Warsztat Technika
„Od kamyka do gwiazd – technologia w rękach technika„
Wyobraźmy sobie osobę pisarza, stojącego pośrodku zamkniętego, pustego pokoju, pogrążonego we własnych myślach już od paru godzin. Zawieszony w próżni, bez rzeczy tak podstawowych, jak krzesło czy biurko, otoczony tylko przez ciszę i wszechogarniającą, przytłaczającą pustkę. Czy postawiony w takiej sytuacji, pozbawiony swojego znajomego otoczenia i elementów warsztatu myślałby nad początkiem swojej nowej powieści, która podbije serca czytelników na całym świecie?
Bardziej prawdopodobnym scenariuszem wydaje się, że pozbawiony jakichkolwiek impulsów ze świata zewnętrznego artysta, popadłby w odmęty szaleństwa, a jego dzieło, opus magnum, które miało przyćmić jego wcześniejsze dokonania i stać się światowym bestsellerem pozostanie tylko mirażem, ułudą i niespełnionym marzeniem. Przyczyny takiego stanu rzeczy są oczywiste i łatwe do odnotowania. Sytuacja, w jakiej znalazł się prozaik, nie pozwalałaby nawet na zaspokojenie podstawowych potrzeb człowieka takich jak głód czy sen, a co dopiero mówić o procesie, wymagającym ogromnych rezerw kreatywności i inspiracji, jakim jest tworzenie utworu, połączonego splotami wspólnych zdarzeń, bohaterów i historii.
Załóżmy jednak, że ten sam człowiek pióra, znalazłby się w przestronnym, przytulnym mieszkaniu, wyposażonego we wszelkie dobra i wygody niezbędne do prawidłowego funkcjonowania istoty ludzkiej. Wypoczęty, pełny energii, rusza pewnym krokiem do swojej pracowni, aby kreować nowe światy, tworzyć wspaniałych bohaterów i wielkie historie. Otwiera drzwi swojego azylu i zaczyna rozglądać się nerwowo. Regały wypełnione przedmiotami bez znaczenia, zamiast słownika i książek gromadzonych przez lata, fotel z wystającą sprężyną, będący jedynie źródłem frustracji, dziurawe rozlatujące się biurko, brak jakiegokolwiek długopisu czy kartki papieru, a w kącie stoi zakurzona, w dodatku rozpadająca się pralka. Wniosek ? Brak odpowiednich i sprawnych narzędzi i pomocy do postawionego przed nim celu – napisania książki.
Myślę, więc działam (odpowiedzialnie).
Realia literata, spętanego przez otoczenie lub brak odpowiednich narzędzi pracy, dotyczą nie tylko przedstawicieli wolnych zawodów. Dotykają one każdego człowieka bez względu na wiek czy miejsce wykonywanych aktywności. Sytuacja gromadzenia, wyboru, a następnie używania odpowiednich środków jest układanką procesów myślowych i decyzyjnych, właściwych dla każdego podmiotu, podejmującego działania, mające doprowadzić do realizacji określonych celów. Różnicę stanowi wyłącznie, ilość i stopień złożoności elementów składowych tych swoistych puzzli, które towarzyszą każdemu procesowi przyczynowo-skutkowemu, w odniesieniu do istot rozumnych. System ten działa bezwzględnie w odniesieniu do każdego aspektu naszego życia, a jego zignorowanie i pominięcie, na ludowej zasadzie jakoś to będzie, grozi poważnymi konsekwencjami, które zwykle są całkowitym przeciwieństwem rezultatów, jakich byśmy oczekiwali. Uczeń bez zeszytu czy podręcznika naraża się nie tylko na ocenę negatywną, ale na niepełne zrozumienie omawianego tematu oraz konieczność wykazania się zdolnościami improwizacji w zakresie czytanego tekstu. Budowlaniec używający zamiast porządnej zaprawy, metody na oko w najlepszym wypadku stworzy dzieło architektury, które zostanie wpisane jako kolejny cud świata, w najgorszym, zaś pozbawi nas sporej ilości zdrowia, pieniędzy oraz włosów z naszej głowy. Dlatego bez względu na rodzaj wykonywanej aktywności, tak ważnym jest dobór właściwych środków, aby w bezpieczny i skuteczny sposób realizować swoje nawet najmniejsze, plany.
