Costruire una scheda di espansione per Arduino o Raspberry Pi

l tempo dei primi personal computer, la maggior parte degli utenti era in grado di costruire delle semplici schede elettroniche. Difatti i primi modelli venivano venduti in kit da assemblare. I tempi però sono cambiati molto velocemente e siamo giunti alla situazione opposta: oggi chi acquista un PC non ha voglia di smanettare con i vari componenti e neanche sapere come funzionano. La situazione però, sta ancora cambiando: con la crescente popolarità dei single board computer (SBC) come la Raspberry Pi e Arduino, per molti sta avvenendo un ritorno al passato. Ancora una volta, gli appassionati di informatica devono sporcarsi le mani con l’elettronica, ma diversamente da quanto accadeva negli anni ‘80, molte persone non conoscono neanche le nozioni di base di questa materia. In queste pagine apprenderete quindi come aggiungere componenti a un PCB (una scheda elettronica) e come riconoscere i vari componenti di base. Queste conoscenze possono essere utili nella vita quotidiana del maker in erba perché alcuni add-on per la RP e alcuni shield di Arduino vengono venduti in kit di montaggio, che includono un PCB, per cui bisogna imparare a montarli senza fare danni. Anzi, alcune volte capita che la scheda non ci sia, per cui bisogna crearla. Per questo motivo è nato il progetto Open Source Fritzing (http://fritzing.org) che vi mette a disposizione progetti e circuiti creati dalla comunità ma che dovrete realizzare fisicamente voi stessi

Come si costruisce un PCB

Invece di usare un HAT della RP o uno shield di Arduino come esempio, partiamo da una soluzione stand-alone. Per catturare il crescente interesse degli hobbisti dell’elettronica, molte aziende vendono kit composti da svariati componenti. Noi siamo partiti dall’Alarm Project Kit presente sul sito www.kitronik.co.uk. Il produttore lo indica di livello intermedio, come difficoltà, ma questo non deve spaventarvi: alcuni dei kit definiti “semplici” sono eccessivamente facili. Quello in questione serve per costruire un sistema d’allarme gestito da un micro-switch ed è piuttosto economico (circa 7 euro); tutto quello che dovete aggiungere sono quattro batterie AA. Partiremo dal PCB presente nel kit per spiegarvi le basi della saldatura, competenza necessaria se volete costruire un circuito basato su una scheda di terze parti.

ABC della saldatura

Iniziate ad accendere il saldatore e aspettate che si riscaldi, ci vorrà qualche minuto. Mentre aspettate, bagnate la spugnetta che si trova alla base dello stand. I saldatori funzionano bene solo se la loro punta è pulita e brillante. Quindi pulite la punta facendola passare sulla spugna umida tre o quattro volte così da rimuovere i residui delle saldature precedenti o semplicemente lo sporco se è la prima volta che usate il saldatore. Ora sciogliete un po’ di stagno con la punta del saldatore, rimuovendo gli eventuali eccessi con la spugna. Il risultato dovrebbe essere una punta avvolta da un fine strato di stagno. Per ottenere il risultato migliore, probabilmente dovrete passare più volte la punta sulla spugna. Inoltre, dovrete ripetere l’operazione se lasciate per parecchio tempo il saldatore acceso e inutilizzato. A questo punto siete pronti per fare la prima saldatura. Con il PCB in orizzontale, con la parte priva di componenti orientata verso l’alto, avvicinate la punta del saldatore al reoforo del componente e alla piazzola. Quest’ultima è l’area circolare o rettangolare attorno al foro sul PCB in cui vanno infilati i reofori dei componenti elettronici. Avvicinate poi lo stagno alla piazzola. Dopo uno o due secondi, lo stagno dovrebbe iniziare a sciogliersi; non appena accade rimuovete sia il filo di stagno sia la punta del saldatore così che il materiale sciolto si possa solidificare. Verificate di non aver messo troppo stagno; se così fosse potete rimuovere il materiale usando un dissaldatore per poi riprovare. Se invece avete messo poco stagno, per cui il reoforo del componente elettronico non è ben attaccato, alla piazzola, vi basta fondere ancora un po’ di stagno in quel punto. Controllate sempre, tra una saldatura e l’altra, che la punta del saldatore sia ancora lucida. Se non lo è correte il rischio di creare una saldatura che ostacoli il passaggio della corrente; se capita, togliete tutto il materiale e ripetete la saldatura. La punta può perdere la sua lucentezza se, per esempio, la tenete attaccata alla piazzola per troppo tempo, quindi cercate di essere rapidi. Oltretutto alcuni componenti, in particolare i circuiti integrati, si danneggiano se sottoposti a eccessivo calore.

