MASARYKOVA UNIVERZITA PEDAGOGICKÁ FAKULTA Katedra technické a informační výchovy

Realizace elektronických systémů v prostředí základní školy

Bakalářská práce

Brno 2014

Vedoucí práce: Autor práce: Mgr. Martin Kučera Tomáš Hromčík Bibliografický záznam Hromčík, Tomáš. Realizace elektronických systémů v prostředí základní školy: bakalářská práce. Brno: Masarykova univerzita, Fakulta pedagogická, Katedra technické a informační výchovy, 2014. 64 l., 3 l. příl. Vedoucí bakalářské práce Mgr. Martin Kučera.

Anotace Bakalářská práce „Realizace elektronických systémů v prostředí základní školy“ pojednává o možnosti zařazení této problematiky do výuky v technicky zaměřených předmětech na 2. stupni ZŠ. Dále se zabývá metodami návrhu desek plošných spojů – pomocí informačních technologií a návrhového systému EAGLE, i technikami jejich realizace. Práce je koncipována jako výuková opora pro pedagogy těchto předmětů na ZŠ.

Annotation Diploma thesis „Realization of electronic systems in the enviroment of elementary school“ deals with the possibility of including this range of problems into teaching of technical subjects on the second grade of primary school. It also deals with designing of Printed Circuit Boards (PCB) – by using information technology and design-system EAGLE, and also techniques for their creating. Thesis is conceived as an educational support for teachers of technical subjects in elementary school.

Klíčová slova Elektronické systémy, program EAGLE, metody návrhu DPS, techniky vytváření DPS, technická výchova na ZŠ. Keywords Electronic systems, programme EAGLE, methods of designing PCB, techniques for creating PCB, technical education at elementary school.

2

Prohlášení

Prohlašuji, že jsem diplomovou práci zpracoval samostatně a použil jen prameny uvedené v seznamu literatury.

V Brně dne 20. dubna 2014 Tomáš Hromčík

3

Poděkování

Především bych chtěl poděkovat svému vedoucímu bakalářské práce, Mgr. Martinu Kučerovi za odborné vedení při zpracování bakalářské práce, za cenné rady, připomínky a odborné konzultace.

4

5

Obsah

ÚVOD ...... 7

1 SOUČASNÉ TRENDY V TECHNICKÉM VZDĚLÁVÁNÍ NA ZŠ ...... 8

1.1. MOTIVACE PRO ZAŘAZENÍ TÉMATU DO VÝUKY NA 2. STUPNI ZŠ ...... 9 1.2. MOŽNOSTI ZAŘAZENÍ PROBLEMATIKY TVORBY DESEK PLOŠNÝCH SPOJŮ PODLE RVP-ZV ...... 10

2 REALIZACE DESEK PLOŠNÝCH SPOJŮ ...... 14

2.1 SOUČASNÉ METODY NÁVRHŮ DESEK PLOŠNÝCH SPOJŮ ...... 15 2.2 MOŽNOSTI VYUŽITÍ INFORMAČNÍCH TECHNOLOGIÍ PRO TVORBU NÁVRHŮ DESEK PLOŠNÝCH SPOJŮ ...... 21 2.3 SOUČASNÉ NEJPOUŽÍVANĚJŠÍ TECHNIKY VÝROBY DESEK PLOŠNÝCH SPOJŮ ...... 26

3 NÁVRHOVÝ SYSTÉM EAGLE V PROSTŘEDÍ ZŠ ...... 35

3.1 POPIS VÝVOJOVÉHO PROSTŘEDÍ ...... 36 3.2 ZÁKLADY VYTVÁŘENÍ SCHÉMAT ...... 43 3.3 ZÁKLADY VYTVÁŘENÍ NÁVRHŮ DESEK PLOŠNÝCH SPOJŮ ...... 51

4 ZÁVĚR ...... 57

POUŽITÁ LITERATURA ...... 58

SEZNAM OBRÁZKŮ ...... 61

SEZNAM PŘÍLOH ...... 64

PŘÍLOHY ...... 65

6

Úvod

Práce si klade za cíl vytvořit výukovou oporu zabývající se problematikou realizace elektronických systémů v prostředí ZŠ. Informace, uvedené v opoře, mohou využít učitelé technicky zaměřených předmětů k obsahovému rozšíření učiva. První kapitola pojednává o aspektech zařazení problematiky realizace elektronických systémů do výuky technicky zaměřených předmětů na druhém stupni ZŠ podle Rámcového vzdělávacího programu pro základní vzdělávání (dále jen RVP-ZV). Ve druhé kapitole práce popisuje náležitosti správně nakresleného schématu zapojení, návrhu DPS včetně osazovacího plánu. Práce popisuje pravidla, týkající se kreslení schémat a vytváření návrhů DPS. Dále jsou zde v přehledu uvedeny návrhové systémy pro vytváření DPS. Následující podkapitola popisuje tři techniky, které jsou adekvátní podmínkám ZŠ. Jedná se o tyto: vyškrabávání barvy nanesené na cuprextitové desce, nažehlování toneru a fotocestu. Poslední kapitola této práce je zaměřena na možnost zařazení počítačového návrhového systému EAGLE do výuky a práci s ním. Nejprve je popsáno vývojové prostředí tohoto programu. Dále je na vybraném zapojení ukázána práce s modulem schémat – Schematic a modulem pro návrh DPS – Board. Všechny postupy jsou popsány na vybraném elektronickém obvodu – zapojení dvou- LED diodového blikače s integrovaným obvodem NE555.

7

1 Současné trendy v technickém vzdělávání na ZŠ

Vyučování technické výchovy na základních školách prošla velkými změnami. Nynějším trendem vyučování technické výchovy na základních školách je vyučování informatiky a dílenské praxe jsou zanedbávány. Hrbáček (2012, str. 1) uvedl: „Je obecně známo, že za posledních dvacet let se téměř vytratily v mnoha oblastech výuky experimenty, učební pomůcky, modely, praktické ukázky a cvičení. Výuka technické výchovy na základních školách se významně zredukovala, změnila svůj obsah a práce v dílnách je již téměř vzácností. Uvedené bylo většinou nahrazeno počítačovými animacemi, simulacemi či videonahrávkami.“ Zela (2012, str. 41-61) ve své diplomové práci prezentuje výsledky výzkumného šetření, které se zabývá zařazováním tematických okruhů ze vzdělávací oblasti Člověk a svět práce do výuky na 2. stupni základní školy. Výzkum byl na ZŠ prováděn ve školním roce 2010/2011, a to formou dotazníku. Do šetření bylo zapojeno 26 základních škol. Byly zde zahrnuty jak menší ZŠ, tak i školy ve větších městech. Rozložení dotazovaných škol bylo následující: 7 škol v obcích (do 3 000 obyvatel), 7 škol v malých městech (3 001 – 30 000 obyvatel) a 12 škol ve velkých městech (více jak 30 000 obyvatel). Výsledky výzkumu jsou následující: Podle výzkumu je předmět pracovní činnosti na základních školách nabízen častěji jako předmět povinný, než volitelný. Když předmět pracovní činnosti není žákům nabízen, tak nejčastějším důvodem, proč tomu tak je, bývá absence školních dílen. Ve výzkumu se dále zabývá otázkou, zda jsou pracovní činnosti vyučovány častěji v obcích, než-li větších, či velkých městech. Tato hypotéza nebyla potvrzena. Dále se zabýval náplní předmětu pracovní činnosti. Zde bylo zjištěno, že tematický okruh Práce s technickými materiály je v tomto předmětu vyučován častěji, než tematický okruh Design a konstruování. Právě elektronika, do které spadá mj. i zaměření této práce, bývá ze všech výše zmíněných oblastí vyučována nejméně. Dále bylo zjištěno, že 21% dotazovaných škol nemá aprobované učitele pro výuku pracovních činností. Výuku tohoto předmětu má v ŠVP zahrnutou 73% škol, které se do výzkumu zapojily. A poslední zjišťovanou oblastí byla dotace předmětu. Výsledky jsou následující: na 68% škol je předmět vyučován pouze jednu hodinu týdně, 21% škol vyučuje předmět 2 hodiny týdně, 11% škol vyučuje předmět 5 hodin týdně formou blokové výuky ve školním roce. Nejčastější důvody, proč se to tak děje jsou tyto – buď nemá škola dostatečně zařízenou školní dílnu pro výuku technických předmětů, nebo v této oblasti pedagogové, do

8 jejichž kompetence tato výuka spadá, nemají potřebné znalosti a dovednosti pro zařazení tohoto, i podobných témat do výuky. (Zela, 2012, str. 41-61)

1.1. Motivace pro zařazení tématu do výuky na 2. stupni ZŠ

Proč by měla být do výuky na ZŠ zařazen právě obsah realizace elektronických systémů? Z úvodu v první kapitole vyplývá, že témata týkající se návrhu a vytváření DPS nebo v širším pojetí elektroniky a elektrotechniky, většinou nebývají zařazována do výuky, i když je k tomu podle RVP-ZV vyčleněno několik tematických okruhů ve vzdělávací oblasti Člověk a svět práce. Jak píše Pecina (2009, str. 1): „Elektronika je v současné době velmi významným fenoménem, že je nutné se jí v odpovídající podobě ve výuce praktických činností na druhém stupni základní školy věnovat.“ Dále popisuje, že podmínkou pro tuto výuku není třeba mít profesionálně zařízenou laboratoř nebo dílnu, nýbrž i v amatérských školních či domácích podmínkách je možná realizace různých zajímavých elektronických zařízení – jako jsou například různé blikače, melodické zvonky, nabíječky, alarmy, elektronické zámky a mnohá další. „Zkušenosti z praxe ukazují, že se žáci experimentální praktické činnosti v této oblasti rádi věnují. Elektronika je také ideálním nástrojem při realizaci technické zájmové činnosti. Zaujetím dospívajících pro praktickou elektroniku můžeme vyhledat již na základní škole budoucí vědce – techniky a také vyplnit mezery v nabídce volnočasových aktivit. Tento obor rovněž poskytuje mnohé možnosti k rozvoji kreativity žáků.“ (Pecina, 2009, str. 1) Friedmann (2003, str. 82) dále uvádí: „Velmi atraktivní je pro žáky sestavování jednoduchých elektronických zapojení pomocí tištěných spojů“. Z výše uvedeného odstavce je motivace pro zařazení realizace elektronických systémů do výuky technicky zaměřených předmětů – pracovních činností, na základních školách zjevná. Na základních školách, kde se tato problematika zařazuje do učebního procesu, se žáci na tyto předměty těší, mají o ně zájem a baví je to. Dále je zde poznamenáno, že když se nám podaří zaujmout dospívající žáky elektronikou, tak je možné, že se někteří jedinci, pro tuto tak perspektivní oblast, „zapálí“ a můžou z nich být budoucí vědci, technici. (Pecina, 2009, str. 1) V současné době se pro žáky na některých základních školách nabízí právě mimoškolní aktivity zaměřené například na praktickou elektroniku, robotiku a třeba i programování – a to v různých programovacích jazycích. „Na základní škole v Židlochovicích již druhým rokem probíhají technické kurzy. Stavbě a programování robotů se

9 zde věnují systematicky žáci již od třetí třídy. Ukazuje se, že právě třetí třída základní školy je ideální věk, kdy se začít programování a stavbě robotů systematicky věnovat.“ (Hrbáček, 2013b)Kurz stavba a programování robotů dále probíhá např. na dvou dalších ZŠ v Brně, a to: ZŠ Antonínská, ZŠ Křídlovická. Výuka této mimoškolní aktivity na těchto uvedených základních školách probíhá prvním rokem. Žáci v této výuce jen neprogramují, ale vytváří si vlastní doplňky a zařízení, jako jsou například: malé semafory, majáky s jednou nebo čtyřmi LED diodami. Jejich úkolem je vytvoření konstrukce výrobku a taky správné osazení a zapájení desky. Po zapájení se děti učí tyto desky oživovat. (Hrbáček, 2014b) Dále se tady nesmí opomenout žák, jako hlavní aktér při výuce. Podle Maňáka (1999, str. 23) je optimální pořadí fází výuky následující: motivace, expozice, fixace, diagnóza a aplikace. V literatuře bývá označována motivační fáze výuky, za tu nejdůležitější. Musíme umět upoutat žákovu pozornost. Jsou předměty, kde je motivace žáků velmi obtížná, neřkuli nemožná. To ale není případ elektroniky – v tomto případě může být motivace postavena na demonstraci již hotového, funkčního výrobku, který žáci budou vyrábět. I když je motivace žáků v této oblasti poměrně snadná, tak příprava na celou vyučovací hodinu nesmí být podceněna.

1.2. Možnosti zařazení problematiky tvorby desek plošných spojů podle RVP-ZV

Podle RVP-ZV (2010) může být oblast realizace elektronických systémů zařazena do výuky na druhém stupni základní školy. Konkrétně je zařazena ve vzdělávací oblasti a stejnojmenném vzdělávacím oboru „Člověk a svět práce“. Nyní bude přiblížena vzdělávací oblast Člověk a svět práce. Šubrt (2010, str. 17) napsal, že: „Vzdělávací oblast Člověk a svět práce postihuje široké spektrum pracovních činností a technologií, vede žáky k získání základních uživatelských dovedností v různých oborech lidské činnosti a přispívá k vytváření životní a profesní orientace žáků…Vzdělávací oblast Člověk a svět práce se cíleně zaměřuje na praktické pracovní dovednosti a návyky a doplňuje celé základní vzdělání o důležitou složku nezbytnou pro uplatnění člověka v dalším životě a ve společnosti. Tím se odlišuje od ostatních vzdělávacích oblastí a je jejich určitou protiváhou. Je založena na tvůrčí myšlenkové spoluúčasti žáků. Z toho jistě vyplývá, že vzdělávací oblast Člověk a svět práce má své nezastupitelné místo v základním i dalším vzdělávání.

