2021年1月17日 星期日

冬天裡的靜電 Static electricity in the winter


冬天天氣乾燥 ,當身體接近金屬物體,例如門鎖、水龍頭等,會產生微細「啪」的聲響,更甚在黑暗的環境中會看見閃光,皮膚亦會感到輕微刺痛 ,雖然一般不會對身體構成危害,但亦令人感到困擾。這種現象的成因是身體與衣服相互磨擦而積聚過多電荷(靜電),又因天氣乾燥,身體的電荷不能通過空氣洩放,聚積成為高電壓,形成高壓尖端放電,出現跳火。

靜電實在是一種有害現象,不單使人不快,更甚損害敏感的電子器材、電子零件等。所以在一些場所,要避免產生靜電就必須帶上除靜電的手帶,將靜電洩放至地端。(見圖   及圖   B

如人體不能避免產生靜電,一般家居最簡單的方法是在接觸金屬物體前,先用手(最好帶點濕潤)觸摸水泥牆壁   至   放電。因牆壁內阻較高,減低急速放電令高壓逐漸消失,此舉既可令身體放電,在放電時亦不會產生跳火

In winter air is often dry , when our bodies approach a metallic object, such as door lock, water tap, etc., we sometimes hear soft clicking sound, see little sparks in the dark even and we feel slight shock . Though this doesn’t cause hazard to our bodies, it is quite annoying. The reason behind is when you rub your skin and clothing against each other, electric charges (static electricity) accumulate in your body. However the electric charges cannot be discharged to ground in the dry air, high voltage is formed in your body and finally corona discharge happens, electric sparks appear .

Static electricity is an unpleasant phenomenon. Even worse, it can destroy electrostatic-sensitive devices and electronic components. Therefore in some occasions, we wear antistatic wrist strap to release electrostatic charges to ground. (See figure A and B)

If we cannot avoid static electricity, try to touch the cement wall with our hand (preferably it is moist or slightly wet skin) for 1 to 2 seconds before touching metallic objects. The high voltage will release slowly and pass to the earth by the cement wall, so the high voltage in your body will be gradually reduced. In this way, it won’t cause sparking. This is one of the simplest ways to safely remove static on human body at home.    




2020年8月30日 星期日

PCB 印刷電路底板的前世今生

圖一:近代電腦繪製底板圖示範

筆者教授大家製作   LED 樹葉形吊飾(參見LED 唯美樹葉形吊飾(上)》LED 唯美樹葉形吊飾(下)》),以示範一種無需將零件焊接於電路底板上的藝術(Freeform Circuit)。它糅合實用功能及美學元素,特點在於把零件接腳和銅線屈曲再焊接成形,構成各種不同風格,如 “Dead Bug”“Manhattan” “Air-wired” 等。外國玩家更認真得舉辦設計比賽*,各參賽作品造型獨特,呃   Like 度爆燈!然而Freeform Circuit 並非只為增加電路趣味性和觀賞性而衍生
* 參見:https://hackaday.io/contest/162559-circuit-sculpture-contest

圖二:Freeform Circuit —超音波測距器

吊焊零件的問題
往日,當印刷電路底板(Printed Circuit Board, PCB還未發明時,Freeform Circuit 非常普及,如此焊接方法十分無奈,實情非得已,例如在以前的真空管機內,電子零件就作如是佈線。這種焊接方式缺點一籮筐,既不避震,也容易出現短路,又因零件和電線佈置一片凌亂,增添維修難度,亦不利大量生產。

DIY 電路底板
一般業餘電子愛好者或喜歡自己製作電路底板。普通的底板質料分作電木板或纖維板,單面或雙面覆蓋銅箔,銅厚亦有不同。普遍在板上用油漆蓋過想保留的銅箔部分,再用蝕銅劑把沒有被油漆蓋著的銅「吃」掉。最後去除油漆及鑽孔,就成為簡單的電路底板。這種家庭式製作較為粗糙,但勝在簡單及價廉。


圖三:手作底板

人手繪製底板圖的日子
若要生產電子產品,則需製作質素高的電路底板。這時可先繪畫電路底板圖,然後交予電路底板廠印製。初期電腦科技不發達,底板圖得靠全人手繪畫,花上不少時間和心力。製圖工具也有講究,一般先用方格紙起稿,再用牛油紙正式繪畫線路、零件和鑽孔位置。畫圖工具包括墨水、麥克筆、針規、尺或直尺,還有現今已罕見的移印紙(刮字貼)等。


