2018年4月29日 星期日

私伙焊接工具大曝光!

我們要製作電子產品或進行實驗,必需要進行零件焊接或電線間互相接合。所以有興趣對電子方面投入時間研究的朋友,除測量儀器外,周邊必需具備基本的焊接工具。本篇和大家重點介紹筆者的焊接工具。在此對各項工具和材料不作專業分析和比較,雖然點到即止,但應足夠讓入門級的朋友了解大概和自行選購。如各位有興趣深入了解,可在網絡大量爬文找相關資料。話不多說,先來一張大合照:

圖一:筆者的基本焊接工具

烙鐵及支架

電烙鐵是不能或缺的焊接工具,它俗稱「辣雞」,因舊時烙鐵的頭狀似雞頭而得名。網絡上介紹烙鐵的種類和用法的文章很多,都很長篇,有些款式在不同文章說法不同,看得人更感困惑。其實,我們到電子零件商店買一般以插頭供電的手握款式便可,可不用講究是否恆溫的。像我這款烙鐵頭以螺絲夾在烙鐵心裡面,就是所謂的外熱式烙鐵,最便宜數十元便可購得。選購時比較要注意的是烙鐵的瓦數,瓦數大小與發熱溫度有關。就焊接一般電子零件、集成電路等,30W 至 45W 的烙鐵較為合適,如需焊接散熱較快的物件如散熱片,或者對溫度不太敏感的零件,使用較大瓦數的烙鐵(如 60W)較易於焊接。當然並不是說較大瓦數的烙鐵不能焊接普通電子零件,但除非你是專業用家,懂得控制焊接速度,否則烙鐵接觸零件過久會較易令某些不能受熱的零件損毀,尤其是集成電路更要小心焊接。再者,瓦數高的烙鐵一般焊頭較大,對初學焊接人士而言較難操作,還是審慎使用為宜。

圖二:這把烙鐵上標示功率為    40W,輸入電壓   220V

烙鐵支架則一般與烙鐵分開購買,當不使用烙鐵時把烙鐵放在支架,不要直接放在桌面,以免不慎與易燃物件接觸和皮膚因不小心觸及發熱部分灼傷。另外支架多附有擺放海綿的小鐵盤,進行焊接時請保持海綿濕潤,以便隨時清潔烙鐵頭沾著的焊錫殘渣和氧化物。留意這塊海綿可耐高溫,與一般清潔碗碟的海綿不同,不要隨便找代替品。

圖三:烙鐵支架和已濕水的海綿

烙鐵嘴

它的形狀和大小也有不同,焊接電路常用的是斜咀和尖嘴款式。基本上斜咀烙鐵頭已可滿足所有電子製作的需要,焊接很細微的電件可考慮使用尖嘴,但是尖嘴因小範圍傳熱,散熱速度較快令焊接不太方便,請自行衡量使用。烙鐵頭是消耗品,可一次購買數個備用。

圖四:粗度不同的斜咀和尖嘴烙鐵頭

新買的烙鐵嘴除了要正確套在烙鐵芯,在第一次使用時亦要進行上錫的程序,加熱烙鐵後先將烙鐵嘴前端塗上錫,增加焊接過程順暢度,並使烙鐵嘴不易被氧化,保持上錫能力。

錫線

烙鐵頭把錫線由固體溶掉成為液體,把零件固定在電路板上,可說是焊接用的「膠水」。錫線多為卷裝購買,並在上方註明規格。除了錫線線徑和整卷錫線的淨重,你亦會在包裝上知道構成錫線的金屬百分比。錫線並非由純錫製成,而是可加入鉛(元素符號 Pb),或者非鉛的金屬例如銅(元素符號 CU)、銀(元素符號 Ag)、鎳(元素符號 Ni)等。舉例有鉛錫線標有 SN60/40 表示組成錫線的錫(元素符號 Sn)佔 60%,鉛佔 40%,常見也有 63/37 之比的。某些包裝亦標有代表錫線內的助焊劑(Flux)含量百分比,大部分約為 2%,其中主要成分為松香。順帶一提,我們亦可另外購買松香膏幫助焊接,但在一般情況下不需使用。

圖五:有鉛錫線(左)及無鉛錫線(右) 

錫線的質量可謂直接影響焊接質素和效果,另外它的組成金屬比例除了決定錫線的熔點,也決定價格。無鉛錫線的錫含量比例較有鉛錫線高,熔點也偏高,售價一般也較貴。無鉛錫線需要較高的工作溫度,較難焊接。雖說它較環保,有毒物質含量較小,但筆者嘗試無鉛錫線後,仍比較喜歡使用有鉛錫線進行一般電子製作,至於鉛錫比例則習慣使用 60/40。

圖六:無鉛錫線的規格說明

排煙風扇

焊接時會產生白煙,這是錫線中的助焊劑揮發物,因帶酸性,且有點味道,多吸對身體不太好。我們最好在通風和抽氣好的環境進行焊接,例如將小型排煙風扇放在焊接地方的前端,令白煙可即時被抽走。