Od wody do sera.
Takie procesy myślowe doprowadziły w pewnym momencie rozwoju człowieka, do sformułowania pytań o podstawy wszelkiego bytu. Natura wszechrzeczy nie jest tylko domeną ludzi współczesnych, podobne pytania zadawali sobie już nasi przodkowie, w wiekach dawnych. Problemy te starała się odpowiedzieć filozofia, która narodziła się w starożytnej Grecji, pod koniec VI w. p.n.e. Próbę rozwikłania zagadek wszechświata, jako jedni z pierwszych, podjęli tzw. filozofowie przyrody. Tales z Miletu dowodził, że arché (praprzyczyna wszelkich bytów) stanowi woda, Pitagorejczycy przypisali do wszystkiego liczby, natomiast Demokryt dowodził słuszności swoich poglądów w następujący sposób: „Mamy kawałek sera, dzielimy go na pół, jeszcze raz, i jeszcze raz, aż w końcu mamy kawałek zbyt mały, aby dało się go pokroić i to jest atom”. Każdy z nich, w pewien sposób, miał rację, a ich koncepcje zostały rozwinięte w wiekach późniejszych przez ich następców, wraz z postępem cywilizacyjnym. Cechą wspólną, która ich wyróżniała była ciekawość i głód wiedzy, który doprowadził w końcu do istoty naszych rozważań, jaką jest Elektronika. Wspomniani wcześniej starożytni Grecy, poznali pierwsze zjawiska elektrostatyki. Zauważyli, że pocierając bursztyn (z gr. elektron 'bursztyn, który można naelektryzować przez potarcie’ i -ikos 'na sposób; odnoszący się do’) kawałkiem futra, nadają temu kamieniowi zdolność przyciągania drobnych i lekkich przedmiotów, takich jak pyłki czy włosy. Prawdziwy rozkwit elektroniki jako dyscypliny wiedzy przypada dopiero na wiek XIX. Dzięki takim osobom jak Georg Ohm, Gustav Kirchhoff, Michael Faraday czy James Clerk Maxwell doszło do sformułowania podstawowych praw rządzących elektrycznością. To właśnie w tym wieku Thomas Edison tworzy żarówkę, Nikola Tesla buduje pierwszy silnik elektryczny, a Werner von Siemens otwiera pierwszą fabrykę elektrotechniczną. Rozpoczęła się rewolucja, która wyrywając tajemnice przyrody kawałek po kawałku, zmieniła każdy aspekt życia ludzkiego, a co najważniejsze, trwa i nabiera rozpędu każdego dnia.
10 w skali Beauforta, czyli wszystko w swoim rytmie i natężeniu.