圖四:移印紙

由於底板廠會進行曬圖程序,通常所繪的底板圖尺寸會比實際尺寸放大   倍、倍或以上,令縮放至原尺寸後線條更清晰,所以要時刻謹記按比例繪畫。為妥善分佈底板上的零件,與及量度零件尺寸和腳距等資料,卡尺和計算機可謂不離手。如正式繪畫中途不小心繪畫錯誤,絕不能用塗改液修正!小範圍錯誤可用刀片輕輕刮去,當然這需要一定技巧;如犯大錯,則只能重新繪製。所以,若在起稿階段不夠謹慎,計算不準確或思慮不周全,可以想像後續的修訂過程會如何痛苦,特別是複雜的線路,造成大量時間浪費和精神耗損。

早期製作一塊   PCB,需經過多重工序、分層完成。所以底板圖不能只繪一幅。一塊單面   PCB,通常分開   幅底板圖,包括線路圖、綠油圖和白油圖。線路圖上的線段和孔位相等於銅板的不蝕銅部分;綠油圖繪出銅板上覆蓋油漆的部分,因通常上綠色油漆而得名。不覆蓋的地方稱為「露銅」,用來焊接零件;白油圖可按需要繪畫,它用於標示零件位置、類別、數值等,也可加入文字、商標、批號等資訊。

同理,製作一塊雙面   PCB,最多需繪畫   幅底板圖:塊正面,塊背面,特別注意背面的圖需鏡射繪畫。


圖五:用牛油紙人手繪畫的底板圖

今天的   PCB 設計
現今科技發達,電路底板圖可用專門的軟件繪製。輸出指定格式檔後,就可交付印製。   Altium Designer(前身為   Protel)、EasyEDAProteusEAGLE 等繪製軟件,通常整合電路圖(Schematic)繪畫、自動佈線及輸出底板圖功能,也有內建零件庫及預設規格值,令繪製更為方便和省時。當然,軟件不過是輔助工具,底板是否繪畫準確、接上零件和電源後,電路是否運作穩定,最後背後靠的是日積月累的經驗和慎密的心思。對經歷手繪底板圖時代的設計老行尊而言,軟件的出現簡直令他們如虎添翼。

找廠商製作   PCB,設計底板圖前最好需先知道廠家的技術限制,例如最少線距和過孔尺寸。至於生產費用取決於多方面條件,以下列舉部分:

l   製作數量
l   板材
l   板料
l   銅箔厚度
l   板層數
l   油墨顏色
l   工藝複雜度

如為興趣而製作少量   PCB(打樣),每次印製的成本不算輕,初嘗   PCB 設計的菜鳥,或許不能「一   take 過」,請先有心理準備,交點「學費」和碰釘子。

我真的需要   PCB 嗎?
你或許認為,我並非設計電子產品,使用萬用底板焊接電路作測試和做項目就可以了,真的需要繪製和印刷底板嗎?其實,使用萬用底板來測試電路,並不十分靠譜。若在測試時發生電路不穩定、雜音、干擾等情況,或許問題並非出自電路設計本身。缺乏焊接和排列零件等技巧,導致零件浮接、電線交疊、電線破損而致短路,也有機會影響電路運作。如能先製作   PCB 電路再進行測試,因線路整潔、焊接較易、飛線問題減少,相對可掌握實際電路的運作情況,對測試高頻電路而言更為重要。

若你需要製作   PCB,但在繪畫底板圖遇上不少困難,不欲耗費大量時間,可交予有經驗的技術人士或廠商代為設計。某些廠商提供一條龍式設計及印製服務,令你在創科路上走得更輕鬆順暢。


圖六:與筆者相熟的公司提供   PCB 設計服務




圖片來源
圖一、五、六:德寶電業
圖二:https://taunoerik.art/portfolio/ultrasonic-distance-measurement/
圖四:

2020年7月12日 星期日

蜂鳴器內蜜蜂出沒注意!? / 淺談「有源」與「無源」 / 研發過程分享 / 頻率響應


不論是電子菜鳥,或是資深老鳥,最常接觸的電子零件,除   LED 外當數蜂鳴器(buzzer)。

蜂鳴器發聲原理
蜂鳴器接上直流電源便可發出聲響,並非因體內住了一隻小蜜蜂。以一般電磁式蜂鳴器為例,拆開外殼一看,發現內部構造不算複雜,主要由一片震動膜片、多諧波振盪器、磁鐵和線圈組成。

圖一:不同尺寸的蜂鳴器

人能夠聽到聲音,是由於空氣振動產生聲波,聲波透過空氣傳到耳朵接收。例如我們說話時震動聲帶,空氣因此震動產生聲音。同樣道理,只要令蜂鳴器內的膜片震動,便可使它發聲。蜂鳴器內的振盪電路輸出方波,振盪信號電流經過線圈,令線圈兩端產生磁場(電流的磁效應),與磁鐵相吸或相斥,繼而推動連接於磁鐵上的膜片,膜片因震動而發出聲音。這是個由電能到磁能,再到機械能,最後至聲能的轉化過程。