Un nome per ogni componente

Quando ricevete un kit come quello che abbiamo usato noi, è importante essere in grado di identificare ogni componente. Spesso le istruzioni vi aiutano nel compito, ma non sempre. Le resistenze sono facili da identificare. Sono dei piccoli cilindri (di solito lunghi 6 mm e con un diametro di 2 mm), con due “gambe” (dette reofori) attaccate ai due estremi del corpo. Le resistenze presentano diverse righe colorate che ne identificano il valore (leggete il box Leggere i valori delle resistenze). I condensatori non sono così semplici da identificare perché ce ne sono di vari tipi, ma la foto qui a sinistra dovrebbe aiutarvi a riconoscere quelli più comuni. In generale, se ha due terminali e non è una resistenza, un LED o un diodo, probabilmente è un condensatore. Il suo valore è stampato direttamente
sul suo corpo; quelli più grandi, elettrolitici (polarizzati) o al Tantalio, dovrebbero avere il valore scritto per intero, per esempio 47uF o 47u, anche se potrebbe apparire solo il valore numerico, dando per scontata l’unità di misura. Quelli con capacità inferiori potrebbero mostrare il valore con il prefisso, come .47u, ma molto più probabilmente compariranno solo tre cifre, spesso precedute da una lettera. In questo caso i primi due numeri indicano
la capacità nominale e la terza è un moltiplicatore, con il valore complessivo che è in pF. Per esempio, le cifre 103 significano 10000pF = 10nF. I diodi hanno un piccolo corpo cilindrico con due terminali, uno per estremità. Diversamente dalle resistenze, non presentano bande colorate. Di norma hanno un corpo nero o trasparente con una singola banda che identifica il catodo – il terminale negativo. Il part number è stampato sul corpo del componente, per esempio 1N4148. I LED ( Light Emitting Diodes ) hanno dei piccoli corpi a cupola trasparente e sono di diverso colore. La loro caratteristica è quella di emettere luce quando alimentati. Entrambi i terminali sono collegati alla parte bassa, piatta, del corpo e questa parte bassa presenta una parte schiacciata per indicare il terminale negativo. Eccetto per i dispositivi ad alta potenza, i transistor hanno un corpo cilindrico nero o color metallo, a volte appiattito da una parte, mentre in alcuni casi sono rettangolari e neri. Il part number che li identifica è scritto sul loro corpo, per esempio BC548. Hanno tre terminali e la loro funzione può variare in base al tipo di transistor che si ha sottomano; per sapere il loro significato bisogna consultare i rispettivi data book forniti dal produttore. Di solito i PCB mostrano almeno come orientarli. I regolatori di tensione assomigliano ai transistor anche se di solito hanno un corpo rettangolare di plastica nera. Come per i transistor, dovete consultarne il data book per identificare il ruolo dei terminali. I circuiti integrati (IC) sono dei rettangoli di plastica nera con dei pin che sbucano da due lati. In genere ci sono 8, 14 o 16 pin. Il tipo di dispositivo è stampato nella parte superiore. Di solito trovate una tacca in uno dei lati piccoli, che indica la posizione del pin 1, che si trova sulla sinistra.

