Крепление USB-разъемов на панель. Типовая конфигурация панели

23.12.16

Введение

В рамках данной заметки будет описан один из возможных способов крепления плат с USB-разъемом на панель устройства. Причем, речь пойдет не столько о именно USB (здесь он приведен лишь в качестве примера), сколько о само́м подходе к решению данной проблемы. В дальнейшем при желании описанный способ крепления может быть перенесен и на другие типы разъемов (и даже на платы без разъемов вообще). Обращаю внимание на то, что речь пойдет не о серийном производстве электроники, а о штучном изготовлении устройств, которые еще и собираются в относительно больших корпусах (т.е. о наиболее типичном для радиолюбительства случае):

В своих разработках мне довольно часто приходится использовать интерфейс USB. Ничего с этим не поделаешь – больно уж он нравится заказчикам, что, конечно, неудивительно. Я и сам люблю USB, хотя бы уже́ за то, что он позволяет запитать поделку без дополнительных источников/брикетов. И вроде бы всем хорош этот интерфейс, да вот только разъемы у него дебильные, ибо во-первых, все они прямоугольные/квадратные, а во-вторых (и в самых главных) – не предусматривают штатного крепления самих себя на панель устройства. Хотя, конечно, этим грешат практически все многоконтактные разъемы из категории «говно и палки», за исключением разве что коннекторов типа «D-Sub»:

В общем, задача, думаю, ясна – надо придумать какое-то конструктивное решение, позволяющее крепить разъемы USB на панель устройства. При этом крайне желательно, чтобы данное решение было бы бюджетным и использовало широкодоступные крепежные элементы (которые обязательно должны быть в ассортименте моего любимого магазина «Чип-НН»). К тому же, все возможные допиливания этих крепежных элементов неплохо бы свести к минимуму.

Типы плат

Сперва надо сделать небольшое лирическое отступление. Лично я делю все платы по весу на два типа:

•  тяжелые (разные могучие источники питания, релейные коммутаторы и т.д.);

•  легкие (небольшие платы с логикой и МК, всякие преобразователи интерфейсов, мелкие DC-DC конверторы и прочее подобное).

Тяжелые платы я, как и все люди, креплю к нижней крышке корпуса устройства, ибо большой вес таких плат других возможностей и не предусматривает. Легкие платы, если на них нет разъемов, через которые разрабатываемый дывайс (именно дывайс целиком, а не отдельная плата) общается с внешним миром, обычно (обычно) тоже прикручиваются к нижней крышке, точно так же, как и тяжелые. А вот если плата легкая, да еще и содержит какой-либо внешний разъем (USB, Ethernet и т.д.), то ее я креплю исключительно на переднюю (или заднюю) панель устройства:

Такой подход имеет целый ряд преимуществ (разумеется, речь идет не о серийном, а о штучном изготовлении устройств, да еще и в довольно больших корпусах). Во-первых, плату с внешним разъемом можно воткнуть в любое место панели, что далеко не всегда легко сделать, если модуль крепится к нижней крышке. Попробуйте, например, расположить плату «Ардуино» в 3-х юнитном 19-ти дюймовом корпусе так, чтобы разъем USB по высоте располагался примерно посередине панели (ибо именно такое расположение наиболее оптимально с точки зрения «эстетического восприятия»). Ну, просто прикиньте требуемую высоту стоек, на которые должна устанавливаться плата, и их толщину:

Во-вторых, плату (а значит, и морду разъема) можно крутить относительно панели на любой угол, хоть на 57 градусов:

(попробуйте такое осуществить при креплении модулей к нижней крышке – даже с поворотом на 90 градусов всё сразу будет не так просто).

В третьих – плату не надо затачивать под какой-то конкретный корпус с соответствующим расположением крепежных отверстий. Возьмите, например, корпуса́ от Gainta – большинство из них, сцуко, уникальны. Т.е. если вы развели плату, например, под корпус G436, то в корпус G445 без танцев с бубном вы ее уже хер засунете – не будут совпадать крепежные дырки:

В итоге пропадает возможность делать универсальные модули, которые при соблюдении габаритов можно, в принципе, вставить вообще в любой корпус. Если же плата крепится к передней/задней панели, такой проблемы не возникает – крепежные дырки на панели мы в любом случае будем делать сами, поэтому можем их просверлить там, где заблагорассудится.

Ну и в-четвертых – при рассматриваемом подходе нам не надо согласовывать отверстие под разъем на панели с координатами крепежных дырок на нижней крышке. Должен сказать, что лично мне данная фича нравится больше всего и вот почему. Пусть плата крепится к нижней крышке корпуса. Тогда после ее прикручивания к крышке пространственные координаты внешнего разъема будут жестко зафиксированы. Поэтому дырка в передней панели под этот разъем должна быть проделана так, чтобы она точно совпала с мордой разъема, иначе нельзя будет установить панель в корпус. Естественно, при серийном производстве это не представляет никакой проблемы, поскольку для механической обработки ко́рпуса один раз делается чертеж, и далее все корпуса́ изготавливаются (или допиливаются) по нему. И само собой – в данном чертеже все координаты дырок согласованы. Но если речь идет о единичном экземпляре устройства (что наиболее характерно для радиолюбительства), делать такой чертеж зачастую просто бессмысленно – это пустая трата времени и денег, да и тупо лень. В связи с этим постоянно возникают проблемы: «Эх, на па́ру миллиметров бы повыше дырку надо было сделать!», «Сцуко, плату бы чуток правей прикрутить» и т.д. Если же плата прикручивается к панели, такого геморроя обычно не возникает – все дырки (и крепежные, и под разъем) расположены в одной плоскости, а не разнесены в пространстве. Поэтому нам не нужно дополнительно учитывать, например, высоту, на которую разъем будет возвышаться над нижней крышкой. В итоге разметка панели в разы упрощается (во всяком случае, у меня).

