычку приобретать и читать книги, посвящённые выбранной области и направлению. Старайтесь покупать свежую и актуальную литературу.

Оформите подписку на онлайн-издания, посвящённые электронике, программированию. Возможно, сегодня эти знания не нужны, но понадобятся завтра.

Зарегистрируйтесь и изучайте специализированные форумы, к примеру, electronics.ru.

Общайтесь с теми, кто тоже разрабатывает электронику. Меняйтесь опытом. Не держите в тайне свои разработки — делитесь ими с миром. Вы не на оборонную промышленность работаете.

Cтарайтесь искать ответы на вопросы в книгах и форумах. Так вы получите компетентный ответ, а не плод чьей-то фантазии.

Если нужна информация по конкретному электронному компоненту, то ищите её в технической документации (даташите). Да, понимаю, поиск информации в даташите непрост: сотни страниц текста на неродном английском языке, масса формул, графиков, схем, таблиц. Но только производитель электронного компонента с помощью даташита компетентно и достоверно ответит на вопрос. Даташиты всегда есть в свободном доступе на ресурсах компании-производителя электронных компонентов.

Если вы нашли ответ на чей-то вопрос, то поделитесь и оставьте его на форуме. Пусть это тема стара, но, возможно, ваш опыт кому-то будет полезен.

Будьте проще. И пусть идеи будут как можно проще. Не нужен индикатор состояния? Не устанавливайте его. Не нужен разъём? Долой разъём! Выжимайте максимум из минимума! Проще — значит дешевле. Проще — значит надёжнее. Проще — значит, разрабатывать можно быстрее. Хорошие продукты создаются по этому принципу.

Думайте наперёд. Разработка схемы, печатной платы, корпуса изделия должна вестись одновременно. Всегда обдумывайте эти составляющие. Часто бывает так, что мы делаем громоздкую схему, которую трудно смонтировать на печатную плату выбранного заранее габарита. Доработка длится долго. Или делаем очень компактную плату и понимаем, что готового корпуса нужного размера нет в продаже, и приходится помещать плату с площадью как у спичечного коробка в корпус размером с сигаретную пачку. Лучше озадачится изготовлением корпуса для конкретного устройства. Так получится изделие, приближенное к промышленным образцам. При прототипировании корпуса и мелкосерийном изготовлении помогают 3D-принтеры.

Не используйте устаревшие и редкие компоненты. Электронные компоненты быстро устаревают. Пусть у вас со времён СССР есть полведра транзисторов КТ315, не используйте их. Работоспособность и надёжность приборов под большим сомнением. Не используйте редкие компоненты из военной и мелкосерийной промышленной техники. Пусть зачастую у таких компонентов качество достаточно высокое, но не исключена ситуация, что потребуется их замена, выполнить которую будет попросту не на что. Скажу по секрету, что сегодня такое разнообразие радиодеталей, что использовать что-то выпущенное даже 5 лет назад уже не понадобится.