電磁式蜂鳴器是其中一種有源蜂鳴器(Active Buzzer)。「源」所指的不是電源,而是振盪源。上文已說過它能夠發聲,在於內部的振盪電路。另一種有源蜂鳴器為壓電式蜂鳴器(Piezo Buzzer),內部同樣有振盪電路,不同的是以壓電陶瓷片將電能轉機械能。只要在陶瓷片兩側施加周期性電壓,陶瓷片便會交替前後變彎震動,發出聲音。

圖二:壓電陶瓷片與電線焊接

無源蜂鳴器的特點
如有「有源」,有沒有「無源」蜂鳴器呢?有的,無源蜂鳴器(Passive Buzzer)在字義上說,即不帶振盪源,在沒有振盪電路情況下接上直流電,因輸出電壓沒有變化,蜂鳴器片仍然保持沉默,所以我們需從外接振盪器。看似不方便,但亦有其優點。首先,零件數量少,售價較低是常識吧!其次,我們可脫離一般蜂鳴器只可發出單音的局限,自由控制輸出聲音頻率,便可透過編程寫出不同音階和延續時間,合成一首旋律美妙的音樂。

圖三:相同尺寸的「有源」(圖左)與「無源」蜂鳴器(圖右),外觀上難以分辨

多音效蜂鳴器 Buzz+
筆者最近針對一般有源蜂鳴器發「悶聲」的缺點,研發了非一般只「嗶嗶、嘀嘀」叫的蜂鳴器。蜂鳴器取名   Buzz+,內置   種音效,供用家選擇。它的外觀和尺寸與一般市售有源蜂鳴器無異,但底部多了一片電路板。說穿了,不過是以「無源」變成「有源」。電路板特意製作成小尺寸,在零件安排上和佈線上花了不少心思和考慮。是次選用微處理器   PIC12F508,雖然   MCU 內建功能較為原始,但足以應付需求。
圖四:Buzz+ 外觀與底部電路板

Buzz+ 在操作上與一般蜂鳴器無異,接上直流電源,預設發出「嘀、嘀、嘀、嘀…嘀、嘀、嘀、嘀」響聲,一如某些有源蜂鳴器音效。但用家亦可透過焊接電路板上的指定焊墊,選擇其餘   種音樂旋律。筆者精心挑選的旋律都有一定普及程度。先聞為快,有興趣的讀者可瀏覽以下示範影片。


電路設計考慮因素之一:頻率響應
對使用無源蜂鳴器自製音效躍躍欲試的朋友,設計振盪電路或編程前,不得不注意蜂鳴器的頻率響應(Frequency Response)問題。如有信號產生器(Signal Generator),可接至無源蜂鳴器,並慢慢調校方波的輸出頻率。你會發現在某些頻率範圍,蜂鳴器發出的聲音比其他頻率範圍更響、更大。這個就是蜂鳴器的頻率響應範圍,超出範圍所發出的聲音音量會下降,也有機會令聲音發出得有點吃力感覺,帶點「嘶啞」。所以,應盡量令輸入到蜂鳴器的頻率落入響應頻率。不同款式的蜂鳴器有不同的頻率響應範圍,可參考生產商的零件規格說明(一般標示為「諧振頻率」 Resonant Frequency)。優質的蜂鳴器,其頻率響應範圍較廣,這和喇叭的頻率響應範圍概念相同。

圖五:無源蜂鳴器   KC-1201 頻率響應圖

利用微處理器輸出的信號電流很小,功率不足以驅動蜂鳴器,因此我們需先將信號放大,常用電流放大零件是電晶體。挑選零件時,留意電晶體規格(最大集極電流、耐壓值、放大倍數等)需配合蜂鳴器規格(輸出功率、阻抗等),以達致最大功率輸出。有關分析和計算方法,在此不深入講述。

簡單一個小小發聲器件,內藏技術還有很多。各位如求知慾旺盛,可自行搜尋相關資料。若對本文內容有其他問題,歡迎留言,筆者不定期與大家分享更多電子學基礎知識,你們的支持將是筆者發文的推動力!