Общий принцип крепления платы

Так вот, в подавляющем большинстве случаев платы с USB-разъемами являются легкими, а посему могут (и должны) крепиться на переднюю панель устройства. И для этого я давным-давно использую стандартные шестигранные стойки со сквозной резьбой М3. Длину стоек беру равной 20мм (об этом чуть ниже). Подобные стойки, как и требуется, проходят по категории «говно и палки», т.е. есть практически везде и сто́ят копейки. В случае магазина «Чип-НН» это будут PCHSS-20 (металл) и HTP-320 (пластик):

В «чистом» виде такие стойки для рассматриваемого крепления плат не подходят. Поэтому их надо немного допилить. Допиливание заключается в изготовлении всего одного сквозного отверстия с резьбой М3 на расстоянии 15мм от края стойки (согласитесь – не сильно сложная операция):

На данном рисунке все размеры, относящиеся к допиливанию стойки, отмечены красным цветом. После изготовления отверстия заусенки с его краев лучше удалить (у металлической стойки сверлом 5,5-6,5мм, у пластиковой – канцелярским ножом), чтобы стойка плотно прилегала к плате.

Дырка в идеале должна сверлиться точно посередине грани стойки. Но в реальности уход в сторону даже на 0,5мм не является особо критичным – там пото́м само всё скомпенсируется. Называются допиленные стойки PCHSS-20-2 и HTP-320-2 соответственно (индекс «2» указывает на то, что дырок М3 в стойке две, а не одна штатная).

Осталось только привинтить допиленные стойки к плате. Для этого в ней делаются дырки диаметром 3,2мм, через которые винтами М3 и прикручиваются стойки:

Ну а далее полученную конструкцию можно устанавливать на панель с заранее изготовленными крепежными и «разъемными» отверстиями:

На данном рисунке показан вариант, когда плата прикручивается к панели потайными винтами. Это и выглядит лучше, и наклейку на такие винты можно сверху плюхнуть. Однако, не всегда толщина панели позволяет использовать потайной крепеж (ну, или просто тупо влом делать дополнительную зенковку на дырках). В таком случае можно использовать «обычные» винты с полусферической башкой.

Обратите внимание: если поверх потайных винтов, которыми стойки крепятся к панели устройства, наляпать наклейку, то доступ к ним пропадет. Однако, возможность «отделить» плату от корпуса всё так же останется – для этого достаточно будет просто открутить ее от стоек (см. винты М3х5мм).

Замечу, что предложенный механизм крепления плат к панелям нужно рассматривать лишь как общую идею, использующую готовые дешевые и доступные комплектующие. А мелочи в каждом конкретном случае могут различаться. Например, если до́ма валяется куча винтов М2.5, то для крепления платы к стойкам можно использовать именно их, а не «тройку» (практика показывает, что даже толщины́ крепежа М2 в большинстве случаев вполне хватает). Можно резать резьбу в плате, а не в стойке (для домашних условий это обычно более предпочтительный вариант). Можно вообще обойтись без нарезания резьб, а использовать гайки (хотя это не так удобно). В общем, вариантов масса – здесь приведен лишь наиболее удобный лично для меня.

И еще одно. В ходе многолетней разработки USB-устройств было выяснено: заказчику в большинстве случаев нужна какая-либо индикация того, что дывайс подключен к шине, что вполне логично (раз уж интерфейс USB предоставляет нам возможность питания). В качестве индикатора обычно используется обычный светодиод, повешенный между линиями Vcc и GND. При этом наиболее удобно устанавливать этот светодиод прямо на плату с USB-разъемом, а не выносить куда-то на проводах (я вообще лишние провода терпеть не могу, как и любой ненужный геморрой). Плата же с разъемом в любом случае будет как-то крепиться к панели – ну так пускай вместе с ней «автоматически» закрепится и светик. А для более полной индикации режима работы устройства можно добавить на панель еще парочку светодиодов (см. последнюю картинку). Правда, при выводе подобных индикаторов на панель сам USB-разъем обычно приходится устанавливать вверх ногами, что противоречит стандарту USB2.0, но на практике это обычно никого не па́рит (во всяком случае, мне ни разу за такой подход никто никаких претензий не предъявлял).

Пример реализации: резюме

Общие идеи и фразы – это, конечно, прикольно, но ни одна идея не представляет особого интереса без ее физической реализации. Можно сколько угодно дрочить на колонизацию Марса, но до того момента, пока не будет понятен и осуществлен механизм переброски на другую планету кучи людей, техники, жратвы и материалов, это будет лишь дрочением. Поэтому здесь я перейду к примеру реализации в железе рассмотренной концепции. Т.е. если вам подходит сам вышеописанный принцип крепления платы к панели устройства, далее я покажу, какие для этого лучше детали использовать, как разметить панель и плату и как допилить некоторые элементы. При этом никаких дополнительных расчетов производить не надо – всё уже сосчитано и оптимизировано, бери и пользуйся. Естественно, всё ниженаписанное – это именно пример, однако общий подход к решению проблемы он иллюстрирует достаточно хорошо.

Для удобства восприятия материала я поступлю слегка через жопу – сначала приведу результаты моих рассуждений и расчетов (т.е. выводы), а уж затем объясню, почему получилось именно так. При этом я постараюсь включить в выводы все наиболее важные моменты. На мой взгляд, так намного удобнее – можно сразу оценить степень пригодности полученной конструкции именно для вашего случая. Ну а если возникнут какие-нибудь вопросы – тогда уж добро пожаловать в подробное описание.


•  Что конструкция может


Итак, рассматриваемый пример реализации общего принципа крепления платы позволяет довольно легко и без особых раздумий устанавливать на переднюю/заднюю панель устройства модули c USB-разъемом и максимум тремя светодиодами. Светодиоды могут как торчать из панели («открытая» подсветка, левый рисунок), так и освещать изнутри пиктограммы на лицевой наклейке («скрытая подсветка, правый рисунок):

Допускается как непосредственный монтаж светодиодов на плату, так и установка их в цанговые разъемы SCSL-02 (для того, чтобы цвета́ светиков можно было подбирать под конкретный проект). Также рекомендуемый вариант разводки печатной платы предоставляет возможность использования SMD-светодиодов размерами 0805 и 1206 (для случая, если модуль не требуется устанавливать на панель, а индикация всё же нужна):

При этом используются дешевые и широкодоступные запчасти (в частности, все они есть в ассортименте магазина «Чип-НН»). Количество дополнительных слесарных работ – минимальное. Для удобства пользователя приведена рекомендуемая разметка панели, «поддерживающая» рассматриваемую реализацию, а также оптимальное расположение крепежных и монтажных дырок на плате.


