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

筆者曾教授大家製作   LED 樹葉形吊飾（參見《LED 唯美樹葉形吊飾（上）》及《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、T 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   2 倍、4 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   3 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   6 幅底板圖：3 塊正面，3 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）、EasyEDA、Proteus、EAGLE 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

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圖片來源

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

圖三：https://www.electronicproducts.com/are-hand-made-pcbs-going-out-of-fashion/

圖四：

https://hk.carousell.com/p/decadry-%E5%88%AE%E5%88%AE%E5%AD%97%E8%B2%BC-7%E5%BC%B5-156451901/ 

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   4 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   3 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！

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 檔 | 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，5 顆

l   0805 貼片電阻   330 Ohm，5 支

l   3V 鋰錳鈕扣電池（型號：CR2032），1 顆

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   Y 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

小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

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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。

LED 唯美樹葉形吊飾（上）

齊來製作 LED 樹葉形吊飾

你或認為設計電子製品，過程定必非常繁複，而且要求設計者擁有高技術和多年相關經驗。其實只要靈活運用一兩個基本概念，即使初學者，也可以造出創意又有趣的小玩意。今回筆者教大家製作   LED 樹葉形吊飾，所需材料十分簡單，無需使用電路板（稱為   Freeform Circuit）。成品外型美觀，明白當中的簡單竅門後，便可設計千變萬化的圖案，不知就裡的人還以為十分高深呢。然而，因過程涉及焊接小型零件，對焊接技術要求較高，如暫時有感力有不逮也沒關係，先弄懂原理，多試幾遍，終會成功。

本文先講解吊飾設計的背後原理，請先準備以下材料，下回一起製作。

所需材料與工具

主要材料及數量：

l   0.8 mm 黃銅線（註一），約   35 cm

l   0805 綠色   LED 貼片（註二），5 顆

l   0805 貼片電阻   330 Ohm（註二），5 支

l   3V 鋰錳鈕扣電池（型號：CR2032），1 顆

註一：銅線顏色可自行選購，可查詢供應商。注意切勿使用漆皮線作材料，因其表面不能導電。

註二：0805 是貼片的封裝，尺寸為   2.0 mm x 1.25 mm x 0.8 mm。

＊如認為焊接貼片過於困難，可用普通直插零件代替。

輔助工具：

l   剪鉗

l   鑷子

l   雙面膠紙

l   助焊膏（非必需）

l   麥克筆

回歸基本概念

吊飾設計只涉及「並聯電路」概念，這屬電子學   BB 級的學習範圍，在此不妨簡單贅述，遷就新手。

在電路設計上，電源、零件與導線連接的方式主要有兩種，分別為「串聯電路（Series Circuit）」，或「並聯電路（Parallel Circuit）」架構。串聯電路就像「串燒」，所有零件串接在同一個封閉回路（Closed Circuit）上，電流從電源正極輸出，流經所有零件（電阻或   LED），回到電源負極，所以，流經所有零件的電流相等。另一個重要概念是，電源供給的電壓被各零件（電阻或   LED）「瓜分」。根據歐姆定律（Ohm’s Law），V = I x R，零件兩端的電壓降與其內阻成正比。此外，根據克希荷夫電壓定律（Kirchhoff's Voltage Law），所有零件兩端的電壓降相加的和，必等於電源電壓值。

圖一為串聯電路例子，相同電流   I 流過電阻   R₁、R₂ 及   R₃，各電阻兩端的電壓差分別為   IR₁、IR₂ 及   IR₃，而且   IR₁ + IR₂ + IR₃ = 3V。

圖一：串聯電路示例

至於在並聯電路，電流從電源正極輸出，然後經過負載（R）流回負極。此負載（R）兩端就是與電源接成並聯電路。負載（R）可以是一個或多過組成，如圖二所示。

圖二為並聯電路。總電流   I 等於各分支電流總和，即 I = I₁ + I₂ + I₃。各電阻兩端的電壓差均為   3V。

圖二：並聯電路示例

串聯和並聯的抉擇

我們要點亮多顆   LED 時，它們在電路中「串聯」還是「並聯」較適合呢？如果把   LED 串聯，倘若其中一顆   LED 因某種原因損毀，整個電路成為開路狀態，沒有電流流過其他   LED，所有   LED 並不會亮著。相反，將   LED 並聯，即使其中一顆   LED 損毀，電流仍可流經其他   LED。此外，因並聯較易觀察   LED 運作狀況，維修電路較方便。

這次所製作的   LED 吊飾需要焊接   5 顆   LED，電源電壓為   3V。電路設計上會把   LED 並聯。除了可避免單點故障（Single Point of Failure），也保證每顆   LED 有足夠電壓推動，因單顆   LED 的順向偏壓值約   2V。要點亮   5 顆串聯   LED，電源電壓至少需要   10V，明顯大於鋰錳電池的標清電壓   3V。因此，LED 需要並聯焊接，每顆   LED 才可正常工作。此外，各   LED 需串接一顆電阻，以限制電流。

將電路變成樹葉形

進入設計部分。我們先根據吊飾所需零件畫出電路圖（圖三）。

圖三：LED 吊飾電路圖

圖四是等效樹葉形電路圖：

圖四：LED 樹葉形吊飾電路圖

製作實物時，因為使用鈕扣電池，電池正極會與電路圖中標為紅色的銅線接觸，而電池負極則與標為藍色的銅線接觸。另外，為使移動吊飾時不令電池脫位，我們需要製作電池托，詳情於下回逐步說明。