10

Jak lze vyčíst z RVP-ZV, vzdělávací oblast Člověk a svět práce se pro druhý stupeň ZŠ dělí na 8 tematických okruhů. Pro úplnost jsou zde vyjmenovány: Práce s technickými materiály, Design a konstruování, Pěstitelské práce a chovatelství, Provoz a údržba domácnosti, Příprava pokrmů, Práce s laboratorní technikou, Využití digitálních technologií, Svět práce. Šubrt (2010, str. 17-18) dále uvádí, že je důležité poznamenat, že z nabídky tematických okruhů na druhém stupni je okruh Svět práce povinný. K tomuto okruhu je škola povinna zvolit si ještě minimálně jeden tematický okruh a všechny je odučit v plném rozsahu. Vzhledem k zaměření vzdělávacího okruhu Svět práce je vhodné jej zařadit do nejvyšších ročníků 2. stupně. Problematiku realizace elektronických systémů lze podle Peciny (2009) zařadit do těchto tří tematických okruhů:  Design a konstruování,  Práce s laboratorní technikou,  Práce s technickými materiály. Pro problematiku, jíž se tato práce zabývá, nejvíce vyhovuje tematický okruh „Design a konstruování“. Vzhledem k zaměření práce jsou důležité právě tyto tři tematické okruhy. Proto jsou zde přiblíženy pouze ony. V RVP-ZV (2010) ke každému vzdělávacímu oboru obsahuje „Očekávané výstupy žáka“ a „Učivo“. Tyto tři výše zmíněné tematické okruhy jsou v tomto dokumentu definovány následujícím způsobem.

 Design a konstruování. o Očekávané výstupy žáka: . sestaví podle návodu, náčrtu, plánu, jednoduchého programu daný model, . navrhne a sestaví jednoduché konstrukční prvky a ověří a porovná jejich funkčnost, nosnost, stabilitu aj., . provádí montáž, demontáž a údržbu jednoduchých předmětů a zařízení, . dodržuje zásady bezpečnosti a hygieny práce a bezpečnostní předpisy; poskytne první pomoc při úrazu. o Učivo: . stavebnice (konstrukční, elektrotechnické, elektronické), sestavování modelů, tvorba konstrukčních prvků, montáž a demontáž, 11

. návod, předloha, náčrt, plán, schéma, jednoduchý program.

 Práce s laboratorní technikou. o Očekávané výstupy žáka: . vybere a prakticky využívá vhodné pracovní postupy, přístroje, zařízení a pomůcky pro konání konkrétních pozorování, měření a experimentů, . zpracuje protokol o cíli, průběhu a výsledcích své experimentální práce a zformuluje v něm závěry, k nimž dospěl, . vyhledá v dostupných informačních zdrojích všechny podklady, jež mu co nejlépe pomohou provést danou experimentální práci, . dodržuje pravidla bezpečné práce a ochrany životního prostředí při experimentální práci, . poskytne první pomoc při úrazu v laboratoři. o Učivo: . základní laboratorní postupy a metody, . základní laboratorní přístroje, zařízení a pomůcky.

 Práce s technickými materiály. o Očekávané výstupy žáka: . provádí jednoduché práce s technickými materiály a dodržuje technologickou kázeň, . řeší jednoduché technické úkoly s vhodným výběrem materiálů, pracovních nástrojů a nářadí, . organizuje a plánuje svoji pracovní činnost, . užívá technickou dokumentaci, připraví si vlastní jednoduchý náčrt výrobku, . dodržuje obecné zásady bezpečnosti a hygieny při práci i zásady bezpečnosti a ochrany při práci s nástroji a nářadím; poskytne první pomoc při úrazu. o Učivo: . vlastnosti materiálu, užití v praxi (dřevo, kov, plasty, kompozity), . pracovní pomůcky, nářadí a nástroje pro ruční opracování, . jednoduché pracovní operace a postupy, . organizace práce, důležité technologické postupy, . technické náčrty a výkresy, technické informace, návody,

12

. úloha techniky v životě člověka, zneužití techniky, technika a životní prostředí, technika a volný čas, tradice a řemesla. Problematika realizace elektronických systémů může být rozložena do těchto tří výše zmíněných okruhů. Pro zařazení se jeví jako nejvhodnější tematický okruh Design a konstruování. Z pohledu vyučování tohoto okruhu se problematika realizace elektronických systémů může promítnout do výuky následujícím způsobem. Kreslení schémat a navrhování desky plošného spoje (DPS). Například z pohledu ZŠ je vhodné používat návrhovou metodu dělicích čar. Dále se zde může objevit vytvoření vlastní desky, její osazení, zapájení, ale na tyto operace by neměl být kladen hlavní důraz. V tematickém okruhu Práce s technickými materiály již nebude primární kreslení schémat a návrhu DPS, ale např. realizace desky plošného spoje vytvoření úložného prostoru pro DPS, samotná operace pájení, stříhání DPS apod. Pro tematický okruh Práce s laboratorní technikou by měla být výuka cílena na měření na již hotových deskách např. tzv. „oživování“ elektronického systému – v případě ZŠ připadá v úvahu nejčastěji měření pomocí multimetru, práce s napájecím zdrojem apod.

13

2 Realizace desek plošných spojů

Kučera (2014, str. 1) napsal: „Deska plošných spojů (DPS) v dnešním slova smyslu tvoří základ mechanického připevnění součástek včetně jejich vodivého spojení již více než 80 let. Za tu dobu se DPS staly běžnou součástí převážné většiny domácích spotřebičů a je tedy pravděpodobné, že se s nimi žáci dříve či později setkají například při jejich údržbě (vyčištění PC od prachu apod).“ Definice DPS může být vyložena následujícím způsobem (Anon., 2014): „Deska plošného spoje je deska z nevodivého materiálu, na které jsou natištěny nebo vyleptány vodivé vrstvy (cesty). Deska slouží k uchycení součástek a jejich vzájemného propojení vodivými cestami tak, aby vytvořili pracovní obvod nebo funkční sestavu. DPS může mít vodivé cesty na obou stranách desky a ty můžou být tzv. vícevrstvé. To je více DPS slisovaných v jednu, kde jednotlivé desky jsou oddělovány izolačními vrstvami. Většina DPS jsou vyrobeny z kompozitních materiálů – z plastových nebo skelných vláken a pryskyřice a měděné vrstvy, ale na výrobu DPS může být použita celá řada jiných materiálů.“ Jak píše Plíva (2010, str. 66), první náznaky DPS se objevují již v 50. letech 19. století. Byly to prkénka, na kterých byly umístěny první elektronické součástky. Těm bylo

Obr. 1 – první DPS Obr. 2 – DPS dnes vodivé spojení zajišťováno buď drátky, anebo kovovými pásky. Ale to byly pouze první náznaky DPS. Za její vynález můžou dva muži – Charles Ducas a Paul Eisler. První jmenovaný – Charles Ducas, roku 1925 patentoval metodu tisku vodivého materiálu na nevodivou podložku pomocí standardní tiskové planžety. Druhý z nich – Paul Eisler, v roce 1943 patentoval technologii leptání měděné folie použitelné při sériové výrobě. Jen pro zajímavost – prvním výrobkem, kde byla tato deska použita, bylo rádio. Na obrázku 1 je

14 zobrazena první sériově vyleptaná a osazená DPS. Naproti tomu obr. 2 demonstruje současnou podobu DPS, kde je oproti obr. 1 zejména patrná velmi zvýšená hustota součástek. Také velikost součástek je ve značném nepoměru. Plíva (2010, str. 66) dále uvádí, že jedna vodivá strana na DPS postačovala do doby, kdy každá elektronická součástka měla své vlastní pouzdro a dokud byly součástky dostatečně velké – například tranzistor o velikosti řádově v centimetrech. Právě ve vývoji tranzistorů se pokračovalo velmi rychle – místo velikosti centimetrů na tranzistor jich mohlo být v mocninách desítky na mm2. Díky takové hustotě součástek již nebylo možné vytvořit požadovaný obvod na jedné vodivé straně – dokonce i za použití propojek. Bylo ve snaze nějak vodivě propojit obě strany DPS. Byly zde různé technologie – například: připájené drátky, pasta natlačená do otvorů apod. V té době se testovali různé technologie – například: připájené drátky, pasta natlačená do otvorů apod. Tyto technologie se ale nesetkávaly s potřebnými parametry. Nový impulz do vývoje DPS vdechla americká firma Hazeltyne, a to v roce 1961, kdy patentovala metodu pokovení otvorů. Za zmínku stojí v současné době vyvíjené technologie výroby DPS a technologie jejího osazování. Tyto technologie jsou pro potřeby ZŠ nadprahové a jsou zde uvedeny jen pro zajímavost. Jsou to například technologie: SMT (Surface-Mounted Technology) – povrchová montáž součástek; CSP (Chip Scale Packages) – pájecí plošky přímo na ploše čipu; PTF (Polymer Thick Foil) – zapouzdření pasivních součástek přímo do jádra desky apod. (Záhlava, 2010, str. 20-35)

2.1 Současné metody návrhů desek plošných spojů

Metodou návrhu DPS se rozumí funkční rozmístění a vodivé propojení jednotlivých elektronických součástek, a to jak aktivních tak pasivních. Na rozdíl od techniky výroby DPS – například tzv. fotocesta, nažehlování toneru apod. Techniky výroby DPS jsou popsány v podkapitole 2.3. Mezi 2 běžně využívané metody patří metoda spojovacích čar a metoda dělicích čar. (Kučera 2014 str. 1-2) Rozdíl mezi oběma návrhovými metodami demonstruje obrázek 3 – návrh DPS metodou dělicích čar a obr. 4 – návrh metodou spojových čar. Kučera (2014, str. 2) napsal: „Z pohledu výuky na ZŠ je vhodné zvolit metodu dělicích čar zejména kvůli velkým pájecím plochám, menší náchylnosti k podleptání a vyšší odolnosti vůči tepelnému namáhání DPS během pájení. Platí přitom, že čím větší jsou mezery mezi plochami, tím menší je riziko jejich nechtěného propojení při pájení.“

15

Jak pro metodu dělicích čar, tak pro metodu spojových čar lze využít ručního návrhu

Obr. 3– metoda dělicích čar Obr. 4– metoda spojových čar nebo návrhu za použití informačních technologií (počítače a návrhového SW). Oba způsoby navrhování mají svá pozitiva i negativa. Například klady ručního návrhu jsou, že není potřeba počítače a návrhového SW, který může být zpoplatněn. Tato volba je tedy velmi ekonomická. Za pomocí ručního návrhu lze navrhnout i složitější a velmi složité obvody. Její nevýhodou je požadavek na vysokou přesnost při rýsování návrhu – např. rozteče nožiček u součástek (obtížné zvláště u integrovaných obvodů). Naopak při použití informačních technologií při návrhu tuto přesnost za návrháře dodržuje program. Při znalosti práce v nějakém návrhovém SW je práce poměrně usnadněna. Programy umí exportovat data pro různé použití – pro tisk, pro firmy vyrábějící DPS apod. Nevýhodou této volby je její finanční náročnost oproti ručnímu navrhování. Ještě předtím, než se práce bude věnovat návrhům DPS, tak zde budou uvedena návrhová pravidla. Zejména u začátečníků je vhodné tato pravidla dodržovat. Pro funkční návrh DPS je důležité to, co návrhu předchází. A to je vytvoření obvodového schématu. Pro návrh schématu, potažmo DPS je, podle Záhlava (2010, str. 57), nutné dodržovat následující pravidla:  Správná obvodová funkce,  Vyrobitelnost a snadné osazování,  Spolehlivost a snadná osaditelnost,  Estetický design,  Nízká cena,  Shoda s platnou legislativou, tedy se zákony, předpisy a normami z oboru EMC (Elektromagnetické kompatibility) i bezpečnosti (= izolační vzdálenosti, proudové zatížení…). Dále zde popisuje, že je třeba dodržovat základní zásady, jako jsou: šířka vodivých

16 cest, minimální izolační vzdálenost (jedné vodivé plochy od druhé), velikost pájecí plošky v poměru s vyvrtanou dírou, k IO napájet blokovací kondenzátor a samozřejmá věc, že dvě různé vodivé cesty se nesmí křížit (jinak by mohlo dojít ke zkratu). Cílem této práce je vytvoření výukové opory pro pedagogy, aby mohli zařadit realizaci DPS do výuky technicky zaměřených předmětů na ZŠ. Z toho také vyplývá, správná volba obvodů. Obvody by měli být vybírány tak, aby nepřekračovali určitou míru složitosti. Je nutné klást důraz na ekonomiku – aby cílený výrobek byl co možná nejlevnější. Následující obrázky 5 a 6 demonstrují správně, potažmo špatně nakreslené schéma (ty neřeší

Obr. 5– správně nakreslené schéma funkčnost obvodu, ale návrhová pravidla). Pod oběma obrázky schématu je uveden popis, jenž poukazuje na dodržení nebo nedodržení pravidel pro kreslení schémat. Schémata jsou kreslena v programu EAGLE. Pro jednoduchost – je zde malý počet součástek – byl zvolen obvod nabíječky baterií. Schéma na obrázku 5 je správně zhotoveno. Má všechny náležitosti dobře navrženého schématu. Je přehledné – nejsou zde zbytečná překřížení čar a všechny názvy jsou bez výjimky vodorovně, každá součástka je řádně pojmenována a nechybí u nich hodnoty součástek.

Obr. 6– špatně nakreslené schéma 17

Na obrázku 6 je zobrazeno schéma, které není navrženo správně – nesplňuje všechny náležitosti jako schéma na obrázku 5. Pro úplnost jsou zde uvedeny: na schématu je kombinace používaných schematických značek součástek (americké vs. evropské), názvy u součástek nejsou v jednom (vodorovném) směru a chybí zde taky hodnoty u některých součástek. Ze shrnutí výše uvedených fakt jsou zformulována tato pravidla:  Názornost a jednoduchost – schéma musí být čitelné a nemělo by v něm docházet ke zbytečnému křížení čar, označení a hodnoty součástek musí být vedeny jedním směrem (nejčastěji vodorovně),  Kompletnost – u každé součástky musí být uveden její název, a hodnota součástky. U součástek, které nemají elektrickou veličinu, tak se udává její konkrétní typ. Pokud by to však znamenalo nepřehlednost schématu, tak se typ součástky neuvádí – ale uvádí se pouze do popisového pole k názvu součástky,  Jednotnost – v každém schématu je nutné dodržovat jednotné značení (americké, evropské, české; všechny typy značení vyplývají z určité normy. Výše zmíněná pravidla je vhodné dodržovat a vyžadovat je zejména po žácích ZŠ. Když je schéma správně navrženo, tak následuje další krok, a to vytvoření návrhu DPS. Jak bylo poznamenáno v úvodu této podkapitoly, návrhem DPS se rozumí funkční rozmístění a vodivé propojení jednotlivých elektronických součástek. Při návrhu schémat se rozlišuje, zda se jedná o tzv. osazovací plán – tj., rozmístění součástek na DPS nebo návrh DPS – pouze vodivé cesty bez součástek). Stejně tak jako existují pravidla pro kreslení schémat, tak i návrh DPS mají svá pravidla.