•  Куда и как встроить


Перечень корпусов, «поддерживаемых» разработанной конструкцией:

Корпус	Размер	Внешний вид
G1020B	54x83x30мм
G1031B	64x44x32мм
G1032B	101x54x43,8мм
G1068B	95x48x38мм
G1814	130x76x30мм
G1816	155x92x29.5мм
G431	90x50x24мм
G434	90x50x32мм
G436	120x60x30мм
G438*	120x60x40мм
G440*	120x60x50мм
G443*	150x80x30мм
G445*	150x80x45мм
G447*	150x80x60мм
G521G**	92x66.5x28мм
G526G**	111,3x75x25,2мм
G738	140x110x35мм
КР-605-ПС	65x49x30,3мм
КР-606-ПС	112,5x78x30,3мм

* – в ассортименте «Чип-НН» отсутствует;

** – «вживую» не проверялся, но по расчетам должен подойти.

Естественно, данным перечнем область применения рассматриваемой реализации не ограничивается. Просто изначально было сделано так, чтобы модули, использующие разработанную конструкцию, можно было установить практически в любой корпус, который есть в «Чип-НН». При установке же соответствующей платы в корпус, отсутствующий в вышеприведенном перечне, важно учитывать три момента:

•  естественно, общие размеры корпуса должны соответствовать габаритам встраиваемого модуля;

•  максимальная толщина панели для установки модуля – 5мм;

•  ширина платы в области крепления к панели составляет 26мм; корпус должен предоставлять соответствующее свободное пространство.

Рекомендуемая разметка передней панели корпуса:

Примечания к рисунку:

⁰ - все отверстия – сквозные;

¹ - рекомендуемый размер. Минимально допустимое значение – 10,4мм. Максимально допустимое значение определяется длиной выводов используемых светодиодов;

² - отверстие с зенковкой под потайной винт. В случае, когда модуль крепится к панели обычными винтами с полусферической головкой, зенковку можно не выполнять. Обратите внимание на то, что в соответствии с ГОСТ 17475-80 зенковать отверстия рекомендуется только в панелях, толщина которых превышает 1,7мм;

³ - диаметр отверстия для случая использования «скрытой» подсветки панели;

⁴ - диаметр отверстия для случая использования «открытой» подсветки панели;

⁵ - рекомендуемый размер. Минимально допустимое значение – 6,45мм. Максимально допустимое значение определяется длиной выводов используемых светодиодов.

•  Элементы конструкции


Перечень элементов, допустимых к применению со стороны встраиваемой платы в нашем примере будет выглядеть так:

Тип элемента	Модель	Внешний вид
USB-разъем	USBB-1J
Светодиоды	3мм для монтажа в отверстия; цвет- любой *
Цанговые разъемы под светодиоды (опция)	SCSL-02
Стойки	HTP-320 (пластик) или PCHSS-20 (металл)

* - допускается использование SMD-светодиодов размерами 3,2х1,6мм (1206) или 2,0х1,25мм (0805).


Будьте внимательны при заказе металлических стоек! Не раз встречал модели шестигранных стоек, у которых между гранями было не 5,4…5,5мм, а примерно 5,0мм. Разница небольшая, однако, при разметке передней панели нужно ее учитывать. Что интересно, у пластмассовых стоек размер 5,5мм всегда более-менее соблюдается.


•  Печатная плата


Ну и, конечно, печатная плата, на которую вся эта тряхомудия должна быть смонтирована. Рекомендую использовать для ее изготовления односторонний стеклотекстолит толщиной 1,5мм (наиболее распространенный вариант). Допустимые габариты печатной платы, а также координаты и диаметры отверстий под вышеприведенные элементы (дырки под питающие и сигнальные контакты USB-разъема не показаны):

Размер «37мм МАХ» на приведенном рисунке соответствует максимально допустимой ширине платы для корпуса G1031B и приведен только в качестве примера. В реальной жизни данный размер задается исходя из габаритов выбранного корпуса. А вот значение «26мм» является обязательным.

Размещение элементов конструкции на печатной плате со стороны деталей «TOP» и со стороны фольги «BOTTOM» приведено на рисунке ниже (для случая установки светодиодов в цанговые разъемы). Расположение крепежных стоек показано для случая использования панели толщиной 3мм:

Обращаю ваше внимание, что при разработке необходимо учитывать наличие на печатной плате т.н. «запретных зон», т.е. областей, в которых нельзя располагать компоненты и токопроводящий рисунок платы (обычно кроме «земли»). Данный запрет обусловлен использованием крепежных стоек HTP-320/PCHSS-20, а также винтов, которыми эти стойки прикручиваются к плате. Координаты и размеры запретных зон со стороны деталей («TOP») и со стороны фольги («BOTTOM») показаны на рисунке ниже:

Шаблон с отмеченными дырками и размещением элементов платы в области USB-разъема, включающий в себя все вышеперечисленные условия и ограничения, можно взять здесь (расширение платы после стоек – для корпуса G1031B). Формат файла – «Sprint Layout 5.0». Общий вид шаблона:

Штрихованные куски платы на стороне фольги и обведенные куски с надписями «PANEL THICKNESS» на стороне деталей – это запретные зоны. Назначение цифр 0…5 будет объяснено далее. Предусмотрены пятаки под SMD-светодиоды размеров 0805 и 1206. Полярность светодиодов показана условно. Проиллюстрирована возможность проведения дорожки толщиной аж 0,50мм между контуром платы и SMD-светодиодами (наличие такой возможности весьма важно́, при разводке реальной платы сразу будет понятно – почему). На USB-разъеме указано условное начало координат. Наименьший шаг сетки, использованный при разводке – 0,25мм. Плата проверена по DRC на соответствие следующим критериям:

•  диаметр неметаллизированного отверстия: 0,60мм;

•  отступ элементов топологии от неметаллизированного отверстия: 0,25мм;

•  зазор между проводниками: 0,25мм;

•  отступ элементов топологии от фрезеруемых контуров: 0,25мм,

что вполне соответствует технологическим возможностям как фирм-изготовителей печатных плат, так и обычных радиолюбителей.