W idealnym, fikcyjnym świecie wszystko, co zostało wytworzone ręką człowieka, trwa wiecznie. Nie wymaga procesów konserwacyjnych i opiera się prawom czasu i przestrzeni, działa tak jak przewidział to twórca, zachowując pierwotne właściwości i wygląd przez wieki, pozwalając korzystać z dobrodziejstw przedmiotu kolejnym pokoleniom. Niestety taki świat to utopia, wytwór marzycieli, marzących o przekraczaniu barier fizycznych, śniących o wieczności i potędze ludzkiego umysłu. Każda rzecz, bez względu na cel, do którego została stworzona, przestaje w końcu działać na skutek upływu czasu, bądź usterek i awarii powstałych w wyniku błędnego lub nieostrożnego działania właściciela, lub osób trzecich. Pierwszym pytaniem, które nasuwa się nam naturalnie w takiej sytuacji jest następujące: Kupno nowej rzeczy czy też próba naprawy ? W wielu dziedzinach zakup nie jest żadnym rozwiązaniem. Czyż da się stworzyć na nowo dzieła mistrzów malarskich ? Czy namalowany właśnie obraz Rembrandta lub Moneta będzie znany potomnym jako oryginał, który wyszedł spod pędzla mistrza lub reprodukcja ? Czy nie warto byłoby przy pomocy precyzyjnych skalpeli, farb i innych środków odnowić i nadać świeży blask, płótnom artystów z dawnych lat ? Czy zdołamy odtworzyć z pamięci nasze dokumenty i prace, znajdujące się na uszkodzonym dysku twardym w takim samym stopniu, w jakim byśmy sobie tego życzyli ? Czy utracona baza danych lub fotografie ze wspomnieniami z wakacji, da się w ogóle odtworzyć w takim stopniu szczegółowości i intensywności na nowo ? Te i inne podobne pytania, zadaje sobie wielu ludzi przy okazji życia codziennego lub wykonywanej pracy zawodowej.
Elektronika nie jest tutaj wyjątkiem. Osoby zgłębiające tajniki obwodów i elementów elektronicznych również stają przed podobnymi problemami. Dobór odpowiedniego i najskuteczniejszego i najszybszego środka, na zasadach proporcjonalności, stanowi chleb powszedni technika. Wybór i decyzja nie jest rzeczą prostą, gdyż, serwisanci urządzeń elektronicznych, w swojej pracy, korzystają z rzeczy tak podstawowych, jak śrubokręty, pinceta czy kalkulator, niezbędny do wykonywania obliczeń matematyczno-fizycznych, poprzez urządzenia diagnostyczne w postaci multimetrów i oscyloskopów, a na rentgenowskich systemach inspekcyjnych zautomatyzowanych, wielofunkcyjnych robotach lutowniczych kończąc. Oczywiście zdarzają się sytuacje proste, niewymagające użycia całego dostępnego wyposażenia w celu przywrócenia danego urządzenia do stanu używalności, ale do doprowadzenia do takiej sytuacji niezbędne jest nie tylko doświadczenie, ale wiedza o rodzajach, sposobach użytkowania i umiejętnym wykorzystaniu dostępnych środków.
Luz i wyładowanie ponad wszystko.
Wiele osób podczas wykonywania swojej pracy zapomina o dwóch fundamentalnych rzeczach szeroko rozumianym komforcie pracy, jak i bezpieczeństwie swoim i przedmiotów powierzonych im (pracownikom) w ramach przypisanych mu obowiązków służbowych. Kwestię Bezpieczeństwa i Higiena Pracy przybliżana jest na obowiązkowych szkoleniach, w każdym zakładzie pracy dlatego nie zajmiemy się tutaj rzeczami, o których, zdaje sobie sprawę, większość zatrudnionych. Chciałbym poruszyć dwie sprawy, o których wspomina się przy wielu okazjach, ale ich powaga i ważność zdaje się umykać, w natłoku innych informacji.
Dziedziną wiedzy zajmującą się humanizowaniem pracy, czyli działaniu polegającym na dostosowaniu pracy do możliwości fizycznych człowieka, przy możliwie jak najmniejszym obciążeniu biologicznym i maksymalnej efektywności jest Ergonomia (z gr. érgo— praca, nomos — zasada, prawo ’). Zachowanie zasad ergonomii jest ważne, w każdym środowisku pracy. W warunkach pracy technika elektronika szczególnie zwracamy uwagę na ergonomiczność krzeseł, wyposażonych w podłokietniki i biurek na tyle wysokich, które zapewniają właściwy kąt nachylenia kręgosłupa, zachowanie prawidłowej postawy ciała oraz odpowiedni kąt i odległość oczu od obserwowanych Sprawą kolejną w tym zakresie jest dobór właściwego i neutralne oświetlenia, zapewniającego widoczność i jak najmniejsze zmęczenie oczu o każdej porze roku.