Obr. 7– správně navržený osazovací plán Nejprve se práce zaměřuje na osazovací plán DPS. I u osazovacího plánu dochází při návrhu často k chybám. Na obrázku 7 je osazovací plán zobrazen správně. Důležité je, že jsou 18 zde zobrazeny pouze součástky na DPS, nikoli vodivé cesty mezi nimi. Stejně jako u schématu, se zde musí dodržovat orientace názvů součástek – vodorovně. Oproti schématu se zde k součástkám nepíší hodnoty nebo přesný typ dané součástky.

Obr. 8– špatně navržený osazovací plán Obrázek 8 ukazuje, jak osazovací plán DPS nemá vypadat. Na první pohled je zde vidět, co je zde špatně. Je to nepřehlednost tohoto osazovacího plánu. Ta plyne hned z několika důvodů. Mimo součástky jsou zde zobrazeny vodivé cesty/plochy (modrá barva) mezi nimi, dále to jsou různě orientované názvy jednotlivých součástek. Poslední zobrazenou chybou je přebytečné množství informací – konkrétně u rezistoru je uvedena jeho hodnota a dále u integrovaného obvodu je uveden jeho přesný typ. To jsou ovšem záležitosti schématu. Z výše popsaných obrázků vyplývají následující pravidla pro návrh osazovacího plánu:  Přehlednost – osazovací plán má zobrazovat pouze součástky a jejich názvy, nikoli vodivé cesty mezi součástkami, jejich hodnoty, přesný typ součástky. Dále je nutné dodržovat orientaci názvů součástek.  Uspořádání součástek – součástky by měli mít buď svislou, nebo vodorovnou orientaci. Dále je nutné je uspořádat tak, aby návrh DPS byl co možná nejjednodušší, ale musí se klást důraz na funkční (např. rozmístění ovládacích prvků na DPS) a estetické hledisko. Dále zde budou popsány pravidla pro navrhování DPS. Jak je psáno v úvodu této podkapitoly, pro návrh DPS je možné využít dvou standardních metod, a to metodu spojovacích nebo dělicích čar. Kučera (2014, str. 2) píše, že pro základní školu je vhodnější používat při návrhu DPS metodu dělicích čar. Dále jsou zde vypsány důvody, proč je tato

19 návrhová metoda vhodnější oproti metodě dělicích čar. To je hlavním aspektem, proč je zde popsána právě metoda dělicích čar. Následující obrázky jsou barevné pro lepší přehlednost. Při samotné realizaci DPS bývají většinou černobílé – záleží na zvolené technice vytváření DPS. Ještě je podstatné uvést, že některé techniky vyžadují zrcadlený návrh DPS a jiné ne. Práce se této problematice bude věnovat v kapitole 2.3. Na obrázku 9 je správně navrhnutá DPS metodou dělicích čar. Jak vypovídá obrázek, tak při návrhu DPS je podstatné mít zobrazeny pouze vodící cesty (v tomto případě vodivé plochy – modrá barva) a pájecí plošky (zelená barva). Bílá barva zobrazuje dělicí čáry. Dále je nutné, aby byly dělicí čáry, jež oddělují vodivé plochy dostatečně široké. Tím se zajistí, že při pájení bude menší možnost neúmyslně propojit oddělené vodivé plochy nebo náhodné přeskočení elektrického náboje a následný zkrat. To by hrozilo v případě, že by vodivé plochy neměli dostatečnou izolační vzdálenost.

Obr. 9 – správně navržená DPS Obrázek 10 poukazuje na špatný návrh. První, čeho si lze povšimnout je, že se na návrhu objevují i elektronické součástky, které zde nemají být, stejně tak názvy a hodnoty u nich. Zejména u začátečníků se lze často setkat s nedostatečně širokými dělicími

Obr. 10 – špatně navržená DPS 20

čarami. Zde je velká pravděpodobnost, že by při pájení došlo ke spojení dvou vodivých ploch. Jak osazovací plány, tak návrhy DPS jsou pro přehlednost zvětšeny. Z výše uvedených popisů obrázků jsou zde shrnuta pravidla pro navrhování DPS:  Forma návrhu – pro návrh DPS je podstatné mít zobrazeny pouze vodivé plochy, pájecí plošky, případně díry pro montážní prvky (např. šrouby pro upevnění desky). Dále je nutné dodržovat měřítko. S tímto souvisí tvorba technické dokumentace. Její součástí bývá schéma a dále jak osazovací plán, tak návrh DPS.  Vodivé plochy a izolace – pro správnou funkci zařízení je nezbytné dodržovat minimální šířku izolace a vodivých ploch. Obecně lze doporučit, aby šířka dělicí čáry byla minimálně 1 až 1,5mm široká. Vhodné dodržovat zejména na ZŠ.

2.2 Možnosti využití informačních technologií pro tvorbu návrhů desek plošných spojů

„Využití počítače při návrhu DPS poskytuje návrháři velmi mocné nástroje. Nejde jen o vlastní nakreslení schématu a návrh DPS. Návrhové systémy pro elektroniku obsahují mnoho vstupů a výstupů, které usnadňují nejen návrh, ale i jeho další zpracování do podoby formální projektové dokumentace, tak do elektronické formy technologických dat, potřebných pro výrobu. Výstupy návrhového programu mohou tvořit podklady pro simulace. Běžně se provádějí simulace chování číslicových nebo analogových obvodů.“ (Záhlava, 2010, str.6) Programy pro návrh DPS mají v české republice již poměrně dlouhou tradici. Hned z počátku 90. let se zde prosadila skupina CAD systémů pro návrh DPS. Mezi tyto programy se řadí například OrCAD, PADS, Eagle, či CADSTAR. Poté na náš trh začaly pronikat návrhové systémy a programy založené na těchto systémech, jako jsou například Expedition, Allegro, CR5000. (Klauz, 2013) Návrhové systémy pro DPS lze rozdělit do čtyř skupin: High-End software, Main- Stream software, Low-Cost software a Návrhové programy zdarma. U každé skupiny bude zmíněno několik zástupců, které tuto skupinu reprezentují. Tento výčet bude zahrnovat jak programy u nás známé a používané, tak i ty méně známé. (Klauz, 2013, str. 32) High-End software „V této skupině jsou programy s nejvyšším výkonem určené pro návrh komplexních desek. Tato kvalita se odráží v ceně systému, náročnosti na zaškolení uživatele i v jeho

21 složitosti (už při instalaci). Používají je většinou velké nadnárodní společnosti, ale v posledních letech i firmy, které navrhují desky na zakázku. Jejich cena začíná na zhruba 500 tis. Kč a jde často i přes 1 milion.“ (Klauz, 2013, str. 30) Jelikož se jedná o profesionální programy, které podle popisu výše rozhodně nejsou vhodné pro laiky a tudíž ani na základní školy, tak zde budou pouze zmíněny a uvedeny některé zajímavé informace. Zdrojem následujících informací je článek v časopisu DPS – Elektronika od A do Z: odborný časopis pro vývoj a výrobu v oboru elektroniky.  Allegro (Cadence Design Systems, USA) – V kategorii High-End software je tento produkt od firmy Cadence v České republice používán nejčastěji. Jedním ze zakladatelů této firmy, který se později stal jejím ředitelem, byl Dr. Jiří soukup.  CR5000/CR8000 (Zuken, Japonsko) – Tato firma u nás není příliš známá. Hlavním důvodem je zjevně absence místního distributora. Firma se zabývá návrhovými systémy od poloviny 90. let. Zajímavostí u SW (software) CR8000 je, že nejspíše jako jediný podporuje navrhování více vzájemně navazujících desek najednou.  Expedition PCB (Mentor Graphics, USA) – „Expedition PCB představuje typické profesionální high – end řešení v návrhu desky s funkcemi jako concurent engineering (paralelní práce několika návrhářů na jedné desce), integrovaný návrh s ohledem na potřeby výroby, virtuální prototypování atd.“ (Klauz, 2013, str. 30)  Pantheon (Intercept Technology, USA) – U nás opět téměř neznámý SW. Firma existuje od roku 1983. Z poloviny 90. let pochází návrhový systém Pantheon. V roce 2012 získal ocenění NPI Award za nejlepší SW pro návrh DPS. Main-Stream software „S pojmem Main-Stream software přišla svého času firma PADS, když hledala vhodný výraz pro zařazení svého stejnojmenného programu na trh. Jedná se o hlavní skupinu návrhových systémů, které sice postrádají některé speciální funkce nejvyšší skupiny High- End, ale jejich výkon je velmi dobrý, plně vyhovující pro řešení návrhu většiny desek. Vedle velkých společností, které je používají jako druhotné návrhové systémy, nacházejí své uplatnění zejména v malých a středních firmách. Jsou uživatelsky přívětivé, a tak nevyžadují

22

žádná náročná školení. Jejich cena se pohybuje řádově od několika desítek do několika stovek tisíc korun.“ (Klauz, 2013, str. 32 - 33)  Altium Designer (Altium, Austrálie) – Má moderní koncept, díky němuž se rychle usídlil na českém trhu. V návaznosti pokračuje na firmu Protel, jež se zabývala vývojem stejnojmenného SW již koncem 80. let. Jedná se o velmi úspěšné řešení návrhového systému.  OrCAD (Cadence Design Systems, USA) – Původní program pro kreslení schémat z 80. let jej proslavil. Návrh DPS se k původnímu programu přidal až později. Klauz (2013) v článku dále píše: „Dalo by se říci, že dnešní OrCAD představuje „odlehčenou“ verzi systému Allegro“.  PADS (Mentor Graphics, USA) – Tento návrhový systém vznikl již v polovině 80. let minulého století, podobně jako jiné návrhové systémy. Tento systém má návaznost na další programy od firmy Mentor Graphics.  NI Ultiboard (National Instruments, USA) – Tento program je velmi známý. Původně byl vyvinut v Nizozemí formou Ultimate, tu pak koupila firma Electronics Workbench a následně byla převzata firmou Nationals Instruments. Systém umožňuje kreslení schématu a následnou A/D simulaci Multisim, návrh desky, autorouter a 3D zobrazení. Low Cost software Klauz (2013, str. 35) píše, že: „Označení této skupiny programů může evokovat představu něčeho levného, a tudíž nepříliš dobrého, ale není tomu tak. V této skupině lze nalézt hned několik docela dobrých programů. Jejich úroveň se sice nedá porovnávat s programy uvedenými výše, ale i tak mohou návrhářům desek velmi dobře posloužit. Jejich cena se pohybuje v řádu tisíců až desetitisíců korun.“  Easy-PC (Number One Systems, UK) – Program je populární zejména v zemi jeho původu – Velké Británie. Součástí návrhového systému je kreslení schémat, návrh DPS a autorouter. Dále obsahuje inteligentní prohlížeč Gerber – ten umožňuje zpětné vytvoření desky i schématu. Tento program se pohybuje v cenové relaci od 7 500 Kč do 36 000 Kč.  Formica (Ing. Petr Horský, ČR) – Je posledním českým návrhovým systémem, který se stále prodává. Tento program má funkce kreslení schématu a návrhu DPS. Je dostupná i jeho FREE verze, pro komerční účely ho lze zakoupit od 4 000 Kč do 30 000 Kč.

23

 Vutrax (Computamation Systems, UK) – Jedná se o další návrhový systém z Velké Británie. U nás je poměrně neznámý. Tento program vznikl již v roce 1981, zahrnuje kreslení schémat, návrh DPS a 3D zobrazení. Je dostupný pro platformy Windows a Linux. Program je poskytován i ve FREE verzi. Pro komerční využití jej lze zakoupit od 5 000 Kč do 26 000 Kč.  EAGLE (CadSoft Computer, DE) – Klauz (2013) popisuje: „Tento program je velmi oblíben nejen u nás, ale zejména v Německu, USA, a v Asii, a to přesto, že se od své původní podoby z roku 1998 příliš nezměnil. Moduly programu tvoří kreslení schématu, návrh desky, a autorouter. Důvody velkého úspěchu programu EAGLE spočívají zejména v jednoduchosti ovládání, velmi dobré stabilitě programu, programovacímu jazyku ULP, velkému množství dostupných ULP aplikací a dlouhodobě příznivé cenové politice výrobce. V závislosti na zvolené verzi programu se jeho cena pohybuje cca od 6 do 34 tisíc Kč“. (Klauz, 2013, str. 36 Program eagle poskytuje také FREE verzi. (Anon., 2014 http://www.eagle.cz/freeware.htm) Návrhové programy zdarma Návrhové programy zdarma, jak popisuje Klauz (2013, str. 36-37) jsou: „Zdá se téměř neuvěřitelné, že by software pro návrh desek plošných spojů, který je poskytován zdarma, mohl být skutečně použitelný. Přesto tomu tak z nejrůznějších důvodů skutečně je. V přehledu níže jsou uvedeny plnohodnotné programy poskytované zdarma, a také programy dostupné pod GNU GPL (General Public License, které jsou však zmíněny jen stručně, protože jejich použití pro komerční účel mlže být problematické. V této skupině programů lze nalézt hned několik velmi zajímavých, které svědčí o tom, že nulová cena nemusí vždy znamenat nulovou hodnotu.“  DesignSpark (RS Components, UK) – tento program je zdarma poskytován firmou RS Components, která je distributorem elektronických součástek. V programu je implementováno kreslení schémat a návrh DPS i s 3D zobrazením. Program DesignSpark dostal ocenění NPI Award 2011 – rok před tím, než jej získal program Pantheon (ten patří do kategorie High-End programů)  ZenitPCB (Stortiny Mirko Bruno) – Tento program bude uveden jako poslední. Systém naprogramoval zkušený návrhář DPS. V programu je zahrnuto kreslení schémat, a návrh DPS. Není zde zahrnut autorouter. Program

24

je celkem zdařilý, a aby se minimalizovalo jeho komerční použití, tak je program omezen na 800 vývodů.  Fritzing (Fritzing) – „je návrhový software umožňující virtuální zapojení součástek do kontaktního nepájivého pole, kreslení schémat a návrhu desky plošného spoje jednoduchým systémem „drag and drop“. Je intuitivní, snadno ovladatelný, pravidelně aktualizovaný a v českém jazyce.“ (Konečná, 2013, str. 45) Cena Název programu Kategorie WEB Freeware (tisíce Kč)

Allegro High-End www.cadence.com NE neuvedeno

CR5000/CR8000 High-End www.zuken.com NE neuvedeno

Expedition PCB High-End www.mentor.com NE neuvedeno

Pantheon High-End www.intercept.com NE neuvedeno

Altium Designer Main-Stream www.altium.com TRIAL neuvedeno

OrCAD Main-Stream www.cadence.com TRIAL neuvedeno

PADS Main-Stream www.pads.com TRIAL neuvedeno

NI Ultiboard Main-Stream www.ni.com TRIAL 65 - 135

Easy-PC Low Cost www.numberone.com ANO* 7,5 - 36

Formica Low Cost www.formica.cz ANO* 4 - 30

Vutrax Low Cost www.vutrax.co.uk ANO* 5 - 26

EAGLE Low Cost www.cadsoft.de ANO* 6-34

Programy DesignSpark www.designspark.com ANO 0 zdarma

Programy ZenitPCB www.zenitpcb.com ANO 0 zdarma

Programy Fritzing www.fritzing.org ANO 0 zdarma

Tabulka 1 – Přehled návrhových systémů

*Programy jsou nabízeny pro nekomerční použití. Dále mají určitá omezení – např. velikost navrhované DPS nebo jsou limitovány celkovým počtem vývodů. V tomto přehledu rozhodně nejsou uvedeny všechny systémy pro navrhování DPS. Jde pouze výčet a stručný popis několika z nich. K uvedení těch nejdražších programů je důvod takový, aby bylo rozšířeno povědomí i o této oblasti. Zejména proto, aby bylo pedagogům a

25 následně i žákům jasné, že se v praxi používají nejrůznější programy, a to např. jak ze skupiny High-End tak i ze skupiny Low Cost nebo Main-Stream.