•  Доработка элементов


Перед совместным использованием элементы конструкции нужно немного доработать:

•  доводим крепежные стойки до состояния HTP-320-2/PCHSS-20-2 (сверлим дырку и режем в ней резьбу М3) в соответствии с этим чертежом:

•  рассверливаем в запретных областях печатной платы отверстия, соответствующие толщине используемой панели корпуса, до 3,2мм. Например, если толщина панели составляет 3мм, то и рассверливать надо дырки напротив цифры «3»:

Если толщина панели дробная, то рассверливать лучше дырку, соответствующую ближайшей меньшей толщине. Например, для панели 2,5мм следует использовать отверстие «2мм». В этом случае USB-разъем будет немного заглублен в панель (на 0,5мм). Если же взять дырку для большей толщины, разъем будет торчать, что (на мой взгляд) выглядит гораздо более убого. Но это, понятно, лично мои предпочтения, так что какие дырки рассверливать – решать вам. Моя же задача – просто обозначить, что и как изменится, если сделать так, а не этак.

•  изгибаем выводы светодиодов (в том случае, когда используются трухольные светики). Если используется «скрытая» подсветка панели, загибаем их через через один кусок текстолита (1,5мм), а если «открытая» (когда светодиоды торчат из панели) – через три куска, сложенных/склееных вместе (4,5мм). При загибе ног особое внимание следует уделять полярности светиков:

• обрезаем ножницами загнутые выводы светодиодов. Ножницами – это чтобы не расплющить лапы в местах реза (иначе они в цангу плохо лезут, а уж в дырку 0,6мм расплющенную ногу вообще хер затолкаешь). Расстояние от точки изгиба до линии отреза определяется дизайном морды устройства (см. разметка передней панели), поэтому в общем случае должно рассчитываться под конкретный дывайс. Лично я при изготовлении поделок не использую цанговые разъемы (их паяем только в продаваемые на сторону модули), поэтому в моем случае расстояние от изгиба до отреза будет равно 8мм или 5мм (в зависимости от того, какой размер используется при разметке на панели дырок под светодиоды – 10,75мм или 7,75мм):

Если вы тоже планируете не вставлять светики в цанги, а паять их наглухо, для расчета расстояния между точками изгиба и отреза нужно просто вычесть из соответствующего размера на чертеже разметки панели (в нашем случае – 10,75мм или 7,75мм) значение 2,75мм. В случае же использования цангового разъема всё будет не так просто: придется учитывать, на сколько можно вставить светодиод в разъем, какая глубина при этом получится и т.д. В общем, считать надо под каждую конкретную железяку.

• ну и последнее – если в модуле используются светодиоды (или цанговые разъемы под них), необходимо наклеить на плату специальную наклейку размером 25,0х3,5мм:

Я ее изготавливаю из обычной бумаги, наклеенной на двухсторонний скотч (просто тупо распечатываю сразу полсотни наклеек одним блоком и пото́м отрезаю сколько надо). Смысл этой наклейки в том, чтобы ноги светодиодов или цанговых разъемов, вставляемых со стороны фольги, при монтаже не коснулись случайно корпуса USB-разъема или металлической стойки, расположенных на стороне деталей, ибо в этом случае можем получить коротец на землю. Можно, конечно, при установке светика/разъема ловить микроны, чтобы их выводы не торчали со стороны деталей, но лично мне больше нравится использовать наклейку. Денег на нее практически не нужно, изготавливается и наклеивается за 10 секунд, но зато можно просто тупо втыкать монтируемый элемент в дырку до упора и дополнительно ни о чем не заботиться – наклейка сама всё выровняет. Клеить наклейку надо практически по нижнему контуру платы:

•  Сборка и габариты


Ну и теперь можно монтировать на плату требуемые по схеме деталюхи. Рекомендую впаивать светодиоды (или цанговые разъемы) до монтажа выводных элементов – так обычно получается удобнее. После монтажа вставляем светики в цанги (если требуется), прикручиваем допиленные стойки к плате и получаем конструкцию, готовую к установке в корпус. Внешний вид собранной конструкции был приведен ранее, здесь я лишь приведу для справки габаритные и присоединительные размеры ее морды (красным показана условная нулевая точка):

(обращаю ваше внимание – габариты по высоте указаны для случая, соответствующего ранее приведенной разметки передней панели устройства: 10,75мм и 7,75мм соответственно. При других размерах габариты, естественно, будут отличаться).

И осталось только прикрутить собранный узел к панели (внешний вид одного из возможных результатов показан на самом первом рисунке в заметке).

Вот так вот без особых расчетов на всём готовом можно установить модуль с USB-разъемом в корпус устройства. Мне кажется, это не сильно сложно. Ну а я, с вашего позволения, перейду к самой мутной части заметки – буду рассказывать, почему в рассматриваемой конструкции всё получилось именно так, а не иначе.

Пример реализации: расчеты и выкладки

Сразу скажу – данную часть я пишу скорее для себя, чтобы не забыть, откуда чего взялось. Здесь приведены мои рассуждения и расчеты, которые были выполнены при решении каждого шага рассматриваемой задачи. Большинству же из вас, думаю, это абсолютно неинтересно, поскольку готовый «рецепт» уже был озвучен. Ну а я, скрипя сердцем, пожалуй, начну.

Итак, для начала нам надо определиться с диапазоном толщин панелей, для которых описываемый пример вообще применим. В моем случае этот диапазон составляет 0…5мм. Меньше быть не может в принципе, а больше – вообще говоря, тоже. Во всяком случае, панелей толще 5мм я за полтора десятка лет не встречал (и уж в магазине «Чип-НН» их точно нет).

Теперь еще один важный момент. Как показывает практика, типовые решения (т.е. заточенные не под какой-то конкретный проект, а «вообще») лучше всего сразу ориентировать на какую-то конкретную элементную базу. В нашем случае эта база состоит из USB-разъема, стоек, светодиодов и корпуса, в который может быть встроена плата.