圖七:小型排煙風扇

吸錫器

吸錫器(錫泵)是焊接錯誤時的救星。我們想拆卸電路板上的零件,或者當焊接技巧尚未成熟而出錯,容易在焊點鋪上過量焊錫,甚至連隔鄰不該下錫的地方也沾上錫料(焊接微小零件如 SMD 零件更常出現此情況),我們需借助吸錫器把多餘的錫吸走後重新焊接。吸錫器分為手動和電動兩種,在此介紹常用的手動吸錫器。進行吸錫前,把吸錫器的活塞向下壓直至卡住,之後放在一旁預備。然後用烙鐵把焊點上的錫融化,建議此時用錫線稍為補上焊錫,以方便吸錫器徹底吸走錫料。當錫料變成液態,迅速移開烙鐵,趁錫還未冷卻變為固態前用吸錫器的吸咀貼近焊點,板動按鈕把錫吸走。如你慣用右手拿烙鐵,可用左手拿吸錫器,趁著烙鐵移開後即時吸錫,減低錫冷卻的機會。

吸錫器有不同孔徑尺寸和吸錫管長度,較長的吸錫管,吸力也較大。吸錫器價錢則由數十元至上百元不等。一般吸錫器用塑料或鋁合金製成。

圖八:各款吸錫器

剪鉗

剪鉗一般稱作「cutter」,用途當然不需多解釋,即使不需銲接,家裡多數有一兩把以備不時之需。剪鉗有不同款式,最常用的是斜口、尖嘴和平口鉗。

圖九:(左至右)斜口、尖嘴和平口鉗

斜口鉗慣常用作修短零件接腳,剪斷電線和錫線等。使用時要避免強行剪斷較硬的物件,否則很易令剪鋒出現崩口,然後變鈍,或者令鉗夾無法緊合,縮短使用壽命。優良的斜口鉗價格可達百元以上,但所謂一分錢一分貨,當你要連續剪掉電路板上的零件多餘接腳,便會感受到耳際傳來很爽的「搭搭」剪斷鐵線的聲音,也會見到電路板上的剪口很貼服,加上材質好,這是廉價貨不能相比的。

尖嘴鉗剪斷線材的能力較弱,它多數用作將零件折腳及把線拉直等用途。配搭斜口鉗使用可進行一般剝線,不需另買剝線鉗。

平口鉗則可用於剪掉較粗的導線,或者可利用平口位置把金屬管壓扁。在一般電子製作中使用頻率不算高。



以上所介紹的是不能缺少的焊接工具,另外也有一些輔助性質的工具,能提升焊接效率:

鑷子

鑷子方便拿起 SMD 零件焊接。

圖十:彎頭、尖頭和扁頭鑷子

放大鏡

放大鏡方便檢查焊點是否焊接妥當。

圖十一:各款放大鏡,圖右的放大倍數較高

焊接台

這是筆者認為不需特別購買的工具,但如你覺得焊接時雙手不夠用,喜歡把電路板、零件等固定才焊接,或者想感覺專業一點的,可以按需要添置焊接台。有些焊接台除了夾具,也有些連輔助燈、放大鏡、烙鐵架等,款式非常多。

圖十二:只有夾具的焊接台

圖十三:多功能焊接台

橡膠吹塵球

灰塵積在電路板上可以引致電路短路,有需要時在測試電路前用吹塵球稍為除塵。

圖十四:橡膠吹塵球

洗底板水

焊接線路後,我們或會看見焊面留有黑色的焊渣、松香、錫碎和灰塵等雜質。這些東西有機會導致短路,而且對檢查焊點構成阻礙,此時可用洗底板水清潔(注意:不可直接用清水)。

昔日多數採用三氯乙烯清洗底板。三氯乙烯是工業用溶劑,俗稱「槍水」,可到工業原料鋪購買。它易於揮發,只要沾濕棉花棒,便可在焊面來回擦拭,直至焊面潔淨,焊點變得光亮。現今因被指有毒性、對環境造成危害等問題,市面上較難找到。我們亦可購買專用清洗劑代替,但優錢較貴。天拿水是廉價選擇,但因易燃,所以小心使用,而且使用小量清潔便可。

2018年4月7日 星期六

萬用電錶之小盒內的秘密(第三部份:電阻錶的結構)


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試想像面前有一個基本電流錶其滿度電流為 50 µA內阻 2 k我們如何將它改裝成電阻錶量度未知阻值的電阻呢?