2.3 Současné nejpoužívanější techniky výroby desek plošných spojů

Techniky výroby DPS se odvíjí od zvoleného výrobního postupu. V současné době, se používají tyto 3:  Substraktivní - tento postup je založen na odstraňování přebytečné mědi z DPS – např. leptáním; (nejčastěji používaná),  Aditivní – zde se jedná o opačný postup, než je tomu u substraktivního – zde se nanáší vodivé cesty; (používají pouze velké firmy, finančně náročné),  Semiaditivní – tento postup je kombinací obou zmíněných; (používají opět velké firmy). (Schnederle, 2009, str. 9) Techniky, na které se tato podkapitola zaměřuje, jsou rovněž 3: technika „vyškrabávání“ barvy nanesené na DPS, technika nažehlování toneru, a na závěr je zde technika fotocesty. Všechny tři techniky lze realizovat v prostředí ZŠ. Záleží však na jejím vybavení – některé techniky jsou náročné. Pro demonstraci všech technik je zvolen el. obvod – dvou-LED diodový blikač s integrovaným obvodem NE555. Technika „vyškrabávání“ barvy nanesené na cuprextitové desce Tato technika je na vybavení školní dílny poměrně nenáročná. Jedná se o techniku, kde je třeba tzv. cuprextitová deska bez fotocitlivé vrstvy (deska pro DPS), krycí barva na lihové bázi, aceton, leptací kyselina – chlorid železitý, jehlový pilník či šroubovák. (Rada, 2013, str. 38) Technika se používá i na Pedagogické fakultě MU při vytváření jednoho z projektů. To znamená, že hlavně budoucí absolventi tuto techniku můžou aplikovat bez problémů. Obrázek 11 zachycuje cuprextitovou desku bez nanesené barvy. K tomu, aby bylo možné nanést barvu na desku, je nutné ji nejprve důsledně očistit a odmastit – např. acetonem. Obrázek 12 zobrazuje již očištěnou desku pokrytou krycí barvou. Toto je nutná příprava

Obr. 11 – cuprextitová deska Obr. 12 nanesená barva na cupr. desce 26 desky při použití této techniky. Nejprve je nutné mít zhotovené schéma a návrh DPS. Touto problematikou se zabývá kapitola 3 této práce. Byla zvolena návrhová metoda dělicích čar. Když je tento návrh zhotoven, může se přejít k samotné realizaci tohoto plošného spoje. Návrh DPS, který je třeba pro přerýsování je zobrazen na obrázku 13. Tento zrcadlený návrh ve velikosti 1:1 je v příloze této práce, a to pod názvem: „Zrcadlený návrh DPS dělicí čáry“. Nyní je potřeba vytištěný návrh DPS ve velikosti 1:1. Dalším krokem v tomto postupu je přerýsování vytištěného návrhu na předpřipravenou desku. Je důležité přesně odměřovat vzdálenosti z návrhu a ty pak přenášet na DPS. Na obrázku č. 14 je zobrazen již přerýsovaný návrh. Pro lepší viditelnost byly dělicí čáry zvýrazněny.

Obr. 1 – zrcadlený návrh DPS Obr. 14 – přerýsovaný návrh na desce Dalším krokem je tyto narýsované čáry proškrábat až na měděnou folii desky. To se provede buď jehlovým pilníkem, nebo plochým šroubovákem o patřičné šířce. V této části je třeba upozornit žáky, aby dbali zvýšené opatrnosti a nezranili se. Na obrázku č. 15 je zobrazena částečně vyškrabaná barva na desce a na obrázku č. 16 je ukázána již kompletně proškrabaná deska.

Obr. 15 – částečně vyškrabaný návrh Obr. 16– kompletně vyškrabaný návrh Nyní už je deska připravena na vyleptání. Pro leptání postačí jakákoli plastová nádobka ve které se bude deska leptat. Může to být např. i kelímek od „Ramy“ nebo fotografická miska. Zde je opět na místě, upozornit žáky aby byli velmi opatrní, jelikož se bude pracovat s chemikálií. Do nádoby se nalije chlorid železitý. Dále se do ní položí deska 27 mědí dolů – ta by měla plavat na hladině chloridu. Je velmi vhodné desku vkládat opatrně, aby chemikálie z nádobky nevystříkla. Při této manipulaci je doporučené mít gumové rukavice a montérovou blůzu. Na obrázku 17 je zachycena správně vložená deska do nádoby s chloridem železnatým. Délka leptání je různá. Ovlivňuje ji několik faktorů – jak silný/starý je chlorid železitý, velikost desky, tloušťka leptaných čar. Tzn., že nelze jednoznačně určit dobu leptání – ta se

Obr. 17– leptání desky v chloridu železitém Obr. 18 vyleptaná deska. může pohybovat až ke 30 minutám i více. Leptá se do té doby, než je výsledek stejný či podobný jako na obrázku 18. Je zde vidět, že se odhalená měď odleptala. Dalším krokem postupu je očištění desky od barvy. Barvu lze setřít hadrem namočeným v acetonu. Měděná folie se dále obrousí velmi jemným brusným papírem. Znovu se pak očistí acetonem. Až deska oschne tak se na ni nanese ochranná vrstva pájitelného laku na měděnou plochu desky, a to čistým štětcem – viz obrázek 19. Po zaschnutí se může deska zastřihnout na požadovanou velikost. V tomto případě je velikost vyznačena vyškrabaným a vyleptaným obdélníkem. Deska může být zastřižena např. pákovými nůžkami. Deska by neměla být upravována na kýžený rozměr broušením hran nebo řezáním. Důvodem je, že velkým podílem desky je sklolaminát – při broušení nebo řezání desky se malé částečky skelných vláken vdechují a zůstávají v plicích. Poté je třeba přenést polohu děr na desku. Jeden ze způsobů, jak toho docílit, je polohy děr odměřit z návrhu a přerýsovat. To je ovšem velmi náročné na přesnost při měření a rýsování. Jednodušším způsobem je vytisknout zrcadlený návrh DPS na pauzovací papír. Následuje jeho přesné usazení na desku, tak aby vytištěný návrh lícoval s vyleptanou deskou. Pozice děr se na desku přenesou tak, že se ostrým důlčíkem proklepnou všechny díry. Obrázek 20 ukazuje již vyvrtanou a zastřiženou desku. Pro vrtání děr je vhodné použít vrták průměru 0,8mm na díry pro součástky a 3mm na montážní díry. Pro vrtání je vhodné použití

28 vysokootáčkové vrtačky, do které je možno upnout vrták o průměru 0,8mm – např. modelářská. Na obrázku 21 zachycuje vhodnou vrtačku. Po vyvrtání všech děr již následuje samotné osazení DPS a zapájení součástek.

Obr. 19 – nanášení pájitelného laku Obr. 20 – hotová DPS Obr. 21 - modelářská vrtačka Technika nažehlování toneru Tato technika je mnohem přesnější i rychlejší oproti technice vyškrabávání barvy nanesené na cuprex. desce. Pro realizování této techniky jsou potřebné tyto prostředky: cuprextitová deska bez fotocitlivé vrstvy, laserová tiskárna, žehlička, barevné lepící papíry, chlorid železitý, líh, vaničku pro leptání. Na internetu je spousta návodů. Tento se jevil jako nejvhodnější a byl převzat od Mgr. Martina Kučery (2014, str. 3-5). První, co je potřebné pro zhotovení DPS je její návrh. Tentokrát nezrcadlený. Ten je zobrazen na obrázku 22. Návrh ve velikosti 1:1, je součástí této práce v příloze, a to pod názvem: „Nezrcadlený návrh dělicí čáry“. Ten se prozatím vytiskne na obyčejný papír. K rozměrům vytištěné předlohy je vhodné připočíst minimálně 2mm. To je velikost cuprextitu (bez fotocitlivé emulze), která je potřeba ustřihnout např. na pákových nůžkách.

Obr. 22 – nezrcadlená návrh DPS Poté následuje očištění a odmaštění desky. Postup je stejný, jak je popsán v technice „vyškrabávání“ barvy. Dalším krokem je vytištění - na laserové tiskárně, nezrcadleného návrhu DPS na lepící stranu barevného papíru. Ten se poté zastřihne s přesahem cca 5mm z každé strany.

29

Nyní přichází na řadu nažehlování. Na dřevěnou podložku se položí čistý bílý papír, na něj cuprextitová deska mědí nahoru a opět se překryje čistým bílým papírem. Termostat žehličky se nastaví na bavlnu (2 tečky u žehličky Bravo). Až bude žehlička rozehřátá na

Obr. 23 – schéma pro nažehlování toneru požadovanou teplotu, tak se přes papír začne zahřívat cuprextitová deska, a to po dobu 1 minuty. Doba zahřívání se odvíjí od velikosti desky. Pro velikost desky do cca 1dm2. Po tomto zahřátí se odloží svrchní papír a na desku se přiloží vytištěný návrh na lepícím papíře. Ten se vlivem teploty desky přilepí. Poté se vrátí čistý papír zpět na desku a opět se minutu zahřívá – na obrázku 23 je tento krok zobrazen schematicky. Dále se nechá deska zchladnout (cca 5 minut). Chladnutí se může urychlit např. ventilátorem z PC. Po ochlazení desku vložíme do nádoby s vodou, která má přibližnou teplotu jako tělo. Po cca 15 minutách by se měl papír od desky odlepit. Deska se vytáhne a nechá se osušit. Po tomto kroku může deska vypadat jako na obrázku 24. Jak je z obrázku patrné tak přilnutí toneru k desce nemusí být vždy stoprocentní. Pro úplnou jistotu, že toner přilnul, je vhodné několikrát po desce přejet prstem a odstranit tak toner, který se chytil nedostatečně. Opravu míst, kde toner nezůstal a měl, je možné provést lihovým fixem

Obr. 24 – nedostatečně nanesený toner Obr. 25 – opravená vrstva toneru lihovým fixem 30

Centropen permanent 2846m – modrý, viz obrázek 25. Je vhodné překrýt všechny velké plochy, protože toner není nanesen celistvě. Po této úpravě přichází na řadu leptání. Postup je stejný, jak je popsán v technice „vyškrabávání“ barvy. Leptání probíhá v chloridu železitém. Deska by měla plavat na hladině a mědí dolů (obrázek 17 na str. 29). Je vhodné kontrolovat desku, aby nedošlo k podleptání. Po vyleptání je nutné desku očistit – opět stejný postup, jaký je uveden v popisu předešlé techniky. Důležité je nezapomenout na nanesení ochranné vrstvy pájitelného laku na desku. Pak následuje úprava desky na konečný rozměr, vrtání a osazení. Deska připravena k osazení je na obrázku č. 26. Pro srovnání je uveden obrázek 27, který zachycuje desku ve stejné fázi.

Obr. 26 – technika nažehlování toneru Obr. 27 – technika vyškrabávání barvy Fotocesta Tato technika je ze všech tří zmíněných nejnáročnější na vybavené, ale dosahuje se s ní nejlepších výsledků. Jelikož je finančně náročná a pracuje se zde s další chemikálií – hydroxidem sodným, tak se nabízí otázka, jestli je vhodné zařadit tuto techniku do výuky. Jak uvádí Kučera (2014, str. 2), nejvhodnější technikou pro výrobu DPS na ZŠ se jeví technika nažehlování toneru. Pro realizování této metody jsou nutné tyto prostředky: cuprextitová deska FR4s fotocitlivou vrstvou (obrátek 28), osvitová jednotka (např. horské slunce), tiskárna – nejlépe inkoustová, pauzovací papír, chlorid železitý, vývojka. Na internetu je opět spousta návodů, které se touto technikou zabývají. Ty se více či méně rozcházejí. Uživatelé, na těchto serverech uvádějí, že si sami vyrábí a nanáší fotocitlivou emulzi na cuprextit, nebo si míchají např. vývojku. Tyto postupy nelze doporučit pro praktikování na ZŠ. Vývojka, chlorid železitý i cuprextit s fotocitlivou vrstvou jsou běžně dostupné. Zakoupením odpadají problémy spojené s manipulací a vlastní výrobou nebo mícháním těchto prostředků.

31

Zdrojem informací se pro tuto část staly webové stránky http://www.elweb.cz/ (Anon., 2014) a http://www.mlab.cz/ (Horkel, 2014). Prvním krokem je vytištění návrhu DPS. Nyní jsou nároky na tisk daleko vyšší, než jak tomu bylo u předchozí techniky. Z praxe se osvědčil tisk na inkoustové tiskárně na pauzovací papír. Musí se ovšem nastavit potřebné parametry tisku. Typ papíru zvolit na fólie, případně jiný fotopapír. Nastavíme tisk obrázku a DPI tisku optimálně na 300DPI. Barva špatně zasychá, tak je nutná opatrná manipulace s papírem, do doby, než barva zaschne. Vytištěný nezrcadlený návrh na pauzovacím papíru je na obrázku 29. Dalším krokem je ustřižení potřebné desky. Deska se nechává o 3 – 5mm delší na každé straně. Návrh ve velikosti 1:1, je součástí této práce v příloze, a to pod názvem „Nezrcadlený návrh dělicí čáry“.