Разъем я использую «стандартный» типа B (ибо различные Mini-USB и Micro-USB во-первых, довольно хлипкие, а во-вторых – всё же заточены под использование в «общей» плате, а не в отдельном модуле). В ассортименте магазина «Чип-НН» данным условиям отвечает дешевый и широкодоступный разъем USBB-1J (SMD-вариант USBB-1FSMT не рассматриваем, т.к. он сильно дороже и есть далеко не везде).

Про стойки было не раз сказано ранее – должны быть шестигранные со сквозной резьбой М3, длина – 20мм.

Светодиоды в большинстве случаев – обычные выводные (трухольные) с диаметром башки 3мм (ибо 5мм и более в связке с USB-разъемом на панели выглядят уже́ не ахти), цвет свечения – любой. При этом категорически рекомендую пады под выводы светодиодов рисовать таким образом, чтобы туда можно было запаять как трухольный светик при установке модуля на панель, так и SMD – чисто на всякий случай, например, если плата паяется не для встраивания в корпус, а «вообще» (под расстояние между лапами 3мм-вого светодиода хорошо подходят размеры 0805 и 1206). Отмечу, что писа́ть здесь какую-то конкретную модель светика – бессмысленно, ибо производители их наклепали столько, что можно только утереть пот. Нам же пока важны лишь габариты светодиода, поэтому для трухольного случая за основу можно взять светодиоды серии «3Ах», а для случая SMD – «S1206» от конторы «CPM», которые и продаются в лавке «Чип-НН».

Также практика показала, что выводные светодиоды можно не только впаивать наглухо в плату, но и делать их съемными (устанавливать в разъемы). Такой подход позволяет наделать сразу кучу одинаковых универсальных модулей, а светики требуемого цвета втыкать (или не втыкать) уже́ под конкретный прибор. В качестве разъемов под светодиоды я использую SCSL-02 (два контакта от цанговой линейки SCSL-40 из ассортимента «Чип-НН»). При этом не сказать, чтобы данные разъемы были совсем уж дешевыми (всё-таки 87,5 коп. за контакт – это прилично), но и мега-дорогущими их тоже не назовешь. Ну а с доступностью у коннекторов SCSL всё в порядке.

Итоговый перечень элементов, допустимых к применению со стороны встраиваемой платы в нашем примере приведен в резюме.

А вот с корпусами, в которые может быть встроена плата, будет не всё так просто. Во-первых, их просто тупо до хера (в смысле – всяких разных моделей корпусов). Поэтому я сразу оговорю: рассматриваться будут только те корпуса, которые представлены в «Чип-НН» (ибо львиную долю своих радиотехнических покупок я совершаю именно там). А во-вторых – платы с USB-разъемами обычно не сильно большие, поэтому надо сразу затачивать реализацию вышеозвученной идеи на возможность встраивания в самый мелкий из всех представленных корпусов.

Итак, для начала найдем самый маленький корпус из всего предлагаемого ассортимента (коро́бки с отсеком для установки батареек сразу отметаем, ибо места этот отсек жрет просто до хера, а смысла в батарейках при наличии USB чаще всего нет). Это корпус G1031B с размерами 64х44х32мм (есть, конечно, еще и КР-604-ПС, но в него, честно говоря, даже выбранный USB-разъем толком не влезет). И теперь нам надо сделать так, чтобы разрабатываемая плата заведомо влезала бы в данный корпус. Берем меньшую сторону (44мм) и смотрим расстояние между крепежными стойками. Оно равно 26мм:

Поэтому ширина платы (во всяком случае в области крепежных стоек корпуса) не должна быть больше 26мм. Сразу же проверим, пролезет ли вообще USB-разъем, по обе стороны которого прикручено по одной шестигранной стойке, в такое расстояние. Ширина USBB-1J равна максимум 12,04+0,25=12,29мм. Ширина каждой стойки, как показано на картинках выше, равна примерно 6,2мм; с запасом возьмем 6,3мм. В сумме разъем и две стойки займут расстояние не меньше

12,29+6,3+6,3=24,89мм.

Это, конечно, довольно близко к значению 26мм, но всё же превышения пока нет (пока – потому что между стойками и разъемом в любом случае должен быть хоть какой-то зазор).

Ну и подобным образом проверяем все остальные корпуса́, доступные в «Чип-НН». Каждый проверяемый корпус должен иметь возможность засунуть в себя плату шириной 26мм при условии, что USB-разъем смотрит в сторону панели корпуса (если таковая имеется). Отмечу также, что высота панели корпуса должна быть не меньше 14мм (около 11мм – общая высота USB-разъема, да еще по 1,5мм сверху и снизу, чтобы панель не развалилась напополам), и расстояние от середины панели по высоте до верхней крышки должно составлять не менее 5,25мм (с запасом возьмем значение 6мм), а до нижней – не менее 8,65мм (возьмем 9мм):

Если интересно – можете проверить все корпуса на соответствие самостоятельно. Я же приведу лишь результаты проверки: рассматриваемый пример реализации идеи крепления USB-разъемов на панель подходит для моделей корпусов, указанных в резюме.

А чтобы быть более убедительным, я не поленился и сфотографировал типовую для рассматриваемой идеи плату в перечисленных мелких корпусах (в тех, которые у меня есть в наличии). Монстров типа G44x, G738, G1816 и КР-606-ПС фоткать не стал – уж в них-то плата заведомо уместится (см. даташыты):

Обратите внимание на то, что не только G1031B, а вообще почти все мелкие корпуса́ из представленного списка имеют крепежные стойки с той стороны ко́рпуса, на которую будет прикручиваться наша плата (на рисунке отмечены кругами):

Напомню, что максимально допустимая ширина платы в области USB-разъема (26мм) определяется именно этими стойками. Дальше она может расширяться в соответствии с размерами выбранного ко́рпуса, но вот именно в области USB-разъема значение 26мм является обязательным (иначе плата просто тупо не влезет в некоторые корпуса́). Для совместимости платы со всеми вышеуказанными коро́бками проанализируем их чертежи и найдем корпус, у которого дальний край крепежной стойки отстоит от панели на максимальное расстояние. Таким корпусом оказался G436 (ну и, понятно, G438 и G440), а соответствующее расстояние составило 15мм (для дальнейших расчетов с запасом примем его равным 15,5мм):

