LAITTEIDEN RAKENTEEN SUUNNITTELU



8.5.1999

Tämän jutun tarkoituksena on selvitellä "oikeaoppisia" ratkaisuja laitteiden rakentamisessa, jotta toimivuus, turvallisuus, häiriötekijät jne. tulisivat huomioiduiksi.
Asiaa tältä alueelta löytyy niin paljon, että tämän sivun sisältö jää käytännössä varsin ylimalkaiseksi esitykseksi.
Tämä juttu ei lisäksi ole vielä valmis, joten jatkoakin seuraa....
Pyrin tähän yhteyteen liittämään kirjallisuusviitteitä ja nettilinkkejä, joista sitä varsinaista tietoa sitten enemmän löytyy.
Käytännön rakenteesta löytyy juttua myös laitteiden kotelointia ja osien asennusta käsittelevällä sivullani.

Harrastelija, joka ei tyydy valmiisiin rakennusohjeisiin, joutuu paneutumaan näihin ongelmiin laitetta suunnitellessaan ja rakentaessaan.
Usein käy myös niin, että kun harrastelija haluaa rakentaa laitteen vaikkapa jonkin ulkomaisen lehden ohjeen mukaan, ettei esimerkiksi fyysisiltä mitoiltaan samanlaisia osia olekaan saatavilla.
Tällöin joudutaan muuttamaan esim. kotelon tai jäähdytyslevyn mallia, piirilevylle tarkoitetut kytkimet ja potikat joudutaankin johdottamaan muualle jne.
Varsinkin alkuperäisestä toimivasta ratkaisusta merkittävästi muutetut johdotukset tai itse piirilevyn muutettu johdotus voivat aiheuttaa ongelmia niin RF-laitteissa kuin digitaalitekniikassakin.
Näillä elektroniikan alueilla ollaan usein tekemisissä radiotaajuisten häiriöiden kanssa.
Lisäksi hyvin monet radiolaitteet pitävät sisällään sekä tyypillistä RF-puolen analogia-, että digitaalitekniikkaa.

Kirjastosta voi löytää Ilpo Reitmaan "Elektroniikkasuunnittelijan Käsikirjan". Tämä samoin kuin Ilpo Reitmaan ja Jouni Gustafssonin "Varma digitaalielektroniikka" ovat hyviä ja käytännönläheisiä kirjoja laite- ja piirilevysuunnittelun alalta.
Monet näissäkin kirjoissa esitetyt asiat ovat niin loogisia tai itsestäänselviä, ettei niitä kokenut harrastaja tai ammattilainenkaan "aina tule huomanneeksi".

PIIRILEVYT

Piirilevyjen valmistuksesta harrastajamenetelmin löytyy juttua täältä.
Varsin moni harrastaja rakentaa laitteita Vero-levyille tai vastaaville "koekytkentöihin" tarkoitetuille levyille.
Toimittaessa tasavirralla tai pienillä taajuuksilla ei tästä rakenteesta useinkaan synny mitään ongelmia.
Toisaalta tarpeeksi paljon piirilevyjä suunnitelleelle ja tehneelle henkilölle ei kovinkaan suurta ajansäästöä verolevyn käytöstä synny, jos vaikkapa teippaa pienehkön kytkennän suoraan levylle.
Nykyisin voi olla sensijaan ongelmallisempaa löytää sopiva teippaustarvikkeita koska käytännössä kaikki ammattimainen suunnittelu tehdään tietokoneella.

RF-kytkennöissä on suositeltavaa kasata kytkentä vaikkapa sopivia piirilevyn pikkupaloja kiinnittäen toisen levyn päälle osat näihin kytkentäpisteisiin juottaen kuin käyttää verolevyä.
Keskimäärin toimii kuitenkin parhaiten tarkoitukseen tehty piirilevy, jossa toinen puoli on maatasona ja käyttäen riittävästi läpivientejä tämän maatason ja varsinaisen juotospuolen maan välillä.
Läpiviennit voidaan "kotioloissa tehdyillä" piirilevyillä rakentaa yksinkertaisimmin kytkentälangan pätkillä tai "hienostuneemmin" läpivientiniiteillä.
Silti on huomattava, ettei joka paikassa voi tämänkaltaista maatasoa käyttää. Esimerkiksi joissain oskillaattoreissa tms. voi piirilevyn kapasitansseista tulla ongelma.

Monet - varsinkin vanhemman polven harrastajat - karttavat helposti pintaliitoskomponentteja niiden "satiaista pienemmän" koon takia.
Tietysti onkin vaikeuksia niiden käytössä, mikäli työvälineet ovat liian isoa kaliberia.
Tavanomaisten pikkukytkentöjen suhteen en ole havainnut suurempia ongelmia kuitenkaan syntyvän, mikäli Welleriinsä laittaa riittävän pienikärkisen terän, käyttää apuvälineinä pinsettejä, askarteluveistä ja suurennuslasia.
Tietysti "ammatillisemmat" apuvälineet helpottavat hommaa selvästi.
Tosiasia kuitenkin on se, että kytkentälangoilla varustetut komponentit tulevat pikkuhiljaa vähenemään markkinoilta ja on senkin takia pakko oppia rakentamaan laitteensa pintaliitososilla.
Monissa RF-kytkennöissä lisäksi on erityistä etua johtimettomien komponenttien käytöstä mikäli toimitaan korkeammilla taajuuksilla.