Un ausilio all’acquisto

Se avete a disposizione tutti i dettagli relativi ai componenti che vi servono, part number compreso, la scelta di cosa comprare è semplice. Purtroppo non sempre si hanno sottomano tutte le informazioni; in questo caso dovete fare delle ipotesi. Conviene sempre partire dal PCB e poi scegliere di conseguenza gli altri componenti. Qui consideriamo solo i componenti definiti through-hole , cioè quelli i cui terminali devono passare attraverso i buchi presenti nei PCB per poi essere saldati. I PCB costruiti secondo la tecnologia SMT ( surface mounting devices , tecnologia a montaggio superficiale) sono di livello più professionale e non li tratteremo. Acquistare le resistenze è facile, anche avendo poche informazioni. Come minimo saprete il loro valore in ohm, kiloohm o megaohm, che spesso viene abbreviato con Ω o R, kΩ o k, MΩ o solo M, rispettivamente. A volte l’abbreviazione rimpiazza il punto decimale, quindi 2,2kΩ diventa 2k2. Se il valore della resistenza è l’unico numero che conoscete, potete ipotizzare che tolleranza e potenza siano irrilevanti quindi optate per una piccola ed economica resistenza che sarà classificata, per esempio, a 250mW e con tolleranza dell’uno per cento. I condensatori vengono misurati in farad, anche se quelli di uso normale non hanno mai una capacità così grande. Molto
probabilmente avranno una capacità di qualche pico farad, nano farad o micro farad, abbreviati con pF o p, nF o n, uF o u. Come prima, l’abbreviazione può rimpiazzare la presenza delle cifre decimali, quindi 4,7nF diventa 4n7. Se questa è l’unica informazione che avete, potete non prendere in considerazione il voltaggio supportato e il tipo di dielettrico (ceramica, poliestere, ecc.). I condensatori con una grande capacità, 1uF o maggiori, sono di solito polarizzati, quindi elettrolitici o al Tantalio. Il metodo di costruzione e le dimensioni sono fattori importanti, quindi date un’occhiata al PCB e misurate gli spazi per i terminali dei condensatori in modo da poterli poi saldare senza problemi. Fate attenzione anche a capire se vi serve un condensatore con i terminali assiali (che escono cioè dai due estremi) o radiali (che escono dal basso). Passando ai numeri che identificano alcuni componenti, i part number , per esempio quelli dei circuiti integrati, vi capiterà di vedere che quelli degli esemplari in vendita siano più lunghi del numero fornito dal progettista del circuito. Inoltre i part number possono variare leggermente a seconda del costruttore. Quindi se il progettista specifica 74HC138, il part number completo potrebbe essere SN74HC138N. Un’altra cosa da tenere a mente sui circuiti integrati è che seppur sia possibile saldarli direttamente sul PCB, conviene inserirli su un socket saldato sulla scheda elettronica. In questo modo non si rischia di danneggiare il componente con il calore sprigionato dal saldatore ed è possibile rimpiazzarlo senza troppi problemi in caso di necessità. Il tipo di socket usati per gran parte degli IC si chiamano DIL ( Dual In Line ) e sono specifici per il numero di pin del circuito da inserire. Quindi, per esempio, il socket corretto per il chip a 16 pin con part number 74HC138 sarà descritto come socket DIL a 16 pin.

Cassetta degli attrezzi.