Ну и теперь можно начинать проектировать кусок платы, где будет расположен разъем USB. Т.к. «целевой» объект у нас – именно этот разъем, то и отталкиваться будем от него, вернее от его габаритных и присоединительных размеров:

Для начала надо задать некую опорную (нулевую) точку, относительно которой и будут отсчитываться все расстояния. В качестве таковой наиболее удобно выбрать пересечение линии симметрии разъема USBB-1J (на виде сверху) и линии, проходящей через контакты корпуса этого разъема:

Одним из самых важных размеров USB-разъема является расстояние от центров контактов его корпуса до морды. Как показано на последней и предпоследней картинках, это расстояние равно 10,3мм. Отметим, что у разных производителей данный размер может немного отличаться, и это следует учитывать при креплении платы к панели. Мы же ограничимся рассмотрением случая для 10,3мм как наиболее распространенного.

Теперь нужно вспомнить три вещи:

• во-первых, морда USB-разъема должна всегда быть примерно вровень с лицевой стороной панели, ибо сильно заглубленный (а тем более – торчащий из панели) разъем выглядит совсем не айс;

• во-вторых – диапазон допустимых толщин передней панели составляет от 0мм до 5мм. Здесь нужно отметить, что плата не должна упираться в панель даже при толщине последней 5мм (с запасом возьмем 5,5мм, чтобы учесть все погрешности размеров элементов);

• в-третьих, ширина платы (во всяком случае, в области USB-разъема) у нас должна быть не более 26мм. Такую ширину требуется выдерживать на расстоянии до 15,5мм от лицевой стороны панели, в дальнейшем плата может быть расширена в соответствии с размерами используемого корпуса.

И с учетом этих трех условий, контур печатной платы относительно USB-разъема будет располагаться так:

Обратите внимание на расширение платы с 26мм до 37мм. Как и указывалось ранее, ширина платы должна составлять 26мм на участке длиной 15,5мм от лицевой стороны панели устройства для того, чтобы установке модуля не мешали крепежные стойки корпуса. Далее плата при необходимости вполне может быть расширена под размеры конкретного корпуса. Размер 37мм на приведенном рисунке соответствует максимально допустимой ширине платы для корпуса G1031B и приведен только в качестве примера. В дальнейшем про это расширение будем просто помнить, на чертежах же его показывать не будем, дабы не занимать лишнее место пустотой.

Теперь нам надо разместить на плате допиленные стойки. Исходить будем из двух факторов: во-первых, стойки, естественно, должны влезть на плату, а во-вторых – при условной нулевой толщине панели край стоек должен быть вровень с мордой USB-разъема (что тоже, вроде как не нуждается в объяснении):

Как видим, стойки еле-еле влезли на плату. Для этого пришлось придвинуть их вплотную к USB-разъему. В данном случае это вполне допустимо, поскольку размеры всех элементов я изначально загрубил в бо́льшую сторону (на картинке это отображено): ширина USB-разъема взята равной 12,5мм вместо номинальных 12,04мм и 12,29 максимальных, а ширина стоек – 6,5мм вместо номинальных 6,2мм и максимальных 6,3мм. Поэтому в реальной жизни между стойками и разъемом в любом случае будет присутствовать зазор (0,38мм при номинальных размерах элементов и 0,15мм – при максимальных). Ну а самое главное на приведенном рисунке – расстояние от опорной точки до центров отверстий под допиленные стойки при нулевой толщине панели: вбок нам надо будет отступить на 9,5мм, а вверх – на 4,7мм.

Двигаемся дальше. Понятно, что панель с нулевой толщиной нас мало интересует – такого в природе просто не бывает. Поэтому для того, чтобы унифицировать плату под все допустимые толщи́ны панелей, я поступаю так: от отверстия, соответствующего нулевой толщине, сверлю еще пять дырок с шагом 1мм:

Смысл этих дополнительных отверстий, думаю, ясен. С увеличением толщины панели плата и USB-разъем, условно говоря, будут «стоять на месте» (т.к. морда разъема при любой толщине панели должна быть примерно вровень с ее лицевой стороной), а вот крепежные допиленные стойки будут сдвигаться вверх по чертежу как раз на толщину панели:

Поэтому под конкретную толщину панели для крепления допиленных стоек нам просто нужно будет рассверлить соответствующие отверстия по обеим сторонам USB-разъема. Например, для панели толщиной 3мм рассверливаются вот эти дырки:

Отмечу, что для удобства работы на печатной плате в области дополнительных дырок обязательно должна присутствовать маркировка, указывающая, какая дырка какой толщине панели соответствует.

Принятый диаметр дополнительных дырок и их шаг обусловлен лишь технологическими возможностями производителя печатных плат (я работаю с контрой «Резонит»). Минимальное расстояние между краями отверстий у него составляет 0,25мм, и именно отсюда получаем максимально возможный диаметр отверстия 0,7мм при их шаге 1мм. Если же плата делается самостоятельно, то можно вообще просто разметить дополнительные отверстия на фольге (т.е. обозначить на чертеже их центр), а рассверливать впоследствии только те, которые нужны. При этом шаг между дырками можно сделать не 1мм, а 0,5мм, что позволит в дальнейшем более точно совместить морду USB-разъема с лицевой стороной панели (см. выше про дробные толщины панелей):

Далее определим «запретные зоны», т.е. области, в которых нельзя располагать компоненты и токопроводящий рисунок платы. Запрет этот связан с тем, что при разной толщине панели стойки будут «сдвигаться» относительно USB-разъема, и неплохо бы данный факт учесть еще на этапе проектирования (а то обычно про это забывают и вспоминают только тогда, когда модуль уже нужно устанавливать в корпус). Кроме того, стойки будут прикручиваться снизу платы винтами М3, а у любого винта кроме собственно стержня с резьбой есть еще и башка, и диаметр этой башки всегда больше диаметра резьбы.