W kontekście elektroniki szczególnie ważną rzeczą jest zapobieganie i przeciwdziałanie ESD (z ang. electrostatic discharge – wyładowanie elektrostatyczne). Zjawisko to polega na nagłym i chwilowym przepływie prądu elektrycznego przez dwa obiekty o różnych potencjałach elektrycznych. W kontekście elektroniki jest to sprawa priorytetowa, gdyż nawet najmniejsze wyładowanie na układzie scalonym może spowodować jego trwałe i nieodwracalne uszkodzenie, lub znaczne skrócenie przydatności użytkowej danego komponentu. Najwięksi gracze na rynku elektronicznym inwestują setki tysięcy dolarów na ochronę przed ESD. Specjalne strefy i pomieszczenia, to tylko wierzchołek góry lodowej. Istnieją jednak rozwiązania, które z powodzeniem mogą stosować mniejsi przedsiębiorcy, korzystając z rozwiązań technologicznych, które są stosowane również, przez większe firmy, jednocześnie, nie będąc rozwiązaniami kosztownymi. Specjalne fartuchy laboratoryjne i obuwie antystatyczne, opaski i maty antystatyczne zapobiegają uszkadzaniu układów elektronicznych, a w konsekwencji prowadzą do spadku ilości reklamacji i niewspółmiernych do poniesionych kosztów, oszczędności.
WD-40 i taśma – remedium na wszystko.
„Podstawy, głupcze” to trawestacja, słynnego hasła Billa Clintona, które zapewniło mu zwycięstwo w wyścigu o fotel prezydenta Stanów Zjednoczonych w 1992 r. Nie da się zacząć budowy domu, od dachu, należy pod ten dom podłożyć podwaliny w postaci fundamentów. W każdej dziedzinie życia, aby przejść do rzeczy bardziej skomplikowanych, należy poznać podstawy. Z początku może wydawać się, że uczenie się rzeczy prostszych nie jest tak ważne, jak poznawanie części szczegółowej, ale w perspektywie, pozwala zaoszczędzić mnóstwo czasu i pełniejsze poznanie danego zagadnienia. Nie inaczej jest również w przypadku naprawy elektroniki. Tylko poprzez korzystanie i użytkowanie przyrządów jesteśmy w stanie przekonać się o ich przydatności. Z początku korzystanie z pincety lub tzw. „trzeciej ręki” (przyrząd składający się z lupy, uchwytu na element i miejsca na odłożenia kolby lutowniczej) może wydawać się nienaturalne i uciążliwe. „Przecież mogę zrobić to szybciej palcami”, ktoś może powiedzieć, rzeczywiście istnieje mocno ograniczony katalog czynności, które można byłoby wykonać w sposób ręczny. Co jednak z ochroną przed ESD? Co z trudniej dostępnymi miejscami oraz z małymi elementami, które prędzej pogubimy niż wyjmiemy? Co z pozostawionym tłuszczem i zanieczyszczaniami, pozostawianymi po opuszkach naszych palców? Nie należy tu stawiać pytań, czy będziemy z tych urządzeń korzystać, ale raczej kiedy. Im szybciej opanujemy sztukę chwytania i podwadzania elementów przy pomocy pincety i korzystania z trzeciej ręki, tym lepiej.
O przydatności śrubokrętów i wierteł przekonała się każda osoba, która posiada elementy łączone i spajane za pomocą śrub. Szeroki ich wachlarz pozwala na poradzenie sobie z każdym rodzajem gwintów, a dobór wiertła lub śrubokręta należy dobrać według wielkości, dostępności oraz wytrzymałości mechanicznej elementów, na jakich operujemy.
Nie można też zapominać o środkach, czyszczących jak alkohol izopropylowy, używany powszechnie do czyszczenia układów optycznych, głowic magnetycznych czy też rolek gumowych.