Itse piirilevyn suunnittelun suhteen hyvää tietoa löytyy aiemmin mainitusta kirjasta "Varma digitaalielektroniikka".
Kirjassa kehotetaan ottamaan oppia RF-piirilevyjen suunnittelusta ja voisin sanoa myös päinvastoin eli ko. kirjan ohjeista on hyötyä moniltakin osin myös RF-piirilevyjen suunnittelussa.
Muutoinkin kannattaa katsella erilaisista komponenttivalmistajien sovellutusohjeista yms. piirilevyjen käytännön toteutusta.
Lisäksi on syytä muistaa, etteivät nykyisten hienojenkaan automaattisten suunnitteluohjelmien "alykkystasot" välttämättä riitä huomioimaan vaikkapa juuri erikoisten suurtaajuuskytkentöjen vaatimuksia.

LAITTEEN YLEINEN RAKENNE

Monet voivat olla tästä eri mieltä, mutta itseäni ainakin viehättää pyrkiä mahdollisuuksien mukaan eräällä tavalla "standardisoimaan" laitteiden rakennetta.
Kun rakennettuja värkkejä alkaa kertyä kymmenittäin on laitteiden käyttösähkönsyöttöjen jne. kannalta huomattava helpotus mikäli laitteet ovat esimerkiksi yksikköinä kehikoissa.
Tällöin voidaan rakentaa isompi poweri syöttämään jännitteeitä kaikille laitteille ja myös laitteiden sijoitusta voidaan tarvittaessa vaihdella käyttötarpeesta riippuen.
Pistoyksikkömalliset laitteet voivat olla esim. Eurooppakorttistandardin mukaisia tai muita malleja. Itse olen käyttänyt laiterunkoina vanhoja Nokian puhelinlinkkiyksikön moduleja muutamia kymmeniä kappaleita.
Näistä voi osaa pitää varastossa hyllyssä ja painaa tarpeen tullen kehikkoon käyttöön.
Muutoinkin olen pyrkinyt laitteissa samoihin korttikokoihin, koska yleensä mitään tarvetta ei ole ollut yrittää värkätä joka laitetta mahdollisimman pieneen tilaan.
Tässä tarkoituksessa eurooppakortti liittimineen on moneen tarkoitukseen varsin kätevä.
Kustannuksiltaan romikselta haetut korttikehikot yksikköineen ja kuumailmapuhaltimella niistä uusiokäyttöön irrotetut liittimet edustavat melko minimaalista menoerää verrattuna vaikkapa vähittäiskaupan laitekoteloiden hintoihin.

Toki aina joutuu rakentamaan erillispurkkeihinkin tehtyjä laitteita.
Periaatteena - jo häiriösuojauksellisista syistä - olen pitänyt metallikoteloa käytännössä useimmiten ainoana vaihtoehtona.
Muovikotelon käyttöalueena turvallisuustekijöistä johtuen pidän lähinnä enemmänkin joitain vahvavirtakytkentöihin liittyviä laitteita ja hyvin harvoin pienijännitteisen elektroniikan sovellutuksia.
Näistä asioista on enemmänkin juttua laitteiden kotelointia käsittelevällä sivullani.

TURVALLISUUSKYSYMYKSET

Mikäli rakennettavassa laitteessa käytettään verkkosähköä, tulee rakentelijan pitää huolta siitä, että käytetyt tarvikkeet on. tarkoitettu ko. käyttöön, etäisyydet jännitteisten osien välillä vastaavat verkkokäyttöisille laitteille annettuja normeja jne.
Kokeneelle rakentelijalle synytyy näihin asioihin helposti semmoinen tuntuma, ettei ole mitenkään vaikeaa rakentaa laitetta, joka näiltä ominaisuuksiltaan ylittää keskivertaisen "virallisesti hyväksytyn" tehdasvalmisteisen laitteen.

Toisaalta on huomattava myös se, ettei jännitteen suuruus ole ainoa tekijä, joka aiheuttaa vaaraa ympäristölle taikka laitteelle.
Virtalähteissä tai akkukäyttöisissä laitteissa voi esiintyä huomattaviakin virtoja, jotka voivat aiheuttaa tulipalonvaraa.
Halukkaat voivat kokeilla nikkelikadmiumakulla sen, miten vahva lanka oikosulkutapauksessa palaa poikki!
Myös isokapasitanssiset suodatuskondensaattorit on pienempijännitteisissäkin systeemeissä hyvä varustaa purkausvastuksilla - toimittaessa suuremmilla jännitteillä niiden asentaminen on ehdoton välttämättömyys.
Näistä vaaratekijöistä johtuen laitteissa tuskin koskaan on sulakkeita tai muita suojasysteemejä liikaa.
Erillisiin virtalähteisiin tai akkuun liitettäviin pikkulaitteisiin on aina syytä kytkeä sarjaan diodi suojaamaan laite väärännapaiselta käyttöjännitteeltä.
Sulakkeiden turhan palamisen välttämiseksi isommissa virtalähteissä on syytä rakentaa käynnistysvirran rajoitus varsinkin rengassydänmuuntajia käytettäessä.
Yksinkertaisimmillaan se voi olla releen ja vastuksen kytkentä.
Suuremmilla suodatuskapasitansseilla voi kuitenkin jonkinlaisen ajastuksen käyttö tässä tarkoituksessa olla tarpeellinen.

KIRJALLISUUTTA:

- Elektroniikkasuunnittelijan käsikirja, Ilpo Reitmaa, 1979
- Varma digitaalielektroniikka, Ilpo Reitmaa ja Jouni Gustafsson, 1996
- Elektroniikkalaitteiden häiriökysymykset, INSKO 84-74
- Piirilevyteknologia, INSKO 46-77

Ylläolevista kirjoista ovat useimmat varsin vanhoja, mutta varsinkin harrastelijan näkökulmasta siitä on vain hyötyä, koska teknologia mitä esim. kotiloloissa pystyy piirilevyn valmistuksessa käyttämään ei oikein suosi tiheitä monikerroslevyjä.


TAKAISIN TEKNIIKKAHAKEMISTOON !