Facciamo un piccolo elenco di attrezzi che vi servono se volete portare avanti l’hobby dell’elettronica. Potete trovare tutti gli oggetti che citeremo in un qualunque negozio di elettronica online o fisico. I costi di ognuno di essi sono sempre abbastanza contenuti, quindi non dovrebbe essere un grosso sacrificio acquistarli. Un saldatore è essenziale per quasi tutti i progetti seri da maker, soprattutto se si vuole andare oltre la fase di prototipazione basata su una breadboard. Dovete acquistare un modello adatto a operare sui circuiti elettronici ma non è necessario spendere molti soldi, diciamo al massimo una trentina di euro se non avete particolari esigenze. Poi vi serve una lega per la saldatura; evitate le leghe adatte alla saldatura dei tubi e preferite quelle più piccole (circa 1 mm di diametro) pensate proprio per l’elettronica. Vi servono anche delle pinze e un tagliafili. Anche in questo caso, fate attenzione ad acquistate modelli di dimensioni ridotte, adatti ai progetti da maker (in cui spesso gli spazi a disposizione sono ridotti perché ci si deve infilare tra fili e componenti vari). Anche in questo caso, trovate i modelli corretti nei negozi specializzati in elettronica. Possono tornare utili un paio di cacciaviti –
uno con la punta a taglio e uno a croce. Se volete strafare, acquistate un kit di cacciaviti con le punte intercambiabili, potrebbe esservi utile anche in altre occasioni. Facendo attenzione potete tagliare la guaina protettiva dei cavi usando il tagliafili, ma se volete fare un lavoro più accurato procuratevi uno spellafili, ne esistono di vari prezzi. Infine, se qualcosa va storto nella saldatura, vi sarà molto utile un dissaldatore.

Aggiungere i componenti a un PCB

1. Identificate le varie parti La prima operazione da fare è assicurarsi di avere tutto l’occorrente e di aver riconosciuto tutti i componenti. Se non avete molta dimestichezza con i componenti elettronici e con la lettura dei colori che indicano i valori delle resistenze, potrebbe essere una buona idea mettere ogni elemento sopra un foglio di carta con sopra scritto il numero del componente (per esempio R1, R2, C5, U1 e così via, come indicato nel PCB).
2. Piegate i terminali Preparate poi tutti quei componenti che hanno i terminali assiali rispetto al corpo piegando le “gambe” ad angolo retto in modo che possano passare con facilità nei buchi del PCB. Assicuratevi di piegarli in maniera tale che entrino in maniera precisa nei rispettivi buchi e non troppo vicino al corpo del componente. Per fare la piega, usate una piccola pinza mettendone la punta tra il corpo e il punto da piegare, così da non stressare il componente.
3. Posizionate i componenti nel PCB Collegate i componenti al PCB facendo passare i terminali nei buchi appropriati. Poi, usando la pinza, piegate un pochino la parte dei terminali che sbuca fuori in modo che il componente non cada se girate il PCB. In alternativa posizionate un po’ di gommapiuma nella parte inferiore del PCB, cosicché i terminali si conficchino al suo interno e rimangano fermi. Visto che i terminali dei componenti già saldati possono dar fastidio, conviene sistemarne un po’ alla volta.
4. saldate i componenti Girate il PCB e posizionatelo su una superficie piana, con i terminali da saldare puntati verso l’alto. Saldate tutti i terminali alle loro piazzole seguendo le istruzioni presenti nel testo principale di questo articolo. Anche se oggigiorno i componenti elettronici sono meno sensibili al calore rispetto al passato, per evitare di fare dei danni vi suggeriamo di saldare prima resistenze e condensatori, lasciando i componenti più sensibili alla fine.
5. Tagliate i fili che avanzano I terminali dei componenti sono quasi sempre più lunghi del necessario, quindi uno dei compiti finali del lavoro consiste nel tagliare le parti in eccesso. In particolare dovreste tagliare tutte le “gambe” subito sotto il punto di saldatura. Per fare questa operazione dovreste usare una piccola pinza tagliafili. Fate attenzione: le parti tagliate possono schizzare via, quindi vi consigliamo di indossare degli occhiali per proteggere gli occhi e di tenere a distanza bambini e animali.
6. Verificate il circuito Prima di alimentare il circuito, dategli un’occhiata (per esempio, i più attenti forse si sono accorti che nella figura abbiamo montato gli switch in modo sbagliato). Verificate di non aver unito due diverse saldature adiacenti e sistematele se è accaduto. Se tutto sembra a posto provate ad alimentare il tutto. Se però vi accorgete che qualcosa non funziona, togliete subito l’alimentazione prima di danneggiare qualcosa e tornate a osservare il circuito. Anche il multimetro può esservi utile in questa fase di controllo.