Chusteczki antystatyczne lub specjalne szczoteczki antystatyczne zapewnią, skuteczne używanie wszelkiego rodzaju zanieczyszczeń i kurzu (działające na zasadzie izolatora) oraz bezpieczne rozprowadzanie różnego rodzaju preparatów.
W kwestiach okablowania i usuwania elementów nieelektronicznych, nieocenioną pomoc przynoszą szczypce oraz kombinerki, a w celach otwierania urządzeń warto korzystać ze specjalistycznych, plastikowych łopatek oraz kostek.
Kwestią, która wymaga specjalnej wzmianki jest taśma kaptonowa. Jest to substancja o wysokich zdolnościach izolacyjnych i właściwościach dielektrycznych (słabo przewodzącej prąd) oraz zachowująca stabilność w warunkach bliskich zera bezwzględnego, jak i wartościach przekraczających, niemal lub ponad dwukrotnie, temperatur topnienia stopów lutwoniczych. Znajduje ona zastosowanie zarówno w elektronice, jak i bierze czynny udział w podboju kosmosu przez człowieka. Całkiem niedawno, bo w sierpniu 2018 roku, Kapton został zastosowany do załatania przecieku statku kosmicznego Soyuz, przy Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.
A10? Trafiony, zatopiony!
Co się dzieje, gdy inspekcja wizualna zawiodła, a nasze wypróbowane metody nie rozwiązały naszego problemu? Wtedy pozostaje przejście do diagnostyki i twardej weryfikacji postawionych wcześniej hipotez. Przypuśćmy jednak, że nigdy nie mieliśmy okazji pracować z danym urządzeniem. Istnieją dwie opcje: instrukcja obsługi lub schematy elektroniczne. Pierwsza możliwość wydaje się dość trywialna, ale w instrukcji obsługi znaleźć przydatne skróty klawiszowe, rozkład elementów oraz śrub w urządzeniu. Producenci, w swoich instrukcjach, zawierają często porady dotyczące rozwiązywania najczęściej występujących usterek.
Drugą metodą jest wnikliwa analiza schematów i diagramów elektronicznych. Jeśli mapa jest drogowskazem i punktem odniesienia dla każdego kierowcy tak dla każdego elektronika, taką mapą jest schemat elektroniczny. Podobnie jak mapa, cechuje się własnymi oznaczeniami poszczególnych elementów. Zamiast ruchu drogowego, śledzimy przepływ prądu, zamiast skrzyżowań dróg, obserwujemy skrzyżowania i układ połączeń między elementami, a góry i lasy zastępowane są przez rezystory (układy stawiające „opór”, zmniejszające przepływ prądu) czy też kondensatory (stanowiące swoisty zbiornik energii).
Kiedy zdobyliśmy potrzebną wiedzę na temat urządzenia, należy przejść do wykonywania niezbędnych pomiarów przy pomocy multimetra lub oscyloskopu.
Multimetr – pozwala na określenie różnych wartości, jak napięcie, natężenie prądu czy też rezystancję lub ciągłości przepływu prądu, w mniej skomplikowanych układach natomiast oscyloskop pokazuje przepływ napięcia w czasie, w badaniu przebiegów szybkozmiennych, niemożliwych do zaobserwowania przez człowieka.
W celach diagnostycznych na poziomie wewnątrz układów scalonych lub określenia jakości i ciągłości wykonywanych połączeń lutowniczych używane są specjalistyczne rentgeny.
Ciepło, zimno – więcej czy mniej?
Po precyzyjnym określeniu usterki możemy przejść do jej usunięcia. Co, jeśli źródłem problemu jest element złączony z płytką drukowaną przy pomocy połączeń lutowniczych?