Obr. 28 – fotocitlivá cuprextitová deska Obr. 29 vytištěný návrh na pauzovacím papíru Jak je vidět na obrázku 28, na cuprextitu je nalepena fólie. Ta zajišťuje znehodnocení fotocitlivé vrstvy. Tato fólie se sundává těsně před osvícením motivu na desku. Povrch desky se před osvícením nesmí znečistit ani očistit! Pomůcky pro osvícení – rovná deska, bublinková fólie nebo molitan, čisté sklo a 4 pevné svorky. Pokud se jako osvitová jednotka používá již zmíněné horské slunce, je nutné jej alespoň 10 minut předem zapnout, aby se zahřálo. Na obrázku 30 je zachycena deska na osvit. Na desce je bublinková fólie. Na fólii je deska, již bez modré ochranné fólie a na ní natištěný návrh na pauzovacím papíře – potištěnou stranou na měď resp. fotocitlivou vrstvu. To vše je přikryto sklem a upevněno svorkami tak, aby byl návrh co nejtěsněji přitlačen k desce. Na obrázku 31 je zachyceno osvěcování desky. Ke správnému osvícení je potřeba vědět, jaká má být doba osvěcování a v jaké vzdálenosti má být deska od zdroje UV světla. Záleží také na výkonu a počtu trubic. Při realizování desky byla doba osvitu 4 minuty a 45 vteřin. Vzdálenost byla 35 cm. Po osvícení přichází na řadu vyvolání nasvíceného motivu. To se dělá následovně. Do čisté suché misky se položí deska mědí nahoru. Poté se na ni opatrně nalije vývojka. Fotocitlivá vrstva začne ihned na vývojku reagovat a lze vidět, jak se osvícený motiv 32 vyvolává – viz obrázek 32. Na obrázku 33 je zachycena vyvolaná deska. Během vyvolávání je doporučené mít gumové rukavice. Vyvolávání desky lze urychlit tím, že se tře prstem po desce.

Obr. 30 – příprava desky na osvit Obr. 31 – osvěcování desky Správné vyvolání se může poznat tímto způsobem. Nejprve se omyje deska vodou a nad nádobou určenou pro leptání se na desku nalije trochu chloridu železitého. Pokud po následném omytí desky vodou osvícená část zrůžoví, tak se deska správně osvítila a může se přejít k leptání. Pokud ne, je potřeba ji ještě do-vyvolat. Deska se dá zpět do misky pro vyvolávání a opět se opakuje výše popsaný postup.

Obr. 32 – vyvolávání DPS Obr. 33 – vyvolaný DPS Po této části opět následuje leptání, dále pak očištění desky a nanesení ochranné vrstvy pájitelného laku, zastřižení desky na konečný rozměr, její úprava a vrtání. Postupy jsou vypsány v této podkapitole v popisování techniky „vyškrabávání“ barvy. Pro představu rozdílů výsledků mezi použitými technikami jsou zde uvedeny obrázky. Obrázek 36 – technika vyškrabávání barvy, obrázek 37 – technika nažehlování toneru a obrázek 38 – technika fotocesty.

33

Obr. 34 – technika vyškrabávání Obr. 35 – technika nažehlování Obr. 36 – technika fotocesty barvy toneru Realizovat elektronické systémy lze např. i na universální desce plošného spoje. Těch je mnoho druhů. Deska se může koupit, nebo vytvořit některou z výše uvedených technik. Na universální desce se poté realizuje zapojení pomocí operace pájení. Na jednotlivé měděné plošky se pájí nožičky součástek tak, aby jejich propojení odpovídalo schématu. Na obrázku č. 37 je zobrazena universální DPS, na které je realizované zapojení dvou-LED diodového blikače.

Obr. 37 – realizace obvodu na univerzální DPS

34

3 Návrhový systém EAGLE v prostředí ZŠ

Název EAGLE je zkratka z anglického sousloví Easily Applicable Graphical Layout Editor. Jak bylo psáno v kapitole 2.2, EAGLE patří do kategorie Low-Cost software. Na základě kapitoly 2.2 byl vybrán program EAGLE, jako vhodný návrhový systém pro výuku na ZŠ. Důvody vybrání tohoto softwaru jsou tyto: program je dostupný ve freeware verzi, na www.eagle.cz je psáno, že jej lze využít pro studijní účely, omezení spočívá pouze ve velikosti navrhované desky a počtu vrstev DPS. Dalším důvodem je, že jej v hojné míře využívají např. menší firmy pro komerční účely, tudíž se tím žáci seznámí s profesionálním návrhovým systémem. Ovládání tohoto programu je poměrně jednoduché a intuitivní. Nejsou zde žádné složité postupy a používání nástrojů, jako je tomu u SW ve vyšších skupinách těchto návrhových systémů. V neposlední řadě je důležité zmínit, že program lze využívat platformy Windows, Linux i Mac OS. Návrhový systém EAGLE je dostupný ve třech kategoriích – EAGLE Light, EAGLE Standard a EAGLE Professional. Volně šiřitelná verze je pouze první zmíněná – a to EAGLE Light. Tato verze má své omezení, jak je nastíněno v prvním odstavci. Je to již zmíněná velikost navrhované desky – 100 x 80 mm, dalším omezením je, že lze navrhnout maximálně dvouvrstvá DPS. Editor schématu je schopný vytvořit schéma pouze na jednom listu. Tímto končí výčet omezení, která jsou spjata přímo s funkčností a funkcemi programu. Výrobce ještě zmiňuje, že technická podpora na telefonu nebo faxu je dostupná pouze pro ty, kdo si program zakoupili. Ti, jež používají freeware verzi programu, mají možnost této podpory pouze prostřednictvím e-mailu nebo uživatelského fóra. Dále je zde uvedena podstatná věc.

Obr. 38 – možnosti návrhu DPS ve free verzi programu Kromě výše uvedených omezení, týkajících se přímo programu, má EAGLE Light stejné programové vybavení, jako EAGLE Professional. Freeware verze dokonce umožňuje zobrazení výkresu nebo návrhu DPS, který tato omezení přesahuje. Tento fakt je podstatným 35 důvodem, proč bude demonstrováno vytvoření schématu a návrhu DPS právě pomocí tohoto návrhového SW. Pro vyvrácení přesvědčení, že rozměr desky 100 x 80 mm je malý pro vytvoření nějakého složitějšího systému, výrobce na svých stránkách jako protipříklad uvádí obrázek 39. (Anon., 2009, www.eagle.cz/freeware.htm) Odkaz na webové stránky, kde se dá program zdarma stáhnout, je uveden níže, a to pro všechny tři platformy: http://www.cadsoftusa.com/download-eagle/. Popis práce s tímto návrhovým systémem bude realizován pro verzi EAGLE Light 6.50. Jelikož jde o nejnovější verzi, tak program není lokalizován do českého jazyka. Nejnovější verze tohoto programu byla vybrána proto, že jsou zde opraveny chyby z předešlých verzí – například při změně ve schématu se tato změna neprojevila v návrhu desky.

3.1 Popis vývojového prostředí

Po spuštění programu se otevře „Control panel“ EAGLU. Ten je zobrazen na následujícím obrázku.

Obr. 39 – Control panel programu EAGLE Okno bylo pro zjednodušení popisu vymezeno třemi červenými obdélníky na sektory a těm byla přiřazena čísla. Toto okno lze ovládat myší zcela standardně, jak je tomu i u jiných programů. V sektoru 1 je záhlaví tohoto okna. Jsou zde záložky File (Soubor), View (Zobrazení), Options (Nastavení), Window (Okno), Help (Nápověda). Při kliknutí na záložku File se zobrazí tyto možnosti. New (Nový), Open (Otevřít), Open recent projects (Otevřít poslední projekty), Save all (Ulož vše), Close Project (Zavřít projekt), Exit (Konec). Záložka File je nejčastěji využívána pro založení nových (New) nebo otevření stávajících (Open) projektů (Projects), schémat (Schematics), návrhů desek (Board)

36 nebo knihoven (Library). Jsou zde ještě další možnosti, jako je vytvoření skriptu (Script) nebo ULP (User Language Programme) a další, ale tyto možnosti jsou pro pokročilé uživatele a přesahují rámec této práce. Záložka Open má klasické grafické a logické uspořádání jako téměř všechny programy na počítači. Následuje záložka Options. V této záložce najdeme možnosti nastavení různých částí programu. První možností je Directories (Složky). V této části nastavení můžeme měnit zdrojové a cílové složky souborů, se kterými program pracuje. Stačí pouze přepsat „cestu“ k uvedené složce a pak své nastavení uložit. Backup (Záloha) – v této části nastavení si můžeme zvolit, jak často má provádět program automatické zálohování a kolik takových záloh může udělat. Důležitou zmínkou je, že tyto soubory jsou pojmenovávány následujícím způsobem: např. u návrhu DPS nazev_souboru.b#1. Číslo za mřížkou je označeno, o kolikátou zálohu v pořadí se jedná. Přepsáním této koncovky na .brd se z této zálohy stane plnohodnotný soubor, v tomto případě soubor návrhu DPS. Poslední užitečnou a používanou položkou je User Interface (Uživatelské rozhraní). Zde si lze nastavit parametry prostředí, v jakém návrhář pracuje (např. bílé nebo černé pozadí, apod.). Záložka Window – po kliknutí na ni se zobrazí všechna otevřená okna v programu EAGLE. Používání této funkce je velmi individuální. Některý uživatel je zvyklý používat „okna“ jiný raději mezi těmito okny přepíná pomocí této záložky. V záložce Help je opět totožná s naprostou většinou programů. Návody v této sekci jsou pouze v anglickém jazyce. Sektor 2 (obrázek 39) zobrazuje „Strom“ souborů, se kterými EAGLE pracuje. Pro použití na ZŠ bude využívaná nanejvýš položka Projects, případně Libraries. Po kliknutí na „šipku“ např. u Projects se rozbalí soubory, které tato složka zahrnuje. Sektor 3, vymezený na témže obrázku, je určen pouze pro zobrazení základního popisu označené položky ze sektoru 2. Tímto výčtem je ukončen popis hlavního okna – Control Panelu. Pro základní orientaci v tomto okně je dostatečný. Další část této podkapitoly bude věnována popisu vývojového prostředí, které se sestává z modulů Schematic (Schéma) a Board (Deska). Nejprve bude popsán první z modulů - Schematic.

37

Na následujícím obrázku je zachyceno pracovní okno modulu Schematic. V obrázku jsou rámečky odděleny jednotlivé nástroje a ke každému nástroji je přiřazeno číslo. Všechny potřebné používané nástroje budou popsány. Tyto popisy se budou v textu odkazovat právě na popis v tomto obrázku.

Obr. 40 – modul schémat Nástroje, které jsou přímo zobrazeny ikonami v panelech na pracovní ploše, jsou taky přístupné ze záhlaví tohoto okna. Pro přehlednost bude k danému nástroji vždy dopsána cesta, jak tento nástroj spustit/aktivovat alternativně. Nástroj č. 1: Open. Tato ikona otevře nové okno. V tomto okně můžeme vyhledat již vytvořené nebo rozpracované schéma (soubory s příponou .sch). Po změně přípony v levém dolním rohu na .brd, toto okno dovolí taky vyhledat a otevřít návrhy DPS. Alt. přístup: File  Open. Nástroj č. 2: Grid. Tímto nástrojem se otevře okno, ve kterém si nastavujeme tzv. rastr (mřížku) a její jednotky. Alt. přístup: View  Grid.

38

Nástroj č. 3: Save. Tento nástroj slouží k rychlému uložení rozpracovaného schématu. Pokud ještě není soubor pojmenován, tak program vyzve k zadání názvu a k určení místu uložení (totožné s volbou: File  Save as). Alt. přístup: File  Save. (Ještě je zde možnost uložení všech otevřených oken schémat, a to takto: File  Save all. Nástroj č. 4: Print. Po kliknutí na tento nástroj se spustí jeho okno – nastavení tisku. Zde lze nastavovat spoustu parametrů. Například jsou zde možnosti pro výběr tiskárny. Zde je možnost odeslání souboru přímo na tiskárnu a nechat tak schéma fyzicky vytisknout, nebo například zvolit tisk do elektronické podoby – formátu .pdf. Dále jsou zde přístupné volby, jako jsou: nastavení barevnosti dokumentu pro tisk, zrcadlení nákresu, umístění tisku na papíru/v dokumentu apod. Alt. Přístup: File  Print. Nástroj č. 6: Generate/switch to board. Tento nástroj generuje podle schématu, pro návrh DPS (board), součástky a jejich propojení pomocí tzv. vzdušných čar. Po prvním vygenerování tato ikona slouží pro přepínání mezi schématem a návrhem DPS. Alt. přístup: File  switch to board. Nástroj č. 7: Use library. Tento nástroj slouží k nahrání knihovny, která není ve zdrojové složce programu pro knihovny, pro její použití v daném schématu. Alt. přístup: Library  Use. Nástroj č. 10: Zoom to fit. Tento nástroj zobrazí celou plochu, která je pokreslena. Jako referenční bod bere nulový křížek. Alt. přístup: View  Zoom to fit. Nástroj č. 11: Zoom in. Tento nástroj přibližuje kreslené schéma. Lze využít i kolečko myši.(Přiblížení 2x) Alt. přístup: View  Zoom in. Nástroj č. 12: Zoom out. Tento nástroj je inverzní k předchozímu. Oddaluje kreslené schéma. Alt. přístup: View  Zoom out. Nástroj č. 13: Redraw. Tento nástroj slouží k překreslení (vyčištění) plochy. Alt. přístup: View  Redraw. Nástroj č. 14: Zoom selected. Tento nástroj zobrazí vybranou část. Alt. přístup: View  Zoom selected. Nástroj č. 15: Undo. Tento nástroj vrátí změny o jeden krok zpět. Alt. přístup: Edit  Undo. Nástroj č. 16: Redo. Tento nástroj posune změny o jeden krok vpřed. Alt. přístup: Edit  Redo.