Начнем со стороны деталей или «ТОР» (это та, на которой расположен сам корпус разъема USB). Тут всё просто – запретная зона полностью определится расположением допиленной крепежной стойки на плате при толщине панели 5мм. Дальше этого положения стойка просто не сможет сдвинуться. Ну а со стороны фольги («ВОТТОМ») запретная зона будет определяться диаметром бошек винтов, которыми плата привинчивается к допиленным стойкам, при условии установки их в крайние дырки – «0мм» и «5мм». Отметим, что согласно ГОСТ 1491-80 («Винты с цилиндрической головкой классов точности A и B») диаметр полусферической башки для винтов М3 должен быть равен 5,5мм (с запасом возьмем 6мм). Поэтому в итоге получим именно такое расположение и форму запретных зон для рассматриваемого примера, как показано в резюме.

Осталось разместить светодиоды. С точки зрения установки модуля на панель нас интересуют именно трухольные светики, а не SMD, ибо на морду дывайса без геморроя можно вывести только их. Повторюсь – диаметр выводных светодиодов я беру равным 3мм (ибо 5мм-вые уж больно здоровые):

Сразу отмечу, что располагать светики придется со стороны фольги. Для SMD-светодиодов в случае односторонней платы тут, собственно, других вариантов и нет, а для трухольных – на стороне деталей у нас находятся довольно габаритные стойки и USB-разъем, поэтому длины́ выводов светодиодов в общем случае тупо не хватит, чтобы «дотянуться» от панели устройства до платы. Ну и не забываем о том, что выводные светодиоды могут быть съемными, т.е. не просто тупо впаиваться в плату, но и втыкаться в цанговые разъемы SCSL-02.

Отметим, что выводы цанговых разъемов не могут торчать со стороны деталей – они должны устанавливаться заподлицо, чтобы не мешать USB-разъему и прикручиваемым стойкам.

Итак, светодиодов у нас может быть три штуки: один для индикации питания USB-модуля и два пользовательских. На панели располагать светики будем в один ряд: питательный разместим посередине, а пользовательские – по краям. Это сделано не просто так: в случае, когда пользовательские светодиоды не выводятся на панель (например, для экономии), ее общий вид всё равно останется «красивым», ибо индикатор питания останется посередине USB-разъема, а не будет одиноко висеть где-то сбоку. Также введем условие – по ширине светодиоды не должны выходить за пределы области, занимаемой USB-разъемом и винтами, которыми допиленные стойки крепятся к панели дывайса. Введение данного ограничения обусловлено тем, что в общем случае панель прибора может быть скомпонована довольно плотно, и лишнего места на ней просто тупо не будет. С другой стороны, USB-разъем и крепежные винты в любом случае будут занимать соответствующее пространство на панели. Поэтому введя вышеупомянутое условие мы по максимуму используем место, которое закреплено за USB-модулем «по праву».

Расчеты начнем с того, что вспомним: светодиоды могут как торчать из панели («открытая» подсветка), так и подсвечивать изнутри нее пиктограммы/надписи на лицевой наклейке («скрытая» подсветка). И при проектировании универсального решения нам надо учесть оба варианта. С первым случаем всё понятно – светодиод на панели будет занимать область, полностью соответствующую габаритам его корпуса. Максимальный габарит в данном случае – это диаметр «юбки» светодиода (3,85+0,5мм в соответствии с даташытом). А вот со вторым случаем всё не так однозначно. Дело в том, что размеры пиктограммы, освещаемой светодиодом на наклейке, обычно превышают размеры его морды (ибо в кружочке с диаметром 3мм особо ничего и не нарисуешь). Поэтому диаметр дырки под светик должен быть больше диаметра его самого́. Лично я стараюсь умещать пиктограммы в круг диаметром 6мм, поскольку картинки бо́льших размеров, на мой взгляд, выглядят довольно громоздко. Отсюда мы можем сделать вывод, что максимальная область, которая должна быть отведена на панели под светодиод – это круг диаметром 6мм. А с учетом того, что ширина печатной платы в области морды USB-разъема у нас составляет 26мм, расстояние между центрами дырок под пользовательские светодиоды, расположенные по краям, будет равно 26-2*(6/2)=20мм.

Далее прикинем высоту, на которую светодиод может возвышаться над платой. Очевидно, что если светики втыкаются в цанговые разъемы, то ниже этих разъемов они располагаться не могут (без особых ухищрений). Поэтому, учитывая высоту цанговых разъемов, мы можем сказать, что без учета погрешностей размеров элементов минимальная высота светодиода над платой составит 7,4-1,5+0,5/2=6,15мм (здесь 1,5мм – толщина печатной платы, а 0,5мм – толщина вывода светика):

(средний светодиод на рисунке). Однако, это именно минимальная высота. В реальности же никто не мешает возвысить светодиод над платой хоть на 11мм, хоть на 15мм (ибо длина его выводов вполне позволяет это сделать). У меня исторически сложилось так, что высота центра светодиода относительно платы составляет 6,5мм – взят лишь небольшой запас на погрешности размеров элементов (левый светодиод на рисунке). Но это, обратно, именно у меня, т.к. мне часто приходится вставлять USB-модули в маленькие/низкие корпуса́ и при этом приходится экономить каждый миллиметр по высоте. А на какое расстояние от платы отодвинете светодиод лично вы – решать только вам.

Кстати, если высота панели не позволяет возвысить светодиоды над платой даже на 6,5мм, можно отказаться от использования цанговых разъемов. В этом случае расстояние между центром линзы светика и платой получится уменьшить вплоть до 2,2мм (определяется диаметром «юбки»), правда выглядеть это будет совсем уж куце. Лично я в данном случае делаю расстояние от платы до центра светодиода равным 3,5мм – это и смотрится достойно, и дырки диаметром 6мм в панели делать позволяет (когда надо подсвечивать значки на наклейке, т.е. использовать «скрытую» подсветку):

Ну и последний штрих: надо определиться, где на плате можно расположить дырки под светодиоды. Тут будем отталкиваться от случая, когда морда светика не торчит из панели, а освещает пиктограммы на лицевой наклейке, поскольку при этом корпус светодиода максимально приближен к плате. Для торчащей же морды мы сможем просто увеличить длину выводов светика.