由於電阻是被動元件,只單純地接在電流錶並不能令指針偏轉,因此需要外接電源。當你掀開萬用電錶的背蓋,一眼便看到乾電池了(圖一)。一般而言,我們會分別看到兩枚   1.5 V 及一枚 9 V 電池,這些乾電池主要用於驅動電阻錶電路,而電源輸入按需要分為   3 V  9 V

圖一:萬用電流錶內的乾電池


電阻錶的最基本原理其實頗為簡單,只涉及歐姆定律(Ohm's Law)的運用。歐姆定律 V = I x R 說明電路兩端的電流和電阻值的關係:假如兩端的電壓固定,電阻值增加則電流按比例減小。套用在電阻錶電路,我們可簡單地把未知阻值的電阻與電流錶串聯,兩端加上固定電壓。未知電阻阻值愈大,流過電流錶的電流減小,錶上的指針偏轉角度亦相應減小,這亦解釋了萬用電錶錶盤上的歐姆刻度尺,最右面標示 0 ,愈往左邊讀數愈大。

在實際操作上,我們當然不能只將電壓、電流錶與未知電阻三者串聯便可。注意電流錶最大可通過的電流為   50 µA,如電路輸入電壓為   3 V,若電阻阻值很低,甚或將紅色和黑色錶針觸碰(等於接上零歐姆電阻),大量電流將通過電流錶,容易導致錶頭損毀。所以在實際電路設計上也要考慮加入適當電阻或其他器件去限制電流和保護電路,例如圖二。另外,在測量電阻前進行零歐姆調整,即是在零歐姆電阻的情況下,透過調節電路的可變電阻,令錶頭指針轉幅達滿度,即指在   0 位置。經過調整後,測量電阻時才量出較準確的數值。

圖二:簡單的電阻測量電路

RA 為電流錶等效電阻RM 用以限制電路最大電流RX 為待測電阻將接在 點和 點測量電路電壓 固定當 RX 阻值愈大電流愈小電流錶指針的偏轉角度也愈小


測量電阻前我們亦會先選擇適當的倍率檔位例如 X1、X10、X10K 但量度未知電阻時或會出現指針指在刻尺較左或較右的位置因為歐姆刻度尺上的刻度不平均分佈(見註)愈往刻度尺左面(數值愈大)刻度愈密讀數誤差亦相應增大因此有需要時要重新選擇倍率檔位令指針指向較中間的刻度才讀出電阻值至於在電阻錶電路如何做到選檔的功能呢?由於不能轉換電流錶所以其標清值不變要在量度相同阻值的電阻下將電流錶指針的偏轉角度改變(相等於改變倍率檔)即涉及改變流經電流錶的電流在較低的倍率檔電路輸入電壓不變(3 V所以我們便改為更改電路的總電阻值但若要量度大阻值電阻倍率檔選在 X10K 繼續使用 3 V 電壓則令到電流過小因此電流錶指針偏轉角度亦很小我們需要加大輸入電壓提升電流萬用電錶內的 9 V 乾電池便在撥至高倍率檔時使用

由於各廠商的電阻錶電路設計較為複雜和不統一在此不詳細逐一探究如你有興趣請自行搜索設計圖了解詳細運作談到測量未知阻值在此順道提及著名的惠斯登電橋(Wheatstone bridge這是個很精確的測量直流電阻阻值方法電路由四個電阻組成通上直流電以下是典型的電路圖(圖三)

圖三:使用惠斯登電橋測量直流電阻阻值


電路圖中的 Rx 是待測電阻R1R2 和 R3 是已知阻值的電阻根據分壓原理當 點和 點的電壓相等兩端便沒有電壓差因此沒有電流流過電流錶此時電橋達至平衡我們亦可以把 R1R2 R3 其中一枚電阻換為可調電阻方便調整至電橋平衡通過電阻比值 R3 / R1 = RX / R便能計算出 RX

RX = R3 x R2 / R1



註:
以下的電阻錶電路圖嘗試解釋錶盤刻度不均勻的原因,雖然與實際電路不盡相同,但兩者原理類近,僅供參考。
(參考連結:http://dmt.zjlsedu.org/longresgz/300/040/020/060/L000000000089758.htm


RA 為電流錶內阻特別繪畫出來RM 是可變電阻零歐姆調整時使用所以在此亦叫調零電阻Rx 是待測電阻錶內乾電池提供電動勢 E乾電池的內阻相較 R和 R太小故忽略不計

當進行零歐姆調整時紅色和黑色錶針相接調整後電流錶指針轉至滿度電流 I = E / (RA + RM)讓我們把這個數值暫稱為 IA

當測量 Rx Rx 接入電路電流 I = E / (RA + RM + Rx)

從以上兩條算式可計算滿度電流和接上 R後的電流比值 I : IA = E / (RA + RM + Rx) : E / (RA + RM) 簡化後即 I : IA = (RA + RM) : (RA + RM + Rx)

根據這個比例,可以看出當   Rx = (RA + RM)I : IA = 1 : 2,即電流 I 是滿度電流   I的一半,也就是說,錶頭指針停在中間。(RA + RM) 是電阻錶的內阻阻值,也叫中值電阻。

同理,我們亦可根據中值電阻制定其餘電阻錶刻度。當   Rx 的值是中值電阻的   23倍   ……   時,電流錶中的電流 I 分別為   IA 1 / 31 / 41 / 5 ……,即指針的偏轉角度為   I 1 / 31 / 41 / 5 ……。當   Rx 的值是中值電阻的   1 / 21 / 31 / 4 倍   ……   時,指針的偏轉角度則分別為   I 2 / 33 / 44 / 5,所以,電阻錶的錶盤刻度是不均勻的。

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...