39

Nástroj č. 17: Stop. Při použití tohoto příkazu přestaneme používat aktuálně aktivní nástroj. Alt. přístup: Edit  Stop. Nástroj č. 19: Help. Tato položka slouží k zobrazení okna s nápovědou. Alt. přístup: Help  zde si lze vybrat z několika možností. Nástroj č. 20: Info. Nástroj slouží k zobrazení nebo editaci informací u vybrané součástky. Alt. přístup: View  Info. Nástroj č. 21: Show. Tento nástroj zvýrazní vybraný objekt (např. cestu mezi součástkami apod.). Alt. přístup: View  Show. Nástroj č. 22: Layers. Program EAGLE pracuje s různými vrstvami. Tato funkce nám je dovolí editovat, zobrazovat nebo skrývat. Alt. přístup: View Layer settings. Nástroj č. 23: Mark. Nulový bod. Přidáním tohoto bodu můžeme přibližně měřit vzdálenost kurzoru od bodu. Tato hodnota se ukazuje v poli vlevo nahoře – na obrázku je to č. 56. Alt. přístup:View  Mark. Nástroj č. 24: Move. Pomocí tohoto nástroje lze přesouvat všechny objekty (součástky, vodivé cesty, apod.). Alt. přístup: Edit  Move. Nástroj č. 25: Copy. Nástroj umožňující kopírování součástek, které již jsou ve schématu. Alt. přístup: Edit  Copy Nástroj č. 26: Mirror. Tento nástroj slouží k zrcadlení součástek. Alt. přístup: Edit  Mirror. Nástroj č. 27: Rotate. Použitím tohoto nástroje se vybraná součástka otočí o 90°, a to v protisměru hodinových ručiček. Alt. přístup: Edit  Rotate. Nástroj č. 28: Group. Použitím tohoto nástroje lze vybrat skupinu objektů, a ty poté např. přesouvat nebo rotovat s nimi. Alt. přístup: Edit  Group. Nástroj č. 29: Change. S tímto nástrojem lze měnit parametry objektů. Používání funkcí ukrytých pod tímto tlačítkem bude popsáno v následujících podkapitolách. Alt. přístup: Edit  Change. Nástroj č. 31: Delete. Nástroj určený k mazání objektů. Alt. přístup: Edit  Delete. Nástroj č. 32: Add. Otevře seznam knihoven, ze kterých je možno do schématu přidat již naeditované součástky. Nástroj č. 36: Name. Umožňuje měnit názvy součástek ve schématu. Alt. přístup: Edit  Name. Nástroj č. 37: Value. Tímto nástrojem se mění hodnota součástky ve schématu. Alt. přístup: Edit  Value.

40

Nástroj č. 38: Smash. Tento nástroj rozdělí součástku, její název a případně hodnotu tak, že je lze kolem součástky libovolně přesunovat. Alt. přístup: Edit  Smash. Nástroj č. 40: Split. Přidá bod na čáře, tudíž se dá lépe editovat. Alt. přístup: Edit  Split. Nástroj č. 43: Text. Umožňuje přidání textu do výkresu. Alt. přístup: Draw  Text. Nástroj č. 44: Circle. Nakreslení kružnici do výkresu. Alt. přístup: Draw  Circle. Nástroj č. 45: Arc. Umožňuje kreslit oblouk s různým poloměrem, délkou a šířkou. Alt. přístup: Draw  Arc. Nástroj č. 46: Rect. Umožňuje kreslit obdélník do schématu. Alt. přístup: Draw  Arc. Nástroj č. 47: Polygon. Umožňuje nakreslení libovolné vyplněné plochy do schématu. Alt. přístup: Draw  Polygon. Nástroj č. 48: Bus. Nástroj ve schématu kreslí sběrnice. Alt. přístup: Draw  Bus. Nástroj č. 49: Net. Kreslí sítě neboli spoje ve schématu. Alt. přístup: Draw  Net. Nástroj č. 50: Junction. Umožňuje přidání bodu, který propojí sítě (spoje) ve schématu. Alt. přístup: Draw  Junction. Nástroj č. 53: Dimension. Umožňuje kreslení kót. Nástroj č. 55: Errors. Zobrazuje chyby, které odhalil nástroj Drc. Nástroj č. 56: Zobrazení pozice kurzoru od nulového bodu. Na konec tohoto výčtu nástrojů je uveden seznam nástrojů, které není vhodné používat, jelikož jsou pro žáky ZŠ nadprahové. Seznam nástrojů: CAM Procesor (č. 5), Execute script (č. 8), Run ULP (č. 9), Go (č. 18), Pinswap (č. 33), Replace (č. 34), Gateswap (č. 35), Miter (č. 39), Invoke (č. 41), Bus (č. 48), Label (č. 51), Attribute (č. 52), Erc (č. 54) a Příkazový řádek (č. 57). Nyní budou popsány ovládací prvky modulu Board. Naprostá většina ovládacích prvků je totožná. Je zde však několik funkcí, které jsou nové – využívají se jen při návrhu desky. Toto prostředí je zobrazeno na následujícím obrázku. Nástroj č. 1: Optimize. „Příkaz OPTIMIZE spojí segmenty čar, ležící v jedné přímce v signálových hladinách na jeden segment. Předpokladem je že se segmenty nalézají ve stejné hladině a mají stejnou sílu čáry. Tento příkaz je užitečný ke zmenšení počtu objektů na výkrese a k usnadnění pohybu celým spojem namísto jednotlivých segmentů.“ Alt. přístup: Edit  Optimize. (Anon., 2014, http://www.eagle.cz/)

41

Nástroj č. 3: Route. „Příkaz ROUTE, aktivuje ruční router, který Vám umožňuje přeměňovat vzdušné spoje (airwires) na fyzické plošné spoje na desce.“ Tento nástroj by se měl na ZŠ rozhodně používat. Alt. přístup: Edit  Route. (Anon., 2014, http://www.eagle.cz/) Nástroj č. 4: Ripup. Tento příkaz převádí již nakreslené fyzické spoje nástrojem

Obr. 41 – modul návrhu DPS (board) Router nebo Autorouter na vzdušné spoje (airwires). Alt. přístup: Edit  Ripup. Nástroj č. 5: Polygon. Nástroj má obdobnou funkci jako v modulu schémat. Opět kreslí vyplněné plochy – ale zde při návrhu desky slouží k tzv. rozlévání mědi na DPS. Pro ZŠ je vhodné tento nástroj používat – jsou zde větší pájecí plochy, spoj může být více teplotně zatížen při pájení atd. Alt. přístup: Draw  Polygon. Nástroj č. 6: Via. Přidává tzv. prokovy na desku (používá se např. pro přidání pájecích plošek pro propojky. Alt. přístup: Draw  Via. 42

Nástroj č. 8: Hole. Tímto nástrojem se do návrhu DPS přidávají montážní díry (např. pro upevnění desky pomocí šroubů apod.). Alt. přístup: Draw  Hole. Nástroj č. 9: Ratsnest. Nástroj vypočítává nejkratší možné vzdušné spoje nebo polygony (Polygon). Alt. přístup: Tools  Ratsnest. Na konec tohoto výpisu nástrojů je uveden seznam nástrojů, které není vhodné používat, jelikož jsou pro žáky ZŠ nadprahové. Seznam nástrojů: Meander (č. 2), Signal (č. 7), Autorouter (č. 10), Drc (č. 11). Tímto výčtem nástrojů je popis vývojového prostředí návrhového systému EAGLE postačující. V následujících podkapitolách bude nyní popsána práce v tomto programu, a to na příkladu blikače se dvěmi LED diodami a integrovaným obvodem NE555. Jedná se o zapojení astabilního klopného obvodu – tzv. multivibrátoru.

3.2 Základy vytváření schémat

Tato podkapitola bude popisovat práci s programem EAGLE a to konkrétně s modulem schémat. Vše bude vysvětleno na obvodu – blikače se 2 LED diodami, jak bylo zmíněno v předchozí podkapitole. Schéma by mohlo být vytvořeno za pomocí knihoven součástek, které jsou přímo v programu implementovány nebo jsou volně dostupné na internetu. Jelikož tyto knihovny kombinují různé normy, tak mohou být pro práci na ZŠ nevyhovující. Z tohoto důvodu byla vytvořena knihovna s omezeným počtem běžných součástek, které dodržují jednotnou normu. Pro práci s programem na ZŠ je tato knihovna postačující. Ještě před započetím samotné práce je vhodné roztřídit knihovny, které budou či nebudou používány. Způsob jakým to lze udělat: 1. Kliknout pravým tlačítkem myši na ikonu programu EAGLE  zvolit Vlastnosti  Otevřít umístění souboru.

Obr. 42 – otevření umístění souboru 43

2. Přesunout se o složku výše  otevřít složku lbr  vytvořit novou složku pojmenovanou např. knihovny_pc. 3. Označit všechny soubory (na platformě Windows zkratka Ctrl + a) a přesunout je do vytvořené složky. 4. Do složky lbr nakopírovat knihovnu s názvem knihovna_pro_ZS.lbr. Po této úpravě už následuje založení nového projektu a vytváření schématu. Postup založení nového projektu je následující. Spustit program EAGLE. Otevře se Control Panel programu. Kliknout na File  New  Project. Program založí novou složku – tu je třeba nějak pojmenovat – např. blikač. Do této složky se budou ukládat všechny soubory, které jsou spjaty s tímto projektem. Nyní je potřeba do složky založit nový list schématu. To se provede následujícím způsobem: kliknout pravým tlačítkem myši na vytvořenou složku „blikač“  New  Schematic (viz následující obrázek). Tím se otevře modul schémat. První, co je nutné udělat, je uložit toto schéma. File  Save. Program vyzve k zadání názvu

Obr. 43 – založení nového listu schématu do projektu pro schéma. Ten může mít stejné pojmenování, jako cílová složka, která byla vytvořena. Jediné co se zde zadá, tak je pouze název souboru. Nemění se ani umístění pro uložení, ani přípona ukládaného schématu – nechává se přednastavená, a to .sch. Při pohledu do Control Panelu lze vidět, že pod vytvořenou složkou již je zobrazen vytvořený soubor schématu – v tomto případě blikac.sch.

44

Po výše zmíněných krocích již začíná samotné kreslení schématu. Pro kreslení, schématu, je potřebné znát součástky, které budou použity a schéma navrhnout. Nebo stačí např. z internetu nějaké vhodné ověřené schéma stáhnout a do programu jej překreslit. Schéma bylo vytvořeno a je zobrazeno na následujícím obrázku.

Obr. 44 – schéma blikače V tabulce 2 se nachází soupis daných součástek, které jsou nutné k realizaci jednoho blikače. Počet Název Hodnota/Typ 1 Precizní patice DIL 8 - 1 Integrovaný obvod NE555 3 R1, R3, R4 1kΩ/0,5W 1 R2 20kΩ/0,5W 1 C1 100uF/63V 1 C2 100nF 1 C3 10nF 1 LED1 3MM 2MA/G 1 LED2 3MM 2MA/R

Tabulka 2 – potřebné součástky pro zapojení 45

Když jsou známi součástky, ze kterých se obvod sestává, tak přichází na řadu překreslení schématu v programu EAGLE. Nejprve se do schématu musí nahrát knihovna, která obsahuje součástky potřebné pro realizaci schématu. To se dělá následovně: kliknout v záhlaví programu na položku Library  Use. Zde se vybere požadovaná knihovna, v tomto případě knihovna_pro_ZS.lbr a klikne se na Otevřít. Nyní program umožní z požadované knihovny vybrat součástky potřebné k nakreslení schématu. Nejprve bude popsána orientace ve vytvořené knihovně součástek. Na následujícím obrázku je zobrazena knihovna.

Obr. 45 – orientace v knihovně součástek V bloku č. 1 jsou zobrazeny názvy součástek a jejich stručný popis, které obsahuje knihovna_pro_ZS. První písmeno označuje typ součástky: C – kondenzátor, D – dioda, R – rezistor, T – tranzistor. Například zkratka C_EL_5mm znamená: kondenzátor (C), elektrolytický (EL), průměr 5mm. Tento popis se u označené součástky zobrazuje v bloku 4. Segment 2 zobrazuje schematickou značku součástky. V bloku 3 je zobrazeno pouzdro součástky pro návrh DPS (modul Board). Jak bylo zmíněno, ve 4. bloku je zobrazen podrobný popis k označené součástce. Vyznačené bloky 5 a 6 slouží k vyhledávání součástek v knihovnách. Jedná se o pomocný nástroj – jeho použití je vhodné, když se pracuje s mnoha rozsáhlými knihovnami.

46

Nyní je na řadě vyskládání součástek do listu schématu. V tabulce 2 jsou psány všechny potřebné součástky. Do schématu se tedy vloží: 4x rezistor (R_0204), 1x elektrolyt. kondenzátor (C_EL_5MM), 2x keramický kondenzátor (C_K5x2MM), 2x LED dioda (D_LED_3MM), 2x KONTAKT, 1x PREPINAC a 1x integrovaný obvod NE555 (IO_NE555). Ke vkládání součástek je určen nástroj Add (v kapitole 3.1 označen číslem 32 na obrázku). Kliknutím na tento nástroj se otevře knihovna. Zde se vybere požadovaná součástka (např. C_EL_5MM) a klikne se na OK (obrázek 46). Ke kurzoru se přichytí vybraná součástka (obrázek 47). Při kliknutí do listu schématu se daná součástka zobrazí na místě kliknutí (obrázek 48). Součástku je možno umístit do schématu vícekrát – nemusí se vždy kliknout na nástroj Add a celou proceduru opakovat. Tímto způsobem se do schématu přidají všechny výše vypsané součástky.

Obr. 46 – vybrání součástky z knihovny Obr. 47 – vybraná součástka Obr. 48 – vložení součástky Až budou všechny součástky přidány ve schématu, tak se rozmístí podle Obr. . K přesouvání součástek slouží nástroj Move (č. 24). Používání tohoto nástroje je následující.

Obr. 49 – vybrání Obr. 50 – přesunutí vybrané součástky přesouvané součástky Kliknout na nástroj Move, a poté na součástku, která má být přesunuta (obrázek 49). Stačí na součástku kliknout – nemusí se při přesouvání držet levé tlačítko myši. U každé součástky je v její jedné (první) nožičce malý křížek – ten slouží jako úchytný bod součástky (tzn., že se kliká v okolí tohoto křížku pro uchycení součástky). Poté se součástka přesune na potřebné

47 místo (obrázek 50). Když se součástka přesouvá, tak je možné s ní rotovat (otočit o 90°). Toho se docílí kliknutím na pravé tlačítko myši. Další možnost, jak se součástkou rotovat, je využít nástroj Rotate (č. 27). Použití: kliknout na nástroj Rotate, a poté kliknout na součástku, která má být otočena (lze použít vícekrát na jednu součástku). Dalším krokem je přiřazení hodnoty součástkám. K tomu slouží nástroj Value (č. 37). Použití: kliknout na nástroj, následně na součástku, u které má být hodnota uvedena. Vyskočí okno, kam se vepíše hodnota (můžou se psát čísla i písmena), viz obrázek 51 a klikne se na

Obr. 51 – použití nástroje Value Obr. 52 – Obrázek 53 – použití nástroje Name Obr. 54 – hodnota u změněný součástky název OK. K součástce se přiřadí hodnota – obrázek 52. Toto se provede pro každou součástku, která má definovanou hodnotu. Součástky ve schématu K1 a K2 se přejmenují na VCC a GND. K tomu slouží nástroj Name (č. 36). Tento nástroj funguje na stejném principu jako nástroj Value. Použití: kliknout na nástroj Name, a následně na součástku, která má být přejmenována (obrázek 53). Opět vyskočí okno, do kterého se vepíše nový název součástky, ten ale nesmí být shodný s jiným názvem již obsaženým ve schématu. Změněný název u součástky je vidět na obrázku 54. Dále přichází na řadu pospojování součástek. K tomu slouží nástroj Net (č. 49). Tento nástroj se používá následovně. Klikne se na nástroj Net, a následně na nožičku nějaké součástky (obrázek 55). Od té se pak vede sběrnice k další nožičce druhé součástky (obrázek 40). Tímto se součástky propojí. Nyní se propojí všechny součástky mezi sebou, přesně podle Obr. .Při používání nástroje Net se do schématu automaticky vkládají propojovací uzly. Pokud

Obr. 55 – použití nástroje Net Obr. 56 – použití nástroje Net by se na některém místě uzel nevložil, tak je nutné použití nástroje Junction (č. 50). Po překreslení celého schématu by konečný výsledek měl vypadat jako na obrázku 44.