Итак, для «скрытой» подсветки нужно, чтобы светодиод был углублен в панель. Предельный случай – это когда край линзы светика находится в одной плоскости с мордой USB-разъема. Однако рекомендую не рисковать подобным образом – из-за всяких неидеальностей установки деталей и кривизны панели легко может получиться так, что линза светодиода вылезет за панель (т.е. будет из нее торчать) и на наклейке мы будет наблюдать убогие и никому не нужные бугорки. Поэтому с самого начала с запасом углубим светик в панель на 0,5мм. Дальше смотрим габариты корпуса светодиода: согласно даташыту, максимальная его длина в самом херовом случае будет составлять 5,3+0,5=5,8мм. Ну и далее обратим внимание на то, что выводы трухольных светодиодов как при непосредственном монтаже на плату, так и при установке в цанговые разъемы должны быть загнуты. При этом просто тупо загибать ноги вплотную к корпусу негоже – расстояние между выводами и корпусом будет сильно гулять. Поэтому гнуть лапы рекомендую через какую-нибудь оправку/прокладку. Лично я в качестве таковой использую кусок обычного текстолита толщиной 1,5мм (думаю, подобное решение подойдет для любого радиолюбителя – ненужных обрезков от плат обычно остается целая куча). Фотки загнутых подобным образом лап есть в резюме.

Отмечу, что загибание выводов светодиода через прокладку толщиной 1,5мм имеет еще одно важное свойство: при таком подходе корпус светика заведомо не будет мешаться при его вставке в цанговый разъем. При малой высоте передней панели это бывает очень важно, ибо не отжирает дополнительные миллиметры. Ну а мы теперь можем прикинуть, какое расстояние будет между краем линзы светодиода и местом изгиба его выводов (а значит, и центрами отверстий в плате под светик). Расстояние это составит в самом худшем случае 5,8+1,5+0,5/2=7,55мм:

На приведенном рисунке красным цветом выделены максимально возможные размеры, черным – номинальные. Также здесь проиллюстрировано вышеупомянутое свойство изгибания ног светика через кусок текстолита.

С учетом вышеизложенного минимально возможное расстояние от морды USB-разъема до центров дырок под светодиод составляет 0,5+7,55=8,05мм, а от опорной точки, соответственно, эти центры могут отстоять максимум на 10,3-8,05=2,25мм:

Величина 2,25мм – это именно максимум, который нельзя превышать. В своих платах я использую округленное значение 2,0мм (ну, кроме самых древних, на которых рассматриваемая реализация крепления USB-разъема еще только обкатывалась).

На последнем рисунке красным цветом обозначен светодиод с максимально возможной длиной корпуса, а синим – с минимально возможной. Необходимость рассмотрения «минимального» случая связана с тем, что при слишком большом заглублении светодиода его излучение может засвечивать не только нужную пиктограмму на лицевой наклейке панели, но и соседние. Из рисунка видно, что в нашем случае подобной засветки на дырках диаметром 6мм наблюдаться не будет (кстати, рассмотрен угол свечения диода аж 60° вместо 30°, характерного для ярких светиков). Таким образом, рассмотренная конструкция гарантированно позволяет использовать «скрытую» подсветку передней панели. Ну а для «открытого» варианта (это когда морды светодиодов торчат из панели) нам нужно просто увеличить длину выводов светодиода между его корпусом и местом изгиба. Тут я особо не измудряюсь и просто гну ноги светика не через один кусок текстолита, а через три, склеенных в одну пачку. Толщина такой оправки, соответственно, получается не 1,5мм, а 1,5х3=4,5мм. Расстояние от края линзы до центров отверстий под светодиод при этом составляет от (5,3-0,5)+4,5+0,5/2=9,55мм до (5,3+0,5)+4,5+0,5/2=10,55мм. Ну а после установки таких светиков на плату и прикручивания ее к панели дывайса, картина будет выглядеть следующим образом:

Видим, что для «открытых» светодиодов предложенная конструкция тоже более чем подходит – светики торчат на 1,25…2,25мм (чего вполне достаточно), их юбки не упираются в панель и в запретную зону ничего не залазит. Поэтому расположим дырки под светодиоды на плате так:

Обращаю внимание, что на этом чертеже изображено расположение дырок, которое использую лично я. В общем же случае никто не мешает для каждой конкретной платы расположить отверстия под светики по-своему (главное – не залезать в запретные зоны и помнить о наличии других дырок, например, под USB-разъем), да и выводы их тоже можно загибать по-разному. Однако, есть несколько общих рекомендаций относительно светодиодов на плате, которые лучше соблюдать при проектировании. Для удобства сведем их в отдельный список (некоторые пункты из этого списка ранее уже́ были озвучены):

• при «скрытой» подсветке расстояние от морды USB-разъема до центра дырки должно быть не менее 7,55мм;

• лучше сразу предусмотреть возможность установки на плату как трухольных, так и SMD светодиодов (этого можно достичь, например, соответствующей квадратной формой падов);

• дырки на плате для всех светодиодов лучше располагать на одной линии (так можно будет использовать для загиба выводов светиков одну и ту же оправку);

• полярность у всех светодиодов тоже лучше делать одинаковую (например, все «плюсы» смотрят вправо), чтобы не думать и не путаться при их монтаже на плату. Отмечу, что лично у меня это ни разу не получилось;

• поскольку светодиоды монтируются со стороны фольги, крайне рекомендую пятаки под светики делать как можно более могучими, чтобы обеспечить максимальную механическую прочность соединения (т.е. чтобы пятаки от платы оторвать было как можно сложнее);

• диаметр дырок под светодиоды весьма и весьма желательно делать равным 0,6мм. Такое отверстие и «голую» ногу светодиода нормально вместит, и, главное, плотно обхватит выводы цангового разъема. В результате эти разъемы надо будет просто воткнуть в плату и запаять, особо ни о чем не парясь. А вот если сделать дырки больше, разъем в них будет болтаться, поэтому установить и впаять его вертикально будет не так-то просто.

Вот и вся наука. На этом разрешите закончить. И так: хотел накропать лишь небольшую обзорную заметку, а получилось как всегда (да еще эти картинки, в рот их ети́).

А на сегодня всё. Желаю удачи при креплении USB-модулей на переднюю панель!

Обсудить эту заметку можно здесь