2020年5月30日 星期六

LED 唯美樹葉形吊飾(下)

人手製作的吊飾雖不完美,但每片都十分獨特

上文講述   LED 吊飾的設計原理,並提供樹葉形吊飾的參考電路圖,今回詳述製作步驟和注意事項。

開始製作前,建議先用繪圖軟件繪畫樹葉外形,與及定出零件擺放位置。筆者已為大家準備一個焊接模板(圖一),可按連結下載:JPG  | PDF 檔


圖一:LED 樹葉形吊飾焊接模板

在此重覆所需材料和工具:

主要材料及數量:(圖二)
l   0.8 mm 黃銅線,約   35 cm
l   0805 綠色   LED 貼片,
l   0805 貼片電阻   330 Ohm
l   3V 鋰錳鈕扣電池(型號:CR2032),

輔助工具:(圖三)
l   剪鉗
l   鑷子
l   雙面膠紙
l   助焊膏(非必需)
l   麥克筆


圖二:所需材料

圖三:輔助工具(最上方為助銲膏)

製作過程

步驟一:
根據模板尺寸,將銅線分別屈出樹葉形、葉脈和連接圈(圖四)。

圖四:準備銅線組件

步驟二:
在模板上貼上雙面膠紙(圖五)。

圖五:貼上雙面膠紙

步驟三:
使用鑷子將銅線和零件擺放在雙面膠紙上,以固定位置。一般貼片   LED 其中一面標有三角形或類似符號,表示   LED 接腳極性。擺放零件時,印有符號的一面朝上,並需與模板中,綠色方塊上二極管符號方向一致。模板上的藍色方塊表示   300 Ohm 電阻,貼片上刻有數字「301」代表阻值。同樣,擺放時將印有數字的一面朝上。零件與零件、零件與銅線間宜緊貼,虛位不應太多(圖六)

圖六:擺放銅線及零件

步驟四:
正式焊接。筆者建議先將   LED 與電阻焊接。如有需要,可在零件接腳上塗少許助焊膏(松香)(圖七)。

圖七:薄塗助銲膏

將各組   LED 與電阻焊接後,可使用萬用電錶測試電阻與   LED 兩端是否焊接妥當。將電錶撥至歐姆 X 1 檔,黑針與紅黑針依圖與零件腳位接觸。如   LED 亮起表示焊接完整和零件工作正常(圖八)。

圖八:焊接後測試

步驟五:
將葉脈和電阻接腳,與及葉脈間的接口焊接(圖九)。

圖九:焊接葉脈和電阻

步驟六:
將各   LED 接腳與葉子外圍焊接(圖十)。

圖十:LED 與外圍焊接

完成焊接後,再次使用萬用電錶測試電路是否焊接妥當。將代表黑針與葉脈接觸,紅針則接於葉子外圍,此時,所有   LED 應同時亮起(圖十一)。

圖十一:電路整體測試

步驟七:
最後製作   形電池托。電池托三點接口與葉子外圍(負極)相接,效果如圖十二。如希望把托子底部(垂直連接到葉底的銅線)改為連接至葉子主脈(正極),需要以一電容相隔,否則會造成短路。

圖十二:製作電池托

步驟八:
最後插入電池,注意極性正確,電池托與電池負極接觸(圖十三)。所有   LED 亮起。

圖十三:插入電池

心將成品與膠紙分開。LED 樹葉形吊飾完成。圖十四為吊飾正面。

圖十四:完成後的吊飾正面

步驟九:(可略)
清潔底板專用的有機溶劑(例如:三氯乙烯),可去除表面殘留的松香,令銅線回復光亮。清洗後效果如圖十五(正面)及十六(背面)。至於銅線部分發紅是由於焊接過久引致,此情況不能復元。

圖十五:經清洗的吊飾正面

圖十六:經清洗的吊飾背面


吊飾在黑暗中發出神秘的綠光(圖十七)。穿上繩子,可掛在身上或作家居裝飾。

圖十七:在黑暗中發光的吊飾

製作建議及注意事項:
l   可選擇其他尺寸的鈕扣電池,但或需自行調整吊飾大小及電池托高度。另外,可選用充電式鈕扣電池代替一次電池,更為環保。
l   網上亦有類似作品,使用相同概念製作   LED 飾物,但大多不加入電阻。雖然或為兼顧成品美感而略去,但這做法並不恰當,因會造成耗電量大效率低,甚或有機會令電池發熱和燒毀   LED

冬天裡的靜電 Static electricity in the winter

冬天天氣乾燥 ,當身體接近金屬物體,例如門鎖、水龍頭等,會產生微細「啪」的聲響,更甚在黑暗的環境中會看見閃光,皮膚亦會感到 輕微刺痛 ,雖然一般不會對身體構成危害,但亦令人感到困擾。這種現象的成因是 身體與衣服相互磨擦而積聚過多電荷(靜電),又因天氣乾燥,身體的電荷不能通過空...