48

Jediným rozdílem by měla být orientace názvů a hodnot součástek. Pro přehlednost musí být schéma upraveno, jak je popsáno v kapitole 2.1 na straně 17. Aby byly všechny názvy a hodnoty součástek jedním směrem – vodorovným, se docílí použitím nástroje Smash

Obr. 57 – nastavení rastru (č. 38). Důležité je správné umístění názvu a hodnoty k dané součástce – nesmí být moc daleko od součástky, ani ji překrývat. Pro jejich správné umístění se nejprve musí nastavit tzv. rastr nástrojem Grid (č. 2). Po kliknutí na tento nástroj se otevře nové okno – viz obrázek 57. Přepnutím Off na On v položce Display se ve schématu zobrazí mřížka s roztečí jednotlivých bodů nebo čar, které definuje položka Size. Dále v položce Style se volí typ zobrazení – přímky (Lines) nebo body (Dots). Nejdůležitějším nastavením v této tabulce jsou pole Size (velikost) a Multiple (násobnost) a vhodně zvolené jednotky. Prvně se musí nastavit jednotky. Klikne se na tlačítko inch a zde se vybere mm (milimetry). Do pole Size a Multiple se pro dodržení rastru nesmí psát libovolné hodnoty, ale takové, které jej zachovávají. Několik těchto kombinací je vypsáno v tabulce 3. Volit jemnější rastr se nedoporučuje. Po nastavení rastru např. na Size: 0,635 a Multiple: 4 se klikne na OK. Dalším krokem je upravení pozic názvů a hodnot součástek již zmíněným nástrojem Smash. Size Multiple 2,54 1 1,27 2 0,635 4 0,3175 8 Tabulka 3 – hodnoty rastru

Použití: kliknout na nástroj a následně na součástku, u které má být přemístěn název nebo hodnota. Jak je vidět na obrázku č. 58, tak k názvu a hodnotě přibyli malé křížky. Pomocí

49 nástroje Move a následně Rotate přemístíme a otočíme název a hodnotu – viz obrázek 59. Toto se udělá s každou součástkou. Po dokončení této operace by schéma mělo vypadat jako na obrázku 44.

Obr. 58 – použití nástroje Obr. 59 – použití nástroje Move Smash a Rotate Překreslené schéma je nyní připraveno k tisku. Při tisku je nejvýhodnější postupovat tak, že se schéma první vytiskne do souboru „.pdf“ a z tohoto vytvořeného souboru se může

Obr. 60 – nastavení tisku 50 vytisknout na papír. K tomu slouží nástroj Print (č. 4). Po kliknutí na nástroj se otevře nové okno – obrázek 60. Pro vytisknutí schématu do souboru se tiskové okno nastaví tak, jako je na obrázeku. Jediné položky, které se zde mění jsou: Output file – místo uložení a název souboru, Paper – velikost papíru, Orientation – orientace papíru, Aligment – umístění. Toto je předposlední krok, který se týká schématu. Posledním krokem je vygenerování součástek pro návrh DPS – modul Board, ze schématu. Toho se docílí kliknutím na nástroj Generate/switch to board. Po tomto aktu se otevře nové okno, kde se program poprvé zeptá, zda si přejeme vygenerovat součástky pro návrh DPS ze schématu – obrázek 61. Klikne se na tlačítko Yes.

Obr. 61 – generování součástek pro návrh DPS ze shcématu

3.3 Základy vytváření návrhů desek plošných spojů

Po kliknutí na tlačítko Yes se vygenerují součástky se svým vzájemným propojením podle schématu. V levém dolním rohu pracovní plochy programu jsou naskládány součástky. Ty jsou mezi sebou spojeny žlutými čarami – tzv. Airwires. V okně lze vidět bílý obdélník (při defaultním nastavení programu – jinak černý). Ten vymezuje maximální možnou velikost navrhované desky. Součástky (jejich piny) mohou být umístěny pouze v této oblasti. U návrhu se začíná s tím, že se na desce nejdříve rozmístí součástky podle funkčního hlediska. Dále se pak rozmístění součástek mění tak, aby bylo navrhované schéma co nejjednodušší. To platí zejména pro ZŠ, aby následné vytváření DPS bylo co nejméně náročné. Ještě před samotným rozmístěním součástek je vhodné opět nastavit rastr. K tomu slouží opět nástroj Grid viz obrázek 57 (nástroj č. 2 označený na obrázku 40). K prvnímu rozmístění postačí nastavení nejhrubšího rastru podle tabulky 3 (str. 50), tj. Size: 2,54 a Multiple: 1. Až budou součástky rozmístěny, tak se může rastr nastavit na jemnější – Size: 1,27 a Multiple: 2 a přemístit je blíže k sobě. Rozmístění součástek na desku se dělá opět za pomoci nástroje Move(č. 24). Dále se zde může používat taky nástroj Rotate (č. 27). Funkce a používání nástrojů je totožná

51 jako v modulu schémat. Součástky se pro toto zapojení rozmístí podle osazovacího plánu – obrázek 62. Ještě předtím je vhodné použití nástroje Ratsnets (č. 6 – označení na obrázku 41, modul navrhování DPS). Na tento nástroj stačí kliknout levým

Obr. 62 - vzor pro rozmístění součástek Obr. 63 – vzor pro nakreslení cest tlačítkem myši a program přepočítá propojení mezi součástkami na nejkratší možné – podle schématu. Tím se zjednoduší schéma a další práce v programu bude přívětivější. Nyní přichází na řadu překreslení vzdušných čar na pevné. K tomu slouží nástroj Route (č. 3, obrázek 41). Použití tohoto nástroje je následující. Kliknout na něj levým tlačítkem myši. Pak se klikne (opět levým tlačítkem myši) na nožičku u součástky, která má být spojena s jinou součástkou viz obrázek 64. Poté se cesta vede k další součástce, se kterou má být spojena a opět se klikne levým tlačítkem myši – obrázek 65. Tím se součástky propojí. Všechny cesty mezi součástkami se překreslí podle obrázku 63. Tím se vytvořil návrh DPS metodou spojovacích čar. Jelikož je pro ZŠ vhodnější použití metody dělicích čar, tak je nutné

Obr. 64 – použití nástroje Route Obr. 65 – použití nástroje Route tento návrh do kýžené podoby upravit. K tomu slouží nástroj Polygon (č. 5, obrázek 41). Nástroj se používá tímto způsobem. Nástroj vybereme kliknutím levého tlačítka myši. V horní části okna, kde jsou nástroje, se zobrazila nastavení nástroje. Vše nastavíme, jak je vidět na obrázku 66.

Obr. 66 – nastavení nástroje Ratsnets

52

Nyní je nástroj nastaven a je možné začít kreslit polygony – plochy rozlévané mědi. Polygony se kreslí kolem cest od součástek, které jsou spojeny. Klikne se do pracovní plochy

Obr. 67 – kreslení polygonu Obr. 68 – uzavření polygonu a začne se kreslit polygon (obrázek 67). Polygon je nutno uzavřít. Toho se docílí tak, že se dokreslí do výchozího bodu a klikne se. Tím se polygon uzavře, jak je to zobrazeno na obrázku 68. Tím ale práce ještě nekončí. Dalším krokem je přejmenování polygonu. Nejprve se musí zjistit název pro polygon. Ten se zjistí pomocí nástroje Name (č. 36, obrázek 41). S vybraným nástrojem se klikne na cestu, kolem které je polygon nakreslen. Otevře se okno, ve kterém je napsán název cesty. Ten se označí a zkopíruje (zkratka „Ctrl“ + „c“). Opět se vybere nástroj name a nyní se klikne na nakreslený polygon. Jeho název se smaže a vloží se název (zkratka „Ctrl“ + „v“), který byl zkopírován – obrázek 69. Klikne se na OK. V této

Obr. 69 – přejmenování polygonu Obr. 70 – polygon po kliknutí na Ratsnets chvíli je polygon přejmenován. Posledním krokem je kliknout na nástroj Ratsnets (č. 6, obrázek 41). Tímto se polygon vyplní jako na obrázku 70. Polygony se nakreslí ke každé spojové čáře mezi součástkami - viz obrázek. Je nutné dodržovat izolační vzdálenost mezi polygony (tj., mezeru mezi rozlitými plochami mědi). Ta by měla být cca 1mm. Kdyby se polygony někde překrývali nebo byly blízko u sebe, tak se může zjemnit rastr (tabulka č. 3, str. 50) a polygon upravit pomocí nástroje Move (č. 24, obrázek 41). Polygony se překreslí tak, jak jsou na obrázku 24 (str. 30). Po překreslení se opět upraví názvy součástek, tak aby byly všechny vodorovně. K tomu je určen nástroj Smash (č. 38, obrázek 41). Ten pracuje stejně, jako v modulu schémat. Poté se názvy upraví pomocí nástrojů Move (č. 24, obrázek 40) a Rotate (č. 27, obrázek 40).

53

Pokud by se s DPS zamýšlelo její upevnění, tak se ještě do návrhu musí přidat montážní díry. K tomu slouží nástroj Hole (č. 8, obrázek 41). Rozmístění děr musí odpovídat předmětu, ve kterém jsou díry již navrtány nebo navrtány budou. V tomto případě je plánované desku upevnit na držák 9V baterie. Proto jsou díry v tomto schématu osazeny tam, kde jsou. V případě jiného upevnění se musí překreslit podle potřeby. Použití nástroje Hole je

Obr. 71 – použití nástroje Hole následující. Klikne se na nástroj a v levém horním rohu se vybere průměr díry. Pak už se jen klikne na místo, kde se má díra nacházet – obrázek 71. Po těchto úpravách již následuje vytisknutí návrhu DPS a osazovacího plánu. K tomu slouží opět nástroj Print (č. 4, obrázek 40). Před jeho použitím je ale nutné schéma ještě upravit. V kapitole 2.1 jsou popsány náležitosti, jak má návrh DPS a její osazovací plán vypadat. Prvně zde bude popsáno, jak nastavit program před tiskem osazovacího plánu desky. K tomu se používá nástroj Layers (č. 22, obrázek 40). Tento nástroj zobrazuje nebo skrývá vrstvy, které si uživatel zvolí. Pro osazovací plán je třeba, aby zde byly pouze součástky včetně pájecích plošek a jejich názvy. Na obrázku č. 72 je zachycena nabídka nástroje Layers.

Obr. 72 – okno Layers Na obrázku lze vidět blok Name – zde se zobrazují názvy jednotlivých vrstev. V bloku Nr se zobrazuje číslo dané vrstvy. Číslo v modrém pozadí značí, že je daná vrstva aktivní, tudíž se zobrazuje. Naopak když je pod číslem bílé pozadí, tak je daná vrstva neaktivní – nezobrazuje se. Pro vypnutí nebo zapnutí vrstvy se musí kliknout na číslo u dané vrstvy a poté kliknout na 54

OK nebo Apply. Dále, jak je vidět z obrázku 72, se zde nachází tlačítka. Tlačítka New, Change a Delete není vhodné na ZŠ používat, jsou nadprahová. Tlačítko All aktivuje všechny vrstvy, None je naopak všechny vypne. Ještě zde budou ve zkratce zmíněny vrstvy a jejich popisy. Bottom – jednovrstvé spoje, zobrazuje vodivé cesty mezi součástkami. Pads – zobrazuje pájecí plošky. Vias – zobrazuje tzv. prokovy u pájecích plošek. Dimension – zobrazuje obrys DPS. tPlace – zobrazuje obrysy součástek. tOrigins – zobrazuje uchycovací body (křížky) součástek. tNames – zobrazuje názvy součástek. Toto je výpis vrstev, které je vhodné na ZŠ používat. Ostatní vrstvy se doporučuje vypnout. Pro správně zobrazený osazovací plán jednovrstvé DPS se musí vypnout vrstva č. 16 – Bottom. Tzn., že se klikne na číslo 16 a volba se potvrdí tlačítkem Apply nebo OK. Výčet vrstev, které by měly být aktivní: Pads, Vias, Dimension, tPlace, tNames. Po tomto kroku už je možné návrh DPS vytisknout do souboru. To se provádí nástrojem Print (č.4, obrázek 40). Ten pracuje stejně, jako v modulu schémat. Když se tiskne návrh, tak jediné, co je třeba měnit, je umístění na stránce nebo název souboru a adresář, kde se má soubor uložit. V žádném případě se návrh nezrcadlí. Dalším, nejspíše nejpotřebnějším, výstupem je návrh DPS. Do jejího návrhu patří pouze vodivé spojení mezi součástkami, pájecí plošky s prokovy, montážní díry a ještě obrys desky. Výčet zašlých vrstev: Bottom, Pads, Vias, Dimension. Všechny ostatní vrstvy se nastaví jako neaktivní. Tím se docílí toho, že návrh bude vypadat jako na obrázku 13 (str. 28). Nyní přichází na řadu tisk. Zde se již musí nastavit specifické parametry tisku. Na obrázku 73 je výřez nastavení tisku. Položka Mirror se zaškrtne pouze tehdy, je-li žádán

Obr. 73 – nastavení tisku zrcadlený výstup. To je např. v případě, že se pro realizaci DPS zvolí technika vyškrabávání barvy. Políčko se neoznačuje, pokud bude zvolenou technikou nažehlování toneru nebo

55 fotocesta. Ještě je potřeba osvětlit volbu Black. Tuto volbu je vhodné označit, pokud bude zvolenou technikou právě nažehlování toneru nebo fotocesta. Návrh bude převeden do černobílého provedení. To zajistí vyšší krytí barev při tisku, než kdyby se tisknul např. zelenomodrý návrh. Pro tyto techniky je vyžadován co nejkvalitnější tisk. Nastavení tisku je popsáno u jednotlivých technik v kapitole 2.3.