Połączenia lutownicze były wykonywane przy pomocy stopu cyny i ołowiu. Sytuacja uległa zmianie dopiero po wejściu w życie dyrektywy RoHS (z ang. Restriction of Hazardous Substances), która została transponowana na grunt prawa polskiego w roku 2007. Obecnie w procesie obróbki lutowniczej i produkcji komponentów elektronicznych wykorzystuje się stopy cyny z domieszką złota, srebra, miedzi lub bizmutu. Warto o tym pamiętać, gdyż pomiędzy stopami ołowiowymi, jak i bezołowiowymi istnieje dość spora różnica temperatury topnienia.
Przy okazji procesu lutowniczego nie można nie wspomnieć o topnikach, substancjach ułatwiającym lutowanie, topnienie lutowia oraz zapobiegających utlenianiu się lutowia. Do zastosowań amatorskich i półprofesjonalnych stosowana, tzw. kalafonia, rodzaj żywicy, ze względu na cenę, dostępność oraz łatwość w usuwaniu, zbędnych resztek z powierzchni lutowanej. Na drugim biegunie znajduje się topnik chemiczny, którego właściwości i toksyczność różnią się w zależności od zastosowanej kombinacji substratów mieszanki. Jest to alternatywa droższa i trudniejsza do usunięcia.
W zależności od rodzaju układu, nad jakim pracujemy możemy zastosować różne metody obróbki cieplnej. Do najprostszych czynności spokojnie wystarczy stacja lutownicza wraz z odpowiednim grotem. W celu zdjęcia nadmiaru lutowia użyjemy zasysacza lub tez plecionki lutowniczej, wypełnionej topnikiem.
Przy komponentach typu BGA (z.ang ball grid array) lub SMT (z.ang surface mount technology) o większej liczbie połączeń, lub przy większej ilości połączeń wykorzystamy stację lutowniczą typu hot-air lub stacji typu BGA/SMT rework. Pierwsza metoda pozwala na stosowanie bezpośredniego nadmuchu powietrza na element z góry bądź dołu, jednak bez kontroli temperatu i gwarancji równomiernego nagrzania powierzchni pod i w okół komponentu wlutowywanego. Druga metoda pozwala na podgrzewanie komponentu jednocześnie z góry i z dołu oraz ustalanie, kontrolę i śledzenie zmian termicznych, w każdej fazie lutowania, przy pomocy termopar. Zastosowanie precyzyjnych metod pomiaru temperatury pozwala na używanie właściwych profilów termicznych, w zależności od wielkości powierzchni do podgrzania oraz rodzaju stopu, z którego zostało wykonane lutowie.
Z pojęciem układów typu BGA nieodłącznie związany pojęcie reballingu czyli zdejmowania starego lutowia, w kształcie kulek, oraz nałożenia i trwałego połączenia nowych.
W większych zakładach stosowane są roboty czy też specjalne piece lutownicze, które umożliwiają taśmową i zautomatyzowany proces wygrzewania. Urządzenia te przetrzymywane są w ogromnych halach produkcyjnych, a jedyną rolą operatora jest co do zasady położenie elementu na podajniku. Urządzenia z tej grupy same ustalają profil termiczny i decydują o długości poszczególnych faz lutowania.
Gdzie diabeł, (serwisant) mówi dobranoc.
Oczywiście przedstawiona problematyka doboru i rodzajów narzędzi i środków pomocniczych stanowi zagadnienie znacznie szersze. Krótka lekcja historii oraz przegląd wybranych przyrządów, przydatnych w zastosowaniach serwisowych nie mogą stanowić wyczerpującego źródła wiedzy poruszonych tematów. Artykuł ten może za to być wstępem do dalszych poszukiwań i zgłębiania faszynującego świata elektroniki. Ciekawość świata i praw nim rządzących połączyła przed wiekami filozofów greckich, doprowadziła do zmiany użytkowania i postrzegania otaczającej nas natury i zjawisk w niech zachodzących i takiej ciekawości, głodu wiedzy i owocnych poszukiwań, życzę wszystkim naszym czytelnikom.
Autor tego artykułu to Bartosz Gębarowski z zespołu PDAserwis.