Obr. 74 – výsledný osazovací plán Obr. 75 – výsledný nezrcadlený návrh DPS V konečné fázi by měl osazovací plán desky vypadat jako na obrázku 74 a nezrcadlený černobílý návrh DPS jako na obrázku 75.

56

4 Závěr

V rámci bakalářské práce byla vytvořena výuková opora zabývající se problematikou realizace elektronických systémů v prostředí ZŠ. Na příkladu LED blikače byly popsány spolu se základními metodami návrhu DPS i vybrané techniky jejich výroby. Dále byla formou doporučení stanovena pravidla, týkající se kreslení schémat a vytváření návrhů DPS. Ta odpovídají úrovni ZŠ a mohou být přínosná zejména začátečníkům. Součástí přílohy jsou osazené a oživené jednotlivé DPS, realizované všemi zde popsanými technikami. Práce se dále zabývala i ICT podporou z oblasti návrhových systémů. V této souvislosti byl vybrán program EAGLE. Z pohledu výuky na ZŠ se jevil jako optimální, jelikož jeho ovládání není příliš složité a je nabízen FREEWARE verzi. Jedním z rozhodujících kritérií byl i fakt, že je často využíván firmami zabývajícími se výrobou plošných spojů nejen v ČR, ale například i v Německu a jiných státech Evropy. Výuková opora obsahuje návod práce s modulem Schematic a Board. Ten se omezuje pouze na základní nástroje, které lze využít na ZŠ. Návod je dále doplněn o stručný video-tutoriál, který je také součástí přílohy (DVD). Pro potřeby ZŠ byla dále vytvořena vlastní knihovna součástek. Ta obsahuje běžně používané součástky jako např.: rezistory, kondenzátory (keramické, elektrolytické), diody, LED diody, tranzistory (PNP, NPN), IO NE555 a další. Knihovna je opět součástí přílohy. Do budoucna by bylo vhodné práci dále rozšířit o návod editace vlastních součástek v modulu Library, který se již řadí mezi uživatelsky pokročilejší.

57

Použitá literatura

ANON. EAGLE - návod [online]. 2001 [cit. 2014-04-20]. Dostupné z: http://www.eagle.cz/help/

Fotocesta: domácí výroba desek plošných spojů (DPS). Anon. Elweb [online]. 2014 [cit. 2014-04-12]. Dostupné z:http://www.elweb.cz/clanky.php?clanek=101

Glossary. In: Anon. Maxim Integrated [online]. 2014 [cit. 2014-03-27]. Dostupné z: http://www.maximintegrated.com/glossary/definitions.mvp/term/Printed -Circuit- Board/gpk/973

FRIEDMANN, Zdeněk. Didaktika technické výchovy. 1. vyd. Brno: Masarykova univerzita v Brně, 2001, 92 s. ISBN 80-210-2641-3.

Domácí výroba plošných spojů fotocestou. HORKEL, Milan. MLAB [online]. 2014 [cit. 2014- 04-12]. Dostupné z:http://www.mlab.cz/

Nové technologie nejen ve výuce odborných technických předmětů. In: HRBÁČEK, Jiří. Mezinárodní konference Nové technologie ve výuce: 5. ročník : sborník abstraktů a elektronických verzí příspěvků. Brno: Masarykova univerzita, 2012, s. 8. ISBN 978-80-210- 5942-9. Dostupné z: https://is.muni.cz/repo/1078242/Hrbacek.pdf

HRBÁČEK, Jiří. Reference. Technické kurzy s.r.o. [online]. 2013 [cit. 2014-03-27]. Dostupné z: http://technicke-kurzy.cz/obchodni-podminky.html

KONEČNÁ, Lenka. Využití návrhového softwaru Fritzing na základní škole. Brno, 2013. Dostupné z:http://is.muni.cz/th/350846/pedf_b/bc_prace_Konecna_L.pdf. Bakalářská práce. Masarykova Univerzirta, Pedagogická fakulta. Vedoucí práce Mgr. Martin Kučera.

KLAUZ, Milan. DPS - elektronika od A do Z: odborný časopis pro vývoj a výrobu v oboru elektroniky. Liberec: CADware, listopad/prosinec 2013, č. 6. ISSN 1805-5044.

KUČERA, Martin. Námět formule. In: Námět formule [online]. 2014, s. 2 [cit. 2014-03-27]. Dostupné z: http://educoland.muni.cz/technicka-a-informacni-vychova/nove-metody/namet- formule/

58

KUČERA, Martin. Výroba plošných spojů na ZŠ - realita nebo utopie?. In: Výroba plošných spojů na ZŠ - realita nebo utopie? [online]. 2014, s. 5 [cit. 2014-03-27]. Dostupné z: http://educoland.muni.cz/technicka-a-informacni-vychova/nove-metody/vyroba-plosnych- spoju-na-zs-realita-nebo-utopie/

MAŇÁK, Josef. Nárys didaktiky. 2. vyd. Brno: Masarykova univerzita, 1997, 104 s. ISBN 80-210-1661-2.

ASPEKTY DIDAKTIKY ELEKTRONIKY NA DRUHÉM STUPNI ZŠ. In: PECINA, Josef. Mezinárodní konference Nové technologie ve výuce: 3. ročník : sborník abstraktů a elektronických verzí příspěvků. Brno: Masarykova univerzita, 2009, s. 3. ISBN 9788021050921. Dostupné z: http://boss.ped.muni.cz/hrbacek/ktivkonf2009/prisp/nab5/prisp4.pdf

PLÍVA, Zdeněk. Zhistorie plošných spojů. [online]. 2010, roč. 2010, č. 5, s. 2 [cit. 2014-03- 18]. Dostupné z:http://www.mikrozone.sk/soubory/downloads/print/dps-az/1/zajimavosti- z_historie_plosnych_spoju.pdf

RADA, Zdeněk. Vytvoření učebních pomůcek pro výuku elektroniky na základní škole. Brno, 2013. Dostupné z:http://is.muni.cz/th/265172/pedf_b_a2/rada_zdenek_bakalarka.pdf. Bakalářská práce. Masarykova Univerzita. Vedoucí práce doc. Ing. Jiří Hrbáček, Ph.D.

SCHNEDERLE, Petr. OPTIMALIZACE PROCESU VÝROBY DESEK PLOŠNÝCH SPOJŮ. Brno, 2009. Dostupné z: https://dspace.vutbr.cz/xmlui/bitstream/handle/11012/2832/BP_ev_Optimalizace%20procesu %20v%C3%BDroby%20DPS.pdf?sequence=1. Bakalářská práce. VUT, Brno. Vedoucí práce Ing. Jiří Starý, Ph.D.

ŠUBERT, Jan. Metodika výuky technické výchovy na II. st. ZŠ z pohledu pedagogické praxe: náměty pro začínajícího učitele [online]. 1. vyd. Ostrava: Ostravská univerzita v Ostravě, 2010, 85 s. [cit. 2014-03-12]. ISBN 978-80-7368-896-7. Dostupné z: http://projekty.osu.cz/synergie/dok/opory/metodika-vyuky-technicke-vychovy-na-ii-st-zs-z- pohledu-pedagogicke-praxe-namety-pro-zacinajiciho-ucitele.pdf

ZÁHLAVA, Vít. Návrh a konstrukce desek plošných spojů: principy a pravidla praktického návrhu. 1. vyd. Praha: BEN - technická literatura, 2010, 123 s. ISBN 978-80-7300-266-4.

59

ZELA, Ondřej. Technická výchova na ZŠ v rámci RVP. Brno, 2012. Dostupné z: http://is.muni.cz/th/319870/fsps_m/. Diplomová práce. Masarykova Universita, Fakulta sportovních studií. Vedoucí práce Zdeněk Friedmann.

60

Seznam obrázků

Obr. 1 – první DPS ...... 14: http://www.makingthemodernworld.org.uk/icons_of_invention/img/IM.1201_el.jpg Obr. 2 – DPS dnes ...... 14: http://www.colourbox.com/preview/1452681-315775-printed-circuit-green-electronic-board- background-mass-production.jpg Obr. 3 – metoda dělicích čar ...... 16: http://educoland.muni.cz/technicka-a-informacni-vychova/nove-metody/vyroba-plosnych- spoju-na-zs-realita-nebo-utopie/ Obr. 4 – metoda spojových čar ...... 16: http://educoland.muni.cz/technicka-a-informacni-vychova/nove-metody/vyroba-plosnych- spoju-na-zs-realita-nebo-utopie/ Obr. 5 – správně nakreslené schéma ...... 17 Obr. 6 – špatně nakreslené schéma ...... 17 Obr. 7 – správně navržený osazovací plán ...... 18 Obr. 8 – špatně navržený osazovací plán ...... 19 Obr. 9 – správně navržená DPS ...... 20 Obr. 10 – špatně navržená DPS ...... 20 Obr. 11 – nanesená barva na cupr. desce ...... 26 Obr. 12 – cuprextitová deska ...... 26 Obr. 13 – zrcadlený návrh DPS ...... 27 Obr. 14 – kompletně vyškrabaný návrh ...... 27 Obr. 15 – částečně vyškrabaný návrh ...... 27 Obr. 16 – přerýsovaný návrh na desce ...... 27 Obr. 17 – leptání desky v chloridu železitém ...... 28: http://www.mlab.cz/Articles/HowTo/How_to_make_PCB/DOC/HTML/How_to_make_PCB/ Leptani_Vyleptano_Big.jpg Obr. 18 vyleptaná deska...... 28 Obr. 19 – nanášení pájitelného laku ...... 29 Obr. 20 – hotová DPS ...... 29 Obr. 21 - modelářská vrtačka ...... 29: http://www.mlab.cz/Articles/HowTo/How_to_make_PCB/DOC/HTML/How_to_make_PCB/ Vrtacka_Big.jpg

61

Obr. 22 – nezrcadlená návrh DPS ...... 29 Obr. 23 – schéma pro nažehlování toneru ...... 30 Obr. 24 – nedostatečně nanesený toner ...... 30 Obr. 25 – opravená vrstva toneru lihovým fixem ...... 30 Obr. 26 – technika nažehlování toneru ...... 31 Obr. 27 – technika vyškrabávání barvy ...... 31 Obr. 28 – fotocitlivá cuprextitová deska ...... 32 Obr. 29 vytištěný návrh na pauzovacím papíru ...... 32 Obr. 30 – příprava desky na osvit ...... 33 Obr. 31 – osvěcování desky ...... 33 Obr. 32 – vyvolávání DPS ...... 33 Obr. 33 – vyvolaný DPS ...... 33 Obr. 34 – technika vyškrabávání barvy ...... 34 Obr. 35 – technika nažehlování toneru ...... 34 Obr. 36 – technika fotocesty ...... 34 Obr. 37 – realizace obvodu na univerzální DPS ...... 34 Obr. 38 – možnosti návrhu DPS ve free verzi programu ...... 35: http://elmicro.com/images/kit12dia.jpg Obr. 39 – Control panel programu EAGLE ...... 36 Obr. 40 – modul schémat ...... 38 Obr. 41 – modul návrhu DPS (board) ...... 42 Obr. 42 – otevření umístění souboru ...... 43 Obr. 43 – založení nového listu schématu do projektu ...... 44 Obr. 44 – schéma blikače ...... 45 Obr. 45 – orientace v knihovně součástek ...... 46 Obr. 46 – vybrání součástky z knihovny ...... 47 Obr. 47 – vybraná součástka ...... 47 Obr. 48 – vložení součástky ...... 47 Obr. 49 – vybrání přesouvané součástky ...... 47 Obr. 50 – přesunutí vybrané součástky ...... 47 Obr. 51 – použití nástroje Value ...... 48 Obr. 52 – hodnota u součástky ...... 48 Obrázek 53 – použití nástroje Name ...... 48

62

Obr. 54 – změněný název ...... 48 Obr. 55 – použití nástroje Net ...... 48 Obr. 56 – použití nástroje Net ...... 48 Obr. 57 – nastavení rastru ...... 49 Obr. 58 – použití nástroje Smash ...... 50 Obr. 59 – použití nástroje Move a Rotate ...... 50 Obr. 60 – nastavení tisku ...... 50 Obr. 61 – generování součástek pro návrh DPS ze shcématu ...... 51 Obr. 62 - vzor pro rozmístění součástek ...... 52 Obr. 63 – vzor pro nakreslení cest ...... 52 Obr. 64 – použití nástroje Route ...... 52 Obr. 65 – použití nástroje Route ...... 52 Obr. 66 – nastavení nástroje Ratsnets ...... 52 Obr. 67 – kreslení polygonu ...... 53 Obr. 68 – uzavření polygonu ...... 53 Obr. 69 – přejmenování polygonu ...... 53 Obr. 70 – polygon po kliknutí na Ratsnets ...... 53 Obr. 71 – použití nástroje Hole ...... 54 Obr. 72 – okno Layers ...... 54 Obr. 73 – nastavení tisku ...... 55 Obr. 74 – výsledný osazovací plán ...... 56 Obr. 75 – výsledný nezrcadlený návrh DPS ...... 56

63

Seznam příloh

Příloha č. 1: Osazená DPS – pohled na osazení součástek (obrázek) Příloha č. 2: Osazená DPS – pohled na návrh desky (obrázek) Příloha č. 3: Hotový výrobek připevněný na držáku baterií (obrázek) Příloha č. 4: Popisové pole s vyobrazenými schematickými značkami – vlastní knihovna (obrázek) Příloha č. 5: Popisové pole s vyobrazenými součástkami – Board (obrázek) Příloha č. 6: Nakreslené schéma zapojení (PDF, sch) Příloha č. 7: Zrcadlený návrh metodou dělicích čar (PDF, brd) Příloha č. 8: Nezrcadlený návrh metodou dělicích čar (PDF) Příloha č. 9: Video-tutoriál – práce s modulem Schematic (video – na DVD) Příloha č. 10: Video-tutoriál – práce s modulem Board (video – na DVD) Příloha č. 11: Knihovna součástek pro základní školy

64

Přílohy

Příloha č. 1: Osazená DPS – pohled na osazení součástek

Příloha č. 2: Osazená DPS – pohled na návrh desky (obrázek)

Příloha č. 3: Hotový výrobek připevněný na držáku baterií (obrázek) Příloha č. 4: Popisové pole s vyobrazenými schematickými značkami – vlastní knihovna (obrázek)

Příloha č. 5: Popisové pole s vyobrazenými součástkami – Board (obrázek)